Статья взята с сайта ЯП, автором которой является RuLex777, ссылка.
Большой взрыв и стадия инфляции.
Я сейчас не буду останавливаться на том, что большой взрыв это и не взрыв вовсе, да и произошел он не в точке, а везде, да и был он далеко не первой стадией эволюции вселенной. До большого взрыва была стадия инфляции, длилась она не сильно долго, и в этой стадии во вселенной еще не было никакой материи. Просто само пространство-время под действием некоего поля начало быстро расширяться, сильно быстрее скорости света, правильнее сказать экспоненциально. А затем, расширившись вся эта энергия, так называемого инфлатонного поля преобразовалась в материю, как говорят космологи совершила фазовый переход. И вот именно с этого момента и начинается большой взрыв. Т.е. материя появляется, расширяется и остывает.
Возникает вопрос - откуда мы это знаем? А знаем мы это из наблюдений за нашей вселенной и за реликтовым излучением. Дело тут в том, что без стадии инфляции у вселенной не было бы возможности обменяться сигналами между ее краями, без этой стадии у нас вселенная не была бы такой изотропной и однородной по всем направлениям. Так что необходимость стадии инфляции происходит именно из наблюдаемых свойств вселенной.
Дальше во вселенной начинают появляться всевозможные поля и частицы, мы даже примерно знаем какой была наша вселенная на самом раннем ее этапе. Дело в том, что когда вселенная образовалась, у нее была стадия при которой температуры хватало для протекания термоядерных реакций, т.е. вся вселенная была по своим параметрам похожа на ядро звезды, и, зная это, можно посчитать, что из первичных протонов и нейтронов у вас, после окончания этой стадии, во вселенной получится примерно 75% водорода и 25% гелия, все остальное тоже будет, но в очень небольших количествах.
Следующей интересной стадией развития нашей вселенной стала ее проницаемость для света, произошло это через 380 000 лет после большого взрыва. До этого температура вселенной была слишком высока, около 3000К и вся материя состояла из ионизированного газа, т.е. у атомных ядер отсутствовали электроны, а сами электроны свободно летали по вселенной. Соответственно такое состояние для света не прозрачно, т.к. каждый фотон натыкается на свободный электрон и переизлучается, т.е. на выходе мы получаем уже не тот фотон, что был на входе. После того как вселенная остыла и электроны прикрепились к ядрам водорода и гелия, она стала прозрачна для излучения.
Именно эти фотоны, освобожденные в момент рекомбинации мы и видим в качестве фотонов реликтового излучения.
Однако продолжим.
Сначала образовались первые массивные звезды, по массе 100-200 масс солнца, они быстро сгорели, и повзрывались, для нас это был очень полезный процесс, так как именно в сверхмассивных звездах и могут протекать термоядерные реакции в которых образуются более тяжелые элементы. И живут такие звезды не долго, не более нескольких сотен млн. лет. Так что радуйтесь, практически все что нас окружает когда-то было звездой и весело взорвалось.
Первые 5 млрд. лет вселенная расширялась с замедлением, т.е. ее массы и плотности вполне хватало, чтобы гравитационное поле замедляло разлет галактик, а вот затем произошло то, о чем мы узнали совсем недавно. О том, что мало того, что вселенная все еще расширяется, так она еще и делает это с ускорением.
Ну вот, галлопирующий курс астрофизики ранней вселенной подошел к концу и теперь можно приступить к самому интересному, темной материи и темной энергии.
Начнем с общего обзора.
На данный момент вселенная состоит из барионного вещества, барионное это как раз все что нас с вами окружает, атомы, молекулы, электроны, нейтрино, звезды, свободный водород и т.д.
Всего этого во вселенной примерно 4,5%
Темное вещество – 22%
Темная энергия – 73%
Темное вещество.
Во первых давайте разберемся, что это такое.
Мы понятия не имеем, что это за чудо – темное вещество, так как его никто и никогда не видел! На большом адронном коллайдере его не регистрировали, да и вообще нигде не регистрировали, но мы знаем, что оно есть и, примерно, представляем его свойства.
Итак, что же нам указывает на его наличие:
Во-первых: Скорость вращения галактик.
Тут придется повспоминать астрономию. В нашей солнечной системе все вращение планет вокруг солнца происходит в четком соответствии с законами Келпера, из которых следует, что чем дальше планета от солнца, тем медленнее она движется по своей орбите. То же самое мы бы должны были наблюдать и в галактиках, чем дальше звезда от центра галактики, тем медленнее она вокруг него вращается и скорость этого вращения опять же спадает по вполне известному закону. Но вот беда, сколько мы на галактики не смотрим получается, что скорости звезд не только не спадают так как надо, но еще и в некоторых случаях растут. А может возникать такой эффект только если в галактике массы значительно больше и распределена она не только в видимой части галактики, но и за ее пределами.
Во-вторых: Есть такой эффект – называется гравитационное линзирование, это когда мы видим свет от очень далекой галактики, который искривляется под действием гравитационного поля скопления галактик, которое находится между нами и далекой галактикой, чей свет проходит через линзу. Гравитационное поле скопления галактик в данном случае выступает в качестве линзы. При этом по светимости скопления мы можем посчитать его массу и ее опять же не хватает для того, чтобы получить наблюдаемый эффект.
В третьих: мы видим, что массы барионного вещества во вселенной слишком мало, для того, чтобы у гравитации хватило времени скомковать всю материю так, чтобы появились, звезды, галактики и скопления галактик, т.е. должна быть еще некоторая скрытая масса, которая образует крупномасштабную структуру вселенной, группируется и натягивает на себя обычное вещество. Это очень хорошо демонстрируют как компьютерные модели, так и наблюдательные данные по распределению галактик и их скоплений на небе. Так что без темной материи, нас бы с вами точно не было, так как у вселенной не хватило бы времени на то чтобы сгруппировать материю в звезды и галактики, я уже не говорю про планеты и на с вами.
Почему оно темное и почему вещество:
Дело в том, что все вышеперечисленные эффекты проще всего объяснить некоторым веществом, которое не состоит из протонов, электронов, нейтронов и т.д. Но при всем при этом участвует в гравитационном взаимодействии, т.е. имеет массу.
Что мы еще о нем знаем: Темное вещество не участвует в электромагнитном взаимодействии, иначе мы бы его могли наблюдать. Темное вещество плохо остывает и замедляется, в следствии чего оно может образовывать большие структуры, но не может, к примеру, замедлиться и скомковаться в аналог планеты или звезды. Скорее всего частицы темного вещества и друг с другом взаимодействуют достаточно плохо или не взаимодействуют совсем.
Ну вот с одной фиговиной вроде примерно разобрались. Переходим к темной энергии.
ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ.
Тут все еще веселее. Дело в том, что в далеком 1929 году, некто Эдвин Хаббл, кстати его именем назван телескоп, который клевый снимки космоса делает, заметил, что все галактики удаляются от нас, и, чем дальше галактика, тем быстрее от нас она летит. Правда Хаббл в своих расчетах слегка ошибся, но суть явления он описал правильно. И примерно до 1990-х годов все думали, что вселенная расширяется, но под действием гравитации делает это с замедлением.
А вот фигушки. В 1990-х было открыто ускоренной расширение вселенной. Т.е. все галактики и скопления не только разлетаются, кстати они улетают не от нас, а просто разбегаются относительно друг друга во все стороны, но и делают это с ускорением.
Как это открыли:
Дело в том, что в космосе есть объекты, которые называют – стандартная свеча. Это взрыв сверхновой типа 1А. Его свойства таковы, что где бы не произошел этот адский бабах, он всегда происходит с одной и той же силой. Представьте, что у вас есть много одинаковых атомных бомб, одну вы взорвали в километре от себя, дай вам бог здоровья, а другую в 1000 километров от себя, вполне понятно, что если они одинаковы, то от той, что находится дальше в 1000 раз вы получите сильно меньшее количество света, и по этому количеству сможете очень точно посчитать расстояние до взрыва. То же самое и со стандартными свечами, видя взрыв такой звезды, даже если он произошел очень далеко, вы можете посчитать расстояние до нее, а по красному смещению, вы сможете посчитать скорость, с которой эта звезда удаляется от вас. И получается, что далекие звезды сваливают от нас со скоростью сильно больше, чем предсказано законом Хаббла. Как следствие есть сила, которая отвечает за ускоренное расширение вселенной. И как только мы добавляем эту силу – темную энергию, все начинает получаться как надо и наблюдаемые параметры вселенной начинают совпадать с расчетными.
Теперь почему она темная. Опять же по той же причине, что и темное вещество, потому как мы понятия не имеем, что же это такое на самом деле. Есть конечно несколько предположений, к примеру, что темная энергия - это остаток того самого инфлатонного поля, которое отвечало за инфляционное расширение вселенной до большого бабаха.
Кстати, темная материя и темная энергия — это не связанные вещи, т.е. не темная материя генерирует темную энергию и не темная энергия отвечает за темную материю.
Что нас ждет:
Дело в том, что на данный момент, мы плохо представляем себе как будет происходить эволюция вселенной в далеком будущем, смениться ли стадия ускоренного расширения, на расширение замедленное, схлопнется ли вселенная обратно в сверхплотное состояние, или будет вечно расширяться удаляя от нас другие скопления галактик. А возможно темная энергия будет со временем нарастать и мы столкнёмся с большим разрывом, когда сначала от нас улетят все скопления галактик, затем галактики, звезды. После этого темная энергия достигнет экстремальных значений и разорвет все к чертям, и солнечную систему, которой правда к этому времени и так не будет, и планеты, и даже нас с вами, ну а под конец еще и элементарные частицы из которых мы состоим. И станет вселенная безжизненна и пуста.
Мы не знаем.
Плоская вселенная
Теперь, под конец данного опуса перейдем, как мне кажется, к самому интересному, хотя и самому сложному для понимания моменту. К тому следствию, что находится после определения состава вселенной. А именно к тому, что наша вселенная с высокой степенью точности – плоская. Т.е. имеет нулевую кривизну на больших масштабах. Это означает, что, измеряя углы треугольника на этих самых больших масштабах сумма углов будет равна 180 градусам.
Если бы массы и энергии во вселенной было больше, то кривизна вселенной была бы положительной и сумма углов треугольника была бы больше 180 градусов, в принципе это можно представить, как гипершар, а если бы была меньше, то кривизна была бы отрицательной, вселенная имела бы форму седла и сумма углов треугольника была бы меньше 180 градусов. Кстати можете нарисовать треугольник на глобусе и померять его углы.
Эти замеры углов конечно нужно производить на больших масштабах, там, где кривизна пространства от наличия галактик и их скоплений будет уже не так заметна.
Замеры показывают, что с высокой точностью плотность материи и энергии во вселенной такова, что в пределах ошибки измерений наша вселенная - плоская.
Но вот в чем штука, если мы изменим состав вселенной, т.е. добавим барионной материи или темного вещества, изменим количество темной энергии, то вселенная перестанет быть плоской.
И тут мне в голову пришла мысль, а что если мы путаем причину и следствие, если вселенная плоская не из-за наличия темной энергии, а темная энергия появляется в следствии стремления вселенной к тому, чтобы быть плоской?
И это достаточно многое объясняет, к примеру наличие инфляции. Представим, что вселенная в момент своего появления имела большую кривизну, и именно инфляция была реакцией на чрезмерную кривизну пространства.
Правда и в этом случае остается вопрос: а почему вселенная стремится быть плоской?
