Космологическая модель Вселенной — это модель, описывающая развитие вселенной как единого целого, математическое описание, которое пытается объяснить причины её нынешнего существования.
В настоящее время в комплекс моделей, которые лучше всего объясняют наблюдаемые явления входят:
• Теория большого взрыва — описывает химический состав Вселенной
• Теория стадии инфляции — обьясняет причину расширения
• Модель расширения Фридмана — описывает расширение
• Иерархическая теория — описывает крупномасштабную структуру
Теория большого взрыва и Модель расширения Фридмана являются доминирующими теориями, Теория стадии инфляции признана многими, но широко обсуждается учёными, а иерархическая теория поддерживается многими теоретиками, но имеет большие проблемы в последнее время.
Модель расширения Фридмана — первая из нестационарных моделей Вселенной. Она удовлетворяет уравнениям ОТО(Общая теория относительности) и описывает однородную изотропную Вселенную с веществом, обладающую положительной, нулевой или отрицательной постоянной кривизной.
Так как уравнения ОТО, описывающие эволюцию Вселенной слишком сложны, чтобы решить их в деталях, Фридман предложил принять два простых допущения:
1. Вселенная выглядит одинаково во всех её направлениях
2. Это условие справедливо для всех её точек
На основе двух этих предположений можно построить три разные модели:
В первой расширение происходит настолько медленно, что гравитационное притяжение между галактиками постепенно замедляет его, а потом и останавливает. После этого галактики тогда начинают двигаться друг к другу, и Вселенная сжимается. Расстояние между двумя соседними галактиками сначала возрастает от нуля до некоторого максимума, а затем вновь уменьшается до нуля.
Особенностью этой модели является то, что Вселенная не бесконечна в пространстве, но пространство не имеет границ и замыкается само на себя. В этой модели пространство имеет не 3 измерения, а 4. Четвёртым является время — оно обладает конечной протяженностью, но его можно уподобить линии с двумя краями, началом и концом.
Во второй модели скорость расширения настолько велика, что тяготение никогда не сможет его остановить. Разделение соседних галактик в этой модели начинается с нулевого расстояния, а затем они разбегаются с постоянной скоростью.
В третьей модели скорость расширения Вселенной достаточна лишь для того, чтобы предотвратить обратное сжатие, или коллапс. В этом случае разделение также начинается с нуля и возрастает бесконечно. Однако скорость разлета постоянно уменьшается, хотя и никогда не достигает нуля.
Теория Большого взрыва (модель горячей Вселенной) — описывает химический состав Вселенной, отвечает на вопрос – каким образом образовались химические элементы и пошуми их распространённость именно такая, какую мы наблюдаем.
Согласно этой теории Вселенная изначально находилась в некотором сингулярном состоянии с бесконечной температурой и плотностью. Около 13,8 млрд. лет назад произошёл Большой взрыв, положивший начало существованию пространству и времени.
Правдоподобность теории подкрепляется многочисленным наблюдениями. Самое важное — красное смещение очень далёких галактик. Красные волны являются самыми длинными из волн в видимом спектре. Чем больше красное смещение, тем дальше находится объект и тем быстрее он удаляется. Измеряя красное смещение, учёные доказали, что Вселенная расширяется. Поскольку, при расширении большинство вещей становятся холоднее, было выдвинуто предположение, что изначально Вселенная была невероятно малой и очень горячей.
Но несмотря на значительные успехи, теория Большого взрыва сталкивается с рядом трудностей:
1.Если бы Большой взрыв вызвал расширение Вселенной, то могло бы возникнуть неоднородное распределение вещества, чего не наблюдается.
2.Теория не объясняет расширение вселенной, а принимает его как факт
3. Теория Большого взрыва не даёт никакой возможности говорить о чём-либо, что предшествовало этому моменту. Это сигнализирует о недостаточности описания Вселенной классической ОТО.
Инфляционная модель Вселенной.
Задача теории инфляции — дать ответы на вопросы, которые оставили после себя теория расширения и теория Большого взрыва: «Почему Вселенная расширяется? И что такое Большой Взрыв?» Для этого расширение экстраполируется на нулевой момент времени и вся масса Вселенной оказывается в одной точке, образуя космологическую сингулярность, часто её и называют Большим Взрывом. По всей видимости, общая теория относительности на тот момент уже неприменима, что приводит к многочисленным попыткам разработать более общую теорию, решающую проблему космологической сингулярности.
Основная идея инфляционной космологии состоит в том, что наша часть вселенной более-менее однородна потому, что изначальные неоднородности — квантовые флуктуации — сильно растянулись и увеличились со временем. Явные «дефекты», такие как монополи или границы вселенной, находятся от нас за горизонтом событий и мы не имеем возможности узнать про них.
Теория крупномасштабных структур.
Как показывают данные по реликтовому фону, в момент отделения излучения от вещества Вселенная была фактически однородна, флуктуации вещества были крайне малыми, и это представляет собой значительную проблему. Вторая проблема — ячеистая структура сверхскоплений галактик и одновременно сфероподобная — у скоплений меньших размеров. Любая теория, которая пытается объяснить происхождение крупномасштабной структуры Вселенной, в обязательном порядке должна решить эти две проблемы.
Современная теория формирования крупномасштабной структуры носит название «иерархическая теория». Суть теории сводится к следующему: вначале галактики были небольшими по размеру (примерно как Магелланово облако), но со временем они сливались, образуя всё большие галактики.
В последнее время верность теории поставлена под вопрос. В большой степени этому способствовал downsizing (термин, обозначающий феномен образования крупных галактик раньше мелких). Однако в теоретических исследованиях Иерархическая теория является доминирующей.
