Расширение Вселенной

Тот факт, что Вселенная непрерывно расширяется ни у кого не вызывает сомнения. Но как долго будет продолжаться это расширение? И к чему оно, в конце концов, приведет?

Для описания возможных сценариев развития событий можно воспользоваться моделями Фридмана. Если говорить строго, то Фридман разработал только лишь одну модель, согласно с которой расширение Вселенной происходит с такой скоростью, что гравитационное притяжение, существующее между галактиками способно постепенно замедлить его, а затем  и полностью остановить. Вследствие этого, галактики начнут двигаться друг к другу, и Вселенная будет сжиматься. Это так называемая закрытая модель Вселенной.

Однако на основании фридмановских фундаментальных предположений существует возможность построить и другую модель – скорость расширения настолько велика, что гравитация никогда не сможет ее остановить, таким образом, разбегание галактик носит постоянный характер. Это открытая модель.

 

Модели Фридмана соотносятся не только с понятиями скорость и сила гравитации, но и со средней плотностью материи во Вселенной. Если Вселенная постоянно расширяется, то плотность материи постоянно уменьшается. До тех пор пока она меньше некоторой критической величины, расширение Вселенной будет продолжаться (открытая модель).

 

С другой стороны, если плотность материи станет больше все той же критической величины, тогда сила гравитации, порожденная ею, возрастет настолько, что станет способной искривить пространство и замкнуть его на себя, что приведет к сжатию.

 

 

В этом случае существует возможность того, что, сжавшись до сингулярного состояния, Вселенная начнет вновь расширяться, затем опять сожмется и т.д. В результате получится вечно существующая “пульсирующая Вселенная”.

Вид пульсирующей Вселенной Фридмана представлен на рисунке. В этом случае каждая точка сингулярности является не только концом предыдущего цикла, но и началом последующего.

В настоящее время считается, что значение критической плотности материи пропорциональна квадрату постоянной Хаббла и составляет             5 х 10-30 граммов на кубический сантиметр. Такая плотность  соответствует наличию трех атомов водорода на одну тысячу литров объема пространства.

Расширение Вселенной тесно связано с понятиями наблюдаемой Вселенной, горизонта частиц(1), радиусом Хаббла и некоторыми другими.

 

 

(1)      Не путать с горизонтом событий черных дыр!

Наблюдаемая Вселенная

 

Наблюдаемая Вселенная – понятие в космологии Большого взрыва, описывающее часть Вселенной, являющуюся абсолютным прошлым относительно наблюдателя. С точки зрения пространства, это область, из которой материя (в частности, излучение, и, следовательно, любые сигналы) успела бы за время существования Вселенной достичь нынешнего положения (в случае человечества – современной Земли), то есть быть наблюдаемой. Границей наблюдаемой Вселенной является горизонт частиц (космологический горизонт). Часть наблюдаемой Вселенной, доступной для изучения современными астрономическими методами, называется Метагалактикой. За пределами Метагалактики располагаются гипотетические внеметагалактические объекты. Метагалактика может быть как малой частью Вселенной, так и почти всей.

                                                                                    Википедия

Горизонт частиц

 

Горизонт частиц представляет собой расстояние до самого далекого источника, который в принципе может быть наблюдаемым в данный момент времени(2) (с учетом постоянного расширения Вселенной!). Фотоны, излученные объектами, находящимися за горизонтом частиц, никогда не смогут достичь Земли (наблюдателя), то есть они для нас не могут стать видимыми.

 

 

(2) Речь идет о расстоянии до объекта в момент приема фотона наблюдателем, а не в момент его излучения объектом.

Радиус Хаббла (сфера Хаббла) – область расширяющейся Вселенной, окружающая наблюдателя, за пределами которой объекты удаляются от наблюдателя со скоростями большими, чем скорость света(3).

 

(3) Это не противоречит Теории Относительности, согласно с которой скорость не может превышать световую. Но в этом случае речь идет не о скорости объекта, а о скорости расширения пространства, которая может быть любой.

Однако, наблюдатель в настоящий момент времени способен принимать излучение от объектов, уже находящихся вне пределов радиуса Хаббла, поскольку излучение от них было испущено в нашу сторону огромное количество лет тому назад, а мы принимаем только сейчас. За это время сами источники излучения, удалились от Земли на очень значительные расстояния и могли покинуть сферу Хаббла. При этом они остаются в пределах горизонта частиц.

 

 

Не следует путать “сферу Хаббла” с наблюдаемой Вселенной, так как последняя подразумевает значительно бо́льшую область пространства. Это происходит вследствие того, что Вселенная расширяется с ускорением и значительно превосходит по скорости расширение сферы Хаббла.

Таким образом, размер наблюдаемой Вселенной можно условно разделить на две области:

- видимый размер, соответствующий радиусу Хаббла, который в стандартной космологической модели равен 13,8 млрд. световых лет (возраст Вселенной умноженный на скорость света).

 

- реальный размер, ограниченный горизонтом частиц – 46,5 млрд. световых лет.

В 1998-1999 годах международными группами астрономов – наблюдателей под руководством  Б.Шмидта, А.Райнеса, С.Перлмутера(4) был установлен факт того, что наша Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением.

 

 

(4) За это они были удостоены Нобелевской премии. 

После Большого взрыва в течении многих миллиардов лет Вселенная расширялась равномерно (даже несколько замедляясь), как бы по инерции. Однако, в возрасте приблизительно 7 млрд. лет Вселенная начала расширяться ускоренно.

 

Решающая роль в этом ускорении принадлежит темной энергии.

 

С одной стороны, в процессе равномерного расширения Вселенной суммарная плотность барионного и темного вещества постепенно уменьшалась. С другой – плотность темной энергии постоянно возрастала. Дело в том, что плотность темной энергии не уменьшается при  расширении пространства, которое она заполняет. Если Вселенная расширяется, значит, увеличивается пространство Вселенной, следовательно, возрастает и суммарное количество темной энергии.

Таким образом, неизбежно наступает момент, когда темная энергия начинает преобладать во Вселенной.

 

Поскольку темная энергия имеет отрицательное давление, то она порождает отталкивание (антигравитацию), что и вызывает расширение. В процессе расширения образуется все новое и новое пространство, которое немедленно заполняется темной энергией, и ее суммарное количество продолжает возрастать. Этот феномен и лежит в основе ускоренного расширения Вселенной.

Скорость расширения Вселенной можно оценить с помощью постоянной Хаббла.

 

 

Постоянная Хаббла - коэффициент,  входящий в закон Хаббла, который связывает расстояние до внегалактического объекта со скоростью его удаления. В моделях расширяющейся Вселенной постоянная Хаббла изменяется со временем, а смысл термина “постоянная” - в том, что в каждый данный момент времени во всех точках Вселенной величина этой постоянной одинакова.

По данным 2016 года величина постоянной Хаббла составляет     66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк(5). Это означает, что галактики, удаленные от Земли на расстояние 1 миллиарда световых лет, убегают от нас со скоростью приблизительно равной  20 500 километров в секунду.

 

(5) Мпк – мегапарсек, миллион парсек.

 

 

С увеличением расстояний скорость “убегания” пропорционально возрастает.