Сергей Парновский - Как работает Вселенная: Введение в современную космологию

Космологи используют выражение «стандартная космологическая модель» для названия модели, которая наиболее адекватно описывает эволюцию нашей Вселенной. Но в разное время они подразумевали при этом разные модели. Полвека назад это были три модели Фридмана с некоторыми дополнительными деталями, разработанными Георгием Гамовым и его коллегами. Теперь под этими словами мы подразумеваем расширяющуюся Вселенную с темной энергией, или космологической постоянной, и практически пылевидной материей, которая включает в себя как обычное вещество, так и какой-то таинственный вид материи, называемый темной материей. В главе 4 мы опишем все, что сейчас известно о темной материи.

Современная стандартная космологическая модель названа ΛCDM-модель (произносится лямбда-си-ди-эм). При этом греческая буква Λ означает космологическую постоянную, а аббревиатура CDM обозначает cold dark matter, т. е. холодную темную материю. Вместе эти две загадочные компоненты обеспечивают 95 % содержания нашей Вселенной. Эта модель объясняет все известные эмпирические факты и не имеет никаких противоречий с астрономическими данными. Маловероятно, что эта модель принципиально изменится, и похоже, что дальнейший прогресс в технике наблюдений будет только обеспечивать все более точные значения ее параметров.

Мы предлагаем подробное описание этой модели в приложении А, потому что оно довольно длинно и содержит много математических выкладок, хотя и относительно простых. Оно содержит все формулы и оценки величин. Здесь же мы дадим краткое изложение результатов моделирования, используя новейшие наблюдательные оценки космологических параметров.

Вселенная родилась во время Большого взрыва 13,8×109 лет назад и расширяется до сих пор. Расширяться она будет вечно, или все закончится так называемым Большим разрывом (Big Rip), про который мы расскажем в разделе 5.2. Вселенная расширяется с ускорением с момента, когда ее масштабный фактор составлял 0,608 от его текущего значения, что соответствует красному смещению z = 0,645. Этот момент соответствует времени приблизительно 7,6×109 лет после Большого взрыва, или 6,2×109 лет тому назад.

На рис. 2.9 показано, как менялись с течением времени относительный масштабный фактор и постоянная Хаббла. Обратите внимание, что постоянная Хаббла бесконечна сразу после Большого взрыва, но, в отличие от плоской или открытой модели Фридмана, со временем стремится к постоянному ненулевому значению.

На рис. 2.10 показана зависимость красного смещения от времени. Как и постоянная Хаббла, красное смещение бесконечно при Большом взрыве.

На рис. 2.11 показано, как изменились с течением времени параметры плотности материи и темной энергии для плоской ΛCDM-модели. Так как их сумма в данном случае равна единице, этот график можно также рассматривать как изменение со временем массовой доли двух главных компонентов Вселенной.

Вопрос: В какую сторону изменяется постоянная Хаббла?

Ответ: Если бы не существовало космологической постоянной, то постоянная Хаббла непрерывно бы уменьшалась, как это получается из решения Фридмана. Если бы во Вселенной не было материи, но существовала космологическая постоянная, то, как следует из решения, полученного Виллемом де Ситтером в 1917 г., постоянная Хаббла была бы действительно постоянной. В реальной Вселенной, где присутствуют и материя, и космологическая постоянная, постоянная Хаббла уменьшается, но не достигнет нулевого значения.

Вопрос: Если галактики разбегаются из-за расширения Вселенной, почему мы не наблюдаем расширение пространства в пределах Солнечной системы?

Ответ: Приведем простую оценку. Критическая плотность Вселенной соответствует концентрации порядка 5 нуклон/м3, в то время как концентрация самого разреженного объекта Солнечной системы – солнечного ветра – на орбите Земли составляет в среднем около 8 нуклон/см3, что более чем в миллион раз больше. А между тем эта плотность является сверхглубоким вакуумом, недостижимым в лабораторных условиях. Средняя же плотность вещества в Солнечной системе на много порядков больше. Понятно, что влияние космологического расширения просто теряется на фоне колоссальных сил взаимного притяжения, действующих в Солнечной системе. Строго говоря, согласно оценкам, сделанным в 1998 г. Фредом Куперстоком с коллегами, влияние космологического расширения привело к тому, что за время существования Солнечной системы радиус орбиты Земли увеличился на 10–24 долю, т. е. на 150 фм, что меньше размера атома водорода.

Значение параметра Хаббла, полученное самим Хабблом, составляло около 500 (км/с)/Мпк, что примерно в 7 раз больше современной оценки. Ошибка была связана с неправильным определением расстояний до галактик. Дело в том, что расстояния в астрономии определяются довольно сложным образом. Нередко мы куда точнее знаем отношение расстояний до объектов, чем их абсолютные значения. Так, из закона Кеплера можно с большой точностью получить отношение диаметров орбит разных планет Солнечной системы. Однако для определения абсолютных величин нужно измерить расстояние до Солнца хотя бы одной планеты, например Земли. Поэтому астрономы ввели специальную единицу измерения расстояния, называемую астрономической единицей (а.е.), которая равна среднему расстоянию от Земли до Солнца. Через нее выражается парсек. В то время астрономы знали диаметры орбит планет Солнечной системы в астрономических единицах с куда большей точностью, чем значение самой астрономической единицы. Уточняя значение астрономической единицы (современная оценка 1 а.е. = 149 97 870,7 км), астрономы одновременно уточняли и абсолютные расстояния. Для внегалактической астрономии роль «линейки» играли расстояния, полученные по периодам изменения особого класса переменных звезд, называемых цефеидами. Именно они и использовались Хабблом для определения расстояния до галактик. Однако в то время было неизвестно, что существует несколько разных типов цефеид, причем цефеиды, наблюдавшиеся в других галактиках, были другого типа, чем те, которые использовались для определения масштаба расстояний в нашей Галактике. В результате оценки возраста Вселенной, основанные на значении постоянной Хаббла, полученной им самим, составляли всего пару миллиардов лет, что было меньше возраста некоторых геологических пород на Земле.