Строение и эволюция Вселенной

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 463.

Вселенная представляется человеку бесконечной, неизменной и вечной. Однако по современным представлениям это не так. Познакомимся с самыми важными фактами о строении Вселенной, кратко проследим ее эволюцию.

Строение Вселенной

Гипотезы о строении и эволюции Вселенной выдвигались еще в античности. Уже когда появилось учение Коперника многим интересующимся данной темой было ясно, что Земля — это лишь песчинка в огромном океане космоса. С развитием астрономии выяснили, что расстояние до максимально удаленных объектов Вселенной составляет приблизительно 45,7 млрд световых лет ($4.3×10^{23}$м). И в таких масштабах Вселенная имеет однородную нитевидную структуру. Вещество во Вселенной распределено в нитевидных сверхскоплениях галактик, области между которыми составляют размеры порядка нескольких миллионов световых лет и не имеют светящегося вещества.

Сверхскопление — это группа скоплений галактик, содержащая от двух до двадцати скоплений. Каждое скопление — это гравитационно-связанная система нескольких галактик, имеющая диаметр порядка десятков миллионов световых лет и массу порядка $10^{14}-10^{15}$ солнечных масс.

Рис. 1. Крупномасштабная структура Вселенной.

Эволюция Вселенной

Изучение Вселенной показывает, что ее размер со временем увеличивается — Вселенная расширяется. Процесс расширения Вселенной начался 14 млрд лет назад из плотного компактного состояния в результате события, называемого Большим взрывом.

Планковская эпоха

Схема эволюции Вселенной такова. В самые ранние моменты жизни (от нуля до $ {10}^{-43} $с, планковская эпоха) вещество имело плотность порядка $ {10}^{97} $ кг на м³ и температуру порядка $ {10}^{32} $К. Квантовые эффекты преобладали над остальными, а все фундаментальные взаимодействия существовали в виде одного общего взаимодействия.

Ранние этапы эволюции Вселенной

Эта эпоха началась с отделения гравитации от общего электроядерного взаимодействия. Плотность вещества в эту эпоху упала до уровня $10^{74}$ кг на м³, а температура — до $10^{27}$К. Отделение гравитации привело к нарушению симметрии в молодой Вселенной и заложило основу для неоднородности в ней. Сама Вселенная в этот момент представляла кварк-глюонную плазму.

Ко времени $10^{-35}$с температура во Вселенной упала настолько, что свободные кварки и глюоны начали объединяться в адроны, в том числе в протоны и нейтроны — основу вещества будущей Вселенной. Сильное взаимодействие отделилось от электрослабого. Адроны обрели стабильность, причем одновременно существовали как частицы, так и античастицы.

Лишь ко времени $10^{-6}$с плазма охлаждается настолько, что частицы и античастицы начинают аннигилировать с образованием большого числа фотонов. Небольшое нарушение симметрии обусловило избыток вещества над антивеществом.

Далее по мере уменьшения плотности и температуры возникает возможность нуклеосинтеза: протоны объединяются в ядра, электроны занимают места в электронных оболочках. Этот процесс начинается примерно через 300 тыс. лет после Большого взрыва.

Современная эпоха

Нуклеосинтез завершается образованием во Вселенной 75 % водорода, 25 % гелия и следов других элементов. Ко времени 800 млн лет после Большого взрыва начинается эра вещества. Газ, заполняющий Вселенную, начинает образовывать неоднородности и сгустки. Средняя температура в это время во Вселенной опустилась до тысяч кельвинов, что недостаточно для ядерных реакций.

Однако по мере сгущения протозвездных облаков давление и температуры в их ядрах вновь начинают повышаться, что приводит к «зажиганию» термоядерных реакций, и во Вселенной появляются первые звезды. Звезды объединяются гравитацией и движением в галактики, те — в скопления галактик.

Что мы узнали?

Вселенная образовалась 14 млрд лет назад в результате Большого взрыва. По мере расширения плотность и температура падали, что привело к образованию вещества, облаков газа, а впоследствии и звезд. В самом крупном масштабе Вселенная имеет волокнистую структуру сверхскоплений и областей без излучающего вещества.