Kosmološki modeli univerzuma: faze formiranja modernog sistema, karakteristike

Kosmološki model univerzuma je matematički opis koji pokušava objasniti razloge njegovog trenutnog postojanja. I takođe opisuje evoluciju tokom vremena.

Savremeni kosmološki modeli univerzuma zasnovani su na opća teorija relativnosti. To je ono što trenutno pruža najbolju predstavu za objašnjenje velikih razmjera.

Prvi naučno zasnovan kosmološki model svemira

Iz svoje teorije opšte relativnosti, koja je hipoteza gravitacije, Ajnštajn piše jednačine koje regulišu Kosmos ispunjen materijom. Ali Albert je mislio da bi trebalo biti statično. Tako je Ajnštajn u svoje jednačine uveo termin koji se zove konstantni kosmološki model univerzuma da bi dobio rezultat.

Nakon toga, uzimajući u obzir Edwin Hubble sistem, on će se vratiti ovoj ideji i prepoznati da se prostor može efikasno proširiti. Ovako svemir izgleda u kosmološkom modelu A. Einstein.

Nove hipoteze

Ubrzo nakon njega, Holanđanin de Sitter, ruski programer kosmološkog modela univerzuma Friedman i Belgijanac Lemaitre predstavljaju nestatične elemente stručnom sudu. Oni su neophodni za rješavanje Ajnštajnovih jednačina relativnosti.

Ako de Sitter Kosmos odgovara praznoj konstanti, onda prema Friedmanovom kosmološkom modelu, univerzum zavisi od gustine materije unutar njega.

Glavna hipoteza

Zemlja nema razloga da stoji u centru svemira ili na bilo kom privilegovanom mestu.

Ovo je prva teorija klasičnog kosmološkog modela univerzuma. Prema ovoj hipotezi, univerzum se smatra kao:

1. Homogen, odnosno ima ista svojstva svuda na kosmološkoj skali. Naravno, postoje različite situacije u manjem obimu, ako pogledate, na primjer, Sunčev sistem ili negdje izvan galaksije.
2. Izotropno, odnosno uvijek ima ista svojstva u svakom smjeru, bez obzira gdje osoba gleda. Štaviše, Kosmos nije spljošten u jednom smjeru.

Druga neophodna hipoteza je univerzalnost zakona fizike. Ova pravila su ista svuda i u svakom trenutku.

Razmatranje sadržaja svemira kao savršene tečnosti je još jedna hipoteza. Karakteristične dimenzije njegovih komponenti su beznačajne prije udaljenosti koje ih razdvajaju.

Macro parametri

Mnogi ljudi pitaju: "opišite kosmološki model univerzuma". Da bi to učinio u skladu s prethodnom hipotezom, Friedman-Lemaitre sistem koristi tri parametra koji u potpunosti karakteriziraju evoluciju:

• Hubble konstanta, koja predstavlja brzinu širenja.
• Parametar gustine mase, koji mjeri odnos između istraženog univerzuma i određene gustine, naziva se kritični p_c, povezan sa Hubbleovom konstantom. Trenutna vrijednost ovog parametra označena je sa Ω₀.
• Kosmološka konstanta označena Λ predstavlja silu suprotnu gravitaciji.

Gustina materije je ključni parametar za predviđanje njene evolucije: ako je vrlo neprobojna (Ω₀> 1), gravitacija će moći pobijediti širenje, a Kosmos će se vratiti u prvobitno stanje.

U suprotnom, povećanje će se nastaviti zauvijek. Da biste to provjerili, opišite kosmološki model svemira prema teoriji.

Intuitivno je jasno da osoba može ostvariti evoluciju kosmosa u skladu sa količinom materije u sebi.

Veliki broj će dovesti do zatvorenog univerzuma. Završiće se u svom početnom stanju. Mala količina materije će dovesti do otvorenog univerzuma sa beskonačnim širenjem. Vrijednost Ω₀ = 1 dovodi do posebnog slučaja ravnog prostora.

Značenje kritične gustine p_c je oko 6 x 10^-27 kg/^m3, , odnosno dva atoma vodonika po kubnom metru.

Ova vrlo niska brojka objašnjava zašto moderni kosmološki model strukture univerzuma pretpostavlja prazan Kosmos, a to i nije tako loše.

Zatvoreni ili otvoreni univerzum?

Gustina materije unutar svemira određuje njegovu geometriju.

Za visoku nepropusnost može se dobiti zatvoreni prostor sa pozitivnom zakrivljenošću. Ali sa gustinom ispod kritične, otvoreni Univerzum će izaći.

Treba napomenuti da zatvoreni tip nužno ima potpunu veličinu, dok ravni ili otvoreni univerzum može biti konačan ili beskonačan.

U drugom slučaju, zbir uglova trougla je manji od 180°.

U zatvorenom (na primjer, na površini zemlje) ta je cifra uvijek veća od 180°.

Sva mjerenja do sada nisu uspjela otkriti zakrivljenost kosmosa.

Kosmološki modeli svemira ukratko

Mjerenja fosilnog zračenja pomoću lopte bumeranga još jednom potvrđuju hipotezu o ravnom kosmosu.

Hipoteza o ravnom prostoru najbolje se slaže sa eksperimentalnim podacima.

Mjerenja koja su izvršili WMAP i Planckov satelit potvrđuju ovu hipotezu.

Tako bi univerzum bio ravan. Ali ta činjenica stavlja čovječanstvo ispred dva pitanja. Ako je ravna, to znači da je gustina supstance jednaka kritičnoj Ω₀= 1. Ali ... , najveći, vidljiva materija u svemiru čini samo 5% ove neprobojnosti.

Baš kao i sa rađanjem galaksija, potrebno je ponovo okrenuti tamnoj materiji.

Doba svemira

Naučnici mogu pokazati da je proporcionalna inverznoj Hubbleovoj konstanti.

Dakle, tačna definicija ove konstante je kritičan problem za kosmologiju. Nedavna mjerenja pokazuju da je kosmos sada star između 7 i 20 milijardi godina.

Ali univerzum mora nužno biti stariji od svojih najstarijih zvijezda. A procjenjuje se da su stari između 13 i 16 milijardi godina.

Prije otprilike 14 milijardi godina, svemir se počeo širiti u svim smjerovima od beskonačno male guste tačke poznate kao singularnost. Ovaj događaj je poznat kao veliki bang.

Tokom prvih nekoliko sekundi nakon početka brze inflacije, koja se nastavila narednih stotina hiljada godina, pojavile su se temeljne čestice. Što će kasnije činiti materiju, ali ona, kao što čovječanstvo zna, još nije postojala. Tokom ovog perioda, univerzum je bio neproziran, ispunjen izuzetno vrućom plazmom i snažnim zračenjem.

Međutim, kako se širio, njegova temperatura i gustoća postupno su se smanjivali. Plazmu i zračenje su na kraju zamijenili vodonik i helijum, najjednostavniji, najlakši i najzastupljeniji elementi u svemiru. Gravitaciji je trebalo nekoliko stotina miliona dodatnih godina da spoji ove slobodno plutajuće atome u primordijalni gas iz kojeg su nastale prve zvijezde i galaksije.

Ovo objašnjenje o početku vremena izvedeno je iz standardnog modela kosmologije Velikog praska, poznatog i kao Lambda—hladni sistem tamne materije.

Kosmološki modeli univerzuma zasnovani su na direktnim zapažanjima. Oni su u stanju da daju predviđanja koja se mogu potvrditi kasnijim studijama i oslanjaju se na opštu relativnost jer ova teorija daje najbolje slaganje sa uočenim ponašanjem velikih razmera. Kosmološki modeli se također temelje na dvije temeljne pretpostavke.

Zemlja se ne nalazi u središtu svemira i ne zauzima posebno mjesto, pa Kosmos izgleda isto u svim smjerovima i sa svih mjesta u velikim razmjerima. I isti zakoni fizike koji važe na Zemlji važe u celom kosmosu bez obzira na vreme.

Stoga se ono što čovječanstvo danas posmatra može koristiti za objašnjenje prošlosti, sadašnjosti ili za predviđanje budućih događaja u prirodi, bez obzira na to koliko se ovaj fenomen nalazi.

Nevjerovatno, što ljudi dalje gledaju u nebesa, to dalje gledaju u prošlost. Ovo omogućava opći pregled galaksija kada su bile mnogo mlađe, kako bi se bolje razumjelo kako su evoluirale u odnosu na one koje su bliže, a samim tim i mnogo starije. Naravno, čovječanstvo ne može vidjeti iste galaksije u različitim fazama svog razvoja. Ali dobre hipoteze mogu nastati grupisanjem galaksija u kategorije na osnovu onoga što posmatraju.

Vjeruje se da su prve zvijezde nastale od oblaka plina ubrzo nakon početka svemira. Standardni model velikog praska sugerira, da je to moguće pronaći najranije galaksije ispunjene mladim vrućim tijelima koja će ovim sistemima dati plavu nijansu. Model također predviđa da su prve zvijezde bile brojnije, ali manje veličine od modernih. I da su sistemi hijerarhijski porasli do svoje trenutne veličine, jer su male galaksije na kraju formirale velike ostrvske univerzume.

Zanimljivo je da su mnoga od ovih predviđanja potvrđena. Na primjer, davne 1995. godine, kada je svemirski teleskop Hubble prvi put pogledao duboko u početak vremena, otkrio je da je mladi Univerzum ispunjen slabim plavim galaksijama koje su bile trideset do pedeset puta manje od Mliječnog puta.

Standardni model velikog praska također predviđa da se ova spajanja još uvijek odvijaju. Stoga čovječanstvo mora pronaći dokaze o ovoj aktivnosti i u susjednim galaksijama. Nažalost, donedavno je bilo malo dokaza o energetskim spajanjima među zvijezdama u blizini Mliječne staze. Ovo je bio problem sa standardnim modelom Velikog praska jer sugerira da bi razumijevanje univerzuma moglo biti nepotpuno ili pogrešno.

Tek u drugoj polovini 20. stoljeća prikupljeno je dovoljno fizičkih dokaza za izradu razumnih modela formacije kosmosa. Trenutni standardni sistem velikog praska razvijen je na osnovu tri glavna eksperimentalna podataka.

Širenje Svemira

Kao što je slučaj sa većinom modela prirode, doživio je uzastopna poboljšanja i stvorio značajne poteškoće koje podstiču dalja istraživanja.

Jedan od fascinantnih aspekata kosmološkog modeliranja je taj što otkriva brojne ravnoteže parametara koje se moraju održavati dovoljno precizno za univerzum.

Pitanja

Standardni kosmološki model univerzuma je veliki prasak. I iako su dokazi koji to potkrepljuju ogromni, nije bez problema. Trefil u knjizi "trenutak stvaranja" dobro prikazuje ova pitanja:

1. Problem antimaterije.
2. Složenost formiranja galaksije.
3. Problem horizonta.
4. Pitanje ravnosti.

Problem antimaterije

Nakon početka ere čestica. Ne postoji poznati proces koji bi mogao promijeniti neto broj zrna univerzuma. Do trenutka kada je kosmos zastario u milisekundama, ravnoteža između materije i antimaterije bila je zauvijek fiksirana.

Glavni dio standardnog modela materije u univerzumu je ideja proizvodnje para. Ovo pokazuje rođenje elektron-pozitronskih duplikata. Uobičajena vrsta interakcije između X-zraka visokog života ili gama zračenja i tipičnih atoma pretvara većinu energije fotona u elektron i njegovu antičesticu, pozitron. Mase zrna slijede Einsteinov omjer E = mc². Proizvedeni ponor ima jednak broj elektrona i pozitrona. Stoga, kada bi svi procesi masovne proizvodnje bili upareni, u univerzumu bi postojala potpuno ista količina materije i antimaterije.

Jasno je da postoji određena asimetrija u načinu na koji priroda tretira materiju. Jedno od obećavajućih područja istraživanja je kršenje CP-simetrije u raspadu čestica slabom interakcijom. Glavni eksperimentalni dokaz je razgradnja neutralnih Kaona. Oni pokazuju blago kršenje simetrije CP. Kada se kaoni raspadaju na elektrone, čovječanstvo ima jasnu razliku između materije i antimaterije, a to može biti jedan od ključeva za prevlast materije u svemiru.

Novo otkriće na Velikom hadronskom sudaraču-razlika u brzini raspada D-mezona i njegove antičestice je 0,8%, što bi mogao biti još jedan doprinos rješavanju problema antimaterije.

Problem formiranja galaksije

Nasumične nehomogenosti u svemiru koji se širi nisu dovoljne za formiranje zvijezda. U prisustvu brzog širenja, gravitaciono privlačenje je presporo da bi se galaksije formirale sa bilo kojim razumnim modelom turbulencije stvorenim samim širenjem. Pitanje kako je mogla nastati struktura univerzuma velikih razmjera bilo je glavni neriješeni problem u kosmologiji. Stoga su naučnici prisiljeni pogledati period do 1 milisekunde kako bi objasnili postojanje galaksija.

Problem horizonta

Mikrotalasno pozadinsko zračenje iz suprotnih pravaca na nebu karakteriše ista temperatura unutar 0,01 %. Ali područje prostora iz kojeg su zračili. bilo je lakše vrijeme tranzita za 500 hiljada godina. I zato se nisu mogli komunicirati jedni s drugima da uspostave vidljivu toplotnu ravnotežu — bili su izvan horizonta.

Ova situacija se naziva i" problemom izotropije " jer je pozadinsko zračenje koje se kreće iz svih pravaca u svemiru gotovo izotropno. Jedan od načina za izražavanje pitanja je reći da je temperatura dijelova svemira u suprotnim smjerovima od Zemlje gotovo ista. Ali kako mogu biti u toplotnoj ravnoteži jedni s drugima ako ne mogu komunicirati? Ako je iko uzeo u obzir vremensko ograničenje povratka od 14 milijardi godina izvedeno iz Hubbleove konstante od 71 km / s po megaparseku, kako je predložio WMAP, primijetio je da su ovi udaljeni dijelovi svemira udaljeni 28 milijardi svjetlosnih godina. Pa, zašto imaju potpuno istu temperaturu?

Da bismo razumjeli problem horizonta, dovoljno je biti dvostruko stariji od univerzuma, ali, kako Schramm ističe, ako ovaj problem pogledate iz ranije perspektive, postat će još ozbiljniji. U vrijeme kada su fotoni zapravo emitovani, bili bi 100 puta stariji od univerzuma ili 100 puta uzročno onesposobljeni.

Ovaj problem je jedan od pravaca koji je doveo do inflatorne hipoteze koju je Alan Guth iznio početkom 80-ih godina prošlog vijeka. Odgovor na pitanje horizonta u smislu inflacije je da je na samom početku procesa Velikog praska postojao period nevjerovatno brze inflacije, koja je povećala veličinu svemira za 10²⁰ ili 10³⁰. To znači da se vidljivi Kosmos trenutno nalazi unutar ove ekspanzije. Zračenje koje se može vidjeti je izotropno, jer je sav ovaj prostor "naduvan" iz male zapremine i ima gotovo identične početne uslove. Ovo je način da se objasni zašto su dijelovi svemira toliko udaljeni da nikada ne bi mogli komunicirati jedni s drugima, izgledati isto.

Problem ravnosti

Formiranje modernog kosmološkog modela Univerzuma je veoma opsežno. Zapažanja pokazuju da je količina materije u svemiru nesumnjivo veća od jedne desetine i, naravno, manja od kritične količine, potrebno za zaustavite ekspanziju. Ovdje postoji dobra analogija — lopta bačena sa zemlje usporava. Istom brzinom kao mali asteroid, nikada neće stati.

Na početku ovog teorijskog bacanja iz sistema može se činiti da je bačen pravom brzinom da se zauvijek kreće, usporavajući na nulu na beskonačnoj udaljenosti. Ali kako je vrijeme odmicalo, postajalo je sve očiglednije. Ako je neko propustio prozor brzine čak i za malu količinu, a zatim nakon 20 milijardi godina putovanja, i dalje se činilo da je lopta bačena pravom brzinom.

Sva odstupanja od ravnosti su preuveličana tokom vremena, a u ovoj fazi univerzuma, male nepravilnosti su trebale biti znatno pojačane. Ako se gustina trenutnog kosmosa čini vrlo blizu kritičnom, tada je trebala biti još bliža ravnom u ranijim epohama. Alan Guth predavanje Roberta Dickea smatra jednim od faktora uticaja koji ga je stavio na put inflacije. Robert je istakao da bi ravnost modernog kosmološkog modela univerzuma zahtijevala da on bude ravan jednom dijelu 10-14 puta u sekundi nakon Velikog praska. Kaufmann sugerira da je odmah nakon njega gustina trebala biti kritična, odnosno do 50 decimalnih mjesta.

Početkom 1980-ih, Alan Guth predložio, to poslije Planckovo vrijeme od 10^-43 . Sekundi, postojao je kratak period izuzetno brzog širenja. Ovaj inflatorni model je bio način za rješavanje i problem ravnosti i problemi sa horizontom. Ako je svemir nabujao za 20-30 redova veličine, tada su se svojstva izuzetno male zapremine, koja bi se mogla smatrati blisko povezanim, proširila danas po poznatom univerzumu, što je doprinijelo i ekstremnoj ravnosti i izuzetno izotropnoj prirodi.

Ovako se ukratko mogu opisati moderni kosmološki modeli univerzuma.