Модель расширяющейся Вселенной

В 1922–1924 годах на основе представлений об однородной, изотропной, бесконечной Вселенной и уравнений ОТО советским математиком А. Фридманом были получены результаты, говорящие о том, что Вселенная должна быть нестационарной. С течением времени она должна либо неограниченно расширяться, либо сжиматься, либо пульсировать. Как конкретно должны двигаться галактики, будет ли происходить расширение или сжатие? Для ответа на этот вопрос необходимо знать, какова скорость галактик в некоторый момент времени, потом, зная ускорение, даваемое силами тяготения, следует рассчитать, как будут меняться скорости с течением времени. Если задать в некоторый момент времени покой галактик, то в последующие моменты времени галактики начнут сближаться, Вселенная будет сжиматься. Если в начальный момент времени задать скорости галактик так, чтобы они удалялись друг от друга, то мы получим расширяющуюся модель Вселенной, расширение которой тормозится тяготением.

Значения скоростей галактик теория дать не в состоянии. Их можно получить только из наблюдений. Для определения скоростей далеких галактик можно использовать эффект Доплера. Суть этого эффекта заключается в том, что при удалении или приближении источника электромагнитных (или звуковых) волн к приемнику увеличивается или уменьшается длина волны принимаемого излучения - происходит смещение спектральных линий в красную или фиолетовую области спектра. Величина смещения определяется из соотношения , где – длина волы спектральной линии, наблюдаемой в лаборатории, – скорость объекта, – скорость света. В 1920–1922 годах американский астрофизик В.М. Слайфер исследовал спектральные линии поглощения около 40 галактик. Им было установлено, что у большинства галактик имеется сравнительно небольшое смещение спектральных линий поглощения химических элементов в красную область. Итак, согласно Слайферу, галактики от нас удаляются. Американским астрономом Э. Хабблом были определены расстояния до ближайших к нам галактик. Измерение расстояний до галактик и результаты исследований Слайфера позволили в 1929 году Э. Хабблу открыть закон (закон Хаббла), согласно которому скорости удаления галактик возрастают по мере возрастания расстояний от нашей Галактики: чем дальше галактика, тем больше скорость ее удаления, т.е.:

,

где – постоянная Хаббла. Современные данные по определению постоянной Хаббла приводят к значению близкому к 75 (км/с)/Мпк. Соотношение между скоростью , с которой галактика удаляется от нас, и расстоянием до нее не зависит от направления, в котором мы наблюдаем галактики, т.е. эффект разбегания галактик носит изотропный характер, что указывает на изотропный характер расширения Вселенной. Из интерпретации закона Хаббла следует, что в некоторый момент времени в прошлом все расстояния обращались в нуль. Отдельные галактики, звезды и др. не могли существовать как изолированные объекты. Вся материя находилась в состоянии непрерывно распределенного однородного вещества. Это был момент начала расширения Вселенной. Позже, в ходе расширения, вещество распадается на отдельные части, что приводит к образованию отдельных небесных тел.

В настоящий момент времени Вселенная расширяется. Этот процесс из-за сил гравитации протекает с замедлением. С расширением плотность падает, замедление уменьшается. Для будущего Вселенной имеются две возможности. Первая: плотность вещества во Вселенной достаточно мала и замедление мало. В этом случае расширение будет протекать неограниченно долго. Вторая: плотность вещества во Вселенной достаточно велика, велико замедление расширения. В этом случае расширение прекращается и сменяется сжатием. Существует критическое значение плотности вещества , отделяющее один случай от другого. Критическая плотность примерно равна 10^-26 кг/м³ . Если наблюдения покажут, что плотность вещества в настоящий момент , то расширение должно смениться сжатием, при расширение будет длиться бесконечно долго. На основе существующего уровня наших знаний о распределении вещества во Вселенной принято считать, что реальная средняя плотность чуть меньше критической плотности. Если это представление верно, то реализуется первая возможность расширение будет протекать неограниченно долго.

От величины средней плотности вещества зависят и геометрические свойства Вселенной. Согласно ОТО, степень искривления пространства зависит от массы тяготеющего вещества. Чем больше масса – тем сильнее кривизна. При больших массах кривизна может стать настолько велика, что может произойти «свертывание» пространства. Пространство становится конечным, но безграничным. Если масса мала, то «свертывания» пространства не происходит и пространство является бесконечным. Первый случай отвечает «замкнутому» миру, второй – «открытому».