Современные представления о Вселенной М Я Маров Академик

Современные представления о Вселенной М. Я. Маров Академик РАН Лекторий Музея космонавтики Москва, 26 марта 2015 г.

Содержание • Фундаментальные научные вопросы • Как мы представляем себе Вселенную • Галактические кластеры и суперкластеры. Крупномасштабная (иерархическая) структура Вселенной • Расширение Вселенной. Закон Хаббла • Теория Большого взрыва. Происхождение и временная последовательность, инфляционная модель • Состав Вселенной, темная материя и темная энергия • Макро и микрофизика: Синергизм • Стандартная модель, ТОЕ и теория струн • Современная космологическая модель. Судьба Вселенной • Многоэлементная Вселенная и кротовые норы

Фундаментальные научные вопросы : • Как устроен наш мир, где мы находимся? - Структура и свойства Вселенной, наше место в ней • Откуда мы пришли, как возник этот мир? - Основные понятия космологии, происхождение Вселенной и ее элементов • Куда мы движемся? - Модели эволюции, судьба Вселенной.

Структура и свойства Вселенной Наше место во Вселенной

Соотношения масштабов во Вселенной • Основная единица измерения расстояний в пределах Солнечной системы - астрономическая единица (а. е. ). 1 а. е. = 1. 5 х 108 (150 миллионов) км. Это расстояние от Земли до Солнца. • Для измерения расстояний во Вселенной астрономы используют световой год (с. г. ) (1 с. г. = ~ 1015 km). • или парсек (пк) (1 парсек = 3, 16 св. года, или ~ 3 х1015 км), тысячи (Kpc), миллионы (Mpc) и миллиарды (Gpc) парсек • 1 а. е. = ~ 8 световых минут (с. м. ). Расстояние до Плутона 40 а. е. (6 млрд. км = 5. 5 световых часов (с. ч. ). • Размер Солнечной системы (расстояние до внешней границы Облака Оорта) ~ 100 000 а. е. , (1, 5 с. г. , или ~ 0. 5 пк). • Расстояние до ближайшей звёзды Альфа Центавра (Alpha Centauri) = 4. 3 с. г. ; Полёт космического аппарата со скоростью 12 км/с занял бы 100 000 лет. • В астрономии, кроме св. года, чаще используют парсек (пк) (1 парсек = 3, 16 с. г. , или ~ 3 х1015 км) и измеряют расстояния в тысячах (Kpc), миллионах (Mpc) и миллиардах (Gpc) парсек.

Наше место в космосе • Наша Солнечная система с ее центральной звездой Солнцем и 8 -ю планетами принадлежит к одному из громадного числа скоплений звезд во Вселенной - галактикам. • Наша Галактика - Млечный путь. В нем > 200 млрд. звезд. • Размер Млечного пути ~ 100 000 св. лет, или 30 Kпк. • Солнечная система расположена на внутреннем крае одного из спиральных рукавов Галактики. • Мы находимся на расстоянии ~ 30 000 св. лет (10 Kпк) от центра Галактики, что в 7000 раз больше расстояния от Солнечной системы до ближайшей звезды. • Звезды в Галактике распределены неравномерно (максимум в спиральных рукавах). Центр Галактики ассоциируется с наличием в ней чёрной дыры.

Млечный путь в видимом свете с края диска) (вид

Млечный путь в ближней ИК области спектра (вид с края диска)

Млечный путь в далёкой ИК области спектра (вид с края диска) Пыль в плоскости Солнечной системы Пыль в плоскости Галактики Мы можем наблюдать наше место во Вселенной на гораздо больших расстояниях, чем размеры нашей Галактики.

Ближайшая к нам галактика Андромеда

Соседняя галактика Большое Магелланово Облако

Классификация галактик

Солнечное окружение в пределах 1500 световых лет Плотные молекулярные облака Горячий ионизованный газ SUN «Дыры» низкой газопылевой плотности в межзвёздной среде Молекулярный газ низкой плотности в спиральном рукаве

Галактические кластеры и суперкластеры • Вещество во Вселенной распределено неравномерно. . • Галактики образуют скопления возрастающих размеров – группы и кластеры, содержащие несколько десятков или сотен галактик. • Размеры кластеров ~ 3 Mпк, что примерно в 100 раз больше размера нашей Галактики (~ 30 Кпк). • Наша локальная группа содержит около 30 галактик, включая Млечный путь, Андромеду, Магеллановы облака, а в некоторых кластерах более 1000 галактик. • Кластеры галактик образуют суперкластеры, некоторые из которых содержат свыше 100 кластеров. • Размер суперкластера в 20 - 30 раз превышает размер кластера галактик, достигая ~100 Mpc.

Группы галактик Компактная группа Hickson 44 (NGC 3190), находящаяся на расстоянии около 60 миллионов световых лет в созвездии Льва. В ней несколько спиральных и эллиптических галактик.

Галактический кластер ДЕВА (VIRGO)

Далёкая область Вселенной - группы галактик (Снимок телескопа Хаббла)

Ближайшие к нам кластеры галактик

Суперкластер галактик, наблюдаемый в диапазоне радиоволн

Наблюдаемая Вселенная • Во Вселенной находится более 100 миллиардов галактик, в каждой свыше 100 миллиардов звезд. • Размер наблюдаемой Вселенной в 30 раз больше расстояния между суперкластерами - более 10 миллиардов световых лет ( (~ 4 Гпк). Часть Вселенной (1 миллион галактик)

Крупномасштабная структура Вселенной ( «космическая паутина» ) состоит из нитей суперкластеров, образующих перемежающиеся сгущения (“walls”) и разряжения (“voids”) материи.

Физические размеры различных структур во Вселенной Размер Относит. размер • Солнечная система 6 x 109 км 40 а. е. • До ближайших звёзд 4 с. г. 6, 000 x Солн. система • Наша Галактика 105 с. г. 25, 000 x расст. до ближ. звёзд • Группа галактик 106 с. г. 10 x наша Галактика • Кластеры галактик 107 с. г. 100 x наша Галактика • Суперкластеры 3 X 108 с. г. 20 -30 x кластер галактик • Стенки и провалы 3 X 109 с. г. 300 x кластер галактик • Наблюдаемая 1010 с. г. 30 x расстояние между. Вселенная суперкластерами

Откуда мы пришли в этот мир? Как возникла Вселенная? Ранние модели

Выдающиеся ученые-космологи Альберт Эйнштейн – Общая теория относительности Александр Фридман – Предсказание расширения Вселенной - красного смещения галактик Эдвин Хаббл– Обнаружение красного смещения Джон Леметр – Теория Большого взрыва Джорж Гамов – Предсказание реликтового излучения Френсис Хойл – Теория нуклеосинтеза Aлексей Старобинский Aндрей Линде Инфляционная Aлан Гут модель

Красное смещение (z) • Согласно эффекту Доплера, если источник света (или звука) движется относительно наблюдателя, то наблюдатель будет видеть изменение длины волны l относительно исходной длины волны lo. • Движение от наблюдателя вызывает увеличение длины волны (красное смещение), движение к наблюдателю вызывает уменьшение длины волны (синее смещение). • Величина сдвига длины волны (Dl) относительно lo пропорциональна скорости источника v относительно скорости света c: z = Dl l = v/c • В нерелятивском случае (v << c): z = Dl l (l -lo) lo = v/c • В релятивском случае (v ≈ c): [1 +(v/c)]1/2 z= [1 - (v/c)]1/2 -1

Закон Хаббла • Все далёкие галактики удаляются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию до них: скорость = Ho x расстояние Ho – постоянная Хаббла Ho = 71 ± 4 (км/с)/Mпк • Это означает, что Вселенная расширяется. • 1/ Ho называют временем Хаббла, отвечающим возрасту Вселенной: 1/ Ho = 13, 7 млрд. лет

Диаграмма Хаббла

Космическое микроволновое фоновое излучение (CMB) • Космическое фоновое излучение было обнаружено наземными телескопами и наиболее детально измерено на спутниках COBE, WMAP и Planck. • Эта радиация с температурой 2. 735 K - реликт образования Вселенной ~ 13, 5 млрд. лет назад - заполняет весь космос. • CBM однородно и изотропно (1 : 100, 000) с небольшими флуктуациями плотности, положившими начало образованию звезд, галактик и крупномасштабной структуры Вселенной (Walls и Voids).

Теория Большого взрыва (Big Bang) • Открытия разбегания галактик и CBM поставили вопрос: если Вселенная расширяется, то откуда оно происходит? • И значит, раньше галактики были ближе друг к другу, а в самом начале вся материя Вселенной была стянута в точку бесконечно большой плотности и температуры? • Дополнительный аргумент - преобладание во Вселенной лёгких элементов (водорода, дейтерия, гелия, лития), образовавшихся в ту раннюю эпоху. • Все это послужило основой теории Большого взрыва, согласно которой Вселенная родилась из такой точки, внутренние свойства которой до конца не ясны (ее называют сингулярностью).

Расширение Вселенной от Big Bang

История Вселенной по модели Big Bang Вселенная родилась при взрыве субатомной точки бесконечно большой плотности и температуры, который сопровождался фазой суперинфляции, после чего происходило ее раширение и охлаждение. Временная последовательность • < 10 -43 с - (T ~ 1032 K) – Планковская Вселеная (singularity). • 10 -36 - 10 -34 с (T = 1028 K) – “Кипящий вакуум”, суперинфляция (Вселенная расширилась в ~ 1030 раз; нарушение симметрии. • 10 -6 с (T = 1013 K) – образование барионов (протонов-нейтронов). • 1 - 1000 с (T = 1010 - 107 K) – начало ядерных реакций (нуклеосинтеза), основы образования химических элементов. • 380, 000 years (T = 103 K) – образование атомов H, D, He, Li, самая ранняя эпоха наблюдения истории Вселенной. . • Сотни миллионов-миллиард лет (T = 100 K) – образование звезд, галактик, «космической паутины» . • Сегодня: 13. 7 миллиардов лет (T = 2. 735 K)

Проблемы с моделью Большого взрыва • Момент рождения Вселенной – сингулярность, физика процессов неясна от начала до 10 -34 сек. • Как и почему Вселенная стала такой однородной и изотропной? • Почему плотность Вселенной столь близка к её критическому значению? • Что случилось с частицами антивещества, также рождённого в момент Большого взрыва и где оно находится сейчас? • Что породило флуктуации плотности, благодаря которым возникли галактики? • Какова природа «стен» и «пустот» в наблюдаемой крупномасштабной структуре Вселенной?

Ранняя Вселенная (рисунок)

Формирование первых звезд (рисунок)

Плотность Вселенной – основа моделей • Судьба Вселенной описывается моделями, основой которых служит ее массовая плотность с учетом плотности энергии. • Критическая плотность Вселенной определяется как c = 3 H 02/8 p. G; c = 5 частиц/м 3 , или 1 x 10 -29 г/cм 3 • Отношение реальной плотности к критической c c определяет скорость расширения: - Если < 1, Вселенная будет расширяться вечно; - Если > 1, расширение сменится сжатием; - Теория предсказывает ~ 1

Исторические модели Вселенной • Модель Эйнштейна - Де Ситтера - Открытая, бесконечная и плоская - Будет расширяться вечно =1 • Модель Фридмана – Леметра - 1 <1 - Открытая, бесконечная и гиперболическая - Будет расширяться вечно • Модель Фридмана – Леметра - 2 >1 - Закрытая, конечная и сферическая - Расширение сменится коллапсом (Большой «скрежет» - Big Crunch!) • Модель Голда-Бонди-Хойла ~ 1 - Стационарная, плоская, расширяющаяся, сохранение средней плотности (рождение вещества в “creation field”)

Плотность Вселенной • Средняя плотность наблюдаемой Вселенной: = 0. 2 частиц/м 3, или 4 x 10 -31 г/cм 3 << c = 1 x 10 -29 г/cм 3. • Теория предсказывает, что должно быть ~ c , однако видимая материя составляет b c ~ 5 Где остальное? • Из наблюдений движения звезд в галактиках было найдено, что их устойчивость обеспечивается только при наличии дополнительной (темной) материи. • Оказалось, что dm = ~ 27 и, таким образом, = b + dm < 1 видимая темная (WIMPs? ) • При этом все равно < 1 Поэтому для обеспечения баланса Эйнштейн ввел Космологическую константу L, чтобы в своей модели расширения предотвратить гравитационный коллапс статической Вселенной.

Космологичекая константа • Современные модели подтверждают, что Вселенная не только расширяется, но расширяется с ускорением, и необходимо, чтобы m ~ 1. • Ускорение требует наличия дополнительной плотности энергии, которая ассоциируется с наличием силы антигравитации в космосе. Она названа темная энергия. • Эта сила по существу представляет собой аналог введенной Эйнштейном Космологической константы L • В итоге имеем: = m + L = 1 (L 68 ). • Таким образом, общая масса Вселенной (вместе с плотностью энергии): = b + dm + de 1 видимая материя темная материя темная энергия 0, 05 0, 27 0, 68

Состав Вселенной

Синергизм микро- и макрофизики: Стандартная модель и теория суперструн

Взаимодействия в природе • Космология непосредственно связана с физикой элементарных частиц, и в основе прогресса науки о Вселенной лежит синергизм микро- и макро-физики. • Физика элементарных частиц и 4 фундаментальных взаимодействия в природе определяют строение материи, характер и свойства окружающего мира. • Фундаментальные взаимодействия: - сильное: кварки, из которых построены протоны и нейтроны, и глюоны, связывающие их в ядре; - слабое: лептоны – электроны и нейтрино, взаимодействующие с W- и Z- бозонами и фотонами (радиоативность); - электромагнитное: фотоны; - гравитационное: гравитоны. .

Стандартная модель и ТОЕ • Объединение на единой основе всех 4 -х взаимодействий призвано доказать общность природы материи ( «Великое объединение» , мечта Эйнштейна). • Общность природы 3 -х взаимодействий (кроме гравитационного) составляет основу Стандартной модели. Доказательством ее справедливости служит открытие бозона Хиггса. • Для доказательства общности всех 4 -х взаимодействий требуются невероятно высокие энергии ускорителей (~ 1015 Гe. V по сравнению с достигнутыми ~100 Гe. V. • Объединение всех взаимодействий составляет основу будущей теории TOE (Theory of Everything) и является следующим шагом на пути познания Вселенной

Теория суперструн (М-теория) • Попытка лучше понять строение микромира и природу материи предпринята на основе теории суперструн – матери (М) всех теорий. • Теория суперструн объединяет физику элементарных частиц, квантовую механику и гравитацию, давая единую основу понимания принципиальных свойств материи во Вселенной и самой Вселенной. • В рамах теории суперструн предполагается, что все элементарные частицы являются результатом колебаний ультрамикроскопической струны минимально возможного размера (Планковской длины 10 -33 cм) и бесконечно большого натяжения. • Каждая частица представляет собой волну определенной длины (аналог музыкального тона). • Колебания струн (резонансные моды в бесконечном пространстве длин волн) создают, таим образом, все разнообразие элементарных частиц и 4 -х взаимодействий в природе. • Пространство струн является многомерным (струны существуют в 11 -мерном пространстве) и создает новое представление о мире.

Куда мы движемся? Судьба Вселенной Современные представления: Многоэлементная вселенная

Судьба Вселенной • Исходя из суммарной плотности вещества ( ~ 1), изотропии CMB и теории Большого взрыва, мы приходим к наиболее вероятной стационарной плоской, открытой (незамкнутой) модели Вселенной (STEADY STATE MODEL), которая будет расширяться непрерывно. • Судьба Вселенной практически целиком определяется темной энергией, ассоциируемой с антигравитацией. • Современные теории физики высоких энергий (Стандартная модель, , TOE, M-theory) связывают антигравитацию с вакуумом, обладающим уникальными свойствами; такими как отрицательное давление и невообразимо высокая плотность энергии – более, чем на два порядка превосходящая все до сих пор нам известное. • Астрономические наблюдения привели к выводу, что расширение Вселенной происходит с ускорением. Это означает, что антигравитация преобладает над гравитацией. • Теория предсказывает, что антигравитация будет нарастать и через миллиарды лет произойдет распад Вселенной (Big Cutting), с разрушением галактических кластеров, галактик, звезд, планет и даже химических элементов и атомов, оставив пустой космос. . .

Новая теория происхождения Вселенной • Вселенная представляет собой трёхмерную мембрану, внедрённую в структуру пятимерной поверхности. • В течение триллиона триллионов лет наша Вселенная оставалась «дремлющей» : бесконечной, статичной и однородной (без каких-либо особенностей). • Затем, около 15 млрд. лет тому назад, параллельная вселенная (другая примерно аналогичная мембрана), двигаясь вдоль одной из скрытых размерностей, столкнулась с нашей Вселенной. • Предполагается, что существует множество таких невидимых вселенных (мембран или пузырей), постоянно «плавающих» в космосе. • Столкновение с другой вселенной привело к разогреву нашей Вселенной и возникновению эффектов, объясняемых сейчас в рамках теории Большого взрыва.

Параллельные вселенные • Такой сценарий соответствует современным представлениям о существовании множества многомерных параллельных вселенных, которые постоянно возникают и исчезают в разное время в разных областях бесконечного пространства. • Параллельные вселенные образуют многоэлементную вселенную (Multiverse). Они напоминают невидимые «пузырьки» , плавающие в космосе и образующие «пространственно-временную пену» . • Возникновение вселенных может быть результатом квантовых колебаний в вакууме (creatio ex nihilo). • Параллельные вселенные испытывают столкновения, сопровождаемые эффектами типа Большого взрыва. .

Взаимодействия в многоэлементной вселенной. Кротовые норы • Между бесконечным множеством параллельных вселенных может осуществляться взаимодействие вдоль скрытых размерностей посредством «кротовых нор» (worm holes). • Идея об их существовании была выдвинута А. Эйнштейном в 1935 г. • Главная составляющая «кротовых нор» - регулярное магнитное поле и фантомная материя. При аккреции материи на магнитную «кротовую нору» может возникнуть черная дыра с монопольным магнитным полем. • Физической основой «кротовой норы» служит модель хаотической инфляции, как основа современной космологии. Кротовые норы могут быть реликтами эпохи инфляции. Credit: I. D. Novikov, N. S. Kardashev, А. А. Shatskii

Заключение “Самый удивительное в познании природы – это то, что она познаваема” (The most incomprehensible fact about nature is that it is comprehensible) (A. Эйнштейн)

Эволюция Солнца