Kosmologinis Visatos modelis yra matematinis aprašymas, kuriuo bandoma paaiškinti dabartinio jos egzistavimo priežastis. Jame taip pat vaizduojama evoliucija laikui bėgant.
Šiuolaikiniai kosmologiniai Visatos modeliai yra pagrįsti bendrąja reliatyvumo teorija. Šiuo metu tai yra geriausias didelio masto paaiškinimo vaizdas.
Pirmasis mokslu pagrįstas kosmologinis Visatos modelis
Iš savo bendrosios reliatyvumo teorijos, kuri yra gravitacijos hipotezė, Einšteinas rašo lygtis, kurios valdo kosmosą, užpildytą materija. Bet Albertas manė, kad tai turėtų būti statiška. Taigi Einšteinas į savo lygtis įtraukė terminą, vadinamą pastoviu kosmologiniu visatos modeliu, kad gautų rezultatą.
Vėliau, atsižvelgdamas į Edvino Hablo sistemą, jis grįš prie šios minties ir pripažins, kad kosmosas gali veiksmingai plėstis. BūtentVisata atrodo kaip A. Einšteino kosmologiniame modelyje.
Naujos hipotezės
Netrukus po jo olandas de Sitteris, rusas kosmologinio Visatos modelio kūrėjas Friedmanas ir belgas Lemaitre'as, žinovų nuomonei pateikia nestatiškus elementus. Jų reikia norint išspręsti Einšteino reliatyvumo lygtis.
Jei de Sitter kosmosas atitinka tuščią konstantą, tai pagal Friedmanno kosmologinį modelį Visata priklauso nuo joje esančios materijos tankio.
Pagrindinė hipotezė
Nėra jokios priežasties Žemei stovėti kosmoso centre ar kokioje nors išskirtinėje vietoje.
Tai pirmoji klasikinio kosmologinio visatos modelio teorija. Remiantis šia hipoteze, visata laikoma:
- Homogeniškas, tai yra, visur kosmologiniu mastu turi tas pačias savybes. Žinoma, mažesniame lėktuve yra įvairių situacijų, jei pažvelgsite, pavyzdžiui, į Saulės sistemą arba kur nors už galaktikos ribų.
- Izotropinis, tai yra, jis visada turi tas pačias savybes visomis kryptimis, nesvarbu, kur žmogus žiūri. Juolab kad erdvė nėra išlyginta viena kryptimi.
Antra būtina hipotezė yra fizikos dėsnių universalumas. Šios taisyklės visur ir visada vienodos.
Kita hipotezė yra visatos turinio svarstymas kaip tobulas skystis. Būdingi jo komponentų matmenys yra nereikšmingi, palyginti su juos skiriančiais atstumais.
Parametrai
Daugelis klausia: „Apibūdinkite kosmologinį modelįVisata“. Tam, remiantis ankstesne Friedmann-Lemaitre sistemos hipoteze, naudojami trys parametrai, visiškai apibūdinantys evoliuciją:
- Hablo konstanta, nurodanti plėtimosi greitį.
- Masės tankio parametras, matuojantis santykį tarp tiriamos Visatos ρ ir tam tikro tankio, vadinamas kritiniu ρc, kuris yra susijęs su Hablo konstanta. Dabartinė šio parametro reikšmė pažymėta Ω0.
- Kosmologinė konstanta, pažymėta Λ, yra priešinga gravitacijos jėgai.
Materijos tankis yra pagrindinis parametras nuspėjant jos raidą: jei ji labai nepralaidi (Ω0> 1), gravitacija galės nugalėti plėtimąsi ir kosmosas grįš į pradinę būseną.
Priešingu atveju didėjimas tęsis amžinai. Norėdami tai patikrinti, pagal teoriją aprašykite kosmologinį Visatos modelį.
Intuityviai aišku, kad žmogus gali suvokti kosmoso evoliuciją pagal viduje esančios materijos kiekį.
Didelis skaičius nuves į uždarą visatą. Jis baigsis pradinėje būsenoje. Mažas medžiagos kiekis sukels atvirą visatą su begaliniu plėtimu. Reikšmė Ω0=1 lemia ypatingą plokščios erdvės atvejį.
Kritinio tankio reikšmė ρc yra apie 6 x 10–27 kg/m3, tai yra, du vandenilio atomai viename kubiniame metre.
Šis labai mažas skaičius paaiškina, kodėl šiuolaikiškakosmologinis visatos sandaros modelis numato tuščią erdvę, ir tai nėra taip blogai.
Uždara ar atvira visata?
Materijos tankis visatoje lemia jos geometriją.
Siekdami didelio nepralaidumo, galite gauti uždarą erdvę su teigiamu kreivumu. Tačiau kai tankis bus mažesnis už kritinį, atsiras atvira visata.
Reikėtų pažymėti, kad uždaras tipas būtinai turi galutinį dydį, o plokščia arba atvira visata gali būti baigtinė arba begalinė.
Antuoju atveju trikampio kampų suma yra mažesnė nei 180°.
Uždaroje (pavyzdžiui, Žemės paviršiuje) šis skaičius visada yra didesnis nei 180°.
Visi iki šiol atlikti matavimai neatskleidė erdvės kreivumo.
Kosmologiniai Visatos modeliai trumpai
Fosilinės spinduliuotės matavimai naudojant bumerango rutulį dar kartą patvirtina plokščios erdvės hipotezę.
Plokščios erdvės hipotezė geriausiai atitinka eksperimentinius duomenis.
WMAP ir Planck palydovo atlikti matavimai patvirtina šią hipotezę.
Taigi visata būtų plokščia. Tačiau šis faktas iškelia žmoniją prieš du klausimus. Jei jis plokščias, tai reiškia, kad medžiagos tankis yra lygus kritiniam tankiui Ω0=1. Tačiau didžiausia, matoma medžiaga visatoje sudaro tik 5 % šios nepralaidumo.
Kaip ir galaktikų gimimo atveju, būtina vėl atsigręžti į tamsiąją materiją.
Visatos amžius
Mokslininkai galiparodykite, kad jis yra proporcingas Hablo konstantos atvirkštinei dydžiui.
Taigi, tikslus šios konstantos apibrėžimas yra esminė kosmologijos problema. Naujausi matavimai rodo, kad dabar kosmosas yra nuo 7 iki 20 milijardų metų.
Tačiau Visata būtinai turi būti senesnė už seniausias žvaigždes. Ir manoma, kad jų amžius yra nuo 13 iki 16 milijardų metų.
Maždaug prieš 14 milijardų metų Visata pradėjo plėstis visomis kryptimis iš be galo mažo tankaus taško, žinomo kaip singuliarumas. Šis įvykis žinomas kaip Didysis sprogimas.
Per pirmąsias kelias sekundes prasidėjus sparčiai infliacijai, kuri tęsėsi kitus šimtus tūkstančių metų, atsirado esminių dalelių. Kuris vėliau sudarytų materiją, bet, kaip žmonija žino, jos dar nebuvo. Šiuo laikotarpiu Visata buvo nepermatoma, pripildyta itin karštos plazmos ir galingos spinduliuotės.
Tačiau plečiantis jo temperatūra ir tankis palaipsniui mažėjo. Plazma ir radiacija ilgainiui pakeitė vandenilį ir helią – paprasčiausius, lengviausius ir gausiausius visatos elementus. Gravitacijai prireikė kelių šimtų milijonų papildomų metų, kad šie laisvai plūduriuojantys atomai sujungtų į pirmaprades dujas, iš kurių atsirado pirmosios žvaigždės ir galaktikos.
Šis laiko pradžios paaiškinimas buvo gautas iš standartinio Didžiojo sprogimo kosmologijos modelio, dar žinomo kaip Lambda sistema – š alta tamsioji medžiaga.
Kosmologiniai Visatos modeliai yra pagrįsti tiesioginiais stebėjimais. Jie sugeba darytiprognozės, kurias galima patvirtinti vėlesniais tyrimais ir pasikliauti bendruoju reliatyvumu, nes ši teorija geriausiai atitinka pastebėtą didelio masto elgesį. Kosmologiniai modeliai taip pat pagrįsti dviem pagrindinėmis prielaidomis.
Žemė nėra visatos centre ir neužima ypatingos vietos, todėl erdvė atrodo vienoda į visas puses ir iš visų vietų dideliu mastu. Ir tie patys fizikos dėsniai, kurie galioja Žemėje, galioja visame kosmose, nepaisant laiko.
Todėl tai, ką žmonija stebi šiandien, gali būti panaudota paaiškinti praeitį, dabartį arba padėti numatyti ateities įvykius gamtoje, kad ir kaip toli šis reiškinys būtų.
Neįtikėtina, kuo toliau žmonės žiūri į dangų, tuo toliau žiūri į praeitį. Tai leidžia bendrai apžvelgti galaktikas, kai jos buvo daug jaunesnės, kad galėtume geriau suprasti, kaip jos vystėsi, palyginti su artimesnėmis ir todėl daug senesnėmis galaktikomis. Žinoma, žmonija negali matyti tų pačių Galaktikų skirtinguose savo vystymosi etapuose. Tačiau gali kilti gerų hipotezių, sugrupuojant galaktikas į kategorijas pagal tai, ką jos stebi.
Manoma, kad pirmosios žvaigždės iš dujų debesų susiformavo netrukus po visatos atsiradimo. Standartinis Didžiojo sprogimo modelis rodo, kad galima rasti ankstyviausias galaktikas, užpildytas jaunais karštais kūnais, kurie suteikia šioms sistemoms mėlyną atspalvį. Modelis taip pat numato taipirmųjų žvaigždžių buvo daugiau, bet mažesnės už šiuolaikines. Ir kad sistemos hierarchiškai išaugo iki dabartinio dydžio, nes mažos galaktikos ilgainiui suformavo dideles salų visatas.
Įdomu, kad daugelis šių spėjimų pasitvirtino. Pavyzdžiui, 1995 m., kai Hablo kosminis teleskopas pirmą kartą pažvelgė giliai į laiko pradžią, jis atrado, kad jauna visata buvo užpildyta silpnai mėlynomis galaktikų, trisdešimt ar penkiasdešimt kartų mažesnėmis už Paukščių Taką.
Standartinis Didžiojo sprogimo modelis taip pat numato, kad šie susijungimai vis dar vyksta. Todėl žmonija turi rasti šios veiklos įrodymų ir kaimyninėse galaktikose. Deja, iki šiol buvo mažai įrodymų apie energingą žvaigždžių susijungimą netoli Paukščių Tako. Tai buvo standartinio Didžiojo sprogimo modelio problema, nes jis rodo, kad visatos supratimas gali būti neišsamus arba klaidingas.
Tik antroje XX amžiaus pusėje buvo sukaupta pakankamai fizinių įrodymų, kad būtų galima sukurti pagrįstus kosmoso formavimosi modelius. Dabartinė standartinė Didžiojo sprogimo sistema buvo sukurta remiantis trimis pagrindiniais eksperimentiniais duomenimis.
Visatos plėtimasis
Kaip ir daugelis gamtos modelių, jis buvo nuosekliai tobulinamas ir sukėlė didelių iššūkių, kurie skatina tolesnius tyrimus.
Vienas įspūdingiausių kosmologinių aspektųModeliavimas atskleidžia daugybę parametrų balansų, kuriuos reikia pakankamai tiksliai išlaikyti visatoje.
Klausimai
Standartinis kosmologinis visatos modelis yra didysis sprogimas. Ir nors ją patvirtinančių įrodymų yra didžiulis, ji nėra be problemų. Trefil knygoje „Kūrimo akimirka“gerai parodo šiuos klausimus:
- Animateterijos problema.
- Galaktikos formavimosi sudėtingumas.
- Horizonto problema.
- Plokštumo klausimas.
Animaterija problema
Prasidėjus dalelių erai. Nėra žinomo proceso, kuris galėtų pakeisti didžiulį dalelių skaičių visatoje. Erdvė paseno milisekundėmis, materijos ir antimedžiagos pusiausvyra buvo nustatyta visam laikui.
Pagrindinė standartinio materijos modelio Visatoje dalis yra porų kūrimo idėja. Tai rodo elektronų-pozitronų dvigubų atsiradimą. Įprasta sąveika tarp didelės gyvybės rentgeno arba gama spindulių ir tipiškų atomų paverčia didžiąją dalį fotono energijos į elektroną ir jo antidalelę – pozitroną. Dalelių masės atitinka Einšteino ryšį E=mc2. Susidariusi bedugnė turi vienodą skaičių elektronų ir pozitronų. Todėl, jei visi masinės gamybos procesai būtų suporuoti, Visatoje būtų lygiai toks pat medžiagos ir antimedžiagos kiekis.
Akivaizdu, kad gamtos santykis su materija yra tam tikra asimetrija. Viena iš perspektyvių tyrimų sričiųyra CP simetrijos pažeidimas dalelėms irstant dėl silpnos sąveikos. Pagrindinis eksperimentinis įrodymas yra neutralių kaonų skilimas. Jie rodo nedidelį SR simetrijos pažeidimą. Kaonams skilus į elektronus, žmonija aiškiai skiriasi materija ir antimedžiaga, ir tai gali būti vienas iš raktų į materijos dominavimą visatoje.
Naujas atradimas Didžiajame hadronų greitintuve – D-mezono ir jo antidalelės skilimo greičio skirtumas yra 0,8%, o tai gali būti dar vienas indėlis sprendžiant antimaterijos problemą.
Galaktikos formavimosi problema
Atsitiktinių nelygumų besiplečiančioje visatoje nepakanka, kad susidarytų žvaigždės. Esant greitam plėtimuisi, gravitacinė trauka yra per lėta, kad galaktikos susiformuotų su bet kokiu pagrįstu turbulencijos modeliu, kurį sukuria pati plėtra. Klausimas, kaip galėjo atsirasti plataus masto visatos struktūra, buvo pagrindinė neišspręsta kosmologijos problema. Todėl mokslininkai yra priversti pažvelgti į laikotarpį iki 1 milisekundės, kad paaiškintų galaktikų egzistavimą.
Horizonto problema
Mikrobangų fono spinduliuotei iš priešingų krypčių danguje būdinga ta pati temperatūra 0,01 % ribose. Tačiau erdvės plotas, iš kurio jie buvo spinduliuojami, buvo 500 tūkstančių metų lengvesnis tranzito laikas. Ir todėl jie negalėjo bendrauti vienas su kitu, kad nustatytų tariamą šiluminę pusiausvyrą – jie buvo laukehorizontas.
Ši situacija dar vadinama „izotropijos problema“, nes iš visų krypčių erdvėje judanti foninė spinduliuotė yra beveik izotropinė. Vienas iš būdų pateikti klausimą yra pasakyti, kad erdvės dalių temperatūra priešingomis kryptimis nuo Žemės yra beveik vienoda. Bet kaip jie gali būti šiluminėje pusiausvyroje vienas su kitu, jei negali bendrauti? Jei atsižvelgtume į 14 milijardų metų sugrįžimo laiko ribą, gautą iš Hablo konstantos 71 km/s per megaparseką, kaip siūlo WMAP, pastebėtume, kad šios tolimos visatos dalys yra 28 milijardų šviesmečių atstumu. Taigi kodėl jų temperatūra lygiai tokia pati?
Jums tereikia būti du kartus vyresniems už visatą, kad suprastumėte horizonto problemą, tačiau, kaip pabrėžia Schrammas, jei pažvelgsite į problemą iš ankstesnės perspektyvos, ji taps dar rimtesnė. Tuo metu, kai fotonai iš tikrųjų buvo išspinduliuoti, jie būtų 100 kartų vyresni už Visatą arba 100 kartų priežastingai neįgalūs.
Ši problema yra viena iš krypčių, vedančių į infliacijos hipotezę, kurią devintojo dešimtmečio pradžioje iškėlė Alanas Guthas. Atsakymas į horizonto klausimą dėl infliacijos yra tas, kad pačioje Didžiojo sprogimo proceso pradžioje buvo neįtikėtinai greitos infliacijos laikotarpis, dėl kurio visata padidėjo 1020 arba 1030 . Tai reiškia, kad šiuo metu stebima erdvė yra šio plėtinio viduje. Matoma spinduliuotė yra izotropinė,nes visa ši erdvė yra „išpūsta“iš mažyčio tūrio ir turi beveik identiškas pradines sąlygas. Tai būdas paaiškinti, kodėl visatos dalys yra taip toli, kad jos niekada negali bendrauti viena su kita.
Plokštumo problema
Šiuolaikinio kosmologinio Visatos modelio formavimasis yra labai platus. Stebėjimai rodo, kad materijos kiekis erdvėje tikrai yra daugiau nei dešimtadalis ir tikrai mažesnis už kritinį kiekį, reikalingą plėtimuisi sustabdyti. Čia yra gera analogija – nuo žemės išmestas kamuolys sulėtina greitį. Tuo pačiu greičiu kaip mažas asteroidas, jis niekada nesustos.
Prasidėjus šiam teoriniam sistemos metimui, gali atrodyti, kad jis buvo numestas tinkamu greičiu, kad galėtų eiti amžinai, begalinį atstumą sulėtėdamas iki nulio. Tačiau laikui bėgant tai tapo vis akivaizdžiau. Jei kas nors ir nežymiai praleido greičio langą, po 20 milijardų metų kelionės vis tiek atrodė, kad kamuolys buvo metamas tinkamu greičiu.
Bet kokie nukrypimai nuo plokštumo laikui bėgant yra perdėti, ir šiame visatos etape mažyčių nelygumų turėjo gerokai padaugėti. Jei dabartinio kosmoso tankis atrodo labai artimas kritiniam, tai ankstesniais laikais jis turėjo būti dar artimesnis plokščiam. Alanas Guthas Roberto Dicke'o paskaitą laiko viena iš įtakų, pastūmėjusių jį į infliacijos kelią. Robertas atkreipė dėmesį į taidabartinio kosmologinio visatos modelio plokščiumui po Didžiojo sprogimo ji turėtų būti plokščia iki vienos dalies 10–14 kartų per sekundę. Kaufmannas teigia, kad iš karto po jo tankis turėjo būti lygus kritiniam tankiui, tai yra iki 50 skaitmenų po kablelio.
Devintojo dešimtmečio pradžioje Alanas Guthas pasiūlė, kad po Plancko laiko 10–43 sekundės buvo trumpas itin sparčios plėtros laikotarpis. Šis infliacinis modelis buvo būdas išspręsti ir lygumo problemą, ir horizonto problemą. Jei Visata išsipūtė 20–30 dydžių kategorijų, tai itin mažo tūrio savybės, kurios gali būti laikomos tvirtai susietomis, šiandien buvo išplitusios visoje žinomoje visatoje, o tai prisidėjo prie ypatingo plokštumo ir itin izotropinio pobūdžio.
Taip galima trumpai apibūdinti šiuolaikinius kosmologinius Visatos modelius.
