28.02.1993 15:16 | A. D. Chernin / Das Universum und wir

Der Sternenhimmel beschäftigt seit jeher die Phantasie der Menschen. Warum leuchten Sterne? Wie viele von ihnen leuchten nachts? Sind sie weit von uns entfernt? Hat das Sternenuniversum Grenzen? Seit alten Zeiten hat der Mensch darüber nachgedacht, versucht, die Struktur davon zu verstehen und zu verstehen große Welt wo er lebt.

Die frühesten Vorstellungen der Menschen über die Sternenwelt sind in Legenden und Erzählungen erhalten geblieben. Jahrhunderte und Jahrtausende vergingen, bevor die Wissenschaft des Universums entstand und eine tiefe Begründung und Entwicklung erhielt, die uns die bemerkenswerte Einfachheit und erstaunliche Ordnung des Universums enthüllte. Kein Wunder, dass das Universum im antiken Griechenland Kosmos genannt wurde: Dieses Wort bedeutete ursprünglich Ordnung und Schönheit.

Bild der Welt

In einem alten indischen Buch namens Rigveda, was „Buch der Hymnen“ bedeutet, findet man eine der frühesten Beschreibungen in der Geschichte der Menschheit des gesamten Universums als eines einzigen Ganzen. Es enthält vor allem die Erde. Es erscheint als grenzenlose ebene Fläche – „Weitraum“. Diese Fläche wird von oben vom Himmel bedeckt - ein blaues Gewölbe mit Sternen. Zwischen Himmel und Erde - "leuchtende Luft".

Ganz ähnlich diesem Bild und den frühen Weltvorstellungen der alten Griechen und Römer – auch eine flache Erde unter der Himmelskuppel.

Es war sehr weit von der Wissenschaft entfernt. Aber etwas anderes ist hier wichtig. Bemerkenswert und grandios ist das gewagte Ziel selbst - das ganze Universum mit Gedanken zu umfassen. Daraus ergibt sich unsere Zuversicht, dass der menschliche Geist in der Lage ist, die Struktur des Universums zu begreifen, zu verstehen, zu enträtseln und in seiner Vorstellung zu erschaffen vollständiges Bild Frieden.

Himmlische Sphären

Das wissenschaftliche Weltbild nahm Gestalt an, als die Anhäufung der wichtigsten Erkenntnisse über Erde, Sonne, Mond, Planeten und Sterne voranschritt.

Zurück im VI Jahrhundert. BC. Der große Mathematiker und Philosoph der Antike Pythagoras lehrte, dass die Erde kugelförmig ist. Ein Beweis dafür ist zum Beispiel der runde Schatten unseres Planeten, der bei Mondfinsternissen auf den Mond fällt.

Ein anderer großer Wissenschaftler der Antike, Aristoteles, betrachtete das gesamte Universum als kugelförmig, kugelförmig. Diese Idee wurde nicht nur durch das abgerundete Erscheinungsbild des Himmels nahegelegt, sondern auch durch die kreisförmigen täglichen Bewegungen der Leuchten. Er stellte die Erde in den Mittelpunkt seines Weltbildes. Um ihn herum befinden sich die Sonne, der Mond und die damals bekannten fünf Planeten. Jeder dieser Körper entsprach seiner eigenen Sphäre, die unseren Planeten umkreiste. Der Körper ist mit seiner Sphäre „verbunden“ und bewegt sich daher auch um die Erde. Die am weitesten entfernte Sphäre, die alle anderen bedeckte, wurde als achte betrachtet. Daran hängen Sterne. Sie drehte sich auch um die Erde in Übereinstimmung mit der beobachteten täglichen Bewegung des Himmels.

Aristoteles glaubte, dass Himmelskörper wie ihre Kugeln aus einem speziellen "himmlischen" Material bestehen - Äther, der nicht die Eigenschaften von Schwerkraft und Leichtigkeit hat und im Weltall ewige Kreisbewegungen ausführt.

Ein solches Weltbild prägte die Köpfe der Menschen zwei Jahrtausende lang - bis zur Ära von Kopernikus. Im 2. Jahrhundert n. Chr. wurde dieses Bild von Ptolemäus, dem berühmten Astronomen und Geographen, der in Alexandria lebte, verbessert. Er gab eine detaillierte mathematische Theorie der Planetenbewegung. Ptolemäus konnte die scheinbaren Positionen der Sterne genau berechnen – wo sie jetzt sind, wo sie vorher waren und wo sie später sein werden.

Allerdings reichten fünf Kugeln nicht aus, um alle subtilen Details der Bewegung der Planeten über den Himmel wiederzugeben. An den fünf Kreisverkehren mussten neue hinzugefügt und die alten umgebaut werden. Bei Ptolemäus nahm jeder Planet an mehreren kreisförmigen Bewegungen teil, und ihre Addition ergab die sichtbare Bewegung der Planeten über den Himmel.

Später, im Mittelalter, wurde versucht, die damals allgemein akzeptierte Lehre des Aristoteles von den Himmelssphären in eine ganz andere Richtung zu entwickeln. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, Kugeln als Kristalle zu betrachten. Wieso den? Denn wahrscheinlich ist der Kristall durchsichtig und außerdem ist die Kristallkugel schön! Und doch verbesserten solche Ergänzungen keineswegs das Bild des Universums.

Welt des Kopernikus.

Das in seinem Todesjahr (1543) erschienene Buch des Kopernikus trug den bescheidenen Titel „Über die Umwälzungen der Himmelssphären“. Aber es war ein völliger Umsturz des aristotelischen Weltbildes. Der komplexe Koloss aus hohlen transparenten Kristallkugeln verschwand nicht sofort in der Vergangenheit. Seit dieser Zeit hat eine neue Ära in unserem Verständnis des Universums begonnen. Es dauert bis heute an.

Dank Copernicus haben wir gelernt, dass die Sonne ihren richtigen Platz im Zentrum des Planetensystems einnimmt. Die Erde ist nicht der Mittelpunkt der Welt, sondern einer der gewöhnlichen Planeten, die um die Sonne kreisen. Also passte alles zusammen. Die Struktur des Sonnensystems wurde schließlich enträtselt.

Weitere Entdeckungen von Astronomen ergänzten die Familie der Planeten. Es gibt neun davon: Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun und Pluto. In dieser Reihenfolge nehmen sie ihre Bahnen um die Sonne ein. Viele kleine Körper des Sonnensystems – Asteroiden und Kometen – wurden entdeckt. Am kopernikanischen Weltbild änderte dies jedoch nichts. Im Gegenteil, all diese Entdeckungen bestätigen und verfeinern es nur.

Jetzt verstehen wir, dass wir auf einem kleinen Planeten leben, der die Form einer Kugel hat. Die Erde umkreist die Sonne auf einer Umlaufbahn, die sich nicht allzu sehr von einer Kreisbahn unterscheidet. Der Radius dieser Umlaufbahn beträgt fast 150 Millionen Kilometer.

Die Entfernung von der Sonne zum Saturn – dem am weitesten entfernten Planeten, der zur Zeit von Kopernikus bekannt war – beträgt etwa das Zehnfache des Radius der Erdumlaufbahn. Diese Entfernung wurde von Kopernikus ganz richtig bestimmt. Die Entfernung von der Sonne zum entferntesten bekannten Planeten (Pluto) ist mit etwa sechs Milliarden Kilometern immer noch fast viermal größer.

Das ist das Bild des Universums in unserer unmittelbaren Umgebung. Das ist die Welt nach Kopernikus.

Aber das Sonnensystem ist nicht das ganze Universum. Wir können sagen, dass dies nur unsere kleine Welt ist. Was ist mit fernen Sternen? Über sie wagte Kopernikus keine Meinung zu äußern. Er ließ sie einfach an derselben Stelle, auf der fernen Sphäre, wo sie in Aristoteles waren, und sagte nur - und das völlig zu Recht -, dass die Entfernung zu ihnen um ein Vielfaches größer ist als die Größe von Planetenbahnen. Wie antike Wissenschaftler stellte er das Universum als geschlossenen Raum dar, der von dieser Sphäre begrenzt wird.

Wie viele Sterne stehen am Himmel?

Jeder wird diese Frage beantworten: oh, eine Menge. Aber immer noch, wie viel - hundert oder tausend?

Viel mehr, eine Million oder eine Milliarde.

Diese Antwort ist oft zu hören.

Tatsächlich vermittelt uns der Anblick des Sternenhimmels den Eindruck unzähliger Sterne. Wie Lomonosov in einem berühmten Gedicht sagte: "Der Abgrund hat sich geöffnet, die Sterne sind voll, es gibt keine Anzahl von Sternen ..."

Aber in Wirklichkeit ist die Anzahl der mit bloßem Auge sichtbaren Sterne gar nicht so groß. Wenn Sie den Eindrücken nicht nachgeben, sondern versuchen, sie zu zählen, wird sich herausstellen, dass selbst in einer klaren, mondlosen Nacht, wenn nichts die Beobachtung stört, eine Person mit scharfem Sehvermögen nicht mehr als zwei- oder dreitausend funkelnde Punkte im Licht sehen wird Himmel.

In einer im 2. Jahrhundert v. Chr. erstellten Liste. des berühmten antiken griechischen Astronomen Hipparchos und später ergänzt durch Ptolemäus, gibt es 1022 Sterne. Hevelius, der letzte Astronom, der solche Berechnungen ohne die Hilfe eines Teleskops durchführte, brachte ihre Zahl auf 1533.

Doch schon in der Antike vermutete man die Existenz einer Vielzahl von mit bloßem Auge unsichtbaren Sternen. Demokrit, der große Wissenschaftler der Antike, sagte, dass der weißliche Streifen, der sich über den gesamten Himmel erstreckt und den wir Milchstraße nennen, in Wirklichkeit eine Kombination aus dem Licht vieler einzeln unsichtbarer Sterne ist. Streitigkeiten über die Struktur der Milchstraße dauern seit Jahrhunderten an. Die Entscheidung – zugunsten der Vermutung Demokrits – fiel 1610, als Galileo die ersten Entdeckungen am Himmel mit einem Teleskop meldete. Er schrieb mit verständlicher Aufregung und Stolz, dass es nun möglich sei, „Sterne, die noch nie zuvor sichtbar waren und deren Anzahl mindestens zehnmal größer ist als die Anzahl der aus der Antike bekannten Sterne“, dem Auge zugänglich zu machen.

Sonne und Sterne

Aber diese große Entdeckung ließ die Welt der Sterne immer noch mysteriös zurück. Sind sie alle, sichtbar und unsichtbar, wirklich in einer dünnen Kugelschicht um die Sonne herum konzentriert?

Noch vor der Entdeckung von Galileo wurde eine bemerkenswert kühne Idee geäußert, die für diese Zeit unerwartet war. Es gehört Giordano Bruno, dessen tragisches Schicksal allen bekannt ist. Bruno vertrat die Idee, dass unsere Sonne einer der Sterne des Universums ist. Nur einer aus der großen Menge und nicht das Zentrum des Universums.

Wenn Copernicus einen Platz für die Erde aufzeigte – keineswegs im Mittelpunkt der Welt, dann wurden Bruno und die Sonne dieses Privilegs beraubt.

Brunos Idee führte zu vielen bemerkenswerten Konsequenzen. Daraus folgte eine Abschätzung der Entfernungen zu den Sternen. Tatsächlich ist die Sonne ein Stern wie die anderen, aber nur der uns am nächsten stehende. Deshalb ist es so groß und hell. Und wie weit muss der Stern verschoben werden, damit er beispielsweise wie der Stern Sirius aussieht? Die Antwort auf diese Frage gab der niederländische Astronom Huygens (1629-1695). Er verglich die Helligkeit dieser beiden Himmelskörper, und es stellte sich heraus: Sirius ist hunderttausendmal weiter von uns entfernt als die Sonne.

Um sich besser vorzustellen, wie groß die Entfernung zum Stern ist, sagen wir Folgendes: Ein Lichtstrahl, der in einer Sekunde dreihunderttausend Kilometer fliegt, braucht mehrere Jahre, um von uns zum Sirius zu gelangen. Astronomen sprechen in diesem Fall von einer Entfernung von mehreren Lichtjahren. Nach modernen aktualisierten Daten beträgt die Entfernung zu Sirius 8,7 Lichtjahre. Und die Entfernung von uns zur Sonne beträgt nur 8 1/3 Lichtminuten.

Natürlich unterscheiden sich verschiedene Sterne in sich von der Sonne und voneinander (dies wird in der modernen Schätzung der Entfernung zu Sirius berücksichtigt). Daher bleibt die Bestimmung der Entfernungen zu ihnen auch heute noch oft eine schwierige, manchmal einfach unlösbare Aufgabe für Astronomen, obwohl seit Huygens viele neue Methoden dafür erfunden wurden.

Brunos bemerkenswerte Idee und die darauf basierende Berechnung von Huygens wurden zu einem sehr wichtigen Schritt in der Wissenschaft des Universums. Dank dessen haben sich die Grenzen unseres Wissens über die Welt stark erweitert, sie sind über das Sonnensystem hinausgegangen und haben die Sterne erreicht.

Galaxis

Seit dem 17. Jahrhundert war das wichtigste Ziel der Astronomen die Erforschung der Milchstraße – dieser riesigen Ansammlung von Sternen, die Galileo mit seinem Teleskop sah. Die Bemühungen vieler Generationen von Astronomen und Beobachtern zielten darauf ab, die Gesamtzahl der Sterne in der Milchstraße herauszufinden, ihre tatsächliche Form und Grenzen zu bestimmen und ihre Größe abzuschätzen. Erst im 19. Jahrhundert konnte man verstehen, dass dies ein einziges System ist, das alle sichtbaren und viele weitere unsichtbare Sterne umfasst. Gleichberechtigt mit allen umfasst dieses System unsere Sonne und mit ihr die Erde und die Planeten. Außerdem befinden sie sich weit vom Zentrum entfernt, aber am Rande des Milchstraßensystems.

Es bedurfte noch vieler weiterer Jahrzehnte sorgfältiger Beobachtungen und gründlicher Überlegungen, bevor es möglich war, die Struktur der Galaxis herauszufinden. Also fingen sie an, das Sternensystem zu nennen, das wir von innen als Streifen der Milchstraße sehen. (Das Wort „Galaxie“ ist aus dem neugriechischen „galaktos“ gebildet, was „milchig“ bedeutet).

Es stellte sich heraus, dass die Galaxie eine ziemlich regelmäßige Struktur und Form hat, trotz der scheinbaren Zerrissenheit der Milchstraße, der Unordnung, mit der, wie es uns scheint, die Sterne über den Himmel verstreut sind. Es besteht aus einer Scheibe, einem Heiligenschein und einer Krone. Wie aus der schematischen Zeichnung ersichtlich, ist die Scheibe wie zwei an den Rändern gefaltete Platten. Es wird von Sternen gebildet, die sich innerhalb dieses Volumens auf fast kreisförmigen Bahnen um das Zentrum der Galaxis bewegen.

Der Durchmesser der Scheibe wird gemessen - er beträgt ungefähr hunderttausend Lichtjahre. Dies bedeutet, dass Licht hunderttausend Jahre braucht, um die Scheibe von einem Ende zum anderen im Durchmesser zu durchqueren. Und die Anzahl der Sterne in der Scheibe beträgt etwa hundert Milliarden.

Es gibt zehnmal weniger Sterne im Halo. (Das Wort "Halo" bedeutet "rund".) Sie füllen ein leicht abgeflachtes kugelförmiges Volumen aus und bewegen sich nicht auf kreisförmigen, sondern auf stark verlängerten Bahnen. Die Ebenen dieser Umlaufbahnen verlaufen durch das Zentrum der Galaxis. In verschiedene Richtungen sind sie mehr oder weniger gleichmäßig verteilt.

Die Scheibe und der sie umgebende Halo sind in die Korona eingetaucht. Wenn die Radien von Scheibe und Halo vergleichbar groß sind, dann ist der Radius der Korona fünf- und vielleicht zehnmal größer. Warum vielleicht“? Denn die Krone ist unsichtbar – kein Licht kommt von ihr. Wie haben Astronomen damals davon erfahren?

versteckte Masse

Alle Körper in der Natur erzeugen die Schwerkraft und erleben ihre Wirkung. Das sagt das bekannte Newtonsche Gesetz. Sie lernten die Krone nicht durch das Licht, sondern durch die von ihr erzeugte Schwerkraft kennen. Es wirkt auf sichtbare Sterne, auf leuchtende Gaswolken. Als Astronomen die Bewegung dieser Körper beobachteten, entdeckten sie, dass neben der Scheibe und dem Halo noch etwas anderes auf sie einwirkt. Eine detaillierte Studie ermöglichte es schließlich, die Korona zu entdecken, die zusätzliche Schwerkraft erzeugt. Es stellte sich als sehr massereich heraus - um ein Vielfaches größer als die Gesamtmasse aller Sterne, die in der Scheibe und im Halo enthalten sind. Das sind die Informationen, die der estnische Astronom J. Einasto und seine Mitarbeiter am Tartu-Observatorium und dann andere Astronomen erhalten haben.

Natürlich ist es schwierig, die unsichtbare Krone zu studieren. Aus diesem Grund sind Schätzungen seiner Größe und Masse noch nicht allzu genau. Aber das Hauptgeheimnis der Krone ist ein anderes: Wir wissen nicht, woraus sie besteht. Wir wissen nicht, ob es Sterne darin gibt, auch wenn es einige ungewöhnliche sind, die überhaupt kein Licht aussenden.

Nun gehen viele davon aus, dass seine Masse gar nicht aus Sternen besteht, sondern aus Elementarteilchen – zum Beispiel Neutrinos. Diese Teilchen sind den Physikern schon lange bekannt, aber an sich bleiben sie auch rätselhaft. Es ist über sie nicht bekannt, man könnte sagen, das Wichtigste: Haben sie eine Ruhemasse, also eine solche Masse, die ein Teilchen in einem Zustand hat, in dem es sich nicht bewegt. Viele Elementarteilchen (Elektron, Proton, Neutron), aus denen alle Atome bestehen, haben eine solche Masse. Aber ein Photon, ein Lichtteilchen, hat es nicht. Photonen existieren nur in Bewegung. Neutrinos könnten als Material für die Korona dienen, aber nur, wenn sie eine Ruhemasse haben.

Man kann sich gut vorstellen, mit welcher Ungeduld Astronomen auf Nachrichten aus Physiklabors warten, wo spezielle Experimente aufgebaut werden, um herauszufinden, ob das Neutrino eine Ruhemasse hat. Theoretische Physiker ziehen unterdessen andere Varianten von Elementarteilchen in Betracht, nicht unbedingt nur Neutrinos, die als Träger verborgener Masse fungieren könnten.

Sternenwelten.

Zu Beginn unseres Jahrhunderts hatten sich die Grenzen des Universums so weit ausgedehnt, dass sie die Galaxie einschlossen. Viele, wenn nicht alle, dachten damals, dass dieses riesige Sternensystem das gesamte Universum ist.

Aber in den zwanziger Jahren wurden die ersten großen Teleskope gebaut, und neue unerwartete Horizonte eröffneten sich den Astronomen. Es stellte sich heraus, dass die Welt nicht außerhalb der Galaxis endet. Milliarden von Sternensystemen, Galaxien, die unserem ähnlich sind und sich von ihm unterscheiden, sind hier und da über die Weiten des Universums verstreut.

Fotografien von Galaxien, die mit den größten Teleskopen aufgenommen wurden, beeindrucken durch ihre Schönheit und Formenvielfalt. Dies sind mächtige Wirbelwinde aus Sternenwolken und regelmäßige Kugeln oder Ellipsoide; andere Sternensysteme zeigen nicht die richtige Struktur, sie sind zerlumpt und formlos. Alle diese Arten von Galaxien - spiralförmig, elliptisch, unregelmäßig, benannt nach ihrem Erscheinen auf Fotografien - wurden in den 20-30er Jahren unseres Jahrhunderts vom amerikanischen Astronomen Edwin Hubble entdeckt und beschrieben.

Wenn wir unsere Galaxie von außen und aus der Ferne sehen könnten, dann würde sie vor uns ganz anders aussehen als auf der schematischen Zeichnung, durch die wir ihren Aufbau kennengelernt haben. Wir würden keine Scheibe, keinen Halo oder natürlich eine Korona sehen, die im Allgemeinen unsichtbar ist. Aus großer Entfernung wären nur die hellsten Sterne sichtbar. Und wie sich herausstellte, sind sie alle in breiten Bändern gesammelt, die von der zentralen Region der Galaxis ausgehen. Die hellsten Sterne bilden sein Spiralmuster. Nur dieses Muster wäre von weitem zu unterscheiden. Unsere Galaxie in einem Bild, das von einem Astronomen aus einer anderen Galaxie aufgenommen wurde, würde dem Andromeda-Nebel, wie er uns auf Fotos erscheint, sehr ähnlich aussehen.

Jüngste Studien haben gezeigt, dass viele große Galaxien (nicht nur unsere) ausgedehnte und massive unsichtbare Koronas haben. Und das ist sehr wichtig: Wenn ja, dann ist im Allgemeinen fast die gesamte Masse des Universums oder auf jeden Fall sein überwältigender Teil eine mysteriöse, unsichtbare, aber gravitierende "verborgene" Masse.

Ketten und Leerstellen

Viele, vielleicht fast alle Galaxien sind in verschiedenen Kollektiven zusammengefasst, die als Gruppen, Haufen und Superhaufen bezeichnet werden – je nachdem, wie viele es sind. Eine Gruppe kann nur 3 oder 4 Galaxien umfassen, und ein Superhaufen kann Zehntausende enthalten. Unsere Galaxie, der Andromeda-Nebel und mehr als tausend derselben Objekte sind im lokalen Supercluster enthalten. Es hat keine klar definierte Form und wirkt im Allgemeinen eher abgeflacht.

Ungefähr das gleiche Aussehen und andere Superhaufen, die weit von uns entfernt liegen, aber mit modernen Großteleskopen recht deutlich unterscheidbar sind.

Bis vor kurzem glaubten Astronomen, dass Supercluster die größten Formationen im Universum seien und dass es einfach keine anderen großen Systeme gebe. Es stellte sich jedoch heraus, dass dies nicht der Fall war.

Vor einigen Jahren erstellten Astronomen eine erstaunliche Karte des Universums. Darauf wird jede Galaxie nur durch einen Punkt dargestellt. Auf den ersten Blick sind sie zufällig auf der Karte verstreut. Wenn Sie genau hinschauen, können Sie Gruppen, Cluster und Supercluster finden, wobei letztere durch Punktketten dargestellt werden. Die Karte zeigt, dass sich einige dieser Ketten verbinden und überschneiden und eine Art Netz oder Wabenmuster bilden, das an Spitze oder vielleicht an eine Wabe mit einer Zellgröße von 100-300 Millionen Lichtjahren erinnert.

Ob solche "Gitter" das gesamte Universum abdecken, bleibt abzuwarten. Aber mehrere einzelne Zellen, die von Superhaufen umrissen sind, wurden im Detail untersucht. Es gibt fast keine Galaxien in ihnen, alle sind in "Wänden" gesammelt, die riesige Hohlräume begrenzen, die jetzt "Voids" (dh "Voids") genannt werden.

Zelle und Leere sind vorläufige Arbeitsnamen für die größte Formation im Universum. Größere Systeme in der Natur sind uns unbekannt. Daher können wir sagen, dass Wissenschaftler jetzt eine der ehrgeizigsten Aufgaben der Astronomie gelöst haben - die gesamte Sequenz oder, wie sie sagen, die Hierarchie der astronomischen Systeme ist jetzt vollständig bekannt.

Universum

Mehr als alles andere, das Universum selbst, das alle Planeten, Sterne, Galaxien, Haufen, Superhaufen und Zellen mit Hohlräumen umfasst und einschließt. Die Reichweite moderner Teleskope erreicht mehrere Milliarden Lichtjahre. Dies ist die Größe des beobachtbaren Universums.

Alle Himmelskörper und -systeme überraschen mit einer Vielzahl von Eigenschaften und einer komplexen Struktur. Und wie ist das ganze Universum aufgebaut, das Universum als Ganzes? Es stellt sich heraus, dass es extrem eintönig und einfach ist!

Seine Haupteigenschaft ist die Einheitlichkeit. Das kann man noch genauer sagen. Stellen wir uns vor, wir hätten im Universum ein sehr großes kubisches Volumen mit einem Rand von, sagen wir, fünfhundert Millionen Lichtjahren gedanklich herausgegriffen. Lassen Sie uns berechnen, wie viele Galaxien darin sind. Lassen Sie uns die gleichen Berechnungen für andere, aber ebenso gigantische Volumina durchführen, die sich in verschiedenen Teilen des Universums befinden. Wenn dies alles gemacht und die Ergebnisse verglichen werden, stellt sich heraus, dass jede von ihnen, egal wo sie aufgenommen wurde, die gleiche Anzahl von Galaxien enthält. Das gleiche passiert beim Zählen von Clustern und sogar Zellen.

Wenn wir also solche "Details" wie Sternhaufen, Superhaufen, Zellen ignorieren und das Universum breiter betrachten, indem wir die ganze Vielzahl von Sternwelten auf einmal mental erfassen, dann wird es uns überall gleich erscheinen - "massiv" und homogen .

Sie können sich kein einfacheres Gerät vorstellen. Ich muss sagen, dass die Leute das schon lange vermutet haben. Zum Beispiel sagte der bemerkenswerte Denker Pascal (1623-1662), dass die Welt ein Kreis ist, dessen Mittelpunkt überall ist und dessen Umfang nirgends ist. So sprach er mit Hilfe eines visuellen geometrischen Bildes über die Homogenität der Welt.

In einer homogenen Welt kann man sagen, dass alle "Orte" gleiche Rechte haben, und jeder von ihnen kann behaupten, das Zentrum der Welt zu sein. Und wenn ja, bedeutet das, dass überhaupt kein Zentrum der Welt existiert.

Verlängerung

Das Universum hat noch eine weitere wichtige Eigenschaft, aber bis Ende der 20er Jahre unseres Jahrhunderts hat niemand darüber geahnt. Das Universum ist in Bewegung – es dehnt sich aus. Der Abstand zwischen Clustern und Superclustern nimmt ständig zu. Sie scheinen voreinander wegzulaufen. Und das Mesh-Netzwerk ist gedehnt.

Zu allen Zeiten zogen es die Menschen vor, das Universum als ewig und unveränderlich zu betrachten. Diese Sichtweise setzte sich bis in die 1920er Jahre durch. Es wurde angenommen, dass das Universum durch die Größe unserer Galaxie begrenzt ist. Und obwohl einzelne Sterne in der Milchstraße geboren werden und sterben können, bleibt die Galaxie immer noch dieselbe – genauso wie ein Wald unverändert bleibt, in dem Bäume Generation für Generation ersetzt werden.

Eine wirkliche Revolution in der Wissenschaft des Universums wurde 1922-24 gemacht. Werk des Petersburger Mathematikers Alexander Alexandrovich Fridman. Basierend auf der gerade von Einstein geschaffenen allgemeinen Relativitätstheorie bewies er mathematisch, dass die Welt nichts Eingefrorenes und Unveränderliches ist. Als Ganzes lebt er sein dynamisches Leben, verändert sich in der Zeit, expandiert oder kontrahiert nach streng definierten Gesetzen.

Friedman entdeckte die Nichtstationarität des Universums. Es war eine theoretische Vorhersage. Ob sich das Universum ausdehnt oder zusammenzieht, konnte endgültig nur aufgrund astronomischer Beobachtungen entschieden werden. Solche Beobachtungen in den Jahren 1928-29. geschafft, das Hubble zu tun.

Er entdeckte, dass entfernte Galaxien und ihre gesamten Kollektive von uns in alle Richtungen zerstreut werden. Nach Friedmans Vorhersagen sollte die allgemeine Expansion des Universums genau so aussehen.

Wenn sich das Universum ausdehnt, dann gab es in der fernen Vergangenheit Cluster und Supercluster näherer Freund zum Freund. Darüber hinaus folgt aus Friedmans Theorie, dass vor 15 bis 20 Milliarden Jahren noch weder Sterne noch Galaxien existierten und alle Materie zu einer kolossalen Dichte vermischt und komprimiert war. Diese Substanz hatte dann eine ungeheuer hohe Temperatur.

Urknall

die Hypothese über hohe Temperatur kosmische Materie in dieser fernen Ära wurde von Georgy Antonovich Gamov (1904-1968) vorgeschlagen, der sein Studium der Kosmologie an der Leningrader Universität unter der Leitung von Professor A. A. Fridman begann. Gamow argumentierte, dass die Expansion des Universums mit dem Urknall begann, der gleichzeitig und überall auf der Welt stattfand. Der Urknall erfüllte den Weltraum mit heißer Materie und Strahlung.

Das ursprüngliche Ziel von Gamows Forschung war es, den Ursprung der chemischen Elemente aufzuklären, aus denen alle Körper im Universum bestehen – Galaxien, Sterne, Planeten und wir selbst.

Astronomen haben seit langem festgestellt, dass das häufigste Element im Universum Wasserstoff ist, die Nummer eins im Periodensystem. Es macht ungefähr 3/4 der gesamten "gewöhnlichen" (nicht verborgenen) Materie des Universums aus. Etwa 1/4 ist Helium (Element N2), und alle anderen Elemente (Kohlenstoff, Sauerstoff, Kalzium, Silizium, Eisen usw.) machen sehr wenig aus, bis zu 2 % (nach Masse). Dies ist die chemische Zusammensetzung der Sonne und der meisten Sterne.

Wie hat sich das universelle chemische Zusammensetzung kosmische Materie, wie ist das „Standard“-Verhältnis zwischen Wasserstoff und Helium überhaupt entstanden?

Auf der Suche nach einer Antwort auf diese Frage wandten sich Astronomen und Physiker zunächst dem Sterninneren zu, wo die Umwandlungsreaktionen der Atomkerne intensiv ablaufen. Bald wurde jedoch klar, dass unter den Bedingungen, die in den Zentralregionen von Sternen wie der Sonne herrschen, keine Elemente, die schwerer als Helium sind, in nennenswerten Mengen gebildet werden können.

Aber was wäre, wenn die chemischen Elemente nicht in den Sternen, sondern unmittelbar in den allerersten Stadien der kosmologischen Expansion im gesamten Universum auftauchten? Die Vielseitigkeit der chemischen Zusammensetzung ist automatisch gewährleistet. Was die physikalischen Bedingungen betrifft, so war die Materie im frühen Universum zweifellos sehr dicht, jedenfalls viel dichter als im Innern von Sternen. Die durch Friedmans Kosmologie garantierte hohe Dichte ist eine unabdingbare Voraussetzung für das Auftreten von Kernreaktionen zur Synthese von Elementen. Auch diese Reaktionen erfordern eine hohe Temperatur der Substanz. Das frühe Universum war nach Gamows Vorstellung der „Kessel“, in dem die Synthese aller chemischen Elemente stattfand.

Als Ergebnis einer großen langfristigen kollektiven Aktivität von Wissenschaftlern verschiedene Länder, initiiert von Gamow, in den 40-60er Jahren. Es wurde offensichtlich, dass die kosmische Häufigkeit der beiden Hauptelemente Wasserstoff und Helium tatsächlich durch Kernreaktionen in der heißen Materie des frühen Universums erklärt werden kann. Schwerere Elemente sollten anscheinend auf andere Weise synthetisiert werden (während Supernovaausbrüchen).

Die Synthese von Elementen ist, wie bereits erwähnt, nur bei hohen Temperaturen möglich; aber in einem erhitzten Stoff muss nach den allgemeinen Gesetzen der Thermodynamik immer Strahlung vorhanden sein, die mit ihm im thermischen Gleichgewicht steht. Nach der Epoche der Nukleosynthese (die übrigens nur wenige Minuten dauerte) verschwindet die Strahlung nirgendwo und bewegt sich mit der Materie im Laufe der allgemeinen Evolution des expandierenden Universums weiter. Es sollte bis in die heutige Epoche erhalten bleiben, nur seine Temperatur sollte - aufgrund erheblicher Ausdehnung - viel niedriger sein als zu Beginn. Eine solche Strahlung sollte im Bereich kurzer Radiowellen einen allgemeinen Himmelshintergrund erzeugen.

Die Entdeckung der von dieser Theorie vorhergesagten kosmischen Radiostrahlung im Jahr 1965 wurde zu einem bedeutenden Ereignis in der gesamten Naturwissenschaft, zu einem wahren Triumph der Friedmann-Gamow-Kosmologie. Dies war die wichtigste Beobachtungsentdeckung in der Kosmologie seit der Entdeckung der allgemeinen Rezession von Galaxien.

Wie Galaxien entstanden

Beobachtungen haben gezeigt, dass die kosmische Strahlung aus allen Raumrichtungen äußerst gleichmäßig zu uns kommt. Diese Tatsache wurde mit rekordverdächtiger Genauigkeit für die Kosmologie festgestellt: bis zu Hundertstel Prozent. Mit solcher Genauigkeit kann man jetzt von der allgemeinen Uniformität, der Homogenität des Universums selbst als Ganzes sprechen.

Die Beobachtungen bestätigten also zuverlässig nicht nur die Vorstellung vom heißen Beginn des Universums, sondern auch die in die Kosmologie eingebetteten Vorstellungen über die geometrischen Eigenschaften der Welt.

Aber das ist nicht alles. Vor kurzem wurden im kosmischen Hintergrund sehr schwache Abweichungen von weniger als einem Tausendstel Prozent von der vollständigen und idealen Gleichförmigkeit festgestellt. Kosmologen freuten sich über diese Entdeckung fast mehr als einmal nach der Entdeckung der Strahlung selbst. Es war eine willkommene Entdeckung.

Theoretiker sagten lange Zeit voraus, dass in der kosmischen Strahlung kleine „Wellen“ entstehen sollten frühen Zeiten das Leben des Universums, als es noch keine Sterne oder Galaxien darin gab. Stattdessen gab es nur sehr schwache Materieansammlungen, aus denen später moderne Sternensysteme „geboren“ wurden. Diese Konzentrationen verdichteten sich allmählich aufgrund ihrer eigenen Schwerkraft und konnten sich in einer bestimmten Epoche von der allgemeinen kosmologischen Expansion "lösen". Danach verwandelten sie sich in beobachtbare Galaxien, ihre Gruppen, Haufen und Superhaufen. Das Vorhandensein vorgalaktischer Inhomogenitäten im frühen Universum hinterließ deutliche Spuren im kosmischen Strahlungshintergrund: Aufgrund dessen kann es nicht vollkommen gleichförmig sein, was 1992 entdeckt wurde (siehe „Astronomy News“ auf Seite 14 – Ed).

Dies wurde von zwei Gruppen von Astronomen und Beobachtern gemeldet - vom Institut für Weltraumforschung in Moskau und vom Goddard Space Center in der Nähe von Washington. Ihre Forschung wurde auf Orbitalstationen durchgeführt, die mit speziellen, sehr empfindlichen Radiowellenempfängern ausgestattet waren. Die von Gamow vorhergesagte kosmische Strahlung leistete damit der Astronomie einen neuen Dienst.

Es muss angenommen werden, dass die verborgenen Massen auch in einem einzigen grandiosen Ereignis des Urknalls geboren wurden. Sie sammelten sich zu künftigen Koronas, in denen die "gewöhnliche" Materie weiter schrumpfte und in relativ kleine, aber dichte Fragmente - Gaswolken - zerfiel. Diese wiederum schrumpften unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft noch weiter und spalteten sich in Protosterne auf, die sich schließlich in Sterne verwandelten, als thermonukleare Reaktionen in ihren dichtesten und heißesten Regionen „einschalteten“.

Die Freisetzung hoher Energie bei den Reaktionen der Umwandlung von Wasserstoff in Helium und dann in schwerere Elemente ist die Quelle der Leuchtkraft sowohl der allerersten Sterne als auch der Sterne nachfolgender Generationen. Jetzt können Astronomen die Geburt junger Sterne in der Scheibe der Galaxis direkt beobachten: Sie geschieht vor unseren Augen. Die physische Natur der Sterne, der Grund, warum diese physischen Körper ihr Licht ausstrahlen, und sogar ihr Ursprung selbst, ist kein unlösbares Rätsel mehr.

Warum expandiert es?

Viel schwieriger ist es, die Wissenschaft beim Studium der frühen, vorstellaren, vorgalaktischen Stadien der Evolution der Welt voranzubringen, die nicht direkt beobachtet werden können. Die kosmische Hintergrundstrahlung hat uns viel über die Vergangenheit des Universums erzählt. Aber die Hauptfragen der Kosmologie bleiben offen. Dabei geht es in erster Linie um die Frage nach der Ursache der allgemeinen Materieausdehnung, die 15-20 Milliarden Jahre andauert.

Bisher kann man nur Hypothesen aufstellen, theoretische Vermutungen anstellen und Vermutungen über die physikalische Natur dieses grandiosesten Naturphänomens anstellen. Eine solche Hypothese hat mittlerweile eine große Zahl begeisterter Anhänger gewonnen.

Seine ursprüngliche Idee ist, dass zu Beginn des Universums, noch vor der Ära der Nukleosynthese, die Welt nicht von der universellen Gravitation, sondern von der universellen Antigravitation beherrscht wurde. Die allgemeine Relativitätstheorie, auf der die Kosmologie aufbaut, schließt eine solche Möglichkeit nicht grundsätzlich aus. Diese Idee war im Wesentlichen so, als wäre sie vor vielen Jahren von Einstein selbst angeregt worden.

Wenn eine solche Idee akzeptiert wird, ist es nicht schwer zu erraten, dass sich alle Körper auf der Welt aufgrund der Antigravitation nicht anziehen, sondern im Gegenteil abstoßen und voneinander zerstreuen sollten. Diese Expansion hört nicht auf und setzt sich durch Trägheit fort, auch wenn die Antigravitation irgendwann durch die uns bekannte universelle Gravitation ersetzt wird.

Diese helle und fruchtbare Hypothese wird jetzt aktiv theoretisch entwickelt, aber sie muss noch einen strengen Beobachtungstest bestehen, um sich im Erfolgsfall in ein überzeugendes Konzept zu verwandeln, wie es früher mit den Theorien von Friedman und Gamow geschah. Mittlerweile ist dies nur noch eines der kuriosen Gebiete der wissenschaftlichen Forschung in der Kosmologie. Die Antwort auf die erstaunlichsten Geheimnisse des großen Universums steht noch bevor.

Existenz des Großen Universums hat zu allen Zeiten eine Vielzahl von Fragen und Vermutungen aufgeworfen und viele Entdeckungen und Hypothesen hervorgebracht.

Am Rande der Welt

Wenn sie über etwas sprechen wollen, das uns sehr fern liegt, sagen sie oft: Wo ist das? das Ende der Welt? Wahrscheinlich hat sich die Vorstellung vom Ende der Welt in den vielen Jahrhunderten, die seit der Geburt dieses Sprichworts vergangen sind, mehr als einmal geändert. Für Antike Griechen Außerhalb der Ökumene – der bewohnten Erde – war ein winziges Gebiet. Jenseits der Säulen des Herkules begann für sie bereits „terra incognita“, ein unbekanntes Land. Sie hatten keine Ahnung von China. Die Ära der Großen zeigte, dass die Erde keinen Rand hat, und Copernicus, (mehr:), der entdeckte, warf den Rand der Welt über die Sphäre der Fixsterne hinaus. Nicolaus Copernicus - entdeckte das Sonnensystem. , der formulierte, verschob es allgemein ins Unendliche. Aber Einstein, dessen geniale Gleichungen vom sowjetischen Wissenschaftler A. A. Fridman gelöst wurden, schuf die Doktrin unseres kleinen Universums, die es ermöglichte, das Ende der Welt genauer zu bestimmen. Er war von uns in einer Entfernung von etwa 12-15 Milliarden Lichtjahren.
Isaac Newton - entdeckte das Gesetz der universellen Gravitation. Einsteins Anhänger erklärten klar, dass kein materieller Körper die Grenzen des Kleinen Universums verlassen kann, das durch die Kraft der universellen Gravitation geschlossen ist, und wir werden nie wissen, was sich jenseits seiner Grenzen befindet. Es schien, als ob das menschliche Denken an die äußerst möglichen Grenzen gestoßen sei und selbst ihre Unausweichlichkeit verstanden habe. Und deshalb ist es nicht notwendig, weiter zu eilen. Albert Einstein - schuf die Doktrin unseres kleinen Universums. Und für mehr als ein halbes Jahrhundert versuchte das menschliche Denken, die festgelegte extreme Grenze nicht zu überschreiten, zumal es innerhalb der von Einsteins Gleichungen umrissenen Grenzen ziemlich viele mysteriöse und mysteriöse Dinge gab, über die es Sinn machte, darüber nachzudenken. Selbst Science-Fiction-Autoren, deren kühnen Gedankenflug sich nie von irgendjemandem aufhalten ließ, und diese im Allgemeinen waren anscheinend zufrieden mit den ihnen zugewiesenen Gebieten, die eine unzählbare Anzahl von Welten verschiedener Klassen und Kategorien umfassten: Planeten und Sterne, Galaxien und Quasare.

Was ist das große Universum

Und erst im zwanzigsten Jahrhundert stellten theoretische Physiker erstmals die Frage, was jenseits der Grenzen unseres kleinen Universums liegt, was ist das große universum, in die sich die expandierenden Grenzen unseres Universums kontinuierlich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen? Wir müssen die längste Reise machen. Wir folgen den Gedanken der Wissenschaftler, die diese Reise mit Hilfe mathematischer Formeln unternommen haben. Wir werden es auf den Flügeln eines Traums schaffen. Unzählige Science-Fiction-Autoren folgen uns auf demselben Weg, und diese 12-15 Milliarden Lichtjahre des Radius unseres Universums, gemessen von Wissenschaftlern nach Einsteins Formeln, werden für sie eng werden ... Also, los geht's! Wir nehmen schnell Fahrt auf. Hier reichen natürlich die heutigen kosmischen nicht aus. Geschwindigkeiten und das Zehnfache werden kaum ausreichen, um unser Sonnensystem zu untersuchen. Die Lichtgeschwindigkeit wird uns nicht ausreichen, wir können nicht nur zehn Milliarden Jahre damit verbringen, den Raum unseres Universums zu überwinden!
Planeten des Sonnensystems. Nein, wir müssen diesen Wegabschnitt in zehn Sekunden zurücklegen. Und hier sind wir am Rand des Universums. Unerträglich lodern riesige Feuer von Quasaren, die sich immer fast an seinen äußersten Grenzen befinden. Hier bleiben sie zurück und scheinen uns hinterher zu blinzeln: Schließlich pulsiert die Strahlung von Quasaren, ändert sich periodisch. Wir fliegen mit der gleichen fantastischen Geschwindigkeit und finden uns plötzlich in völliger Dunkelheit wieder. Keine Funken ferner Sterne, keine farbige Milch mysteriöser Nebel. Vielleicht ist das Große Universum eine absolute Leere? Wir schalten alle möglichen Geräte ein. Nein, es gibt einige Hinweise auf das Vorhandensein von Materie. Gelegentlich stoßen Sie auf Quanten aus verschiedenen Teilen des elektromagnetischen Spektrums. Es war möglich, mehrere Meteorstaubpartikel zu fixieren - Materie. Und weiter. Eine ziemlich dichte Wolke von Gravitonen, wir spüren deutlich die Wirkung vieler Gravitationsmassen. Aber wo sind diese sehr gravitativen Körper? Weder verschiedene Teleskope noch verschiedene Ortungsgeräte können sie uns zeigen. Vielleicht sind dies alles bereits „ausgebrannte“ Pulsare und „Schwarze Löcher“, die Endstadien der Entwicklung von Sternen, in denen Materie, die in riesigen Formationen gesammelt wird, ihrem eigenen Gravitationsfeld nicht widerstehen kann und, nachdem sie sich fest umwickelt hat, hineinstürzt ein langer, fast fester Schlaf? Eine solche Formation kann nicht durch ein Teleskop gesehen werden - sie emittiert nichts. Es kann auch nicht von einem Ortungsgerät erfasst werden: Es absorbiert unwiderruflich alle Strahlen, die auf es fallen. Und nur das Gravitationsfeld verrät seine Anwesenheit.
Nun, das Große Universum ist nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich unendlich. 15 Milliarden Jahre der Existenz des Kleinen Universums im Vergleich zur Ewigkeit der Existenz des Großen Universums sind nicht einmal ein Augenblick, nicht eine Sekunde im Vergleich zu einem Jahrtausend; Wir können ausrechnen, wie viele Sekunden im Jahrtausend enthalten sind und wir erhalten zwar eine große, aber endgültige Zahl. Und wie viele Milliarden Jahre sind in der Ewigkeit enthalten? Unendliche Menge! Die Ewigkeit ist mit Milliarden von Jahren einfach inkommensurabel! In diesen unkalkulierbaren Zeiten gelang es also jedem der am wirtschaftlichsten brennenden Sternfeuer, „auszubrennen“, sie schafften es, alle Stadien des Sternlebens zu durchlaufen, schafften es, auszugehen und sich fast auf den absoluten Nullpunkt abzukühlen. Übrigens weicht die Temperatur eines Körpers, der sich im Weltraum des Großen Universums befunden hat, nicht um ein Tausendstel Grad vom absoluten Nullpunkt der Kelvin-Skala ab. Währenddessen zeigt ein irgendwo im Kleinen Universum platziertes Thermometer mehrere Grad positive Temperatur an: Schließlich trägt das Licht der entferntesten Sterne etwas Energie. In unserem Small Universe ist es nicht nur hell, sondern auch warm! Ja, es ist nicht sehr bequem im großen Universum! Wir verlangsamen die Geschwindigkeit unseres Fluges auf die im Kleinen Universum üblichen Werte - Dutzende und Hunderte von Kilometern pro Sekunde.

Objekte, die das Große Universum bewohnen

Schauen wir uns einige an bewohnen großes Universum Objekte. Hier fliegt eine gigantische (nach der Größe ihres Gravitationsfeldes zu urteilende) Materiemasse vorbei. Wir spähen in den Superlocator-Bildschirm. Es stellt sich heraus, dass ein starkes Feld zu einer winzigen Formation führt, deren Durchmesser nur etwa ein Dutzend Kilometer beträgt. Neutronenstern! Wir untersuchen seine Oberfläche, sie ist vollkommen glatt, als wäre sie in einer guten Werkstatt sorgfältig poliert worden. Plötzlich blitzte es auf dieser Oberfläche auf: Angezogen von einer starken Anziehungskraft stürzte ein Meteorit in unseren toten Stern, ein Stück Materie, das für uns üblich ist. Nein, er blieb nicht auf der Oberfläche der Sternenleiche liegen. Es breitete sich irgendwie sehr schnell mit einer Pfütze fester Materie über seine Oberfläche aus und sickerte dann spurlos in den Boden ein ... Witze sind schlecht mit solch mächtigen Zwergen! Schließlich wird ihre allmächtige Gravitation das Raumschiff, seine Besatzung und Instrumente auf die gleiche Weise spurlos absorbieren und alles in eine Neutronenflüssigkeit verwandeln, aus der nach einer Weile Wasserstoff und Helium des neuen kleinen Universums werden entstehen. Und natürlich werden bei diesem Umschmelzen alle Ereignisse vergessen, die Stoffe in unserer Zeit erlebt haben, so wie es nach dem Umschmelzen von Metall unmöglich ist, die früheren Konturen von verschrotteten Maschinenteilen wiederherzustellen.

Welcher Raum des Großen Universums

Ja, vieles ist hier anders als in unserem kleinen Universum. Also was Raum des großen Universums? Was sind seine Eigenschaften? Wir setzen Experimente. Der Platz ist der gleiche wie bei uns dreidimensional. Wie bei uns wird es stellenweise durch das Gravitationsfeld gekrümmt. Ja, als eine der Daseinsformen der Materie ist der Raum fest mit der ihn erfüllenden Materie verbunden. Besonders ausgeprägt ist dieser Zusammenhang hier, wo gigantische Materiemassen zu winzigen Formationen konzentriert sind. Einige von ihnen haben wir bereits gesehen – „Schwarze Löcher“ und Neutronensterne. Diese Formationen, die ein natürliches Ergebnis der Entwicklung von Sternen sind, wurden bereits in unserem Universum gefunden.
Schwarzes Loch im großen Universum. Aber es gibt hier auch materielle Formationen, viel kleiner - nur Meter, Zentimeter oder sogar Mikrometer im Durchmesser, aber ihre Masse ist ziemlich groß, sie bestehen auch aus superkondensierter Materie. Solche Körper können nicht von alleine entstehen, ihre eigene Schwerkraft reicht nicht aus, um sich fest einzuwickeln. Aber sie können dauerhaft existieren, wenn eine äußere Kraft sie in einen solchen Zustand gedrängt hat. Was ist diese Kraft? Oder sind dies vielleicht Fragmente größerer Blöcke superdichter Materie, die aus irgendeinem Grund zusammengebrochen sind? Dies sind die Plankeons von K. P. Stanyukovich. Auch im Großen Universum kommt Materie in ihrer üblichen Form vor. Nein, sie sind keine Sterne, sie sind kleiner als Sterne. In unserem kleinen Universum könnten diese Formationen kleine Planeten oder Satelliten von Planeten sein. Vielleicht befanden sie sich einst in irgendeinem uns unbekannten Kleinen Universum, aber die Sterne, um die sie kreisten, erloschen und schrumpften, irgendein Unfall riss sie von den zentralen Gestirnen weg, und seit ihren „kleinen Universen“ wandern sie durch die Unendlichkeit des Universums Big Universe „ohne Ruder und ohne Segel“.

wandernde Planeten

Vielleicht unter diesen wandernde Planeten Gibt es welche, die von intelligenten Wesen bewohnt wurden? Unter den Bedingungen des Großen Universums kann das Leben auf ihnen natürlich nicht lange existieren. Diesen vollständig gefrorenen Planeten werden Energiequellen entzogen. Ihre Reserven an radioaktiven Stoffen sind längst bis auf das letzte Molekül zerfallen, ihnen fehlt völlig die Energie von Wind, Wasser, fossilen Brennstoffen: schließlich haben all diese Energiequellen die Strahlen des zentralen Leuchtkörpers als primäre Quelle, und sie gingen ein vor langer Zeit. Aber wenn die Bewohner dieser Welten wüssten, wie man das kommende Schicksal vorhersieht, könnten sie Briefe auf diesen ihren Planeten an diejenigen versiegeln, die sie in unbekannten Zeiten besuchen würden, und in der Lage sein, sie zu lesen und zu verstehen. Aber ist die Möglichkeit ihrer langfristigen Existenz in dem unendlichen Raum dieses lebewesenfeindlichen Universums so wahrscheinlich? Das Große Universum ist ungefähr so ​​„locker“ mit Materie gefüllt wie unseres, das Kleine. Gleichzeitig muss daran erinnert werden, dass die Fülle an Sternen, die wir in einer mondlosen Nacht am Himmel beobachten, nicht typisch für das kleine Universum ist. Es ist nur so, dass unsere Sonne und damit die Erde Teil eines Sternenschwarms sind – unserer Galaxie.

intergalaktischer Raum

Eher typisch intergalaktischer Raum, von denen nur wenige Galaxien zu sehen wären, leichte, leicht leuchtende Wolken, die auf den schwarzen Samt des Himmels fielen. Nahe beieinander liegende Sterne und Galaxien bewegen sich relativ zueinander mit Geschwindigkeiten von mehreren zehn und hundert Kilometern pro Sekunde.
Sterne des intergalaktischen Raums. Wie Sie sehen können, sind diese Geschwindigkeiten klein. Aber sie sind so, dass sie den Fall einiger Himmelskörper auf andere verhindern. Wenn Sie sich beispielsweise zwei Sternen nähern, werden ihre Flugbahnen etwas gekrümmt sein, aber die Sterne werden jeweils auf ihre eigene Weise fliegen. Die Wahrscheinlichkeit einer Kollision oder Annäherung von Sternen ist nahezu Null, selbst in dicht besiedelten Sternenstädten wie unserer Galaxie. Ungefähr gleich groß ist die Wahrscheinlichkeit einer Kollision materieller Körper im Großen Universum. Und Briefe, die für ultraentfernte Nachkommen versiegelt sind, werden angesichts der ultraniedrigen Temperaturen, die sogar die thermische Bewegung von Molekülen stoppten, ebenfalls unbegrenzt existieren können. Könnte dies nicht ein hervorragendes Material für eine fantastische Geschichte mit dem Titel „Ein Brief aus der Ewigkeit“ sein? Im Großen Universum haben wir also keinen Raum gefunden, der sich von unserem dreidimensionalen unterscheidet. Aller Wahrscheinlichkeit nach sind die Räume von vier und vielen Dimensionen eine bloße mathematische Abstraktion, die keine wirklichen Verkörperungen hat, es sei denn natürlich, die Zeit wird als vierte Dimension betrachtet. Aber es unterscheidet sich durch seine Natur stark von den ersten drei Dimensionen (vorwärts-rückwärts, links-rechts, oben-unten).

Entstehung des kleinen Universums

Nun, wie hat unsere Kleines Universum? Einige Wissenschaftler glauben, dass als Ergebnis der Kollision zweier supermassiver Materieformationen, die in einer bestimmten "vorstellaren" Form waren, die gesamte Materie, aus der unser Universum besteht, auf einen Schlag herausgegriffen wurde. Es begann sich schnell mit Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen auszudehnen und bildete eine Art leuchtende Blase im unendlichen Körper des Großen Universums.

Die Urknalltheorie des Universums

Der Autor der aufgestellten Hypothese der Struktur des Großen Universums, Professor, Doktor der physikalischen und mathematischen Wissenschaften K. P. Stanyukovich glaubt, dass diese anfängliche Explosion einen etwas anderen Charakter hat.
Kirill Petrovich Stanyukovich - der Autor der Theorie des Urknalls des Universums. Es ist schwer zu sagen, warum das angefangen hat Urknall-Universum. Vielleicht verursachte während der Kollision zweier Plankeons eine zufällige Schwankung in der Dichte eines Plankeons, dass die ersten Funken dieser Explosion auftauchten. Es könnte sehr bescheiden sein, aber es warf eine Gravitationswelle aus, und als es die nächsten Plankeons erreichte, „reagierten“ sie ebenfalls - die Freisetzung von Materie, die durch Anziehung gebunden war, begann, begleitet von riesigen Emissionen und Substanzen und Quanten elektromagnetischer Strahlung . Kleine Plankeons führten diese Transformation sofort durch, während große Plankeons, die später die Kerne von Galaxien bildeten, Milliarden von Jahren mit diesem Prozess verbrachten. Auch heute noch sind Astronomen überrascht über die unendliche Großzügigkeit der Kerne mancher Galaxien, die hektische Ströme von Gasen, Strahlen und Sternhaufen ausstoßen. Das bedeutet, dass der Prozess der Umwandlung der prästellaren Materie in stellare Materie in ihnen noch nicht abgeschlossen ist... Die Funken des großen Gravitationsfeuers fliegen immer weiter, und alle neuen Plankeons flammen auf, entzündet von diesen Funken .

Quasare

Astronomen wissen von mehreren relativ jungen Feuern, die in der Zukunft wahrscheinlich zu prächtigen Galaxien erblühen werden. Das sind die sog Quasare. Sie alle sind sehr weit von uns entfernt, am äußersten "Rand" unseres kleinen Universums. Dies ist der Beginn des Brennens der Kerne zukünftiger Galaxien. Milliarden von Jahren werden vergehen, und die aus den Flammen dieser Feuer freigesetzte Substanz wird sich zu Strömen von Sternen und Planeten formen, die schöne spiralförmige Kronen um diese Kerne bilden. Sie werden den derzeit existierenden Spiralgalaxien bemerkenswert ähnlich werden. Aber leider werden unsere Galaxien zu diesem Zeitpunkt bereits ausbrennen und als Handvoll abgekühlter toter Körper in den Weltraum zerstreut werden, wahrscheinlich in vielerlei Hinsicht ähnlich der prästellaren Materie, aus der ihre Materie besteht. Für sie wird der Kreislauf geschlossen, bis ein neues „Feuer der Materie“ entsteht. Und in den Galaxien, die durch das Verbrennen der heutigen Quasare entstanden sind, werden Planeten geeignet erscheinen für Entwicklung und Leben und vielleicht Intelligenz. Und ihre Weisen werden ihren Sternenhimmel betrachten und sich fragen, warum sie so allein im Universum sind? Wird der Verstand der Menschen in diesen ultrafernen Zeiten leben? Wird er durch den undenkbaren Abgrund der Zeit gehen? Oder werden alle Schöpfungen unserer Kultur spurlos in einer Art Plankeon eingeschmolzen, sodass nur noch eine Materie übrig bleibt – ewig und unzerstörbar? Auf all diese Fragen gibt es keine Antwort, und es ist nicht bekannt, wann die Wissenschaft sie beantworten wird. Aber wenn intelligentes Leben einmal entstanden ist, wird es, wenn es die ersten riskanten Stadien seiner Entwicklung übersteht, seine Positionen stärken. Was kann die Kultur der Erdbewohner bedrohen, wenn sie sich auf eine Gruppe von Planetensystemen nahegelegener Sterne ausbreitet? Weltraumkatastrophe? Explosion der Sonne, stellte sich plötzlich als Supernova heraus? Wird es nicht mehr Schaden anrichten als die heutige Tsunamiwelle, die ein paar Inseln, die Kultur der Menschheit, wegspülte? Ja, intelligentes Leben, das eine solche Grenze erreicht hat, wird so unzerstörbar sein wie die Materie selbst. Und weder die gigantischen Abgründe der Zeit noch die unermesslichen Weiten des Weltraums werden sich vor ihr fürchten. Und doch sollte unsere Reise ins Große Universum als unwissenschaftliche Fiktion, als absurde Fiktion betrachtet werden. Nein, es geht nicht darum, dass der Raum des Großen Universums, den wir repräsentieren, sich als anders herausstellen wird, dass seine „Bevölkerung“, die wir repräsentieren, sich als anders herausstellen wird. Nein, in all diesen Fragen haben wir uns fest an die uns bekannten wissenschaftlichen Tatsachen gehalten, sind die Wege gegangen, die bereits von den Hypothesen der Wissenschaftler durchquert wurden. Der Punkt ist ein anderer.

Unmöglich, ins Große Universum zu reisen

Die Sache ist die reise ins große universum vielleicht für uns, die Menschen der Erde unmöglich, nicht machbar. Erinnere dich an die grundlegenden Eigenschaften unseres Universums. Schließlich „erweitert“ es sich. Gleichzeitig bewegen sich seine "expandierenden" Flächen mit der maximal möglichen Geschwindigkeit in unserem Universum - mit Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Aber eine solche Geschwindigkeit ist für keinen materiellen Körper möglich. Schließlich wird die Masse dieses Körpers mit zunehmender Geschwindigkeit, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähert, kontinuierlich zunehmen. Sehr bald wird es alle möglichen Werte übertreffen - die Massen von Planeten, Sternen, Quasaren, Galaxien, unser gesamtes Universum.
Reise ins große Universum. Die Masse unseres beschleunigten Körpers wird unendlich groß. Nun, es ist möglich, eine unendlich große Masse nur durch eine unendlich große Kraft zu beschleunigen. Es ist leicht zu verstehen, dass wir in eine Sackgasse geraten sind. Unser interstellares Schiff, das eine unendlich große Masse hat, werden wir nicht bewegen können. Und die Menschheit wird den Lichtstrahl niemals einholen können. Aber wir sprechen nicht von Lichtgeschwindigkeit, sondern von unvergleichlich hohen Geschwindigkeiten, die es ermöglichen würden, unser gesamtes Universum in wenigen Minuten zu durchqueren. Diese Methode der Raumfahrt wurde aus Bänden von Nicht-Science-Fiction extrahiert. Meistens berichtet der entsprechende Autor, dass sich sein interstellares Schiff im „Subraum“ bewegt, „die vierte Dimension durchdringt“ und im Wesentlichen nichts über „Subraum“ und „vierte Dimension“ berichtet. Eine solche Bescheidenheit ist verständlich: Es ist unmöglich, etwas Konkretes über die von Science-Fiction-Autoren erfundenen Begriffe zu sagen. Denn jede Aussage über Geschwindigkeiten oberhalb der Lichtgeschwindigkeit ist heute unwissenschaftlich, phantastisch. Und aus heutiger Sicht ist es Unsinn, von superschnellen Reisen zu sprechen. Natürlich ist es in Sachbüchern nicht akzeptabel. Es sei denn in einem besonders vermerkten Fall, wenn es sich offensichtlich um eine einfache Erfindung handelt, die zu „dienstlichen Zwecken“ gemacht wurde, um die Hauptsache deutlicher zu machen. Reisen, um die Existenz des Großen Universums zu beweisen, ist also unmöglich ...

Und sie Eigenschaften, sowie die genaue Struktur und Organisation des Universums geben uns Grund zu der Annahme, dass für jemand ist es wert. Buch - Denk nach und werde reich!

Unser ehrfurchtgebietendes Universum

Seit Jahrtausenden bewundern Menschen den Sternenhimmel. In einer klaren Nacht heben sich die wunderschönen Sterne wie funkelnde Edelsteine ​​vom Schwarz ab
Weltraumhintergrund. Die Nacht in all ihrer Schönheit überflutet die Erde mit Mondlicht.

Menschen, die an ein solches Spektakel denken, haben oft Fragen: „Was gibt es überhaupt im Weltraum? Wie funktioniert das alles? Können wir herausfinden, wie das alles zustande kam? Die Antworten auf diese Fragen werden zweifellos dazu beitragen, zu erklären, warum die Erde und alles Leben darauf entstanden ist und was die Zukunft bringt.

Vor Jahrhunderten glaubte man, das Universum bestehe aus mehreren tausend Sternen, die mit bloßem Auge sichtbar seien. Aber dank leistungsstarker Instrumente, die den Himmel sorgfältig scannen, wissen Wissenschaftler jetzt, dass es noch viel mehr gibt.

Tatsächlich ist das, was heute zu sehen ist, viel beeindruckender, als sich irgendjemand zuvor hätte vorstellen können. Unermesslich
Das Ausmaß und die Komplexität von all dem überwältigen die menschliche Vorstellungskraft.

Laut der Zeitschrift National Geographic „betäubt“ ihn das Wissen über das Universum, das der Mensch sich derzeit aneignet.

Beeindruckende Dimensionen

In früheren Jahrhunderten bemerkten Astronomen, die den Himmel mit frühen Teleskopen absuchten, eine Art obskurer wolkenartiger Formationen.

Sie schlugen vor, dass dies nahe gelegene Gaswolken sind. Aber in den 1920er Jahren, als größere und leistungsstärkere Teleskope verwendet wurden, stellten sich diese "Gase" als ein viel größeres und bedeutenderes Phänomen heraus - Galaxien.

Eine Galaxie ist eine riesige Ansammlung von Sternen, Gasen und anderer Materie, die sich um einen zentralen Kern dreht. Die Galaxien wurden Inseluniversen genannt, weil jede Galaxie einem eigenen Universum ähnelt.

Betrachten wir zum Beispiel eine Galaxie namens Milchstraße, in der wir leben. Unser Sonnensystem, also die Sonne, die Erde und andere Planeten mit ihren Trabanten, ist Teil dieser Galaxie. Aber es ist nur ein winziger Teil davon, denn unsere Milchstraße besteht aus mehr als 100
Milliarden Sterne!

Einige Wissenschaftler vermuten, dass es mindestens 200 bis 400 Milliarden Sterne gibt. Ein Wissenschaftsredakteur stellte sogar fest: „Es ist möglich, dass im Milky
Der Pfad enthält zwischen fünf und zehn Billionen Sterne.“

Der Durchmesser unserer Galaxie ist so groß, dass Sie, selbst wenn Sie sich mit Lichtgeschwindigkeit (299.793 Kilometer pro Sekunde) fortbewegen könnten, 100.000 Jahre brauchen würden, um sie zu durchqueren! Wie viele Kilometer sind das?

Da das Licht in einem Jahr etwa zehn Billionen (10000000000000) Kilometer zurücklegt, erhalten Sie die Antwort, indem Sie diese Zahl mit 100.000 multiplizieren: Durchmesser
Unsere Milchstraße ist ungefähr eine Trillion (1000000000000000000) Kilometer lang!

Die durchschnittliche Entfernung zwischen Sternen in unserer Galaxie wird auf etwa sechs Lichtjahre oder etwa 60 Billionen Kilometer geschätzt.

Solche Dimensionen und Entfernungen sind für den menschlichen Verstand kaum zu erfassen. Und doch ist unsere Galaxie nur der Anfang dessen, was sich im Weltraum befindet! Es gibt noch etwas Erstaunlicheres: Bisher wurden so viele Galaxien entdeckt, dass sie heute als „so gewöhnlich wie Grashalme auf einer Wiese“ gelten.

Es gibt etwa zehn Milliarden Galaxien im sichtbaren Universum! Aber jenseits der Sicht moderner Teleskope gibt es noch viel mehr. Einige Astronomen glauben, dass das Universum 100 Milliarden Galaxien hat! Und jede Galaxie kann aus Hunderten von Milliarden Sternen bestehen!

Galaxienhaufen

Aber das ist nicht alles. Diese beeindruckenden Galaxien sind nicht zufällig im Weltraum verstreut. Im Gegenteil, sie sind eher in bestimmten Gruppen, sogenannten Clustern, angeordnet, wie Beeren in einer Weintraube. Tausende dieser Galaxienhaufen wurden bereits beobachtet und fotografiert.

Einige Haufen enthalten relativ wenige Galaxien. Die Milchstraße zum Beispiel ist Teil eines Haufens von etwa zwanzig Galaxien.

Als Teil dieser lokalen Gruppe gibt es für uns eine "benachbarte" Galaxie, die in einer klaren Nacht ohne Teleskop zu sehen ist. Wir sprechen von der Andromeda-Galaxie, die wie unsere Galaxie eine spiralförmige Struktur hat.

Andere Galaxienhaufen bestehen aus vielen Dutzend und möglicherweise Hunderten oder sogar Tausenden von Galaxien. Es wird geschätzt, dass ein solcher Haufen etwa 10.000 Galaxien enthält!

Die Entfernung zwischen Galaxien innerhalb eines Haufens kann durchschnittlich eine Million Lichtjahre betragen. Die Entfernung von einem Galaxienhaufen zum anderen kann jedoch hundertmal größer sein. Und es gibt sogar Hinweise darauf, dass sich die Cluster selbst in „Superclustern“ befinden, wie Bürsten an einem Weinstock. Welch gewaltige Ausmaße und welch geniale Organisation!

Ähnliche Organisation

Wenn wir zu unserem Sonnensystem zurückkehren, finden wir eine ähnliche, hervorragend organisierte Anordnung vor. Die Sonne ist ein mittelgroßer Stern -
ist der „Kern“, um den sich die Erde und andere Planeten mit ihren Trabanten auf genau definierten Bahnen bewegen.

Jahr für Jahr drehen sie sich mit einer solchen mathematischen Zwangsläufigkeit um, dass Astronomen genau vorhersagen können, wo sie sich zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden werden.

Die gleiche Präzision finden wir beim Blick in die unendlich kleine Welt der Atome. Das Atom ist ein Ordnungswunder, wie ein Miniatur-Sonnensystem. Ein Atom besteht aus einem Kern aus Protonen und Neutronen und winzigen Elektronen, die diesen Kern umgeben. Alle Materie besteht aus diesen Bausteinen.
Einzelheiten.

Eine Substanz unterscheidet sich von der anderen in der Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern sowie in der Anzahl und Anordnung der ihn umkreisenden Elektronen. Dabei lässt sich eine ideale Ordnung nachvollziehen, da alle Elemente, aus denen sich Materie zusammensetzt, je nach vorhandener Anzahl dieser Baudetails in ein ordentliches System gebracht werden können.

Was erklärt diese Organisation?

Wie wir bereits festgestellt haben, ist die Größe des Universums wirklich beeindruckend. Dasselbe kann man über ihr wundervolles Gerät sagen. Von immens groß bis unendlich klein, von Galaxienhaufen bis zu Atomen zeichnet sich das Universum überall durch eine hervorragende Organisation aus.

Das Magazin Discover erklärte: „Wir haben Ordnung mit Überraschung erlebt, und unsere Kosmologen und Physiker finden immer wieder neue, überraschende Facetten dieser Ordnung ...

Wir haben immer gesagt, es sei ein Wunder, und wir erlauben uns immer noch, vom gesamten Universum als Wunder zu sprechen.“ Die geordnete Struktur wird sogar durch die Verwendung des Wortes bestätigt, das in der Astronomie verwendet wird, um das Universum zu bezeichnen: "Kosmos".

In einem Referenzhandbuch wird dieses Wort als „ein harmonisches, organisiertes System, im Gegensatz zu Chaos, einem ungeordneten Haufen von Materie“ definiert.

Der ehemalige Astronaut John Glenn machte auf die „Ordnung im gesamten Universum um uns herum“ aufmerksam und darauf, dass Galaxien „alle einziehen
festgelegten Umlaufbahnen in einem bestimmten Verhältnis zueinander.

Also fragte er: „Könnte es nur Zufall sein? War es
zufällig, dass sich driftende Objekte plötzlich selbstständig auf diesen Bahnen zu bewegen begannen?

Seine Schlussfolgerung war: "Ich kann es nicht glauben ... Irgendeine Macht hat all diese Dinge in den Orbit gebracht und hält sie dort."

Tatsächlich ist das Universum so präzise organisiert, dass der Mensch die Himmelskörper als Grundlage für die Zeitmessung verwenden kann. Aber irgendwelche
Eine gut gestaltete Uhr ist offensichtlich das Produkt eines geordneten, designfähigen Geistes. Ordentlich
Ein denkender Verstand, der in der Lage ist zu konstruieren, kann nur von einer rationalen Person besessen werden.

Wie kann man dann das viel ausgefeiltere Design und die Zuverlässigkeit berücksichtigen, die im gesamten Universum zu finden sind? Zeigt es an
auch das ist für den designer, für den schöpfer, für die idee - für den intellekt? Und haben Sie Grund zu der Annahme, dass der Intellekt getrennt von der Persönlichkeit existieren kann?

Wir können nicht anders, als zu erkennen, dass eine großartige Organisation einen großartigen Organisator erfordert. In unserer Lebenserfahrung gibt es keinen einzigen
ein Fall, der das zufällige Auftreten von etwas Organisiertem bezeugen würde. Im Gegenteil, all unsere Lebenserfahrung zeigt, dass jede Organisation einen Organisator haben muss.

Jede Maschine, jeder Computer, jedes Gebäude, sogar ein Bleistift und ein Blatt Papier hatten einen Hersteller, einen Organisator. Logischerweise muss auch die viel komplexere und beeindruckendere Organisation des Universums einen Organisator gehabt haben.

Das Gesetz braucht einen Gesetzgeber

Darüber hinaus unterliegt das gesamte Universum, von Atomen bis zu Galaxien, bestimmten physikalischen Gesetzen. Zum Beispiel gibt es Gesetze, die Wärme, Licht, Schall und Schwerkraft regeln.

Der Physiker Stephen W. Hawking sagte: „Je mehr wir das Universum erforschen, desto klarer wird, dass es keineswegs zufällig ist, sondern bestimmten gut etablierten Gesetzen gehorcht, die in verschiedenen Bereichen wirken.

Die Annahme, dass es einige universelle Prinzipien gibt, so dass alle Gesetze Teil eines größeren Gesetzes sind, erscheint ziemlich vernünftig.

Raketenspezialist Wernher von Braun ging sogar noch weiter, als er erklärte: „Die Naturgesetze im Universum sind so präzise, ​​dass wir damit keine Schwierigkeiten haben
ein Raumschiff zu bauen, um zum Mond zu fliegen, und wir können den Flug auf den nächsten Bruchteil einer Sekunde genau timen.

Diese Gesetze mussten von jemandem aufgestellt werden." Wissenschaftler, die erfolgreich eine Rakete in eine Umlaufbahn um die Erde oder den Mond starten wollen, müssen in Übereinstimmung mit diesen universellen Gesetzen handeln.

Wenn wir an Gesetze denken, erkennen wir, dass sie vom Gesetzgeber kommen müssen. Hinter dem Stoppschild steht eindeutig die Person oder Personengruppe, die dieses Gesetz gemacht hat.

Was kann man also über die allumfassenden Gesetze sagen, die das materielle Universum regieren? Solch genial kalkulierte Gesetze zeugen zweifellos von einem hochintelligenten Gesetzgeber.

Organisator und Gesetzgeber

Nach einem Kommentar über die vielen besonderen Bedingungen im Universum, die in Ordnung und Regelmäßigkeit so offensichtlich sind, in der Zeitschrift Science News
(Science News) bemerkte: „Darüber nachzudenken, beunruhigt Kosmologen, denn es scheint, dass solch außergewöhnliche und präzise Bedingungen kaum durch Zufall geschaffen worden sein können.

Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, anzunehmen, dass alles erfunden wurde, und es der Vorsehung Gottes zuzuschreiben.

Viele Einzelpersonen, einschließlich vieler Wissenschaftler, zögern, diese Möglichkeit zuzugeben. Aber andere sind bereit zuzugeben, wovon die Fakten beharrlich überzeugen – Vernunft. Sie erkennen, dass solch kolossale Größe, Präzision und Regelmäßigkeit, die im gesamten Universum zu finden sind, niemals einfach durch Zufall entstanden sein können. All dies muss das Ergebnis von Aktivitäten jenseits des Verstandes sein.

Dies ist die Schlussfolgerung eines Bibelschreibers, der über den materiellen Himmel sagte: „Erhebe deine Augen zur Höhe der Himmel und sieh, wer sie erschaffen hat? Wer bringt den Host durch ihre Zählung heraus? Er nennt sie alle beim Namen. „Er“ ist kein anderer als „der, der die Himmel und ihre Ausdehnung gemacht hat“ (Jesaja 40:26; 42:5).

Energiequelle

Existierende Materie unterliegt universellen Gesetzen. Aber woher kam all diese Materie? In dem Buch Cosmos (Kosmos) sagt Carl Sagan: „Am Anfang
es gab keine Galaxien, keine Sterne oder Planeten, kein Leben oder Zivilisationen in der Existenz dieses Universums.“

Er nennt den Übergang von diesem Zustand in das moderne Universum "die beeindruckendste Transformation von Materie und Energie, die wir uns vorstellen dürfen".

Dies ist der Schlüssel zum Verständnis, wie das Universum zu existieren beginnen konnte: Es muss eine Umwandlung von Energie und Materie gegeben haben.

Diese Beziehung wird durch Einsteins berühmte Formel E=mc2 (Energie gleich Masse mal Quadrat der Lichtgeschwindigkeit) bestätigt. Aus dieser Formel
die Schlussfolgerung folgt, dass Materie aus Energie geschaffen werden kann, ebenso wie kolossale Energie aus Materie gewonnen werden kann.

Der Beweis für Letzteres war die Atombombe. Der Astrophysiker Josip Kleczek stellte daher fest: „Die meisten Elementarteilchen, und möglicherweise alle
sie können durch Materialisierung von Energie erschaffen werden.“

Daher ist die Annahme, dass eine Quelle unbegrenzter Energie das Ausgangsmaterial für die Erschaffung der Materie des Universums besitzen würde, wissenschaftlich bewiesen.

Ein bereits zitierter Bibelschreiber bemerkte, dass diese Energiequelle eine lebende, denkende Person ist, und sagte: „Nach der Menge der Macht und
nichts (keiner der Himmelskörper) fällt aus Seiner großen Kraft.

Hinter dem, was in 1. Mose 1,1 mit den Worten beschrieben wird: „Im Anfang schuf Gott Himmel und Erde“, verbirgt sich also aus biblischer Sicht diese Quelle
unerschöpfliche Energie.

Der Anfang war nicht chaotisch

Wissenschaftler akzeptieren heute im Allgemeinen, dass das Universum einen Anfang hatte. Eine bekannte Theorie, die versucht, diesen Anfang zu beschreiben, heißt „Urknall“-Theorie. "Fast alle neueren Diskussionen über den Ursprung des Universums basieren auf der Theorie" "" - sagt Francis Crick.

Jastrov spricht von dieser kosmischen „Explosion“ als einem „buchstäblichen Moment der Schöpfung“. Wissenschaftler, wie der Astrophysiker John Gribbin in New zugab
Wissenschaftler (New Scientist) „behaupten, dass sie im Großen und Ganzen in der Lage sind, einigermaßen detailliert zu beschreiben“, was nach diesem „Moment“ passiert ist, aber
der Grund für diesen „Schöpfungsmoment“ bleibt ein Rätsel.

„Es ist möglich, dass Gott es doch getan hat“, bemerkte er nachdenklich.

Die meisten Wissenschaftler sind jedoch nicht bereit, diesen „Moment“ mit Gott in Verbindung zu bringen. Daher wird eine "Explosion" normalerweise als etwas Chaotisches beschrieben, wie eine Explosion.
Atombombe. Aber führt eine solche Explosion zu einer Verbesserung der Organisation? Lassen Sie währenddessen Bomben auf Städte fallen
Kriege, hervorragend gebaute Gebäude, Straßen und Verkehrszeichen?

Im Gegenteil, solche Explosionen verursachen Tod, Unordnung, Chaos und Zerstörung. Und wenn eine Atomwaffe explodiert, ist die Desorganisation total
dies erlebten 1945 die japanischen Städte Hiroshima und Nagasaki.

Nein, eine einfache „Explosion“ könnte unser beeindruckendes Universum mit seiner erstaunlichen Ordnung, zweckmäßigen Struktur und seinen Gesetzmäßigkeiten nicht erschaffen.

Nur ein mächtiger Organisator und Gesetzgeber könnte die enormen Wirkkräfte so lenken, dass eine großartige Organisation und hervorragende Gesetze entstehen würden.

Daher liefern wissenschaftliche Beweise und Logik eine solide Grundlage für die folgende biblische Aussage: „Die Himmel verkünden die Herrlichkeit Gottes, und die Weite kündet vom Werk seiner Hände“ (Psalm 19:2).

Die Bibel setzt sich also mit Fragen auseinander, die die Evolutionstheorie nicht abschließend beantworten konnte. Anstatt uns darüber im Dunkeln zu lassen, was hinter dem Ursprung von allem steckt, gibt uns die Bibel eine einfache und klare Antwort.

Es bestätigt sowohl wissenschaftliche als auch unsere eigenen Beobachtungen, dass nichts von selbst entsteht.

Obwohl wir nicht persönlich anwesend waren, als das Universum errichtet wurde, war es offensichtlich, dass dies einen Meisterdesigner erforderte, in Übereinstimmung mit der Begründung der Bibel: „Jedes Haus wird von jemandem gebaut; aber Gott hat alles gemacht“ (Hebräer 3,4).

Die großräumige Struktur des Universums, wie sie im 2,2-µm-Infrarot erscheint - 1.600.000 Galaxien, die im Extended Source Catalog als Ergebnis der Two Micron All-Sky Survey aufgezeichnet wurden. Die Helligkeit von Galaxien wird farblich von blau (am hellsten) bis rot (am dunkelsten) dargestellt. Der dunkle Streifen entlang der Diagonale und der Bildränder ist die Position der Milchstraße, deren Staub die Beobachtungen stört

Das Universum ist ein Konzept, das in Astronomie und Philosophie keine strenge Definition hat. Es gliedert sich in zwei grundsätzlich unterschiedliche Entitäten: spekulativ(philosophisch) und Material jetzt oder in absehbarer Zukunft beobachtbar. Wenn der Autor zwischen diesen Einheiten unterscheidet, wird die erste nach der Tradition das Universum und die zweite das astronomische Universum oder die Metagalaxie genannt (dieser Begriff ist in letzter Zeit praktisch nicht mehr verwendet worden). Das Universum ist Gegenstand des Studiums der Kosmologie.

In der Vergangenheit wurden verschiedene Wörter verwendet, um sich auf „allen Raum“ zu beziehen, einschließlich Äquivalenten und Varianten aus verschiedenen Sprachen, wie „Kosmos“, „Welt“, „Himmelssphäre“. Es wurde auch der Begriff "Makrokosmos" verwendet, obwohl er Systeme in großem Maßstab einschließlich ihrer Subsysteme und Teile definieren soll. In ähnlicher Weise wird das Wort "Mikrokosmos" verwendet, um sich auf Systeme im kleinen Maßstab zu beziehen.

Jede Studie, jede Beobachtung, sei es die Beobachtung eines Physikers, wie sich der Kern eines Atoms aufspaltet, ein Kind, das eine Katze beobachtet, oder ein Astronom, der die Weite, Weite beobachtet – all dies ist eine Beobachtung des Universums, oder vielmehr von seine Einzelteile. Diese Teile sind Gegenstand des Studiums einzelner Wissenschaften, und das Universum im größtmöglichen Maßstab und sogar das Universum als Ganzes sind von Astronomie und Kosmologie besetzt; dabei wird das Universum entweder als eine durch Beobachtungen und Weltraumexperimente erfasste Weltregion oder als Objekt kosmologischer Extrapolationen – das physikalische Universum als Ganzes – verstanden.

Gegenstand des Artikels ist das Wissen über das beobachtbare Universum als Ganzes: Beobachtungen, ihre theoretische Interpretation und die Entstehungsgeschichte.

Unter den eindeutig interpretierbaren Tatsachen über die Eigenschaften des Universums präsentieren wir hier die folgenden:

Die theoretischen Erklärungen und Beschreibungen dieser Phänomene basieren auf dem kosmologischen Prinzip, dessen Kern darin besteht, dass Beobachter, unabhängig von Ort und Richtung der Beobachtung, im Durchschnitt das gleiche Bild zeigen. Theorien selbst versuchen, den Ursprung chemischer Elemente, den Verlauf der Entwicklung und die Ursache der Expansion, die Entstehung großräumiger Strukturen zu erklären und zu beschreiben.

Der erste bedeutende Vorstoß in Richtung moderner Vorstellungen über das Universum wurde von Copernicus gemacht. Den zweitgrößten Beitrag leisteten Kepler und Newton. Aber wirklich revolutionäre Veränderungen in unserem Verständnis des Universums treten erst im 20. Jahrhundert auf.

Etymologie

Im Russischen ist das Wort „Universum“ eine Anleihe aus dem altslawischen „vsєlena“, einem Pauspapier des altgriechischen Wortes „oecumene“ (altgriechisch οἰκουμένη), vom Verb οἰκέω „ich bewohne, ich bewohne“ und in der ersten Bedeutung ergab es nur den bewohnten Teil der Welt. Daher ist das russische Wort "Universum" mit dem Substantiv "Siedlung" verwandt und nur mit dem Attributivpronomen "alles" konsonant. Die allgemeinste Definition für „das Universum“ unter den antiken griechischen Philosophen, beginnend mit den Pythagoräern, war τὸ πᾶν (Alles), was sowohl alle Materie (τὸ ὅλον) als auch den gesamten Kosmos (τὸ κενόν) umfasste.

Das Gesicht des Universums

Das Universum als Ganzes darstellen die Umwelt, wir machen es sofort einzigartig und einzigartig. Und gleichzeitig berauben wir uns der Möglichkeit, es mit Begriffen der klassischen Mechanik zu beschreiben: Aufgrund seiner Einzigartigkeit kann das Universum mit nichts interagieren, es ist ein System von Systemen und daher Konzepte wie Masse, Form, Größe verlieren damit ihre Bedeutung. Stattdessen muss man auf die Sprache der Thermodynamik zurückgreifen und Konzepte wie Dichte, Druck, Temperatur und chemische Zusammensetzung verwenden.

Expansion des Universums

Das Universum hat jedoch wenig Ähnlichkeit mit gewöhnlichem Gas. Bereits in den größten Maßstäben werden wir mit der Expansion des Universums und dem Relikthintergrund konfrontiert. Die Natur des ersten Phänomens ist die gravitative Wechselwirkung aller existierenden Objekte. Ihre Entwicklung bestimmt die Zukunft des Universums. Das zweite Phänomen ist ein Erbe früherer Epochen, als das Licht des heißen Urknalls praktisch aufhörte, mit Materie zu interagieren, getrennt von ihr. Aufgrund der Expansion des Universums sind die meisten der damals emittierten Photonen aus dem sichtbaren Bereich in den Mikrowellen-Radiobereich gewandert.

Hierarchie der Skalen im Universum

Bei Skalen von weniger als 100 Mpc zeigt sich eine klare Zellstruktur. In den Zellen herrscht Leere – Leere. Und die Wände bestehen aus Superhaufen von Galaxien. Diese Supercluster sind die obere Ebene der gesamten Hierarchie, dann gibt es Galaxienhaufen, dann lokale Gruppen von Galaxien, und die unterste Ebene (Skala 5-200 kpc) ist eine riesige Vielfalt verschiedener Objekte. Natürlich sind sie alle Galaxien, aber sie sind alle verschieden: Sie sind linsenförmig, unregelmäßig, elliptisch, spiralförmig, mit Polarringen, mit aktiven Kernen usw.

Von diesen sind besonders erwähnenswert, die sich durch eine sehr hohe Leuchtkraft und eine so geringe Winkelgröße auszeichnen, dass sie mehrere Jahre nach ihrer Entdeckung nicht von "Punktquellen" unterschieden werden konnten -. Die bolometrische Leuchtkraft von Quasaren kann 10 46 - 10 47 erg/s erreichen.

Weiter zur Zusammensetzung der Galaxie finden wir: Dunkle Materie, kosmische Strahlung, interstellares Gas, Kugelsternhaufen, offene Sternhaufen, Doppelsterne, Sternsysteme mit höherer Multiplizität, supermassereiche und Schwarze Löcher mit Sternmasse und schließlich Einzelsterne verschiedener Populationen.

Ihre individuelle Entwicklung und Wechselwirkung untereinander führt zu vielen Phänomenen. Daher wird angenommen, dass die Energiequelle für die bereits erwähnten Quasare die Akkretion von interstellarem Gas auf ein supermassereiches zentrales Schwarzes Loch ist.

Unabhängig davon sind Gammastrahlenausbrüche zu erwähnen - dies sind plötzliche, kurzfristige, lokalisierte Erhöhungen der Intensität der kosmischen Gammastrahlung mit einer Energie von zehn und hundert keV. Aus Abschätzungen von Entfernungen zu Gammastrahlenausbrüchen lässt sich schließen, dass die von ihnen emittierte Energie im Gammabereich 10 50 erg erreicht. Zum Vergleich: Die Leuchtkraft der gesamten Galaxie im gleichen Bereich beträgt „nur“ 10 38 erg/c. Solche hellen Blitze sind von den entferntesten Ecken des Universums sichtbar, daher hat GRB 090423 eine Rotverschiebung von z = 8,2.

Der komplexeste Komplex, der viele Prozesse umfasst, ist die Evolution der Galaxie:

Der Verlauf der Evolution ist wenig davon abhängig, was mit der gesamten Galaxie als Ganzes passiert. Die Gesamtzahl der neu entstandenen Sterne und ihre Parameter unterliegen jedoch erheblichen äußeren Einflüssen. Prozesse, deren Größenordnungen vergleichbar sind bzw Übergröße Galaxien, verändern die morphologische Struktur, die Geschwindigkeit der Sternentstehung und damit die Geschwindigkeit der chemischen Evolution, das Spektrum der Galaxie und so weiter.

Beobachtungen

Aus der oben beschriebenen Vielfalt ergibt sich ein ganzes Spektrum von Problemen beobachtender Natur. Eine Gruppe kann das Studium einzelner Phänomene und Objekte umfassen, und diese sind:

Expansionsphänomen. Und dazu müssen Sie die Entfernungen und Rotverschiebungen und möglichst weit entfernte Objekte messen. Bei näherer Betrachtung ergibt sich daraus ein ganzer Aufgabenkomplex, der als Entfernungsskala bezeichnet wird.
Relikthintergrund.
Einzelne entfernte Objekte wie Quasare und Gammastrahlenausbrüche.

Entfernte und alte Objekte geben wenig Licht ab und es werden riesige Teleskope benötigt, wie das Keck-Observatorium, VLT, BTA, Hubble und das im Bau befindliche E-ELT und James Webb. Darüber hinaus sind spezielle Tools erforderlich, um die erste Aufgabe zu erledigen, wie beispielsweise Hipparcos und Gaia, die entwickelt werden.

Wie bereits erwähnt, liegt die Strahlung der Reliquie im Mikrowellenwellenlängenbereich, daher sind Radiobeobachtungen und vorzugsweise Weltraumteleskope wie WMAP und Planck erforderlich, um sie zu untersuchen.

Die einzigartigen Eigenschaften von Gammastrahlenausbrüchen erfordern nicht nur Gammastrahlenlabors im Orbit wie SWIFT, sondern auch ungewöhnliche Teleskope – Roboterteleskope –, deren Sichtfeld größer ist als das der oben genannten SDSS-Instrumente und die im automatischen Modus beobachten können. Beispiele für solche Systeme sind die Teleskope des russischen Netzwerks „Master“ und das russisch-italienische Projekt Tortora.

Die vorherigen Aufgaben sind Arbeiten an einzelnen Objekten. Eine völlig andere Herangehensweise ist erforderlich für:

Untersuchung der großräumigen Struktur des Universums.
Das Studium der Entwicklung von Galaxien und der Prozesse ihrer Bestandteile. Daher sind Beobachtungen an möglichst alten Objekten und in möglichst großer Zahl erforderlich. Einerseits sind massive Erhebungsbeobachtungen erforderlich. Dies erzwingt den Einsatz von Weitfeldteleskopen wie denen im SDSS-Projekt. Andererseits ist eine Detaillierung erforderlich, die den Bedarf der meisten Aufgaben der vorherigen Gruppe um Größenordnungen übersteigt. Und das ist nur mit Hilfe von VLBI-Beobachtungen möglich, mit einem Basisdurchmesser von , oder noch ähnlicher dem Radioastron-Experiment.

Unabhängig davon lohnt es sich, die Suche nach Relikt-Neutrinos hervorzuheben. Um es zu lösen, müssen spezielle Teleskope - Neutrino-Teleskope und Neutrino-Detektoren - wie das Baksan-Neutrino-Teleskop, Baikal-Unterwasser, IceCube, KATRIN verwendet werden.

Eine Studie über Gammastrahlenausbrüche und den kosmischen Hintergrund zeigt, dass hier nur der optische Teil des Spektrums nicht ausreicht. Die Erdatmosphäre hat jedoch nur zwei Fenster der Transparenz: im Radio- und im optischen Bereich, und daher kann man auf Weltraumobservatorien nicht verzichten. Von den aktuellen nennen wir Chandra, Integral, XMM-Newton, Herschel als Beispiel. Spektr-UF, IXO, Spektr-RG, Astrosat und viele andere sind in der Entwicklung.

Entfernungsskala und kosmologische Rotverschiebung

Entfernungsmessung in der Astronomie ist ein mehrstufiger Prozess. Und die Hauptschwierigkeit liegt darin, dass die beste Genauigkeit bei verschiedenen Methoden bei unterschiedlichen Maßstäben erreicht wird. Um immer weiter entfernte Objekte zu vermessen, wird daher eine immer längere Kette von Methoden eingesetzt, die jeweils auf den Ergebnissen der vorherigen aufbauen.

Alle diese Ketten basieren auf der trigonometrischen Parallaxenmethode – der grundlegenden Methode, der einzigen, bei der die Entfernung geometrisch gemessen wird, mit minimaler Einbeziehung von Annahmen und empirischen Gesetzen. Andere Methoden verwenden zum größten Teil eine Standardkerze – eine Quelle mit bekannter Leuchtkraft – um die Entfernung zu messen. Und die Entfernung dazu kann berechnet werden:

Dabei ist D die gewünschte Entfernung, L die Leuchtkraft und F der gemessene Lichtstrom.

Schema des Auftretens der jährlichen Parallaxe

Trigonometrische Parallaxenmethode:

Parallaxe ist der Winkel, der sich aus der Projektion der Quelle auf die Himmelskugel ergibt. Es gibt zwei Arten von Parallaxe: jährlich und Gruppe.

Jährliche Parallaxe - der Winkel, in dem der durchschnittliche Radius der Erdumlaufbahn vom Massenschwerpunkt des Sterns aus sichtbar wäre. Aufgrund der Bewegung der Erde im Orbit verschiebt sich die scheinbare Position jedes Sterns in der Himmelskugel ständig - der Stern beschreibt eine Ellipse, deren große Halbachse gleich der jährlichen Parallaxe ist. Nach der bekannten Parallaxe aus den Gesetzen der euklidischen Geometrie ergibt sich der Abstand vom Mittelpunkt der Erdbahn zum Stern zu:

,

wobei D die gewünschte Entfernung ist, R der Radius der Erdumlaufbahn ist und die ungefähre Gleichheit für einen kleinen Winkel (im Bogenmaß) geschrieben wird. Diese Formel verdeutlicht die Hauptschwierigkeit dieser Methode: Mit zunehmender Entfernung nimmt der Parallaxenwert entlang einer Hyperbel ab, weshalb die Messung der Entfernungen zu entfernten Sternen mit erheblichen technischen Schwierigkeiten verbunden ist.

Die Essenz der Gruppenparallaxe ist wie folgt: Wenn ein bestimmter Sternhaufen eine merkliche Geschwindigkeit relativ zur Erde hat, konvergieren die sichtbaren Bewegungsrichtungen seiner Mitglieder gemäß den Projektionsgesetzen an einem Punkt, der als Radiant bezeichnet wird Cluster. Die Position des Strahlers wird aus den Eigenbewegungen der Sterne und der Verschiebung ihrer Spektrallinien durch den Doppler-Effekt bestimmt. Dann wird der Abstand zum Cluster aus der folgenden Beziehung ermittelt:

wobei μ und V r die Winkel- (in Bogensekunden pro Jahr) bzw. Radialgeschwindigkeit (in km/s) des Sternhaufens sind, λ der Winkel zwischen den geraden Linien – Stern und strahlender Stern und D die ausgedrückte Entfernung ist in Parsec. Nur die Hyaden haben eine merkliche Gruppenparallaxe, aber bis zum Start des Hipparcos-Satelliten ist dies die einzige Möglichkeit, die Entfernungsskala für alte Objekte zu kalibrieren.

Methode zur Bestimmung der Entfernung von Cepheiden und RR-Lyrae-Sternen

Auf Cepheiden und Sternen vom Typ RR Lyrae zerfällt die einheitliche Entfernungsskala in zwei Zweige – die Entfernungsskala für junge Objekte und für alte. Cepheiden befinden sich hauptsächlich in Regionen der jüngsten Sternentstehung und sind daher junge Objekte. Lyrae vom RR-Typ werden von alten Systemen angezogen, zum Beispiel gibt es besonders viele von ihnen in Kugelsternhaufen im Halo unserer Galaxie.

Beide Arten von Sternen sind variabel, aber wenn die Cepheiden neu gebildete Objekte sind, dann haben die Sterne des Typs RR Lyra die Hauptreihe verlassen - die Riesen des Spektrals Klassen A-F, hauptsächlich auf dem horizontalen Ast des Farb-Helligkeits-Diagramms für Kugelsternhaufen gelegen. Die Art und Weise, wie sie als Standardkerzen verwendet werden, ist jedoch anders:

Die Bestimmung von Entfernungen nach dieser Methode ist mit einer Reihe von Schwierigkeiten verbunden:

Es ist notwendig, einzelne Sterne auszuwählen. Innerhalb der Milchstraße ist das nicht schwierig, aber je größer die Entfernung, desto kleiner der Winkel, der die Sterne trennt.

Es ist notwendig, die Absorption von Licht durch Staub und die Inhomogenität seiner Verteilung im Raum zu berücksichtigen.

Außerdem bleibt es für Cepheiden ein ernsthaftes Problem, den Nullpunkt der Abhängigkeit "Pulsationsperiode - Leuchtkraft" genau zu bestimmen. Im Laufe des 20. Jahrhunderts hat sich sein Wert ständig geändert, was bedeutet, dass sich auch die auf ähnliche Weise erhaltene Entfernungsschätzung geändert hat. Die Leuchtkraft von RR-Lyrae-Sternen ist zwar nahezu konstant, hängt aber immer noch von der Konzentration schwerer Elemente ab.

Supernova-Distanzmethode vom Typ Ia:

Lichtkurven verschiedener Supernovae.

Ein kolossaler Explosionsprozess, der im gesamten Körper des Sterns abläuft, während die freigesetzte Energie im Bereich von 10 50 - 10 51 erg liegt. Auch Supernovae vom Typ Ia haben die gleiche Leuchtkraft bei maximaler Helligkeit. Zusammen ermöglicht dies die Messung von Entfernungen zu sehr weit entfernten Galaxien.

Dank ihnen entdeckten 1998 zwei Beobachtergruppen die Beschleunigung der Expansion des Universums. Die Tatsache der Beschleunigung steht bis heute fast außer Zweifel, jedoch ist es unmöglich, ihre Größe anhand von Supernovae eindeutig zu bestimmen: Die Fehler für große z sind immer noch extrem groß.

Üblicherweise sind neben den für alle photometrischen Verfahren gemeinsamen Nachteilen und offenen Problemen:

Das K-Korrekturproblem. Der Kern dieses Problems besteht darin, dass nicht die bolometrische Intensität (integriert über das gesamte Spektrum) gemessen wird, sondern in einem bestimmten Spektralbereich des Empfängers. Das bedeutet, dass bei Quellen mit unterschiedlicher Rotverschiebung die Intensität in unterschiedlichen Spektralbereichen gemessen wird. Um diesen Unterschied zu berücksichtigen, wird eine spezielle Korrektur eingeführt, die als K-Korrektur bezeichnet wird.

Die Form der Distanz-Rotverschiebungs-Kurve wird von verschiedenen Observatorien mit unterschiedlichen Instrumenten gemessen, was Probleme mit Flusskalibrierungen usw. verursacht.

Früher wurde angenommen, dass alle Ia-Supernovae in einem engen Doppelsystem explodieren, in dem die zweite Komponente . Es hat sich jedoch herausgestellt, dass zumindest einige von ihnen bei der Verschmelzung zweier Weißer Zwerge entstehen können, was bedeutet, dass diese Unterklasse nicht mehr als Standardkerze geeignet ist.

Abhängigkeit der Supernova-Leuchtkraft von der chemischen Zusammensetzung des Vorläufersterns.

Geometrie des Gravitationslinseneffekts:

Geometrie des Gravitationslinseneffekts

Ein Lichtstrahl, der an einem massiven Körper vorbeigeht, wird abgelenkt. So ist ein massiver Körper in der Lage, einen parallelen Lichtstrahl an einem bestimmten Fokus zu sammeln und ein Bild zu erstellen, und es können mehrere davon vorhanden sein. Dieses Phänomen wird Gravitationslinseneffekt genannt. Wenn das Linsenobjekt variabel ist und mehrere seiner Bilder betrachtet werden, eröffnet dies die Möglichkeit, Entfernungen zu messen, da es aufgrund der Ausbreitung von Strahlen in verschiedenen Teilen des Gravitationsfeldes der Linse (dem Der Effekt ähnelt dem Shapiro-Effekt in ).

If als charakteristischer Maßstab für die Bildkoordinaten ξ und Quelle η (siehe Abbildung) in die entsprechenden Ebenen mitnehmen ξ 0 =D Land η 0 =ξ 0 D S/ D Ich (wo D- Winkelabstand), dann können Sie die Zeitverzögerung zwischen den Bildern aufzeichnen ich und J auf die folgende Weise:

wo x=ξ /ξ 0 und j=η /η 0 - Winkelpositionen der Quelle bzw. des Bildes, Mit- die Lichtgeschwindigkeit, z l ist die Rotverschiebung der Linse und ψ ist das Abweichungspotential in Abhängigkeit von der Modellwahl. Es wird angenommen, dass in den meisten Fällen das reale Potential der Linse gut durch ein Modell angenähert wird, in dem die Materie radialsymmetrisch verteilt ist und das Potential gegen unendlich geht. Dann wird die Verzögerungszeit durch die Formel bestimmt:

In der Praxis ist jedoch die Empfindlichkeit des Verfahrens gegenüber der Form des Galaxien-Halo-Potentials signifikant. Also der gemessene Wert h 0 für die Galaxy SBS 1520+530 variiert je nach Modell zwischen 46 und 72 km/(s Mpc).

Methode zur Entfernungsbestimmung des Roten Riesen:

Die hellsten Roten Riesen haben die gleiche absolute Helligkeit –3,0 m ±0,2 m, was bedeutet, dass sie für die Rolle von Standardkerzen geeignet sind. Beobachtet wurde dieser Effekt erstmals 1971 von Sandage. Es wird angenommen, dass diese Sterne entweder an der Spitze des Erstaufstiegs des roten Riesenastes von massearmen (weniger als Sonnensternen) Sternen stehen oder auf dem asymptotischen Riesenast liegen.

Der Hauptvorteil der Methode besteht darin, dass die Roten Riesen weit von den Regionen der Sternentstehung und hohen Staubkonzentrationen entfernt sind, was die Berechnung des Aussterbens erheblich erleichtert. Ihre Leuchtkraft hängt auch äußerst schwach von der Metallizität sowohl der Sterne selbst als auch ihrer Umgebung ab. Das Hauptproblem dieser Methode ist die Auswahl von Roten Riesen aus Beobachtungen der Sternzusammensetzung der Galaxie. Es gibt zwei Möglichkeiten, es zu lösen:

• Klassisch - eine Methode zum Hervorheben der Bildränder. In diesem Fall wird normalerweise ein Sobel-Filter verwendet. Der Beginn des Scheiterns ist der angestrebte Wendepunkt. Manchmal wird anstelle des Sobel-Filters die Gauß-Funktion als Näherungsfunktion verwendet, und die Kantenerkennungsfunktion hängt von den photometrischen Fehlern der Beobachtungen ab. Wenn der Stern jedoch schwächer wird, schwächen sich auch die Fehler der Methode ab. Dadurch ist die maximal messbare Helligkeit um zwei Größenordnungen schlechter als es die Ausstattung zulässt.

wobei a ein Koeffizient nahe 0,3 ist, m die beobachtete Größe ist. Das Hauptproblem ist die Divergenz in einigen Fällen der Reihe, die sich aus der Anwendung der Maximum-Likelihood-Methode ergibt.

Das Hauptproblem ist die Divergenz in einigen Fällen der Reihe, die sich aus der Anwendung der Maximum-Likelihood-Methode ergibt.

Themen und aktuelle Diskussionen:

Eines der Probleme ist die Unsicherheit im Wert der Hubble-Konstante und ihrer Isotropie. Eine Gruppe von Forschern behauptet, dass der Wert der Hubble-Konstante auf Skalen von 10–20° schwankt. Mögliche Gründe dieses Phänomen ein paar:

Echter physikalischer Effekt - in diesem Fall muss das kosmologische Modell radikal überarbeitet werden;
Das Sist falsch. Dies führt auch zu einer Überarbeitung des kosmologischen Modells, aber vielleicht nicht so bedeutsam. Viele andere Übersichten und ihre theoretische Interpretation wiederum zeigen keine Anisotropie, die über die hinausgeht, die lokal durch das Wachstum der Inhomogenität verursacht wird, zu der auch unsere Galaxie in einem isotropen Universum als Ganzes gehört.

CMB-Spektrum

Studium des Reliquienhintergrunds:

Die Informationen, die durch Beobachtung des Reliquienhintergrunds gewonnen werden können, sind äußerst vielfältig: Allein die Tatsache der Existenz des Reliquienhintergrunds ist bemerkenswert. Wenn das Universum für immer existiert hat, ist der Grund für seine Existenz unklar - wir beobachten keine Massenquellen, die einen solchen Hintergrund erzeugen können. Wenn jedoch die Lebensdauer des Universums endlich ist, dann ist es offensichtlich, dass der Grund für sein Auftreten in den Anfangsstadien seiner Entstehung liegt.

Bis heute herrscht die Meinung vor, dass Reliktstrahlung Strahlung ist, die bei der Bildung von Wasserstoffatomen freigesetzt wird. Zuvor war die Strahlung in Materie eingeschlossen, oder besser gesagt in dem, was sie damals war - ein dichtes heißes Plasma.

Auf dieser Annahme basiert die Methode der Relikthintergrundanalyse. Wenn wir den Weg jedes Photons mental verfolgen, stellt sich heraus, dass die Oberfläche der letzten Streuung eine Kugel ist, dann ist es bequem, Temperaturschwankungen in einer Reihe von Kugelfunktionen zu erweitern:

wo sind Koeffizienten, genannt Multipol, und sind sphärische Harmonische. Die daraus resultierenden Informationen sind sehr unterschiedlich.

1. Auch in Abweichungen von der Schwarzkörperstrahlung sind verschiedene Informationen eingebettet. Wenn die Abweichungen großräumig und systematisch sind, wird der Sunyaev-Zeldovich-Effekt beobachtet, während kleine Schwankungen auf Materieschwankungen in den frühen Stadien der Entwicklung des Universums zurückzuführen sind.
2. Besonders wertvolle Informationen über die ersten Sekunden des Lebens des Universums (insbesondere über das Stadium der inflationären Expansion) liefert die Polarisierung des Relikthintergrunds.

Sunyaev-Zeldovich-Effekt

Wenn CMB-Photonen auf ihrem Weg auf heißes Gas von Galaxienhaufen treffen, erwärmen sich Photonen im Zuge der Streuung aufgrund des inversen Compton-Effekts (dh erhöhen ihre Frequenz) und nehmen einen Teil der Energie von heißen Elektronen. Beobachtet wird dies durch eine Abnahme des kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlungsflusses in Richtung großer Galaxienhaufen im langwelligen Bereich des Spektrums.

Mit diesem Effekt können Sie Informationen erhalten:

über den Druck des heißen intergalaktischen Gases im Haufen und möglicherweise über die Masse des Haufens selbst;
von der Clustergeschwindigkeit entlang der Sichtlinie (aus Beobachtungen bei verschiedenen Frequenzen);
über den Wert der Hubble-Konstante H0 unter Einbeziehung von Beobachtungen im Gammabereich.

Bei genügend vielen beobachteten Haufen kann man auch die Gesamtdichte des Universums Ω ​​bestimmen.

CMB-Polarisationskarte nach WMAP-Daten

Die Polarisation der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung könnte erst im Zeitalter der Aufklärung entstanden sein. Da die Streuung Thompson ist, ist die Reliktstrahlung linear polarisiert. Dementsprechend sind die Stokes-Parameter Q und U, die die linearen Parameter charakterisieren, unterschiedlich und der Parameter V ist gleich Null. Wenn die Intensität in Bezug auf Skalarharmonische erweitert werden kann, kann die Polarisation in Bezug auf die sogenannten Spin-Harmonischen erweitert werden:

Es wird zwischen E-Mode (Gradientenkomponente) und B-Mode (Rotationskomponente) unterschieden.

Der E-Modus kann auftreten, wenn Strahlung aufgrund von Thompson-Streuung ein inhomogenes Plasma durchdringt. Der B-Modus, dessen maximale Amplitude nur erreicht, erscheint nur bei Wechselwirkung mit Gravitationswellen.

Der B-Modus ist ein Zeichen der Inflation im Universum und wird durch die Dichte der primären Gravitationswellen bestimmt. B-Modus-Beobachtung ist herausfordernde Aufgabe aufgrund des unbekannten Rauschpegels für diese Komponente des CMB, und auch aufgrund der Tatsache, dass der B-Modus durch schwache Gravitationslinsen mit dem stärkeren E-Modus gemischt wird.

Bisher wurde die Polarisation nachgewiesen, ihr Wert liegt bei mehreren (Mikrokelvin). Der B-Modus wurde lange Zeit nicht beobachtet. Es wurde erstmals 2013 entdeckt und 2014 bestätigt.

CMB-Schwankungen

Nach dem Entfernen der Hintergrundquellen, dem konstanten Anteil der Dipol- und Quadrupolharmonischen, verbleiben nur noch über den Himmel gestreute Schwankungen, deren Amplitudenstreuung im Bereich von –15 bis 15 μK liegt.

Zum Vergleich mit theoretischen Daten werden Rohdaten auf eine rotationsinvariante Größe reduziert:

Das „Spektrum“ wird für die Größe l(l + 1)Cl/2π gebildet, woraus wichtige Schlussfolgerungen für die Kosmologie gezogen werden. Zum Beispiel kann man anhand der Position des ersten Gipfels die Gesamtdichte des Universums und anhand seines Wertes - des Gehalts an Baryonen - beurteilen.

Aus der Übereinstimmung der Kreuzkorrelation zwischen der Anisotropie und dem E-Modus der Polarisation mit den theoretischen Vorhersagen für kleine Winkel (θ<5°) и значительного расхождения в области больших можно сделать о наличии эпохи рекомбинации на z ≈ 15-20.

Da die Fluktuationen gaußförmig sind, kann das Markov-Kettenverfahren verwendet werden, um die Maximum-Likelihood-Oberfläche zu konstruieren. Im Allgemeinen ist die Verarbeitung von Daten im Hintergrund ein ganzer Komplex von Programmen. Allerdings sind sowohl das Endergebnis als auch die verwendeten Annahmen und Kriterien umstritten. Verschiedene Gruppen haben den Unterschied zwischen der Verteilung von Schwankungen von Gauß, die Abhängigkeit der Verteilungskarte von den Algorithmen für ihre Verarbeitung gezeigt.

Ein unerwartetes Ergebnis war eine anomale Verteilung auf großen Skalen (ab 6° und mehr). Die Qualität der neuesten unterstützenden Daten des Planck-Weltraumobservatoriums eliminiert Messfehler. Vielleicht werden sie durch ein noch unentdecktes und unerforschtes Phänomen verursacht.

Beobachtung entfernter Objekte

Lyman Alpha-Wald

In den Spektren einiger entfernter Objekte kann man eine große Häufung starker Absorptionslinien in einem kleinen Ausschnitt des Spektrums (dem sogenannten Linienwald) beobachten. Diese Linien werden als Linien der Lyman-Reihe identifiziert, jedoch mit unterschiedlichen Rotverschiebungen.

Wolken aus neutralem Wasserstoff absorbieren effektiv Licht bei Wellenlängen von Lα (1216 Å) bis zur Lyman-Grenze. Strahlung, ursprünglich kurzwellig, die durch die Ausdehnung des Universums auf dem Weg zu uns ist, wird dort absorbiert, wo ihre Wellenlänge mit diesem „Wald“ verglichen wird. Der Wirkungsquerschnitt ist sehr groß und die Berechnung zeigt, dass bereits ein kleiner Anteil an neutralem Wasserstoff ausreicht, um eine große Absorption im kontinuierlichen Spektrum zu erzeugen.

Bei einer großen Anzahl von Wolken aus neutralem Wasserstoff im Lichtweg liegen die Linien so nahe beieinander, dass sich im Spektrum über einen ziemlich großen Zeitraum ein Einbruch bildet. Die langwellige Grenze dieses Intervalls ist auf Lα zurückzuführen, und die kurzwellige hängt von der nächsten Rotverschiebung ab, unterhalb derer das Medium ionisiert ist und wenig neutraler Wasserstoff vorhanden ist. Dieser Effekt wird Ghan-Peterson-Effekt genannt.

Der Effekt wird in Quasaren mit Rotverschiebung z > 6 beobachtet. Daraus wird geschlossen, dass die Epoche der Ionisation des intergalaktischen Gases bei z ≈ 6 begann.

Objekte mit Gravitationslinsen

Zu den Effekten, deren Beobachtungen auch für beliebige Objekte möglich sind (es spielt auch keine Rolle, ob es weit entfernt ist), sollte man auch den Effekt des Gravitationslinseneffekts zählen. Im vorherigen Abschnitt wurde darauf hingewiesen, dass der Gravitationslinseneffekt zum Aufbau einer Entfernungsskala verwendet wird; dies ist eine Variante des sogenannten starken Linseneffekts, bei dem die Winkeltrennung von Quellbildern direkt beobachtet werden kann. Es gibt jedoch auch eine schwache Linse, die verwendet werden kann, um das Potenzial des untersuchten Objekts zu erkunden. So wurde mit seiner Hilfe festgestellt, dass Galaxienhaufen mit einer Größe von 10 bis 100 Mpc gravitativ gebunden sind und damit die größten stabilen Systeme im Universum darstellen. Es stellte sich auch heraus, dass diese Stabilität durch eine Masse gewährleistet wird, die sich nur in gravitativer Wechselwirkung manifestiert – dunkle Masse oder, wie es in der Kosmologie heißt, dunkle Materie.

Die Natur des Quasars

Eine einzigartige Eigenschaft von Quasaren sind große Gaskonzentrationen im Strahlungsbereich. Nach modernen Konzepten sorgt die Akkretion dieses Gases auf einem Schwarzen Loch für eine so hohe Leuchtkraft von Objekten. Eine hohe Konzentration einer Substanz bedeutet auch eine hohe Konzentration an schweren Elementen und damit auffälligere Absorptionslinien. So wurden im Spektrum eines der Linsenquasare Wasserlinien gefunden.

Ein einzigartiger Vorteil ist die hohe Leuchtkraft im Radiobereich, vor deren Hintergrund die Absorption eines Teils der Strahlung durch kaltes Gas stärker auffällt. In diesem Fall kann das Gas sowohl zur Heimatgalaxie des Quasars als auch zu einer zufälligen Wolke aus neutralem Wasserstoff im intergalaktischen Medium oder zu einer Galaxie gehören, die versehentlich in die Sichtlinie geraten ist (in diesem Fall gibt es häufig Fälle, in denen eine solche Galaxie ist nicht sichtbar - sie ist zu dunkel für unsere Teleskope). Die Untersuchung interstellarer Materie in Galaxien mit dieser Methode wird als „Transmissionsstudie“ bezeichnet, zum Beispiel wurde die erste Galaxie mit supersolarer Metallizität auf ähnliche Weise entdeckt.

Auch ein wichtiges Ergebnis der Anwendung dieser Methode, allerdings nicht im Radio-, sondern im optischen Bereich, ist die Messung der Primärhäufigkeit von Deuterium. Der aus solchen Beobachtungen gewonnene aktuelle Wert der Deuteriumhäufigkeit ist .

Mit Hilfe von Quasaren wurden eindeutige Daten über die Temperatur des Hintergrunds bei z ≈ 1,8 und bei z = 2,4 gewonnen. Im ersten Fall wurden die Linien der Hyperfeinstruktur von neutralem Kohlenstoff untersucht, für die Quanten mit T ≈ 7,5 K (der angenommenen Temperatur des Hintergrundhintergrunds zu diesem Zeitpunkt) die Rolle des Pumpens spielen und eine inverse Niveaubesetzung liefern. Im zweiten Fall wurden die Linien des molekularen Wasserstoffs H2, des Wasserstoffdeuterids HD und auch des Kohlenmonoxid-CO-Moleküls gefunden, entsprechend der Intensität des Spektrums, dessen Temperatur des Hintergrundhintergrunds gemessen wurde, stimmte es mit dem erwarteten Wert überein mit guter Genauigkeit.

Eine weitere Errungenschaft, die Quasaren zu verdanken ist, ist die Abschätzung der Sternentstehungsrate im großen Maßstab z. Als wir zuerst die Spektren zweier verschiedener Quasare verglichen und dann einzelne Teile des Spektrums desselben Quasars verglichen, fanden wir einen starken Einbruch in einem der UV-Teile des Spektrums. Ein so starker Abfall könnte nur durch eine große Staubkonzentration verursacht werden, die Strahlung absorbiert. Zuvor versuchten sie, Staub anhand von Spektrallinien zu erkennen, aber es war nicht möglich, bestimmte Linienreihen zu identifizieren, was bewies, dass es sich um Staub und nicht um eine Beimischung schwerer Elemente im Gas handelte. Erst die Weiterentwicklung dieser Methode ermöglichte es, die Sternentstehungsrate bei z von ~ 2 bis ~ 6 abzuschätzen.

Beobachtungen von Gammastrahlenausbrüchen

Ein beliebtes Modell für das Auftreten eines Gammastrahlenausbruchs

Gammastrahlenausbrüche sind ein einzigartiges Phänomen, und es gibt keine allgemein akzeptierte Meinung über seine Natur. Die überwiegende Mehrheit der Wissenschaftler stimmt jedoch der Aussage zu, dass Objekte mit stellarer Masse der Vorläufer des Gammastrahlenausbruchs sind.

Die einzigartigen Möglichkeiten der Verwendung von Gammastrahlenausbrüchen zur Untersuchung der Struktur des Universums sind wie folgt:

Da der Vorläufer eines Gammastrahlenausbruchs ein Objekt mit stellarer Masse ist, ist es möglich, Gammastrahlenausbrüche in größerer Entfernung als Quasare zu verfolgen, sowohl aufgrund der früheren Entstehung des Vorläufers selbst als auch wegen der geringen Masse des Sterns Quasar Schwarzes Loch, und daher seine geringere Leuchtkraft für diesen Zeitraum. Das Spektrum eines Gammablitzes ist kontinuierlich, dh es enthält keine Spektrallinien. Das bedeutet, dass die am weitesten entfernten Absorptionslinien im Spektrum eines Gammastrahlenausbruchs die Linien des interstellaren Mediums der Wirtsgalaxie sind. Aus der Analyse dieser Spektrallinien kann man Informationen über die Temperatur des interstellaren Mediums, seine Metallizität, seinen Ionisationsgrad und seine Kinematik erhalten.

Gammastrahlenausbrüche bieten eine nahezu ideale Möglichkeit, das intergalaktische Medium vor der Epoche der Reionisierung zu untersuchen, da ihr Einfluss auf das intergalaktische Medium aufgrund der kurzen Lebensdauer der Quelle um 10 Größenordnungen geringer ist als der von Quasaren. Wenn das Nachleuchten des Gammastrahlenausbruchs im Radiobereich stark genug ist, kann die 21-cm-Linie verwendet werden, um den Zustand verschiedener Strukturen von neutralem Wasserstoff im intergalaktischen Medium in der Nähe der Vorläufergalaxie des Gammastrahlenausbruchs zu beurteilen. Eine detaillierte Untersuchung der Prozesse der Sternentstehung auf frühe Stufen der Entwicklung des Universums mit Hilfe von Gammastrahlenausbrüchen hängt stark vom gewählten Modell der Natur des Phänomens ab, aber wenn wir genügend Statistiken sammeln und die Verteilungen der Eigenschaften von Gammastrahlenausbrüchen in Abhängigkeit von der Rotverschiebung graphisch darstellen, dann können wir, innerhalb ziemlich allgemeiner Bestimmungen bleibend, die Sternentstehungsrate und die Massenfunktion der geborenen Sterne abschätzen.

Wenn wir die Annahme akzeptieren, dass ein Gammastrahlenausbruch eine Explosion einer Supernova der Population III ist, dann können wir die Geschichte der Anreicherung des Universums mit Schwermetallen studieren. Auch ein Gammastrahlenausbruch kann als Indikator für eine sehr schwache Zwerggalaxie dienen, die bei "massiver" Beobachtung des Himmels schwer zu erkennen ist.

Ein ernsthaftes Problem für die Beobachtung von Gammastrahlenausbrüchen im Allgemeinen und ihre Anwendbarkeit für die Erforschung des Universums im Besonderen ist ihre Sporadisierung und die kurze Zeit, in der das Nachglühen des Ausbruchs, das allein die Entfernung zu ihm bestimmen kann, spektroskopisch beobachtet werden kann .

Studium der Entwicklung des Universums und seiner großräumigen Struktur

Erkundung großräumiger Strukturen

2df Survey Large Scale Structure Data

Die erste Methode zur Untersuchung der großräumigen Struktur des Universums, die ihre Relevanz nicht verloren hat, war die sogenannte Methode der "Sternenzählung" oder die Methode der "Sternenschaufeln". Seine Essenz besteht darin, die Anzahl der Objekte in verschiedenen Richtungen zu zählen. Von Herschel Ende des 18. Jahrhunderts angewendet, als die Existenz entfernter Weltraumobjekte nur vermutet wurde und die einzigen zur Beobachtung verfügbaren Objekte Sterne waren, daher der Name. Heute werden natürlich keine Sterne gezählt, sondern extragalaktische Objekte (Quasare, Galaxien) und neben der gewählten Richtung auch Verteilungen in z aufgebaut.

Die größten Datenquellen zu extragalaktischen Objekten sind individuelle Beobachtungen bestimmter Objekte, Erhebungen wie SDSS, APM, 2df und zusammengestellte Datenbanken wie Ned und Hyperleda. Beispielsweise betrug bei der 2df-Durchmusterung die Himmelsabdeckung ~ 5 %, das durchschnittliche z war 0,11 (~ 500 Mpc), die Anzahl der Objekte war ~ 220.000.

Die vorherrschende Ansicht ist, dass beim Übergang zu Maßstäben von Hunderten von Megaparsec die Zellen addiert und gemittelt werden und die Verteilung der sichtbaren Materie gleichmäßig wird. Eindeutigkeit ist in dieser Frage jedoch noch nicht erreicht: Einige Forscher kommen mit verschiedenen Methoden zu dem Schluss, dass die Verteilung der Galaxien bis in die größten untersuchten Skalen nicht einheitlich ist. Gleichzeitig heben Inhomogenitäten in der Verteilung von Galaxien nicht die Tatsache der hohen Homogenität des Universums im Ausgangszustand auf, die sich aus dem hohen Grad an Isotropie der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung ergibt.

Gleichzeitig wurde festgestellt, dass die Rotverschiebungsverteilung der Anzahl der Galaxien komplex ist. Die Abhängigkeit von verschiedenen Objekten ist unterschiedlich. Sie alle sind jedoch durch das Vorhandensein mehrerer lokaler Maxima gekennzeichnet. Womit das zusammenhängt, ist noch nicht ganz klar.

Bis vor kurzem war nicht klar, wie sich die großräumige Struktur des Universums entwickelt. Neuere Studien zeigen jedoch, dass zuerst große Galaxien entstanden und erst dann kleine (sog. Downsizing-Effekt).

Beobachtungen von Sternhaufen

Eine Population von Weißen Zwergen im Kugelsternhaufen NGC 6397. Blaue Quadrate sind weiße Heliumzwerge, violette Kreise sind "normale" weiße Zwerge mit hohem Kohlenstoffgehalt.

Die Haupteigenschaft von Kugelsternhaufen für die beobachtende Kosmologie besteht darin, dass sich auf kleinem Raum viele Sterne gleichen Alters befinden. Das bedeutet, dass, wenn der Abstand zu einem Mitglied des Clusters auf irgendeine Weise gemessen wird, der Unterschied im Abstand zu anderen Mitgliedern des Clusters vernachlässigbar ist.

Die gleichzeitige Entstehung aller Sterne des Haufens ermöglicht eine Altersbestimmung: Basierend auf der Theorie der Sternentwicklung werden Isochronen konstruiert, also Kurven gleichen Alters für Sterne unterschiedlicher Masse. Vergleicht man sie mit der beobachteten Verteilung der Sterne im Haufen, kann man sein Alter bestimmen.

Die Methode hat eine Reihe eigener Schwierigkeiten. Beim Versuch, sie zu lösen, erhielten verschiedene Teams zu unterschiedlichen Zeiten verschiedene Alter für die ältesten Cluster von ~8 Ga bis ~25 Ga.

In Galaxien enthalten Kugelsternhaufen, die Teil des alten sphärischen Subsystems von Galaxien sind, viele Weiße Zwerge – die Überbleibsel entwickelter Roter Riesen mit relativ geringer Masse. Weiße Zwerge sind ihrer eigenen thermonuklearen Energiequellen beraubt und strahlen ausschließlich aufgrund der Abgabe von Wärmereserven. Weiße Zwerge haben ungefähr die gleiche Masse wie Vorläufersterne und daher ungefähr die gleiche Temperaturabhängigkeit von der Zeit. Indem man die aktuelle absolute Helligkeit eines Weißen Zwergs aus dem Spektrum eines Weißen Zwergs bestimmt und die Zeit-Leuchtkraft-Abhängigkeit während des Abkühlens kennt, kann man das Alter des Zwergs bestimmen.

Dieser Ansatz ist jedoch sowohl mit großen technischen Schwierigkeiten verbunden – Weiße Zwerge sind extrem lichtschwache Objekte – als auch mit äußerst empfindlichen Instrumenten, um sie zu beobachten. Das erste und bisher einzige Teleskop, das dieses Problem lösen kann, ist das Weltraumteleskop. Hubble. Das Alter des ältesten Clusters laut der damit arbeitenden Gruppe: Milliarden Jahre, das Ergebnis ist jedoch umstritten. Gegner weisen darauf hin, dass zusätzliche Fehlerquellen nicht berücksichtigt wurden, ihre Schätzung liegt bei Milliarden von Jahren.

Beobachtungen von nicht entwickelten Objekten

NGC 1705 - eine Galaxie vom BCDG-Typ

Objekte, die tatsächlich aus Primärmaterie bestehen, haben aufgrund der extrem niedrigen Geschwindigkeit ihrer inneren Evolution bis in unsere Zeit überlebt. Dadurch ist es möglich, die primäre chemische Zusammensetzung der Elemente zu studieren, sowie ohne zu sehr ins Detail zu gehen und auf der Grundlage der Laborgesetze der Kernphysik das Alter solcher Objekte abzuschätzen, was eine untere Grenze für das Alter ergibt Alter des Universums als Ganzes.

Zu diesem Typ gehören: massearme Sterne mit geringer Metallizität (die sogenannten G-Zwerge), metallarme HII-Regionen sowie unregelmäßige Zwerggalaxien der BCDG-Klasse (Blue Compact Dwarf Galaxy).

Nach modernen Vorstellungen soll Lithium während der primären Nukleosynthese entstanden sein. Die Besonderheit dieses Elements liegt in der Tatsache, dass Kernreaktionen mit seiner Beteiligung bei Temperaturen beginnen, die im kosmischen Maßstab nicht sehr groß sind. Und im Laufe der Sternentwicklung musste das ursprüngliche Lithium fast vollständig recycelt werden. Es könnte nur in der Nähe von massereichen Populationssternen des Typs II verbleiben. Solche Sterne haben eine ruhige, nicht konvektive Atmosphäre, die es ermöglicht, dass Lithium auf der Oberfläche bleibt, ohne dass die Gefahr besteht, dass es in den heißeren inneren Schichten des Sterns ausbrennt.

Im Laufe der Messungen wurde festgestellt, dass in den meisten dieser Sterne die Häufigkeit von Lithium beträgt:

Es gibt jedoch eine Reihe von Sternen, darunter solche mit extrem niedrigem Metallgehalt, bei denen die Häufigkeit deutlich geringer ist. Womit das zusammenhängt, ist nicht ganz klar, es wird vermutet, dass dies irgendwie mit Vorgängen in der Atmosphäre zusammenhängt.

Im Stern CS31082-001, der zur Sternpopulation des Typs II gehört, wurden Linien gefunden und Thorium- und Urankonzentrationen in der Atmosphäre gemessen. Diese beiden Elemente haben unterschiedliche Halbwertszeiten, daher ändert sich ihr Verhältnis im Laufe der Zeit, und wenn Sie das anfängliche Häufigkeitsverhältnis irgendwie schätzen, können Sie das Alter des Sterns bestimmen. Es kann auf zwei Arten geschätzt werden: aus der Theorie der r-Prozesse, die sowohl durch Labormessungen als auch durch Beobachtungen der Sonne bestätigt wird; oder Sie können die Kurve der Konzentrationsänderungen aufgrund des Zerfalls und die Kurve der Änderungen der Häufigkeit von Thorium und Uran in den Atmosphären junger Sterne aufgrund der chemischen Entwicklung der Galaxie kreuzen. Beide Methoden lieferten ähnliche Ergebnisse: 15,5 ± 3,2 Milliarden Jahre wurden mit der ersten Methode erhalten, Milliarden Jahre - mit der zweiten.

Schwach metallische BCDG-Galaxien (insgesamt gibt es etwa 10 davon) und HII-Zonen sind Informationsquellen über die primäre Häufigkeit von Helium. Für jedes Objekt aus seinem Spektrum werden die Metallizität (Z) und die He-Konzentration (Y) bestimmt. Durch eine gewisse Extrapolation des Y-Z-Diagramms auf Z=0 erhält man eine Abschätzung des ursprünglichen Heliums.

Der resultierende Wert von Yp variiert von einer Beobachtergruppe zur anderen und von einem Beobachtungszeitraum zum anderen. Also einer, bestehend aus den maßgeblichsten Experten auf diesem Gebiet: Izotova und Thuan (Thuan) erhielten für BCDG-Galaxien den Wert Yp = 0,245 ± 0,004, für HII-Zonen einigten sie sich im Moment (2010) auf den Wert Yp = 0,2565 ± 0,006. Eine andere maßgebliche Gruppe unter der Leitung von Peimbert erhielt ebenfalls verschiedene Yp-Werte von 0,228 ± 0,007 bis 0,251 ± 0,006.

Theoretische Modelle

Aus dem gesamten Satz von Beobachtungsdaten zur Konstruktion und Bestätigung von Theorien sind die wichtigsten die folgenden:

Ihre Deutung geht von dem Postulat aus, dass jeder Betrachter zum gleichen Zeitpunkt, unabhängig von Ort und Richtung der Betrachtung, im Durchschnitt das gleiche Bild vorfindet. Das heißt, im großen Maßstab ist das Universum räumlich homogen und isotrop. Beachten Sie, dass diese Aussage zeitliche Inhomogenität nicht verbietet, d. h. die Existenz ausgezeichneter Abfolgen von Ereignissen, die allen Beobachtern zugänglich sind.

Verfechter von Theorien eines stationären Universums formulieren manchmal ein "perfektes kosmologisches Prinzip", wonach die vierdimensionale Raumzeit die Eigenschaften Homogenität und Isotropie haben soll. Die im Universum beobachteten Evolutionsprozesse scheinen jedoch nicht mit einem solchen kosmologischen Prinzip vereinbar zu sein.

Im allgemeinen Fall werden die folgenden Theorien und Teilbereiche der Physik zum Bau von Modellen verwendet:

Statistische Gleichgewichtsphysik, ihre grundlegenden Konzepte und Prinzipien sowie die Theorie des relativistischen Gases.
Die Theorie der Schwerkraft, meist GR. Obwohl seine Auswirkungen nur auf der Skala des Sonnensystems getestet wurden, kann seine Verwendung auf der Skala von Galaxien und des Universums als Ganzes in Frage gestellt werden.
Einige Informationen aus der Physik der Elementarteilchen: eine Liste der Grundteilchen, ihre Eigenschaften, Wechselwirkungsarten, Erhaltungssätze. Kosmologische Modelle wären viel einfacher, wenn das Proton kein stabiles Teilchen wäre und zerfallen würde, was moderne Experimente in physikalischen Labors nicht bestätigen. Im Moment eine Reihe von Modellen, der beste Weg Erklärung der Beobachtungsdaten ist:

Die Urknalltheorie. Beschreibt die chemische Zusammensetzung des Universums.
Theorie des Stadiums der Inflation. Erklärt den Grund für die Erweiterung.
Friedman-Erweiterungsmodell. Beschreibt eine Erweiterung.
Hierarchische Theorie. Beschreibt die großflächige Struktur.

Modell des expandierenden Universums

Das Modell des expandierenden Universums beschreibt die eigentliche Tatsache der Expansion. Im Allgemeinen wird nicht berücksichtigt, wann und warum das Universum begann, sich auszudehnen. Die meisten Modelle basieren auf der Allgemeinen Relativitätstheorie und ihrer geometrischen Sicht auf die Natur der Schwerkraft.

Betrachtet man ein isotrop expandierendes Medium in einem starr mit Materie verbundenen Koordinatensystem, so reduziert sich die Expansion des Universums formal auf eine Änderung des Skalenfaktors des gesamten Koordinatengitters, in dessen Knoten Galaxien „eingepflanzt“ sind. Ein solches Koordinatensystem wird mitbewegt genannt. Der Ursprung der Referenz hängt in der Regel mit dem Beobachter zusammen.

Es gibt keinen einheitlichen Standpunkt, ob das Universum in Raum und Volumen wirklich unendlich oder endlich ist. Das beobachtbare Universum ist jedoch endlich, weil die Lichtgeschwindigkeit endlich ist und der Urknall existierte.

Friedman-Modell

Bühne	Evolution	Hubble-Parameter
inflationär
Strahlungsdominanz p=ρ/3
Staub Stufe p=konst
-Dominanz

Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie lässt sich die gesamte Dynamik des Universums auf einfache Differentialgleichungen für den Skalenfaktor reduzieren.

In einem homogenen, isotropen vierdimensionalen Raum mit konstanter Krümmung kann der Abstand zwischen zwei unendlich nahen Punkten wie folgt geschrieben werden:

,

wobei k den Wert annimmt:

• k=0 für 3D-Ebene
• k=1 für 3D-Kugel
• k=-1 für 3D-Hypersphäre

x - 3D-Radiusvektor in quasi-kartesischen Koordinaten: .

Setzt man den Ausdruck für die Metrik in die GR-Gleichungen ein, so erhält man folgendes Gleichungssystem:

• Energiegleichung

• Bewegungsgleichung

• Kontinuitätsgleichung

wobei Λ die kosmologische Konstante ist, ρ die durchschnittliche Dichte des Universums ist, P der Druck ist, c die Lichtgeschwindigkeit ist.

Das gegebene Gleichungssystem lässt viele Lösungen zu, abhängig von den gewählten Parametern. Tatsächlich sind die Werte der Parameter nur zum aktuellen Zeitpunkt festgelegt und entwickeln sich im Laufe der Zeit, sodass die Entwicklung der Erweiterung durch eine Reihe von Lösungen beschrieben wird.

Erklärung von Hubbles Gesetz

Angenommen, in dem mitbewegten System befindet sich eine Quelle in einem Abstand r 1 vom Beobachter. Die Empfangseinrichtung des Beobachters registriert die Phase der ankommenden Welle. Betrachten Sie zwei Intervalle zwischen Punkten mit derselben Phase:

Andererseits gilt für eine Lichtwelle in der akzeptierten Metrik die folgende Gleichheit:

Wenn wir diese Gleichung integrieren und uns daran erinnern, dass r in den mitbewegten Koordinaten nicht von der Zeit abhängt, dann erhalten wir unter der Bedingung, dass die Wellenlänge relativ zum Krümmungsradius des Universums klein ist, die Beziehung:

Wenn wir es jetzt in das ursprüngliche Verhältnis einsetzen:

Nach Erweiterung der rechten Seite zu einer Taylor-Reihe unter Berücksichtigung des Terms der ersten Ordnung der Kleinheit erhalten wir eine Beziehung, die exakt mit dem Hubble-Gesetz übereinstimmt. Wobei die Konstante H die Form annimmt:

ΛCDM

Wie bereits erwähnt, lassen die Friedmann-Gleichungen je nach Parameter viele Lösungen zu. Und das moderne ΛCDM-Modell ist das Friedman-Modell mit allgemein akzeptierten Parametern. Normalerweise werden sie in der Arbeit von Beobachtern in Bezug auf die kritische Dichte angegeben:

Drücken wir die linke Seite aus dem Hubble-Gesetz aus, so erhalten wir nach Reduktion folgende Form:

,

wobei Ω m = ρ/ρ cr , Ω k = -(kc 2)/(a 2 H 2) , Ω Λ = (8πGΛc 2)/ρ cr . Aus diesem Eintrag ist ersichtlich, dass wenn Ω m + Ω Λ = 1 , dh die Gesamtdichte von Materie und dunkler Energie gleich der kritischen ist, dann k = 0 , dh der Raum ist flach, wenn mehr, dann k = 1 , wenn kleiner als k = –1

Im modernen allgemein akzeptierten Expansionsmodell ist die kosmologische Konstante positiv und deutlich von Null verschieden, das heißt, es treten auf großen Skalen Antigravitationskräfte auf. Die Natur solcher Kräfte ist unbekannt, theoretisch könnte ein solcher Effekt durch die Wirkung des physikalischen Vakuums erklärt werden, jedoch stellt sich heraus, dass die erwartete Energiedichte um viele Größenordnungen größer ist als die Energie, die dem beobachteten Wert der kosmologischen Konstante entspricht - Problem der kosmologischen Konstante.

Die verbleibenden Optionen sind derzeit nur von theoretischem Interesse, dies kann sich jedoch mit dem Aufkommen neuer experimenteller Daten ändern. Die moderne Geschichte der Kosmologie kennt solche Beispiele bereits: Modelle mit einer kosmologischen Konstante von Null dominierten bedingungslos (abgesehen von einem kurzen Ausbruch des Interesses an anderen Modellen in den 1960er Jahren) von der Entdeckung der kosmologischen Rotverschiebung durch Hubble bis 1998, als Daten zum Typ Ia Supernovae widerlegten überzeugend ihre.

Weitere Entwicklung der Expansion

Der weitere Verlauf der Expansion hängt im Allgemeinen von den Werten der kosmologischen Konstante Λ, der Raumkrümmung k und der Zustandsgleichung P(ρ) ab. Die Entwicklung der Erweiterung kann jedoch auf der Grundlage ziemlich allgemeiner Annahmen qualitativ abgeschätzt werden.

Wenn der Wert der kosmologischen Konstante negativ ist, wirken nur anziehende Kräfte und sonst nichts. Die rechte Seite der Energiegleichung ist nur für endliche Werte von R nicht negativ. Dies bedeutet, dass sich das Universum bei einem bestimmten Wert von R c bei jedem Wert von k und unabhängig von der Form der Gleichung von zusammenzieht Zustand.

Wenn die kosmologische Konstante gleich Null ist, hängt die Entwicklung für einen gegebenen Wert von H 0 vollständig von der anfänglichen Materiedichte ab:

Wenn , dann setzt sich die Expansion unbegrenzt fort, in der Grenze mit der Rate, die asymptotisch gegen Null geht. Wenn die Dichte größer als die kritische ist, verlangsamt sich die Expansion des Universums und wird durch Kontraktion ersetzt. Wenn weniger, dann geht die Expansion unendlich weiter mit einer Grenze H ungleich Null.

Wenn Λ>0 und k≤0, dann expandiert das Universum monoton, aber anders als im Fall mit Λ=0 steigt die Expansionsrate für große Werte von R:

Wenn k = 1, ist der ausgewählte Wert . In diesem Fall gibt es einen Wert von R, für den und , das heißt, das Universum ist statisch.

Für Λ > Λ c nimmt die Expansionsrate bis zu einem bestimmten Moment ab und beginnt dann unendlich zu steigen. Übersteigt Λ geringfügig Λ c , so bleibt die Expansionsrate für einige Zeit praktisch unverändert.

Im Fall Λ<Λ c всё зависит от начального значения R, с которого началось расширения. В зависимости от этого значения Вселенная либо будет расширяться до какого-то размера, а потом сожмётся, либо будет неограниченно расширяться.

Die Urknalltheorie (Modell des heißen Universums)

Die Urknalltheorie ist die Theorie der primordialen Nukleosynthese. Es beantwortet die Frage, wie die chemischen Elemente entstanden sind und warum ihre Häufigkeit genau so ist, wie sie heute beobachtet wird. Es basiert auf der Extrapolation der Gesetze der Kern- und Quantenphysik, auf der Annahme, dass beim Bewegen in die Vergangenheit die durchschnittliche Teilchenenergie (Temperatur) zunimmt.

Die Anwendbarkeitsgrenze ist der Bereich hoher Energien, oberhalb dessen die untersuchten Gesetze aufhören zu wirken. Gleichzeitig gibt es keine Substanz mehr als solche, sondern praktisch reine Energie. Wenn wir das Hubble-Gesetz auf diesen Moment extrapolieren, stellt sich heraus, dass sich der sichtbare Bereich des Universums in einem kleinen Volumen befindet. Kleines Volumen und hohe Energie - ein charakteristischer Zustand der Materie nach der Explosion, daher der Name der Theorie - die Theorie des Urknalls. Gleichzeitig bleibt die Antwort auf die Frage sprengen: „Was hat diese Explosion verursacht und was ist ihre Natur?“.

Auch die Urknall-Theorie hat den Ursprung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung vorhergesagt und erklärt – dies ist das Erbe des Augenblicks, als alle Materie noch ionisiert war und dem Lichtdruck nicht widerstehen konnte. Mit anderen Worten, der Relikthintergrund ist der Überrest der "Photosphäre des Universums".

Entropie des Universums

Das Hauptargument, das die Theorie des heißen Universums bestätigt, ist der Wert seiner spezifischen Entropie. Sie ist bis auf einen numerischen Koeffizienten gleich dem Verhältnis der Konzentration von Gleichgewichtsphotonen n γ zur Konzentration von Baryonen n b .

Drücken wir n b durch die kritische Dichte und den Baryonenanteil aus:

wobei h 100 der moderne Hubble-Wert ist, ausgedrückt in Einheiten von 100 km / (s Mpc), und zwar für den kosmischen Mikrowellenhintergrund mit T = 2,73 K

cm −3,

wir bekommen:

Der Kehrwert ist der Wert der spezifischen Entropie.

Die ersten drei Minuten. Primäre Nukleosynthese

Vermutlich sind seit Beginn der Geburt (oder zumindest ab Ende des Inflationsstadiums) und während der Zeit, bis die Temperatur unter 10 16 GeV (10 −10 s) bleibt, alle bekannten Elementarteilchen vorhanden und alle vorhanden keine Masse. Diese Periode wird die Periode der Großen Vereinigung genannt, wenn die elektroschwachen und starken Wechselwirkungen vereint sind.

Im Moment ist es unmöglich, genau zu sagen, welche Teilchen in diesem Moment vorhanden sind, aber etwas ist immer noch bekannt. Der Wert von η ist nicht nur ein Indikator für die spezifische Entropie, sondern charakterisiert auch den Überschuss von Teilchen gegenüber Antiteilchen:

In dem Moment, in dem die Temperatur unter 10 15 GeV fällt, werden wahrscheinlich X- und Y-Bosonen mit entsprechenden Massen freigesetzt.

Die Ära der Großen Vereinigung wird durch die Ära der elektroschwachen Vereinigung ersetzt, wenn die elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen ein einziges Ganzes darstellen. In dieser Epoche findet die Vernichtung von X- und Y-Bosonen statt. In dem Moment, in dem die Temperatur auf 100 GeV fällt, endet die elektroschwache Vereinigungsepoche, Quarks, Leptonen und intermediäre Bosonen werden gebildet.

Das Zeitalter der Hadronen steht bevor, das Zeitalter der aktiven Produktion und Vernichtung von Hadronen und Leptonen. In dieser Epoche ist der Moment des Quark-Hadron-Übergangs oder der Moment des Quark-Confinements bemerkenswert, als die Verschmelzung von Quarks zu Hadronen möglich wurde. In diesem Moment beträgt die Temperatur 300–1000 MeV und die Zeit seit der Geburt des Universums 10 –6 s.

Die Epoche der Hadronenära wird von der Leptonenära geerbt - in dem Moment, in dem die Temperatur auf das Niveau von 100 MeV fällt, und auf der Uhr 10 –4 s. In dieser Ära beginnt die Zusammensetzung des Universums der modernen zu ähneln; die Hauptteilchen sind Photonen, daneben gibt es nur noch Elektronen und Neutrinos mit ihren Antiteilchen sowie Protonen und Neutronen. Während dieser Zeit tritt ein wichtiges Ereignis auf: Die Substanz wird für Neutrinos transparent. Es gibt so etwas wie einen Relikthintergrund, aber für Neutrinos. Aber da die Trennung von Neutrinos vor der Trennung von Photonen stattfand, als einige Arten von Teilchen noch nicht vernichtet waren und ihre Energie an den Rest abgaben, kühlten sie stärker ab. Inzwischen sollte das Neutrinogas auf 1,9 K abgekühlt sein, wenn Neutrinos keine Masse haben (oder ihre Massen vernachlässigbar sind).

Bei einer Temperatur T≈0,7 MeV wird das zuvor bestehende thermodynamische Gleichgewicht zwischen Protonen und Neutronen verletzt und das Verhältnis der Konzentration von Neutronen und Protonen friert bei einem Wert von 0,19 ein. Die Synthese von Deuterium-, Helium- und Lithiumkernen beginnt. Nach ~200 Sekunden nach der Geburt des Universums sinkt die Temperatur auf Werte, bei denen keine Nukleosynthese mehr möglich ist, und die chemische Zusammensetzung der Materie bleibt bis zur Geburt der ersten Sterne unverändert.

Probleme der Urknalltheorie

Trotz erheblicher Fortschritte steht die Theorie des heißen Universums vor einer Reihe von Schwierigkeiten. Wenn der Urknall die Expansion des Universums verursacht hat, dann könnte im allgemeinen Fall eine starke inhomogene Verteilung der Materie entstehen, die nicht beobachtet wird. Auch die Urknalltheorie erklärt die Expansion des Universums nicht, sie nimmt sie als Tatsache hin.

Die Theorie geht auch davon aus, dass das Verhältnis der Anzahl von Teilchen und Antiteilchen im Anfangsstadium so war, dass es zur modernen Vorherrschaft von Materie gegenüber Antimaterie führte. Es kann davon ausgegangen werden, dass das Universum zu Beginn symmetrisch war - es gab die gleiche Menge an Materie und Antimaterie, aber dann, um die Baryonen-Asymmetrie zu erklären, wird ein Mechanismus der Baryogenese benötigt, der zu der Möglichkeit eines Protonenzerfalls führen sollte , was ebenfalls nicht beobachtet wird.

Verschiedene Theorien der Großen Vereinigung deuten auf die Geburt einer großen Anzahl magnetischer Monopole im frühen Universum hin, die ebenfalls noch nicht entdeckt wurden.

Inflationsmodell

Aufgabe der Inflationstheorie ist es, die Fragen zu beantworten, die die Expansionstheorie und die Urknalltheorie hinterlassen haben: „Warum dehnt sich das Universum aus? Und was ist der Urknall? Dazu wird die Expansion auf den Zeitpunkt Null extrapoliert und die gesamte Masse des Universums befindet sich an einem Punkt und bildet eine kosmologische Singularität, oft Urknall genannt. Anscheinend ist die damalige allgemeine Relativitätstheorie nicht mehr anwendbar, was zu zahlreichen, aber bisher leider nur rein spekulativen Versuchen führt, eine allgemeinere Theorie (oder gar „neue Physik“) zu entwickeln, die dieses Problem der löst Kosmologische Singularität.

Die Hauptidee des Inflationsstadiums ist, dass wenn wir ein skalares Feld namens Inflanton antreiben, dessen Einfluss in den Anfangsstadien stark ist (ab etwa 10 −42 s), aber mit der Zeit schnell abnimmt, dann wird die flache Geometrie des Weltraums erklärt werden, während die Hubble-Expansion aufgrund der großen kinetischen Energie, die während des Aufblasens angesammelt wird, zu einer Trägheitsbewegung wird, und der Ursprung aus einer kleinen anfänglich kausal verbundenen Region die Gleichförmigkeit und Isotropie des Universums erklärt.

Es gibt jedoch sehr viele Möglichkeiten, eine Inflation einzustellen, die wiederum eine ganze Reihe von Modellen generiert. Die Mehrheit basiert jedoch auf der Annahme des langsamen Rollens: Das Inflantonpotential sinkt langsam auf einen Wert gleich Null. Die spezifische Art des Potentials und die Methode zur Einstellung der Anfangswerte hängen von der gewählten Theorie ab.

Inflationstheorien werden auch in unendliche und endliche Zeit unterteilt. In einer Theorie mit unendlicher Inflation gibt es Raumregionen - Domänen - die sich auszudehnen begannen, aber aufgrund von Quantenfluktuationen in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehrten, in dem Bedingungen für eine wiederholte Inflation entstehen. Zu solchen Theorien gehören alle Theorien mit unendlichem Potenzial und Lindes chaotische Inflationstheorie.

Theorien mit einer endlichen Inflationszeit umfassen das Hybridmodell. Darin gibt es zwei Arten von Feldern: Das erste ist für große Energien (und damit für die Expansionsrate) verantwortlich, das zweite für kleine, die den Zeitpunkt des Abschlusses der Inflation bestimmen. In diesem Fall können Quantenfluktuationen nur das erste Feld beeinflussen, aber nicht das zweite, und daher ist der Inflationsprozess selbst endlich.

Zu den ungelösten Problemen der Inflation gehören Temperatursprünge in einem sehr weiten Bereich, irgendwann sinkt sie fast auf den absoluten Nullpunkt. Am Ende des Aufblasens wird die Substanz wieder auf hohe Temperaturen erhitzt. Als mögliche Erklärung für solch ein seltsames Verhalten wird "parametrische Resonanz" vorgeschlagen.

Multiversum

„Multiverse“, „Big Universe“, „Multiverse“, „Hyperuniverse“, „Superuniverse“, „Multiverse“, „Omniverse“ – verschiedene Übersetzungen des englischen Begriffs Multiversum. Es erschien während der Entwicklung der Inflationstheorie.

Regionen des Universums, die durch Entfernungen getrennt sind, die größer als die Größe des Teilchenhorizonts sind, entwickeln sich unabhängig voneinander. Jeder Beobachter sieht nur die Prozesse, die in einem Bereich ablaufen, dessen Volumen einer Kugel entspricht, deren Radius gleich dem Abstand zum Teilchenhorizont ist. In der Epoche der Inflation schneiden sich zwei Expansionsregionen, die durch eine Entfernung in der Größenordnung des Horizonts getrennt sind, nicht.

Solche Domänen können als getrennte Universen wie unsere eigenen betrachtet werden: Sie sind ähnlich einheitlich und auf großen Skalen isotrop. Das Konglomerat solcher Formationen ist das Multiversum.

Die chaotische Inflationstheorie geht von einer unendlichen Vielfalt von Universen aus, von denen jedes andere physikalische Konstanten als andere Universen haben kann. In einer anderen Theorie unterscheiden sich die Universen in ihrer Quantendimension. Per Definition können diese Annahmen nicht experimentell überprüft werden.

Alternativen zur Inflationstheorie

Das kosmische Inflationsmodell ist recht erfolgreich, aber für die Betrachtung der Kosmologie nicht notwendig. Sie hat Gegner, darunter Roger Penrose. Ihr Argument läuft darauf hinaus, dass die vom Inflationsmodell vorgeschlagenen Lösungen übersehene Details hinterlassen. Diese Theorie bietet beispielsweise keine grundsätzliche Rechtfertigung dafür, dass Dichtestörungen in der Präinflationsphase gerade so gering sein sollten, dass sich nach der Inflation ein beobachtbarer Grad an Homogenität einstellt. Ähnlich verhält es sich mit der räumlichen Krümmung: Sie nimmt während der Inflation stark ab, aber nichts hinderte sie daran, vor der Inflation so wichtig zu sein, dass sie sich immer noch in der gegenwärtigen Phase der Entwicklung des Universums manifestiert. Mit anderen Worten: Das Problem der Anfangswerte wird nicht gelöst, sondern nur gekonnt drapiert.

Als Alternativen werden exotische Theorien wie die Stringtheorie und die Branentheorie sowie die Zyklentheorie vorgeschlagen. Die Hauptidee dieser Theorien ist, dass alle notwendigen Anfangswerte vor dem Urknall gebildet werden.

Die Stringtheorie erfordert das Hinzufügen einiger weiterer Dimensionen zur üblichen vierdimensionalen Raumzeit, die in der Frühphase des Universums eine Rolle gespielt hätten, sich jetzt aber in einem verdichteten Zustand befinden. Auf die unvermeidliche Frage, warum diese Dimensionen kompaktiert werden, wird folgende Antwort vorgeschlagen: Superstrings haben T-Dualität, in Verbindung mit der sich die Saite auf zusätzliche Dimensionen "wickelt", was ihre Größe begrenzt.

In der Branentheorie (M-Theorie) beginnt alles mit einer kalten, statischen fünfdimensionalen Raumzeit. Die vier räumlichen Dimensionen werden durch dreidimensionale Wände oder drei Branes begrenzt; Eine dieser Wände ist der Raum, in dem wir leben, während die zweite Brane der Wahrnehmung verborgen ist. Irgendwo zwischen den beiden Grenzbranen im vierdimensionalen Raum ist eine weitere Drei-Brane "verloren". Wenn diese Brane mit unserer kollidiert, wird laut Theorie eine große Energiemenge freigesetzt und damit die Bedingungen für die Entstehung des Urknalls geschaffen.

Zyklische Theorien postulieren, dass der Urknall in seiner Art nicht einzigartig ist, sondern den Übergang des Universums von einem Zustand in einen anderen impliziert. Zyklische Theorien wurden erstmals in den 1930er Jahren vorgeschlagen. Der Stein des Anstoßes solcher Theorien war der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, nach dem die Entropie nur zunehmen kann. Dies bedeutet, dass frühere Zyklen viel kürzer gewesen wären und die Materie in ihnen viel heißer gewesen wäre als zum Zeitpunkt des letzten Urknalls, was unwahrscheinlich ist. Derzeit gibt es zwei Theorien zyklischen Typs, die es geschafft haben, das Problem der immer größer werdenden Entropie zu lösen: die Steinhardt-Turok-Theorie und die Baum-Frampton-Theorie.

Die Theorie der Evolution von Großstrukturen

Die Entstehung und der Zusammenbruch protogalaktischer Wolken, wie sie sich ein Künstler vorstellt.

Wie die Daten zum kosmischen Hintergrund zeigen, war das Universum zum Zeitpunkt der Trennung der Strahlung von der Materie tatsächlich homogen, die Schwankungen der Materie waren äußerst gering, und dies ist ein erhebliches Problem. Das zweite Problem ist die zelluläre Struktur von Superhaufen von Galaxien und gleichzeitig die sphärische Struktur kleinerer Haufen. Jede Theorie, die versucht, den Ursprung der großräumigen Struktur des Universums zu erklären, muss notwendigerweise diese beiden Probleme lösen (sowie die Morphologie von Galaxien korrekt modellieren).

Die moderne Theorie der Entstehung einer großräumigen Struktur sowie einzelner Galaxien wird als "hierarchische Theorie" bezeichnet. Die Essenz der Theorie läuft auf Folgendes hinaus: Anfangs waren die Galaxien klein (ungefähr so ​​groß wie die Magellansche Wolke), aber im Laufe der Zeit verschmelzen sie und bilden immer größere Galaxien.

In letzter Zeit wurde die Gültigkeit der Theorie in Frage gestellt, und das Downsizing hat nicht zuletzt dazu beigetragen. In theoretischen Studien dominiert diese Theorie jedoch. Das auffälligste Beispiel für eine solche Forschung ist die Millennium-Simulation (Millennium Run).

Allgemeine Bestimmungen

Die klassische Theorie der Entstehung und Entwicklung von Schwankungen im frühen Universum ist die Jeans-Theorie vor dem Hintergrund der Expansion eines homogenen isotropen Universums:

wo uns ist die Schallgeschwindigkeit im Medium, g ist die Gravitationskonstante, und ρ ist die Dichte des ungestörten Mediums, ist die Größe der relativen Schwankung, Φ ist das vom Medium erzeugte Gravitationspotential, v ist die Geschwindigkeit des Mediums, p(x,t) ist die lokale Dichte des Mediums, und die Betrachtung erfolgt im mitbewegten Koordinatensystem.

Das gegebene Gleichungssystem kann auf eines reduziert werden, das die Entwicklung von Inhomogenitäten beschreibt:

,

wobei a der Skalierungsfaktor und k der Wellenvektor ist. Daraus folgt insbesondere, dass instabil Schwankungen sind, deren Größe überschreitet:

In diesem Fall wächst die Störung abhängig von der Entwicklung des Hubble-Parameters und der Energiedichte linear oder schwächer.

Dieses Modell beschreibt angemessen den Kollaps von Störungen in einem nichtrelativistischen Medium, wenn ihre Größe viel kleiner ist als der aktuelle Ereignishorizont (einschließlich für dunkle Materie während des strahlungsdominierten Stadiums). Für die entgegengesetzten Fälle müssen die exakten relativistischen Gleichungen betrachtet werden. Der Energie-Impuls-Tensor einer idealen Flüssigkeit unter Berücksichtigung kleiner Dichtestörungen

ist kovariant erhalten, woraus die für den relativistischen Fall verallgemeinerten hydrodynamischen Gleichungen folgen. Zusammen mit den GR-Gleichungen stellen sie das ursprüngliche Gleichungssystem dar, das die Evolution von Fluktuationen in der Kosmologie vor dem Hintergrund der Friedmanschen Lösung bestimmt.

Epoche vor der Rekombination

Der ausgewählte Moment in der Entwicklung der großräumigen Struktur des Universums kann als Moment der Wasserstoffrekombination betrachtet werden. Bis zu diesem Punkt wirken einige Mechanismen, danach ganz andere.

Die anfänglichen Dichtewellen sind größer als der Ereignishorizont und haben keinen Einfluss auf die Materiedichte im Universum. Aber wenn es sich ausdehnt, wird die Größe des Horizonts mit der Wellenlänge der Störung verglichen, wie sie sagen, „die Welle verlässt den Horizont“ oder „tritt in den Horizont ein“. Danach ist der Prozess seiner Ausdehnung die Ausbreitung einer Schallwelle auf einem sich ausdehnenden Hintergrund.

In dieser Epoche treten unterhalb des Horizonts Wellen mit einer Wellenlänge von nicht mehr als 790 Mpc für die aktuelle Epoche ein. Wellen, die für die Bildung von Galaxien und ihren Haufen wichtig sind, treten ganz am Anfang dieses Stadiums ein.

Derzeit handelt es sich um ein Mehrkomponenten-Plasma, in dem es viele verschiedene Wirkmechanismen gibt, um alle Schallstörungen zu dämpfen. Die vielleicht effektivste unter ihnen in der Kosmologie ist die Seidendämpfung. Nachdem alle Schallstörungen unterdrückt sind, bleiben nur adiabatische Störungen übrig.

Für einige Zeit verläuft die Entwicklung von gewöhnlicher und dunkler Materie synchron, aber aufgrund der Wechselwirkung mit Strahlung fällt die Temperatur gewöhnlicher Materie langsamer. Es gibt eine kinematische und thermische Trennung von dunkler Materie und baryonischer Materie. Es wird angenommen, dass dieser Moment bei 10 5 auftritt.

Das Verhalten der Baryonen-Photonen-Komponente nach der Trennung und bis zum Ende der Strahlungsstufe wird durch die Gleichung beschrieben:

,

wobei k der Impuls der betrachteten Welle ist, η die konforme Zeit ist. Aus seiner Lösung folgt, dass in dieser Epoche die Amplitude von Störungen in der Dichte der Baryonenkomponente nicht zu- oder abnahm, sondern akustische Schwingungen erfuhr:

.

Gleichzeitig erfuhr dunkle Materie solche Schwingungen nicht, da weder der Lichtdruck noch der Druck von Baryonen und Elektronen sie beeinflussen. Darüber hinaus wächst die Amplitude seiner Störungen:

.

Nach Rekombination

Nach der Rekombination ist der Druck von Photonen und Neutrinos auf Materie vernachlässigbar. Folglich sind die Gleichungssysteme, die Störungen dunkler und baryonischer Materie beschreiben, ähnlich:

, .

Schon aus der Ähnlichkeit der Art der Gleichungen kann man annehmen und dann beweisen, dass der Schwankungsunterschied zwischen dunkler und baryonischer Materie gegen eine Konstante tendiert. Mit anderen Worten, gewöhnliche Materie rollt in Potentialtöpfe, die von dunkler Materie gebildet werden. Das Wachstum der Störungen unmittelbar nach der Rekombination wird durch die Lösung bestimmt

,

wobei C i Konstanten in Abhängigkeit von den Anfangswerten sind. Wie aus dem Obigen ersichtlich ist, wachsen die Dichteschwankungen zu großen Zeiten proportional zum Skalierungsfaktor:

.

Alle in diesem und im vorherigen Abschnitt angegebenen Wachstumsraten von Störungen wachsen mit der Wellenzahl k, daher treten bei einem anfänglich flachen Störungsspektrum Störungen der kleinsten räumlichen Skalen früher in das Kollapsstadium ein, dh Objekte mit geringerer Masse werden zuerst gebildet.

Für die Astronomie sind Objekte mit einer Masse von ~10 5 Mʘ interessant. Tatsache ist, dass beim Kollabieren der Dunklen Materie ein Protohalo entsteht. Wasserstoff und Helium, die zu ihrem Zentrum tendieren, beginnen zu strahlen, und bei Massen von weniger als 10 5 M ʘ wirft diese Strahlung das Gas zurück an den Rand der Protostruktur. Bei höheren Massen beginnt der Entstehungsprozess der ersten Sterne.

Eine wichtige Folge des anfänglichen Zusammenbruchs ist, dass massereiche Sterne erscheinen, die im harten Teil des Spektrums emittieren. Die emittierten harten Quanten wiederum treffen auf neutralen Wasserstoff und ionisieren diesen. Daher tritt unmittelbar nach dem ersten Ausbruch der Sternentstehung eine sekundäre Ionisation von Wasserstoff auf.

Dominanzphase der Dunklen Energie

Nehmen wir an, der Druck und die Dichte der Dunklen Energie ändern sich nicht mit der Zeit, das heißt, sie werden durch eine kosmologische Konstante beschrieben. Dann folgt aus den allgemeinen Gleichungen für Schwankungen in der Kosmologie, dass sich die Störungen wie folgt entwickeln:

.

Unter Berücksichtigung, dass das Potential umgekehrt proportional zum Skalierungsfaktor a ist, bedeutet dies, dass es kein Wachstum von Störungen gibt und ihre Größe unverändert bleibt. Das bedeutet, dass die hierarchische Theorie keine größeren Strukturen als die derzeit beobachteten zulässt.

Im Zeitalter der Dominanz dunkler Energien treten zwei letzte wichtige Ereignisse für großräumige Strukturen auf: das Erscheinen von Galaxien wie der Milchstraße – dies geschieht bei z~2, und etwas später – die Bildung von Galaxienhaufen und Superhaufen.

Theoretische Probleme

Die hierarchische Theorie – logisch abgeleitet von modernen, bewährten Ideen über die Entstehung von Sternen und unter Verwendung eines großen Arsenals mathematischer Werkzeuge – ist in letzter Zeit auf eine Reihe von Problemen gestoßen, sowohl theoretischer als auch, was noch wichtiger ist, Beobachtungscharakter:

Das größte theoretische Problem liegt an der Stelle, an der Thermodynamik und Mechanik zusammengeführt werden: Ohne das Einbringen zusätzlicher nichtphysikalischer Kräfte ist es unmöglich, zwei Halos aus Dunkler Materie zur Verschmelzung zu zwingen.
Voids entstehen eher näher an unserer Zeit als an der Rekombination, jedoch geraten kürzlich entdeckte absolut leere Räume mit Abmessungen von 300 Mpc in Dissonanz mit dieser Aussage.
Außerdem werden Riesengalaxien zur falschen Zeit geboren, ihre Anzahl pro Volumeneinheit bei großem z ist viel größer als die Theorie vorhersagt. Außerdem bleibt es gleich, wenn es theoretisch sehr schnell wachsen sollte.
Daten zu den ältesten Kugelsternhaufen wollen sich einen Sternentstehungsschub in der Größenordnung von 100 Mʘ nicht gefallen lassen und bevorzugen Sterne wie unsere Sonne. Und das ist nur ein Teil der Probleme, mit denen die Theorie konfrontiert war.

Wenn Sie Hubbles Gesetz in die Vergangenheit extrapolieren, erhalten Sie einen Punkt, eine gravitative Singularität, die als kosmologische Singularität bezeichnet wird. Dies ist ein großes Problem, da der gesamte analytische Apparat der Physik nutzlos wird. Und obwohl es nach dem 1946 vorgeschlagenen Weg von Gamow möglich ist, zuverlässig zu extrapolieren, bis die modernen Gesetze der Physik wirksam sind, ist es noch nicht möglich, diesen Moment des Beginns der „neuen Physik“ genau zu bestimmen.

Die Frage nach der Form des Universums ist eine wichtige offene Frage der Kosmologie. Mathematisch gesprochen stehen wir vor dem Problem, eine dreidimensionale Topologie des räumlichen Ausschnitts des Universums zu finden, also eine Figur, die den räumlichen Aspekt des Universums am besten repräsentiert. Die allgemeine Relativitätstheorie als lokale Theorie kann diese Frage nicht vollständig beantworten, obwohl sie auch einige Einschränkungen einführt.

Erstens ist nicht bekannt, ob das Universum global räumlich flach ist, das heißt, ob die Gesetze der euklidischen Geometrie im größten Maßstab gelten. Derzeit glauben die meisten Kosmologen, dass das beobachtbare Universum räumlich sehr flach ist, mit lokalen Falten, wo massive Objekte die Raumzeit verzerren. Diese Ansicht wurde durch die neuesten WMAP-Daten bestätigt, die sich mit „akustischen Oszillationen“ in den Temperaturschwankungen des CMB befassen.

Zweitens ist nicht bekannt, ob das Universum einfach oder mehrfach verbunden ist. Nach dem Standardexpansionsmodell hat das Universum keine räumlichen Grenzen, kann aber räumlich endlich sein. Dies kann am Beispiel einer zweidimensionalen Analogie verstanden werden: Die Oberfläche einer Kugel hat keine Grenzen, sondern eine begrenzte Fläche, und die Krümmung der Kugel ist konstant. Wenn das Universum wirklich räumlich begrenzt ist, können Sie in einigen seiner Modelle, die sich geradlinig in jede Richtung bewegen, zum Ausgangspunkt der Reise gelangen (in einigen Fällen ist dies aufgrund der Entwicklung der Raumzeit unmöglich). .

Drittens gibt es Hinweise darauf, dass das Universum ursprünglich rotierend geboren wurde. Das klassische Ursprungskonzept ist die Idee der Isotropie des Urknalls, also der gleichmäßigen Energieverteilung in alle Richtungen. Eine konkurrierende Hypothese tauchte jedoch auf und erhielt einige Bestätigung: Eine Gruppe von Forschern der University of Michigan unter der Leitung des Physikprofessors Michael Longo (Michael Longo) fand heraus, dass gegen den Uhrzeigersinn verlaufende Spiralarme von Galaxien 7 % häufiger vorkommen als Galaxien mit „entgegengesetzter Orientierung“. “, was auf das Vorhandensein des anfänglichen Rotationsmoments des Universums hinweisen kann. Diese Hypothese muss auch durch Beobachtungen in der südlichen Hemisphäre überprüft werden.

MOSKAU, 15. Juni - RIA Nowosti. Das Universum konnte nur als Ergebnis des Urknalls geboren werden, da alle alternativen Szenarien für seine Entstehung zum sofortigen Zusammenbruch des neugeborenen Universums und seiner Zerstörung führen, heißt es in einem Artikel, der in der Zeitschrift Physical Review D veröffentlicht wurde.

"Alle diese Theorien wurden entwickelt, um die anfängliche "glatte" Struktur des Universums im Moment seiner Geburt zu erklären und die primären Bedingungen für seine Entstehung zu "fühlen". Wir haben gezeigt, dass sie tatsächlich das gegenteilige Bild erzeugen - kraftvoll in ihnen entstehen Störungen, die letztlich zum Zusammenbruch des gesamten Systems führen", schreiben Jean-Luc Lehners vom Institut für Gravitationsphysik in Potsdam (Deutschland) und seine Kollegen.

Die meisten Kosmologen glauben, dass das Universum aus einer Singularität entstanden ist, die sich in den ersten Augenblicken nach dem Urknall schnell auszudehnen begann. Eine andere Gruppe von Astrophysikern glaubt, dass der Geburt unseres Universums der Tod seines „Vorläufers“ vorausging, der wahrscheinlich während des sogenannten „Big Rip“ geschah.

Physiker: Der Urknall könnte ein Universum hervorbringen, in dem die Zeit rückwärts fließtDie berühmten theoretischen Physiker Alan Guth und Sean Carroll vermuten, dass der Urknall nicht nur unser Universum hervorbringen könnte, sondern auch seine „Spiegel“-Kopie, in der die Zeit – für Beobachter auf der Erde – nicht vorwärts, sondern rückwärts fließt.

Das Hauptproblem dieser Theorien besteht darin, dass sie mit der Relativitätstheorie nicht vereinbar sind - in dem Moment, als das Universum ein dimensionsloser Punkt war, hätte es eine unendliche Energiedichte und Raumkrümmung haben müssen, und in ihm hätten starke Quantenfluktuationen auftreten müssen, die ist aus der Sicht von Einsteins Idee unmöglich.

Um dieses Problem zu lösen, haben Wissenschaftler in den letzten 30 Jahren mehrere alternative Theorien entwickelt, in denen das Universum unter anderen, weniger extremen Bedingungen entsteht. Zum Beispiel schlugen Stephen Hawking und James Hartle vor 30 Jahren vor, das Universum sei nicht nur ein Punkt im Raum, sondern auch in der Zeit, und vor seiner Geburt existierte die Zeit nach unserem Verständnis des Wortes einfach nicht. Als die Zeit erschien, war der Raum bereits relativ „flach“ und homogen, so dass ein „normales“ Universum mit „klassischen“ Gesetzen der Physik entstehen konnte.

Kosmologen haben einen Weg gefunden, das Universum vor dem Urknall zu sehenAmerikanische und chinesische Astrophysiker schlagen vor, dass wir einige der Eigenschaften des Universums vor dem Urknall kennenlernen können, indem wir die Quantenfluktuationen superschwerer Teilchen untersuchen, die zu Beginn des Universums in der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung des Universums existierten.

Der sowjetisch-amerikanische Physiker Alexander Vilenkin wiederum glaubt, dass unser Universum eine Art "Blase" aus falschem Vakuum innerhalb des ewigen und sich ständig erweiternden riesigen Multiuniversums ist, wo solche Blasen buchstäblich als Folge von Quantenfluktuationen des Vakuums ständig entstehen aus nichts geboren werden.

Beide Theorien vermeiden die Frage nach dem „Anfang der Zeit“ und der Unvereinbarkeit der Bedingungen des Urknalls mit der Einsteinschen Physik, werfen aber gleichzeitig eine neue Frage auf – sind solche Varianten der Expansion des Universums fähig? es in der Form zu erzeugen, in der es jetzt existiert?

Wie die Berechnungen von Leners und seinen Kollegen zeigen, können solche Szenarien für die Geburt des Universums im Prinzip nicht funktionieren. In den meisten Fällen führen sie nicht zur Geburt eines "flachen" und ruhigen Universums, ähnlich dem unseren, sondern zum Auftreten starker Störungen in seiner Struktur, die solche "alternativen" Universen instabil machen. Darüber hinaus ist die Wahrscheinlichkeit der Geburt eines solchen instabilen Universums viel höher als die seiner stabilen Gegenstücke, was Zweifel an den Ideen von Hawking und Vilenkin aufkommen lässt.

Astrophysiker: Die Expansion des Universums hat sich sieben Mal verlangsamt und beschleunigtDer Expansionsprozess unseres Universums verläuft in eigentümlichen Wellen - in manchen Zeiträumen nimmt die Geschwindigkeit dieses "Anschwellens" des Universums zu und in anderen Epochen ab, was bereits mindestens sieben Mal passiert ist.

Dementsprechend ist der Urknall nicht zu vermeiden - Wissenschaftler, so das Fazit von Lehners und seinen Kollegen, müssen einen Weg finden, Quantenmechanik und Relativitätstheorie in Einklang zu bringen und zu verstehen, wie Quantenfluktuationen durch extrem hohe Materiedichte und Raumzeitkrümmung unterdrückt wurden .