Четыре столпа Стандартной космологии

`Эволюцию мира можно сравнить со зрелищем фейерверка, который мы застали в момент, когда он уже кончается: несколько красных угольков, пепел и дым. Стоя на остывшем пепле, мы видим медленно угасающие солнца и пытаемся воскресить исчезнувшее великолепие начала миров'. Ж. Леметр.

Четыре ключевых достижения наблюдений Стандартной модели Большого взрыва таковы:

Модель Большого взрыва делает точные и научно проверямые предположения в каждой из этих областей, и замечательное согласие их с данными наблюдений придает нам значительную уверенность в модели.

Расширение Вселенной

Вселенная началась около четырнадцать миллиардов лет назад в яростном взрыве; в ранней сверхплотной фазе каждая частица бросилась прочь от каждой другой частицы. Тот факт, что галактики удаляются от нас во всех направлениях, является следствием этого начального взрыва, и он вляется первым обнаруженным Хабблом наблюдательным открытием. Сегодня существуют прекрасные доказатеьства закона Хаббла, который утверждает, что скорость удаления v галактики пропорциональна расстоянию от нас до неё d , то есть, v=Hd, где H есть постоянная Хаббла. мысленное продолжение траекторий галактик назад во времени показывает, что они сходятся в состояние с высокой плотностью - первоначальное ядро.

Коперниковский или космологический принцип утверждает, что Вселенная одинакова во всех направлениях и в любой точке пространства. Это приводит к заключеию, что наше положение во Вселенной - по отношению к очень большим масштабам - ни в коей мере не является особенным. Для такого утверждения существуют значительные наблюдательные основания, включая измеренные распределения галактик и слабых радиоисточников, хотя наилучшим доказательством является практически совершенная однородность реликтового Космического микроволнового фонового излучения. Это означает, что любой наблюдатель, находящийся где-угодно во Вселенной будет наслаждаться во многом такими же видами, что и мы, включая наблюдение, что галактики удаляются от него.

Факт, что Вселенная расширяется - относительно любой точки в пространстве - является трудной для осознания концепцией. Для понимания этого может оказаться полезной аналогия расширяющегося воздушного шара: Вообразим, что мы живем на искривленной поверхности воздушного шара. По мере надувания шара, расстояние между всеми соседними точками растет; двумерная Вселенная увеличивается, не имея выделенного центра.

Возникновение Космического микроволнового фонового излучения

Примерно через 300,000 лет после Большого взрыва, температура Вселенной значительно снизилсь настолько, что электроны и протоны объединились с образованием атомов водорода, p + e --> H. Начиная с этого момента и далее, излучение стало неспособно взаимодействовать с окружающим газом; с тех пор оно распространяется свободно, при этом постоянно теряя энергию вследствие растяжения его длин волн с расширением Вселенной. Первоначально, температура излучения составляла около 3000 градусов Кельвина, в то время как сегодня она упала примерно до 3K.

Принимая это излучение сегодня наблюдатели способны видеть Вселенную на очень ранней стадии, которая известна как `поверхность последнего рассеяния'. Фотоны космического микроволнового фона путешествовали к нам в течение почти четырнадцати миллиардов лет, и преодолели расстояние около миллиона милиардов миллиардов миль.

Нуклеосинтез легких элементов

Примерно до одной секунды после Большого взрыва, материя - в форме свободных нейтронов и протонов - была очень горячей и плотной. По мере расширения Вселенной, температура падала и некоторые из этих нуклидов сливались в ядра легких элементов: дейтерий (D), гелий-3, и гелий-4. Теоретические вычисления для таких ядерных процессов предсказывают, например, что примерно на четверть Вселенная должна состоять из гелия-4, этот результат находится в хорошем согласии с текущими наблюдениями звезд.

Более тяжелые элементы, из которых частично состоим мы, были созданы позднее в недрах звезд и широко расеялись во взрывах сверхновых.

Образование галактик и крупномасштабных структур

Стандартная модель Большого взрыва также задает рамки, в которых описывается уплотнение материи с образованием галактик и других крупномасштабных структур, наблюдаемых в сегодняшней Вселенной. Примерно через 10,000 лет после Большого взрыва, температура снизилась настолько, что массивные частицы начали доминировать над плотностью энергии Вселенной, в то время как ранее доминировал свет и другое излучение. Это изменение формы основной плотности материи означало, что начали влиять гравитационные силы между массивными частицами, таким образом, что любое малое возмущение в их плотности росло. На четырнадцать миллиардов лет позднее мы видим результаты этих сгущений.

Стандартная космология, следовательно, обеспечивает нам рамки понимания образования галактик, однако она не говорит нам о происхождении первоначальных флуктуаций, требовавшихся через 10,000 лет. Нам придется искать ответы на такие вопросы в более ранних эпохах истории Вселенной.