Важное  подтверждение «горячей Вселенной» следует из сравнения наблюдаемой  распространенности химических элементов  с тем соотношением между количеством  гелия и водорода (около ¼ гелия и примерно ¾ водорода), которое возникло во время первичного термоядерного синтеза. 

1. Реликтовое  излучение

     И все-таки главным подтверждением теории «горячей Вселенной» считается открытие реликтового излучения. Для космологии это открытие имело фундаментальное  значение. В истории наблюдательной космологии открытие реликтового излучения, пожалуй, сопоставимо по значению с  открытием расширения Метагалактики.

     Что же это за излучение и как оно  было открыто? При «отрыве» излучения  от вещества, когда температура в  расширяющейся Вселенной была порядка 3000-4000 К, в ходе последующего расширения Вселенной температура излучения падала, но его характер (спектр) сохранился до наших дней, напоминая о далекой молодости Метагалактики. Вот поэтому советский астрофизик И.С. Шкловский предложил называть это излучение реликтовым.

     Таким образом, теория «горячей Вселенной» предсказывает  существование реликтового излучения.

     Еще в конце 40-х – начале 50-х гг. в работах Г.А. Гамова, а затем его учеников Р. Альфера и Р. Германа содержались предполагаемые оценки температуры реликтового излучения (от 25 до 5 К). В 1964 г. советские астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич впервые выполнили более конкретные расчеты. Они сравнили интенсивность других источников (звезды, межзвездная пыль, галактики и т.д.) в сантиметровом диапазоне длин волн. Примерно в это же время группа американских ученых во главе с Р. Дикке уже приступила к попыткам обнаружить реликтовое излучение, но их опередили А. Пензиас и Р. Вильсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую Премию за открытие космического микроволнового фона (такового официальное название реликтового излучения) на волне 7,35 см.

     В отличие от группы Р. Дикке, будущие лауреаты Нобелевской премии не искали реликтовое излучение, а в основном занимались отладкой радиоантенны для работ по программе спутниковой связи: во время наблюдений с июля 1964 г. по апрель 1965 г. они, а так же их коллеги,  при различных положениях антенны, регистрировали космическое излучение,. Природа которого им была неясна – этим излучением как раз и оказалось реликтовое излучение. 
 
 

2. Сценарий  далекого прошлого

     Итак, нас будет интересовать эпоха, которая  отделена от нынешней на 13 – 20 млрд. лет (20 млрд. лет вычислено в соответствии с теорией «открытого мира», 13 млрд. лет – в соответствии с теорией  «открытого мира»). Поскольку всё это время наша Вселенная расширялась и плотность ее непрерывно уменьшалась, в прошлом плотность должна была быть очень большой.

     Из  теории Фридамана следует, что в прошлом плотность могла быть бесконечно большой (на самом деле существует некий предел значения плотности (»10⁹⁷  кг/м³). А с начала рассматриваемой нами андронной эры Большого Взрыва Вселенной она не превышает плотности атомного ядра (»10¹⁷  кг/м³).

     Нам необходимо так же определиться и  с другими параметрами, из которых, пожалуй, самым важным, является температура. Вопрос о том, холодной или горячей  была материя в ту отдаленную от нас эпоху, долгое время оставался  спорным. Приводились доводы в пользу обоих состояний. Решающее доказательство того, что Вселенная была горячей, удалось получить лишь в середине 1960-х.

     В настоящее время большинство  космологов считает, что в начале расширения Вселенной материя была не только очень плотной, но и очень  горячей. А теория, рассматривающая  физические процессы, происходившие  на ранних стадиях расширения Вселенной, начиная с первой секунды после  «начала», получила название теории «горячей Вселенной». 

3. «Горячая  Вселенная»

     Согласно  этой теории, ранняя Вселенная напоминала гигантский ускоритель «элементарных» частиц. Слово «элементарных» взято  в кавычки, так как наши представления  о составных частях материи быстро изменяются. Если раньше к числу элементарных частиц уверенно относили нейтроны и протоны, то сейчас эти частицы относят к числу составных, построенных из кварков. 

4. Большой взрыв: самое начало

     Началом работы Вселенского ускорителя был  Большой Взрыв. Этот термин очень  часто применяют сегодня космологи. Наблюдаемый разлет галактик и скопления  галактик – следствие Большого взрыва. Однако, Большой Взрыв, который академик Я.Б. Зельдович назвал астрономическим, качественно отличается от каких-либо химических взрывов.

     У обоих взрывов есть черты сходства: например, в обоих случаях вещество после взрыва охлаждается при  расширении, падает и его плотность. Но есть и существенные отличия. Главное  из них заключается в том, что  химический взрыв обусловлен разностью  давлений во взрывающемся веществе и  давлением в окружающей среде (воздухе). Эта разность давлений создает силу, которая сообщает ускорение частицам заряда взрывчатого вещества.

     В астрономическом взрыве подобной разности давлений не существует. В отличие  от  химического астрономический  взрыв не начался из определенного  центра (и потом стал распространяться на все большие области пространства), а произошел сразу во всем существовавшем тогда пространстве. Представить  себе это очень трудно, тем более, что «все пространство» могло быть в начале взрыва конечным (в случае замкнутого мира) и бесконечным (в случае открытого мира)…

     В результате Большого взрыва 13-20 млрд. лет  назад начал действовать уникальный ускоритель частиц, в ходе работы которого непрерывно и стремительно сменяли  друг друга процессы рождения и гибели (аннигиляции) разнообразных частиц. Как мы увидим в следующих главах, эти процессы во многом определили всю последующую эволюцию Вселенной, нынешний облик нашей Вселенной и создал необходимые предпосылки для возникновения и развития жизни. 

5. Большой взрыв: продолжение

     Вселенная постоянно расширяется; тот момент с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом; тогда началась первая и полная драматизма эра в истории вселенной, ее называют “Большим Взрывом” или английским термином Big Bang.

     Что же такое – расширение Вселенной  на более низком, конкретном уровне ?

     Под расширением Вселенной подразумевается  такой процесс, когда то же самое  количество элементарных частиц и фотонов  занимают постоянно возрастающий объём.

     Средняя плотность Вселенной в результате расширения постепенно понижается. Из этого следует, что в прошлом  плотность Вселенной была больше, чем в настоящее время. Можно  предположить, что в глубокой древности (примерно десять миллиардов лет назад) плотность Вселенной была очень  большой.

     Кроме того высокой должна была быть и  температура, настолько высокой, что  плотность излучения превышала  плотность вещества. Иначе говоря энергия всех фотонов содержащихся в 1 куб. см была больше суммы общей энергии частиц, содержащихся в 1 куб. см. На самом раннем этапе, в первые мгновения “Большого Взрыва” вся материя была сильно раскаленной и густой смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных гамма-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но  возникающие гамма-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы.

     Подробный анализ показывает, что температура  вещества Т понижалась во времени  в соответствии с простым соотношением : 

     Зависимость температуры Т от времени t дает нам возможность определить, что например, в момент, когда возраст Вселенной исчислялся всего одной десятитысячной секунды,  её температура представляла один биллион Кельвинов.  

     МОДЕЛИ  ВСЕЛЕННОЙ 

     Во  Вселенной нет ничего единственного  и неповторимого в том смысле, что в ней нет такого тела, такого явления, основные и общие свойства которого не были бы повторены в  другом теле, другими явлениями.

     Внешний вид галактик чрезвычайно разнообразен, и некоторые из них очень живописны. Эдвин Пауэлл Хаббл (1889-1953) , выдающийся американский астроном – наблюдатель, избрал самый простой метод классификации галактик по внешнему виду, и нужно сказать, что хотя в последствии другими выдающимися исследователями были внесены разумные предположения по классификации, первоначальная система, выведенная Хабблом, по прежнему остаётся основой классификации галактик.

     Хаббл предложил разделить все галактики на 3 вида:

     1. Эллиптические – обозначаемые  Е (elliptical) ;

     2. Спиральные (Spiral) ;

     3. Неправильные – обозначаемые I (irregular) .

     Теоретическое моделирование имеет важное значение так же и для выяснения прошлого и будущего наблюдаемой Вселенной. В 1922 г. А. А. Фридман занялся разработкой оригинальной теоретической модели Вселенной. Он предположил, что средняя плотность не является постоянно, а меняется с течением времени. Фридман пришел к выводу, что любая достаточно большая часть Вселенной, равномерно заполняемая материя не может находиться в состоянии равновесия: она должна либо расширяться, либо сжиматься. Еще в 1917 г. В. М. Слайдер обнаружил “красное смещение” спектральных линий в спектрах далёких галактик. Подобное смещение наблюдается тогда, когда источник света удаляется от наблюдателя. В 1929 г. Э. Хаббл объяснил это явление взаимным разбеганием этих звездных систем. Явление “красного смещения” наблюдается в спектрах почти всех галактик, кроме ближайших (нескольких) . И чем дальше от нас галактика, тем больше сдвиг линий в её спектре, т.е. все звездные системы удаляются от нас с огромными скоростями в сотни, тысячи десятки тысяч километров в секунду, более далекие галактики обладают и большими скоростями. А после того, как эффект “красного смещения” был обнаружен и в радиодиапазоне, то не осталось, никаких сомнений в том, что наблюдаемая Вселенная расширяется. В настоящее время известны галактики, удаляющиеся от нас со скоростью 0,46 скорости света. А сверхзвезды и квадры – 0,85 скорости света. На галактики постоянно действует какая-то сила. В отдаленном прошлом материя в нашей области Вселенной находилась в сверхплотном состоянии. Затем произошел “взрыв”, в результате которого и началось расширение. Чтобы выяснить дальнейшую судьбу метагалактики, необходимо оценить среднюю плотность межзвездного газа. Если она выше 10 протонов на 1м³, то общее гравитационное поле метагалактики достаточно велико, чтобы постепенно остановить расширение. И оно смещается сжатием.

     Возникли  два мнения по поводу состояния Метагалактики  до начала расширения. Согласно одному из них первоначальное вещество метагалактики  состояло из “холодной” смеси протонов, т.е. ядер атомов водорода, электронов и нейтронов. Согласно второй, температура  была очень велика, а плотность  излучения даже превосходила плотность  вещества. Но после открытия в 1965 г. реликтового излучения А. Тицнасом и Р. Вилсоном предпочтение было отдано второй теории. После была представлена попытка представить ход событий на первых стадиях расширения Метагалактики: через 1с после начала расширения сверхплотной исходной плазмы плотность вещества снизилась до 500 кг/ см³, а t=10¹³ С^о. В течение следующих 100с плотность снизилась до 50 г/см² температура упала. Объединились протоны и нейтроны => ядра гелия. При t=4000^о, это продолжалось несколько сотен тысяч лет. Затем, после того, как образовались атомы водорода, началось постепенное формирование горячих водородных облаков, из которых образовались галактики и звезды. Однако в процессе расширения могли сохраниться сгустки сверхплотного до звездного вещества, а в процессе их распада образовались звезды и галактики. Не исключено, что действовали оба механизма. Понятие Метагалактика не является вполне ясным. Оно сформировалось на основании аналогии со звездами. Наблюдения показывают, что галактики, подобно звездам, группирующиеся в рассеянные и шаровые скопления, также объединяются в группы и скопления различной численности. Вся охваченная современными методами астрономических наблюдений часть Вселенной называется Метагалактикой (или нашей Вселенной). В Метагалактике пространство между галактиками заполнено чрезвычайно разряженным межгалактическим газом, пронизывается космическими лучами, в нем существуют магнитные и гравитационные поля, и возможно невидимые массы веществ.

     В 1929 г. Хаббл открыл замечательную  закономерность которая была названная  “законом Хаббла” или “закон красного смещения” : линии галактик смещенных к красному концу, причем смещение тем больше, чем дальше находится галактика.

     Объяснив  красные смещения эффектом Доплера. Ученые пришли к выводу о том, что  расстояние между нашей и другими галактиками непрерывно увеличивается. Хотя безусловно галактики не разлетаются во все стороны от нашей галактики, которая не занимает никакого особого положения в метагалактике, а происходит взаимное удаление всех галактик. Следовательно, Метагалактика не стационарна.

     Промежуток  расширения равен 20-13 млрд. лет. Расширение метагалактики является самым грандиозным из известных в настоящие время явлений природы. Это открытие произвело коренное изменение во взглядах философов и ученых. Ведь некоторые философы ставили знак равенства между метагалактикой и вселенной, и пытались доказать, что расширение метагалактики подтверждает религиозное представление о божественности происхождения вселенной. Но Вселенной известны естественные процессы, по всей вероятности это взрывы. Есть предположение, что расширение метагалактики также началось с явления напоминающего. Колоссальный взрыв вещества, обладающего огромной температурой и плотностью.