Одним из значительных следствий общей теории относительности является вывод о непрерывном движении вещества во Вселенной – нестационарности Вселенной. Этот вывод был получен в 20-х годах нашего столетия советским математиком А.А.Фридманом (1888 – 1925). Он показал, что в зависимости от средней плотности вещество Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. При расширении Вселенной скорость разбегания галактик должна быть пропорциональна расстоянию до них – вывод, подтвержденный Хабблом открытием красного смещения в спектрах галактик.

Критическое значение средней плотности вещества, от которой зависит характер его движения,

,

где G – гравитационная постоянная, а H=75 км/с*Мпк – постоянная Хаббла.

Подставляя нужные значения, получаем, что критическое значение средней плотности вещества г/см3.

Если средняя плотность вещества во Вселенной больше критической, то в будущем расширение Вселенной сменится сжатием, а при средней плотности равной или меньшей критической расширение не прекратится. Конечно, мы не знаем средней плотности вещество во всей Вселенной, но можем подсчитать эту плотность в доступной нашему изучению части Вселенной, т.е. в Метагалактике. Она равна 2,6*10-30 г/см3, что примерно в 4 раза меньше критической плотности. Но делать выводы о бесконечно расширяющейся Вселенной пока преждевременно, т.к. некоторые астрономы высказываются предположение о существовании в галактиках вещества, которое пока не обнаружено. Эта «скрытая масса» может изменить оценку принятой сейчас средней плотности вещества во Вселенной. Поэтому точного ответа на вопрос о будущем Вселенной в настоящее время не имеется.

Современная космология считает, что в далеком прошлом, около 13 млрд. лет назад, все вещество Метагалактики было сосредоточено в небольшом объеме и плотность вещества была настолько высокой, что ни галактик, ни звезд не существовало. Пока не ясны ни физические процессы, протекавшие до этого сверхплотного состояния вещества, ни причины, вызвавшие расширение Вселенной. Ясно одно, что со временем расширение привело к значительному уменьшению плотности вещества, и на определенном этапе расширения стали формироваться галактики и звезды.

Общие представления о физических условиях на ранних стадиях расширения Метагалактики можно получить из анализа химического состава вещества. Одним из самых важных следствий этого анализа стало открытие реликтового изучения.

Реликтовое излучение

Основным достоинством любой теории является ее предсказательная сила. В космологии до середины 60-х гг. существовало две конкурирующие теории: модель "горячей" Вселенной и модель "холодной" Вселенной. Первая из них была разработана выдающимся ученым Г.Гамовым (нельзя сказать "выдающимся физиком", т.к., хотя физика была его основной специальностью, он внес большой вклад и в астрофизику, и в биологию) и его сотрудниками.

В этой модели предполагается, что на ранних стадиях эволюции Вселенной была крайне высока не только плотность вещества, но и его температура. Теория разрабатывалась в первую очередь для объяснения химического состава Вселенной, и эта цель была достигнута. Самым важным предсказанием теории было существование излучения с тепловым спектром. Это излучение дошло до нас от той далекой эпохи, когда Вселенная была очень плотной и горячей, правда, за долгие миллиарды лет это излучение должно было заметно "остыть". Это остывание связано с расширением Вселенной, в ходе которого температура уменьшалась по адиабатическому закону.

Но, как иногда бывает, этот реликт ранней Вселенной был открыт не в результате планомерных исследований, а практически случайно. Это открытие сделали в 1965 г. А.Пензиас и Р.Вилсон, а в 1978 г. за обнаружение реликтового излучения им была вручена Нобелевская премия по физике.

Реликтовое, или микроволновое фоновое, излучение имеет тепловой спектр, соответствующий температуре 2.7 К. Это соответствует температуре 4000 К, при которой произошла рекомбинация, с учетом красного смещения z=1500 (электроны и ионы объединились в атомы, т.е. рекомбинировали спустя 100 000 лет после начала расширения).

Когда говорят, что реликтовое излучение имеет тепловой спектр, то это означает, что спектр выглядит так, как будто на огромном расстоянии находится непрозрачная стенка, нагретая до температуры 2.7 градусов по шкале Кельвина.

Реликтовые фотоны чрезвычайно многочисленны. В одном кубическом сантиметре содержится примерно 500 таких фотонов. Это в миллиард раз больше концентрации барионов, т.е. "обычного" вещества. Окружающие нас предметы состоят из атомов, основная масса которых сосредоточена в ядре. Атомное ядро состоит из двух типов элементарных частиц: протонов и нейтронов. Такие частицы и называют барионами. Поэтому все окружающее нас вещество, а также вещество планет, звезд называют барионным веществом. Но из-за малой энергии фотонов их вклад в плотность Вселенной сейчас невелик (в 1000 раз меньше вклада "обычного", барионного, вещества). Однако, раньше ситуация была иной. В эпоху, когда температура излучения была гораздо выше, именно излучение играло основную роль во Вселенной.

И сейчас реликтовое излучение влияет на некоторые космические процессы. Например, еще в 1941 г. было обнаружено, что нижние энергетические уровни молекулы CN возбуждены так, как будто они находятся в поле излучения с температурой в несколько градусов кельвина. Это обусловлено влиянием микроволнового фонового излучения, и оно могло быть открыто таким образом почти на 25 лет раньше.

Реликтовые фотоны также могут в результате столкновений с частицами космических лучей образовывать новые частицы, "выедая" таким образом частицы с большими энергиями (Е>1020 eV).

Микроволновое фоновое излучение обладает большой изотропией, т.е. после учета поправок за счет движения наблюдателя (вращение Земли вокруг Солнца, вращение Солнца вокруг центра Галактики и движение самой Галактики) его температура, измеренная в различных участках неба, с высокой степенью точности одинакова.

Из теории следует, что небольшая анизотропия все-таки должна существовать. Ведь вещество распределено равномерно только в масштабах порядка миллиарда световых лет. Неоднородности, связанные с образованием скоплений и сверхскоплений галактик, не могли не отразиться на реликтовом излучении. Поэтому и в распределении температуры реликтового излучения на небе должна существовать анизотропия, т.е. dT, разность температур, не равна нулю. И в 1992 г. такая анизотропия была обнаружена! Это удалось сделать с помощью наблюдений на спутниках COBE и Реликт-1.

Небольшие обнаруженные неоднородности (флуктуации), ответственные за образование скоплений галактик с размерами в десятки мегапарсек, пришли к нам из той эпохи, когда Вселенной было всего 10-35 сек. и она находилась на стадии инфляции.