Космологический принцип

Космологический принцип — основное положение современной космологии, согласно которому каждый наблюдатель в один и тот же момент времени, независимо от места и направления наблюдения обнаруживает во Вселенной одну и ту же картину. Независимость от места наблюдений, то есть равноправие всех точек пространства, носит название однородности, независимость от направления, то есть отсутствие выделенного направления в пространстве — изотропии Вселенной. Отсутствие изотропии называется анизотропией. Очевидно, отсутствие однородности влекло бы за собой анизотропию, тогда как отсутствие изотропии не обязательно приводит к неоднородности.

Космологический принцип принцип выполняется лишь приближенно. Действительно, скопления галактик, галактики, звезды, планеты являются отклонениями от однородности Вселенной, поскольку их существование означает, что физические условия в разных точках различны. Однако отклонения от однородности и изотропии не очень важны, если мы перейдем к очень большим масштабам, превышающим примерно несколько сотен миллионов световых лет.

В прошлом многие ученые предполагали, что Вселенная устроена иерерхически: каждая материальная система входит в состав системы более высокого уровня. Если бы это было так, это означало бы нарушение космологического принципа, поскольку какой бы объем пространства мы бы не рассматривали, всегда существовало бы выделенное направление — направление к центру ближайшей системы более высокого уровня. Однако эта точка зрения, по всей видимости, опровергается наблюдательными данными. Самым главным из них является изотропия реликтового излучения. Кроме того, фоновое излучение в рентгеновском диапазоне, испускаемое удаленными объектами типа квазаров, горячего межгалактического газа , также показывает высокую степень изотропии. Наконец, хотя близкие галактики концентрируются к плоскости Местного сверхскопления (а еще более близкие — к скоплению галактик в созвездии Девы), распределение делеких галактик показывает очень высокую степень изотропии. Наконец, непосредственные подсчеты галактик указывают на то, что чем больше характерный размер системы галактик (группы, скопления, сверхскопления), тем слабее эта система выделена из окружающего фона. Например, системы с размером более 100 Мпк имеют плотность, лишь на несколько процентов превышающую среднюю плотность Вселенной. Это как раз и говорит о том, что с увеличением масштаба Вселенная стремится к однородности и изотропии, в полном соответствии с космологическим принципом. Обычно считается, что переход от структурированности к однородности и изотропии совершается на масштабах порядка полумиллиарда световых лет. Если мы возьмем куб с ребром такого размера, то число звезд и галактик внутри него окажется примерно одинаковым, в какую бы часть Вселенной мы этот куб не поместили. В видимой части Вселенной может поместиться несколько тысяч таких кубов. Это значит, что в больших масштабах Вселенная однородна и изотропна, в согласии с космологическим принципом.

Уже непосредственно из космологического принципа следуют некоторые важные выводы относительно строения Вселенной. Например, Вселенная как целое не должна вращаться (поскольку ось вращения была бы выделенным направлением), у нее не должно быть центра и пространственной границы (иначе нарушалось бы условие однородности Вселенной).

Hubble_invar.gif

Законом движения галактик, совместимым с космологическим принципом, является закон Хаббла: лучевая скорость v любой галактики пропорциональна расстоянию r от нее:

v=Hr,

где H — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Хаббла. На первый взгляд кажется, что закон Хаббла противоречит космологическому принципу, ведь из него как будто следует, что именно наше местоположение является тем центром, от которого разбегаются все остальные галактики. На самом деле, такое мнение ложно. Если бы мы располагались в любой другой звездной системе, мы зафиксировали бы точно такой же закон разбегания галактик.

isotrop.gif

Более того, закон Хаббла является единственным законом разбегания галактик, не противоречащим космологическому принципу. В этом можно убедиться следующим образом. Рассмотрим какую-нибудь геометрическую фигуру, образованную несколькими галактиками. С течением времени эта фигура должна увеличиваться так, чтобы всегда оставаться подобной самой себе (в противном случае расстояния в одном направлении росли бы быстрее, чем в другом, а это противоречит изотропии Вселенной). Поэтому за одно и то же время расстояние до каждой галактики должно возрастать в одно и то же число раз. Пусть галактика А расположена в N раз дальше от произвольно выбранного центра (например, нашей Галактики), чем другая галактика В. Поэтому она и двигаться должна в N раз быстрее, чем галактика B. Другими словами, скорость галактики должна быть пропорциональна расстоянию до нее, о чем и говорит закон Хаббла.

Американский астроном Аллан Сэндидж (Allan Sandage) отметил противоречие: закон Хаббла действует даже внутри «ячейки неоднородности», на расстояниях около 2 Мпк, в то время как переход к однородности Вселенной происходит на расстояниях по меньшей мере в 100 раз больших. Этот парадокс разрешается с привлечением «тёмной энергии», которая обусловливает динамику уже на расстояниях 1,5-2 Мпк и распределено с гораздо болшей степенью однородности, чем материя.

Дополнительно

Галактика

Астрономия | Астрофизика | Космология

Внешние ссылки

Gourt Home::Gourt :: Космологический принцип

Дополнительно

Внешние ссылки