Строение и эволюция Вселенной (обзор)

Определение. Солнечная система

Солнечная система — система небесных тел, объединённых гравитацией Солнца. Включает:

• Звезда — Солнце (желтый карлик спектрального класса G2V).
• 8 планет (в порядке от Солнца): Меркурий, Венера, Земля, Марс (планеты земной группы); Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун (газовые гиганты).
• Карликовые планеты — Плутон, Церера, Эрида, Макемаке, Хаумеа.
• Малые тела — астероиды (пояс между Марсом и Юпитером, пояс Койпера), кометы, метеороиды.

Планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам (I закон Кеплера). Плоскость орбит близка к плоскости эклиптики.

Определение. Звёзды и галактики

Звезда — массивный газовый шар (плазма), в котором идут термоядерные реакции синтеза. Ближайшая к Земле звезда — Солнце. Следующая ближайшая — Проксима Центавра (4,24 св. года).

Галактика — гравитационно-связанная система из звёзд, межзвёздного газа и пыли, тёмной материи. Наша Галактика — Млечный Путь — спиральная галактика диаметром около 100 000 св. лет, содержащая 100–400 миллиардов звёзд.

Местная группа — скопление из ~50 галактик, куда входят Млечный Путь, Андромеда, Треугольник и другие.

Определение. Расширение Вселенной

Расширение Вселенной — явление, открытое Эдвином Хабблом в 1929 году. Галактики удаляются друг от друга, и чем дальше галактика — тем быстрее она удаляется.

Закон Хаббла:

$v = H_0 \cdot r$

где $v$ — скорость удаления галактики, $r$ — расстояние до неё, $H_0 \approx 70$ км/(с·Мпк) — постоянная Хаббла.

Определение. Большой взрыв и эволюция Вселенной

Большой взрыв — общепринятая космологическая модель, согласно которой Вселенная возникла из сингулярного состояния около 13,8 млрд лет назад и с тех пор расширяется.

Ключевые этапы эволюции:

• Планковская эпоха ($t < 10^{-43}$ с) — квантовые эффекты гравитации.
• Инфляция ($t \sim 10^{-35}$ с) — экспоненциальное расширение.
• Первичный нуклеосинтез ($t \sim 3$ мин) — образование гелия, дейтерия, лития.
• Рекомбинация ($t \sim 380 000$ лет) — образование нейтральных атомов, реликтовое излучение.
• Образование звёзд и галактик ($t \sim 0{,}5$–$1$ млрд лет).
• Современная эпоха ($t = 13{,}8$ млрд лет).

Определение. Тёмная материя и тёмная энергия

Тёмная материя — гипотетическая форма материи, не взаимодействующая с электромагнитным излучением (невидима), но проявляющая себя через гравитацию. Составляет около 27% массы-энергии Вселенной.

Тёмная энергия — загадочная форма энергии, вызывающая ускоренное расширение Вселенной. Составляет около 68% энергии Вселенной. Природа тёмной энергии пока неизвестна.

Обычное (барионное) вещество — лишь около 5% Вселенной.

Обозначения

Символ	Название	Значение
$v$	Скорость удаления галактики	км/с
$H_0$	Постоянная Хаббла	≈ 70 км/(с·Мпк)
$r$	Расстояние до галактики	Мпк
1 а.е.	Астрономическая единица	≈ 150 млн км
1 св. год	Световой год	≈ 9,46 трлн км
1 пк	Парсек	≈ 3,26 св. года

Пример 1. Расстояние по закону Хаббла

Галактика удаляется со скоростью 1400 км/с. На каком расстоянии она находится?

Дано: $v = 1400$ км/с, $H_0 = 70$ км/(с·Мпк)

Формула: $r = \dfrac{v}{H_0}$

Подстановка: $r = \dfrac{1400}{70} = 20$ Мпк

Ответ: Галактика находится на расстоянии 20 Мпк (около 65 млн св. лет).

Пример 2. Световой год

Сколько времени идёт свет от Солнца до Земли? Расстояние — 1 а.е. ≈ 1,5·10⁸ км, скорость света c = 3·10⁵ км/с.

Дано: $S = 1{,}5 \times 10^8$ км, $c = 3 \times 10^5$ км/с

Формула: $t = \dfrac{S}{c}$

Подстановка: $t = \dfrac{1{,}5 \times 10^8}{3 \times 10^5} = 500$ с

Ответ: Свет идёт от Солнца до Земли примерно 500 с = 8 минут 20 секунд.

Важно!

📌 Расширение Вселенной — не разлёт галактик в пространстве, а расширение самого пространства. Галактики не «пролетают» сквозь Вселенную — они «плывут» вместе с расширяющимся пространством, как изюминки в поднимающемся тесте.

⚠️ Большой взрыв — не взрыв в обычном смысле. Это не разлёт вещества из одной точки, а расширение самого пространства-времени. Не было «до» Большого взрыва — время началось вместе с ним.

⚠️ Тёмная материя — не тёмная в смысле цвета. Она называется «тёмной», потому что не излучает и не поглощает свет — её нельзя увидеть в телескоп. Мы знаем о ней только по её гравитационному действию на звёзды и галактики.