В большинстве космологических моделей Вселенная предполагается изначально однородной, изотропной. Имеющиеся в ней неоднородности появились на поздних стадиях расширения.
В основе современных космологических моделей лежит космологический принцип в соответствии с которым в больших пространственных масштабах не существует выделенных направлений и областей. Иногда данный принцип именуют «принципом Коперника», который первым в новой истории отказался от геоцентрической системы мира. Это означает, что во Вселенной:
- отсутствуют выделенные наблюдатели;
- глобальные характеристики в фиксированный момент времени одинаковы для всех пространственных точек.
Космологический принцип подтвержден наблюдениями астрономов.
Свойств однородности и изотропности достаточно для того, чтобы из разнообразия математических моделей, при помощи которых можно было бы описать Вселенную, можно было бы выбрать узкий класс однородных и изотропных пространств.
В настоящее время считается доказанным, что наша Вселенная расширяется и этот процесс происходит ускоренно.
Расширение Вселенной не следует понимать как изменение всех имеющихся масштабов, размеров и расстояний. Иначе при изменении расстояний между галактиками изменялись бы все эталоны длины, при этом расширение было бы незамеченным.
Расширение Вселенной проявляется в регулярном уменьшении средней плотности вещества в любой локальной области, где материя не связана силами гравитации или другими силами. Расширение не происходит в отдельных галактиках и их системах, если между ними имеются гравитационные связи.
Темная материя
В 1937 году Ф. Цвикки обнаружил, что вириальная масса, которая определяется по скоростям движения галактик, в скоплении галактик Кома более чем в 100 раз больше, чем масса, которую находят по светимости звезд. Был сделан вывод о том, что в скоплениях галактик имеется избыток невидимой массы, которую называли скрытой массой или темной материей.
Другим доказательством существования темной материи стали результаты наблюдений кривых вращения разных спиральных галактик. При удалении от центра галактики скорость ее обращения не уменьшается, и это свидетельствует о том, что на расстоянии от ее центра (светящейся части) присутствует несветящаяся, темная материя.
Численные оценки плотности темной материи во Вселенной в 6,5 раз больше, чем плотность барионной материи.
Состав темной материи в настоящее время нам не известен.
Темная энергия
Темная энергия не собирается в сгустки, она равномерно распределена по Вселенной. В галактиках и скоплениях темной энергии столько же, сколько за их пределами. В некотором смысле темная материя испытывает антигравитацию.
Современные астрономические методы в состоянии определить тот факт, что в настоящее время (и недалеко в прошлом) Вселенная расширяется ускоренно. В этом смысле говорят об антигравитации, поскольку обычная гравитация уменьшала бы скорость разлета галактик.
Данная ситуация не входит в противоречие с общей теорией относительности, но в таком случае темная энергия должна иметь отрицательное давление.
Одним из кандидатов на роль темной энергии считается вакуум. Так как плотность энергии вакуума остается неизменной при расширении Вселенной, что означает отрицательное давление вакуума.
Другим претендентом на роль темной энергии считают сверхслабое поле, которое пронизывает Вселенную. Для этого поля используют термин «квинтэссенция».
Формальным уравнением для темной энергии является выражение для квинтэссенции ($w$):
$w=\frac{p}{\rho} (1),$
где величина $w$ - постоянная.
Уравнение состояния (1) при $w=\frac{1}{3}$ означает излучение.
Для расширения Вселенной с ускорением необходимо, чтобы $w$
Чаще всего модели расширения Вселенной рассматривают при квинтэссенции в интервале:
$-1$
При $w$
Примеры космологических сценариев судьбы Вселенной
- Плоская открытая модель Фридмана не содержит темной энергии. В ней расширение происходит бесконечно, но его скорость уменьшается. В этой модели область доступная для наблюдения растет быстрее, чем масштабный фактор Вселенной. При расширении Вселенной в этой модели температура ее уменьшается (температура реликтового излучения уменьшается). Вселенная становится темнее. Количество видимых галактик увеличивается, около горизонта возникают ранее невидимые объекты.
- Модель Вселенной при наличии темной энергии при квинтэссенции в интервале $-1$
- При заполнении Вселенной энергией с $w$
При заполнении фантомной энергией Вселенной ее масштабный фактор устремляется к бесконечности за конечный интервал времени. Данное событие названо Большим разрывом.
В соответствии с ОТО плотность вещества и его давление (вернее их комбинация вида: ($\rho+3p$)) – это источники поля гравитации. При выполнении условия:
$-\frac{4\pi}{3}(\rho+3p)R^3\gtrsim M (2),$
где $M$ - масса звезды; $R$ - радиус орбиты по которой вращается планета вокруг звезды, планета перестанет быть связана гравитационными силами со звездой.
Выражение (2) указывает на то, что «фоновая матери» превращает системы в менее связанные при выполнении условия:
$\rho+3p$
то есть Вселенная должна заполняться темной энергией при $w$
Приближаясь к моменту Большого разрыва величина $\rho+3p$ становится все больше отрицательной. В этой модели неизбежно придёт момент в который системы, которые связаны гравитационными силами распадутся. Параметр системы влияют только на время разрыва. В данной модели неизбежно распадутся и все системы, которые связывают силы и не гравитационной природы (отсюда название - Большой разрыв).
