Կոսմոլոգիական սկզբունք

Կոսմոլոգիական սկզբունք, տիեզերագիտական սկզբունք, ժամանակակից տիեզերագիտության հիմնական սկզբունքը, ըստ որի՝ ժամանակի միևնույն պահին յուրաքանչյուր դիտորդ անկախ վայրից ու դիտման ուղղությունից տիեզերքում տեսնում է միևնույն միջին պատկերը։ Դիտման վայրից անկախությունը, այսինքն՝ տարածության բոլոր կետերի իրավահավասարությունը կոչվում է համասեռություն, դիտման ուղղությունից անկախությունը, այսինքն՝ տարածության մեջ առանձնացնելի ուղղության բացակայությունը՝ իզոտրոպություն (իսկ բացակայությունը՝ անիզոտրոպություն)։ Համասեռության բացակայությունը կբերեր անիզոտրոպության, մինչդեռ իզոտրոպության բացակայությունը ոչ միշտ է բերում անհամասեռության^[1]։ Միևնույն ժամանակ իզոտրոպության առկայությունը տարածության բոլոր կետերում բերում է ավտոմատ համասեռության^[2]։

Տիեզերագիտական սկզբունք տերմինն առաջին անգամ օգտագործել է բրիտանացի տիեզերագետ Էդուարդ Միլնը 1935 թվականին։ Սկզբնապես տիեզերքի համասեռության և իզոտրոպության մասին դրույթը դրվել է Ալբերտ Այնշտայնի, Վիլլեմ դե Սիտերի, Ալեքսանդր Ֆրիդմանի աշխատությունների հիմքում, իսկ արմատները հասնում են Ջորդանո Բրունոյի, Ռենե Դեկարտի բնափիլիսոփայական համակարգերին և Իսահակ Նյուտոնի տիեզերագիտական հայացքներին։

Տիեզերագիտական սկզբունքը մոտավորությամբ է գործում՝ գալակտիկաների կուտակումները զգալիորեն գերազանցող մասշտաբներում։ Իրոք, գալակտիկական թելերը և պատերը, դատարկությունները, կուտակումները ու գերկուտակումները, գալակտիկաներրը, աստղերը, մոլորակները շեղումներ են տիեզերքի համասեռությունից, քանի որ դրանց գոյությունը նշանակում է, որ ֆիզիկական պայմանները տարբեր կետերում տարբեր են։ Սակայն համասեռությունից և իզոտրոպությունից շեղումներն այդքան կարևոր չեն, եթե անցնում ենք շատ մեծ մասշտաբների՝ մոտավորապես մի քանի հարյուր միլիոն լուսային տարիների։ Ամենամեծ մասշտաբներում տիեզերքի իզոտրոպության ամենալավ ապացույց է դիտվող մնացորդային ճառագայթման անիզոտրոպության շատ փոքր մեծությունը՝ մոտ $10^{-5}$ ։

Նկարագրություն խմբագրել

Նախկինում գիտնականները ենթադրում էին, որ տիեզերքը հիերարխիկ կառուցվածք ունի. յուրաքանչյուր նյութական համակարգ ավելի բարձր կարգի համակարգի կազմության մեջ է մտնում։ Եթե այդպես լիներ, կնշանակեր, որ կոսմոլոգիական սկզբունքը խախտվում է, քանի որ տարածության ինչ ծավալ էլ որ դիտարկեինք, միշտ գոյություն կունենար զանազանվող ուղղություն՝ ուղղություն դեպի ավելի բարձր մակարդակի համակարգի կենտրոնը։

Սակայն այս տեսակետը ամենայն հավանականությամբ հերքվում է դիտարկվող տվյալներով։ Դրանցից ամենագլխավորը մնացորդային ճառագայթման իզոտրոպությունն է։ Բացի այդ, քվազարների, տաք միջգալակտիկական նյութի և այլ տիպի հեռավոր օբյեկտներից արձակվող ֆոնային ճառագայթումը նույնպես իզոտրոպության մեծ աստիճան է ցույց տալիս։ Վերջապես, չնայած մոտիկ գալակտիկաները կենտրոնացված են տեղային գերկուտակման մեջ (իսկ էլ ավելի մոտիկները՝ Կույսի համաստեղության մեջ, հեռավոր գալակտիկաների բաշխումը իզոտրոպության շատ մեծ աստիճան է ցույց տալիս։

Գալակտիկաների անմիջական հաշվարկները ցույց են տալիս, որ որքան մեծ է գալակտիկաների համակարգի (խմբի, կուտակման, գերկուտակման) բնութագրական չափը, այնքան թույլ է այդ համակարգը առանձնացվում շրջակա ֆոնին։ Օրինակ, 100 Մպկ-ից մեծ չափերով համակարգի խտությունը միայն մի քանի տոկոսով է գերազանցում տիեզերքի միջին խտությունը։ Դա հենց խոսում է այն մասին, որ մասշտաբի մեծանալու հետ տիեզերքը ձգտում է համասեռության և իզոտրոպության, ինչը լրիվ համաձայնության մեջ է կոսմոլոգիական սկզբունքի հետ։

Սովորաբար համարվում է, որ անցումը կառուցքավորվածությունից համասեռության և իզոտրոպության տեղի է ունենում կես միլիարդ լուսատարի մաստշաբով։ Եթե վերցնենք այդ չափի կողով խորանարդ, ապա աստղերի ու գալակտիկաների թիվը նրա ներսում մոտավորապես նույնը կլինի՝ տիեզերքի որ մասում էլ որ այդ խորանարդը տեղադրենք։ Տիեզերքի տեսանելի մասում կարող է մի քանի հազար այդպիսի խորանարդ տեղավորվել։ Դա նշանակում է, որ մեծ մասշտաբներում տիեզերքը համասեռ է և իզոտրոպ, համաձայնության մեջ կոսմոլոգիական սկզբունքի հետ։ Սակայն ճշգրիտ մասշտաբը, որից տեղի է ունենում անցումը փոքրմասշտաբային անհամասեռությունից մեծամասշտաբ համասեռության, դեռ վերջնականապես պարզված չէ։

Արդեն իսկ կոսմոլոգիական սկզբունքից անմիջականորեն բխում են տիեզերքի կառուցվածքի վերաբերյալ մի քանի կարևոր եզրակացություններ։ Օրինակ՝ տիեզերքը որպես ամբողջություն չպետք է պտտվի (քանի որ պտտման առանցքը կլիներ առանձնացնելի ուղղություն), չպետք է ունենա կենտրոն և տարածական սահմաններ (այլապես կխախտվեր տիեզերքի համասեռության պայմանը)։

Հաբլի օրենք խմբագրել

Գալակտիկաների շարժման օրենքը, որը համատեղելի է կոսմոոգիական սկզբունքի հետ, Հաբլի օրենքն է. Ցանկացած գալակտիկայի v ճառագայթային արագությունը ուղիղ համեմատական է նրանից r հեռավորությանը.

$v=Hr$ ,

որտեղ H-ը համեմատականության գործակիցն է, կոչվում է Հաբլի հաստատուն։ Առաջին հայացքից թվում է, որ Հաբլի օրենքը հակասում է կոսմոլոգիական սկզբունքին, քանի որ կարծես թե նրանից հետևում է, որ հենց մեր դիրքն է այն կենտրոնը, որից հեռանում են բոլոր մյուս գալակտիկաները։ Սակայն նման կարծիքը սխալ է։ Եթե գտնվեինք ցանկացած ուրիշ աստղային համակարգում, կֆիքսեինք գալակտիկաների հեռանալու ճիշտ նույն արագությունը։ Ավելին, Հաբլի օրենքը գալակտիկաների հեռանալու միակ օրենքն է, որը չի հակասում կոսմոլոգիական սկզբունքին։ Դրանում կարելի է համոզվել հետևյալ կերպ։ Դիտարկենք մի քանի գալակտիկաներից կազմված ինչ-որ երկրաչափական պատկեր։ Ժամանակի ընթացքում այդ պատկերը պիտի այնպես մեծանա, որ միշտ մնա ինքն իրեն նման (հակառակ դեպքում հեռավորությունները մի որևէ ուղղությամբ ավելի արագ կաճեին, քան մյուս, ինչը կհակասեր տիեզերքի իզոտրոպությանը)։ Այդ պատճառով միևնույն ժամանակի համար հեռավորությունը մինչև յուրաքանչյուր գալակտիկան պետք է աճի միևնույն բազմապատիկով։ Դիցուք А գալակտիկան N անգամ հեռու է գտնվում կամայապես ընտրված կենտրոնից (օրինակ՝ մեր գալակտիկայից), քան В գալակտիկան։ Այդ պատճառով այն պետք է N անգամ արագ շարժվի B գալակտիկայից։ այլ կերպ ասած, գալակտիկայի արագությունը պետք է ուղիղ համեմատական լինի մինչև այն հեռավորությանը, ինչի մասին ասում է Հաբլի օրենքը։

Ամերիկացի աստղագետ Ալան Սենդիջը հակասություն նկատեց. Հաբլի օրենքը գործում է նույնիսկ «անհամասեռության բջջի» ներսում՝ շուրջ 2 Մպկ հեռավորության վրա, մինչդեռ անցումը տիեզերքի համասեռության տեղի է ունենում ամենաքիչը 100 անգամ մեծ հեռավորություններում։Այս պարադոքսը լուծվում է՝ ներառելով «մութ էներգիան», որով պայմանավորված է դինամիկան արդեն 1,5-2 Մպկ հեռավորությունների վրա և որը բաշխված է շատ ավելի մեծ համասեռության աստիճանով, քան մատերիան^[3]^[4]։ Սակայն այս տեսակետը կիսում են ոչ բոլոր մասնագետները^[5]։

Դիպոլային անիզոտրոպություն խմբագրել

Դեռևս 1970-ական թվականներին բացահայտվեց մնացորդային ճառագայթման դիպոլային անիզոտրոպությունը՝ Առյուծի համաստեղության ուղղությամբ ճառագայթման ջերմաստիճանը 0,1 % -ով բարձր է միջինից, իսկ հակառակ ուղղությամբ՝ նույնքանով ցածր է^[6]։ Սակայն դիպոլային անիզոտրոպությունը չի խախտում կոսմոլոգիական սկզբունքը, քանի որ բնութագրում է ոչ թե հենց միկրոալիքային ֆոնը, այլ՝ մեր շարժումը նրա նկատմամբ։ Դոպլերի էֆեկտի համաձայն՝ ճառագայթման աղբյուրի մոտենալիս ալիքի երկարությունը փոքրանում է (դիտվում է կապույտ շեղում), իսկ հեռանալիս մեծանում է (կարմիր շեղում)։ Բայց ալիքի երկարությունը կապված է ճառագայթման ջերմաստիճանի հետ Վինի օրենքով։ Այդ պատճառով մնացորդային ճառագայթման դիպոլային անիզոտրոպությունը խոսում է այն մասին, որ Արեգակը Երկրի և մոլորակների հետ այդ ճառագայթման նկատմամբ շարժվում է դեպի Առյուծի համաստեղության կողմը։ Այդ շարժման արագությունը մոտավորապես 370 կմ/վ է։ Քանի որ մնացորդային ճառագայթումը ճառագայթում է ամբողջ տիեզերքում, ապա կարելի է ասել, որ այս 370 կմ/վ-ն Արեգակի արագությունն է տիեզերքի՝ որպես ամբողջություն նկատմամբ։Իմանալով Գալակտիկայի կենտրոնի շուրջը Արեգակի պտտման արագության մեծությունն ու ուղղությունը (220 կմ/վ, ուղղությունը՝ դեպի Կարապի համաստեղություն), կարելի է հաշվել Գալակտիկայի՝ որպես ամբողջություն շարժման արագությունը մնացորդային ճառագայթման նկատմամբ, ինչը հավասար կլինի 620 կմ/վ։ Մեր այս պեկուլյար արագությունը հաշվի են առնում Հաբլի օրենքի ճշտությունը ստուգելիս։

Խնդիրներ խմբագրել

Չնայած կոսմոլոգիական սկզբունքից բխող տեսության հաջողությանը, կան դիտողական փաստեր, որոնք ակնհայտ հակասության մեջ են կոսմոլոգիական սկզբունքի հետ.

2006 թվականին հայտնաբերված այսպես կոչված «չարի առանցքը»՝ մնացորդային ճառագայթման թույլ, չբացատրված անիզոտրոպություն^[7]։

Գալակտիկաների հաշվարկները ցույց են տալիս անհամասեռություն նույնիսկ 400 մլն լուսատարուց մեծ մասշտաբներում^[8]։
Գալակտիկաների պտտման գերակշռող ուղղության առկայությունը^[9]^[10]։
Վիթխարի ձգվածությամբ արտագալակտիկական համակարգերի գոյությունը (4 միլիարդ լուսատարի երկարությամբ քվազարների ահռելի խումբ)^[11], 10 միլիարդ լուսատարի երկարությամբ Հերկուլես-Հյուսիսային Թագ գալակտիկական պատը։

Սակայն այս երևույթների վիճակագրական նշանակալիությունը դեռ պարզ չէ. առավել հավանական է, որ դրանք չեն հակասում գլոբալ իզոտրոպությանն ու համասեռությանը, որոնք ամենախիստն ապացուցվում են մնացորդային ճառագայթման ֆլուկտուացիաների փոքր արժեքներով։

Ծանոթագրություններ խմբագրել

↑ Вайнберг С., Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной, Москва-Ижевск, Изд-во РХД, 2000, с. 39.
↑ Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. § 27.3. Геометрический смысл однородности и изотропии // Гравитация. — М.: Мир, 1977. — Т. 2. — С. 384.
↑ A.Д. Чернин: Физический вакуум и космическая анти-гравитация
↑ A.Д. Чернин: Темная энергия вблизи нас
↑ Лукаш В.Н., Рубаков В.А. "Темная энергия: мифы и реальность" УФН 178 301–308 (2008)
↑ N. Wright, History of the CMB Dipole Anisotropy
↑ Наталия Лескова, Андрей Ваганов. (12 апреля 2006). «Вселенная сложна, но не хаотична». Независимая газета. Արխիվացված օրիգինալից 2012 թ․ փետրվարի 9-ին. Վերցված է 2010 թ․ սեպտեմբերի 3-ին.
↑ [1006.0801] F. Sylos Labini, Yu.V. Baryshev, Testing the Copernican and Cosmological Principles in the local universe with galaxy surveys
↑ «Учёные нашли след вращения Вселенной при рождении». Արխիվացված է օրիգինալից 2012 թ․ փետրվարի 18-ին. Վերցված է 2017 թ․ հուլիսի 16-ին.
↑ ScienceDirect — Physics Letters B : Detection of a dipole in the handedness of spiral galaxies with redshifts
↑ Открытая группа квазаров ставит под сомнение Космологический Принцип

[1] Вайнберг С., Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной, Москва-Ижевск, Изд-во РХД, 2000, с. 39.

[2] Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. § 27.3. Геометрический смысл однородности и изотропии // Гравитация. — М.: Мир, 1977. — Т. 2. — С. 384.

[3] A.Д. Чернин: Физический вакуум и космическая анти-гравитация

[4] A.Д. Чернин: Темная энергия вблизи нас

[5] Лукаш В.Н., Рубаков В.А. "Темная энергия: мифы и реальность" УФН 178 301–308 (2008)

[6] N. Wright, History of the CMB Dipole Anisotropy

[7] Наталия Лескова, Андрей Ваганов. (12 апреля 2006). «Вселенная сложна, но не хаотична». Независимая газета. Արխիվացված օրիգինալից 2012 թ․ փետրվարի 9-ին. Վերցված է 2010 թ․ սեպտեմբերի 3-ին.

[8] [1006.0801] F. Sylos Labini, Yu.V. Baryshev, Testing the Copernican and Cosmological Principles in the local universe with galaxy surveys

[9] «Учёные нашли след вращения Вселенной при рождении». Արխիվացված է օրիգինալից 2012 թ․ փետրվարի 18-ին. Վերցված է 2017 թ․ հուլիսի 16-ին.

[10] ScienceDirect — Physics Letters B : Detection of a dipole in the handedness of spiral galaxies with redshifts

[11] Открытая группа квазаров ставит под сомнение Космологический Принцип

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]