Космологический принцип

Космология

Изучаемые объекты и процессы

Вселенная Наблюдаемая Вселенная Возраст Вселенной Крупномасштабная структура Вселенной Формирование структуры Реликтовое излучение Тёмная энергия Скрытая масса

Наблюдаемые процессы

Космологическое красное смещение Расширение Вселенной Формирование галактик Закон Хаббла Нуклеосинтез

Теоретические изыскания

Космологические модели Космическая инфляция Большой взрыв Хронология Большого взрыва Вселенная Фридмана Сопутствующее расстояние Модель Лямбда-CDM‎ Космологический принцип Космологическое уравнение состояния Критическая плотность Хронология космологии

Космологи́ческий при́нцип — 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 выполняется лишь приближённо. 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 перейдём к очень большим масштабам, превышающим примерно несколько сотен миллионов световых лет.

В прошлом многие учёные предполагали, что Вселенная устроена иерархически: каждая материальная система входит в состав системы более высокого уровня. Если бы это было так, это означало бы нарушение космологического принципа, поскольку какой бы объём пространства мы бы ни 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 удалёнными объектами типа квазаров, горячего межгалактического газа и т. д., также показывает высокую степень изотропии. Наконец, хотя близкие галактики концентрируются к плоскости Местного сверхскопления (а ещё более близкие — к скоплению галактик в созвездии Девы), распределение далёких галактик показывает очень высокую степень изотропии. Непосредственные подсчёты 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 возьмём куб с ребром такого размера, то число звёзд и галактик внутри него окажется примерно одинаковым, в какую бы часть Вселенной мы этот куб ни 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. Однако точный масштаб, на котором происходит переход от мелкомаштабной неоднородности к крупномасштабной однородности, пока окончательно не выяснен.

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 неё не должно быть центра и пространственной границы (иначе нарушалось бы условие однородности Вселенной).

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

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 звёздной системе, мы зафиксировали бы точно такой же закон разбегания галактик.

В однородной и изотропной Вселенной треугольник, образованный тремя удаляющимися друг от друга галактиками, всегда остаётся подобным самому себе. Стрелками показаны перемещения галактик за малый промежуток времени.

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 неё, о чём и говорит закон Хаббла.

Американский астроном Аллан Сэндидж 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 распределена с гораздо большей степенью однородности, чем материя^[1][2].

Еще в 70-е годы было открыта дипольная анизотропия реликтового излучения — в направлении созвездия Льва температура этого излучения на 0.1% выше, чем в среднем, а в противоположном направлении — на столько же ниже^[3]. Однако дипольная анизотропия не нарушает космологический принцип, поскольку характеризует не сам микроволновой фон, а наше движение относительно него. Дело в том, что, согласно эффекту Доплера, при сближении приемника излучения с источником длина волны уменьшается (наблюдается синее смещение), а при удалении — увеличивается (красное смещение). Но длина волны связана с температурой излучения по закону Вина. Поэтому дипольная анизотропия реликтового излучения говорит о том, что Солнце вместе с Землей и планетами движется относительно этого излучения в сторону созвездия Льва. Скорость этого движения составляет примерно 370 км/с. Поскольку реликтовое излучение является излучением Вселенной в целом, можно сказать, что эти 370 км/с — это скорость Солнца по отношению ко Вселенной в целом. Зная величину и направление скорости вращения Солнца вокруг центра Галактики (220 км/с, направление в сторону созвездия Лебедя), можно вычислить скорость движения Галактики как целого относительно реликтового излучения, которая оказывается равной 620 км/с.

Тем не менее, иногда поступают сообщения об обнаружении фактов, находящихся в видимом противоречии с космологическим принципом, например:

• В 2006 году обнаружена «ось зла» — слабая необъяснённая анизотропия реликтового излучения^[4];
• B 2010 году антарктическая нейтринная обсерватория IceCube выявила глубокую анизотропию распределения источников космических лучей на небесной сфере^[5];
• Подсчёты галактик показывают неоднородность даже на масштабах свыше 400 млн св. лет.^[6]

Однако статистическую значимость этих феноменов для космологии доказать пока не удаётся.