Вселе́нная — фундаментальное понятие в астрономии и философии, строго не определяемо[1][2][3][4]. Делится на две принципиально иные сущности: умозрительную (философскую) и материальную, доступную наблюдениям в настоящее время или в обозримом будущем. Если автор различает эти сущности, то следуя традиции, первую называют Вселенной, а вторую — астрономической Вселенной или Метагалактикой (в последнее время этот термин практически вышел из употребления).

В историческом плане для обозначения «всего пространства» использовались различные слова, включая эквиваленты и варианты из различных языков, такие как «небесная сфера», «космос», «мир». Использовался также термин «макрокосмос», хотя он предназначен для определения систем большого масштаба, включая их подсистемы и части. Аналогично, слово «микрокосмос» используется для обозначения систем малого масштаба.Облик Вселенной
Химический состав[8] Средняя температура Плотность[9] Уравнение состояния[9]
H — 75 %
He — 23 %
O — 1 %
C — 0,5 % 2,725 К 10−29г/см3. Из них:
Темная энергия — 74 %
Темная материя — 22 %
Барионное вещество — 4 % -1.1±0.4

Несмотря на то, что Вселенная имеет четко выраженную структуру, да и к тому же с несколькими уровнями иерархий, понятия классической механики, такие как форма, масса, размер, для неё не имеют смысла: Вселенная ни с чем не взаимодействует. Вместо этого её описывают как термодинамическую систему, употребляя такие понятия как плотность, давление, температура, химический состав. Именно они и определят облик Вселенной как единого целого.
Расширение Вселенной

Он формируется множеством процессов, действующих на разном уровне иерархии — масштабе, и имеющие различную природу. Самый крупный из них — это расширение Вселенной, природа которого — гравитационное взаимодействие всех существующих объектов. Именно от его хода зависит будущее Вселенной на самых больших масштабах.

Ещё одним явлением, сравнимым по масштабу с размером Вселенной, можно назвать реликтовый фон. Он образован фотонами, испущенными в эпоху, когда свет горячего Большого взрыва практически перестал взаимодействовать с материей, отделился от неё. Сейчас из-за расширения Вселенной из видимого диапазона большинство этих фотонов перешли в микроволновой радиодиапазон.
Иерархия масштабов во Вселенной

Гравитация также ответственна за образование сложных крупномасштабных структур: войдов, сверхскоплений, скоплений, локальных групп галактик, галактик линзовидных, неправильных, эллиптических и спиральных, галактик с активными ядрами и так далее. Каждая такая структура образует поле, на котором разворачиваются различные процессы. Все вместе они определяют эволюцию отдельной галактики — базового процесса в морфологической и химической эволюции Вселенной. Основную роль на масштабах поменьше играют звёздные скопления, звёздные системы различной кратности и, наконец, отдельные звёзды.

На схеме ниже представлен комплекс процессов, формирующих эволюцию галактики.
Process in)galaxy.png

В центре диаграммы представлены важные этапы эволюции одной звезды, от её формирования до смерти. Их ход малозависим от того, что творится со всей галактикой в целом. Однако общее число вновь образующихся звёзд и их параметры подвержены значительному внешнему влиянию. Процессы, масштабы которых сравнимы или больше размера галактики (на диаграмме это все остальные, не вошедшие в центральную область), меняют морфологическую структуру, темп звездообразования, а значит и скорость химической эволюции, спектр галактики и т. д.

Как можно видеть, масштабы происходящих процессов — многие миллионы лет, условия, в которых они происходят крайне редко, и то лишь частично, можно воспроизвести в лабораториях, поэтому все знания о них — многоступенчатая интерпретация астрономических наблюдений.
Наблюдения

Информация, которой обладает человечество о Вселенной, как о едином целом — результат астрономических наблюдений. И если у большинства естественных наук разнообразие источников информации ничем не ограничено, то у астронома, в подавляющем числе случаев, он один — электромагнитное излучение. Среди однозначно интерпретируемых фактов относительно свойств Вселенной приведем здесь следующие:

Самый распространенный элемент — водород.
Закон Хаббла с хорошей степенью линеен до z ~ 0,1.
Реликтовый фон флуктуирует на масштабах четвёртого порядка малости.
Температура реликтового фона зависит от z.
Наличие Lα-леса в спектрах далеких объектов (квазаров) с z > 6.
Наличие сильной неоднородности в распределении галактик на масштабах < 100 Мпк.

На данный момент (2012 год) основные усилия астрономов, работающих в наблюдательной космологии, прикладываются в двух областях:

история развития Вселенной от ранних этапов и до наших дней;
космологическая шкала расстояний и связанное с ней явление расширения Вселенной

Шкала расстояний и космологическое красное смещение
Основная статья: Шкала расстояний в астрономии

Шкала расстояний — это целый комплекс задач по измерению расстояний до различных объектов. Мы привыкли, что на Земле, да и в Солнечной системе, расстояние — это параметр, который надо подставить, чтобы что-то вычислить. Но на космологических масштабах расстояние перестает быть просто параметром. Суть закона, сформулированного Эдвином Хабблом, ныне носящего его имя:

линии поглощения в спектрах удаленных галактик смещены в красную сторону;
с увеличением расстояния это смещение также увеличивается. И равно:

z\equiv\frac{\lambda-\lambda_0}{\lambda_0}=\frac{H_0}{c}r

где λ — наблюдаемая длина волны линии, λ0 — длина этой же волны в лаборатории, r -расстояние, c -скорость света, H0 — коэффициент пропорциональности, постоянный на текущую эпоху, носящий название постоянной Хаббла, z — носит название красного смещения. Иногда можно встретить такую формулировку: скорость разбегания галактик прямо пропорциональна расстоянию. Но стоит помнить, что она корректна только пока верна формула Доплера для малых скоростей (v=cz).

У Хаббла были две ступени шкалы расстояний: фундаментальная — метод тригонометрического параллакса, следующий из евклидовой геометрии, и метод, измерения по видимому блеску цефеид. Сегодня таких ступеней гораздо больше и протягиваются они гораздо дальше, позволяя измерять расстояния в миллиарды парсек.
Метод тригонометрического параллакса
Схема возникновения годичного параллакса

Параллакс — это угол, возникающий благодаря проекции источника на небесную сферу. Различают два вида параллакса: годичный и групповой[10].

Годичный параллакс — угол, под которым был бы виден средний радиус земной орбиты из центра масс звезды. Из-за движения Земли по орбите видимое положение любой звезды на небесной сфере постоянно сдвигается — звезда описывает эллипс, большая полуось которого оказывается равной годичному параллаксу. По известному параллаксу из законов евклидовой геометрии расстояние от центра земной орбиты до звезды можно найти как[10]:
L=\frac{D}{2 \sin \alpha/2}\approx \frac{D}{\alpha},

где приближённое равенство записано для малого угла (в радианах). Данная формула хорошо демонстрирует основную трудность этого метода: с увеличением расстояния значение параллакса убывает по гиперболе, и поэтому измерение расстояний до далеких звезд сопряжено со значительными техническими трудностями.

Суть группового параллакса состоит в следующем: если некое звёздное скопление имеет заметную скорость относительно Земли, то по законам проекции видимые направления движения его членов будут сходиться в одной точке, называемой радиантом скопления. Положение радианта определяется из собственных движений звёзд и смещения их спектральных линий, возникшего из-за эффекта Доплера. Тогда расстояние до скопления находится из следующего соотношения[11]:
r=\frac{V_r \mathrm{tg}(\lambda)}{4.738\mu},

где μ и Vr — соответственно угловая (в секундах дуги в год) и лучевая (в км/с) скорость звезды скопления, λ — угол между прямыми Солнце—звезда и звезда—радиант, а r — расстояние, выраженное в парсеках. Только Гиады имеют заметный групповой параллакс, но до запуска спутника Hipparcos только таким способом можно откалибровать шкалу расстояний для старых объектов[10].
Метод определения расстояния по цефеидам и звёздам типа RR Лиры

На цефеидах и звёздах типа RR Лиры единая шкала расстояний расходится на две ветви — шкалу расстояний для молодых объектов и для старых[10]. Цефеиды расположены, в основном, в областях недавнего звёздообразования, и поэтому являются молодыми объектами. Переменные типа RR Лиры тяготеют к старым системам, например, особенно их много в шаровых звёздных скоплениях в гало нашей Галактики.

Метод относится к классу фотометрических: если есть источник, светимость которого известна (так называемая стандартная свеча), то искомое расстояние вычисляется по формуле

d=d_0 10^{\frac{m-M}{5}}

где M — абсолютная звёздная величина, m — наблюдаемая звёздная величина, а d0 = 10 пк.

Оба типа звёзд являются переменными, но если цефеиды — недавно образовавшиеся объекты, то звёзды типа RR Лиры сошли с главной последовательности — гиганты спектральных классов A—F, расположенные, в основном, на горизонтальной ветви диаграммы «цвет-величина» для шаровых скоплений. Однако, способы их использования как стандартных свеч различны:

Для цефеид существует хорошая зависимость «Период пульсации — Абсолютная звёздная величина». Скорее всего, это связано с тем, что массы цефеид различны.
Для звёзд RR Лиры средняя абсолютная звёздная величина примерно одинакова и составляет M_{RR}\approx0.78^m[10].

Определение данным методом расстояний сопряжено с рядом трудностей:

Необходимо выделить отдельные звёзды. В пределах Млечного Пути это не составляет особого труда, но чем больше расстояние, тем меньше угол, разделяющий звёзды.
Необходимо учитывать поглощение света пылью и её неоднородность распределения в пространстве.

Кроме того, для цефеид остаётся серьёзной проблемой точное определение нуль пункта зависимости «Период пульсации — Светимость». На протяжении XX века его значение постоянно менялось, а значит и менялось расстояние, измеряемое подобным способом. Светимость звезд типа RR Лиры, хотя и почти постоянна, но все же зависит от концентрации тяжелых элементов.
Метод определения расстояния по сверхновым типа Ia
Кривые блеска различных сверхновых.

Характерная черта сверхновых типа Ia — сходство кривых блеска и одинаковая светимость в их максимуме. Открытие последнего факта стало возможным после определения расстояний по цефеидам до галактик, в которых произошли вспышки сверхновых. Собственно, только после этого стало возможным использование сверхновых в качестве стандартных свеч.

Физическая схема явления проста. Прародителем сверхновой такого типа является тесная двойная система из белого карлика и красного гиганта. Вещество с красного гиганта перетекает на белый карлик, скапливаясь на его поверхности. Вещество, из которого состоит белый карлик — это вырожденный газ, в какой-то момент его давление более не способно выдерживать вес скопившегося вещества. Масса белого карлика в этот момент равна пределу Чандрасекара, что приводит к, примерно, одинаковому выделению энергии при вспышке. Характерная энергия сверхновой — 1050 — 1051 эрг[12], что выше гравитационной энергии связи звезды. Значит, происходит взрыв не отдельной её части, а звезды целиком, причём вырожденность газа обеспечивает одновременность взрыва по всему объёму белого карлика. Вместе со всем веществом горят углерод и кислород, образуя радиоактивный никель. После взрыва всё вещество звезды переходит в рассеивающуюся оболочку, подсвечиваемую энергией распада радиоактивного никеля[12].

Вышесказанное означает, что наблюдая за кривой блеска, можно определить, какую звёздную величину сверхновая имела в максимуме, а значит, и определить расстояние до неё.

Сверхновые — наиболее яркие из стандартных свеч и видны с гораздо большего расстояния. Именно с их помощью проверяют закон Хаббла для больших z. Следуя подобным путём, в 1998 году две группы наблюдателей открыли ускорение расширения Вселенной[13]. На сегодняшний день факт ускорения почти не вызывает сомнений, однако, по сверхновым невозможно однозначно определить его величину: всё ещё крайне велики ошибки для больших z[14][15].
Метод определения расстояния по гравитационным линзам
Геометрия гравитационного линзирования

Проходя около массивного тела, луч света отклоняется. Таким образом, массивное тело способно собирать параллельный пучок света в некотором фокусе, строя изображение, причём их может быть несколько. Это явление называется гравитационным линзированием. Если линзируемый объект — переменный, и наблюдается несколько его изображений, это открывает возможность измерения расстояний, так как между изображениями будут различные временны́е задержки из-за распространения лучей в разных частях гравитационного поля линзы (эффект аналогичен эффекту Шапиро в Солнечной системе).

Если в качестве характерного масштаба для координат изображения ξ и источника η (см. рисунок) в соответствующих плоскостях взять ξ0=Dl и η0=ξ0Ds/Dl (где D — угловое расстояние), тогда можно записывать временно́е запаздывание между изображениями номер i и j следующим образом[16]:
\Delta t=\frac{1}{c}\frac{D_sD_l}{D_{ls}}(1+z_l)\left|\frac{1}{2}((x_j-y)^2-(x_i-y)^2) + \psi(x_i, y)-\psi(x_j, y)\right|

где x=ξ/ξ0 и y=η/η0 — угловые положения источника и изображения соответственно, с — скорость света, zl — красное смещение линзы, а ψ — потенциал отклонения, зависящий от выбора модели. Считается, что в большинстве случаев реальный потенциал линзы хорошо аппроксимируется моделью, в которой вещество распределено радиально симметрично, а потенциал превращается в бесконечность. Тогда время задержки определяется по формуле:
\Delta t=\frac{1}{c}\frac{D_sD_l}{D_{ls}}(1+z_l)\left|x_i-x_j\right|.

Однако, на практике чувствительность метода к виду потенциала гало галактики существенна. Так, измеренное значение H0 по галактике SBS 1520+530 в зависимости от модели колеблется от 46 до 72 км/(с Мпк)[17].
Метод определения расстояния по красным гигантам

Ярчайшие красные гиганты имеют одинаковую абсолютную звёздную величину −3.0m±0.2m, а значит, подходят на роль стандартных свеч. Наблюдательно первым этот эффект обнаружил Сендидж в 1971 году. Предполагается, что эти звёзды либо находятся на верхней точке первого подъёма ветви красных гигантов звёзд малой массы (меньше солнечной), либо лежат на асимптотической ветви гигантов.

Основным достоинством метода является то, что красные гиганты удалены от областей звёздообразования и повышенной концентрации пыли, что сильно облегчает учёт поглощения. Их светимость также крайне слабо зависит от металличности, как самих звёзд, так и окружающей их среды[18]. Основная проблема данного метода — выделение красных гигантов из наблюдений звёздного состава галактики. Существует два пути её решения.

Классический — метод выделения края изображений. При этом обычно применяют Собелевский фильтр. Начало провала — искомая точка поворота. Иногда вместо собелевского фильтра в качестве аппроксимирующей функции берут гауссиану, а функция выделения края зависит от фотометрических ошибок наблюдений[19].

Однако, по мере ослабления звезды растут и ошибки метода. В итоге предельно измеряемый блеск на две звездных величины хуже, чем позволяет аппаратура.

Второй путь — построение функции светимости методом максимального правдоподобия. Данный способ основывается на том, что функция светимости ветви красных гигантов хорошо аппроксимируется степенной функцией:

\xi(m)\propto 10^{am},

где a — коэффициент, близкий к 0,3, m — наблюдаемая звёздная величина.

Основная проблема — расходимость в некоторых случаях рядов, возникающих в результате работы метода максимального правдоподобия.
Проблемы и современные дискуссии

Если проэкстраполировать закон Хаббла назад во времени, то в итоге возникнет точка, гравитационная сингулярность, называемая космологической сингулярностью. Это большая проблема, так как весь аналитический аппарат физики становится бесполезным. И хотя, следуя путём Гамова, предложенным в 1946 году, можно надёжно экстраполировать до момента, пока работоспособны современные законы физики, но точно определить этот момент наступления «новой физики» пока не представляется возможным. Предполагается, что по величине он равен планковскому времени, \sim10^{-43} с.

Второй проблемой является неопределённость в значении постоянной Хаббла и её изотропии. Одна группа исследователей утверждает, что значение постоянной Хаббла флуктуирует на масштабах 10-20°[20]. Возможных причин этому явлению несколько: а) это реальный физический эффект — в таком случае космологическая модель должна быть кардинально пересмотрена; б) стандартная процедура усреднения ошибок некорректна[21]. В свою очередь, это тоже ведет к пересмотру космологической модели, но возможно, не такой значительной[22]. В свою очередь, многие другие обзоры и их теоретическая интерпретация не показывают анизотропии, превышающей локально обусловленную ростом неоднородности, в которую входит и наша Галактика, в изотропной в целом Вселенной[23][24][25][26].
Изучение истории развития Вселенной и её крупномасштабной структуры

Изучение истории развития Вселенной и проблема возникновения её крупномасштабной структуры — крайне важные задачи как для космологии, так и для всей астрофизики в целом. Только их решение может однозначно дать ответ о верности представлений и понимании процессов, происходящих на масштабах сопоставимых с размером одной галактики и больше.

Но проблемы эти крайне сложны, и трудности возникают сразу с постановки задачи. Для построения общей картины эволюции и формирования Вселенной необходимы знания об эволюции и формировании отдельных её частей, вплоть до звёзд. Однако, время эволюции даже наиболее короткоживущих звёзд — миллионы лет, и не в силах человеческих пронаблюдать всё это время. Самый очевидный выход: наблюдения схожих объектов, но разных возрастов. Но чтоб исключить эффекты селекции для каждого возрастного среза нужен не один представитель, но десятки, а лучше и сотни. Но тут поджидает засада: чем старее объект, тем труднее его наблюдать. И всё из-за того, что Солнце и звёзды в ближайших окрестностях — молодые звёзды по космологическим меркам и старая звезда может оказаться среди них лишь по одной причине: процессы протекают в ней очень медленно, а значит и её блеск крайне невелик. С увеличением расстояния, кроме падения блеска, уменьшается и угловое расстояние, и начиная с определенного предела, наблюдение отдельных звёзд невозможно и все данные носят интегральный характер. Но и это ещё не всё: на больших масштабах из-за космологического красного смещение оптический спектр вместе с крайне важной линией Lα смещается в инфракрасный диапазон, наблюдения в котором связаны со значительными техническими трудностями.

И универсального решения тут нет: если построить большой телескоп, то решается, до известного предела, проблема блеска и разрешимости на отдельные звёзды. Но при этом размер поля телескопа не годится для массовых обзорных наблюдений. Если построить обзорный телескоп, то количество старых объектов, по которым можно будет получить детальные спектры и хорошие фотометрические данные крайне мало. Если выделить какую-то группу звёзд или придумать критерий, по наблюдениям только больших телескопов, то вполне возможна ситуация, что при попытке его экстраполировать на все объекты данного типа, могут выявиться факты, учёт которых затруднителен. Тоже самое справедливо и для обзорных телескопов.
Таблица типичных объектов исследований в космологии Объекты Общее описание
Галактики Это гигантские гравитационно-связанные системы, состоящие из звёзд и тёмной материи. Типичные представители в наблюдательной космологии. Методы наблюдений, применимые к галактикам, применимы почти ко всем космологическим объектам. Это и сравнения модельного спектра с наблюдаемым, и учёт металличности, и учёт пыли, и отождествление характерных особенностей частей спектра с наличием различных процессов внутри объекта.
Квазары Квазары — класс внегалактических объектов, отличающихся очень высокой светимостью и настолько малым угловым размером, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» — звёзд. Болометрическая светимость квазаров может достигать 1046 — 1047 эрг/с[27]. Считается, что причиной такой высокой светимости является аккреция межзвёздного газа на сверхмассивную чёрную дыру в центре галактики.
Гамма-всплески Гамма-всплески — внезапные кратковременные локализуемые повышения интенсивности космического гамма-излучения с энергией в десятки и сотни кэВ[28]. Из оценок расстояний до гамма-всплесков можно сделать вывод, что излучаемая ими энергия в гамма-диапазоне достигает 1050 эрг. Для сравнения, светимость всей галактики в этом же диапазоне составляет «всего» 1038 эрг/c.

После обнаружения у гамма-всплесков оптического послесвечения и получения их спектров стало ясно, что гамма-всплески — далёкие объекты. На данный момент одним из самых далёких зафиксированных объектов Вселенной является гамма-всплеск GRB 090423 с красным смещением z = 8,2.
Звёздное скопление Звёздные скопления представляют собой гравитационно-связанные группы звёзд, имеющих общее происхождение, и, соответственно, примерно одинаковый возраст и химический состав. Более массивные звёзды скопления раньше проходят все этапы своей эволюции, превращаясь либо в компактные релятивистские объекты (нейтронные звёзды и чёрные дыры), либо в белые карлики, а менее массивные продолжают находиться на главной последовательности.
Не проэволюционировавшие или слабо проэволюционировавшие объекты В данную группу включены как галактики, так и звёзды. Характерной чертой данных объектов является их низкая металличность. Они в основном состоят из того вещества, из которого состояли самые первые звёзды и галактики.
Реликтовый фон Реликтовый фон — чернотельное однородное излучение со средней температурой 2,72 К, заполняющее Вселенную.
Общие особенности и приемы

Наблюдать космологические объекты можно различными способами, некоторые подходят только для одного типа объектов, некоторые применимы ко всем. Те, что характерны для всех, частично пришли из звёздной астрономии (такие как метод звёздных подсчётов или сравнение различных участков спектра), частично изобретены только для нужд космологии.

Общие проблемы наиболее ярким образом проявляются в галактиках. Классически, среди них выделяют четыре типа: эллиптические, линзовидные, спиральные и иррегулярные. И эти четыре типа во многом схожи, но также во многом различны. Факторов, влияющих на эволюцию свойств отдельно взятой галактики — огромное множество. Все это отражается на её спектральных и фотометрических характеристиках, причем временные масштабы эволюционных процессов — миллионы лет. В итоге наблюдения далеких объектов нельзя соотнести с наблюдениями близких галактик и нет простых механизмов экстраполяции того состояния к нынешнему.
Лайман-альфа лес
Основная статья: Лайман-альфа лес

В спектрах некоторых далеких объектов можно наблюдать большое скопление сильных абсорбционных линий на малом участке спектра (т. н. лес линий). Эти линии отождествляются как линии серии Лаймана, но имеющие разные красные смещения.

Облака нейтрального водорода эффективно поглощают свет на длинах волн от Lα(1216 Å) до лаймановского предела. Излучение, изначально коротковолновое, на пути к нам из-за расширения Вселенной поглощается там, где его длина волны сравнивается с этим «лесом». Сечение взаимодействия очень большое и расчёт показывает, что даже малой доли нейтрального водорода достаточно для создания большого поглощения в непрерывном спектре.

При большом количестве облаков нейтрального водорода на пути света, линии будто настолько близко друг к другу, что на довольно широком интервале в спектре образуется провал. Длинноволновая граница этого интервала обусловлена Lα, а коротковолновая зависит от ближайшего красного смещения, ближе которого среда ионизована и нейтрального водорода мало. Подобный эффект носит названия эффекта Гана-Петерсона.

Эффект наблюдается в квазарах с красным смещением z > 6. Отсюда делается вывод, что эпоха ионизации межгалактического газа началась с z ≈ 6.
Гравитационное линзирование
Основная статья: Гравитационная линза

К эффектам, наблюдения которых возможны также для любого объекта (даже не важно, чтобы он был далеким), необходимо отнести и эффект гравитационного линзирования. В прошлом разделе было указано, что с помощью гравитационного линзирования строят шкалу расстояний, это вариант так называемого сильного линзирования, когда угловое разделение изображений источника можно непосредственно наблюдать. Однако существует ещё и слабое линзирование, с его помощью можно исследовать потенциал изучаемого объекта. Так, с его помощью было установлено, что скопления галактик размером от 10 до 100 Мпк являются гравитационно связанными, тем самым являясь самыми крупными стабильными системами во Вселенной. Также выяснилось, что обеспечивает эту стабильность масса, проявляющаяся только в гравитационном взаимодействии — тёмная масса или, как её называют в космологии, тёмная материя[29][30].
Сравнение различных участков спектра

К стандартным приёмам, позволяющим прояснить природу любого объекта, можно отнести сравнение как спектров различных, но принадлежащих к одному классу объектов, так и различных частей одного и того же спектра.

Так, комбинируя оба варианта: сначала сравнивая спектры двух различных квазаров, а потом сравнивая отдельные участки спектра одного и того же квазара, обнаружили сильный провал на одном из UV участков спектра[31]. Столь сильный провал мог быть вызван только большой концентрацией пыли, поглощающей излучение. Ранее пыль пытались обнаружить по спектральным линиям, но выделить конкретные серии линий, доказывающее, что это именно пыль, а не примесь тяжёлых элементов в газе, не удавалось. Дальнейшее развитие этого метода позволило оценить темп звёздообразования на z от ~ 2 до ~ 6[32].
Метод звёздных черпков
Основная статья: Метод звёздных подсчётов
Данные о крупномасштабной структуре 2df обзора

Первым способом изучения крупномасштабной структуры Вселенной, не потерявший своей актуальности, стал так называемый метод «звёздных подсчётов» или метод «звёздных черпков». Суть его в подсчёте количества объектов в различных направлениях. Применён Гершелем в конце XVIII века, когда о существовании далеких космических объектов только догадывались, и единственными объектами, доступными для наблюдений, были звёзды, отсюда и название. Сегодня, естественно, считают не звёзды, а внегалактические объекты (квазары, галактики), и помимо выделенного направления строят распределения по z.

Крупнейшими источниками данных о внегалактических объектах являются отдельные наблюдения конкретных объектов, обзоры типа SDSS, APM, 2df, а также компилятивные базы данных, такие как Ned и Hyperleda. Например, в обзоре 2df охват неба составлял ~ 5 %, среднее z — 0,11 (~ 500 Мпк), количество объектов — ~ 220 000.

Уже на представленном рисунке можно видеть, что галактики расположены в пространстве неоднородно на малых масштабах. После более детального рассмотрения обнаруживается, что пространственная структура распределения галактик — ячеистая: узкие стенки с шириной, определяемой величиной скоплений и сверхскоплений галактик, а внутри этих ячеек — пустоты, так называемые войды[30].

Доминирующим является мнение, что при переходе к масштабам сотен мегапарсек ячейки складываются и усредняются, распределение видимого вещества становится однородным[33][34]. Однако однозначность в этом вопросе пока не достигнута: применяя различные методики некоторые исследователи приходят к выводам об отсутствии однородности распределения галактик вплоть до самых больших исследованных масштабов[35][36]. Вместе с тем, неоднородности в распределении галактик не отменяют факта высокой однородности Вселенной в начальном состоянии, выводимого из высокой степени изотропии реликтового излучения.

Вместе с этим установлено, что распределения количества галактик по красному смещению имеет сложный характер. Зависимость для разных объектов различна. Однако для всех них характерно наличие нескольких локальных максимумов[37][38][39]. С чем это связано — пока не совсем понятно.

До последнего времени не было ясности в том, как эволюционирует крупномасштабная структура Вселенной. Однако работы последнего времени показывают, что первыми сформировались крупные галактики, и только потом уже мелкие (так называемый downsizing эффект)[40][41].
Особенности наблюдений квазаров
Природа квазара

Уникальное свойство квазаров — большие концентрации газа в области излучения. По современным представлениям, аккреция этого газа на чёрную дыру и обеспечивает столь высокую светимость объектов. Высокая концентрация вещества означает и высокую концентрацию тяжёлых элементов, а значит и более заметные абсорбционные линии. Так, в спектре одного из линзируемых квазаров были обнаружены линии воды[42].

Уникальным преимуществом является и высокая светимость в радиодиапазоне, на её фоне поглощение части излучения холодным газом более заметно. При этом газ может принадлежать как родной галактике квазара, так и случайному облаку нейтрального водорода в межгалактической среде, или галактике, случайно попавшей на луч зрения (при этом нередки случаи, когда такая галактика не видна — она слишком тусклая для наших телескопов). Изучение межзвёздного вещества в галактиках данным методом называется «изучением на просвет», к примеру, подобным образом была обнаружена первая галактика со сверхсолнечной металличностью[43].

Также важным результатом применения данного метода, правда не в радио-, а в оптическом диапазоне, являются измерения первичного обилия дейтерия. Современное значение обилия дейтерия, полученное по таким наблюдениям, составляет D/H_p\approx 3\cdot 10^{-5}[44].

С помощью квазаров получены уникальные данные о температуре реликтового фона на z ≈ 1,8 и на z = 2,4. В первом случае исследовались линии сверхтонкой структуры нейтрального углерода, для которых кванты с T ≈ 7,5 К (предполагаемая температура реликтового фона на тот момент) играют роль накачки, обеспечивая инверсную заселённость уровней[45]. Во втором случае обнаружили линии молекулярного водорода H2, дейтерида водорода HD, а также молекулы оксида углерода СО, по интенсивности спектра которой как раз и измерили температуру реликтового фона, она с хорошей точностью совпала с ожидаемым значением[46].
Особенности наблюдений гамма-всплесков
Популярная модель возникновения гамма-всплеска

Гамма-всплески — уникальное явление, и общепризнанного мнения о его природе не существует. Однако подавляющее большинство учёных соглашается с утверждением, что прародителем гамма всплеска являются объекты звёздной массы[47].

Уникальные возможности применения гамма-всплесков для изучения структуры Вселенной состоят в следующем[47]:

Так как прародителем гамма-всплеска является объект звёздной массы, то и проследить гамма-всплески можно на большее расстояние, нежели квазары, как по причине более раннего формирования самого прародителя, так и из-за малой массы чёрной дыры квазара, а значит и меньшей его светимости на тот период времени.
Спектр гамма-всплеска — непрерывный, то есть не содержит спектральных линий. Это означает, что самые далёкие линии поглощения в спектре гамма-всплеска — это линии межзвёздной среды родительской галактики. Из анализа этих спектральных линий можно получить информацию о температуре межзвёздной среды, её металличности, степени ионизации и кинематике.
Гамма-всплески дают чуть ли не идеальный способ изучать межгалактическую среду до эпохи реионизации, так как их влияние на межгалактическую среду на 10 порядков меньше, нежели квазаров, из-за малого времени жизни источника.
Если послесвечение гамма-всплеска в радиодиапазоне достаточно сильное, то по линии 21 см можно судить о состоянии различных структур нейтрального водорода в межгалактической среде вблизи от галактики-прародителя гамма-всплеска.
Детальное изучение процессов формирования звёзд на ранних этапах развития Вселенной с помощью гамма-всплесков сильно зависит от выбранной модели природы явления, но если набрать достаточную статистику и построить распределения характеристик гамма-всплесков в зависимости от красного смещения, то, оставаясь в рамках довольно общих положений, можно оценить темп звёздообразования и функцию масс рождающихся звёзд[47].
Если принять предположение, что гамма-всплеск — это взрыв сверхновой звезды населения III, то можно изучать историю обогащения Вселенной тяжёлыми металлами.
Также гамма-всплеск может служить указателем на очень слабую карликовую галактику, которую трудно обнаружить при «массовом» наблюдении неба.

Основной проблемой гамма-всплесков является их спорадичность и краткость времени, когда послесвечение всплеска, по которому только и можно определить расстояние до него, можно наблюдать спектроскопически.
Особенности наблюдений реликтового излучения
Спектр реликтового излучения

Информация, которую возможно получить, наблюдая реликтовый фон, крайне разнообразна: примечателен сам факт существования реликтового фона. Если Вселенная существовала вечно, то неясна причина его существования — массовых источников, способных создать такой фон, мы не наблюдаем. Однако если время жизни Вселенной конечно, то очевидно, что причина его возникновения кроется на первых этапах жизни Вселенной.

На сегодняшний день доминирует мнение, что реликтовое излучение — это излучение, высвободившееся в момент образовании атомов водорода. До этого излучение было заперто в веществе, а вернее, в том, что тогда оно из себя представляло — плотной горячей плазме.

Метод анализа реликтового фона на этом предположении и базируется. Если мысленно проследить путь каждого фотона, то получится, что поверхность последнего рассеяния — сфера, тогда колебания температуры удобно разложить в ряд по сферическим функциям[48]:

\delta T(\theta,\phi)=\sum_{l=2}^{\infty}a_{lm}Y_{lm}(\theta,\phi)

где a_{lm} — коэффициенты, называемые мультипольными, а Y_{lm} — сферические гармоники. Получающаяся информация довольно разнообразна.

Различная информация заложена также и в отклонениях от чернотельного излучения. Если отклонения масштабны и систематичны, то наблюдается эффект Сюняева — Зельдовича, малые же флуктуации обусловлены флуктуациями вещества на ранних стадиях развития Вселенной.
Особо ценную информацию о первых секундах жизни Вселенной (в частности, о стадии инфляционного расширения) несёт поляризация реликтового фона.

Эффект Сюняева — Зельдовича
Основная статья: Эффект Сюняева — Зельдовича

Если фотоны реликтового фона на своём пути встречают горячий газ скоплений галактик, то в ходе рассеяния за счёт обратного эффекта Комптона фотоны будут разогреваться (то есть увеличат частоту), забирая часть энергии у горячих электронов. Наблюдательно это будет проявляться снижением потока реликтового излучения в направлении крупных скоплений галактик в длинноволновой области спектра.

С помощью этого эффекта можно получить информацию[49]:

о давлении горячего межгалактического газа в скоплении, а, возможно, и о самой массе скопления;
о скорости скопления вдоль луча зрения (из наблюдений на разных частотах);
о величине постоянной Хаббла H0, с привлечением наблюдений в гамма-диапазоне.

При достаточном количестве наблюдаемых скоплений можно определить и общую плотность Вселенной Ω.

Преимущество этого эффекта состоит в том, что его природа ясна и никак не зависит от космологического красного смещения.
Поляризация
Карта поляризации реликтового излучения по данным WMAP

Поляризация реликтового излучения могла возникнуть только в эпоху просветления. Так как рассеяние томпсоновское, то реликтовое излучение линейно поляризовано. Соответственно, параметры Стокса Q и U, характеризующие линейные параметры, отличны, а параметр V равен нулю. Если интенсивность можно разложить по скалярным гармоникам, то поляризацию можно разложить по так называемым спиновым гармоникам[48]:

Q+iU=\sum_{l,m}a_{lm}^{\pm2}Y_{lm}^{\pm2}(\theta, \phi)

Выделяются E-мода (градиентная составляющая) и B-мода (роторная составляющая)[50].

a_{lm}^E=\frac{1}{2}\left(a_{lm}^{+2}+a_{lm}^{-2}\right)

a_{lm}^B=\frac{1}{2}\left(a_{lm}^{+2}-a_{lm}^{-2}\right)

E-мода может появляться при прохождении излучения через неоднородную плазму вследствие томпсоновского рассеяния. B-мода, максимальная амплитуда которой достигает всего лишь 0,1 \mu K, возникает лишь при взаимодействии с гравитационными волнами.

B-мода является признаком инфляции Вселенной и определяется плотностью первичных гравитационных волн. Наблюдение B-моды является сложной задачей вследствие неизвестного уровня шума для этой компоненты реликтового излучения, а также за счёт того, что B-мода смешивается слабым гравитационным линзированием с более сильной E-модой[51].

На сегодняшний день поляризация обнаружена, её величина на уровне в несколько \mu K (микрокельвинов). Причем зарегистрирована только E-мода, B-мода не наблюдается.
Флуктуации реликтового фона
Флуктуации реликтового фона по данным NASA, основанным на наблюдениях на WMAP

Для сравнение с теоретическими данным сырые данные приводятся к вращательно-инвариантной величине[48]:

C_l=\frac{1}{2l+1}\sum_{l=-m}^{l=m}\left|a_{lm}\right|^2

«Спектр» же строят для величины l(l+1)Cl/2π, из которого получают важные для космологии выводы. К примеру, по положению первого пика можно судить о полной плотности Вселенной, а по его величине — содержание барионов.

Так из совпадения кросс-корреляции между анизотропией и E-модой поляризации с теоретическими предсказанными для малых углов (θ<5°) и значительного расхождения в области больших можно сделать о наличии эпохи рекомбинации на z≈15-20.

Так как флуктуации гауссовы, то можно использовать метод марковских цепей для построения поверхности максимального правдоподобия. В целом обработка данных по реликтовому фону это целый комплекс программ. Однако, как итоговый результат, так и используемые предположения и критерия вызывают дискуссию. Различными группами показано, отличие распределения флуктуаций от гаусового, зависимость карты распределений от алгоритмов его обработки[52][53][54].
Особенности наблюдений звёздных скоплений
Популяция белых карликов в шаровом звёздном скоплении NGC 6397. Синие квадраты — гелиевые белые карлики, фиолетовые кружки — «нормальные» белые карлики с высоким содержанием углерода.

Главное свойство шаровых скоплений для наблюдательной космологии — много звёзд одного возраста в небольшом пространстве. Это значит, что если каким-то способом измерено расстояние до одного члена скопления, то различие в расстоянии до других членов скопления пренебрежимо мало.

Одновременное формирование всех звёзд скопления позволяет определить его возраст: опираясь на теорию звёздной эволюции, строятся изохроны на диаграмме «цвет — звёздная величина», то есть кривые равного возраста для звёзд различной массы. Сопоставляя их с наблюдаемым распределением звёзд в скоплении, можно определить его возраст.

Метод имеет ряд своих трудностей. Пытаясь их решить, разные команды, в разное время получали разные возраста для самых старых скоплений, от ~8 млрд лет[55], до ~ 25 млрд лет[56].

В галактиках шаровые скопления, входящие в старую сферическую подсистему галактик, содержат множество белых карликов — остатков проэволюционировавших красных гигантов относительно небольшой массы. Белые карлики лишены собственных источников термоядерной энергии и излучают исключительно за счёт излучения запасов тепла. Белые карлики имеют приблизительно одинаковую массу звёзд-предшественниц, а значит — и приблизительно одинаковую зависимость температуры от времени. Определив по спектру белого карлика его абсолютную звёздную величину на данный момент и зная зависимость время—светимость при остывании, можно определить возраст карлика[57]

Однако данный подход связан как с большими техническими трудностями, — белые карлики крайне слабые объекты, — необходимо крайне чувствительные инструменты, чтоб их наблюдать. Первым и пока единственным телескопом, на котором возможно решение данной задачи является космический телескоп им. Хаббла. Возраст самого старого скопления по данным группы, работавшей с ним: 12,7\pm0,7 млрд лет[57], однако, результат оспаривается. Оппоненты указывают, что не были учтены дополнительные источники ошибок, их оценка 12,4^{+1,8}_{-1,5} млрд лет[58]. Разрешить спор возможно только на телескопах нового класса, которые лишь планируется ввести в строй.
Особенности наблюдений непроэволюционировавших объектов
NGC 1705 — галактика типа BCDG

Объекты, фактически состоящие из первичного вещества, дожили до нашего времени благодаря крайне малому темпу их внутренней эволюции. Это позволяет изучать первичный химический состав элементов, а также, не сильно вдаваясь в подробности и основываясь на лабораторных законах ядерной физики, оценить возраст подобных объектов, что даст нижний предел на возраст Вселенной в целом.

К такому типу можно отнести: звёзды малой массы с низкой металличностью (так называемые G-карлики), низкометалличные области HII, а также карликовые неправильные галактики класса BCDG (Blue Compact Dwarf Galaxy).

Согласно современным представлениям, в ходе первичного нуклеосинтеза должен был образоваться литий. Особенность это элемента заключается в том, что ядерные реакции с его участием начинаются при не очень больших, по космическим масштабам, температурах. И в ходе звездной эволюции изначальный литий должен был быть практически полностью переработан. Остаться он мог только у массивных звезд населения типа II. Такие звёзды имеют спокойную, не конвективную атмосферу, благодаря чему литий остаётся на поверхности, не рискуя сгореть в более горячих внутренних слоях звезды.

В ходе измерений, обнаружилось, что у большинства таких звезд обильность лития составляет[59]:

A(Li)=12+\log(Li/H)=2.12.

Однако есть ряд звезд, в том числе и сверхнизкометаличные, у которых обильность значительность ниже. с чем это связано до конца не ясно, предполагается, что это как-то связано с процессами в атмосфере[60].

У звезды CS31082-001, принадлежащей звёздному населению типа II, были обнаружены линии и измерены концентрации в атмосфере тория и урана. Эти два элемента имеют различный период полураспада, поэтому со временем их соотношение меняется, и если как-то оценить первоначальное соотношение обильностей, то можно определить возраст звезды. Оценить можно двояким способом: из теории r-процессов, подтверждённой как лабораторными измерениями, так и наблюдениями Солнца; или можно пересечь кривую изменения концентраций за счёт распада и кривую изменения содержания тория и урана в атмосферах молодых звёзд за счёт химической эволюции Галактики. Оба метода дали схожие результаты: 15,5±3,2[61] млрд лет получены первым способом, 14{,}5^{-2{,}8}_{+2{,}2}[62] млрд лет — вторым.

Слабо металличные BCDG-галактикам (всего их существует ~10) и зоны HII — источники информации по первичному обилию гелия. Для каждого объекта из его спектра определяется металличность (Z) и концентрация He (Y). Экстраполируя определённым образом диаграмму Y-Z до Z=0, получают оценку первичного гелия.

Итоговое значения Yp разнится от одной группы наблюдателей к другой и от одного периода наблюдений к другому. Так, одна, состоящая из авторитетнейших специалистов в этой области: Изотова и Тхуан (Thuan) получили значение Yp=0,245±0,004[63] по BCDG-галактикам, по HII — зонам на данный момент (2010) они остановились на значении Yp=0,2565±0,006[64]. Другая авторитетная группа во главе с Пеймберт (Peimbert) получали также различные значения Yp, от 0,228±0,007 до 0,251±0,006[65].
Теоретические модели

Современные космологические модели очень сложны, а иногда используют пока неподтвержденные гипотезы. К примеру, ко Вселенной применяются уравнения ОТО, хотя ОТО — это теория, хорошо подтверждённая только в масштабах Солнечной системы[66][67], и её использование в масштабе галактик и Вселенной в целом может быть подвергнуто сомнению. Космологические модели были бы много проще, если бы протон не был стабильной частицей и распадался бы[68], чего современные эксперименты в физических лабораториях не подтверждают; и этот список можно продолжить. Но на данный момент с таким положением дел приходится мириться, так как лучшего объяснения наблюдательных данных пока не существует.

Космология — скорее описательная наука, чем предсказательная, и многие её наблюдения, если запастись большой долей фантазии и изобретательности, можно трактовать по разному. Волей-неволей, но приходится обращаться к неким предположениям, принципам, в том числе и философским. Сейчас практически все согласны, что любая модель Вселенной должна удовлетворять так называемому «космологическому принципу». Согласно ему в больших пространственных масштабах во Вселенной нет выделенных областей и направлений. Следствием такого постулата является однородность и изотропность материи во Вселенной на больших масштабах (> 100 Мпк).

Пространственная однородность и изотропность не запрещает неоднородности во времени, то есть существования выделенных последовательностей событий, доступных всем наблюдателям. Сторонники теорий стационарной Вселенной иногда формулируют «совершенный космологический принцип», согласно которому свойствами однородности и изотропности должно обладать четырёхмерное пространство-время. Однако наблюдаемые во Вселенной эволюционные процессы, по всей видимости не согласуются с таким космологическим принципом.

В общем случае для построения модели применяются следующие теории и разделы физики:

Равновесная статистическая физика, её основные понятия и принципы, а также теория релятивистского газа.
Теория гравитации (обычно ОТО).
Некоторые сведения из физики элементарных частиц: список основных частиц, их характеристики, типы взаимодействия, законы сохранения.

Комбинируя их пытаются в первую очередь объяснить три фундаментальных явления: расширение Вселенной, наблюдаемую крупномасштабную структуру Вселенной и распространенность химических элементов. Основными теориями на сегодняшний день в совокупности описывающие все эти три явления являются:
Теория Большого Взрыва.
Описывает химический состав Вселенной. Теория стадии инфляции.
Объясняет причину расширения. Модель расширения Фридмана.
Описывает расширение. Иерархическая теория.
Описывает крупномасштабную структуру.

Зелёный цвет означает абсолютно доминирующие теории, янтарный — признана многими, но широко обсуждаемая, алый — испытывающая большие проблемы в последнее время, но поддерживаемая многими теоретиками.
Модель расширяющейся Вселенной

Модель расширяющейся Вселенной описывает сам факт расширения. В общем случае не рассматривается, когда и почему Вселенная начала расширяться. В основе большинства моделей лежит ОТО и её геометрический взгляд на природу гравитации. Изотропно расширяющуюся среду удобно рассматривать в системе координат, расширяющихся вместе с материей. Таким образом, расширение Вселенной формально сводится к изменению масштабного фактора всей координатной сетки, в узлах которой «посажены» галактики. Такую систему координат называют сопутствующей. Начало же отсчёта обычно прикрепляют к наблюдателю.

Единой точки зрения, является ли Вселенная действительно бесконечной или конечной в пространстве и объёме, не существует. Тем не менее, наблюдаемая Вселенная конечна, поскольку конечна скорость света и существовал Большой Взрыв.
Модель Фридмана
Стадия Эволюция a(\eta) Параметр Хаббла
Инфляционная a\propto e^{Ht} H^2=\frac{8\pi}{3}\frac{\rho_{vac}}{M^2_{pl}}
Радиационное доминирование a\propto t^{\frac{1}{2}} H=\frac{1}{2t}
Пылевая стадия a\propto t^{\frac{2}{3}} H=\frac{2}{3t}
\Lambda-доминирование a\propto e^{Ht} H^2=\frac{8\pi}{3}G\rho_{\Lambda}

В рамках ОТО вся динамика Вселенной может быть сведена к простым дифференциальным уравнениям для масштабного фактора a(t) — величины отражающая изменение расстояний в однородно сжимающихся пространствах[69]:

Уравнению энергии

\left(\frac{\dot a}{a}\right)^2=\frac{8\pi G\rho}{3}-\left(\frac{kc^2}{a^2}\right)+\frac{\Lambda c^2}{3}

Уравнению движения

\frac{\ddot a}{a}=-\frac{4\pi G}{3}\left(\rho +\frac{3P}{c^2}\right) + \frac{\Lambda c^2}{3}

Уравнению неразрывности

\frac{d\rho}{dt} =-3H\left(\rho +\frac{P}{c^2}\right)

k — кривизна пространства (принимает значения −1 0 1), Λ — космологическая постоянная, ρ — средняя плотность Вселенной, P — давление, с — скорость света.

Для подобной модели интервал между двумя событиями записывается следующим образом:

ds^2=c^2dt^2-a^2(t)dR^2

где dR² описывает геометрические свойства пространства. В таких системах координат изменение расстояния между двумя точками (l), покоящимися в сопутствующей системе координат происходит по следующему закону:

v=\frac{\dot a}{a}l

Это не что иное, как закон Хаббла, где параметр Хаббла есть меняющаяся от времени величина:

H(t)=\frac{\dot a}{a}

Также в этой модели появляется различные типы расстояний: угловое и фотометрическое. Угловым расстоянием мы назовем расстояние, вычисляемое по видимому угловому расстоянию объекта (θ) и его линейному размеру объекта (D):

d_a=D/\theta=\frac{a_0r_1}{1+z}

до какого-то момента такое расстояние увеличивается, а после начинает уменьшаться, само пространство начинает играть роль гигантской гравитационной линзы.

Фотометрическое расстояние, это расстояние вычисляемое с помощью источника, известной светимости (L) и принимаемый от него поток излучения (F):

d_l=\left(\frac{L}{4\pi F}\right)^{1/2}=a_0r_1(1+z)

Время с начала расширения, часто называемого возрастом Вселенной:

t=\frac{1}{H_0}\int\limits_0^\infty\frac{dz'}{(1+z')\sqrt{\Omega_m(1+z')^3+\Omega_{\Lambda} } }

Иногда в различного рода моделях переходят от космологического времени t к конформному η следующим образом:

a(\eta)d\eta=dt

Эволюция расширения

Ход расширения в общем случае зависит от значений космологической постоянной Λ, кривизны пространства k и уравнения состояния (P(ρ)). Однако качественно эволюцию расширения можно оценить, опираясь на достаточно общие предположения.
Состав Вселенной по данным WMAP

В современной общепринятой модели расширения космологическая постоянная положительна и существенно отлична от нуля, то есть на больших масштабах возникают силы антигравитации. Природа таких сил неизвестна, теоретически подобный эффект можно было бы объяснить действием физического вакуума, однако ожидаемая плотность энергии оказывается на много порядков больше, чем энергия, соответствующая наблюдаемому значению космологической постоянной — проблема космологической постоянной.

Остальные варианты на данный момент представляют только теоретический интерес, однако это может измениться при появлении новых экспериментальных данных. Современная история космологии уже знает подобные примеры: модели с нулевой космологической постоянной безоговорочно доминировали (помимо короткого всплеска интереса к другим моделям в 1960-е гг.) с момента открытия Хабблом космологического красного смещения и до 1998 года, когда данные по сверхновым типа Ia убедительно опровергли их.

На сегодняшний момент в стандартной модели считается, что k=0 (это проверяется с точностью до нескольких десятых долей процента), тогда плотность тёмной энергии составляет 72 % от всей энергии Вселенной, а основной вклад в плотность материи вносит невидимое вещество, участвующее только в гравитационном взаимодействии (тёмная материя) — её почти в 6 раз больше, чем барионной материи. Эти значения основаны на наблюдениях сверхновых типа Ia, исследованиях флуктуаций реликтового излучения, корреляционных функциях и спектрах пространственного распределения галактик, данных о гравитационном линзировании скоплениями галактик.
Λ < 0

Если значение космологической постоянной отрицательно, то действуют только силы притяжения и более никаких. Правая часть уравнения энергии будет неотрицательной только при конечных значениях R. Это означает, что при некотором значении Rc Вселенная начнет сжиматься при любом значении k и вне зависимости от вида уравнения состояния[70].
Λ = 0

В случае, если космологическая постоянная равна нулю, то эволюция при заданном значении H0 целиком и полностью зависит от начальной плотности вещества[69]:

\left(\frac{da}{dt}\right)^2=G\frac{8\pi\rho_0 a_0^3}{3a} -a_0^2H_0\left(\rho_0 - \frac{3H_0^2}{8\pi G}\right).

Значение \rho_{cr} = \frac{3H_0^2}{8\pi G} называют критической плотностью. Если \rho_0 =\rho_{cr} , то расширение продолжается бесконечно долго, в пределе с асимптотически стремящейся к нулю скоростью. Если плотность больше критической, то расширение Вселенной тормозится и сменяется сжатием. Если меньше, то расширение идёт неограниченно долго с ненулевым пределом H.

Если уравнение энергии поделить на H0, то оно примет следующий вид (с учётом нулевой космологической постоянной):

1=\frac{\rho}{\rho_{cr}}-\frac{kc^2}{a^2H_0^2}.

Из этого уравнения следует, что плотность вещества во Вселенной и кривизна пространства взаимосвязаны: ρ=ρcr соответствует k=0 (случай плоской Вселенной), плотность меньше критической соответствует k=-1 (открытая Вселенная), больше — k=1 (замкнутой Вселенной).
Λ > 0

Если Λ>0 и k≤0, то Вселенная монотонно расширяется, но в отличие от случая с Λ=0 при больших значениях R скорость расширения растёт[70]:

R\propto exp[(\Lambda/3)^{1/2}t].

При k=1 выделенным значением является \Lambda_c=4\pi G\rho. В этом случае существует такое значение R, при котором R'=0 и R''=0, то есть Вселенная статична.

При Λ>Λc скорость расширения убывает до какого-то момента, а потом начинает неограниченно возрастать. Если Λ незначительно превышает Λc, то на протяжении некоторого времени скорость расширения остаётся практически неизменной.

В случае Λ<Λc всё зависит от начального значения R, с которого началось расширения. В зависимости от этого значения Вселенная либо будет расширяться до какого-то размера, а потом сожмется, либо будет неограниченно расширяться.
Теория Большого Взрыва (модель горячей Вселенной)
Основная статья: Большой Взрыв

Теория большого взрыва — теория первичного нуклеосинтеза. Отвечает на вопрос каким образом образовались химические элементы и почему распространенность их именно такая, какая сейчас наблюдается. Зиждится на экстраполяции законов ядерной и квантовой физики, в предположении, что при движении в прошлое, средняя энергия частиц (температура) возрастает[71].

Граница применимости — область высоких энергий, выше которых перестают работать изученные законы. При этом вещества как такового уже и нет, а есть практически чистая энергия. Если экстраполировать закон Хаббла на тот момент, то окажется, что видимая область Вселенный разместилась в небольшом объёме. Малый объём и большая энергия — характерное состояние вещества после взрыва, отсюда и название теории — теория Большого Взрыва. При этом остается за рамками ответ на вопрос: «Что вызвало это взрыв и какова его природа?».

Также теория Большого взрыва предсказала и объяснила происхождение реликтового излучения — это наследие того момента, когда ещё всё вещество было ионизованным и не могло сопротивляться давлению света. Иными словами, реликтовый фон — это остаток «фотосферы Вселенной».
Энтропия Вселенной

Главным аргументом, подтверждающий теорию горячей Вселенной, является величина её энтропии. Она с точностью до численного коэффициента равна отношению концентрации равновесных фотонов nγ к концентрации барионов nb.

Выразим nb через критическую плотность и долю барионов[69]:

n_b=\frac{\rho_cr}{m_p}=1{,}124\cdot 10^{-5}\Omega_b h^2_{100},

где h_{100} — современное значение Хаббла, выраженное в единицах 100 км/(c Мпк), и, учитывая, что для реликтового излучения с T=2,73 К

n_\gamma\approx 420(1+z)^3 см−3,

получаем

\eta\simeq n_b/n_{\gamma}\approx 2{,}7\cdot 10^{-8}\Omega_b h_{100}^2\sim 10^{-9}.

Обратная величина и есть величина энтропии.
Первые три минуты

Предположительно, с начала рождения (или по крайне мере с конца инфляционной стадии) и в течение времени, пока температура остаётся не ниже 1016 ГэВ (10−10с), присутствуют все известные элементарные частицы, причем все они не имеют массы. Этот период называется периодом Великого объединения, когда электрослабое и сильное взаимодействия едины[72] .

На данный момент невозможно сказать, какие же именно частицы присутствуют в тот момент, но кое-что всё же известно. Величина η — не только показатель энтропии, но и характеризует избыток частиц над античастицами[73]:

\frac{n_p-n_{\bar p}}{n_p}=10^{-9}.

В момент, когда температура опускается ниже 1015 ГэВ, вероятно, выделяются X- и Y-бозоны с соответствующими массами.

Эпоху Великого объединения сменяет эпоха электрослабого объединения, когда электромагнитное и слабое взаимодействия представляют единое целое. В эту эпоху идет аннигиляция X- и Y-бозонов. В момент, когда температура понижается до 100 ГэВ, эпоха электрослабого объединения заканчивается, образуются кварки, лептоны и промежуточные бозоны.

Настаёт адронная эра, эра активного рождения и аннигиляции адронов и лептонов. В эту эпоху примечателен момент кварк-адронного перехода или момент конфайнмента кварков, когда стало возможным слияние кварков в адроны. В этот момент температура равна 300—1000 МэВ, а время от рождения Вселенной составляет 10−6 с.

Эпохе адронной эры наследует лептонная эра — в момент, когда температура падает до уровня 100 МэВ, а на часах 10−4 с. В эту эпоху состав Вселенной начинает походить на современный; основные частицы — это фотоны, помимо них есть только электроны и нейтрино со своими античастицами, а также протоны и нейтроны. В этот период происходит одно важное событие: вещество становится прозрачным для нейтрино. Возникает что-то наподобие реликтового фона, но для нейтрино. Но так как отделение нейтрино произошло раньше отделения фотонов, когда некоторые виды частиц ещё не проаннигилировали, отдав свою энергию остальным, то и остыли они больше. К настоящему времени нейтринный газ должен был остыть до 1,9 К, если нейтрино не имеют массы (или их массы пренебрежимо малы).

При температуре Т≈0,7 МэВ термодинамическое равновесие между протонами и нейтронами, существовавшее до этого, нарушается и отношение концентрации нейтронов и протонов застывает на значении 0,19. Начинается синтез ядер дейтерия, гелия, лития. Спустя ~200 секунд после рождения Вселенной температура падает до значений, при которых нуклеосинтез более невозможен, и химический состав вещества остаётся неизменным до момента рождения первых звёзд[72].
Проблемы теории Большого взрыва

Несмотря на значительные успехи, теория горячей Вселенной сталкивается с рядом трудностей. Если бы Большой взрыв вызвал расширение Вселенной, то в общем случае могло бы возникнуть сильное неоднородное распределение вещества, чего не наблюдается. Теория Большого Взрыва также не объясняет расширение Вселенной, она принимает его как факт[74].

Теория также предполагает, что соотношение числа частиц и античастиц на первоначальной стадии было таким, что дало в результате современное преобладание материи над антиматерией. Можно предположить, что вначале Вселенная была симметрична — материи и антиматерии было одинаковое количество, но тогда чтобы объяснить барионную асимметрию необходим некоторый механизм бариогенеза, который должен приводить к возможности распада протона, чего также не наблюдается[68].

Различные теории Великого объединения предполагают рождение в ранней Вселенной большого числа магнитных монополей, до сего момента также не обнаруженных[75].
Инфляционная модель
Основная статья: Инфляционная модель Вселенной

Задача теории инфляции — дать ответы на вопросы, которые оставили после себя теория расширения и теория Большого взрыва: «Почему Вселенная расширяется? И что представляет из себя Большой Взрыв?..» Для этого расширение экстраполируется на нулевой момент времени и вся масса Вселенной оказывается в одной точке, образуя космологическую сингулярность, часто её и называют Большим Взрывом. По всей видимости, общая теория относительности на тот момент уже неприменима, что приводит к многочисленным, но пока, увы, только чисто умозрительным попыткам разработать более общую теорию (или даже «новую физику»), решающую эту проблему космологической сингулярности

Основная идея инфляционной стадии — если вести скалярное поле, называемое инфлантоном, воздействие которого велико на начальных стадиях (начиная, примерно с 10−42с), но быстро убывает со временем, то можно объяснить плоскую геометрию пространства, хаббловское расширение же становится движением по инерции благодаря большой кинетической энергии, накопленной в ходе инфляции, а происхождение из малой изначально причинно-связанной области объясняет однородность и изотропность Вселенной.

Однако способов задать инфлатон — великое множество, что в свою очередь порождает целое множество моделей. Но большинство основывается на предположении о медленном скатывании: потенциал инфлантона медленно уменьшается до значения, равного нулю. Конкретный же вид потенциала и способ задания начальных значений зависит от выбранной теории.

Теории инфляции также делятся на бесконечные и конечные во времени. В теории с бесконечной инфляцией существуют области пространства — домены — которые начали расширяться, но из-за квантовых флуктуаций вернулись в первоначальное состояние, в котором возникают условия для повторной инфляции. К таким теориям относится любая теория с бесконечным потенциалом и хаотическая теория инфляции Линде.

К теориям с конечным временем инфляции относится гибридная модель. В ней существует два вида поля: первое ответственно за большие энергии (а значит за скорость расширения), а второе за малые, определяющие момент завершения инфляции. В таком случае квантовые флуктуации могут повлиять только на первое поле, но не на второе, а значит и сам процесс инфляции конечен.

К нерешенным проблемам инфляции можно отнести скачки температуры в очень большом диапазоне, в какой-то момент она падает почти до абсолютного нуля. В конце инфляции происходит повторный нагрев вещества до высоких температур. На роль возможного объяснения столь странного поведения предлагается «параметрический резонанс»[76].
Мультивселенная
Основная статья: Мультивселенная

«Мультивселенная», «Большая Вселенная», «Мультиверс», «Гипервселенная», «Сверхвселенная», «Мультиленная» — различные переводы английского термина multiverse. Появился он в ходе развития теории инфляции[77].

Области Вселенной, разделённые расстояниями больше размера горизонта частиц, эволюционируют независимо друг от друга. Любой наблюдатель видит только те процессы, которые происходят в домене, равном по объёму сфере с радиусом, составляющим расстояние до горизонта частиц. В эпоху инфляции две области расширения, разделённые расстоянием порядка горизонта, не пересекаются.

Такие домены можно рассматривать как отдельные вселенные, подобные нашей: они точно так же однородны и изотропны на больших масштабах. Конгломерат таких образований и есть Мультивселенная.

Хаотическая теория инфляции предполагает бесконечное разнообразие Вселенных, каждая из которых может иметь отличные от других Вселенных физические константы[78]. В другой теории Вселенные различаются по квантовому измерению[79]. По определению эти предположения нельзя экспериментально проверить.
Альтернативы теории инфляции
Образование Вселенной с точки зрения теории бран.

Модель космической инфляции вполне успешна, но не необходима для рассмотрения космологии. У неё имеются противники, в числе которых можно назвать Роджера Пенроуза. Их аргументы сводятся к тому, что решения, предлагаемые инфляционной моделью, оставляют за собой упущенные детали. Например, никаких фундаментальных обоснований того, что возмущения плотности на доинфляционной стадии должны быть именно такими малыми, чтобы после инфляции возникала наблюдаемая степень однородности, эта теория не предлагает. Аналогичная ситуация и с пространственной кривизной: она очень сильно уменьшается при инфляции, но ничто не мешало ей до инфляции иметь настолько большое значение, чтобы всё-таки проявляться на современном этапе развития Вселенной. Иными словами, проблема начальных значений не решается, а лишь искусно драпируется.

В качестве альтернативы предлагаются такие экзотические теории, как теория струн и теория бран, а также циклическая теория. Основная идея этих теорий заключается в том, что все необходимые начальные значения формируются до Большого взрыва.

Теория струн требует дополнить обычное четырёхмерное пространство-время ещё несколькими измерениями, которые играли бы роль на раннем этапе Вселенной, но сейчас находятся в компактифицированном состоянии. На неизбежный вопрос, почему же эти измерения компактифицированы, предлагается следующий ответ: суперструны обладают T-дуальностью, в связи с чем струна «наматывается» на дополнительные измерения, ограничивая их размер[80].

В рамках теории бран (М