Содержание
Ученые выяснили, что произошло в первую микросекунду Большого взрыва
https://ria.ru/20210526/vzryv-1733969483.html
Ученые выяснили, что произошло в первую микросекунду Большого взрыва
Ученые выяснили, что произошло в первую микросекунду Большого взрыва — РИА Новости, 26.05.2021
Ученые выяснили, что произошло в первую микросекунду Большого взрыва
Физики, работающие на детекторе ALICE Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, выяснили, что случилось с кварк-глюонной плазмой — самой ранней материей из… РИА Новости, 26.05.2021
2021-05-26T13:20
2021-05-26T13:20
2021-05-26T17:39
наука
космос — риа наука
большой адронный коллайдер
физика
европейская организация ядерных исследований (церн)
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/09/08/1576940819_4:0:1024:574_1920x0_80_0_0_40e46a474bd4fd8eaa28dfcfd0b9cdae.jpg
МОСКВА, 26 мая — РИА Новости.
Физики, работающие на детекторе ALICE Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, выяснили, что случилось с кварк-глюонной плазмой — самой ранней материей из когда-либо существовавших — в первую микросекунду Большого взрыва. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Physics Letters B.Соглаcно современным научным представлениям, примерно 14 миллиардов лет назад наша Вселенная перешла от состояния космологической сингулярности, характеризующегося бесконечной плотностью и температурой вещества, к стремительному расширению. Это называется Большим взрывом. В результате него возникли все известные виды вещества: частицы, атомы, звезды, галактики, а также жизнь в том виде, в каком мы ее знаем сегодня. Но сами процессы возникновения первичного вещества ученым пока понятны не до конца.Участники эксперимента ALICE (A Large Ion Collider Experiment) Большого адронного коллайдера изучили вещество под названием кварк-глюонная плазма — единственную материю, существовавшую в самую первую микросекунду Большого взрыва.
Это позволило восстановить уникальную историю того, как материя развивалась на ранней стадии становления Вселенной.»Сначала плазма, состоящая из кварков и глюонов, была разделена горячим расширением Вселенной. Затем частицы кварков преобразовались в так называемые адроны. Адрон с тремя кварками образует протон, который является частью атомных ядер. Эти ядра — строительные блоки, из которых состоит Земля, мы и окружающая нас Вселенная», — приводятся в пресс-релизе Копенгагенского университета слова одного из участников исследования доктора Ю Чжоу (You Zhou), доцента Института Нильса Бора.Кварк-глюонная плазма (КГП) присутствовала в первые 0,000001 секунды Большого взрыва, а затем исчезла из-за расширения. В эксперименте в ЦЕРНе исследователи смогли воссоздать это первое в истории Вселенной вещество и проследить, что с ним произошло.»Коллайдер сталкивает ионы плазмы между собой с огромной скоростью — почти со скоростью света. Это позволяет увидеть, как КГП превращается в ядра атомов и строительные блоки жизни», — объясняет Ю Чжоу.
Ученые разработали алгоритм, который позволил проанализировать коллективное расширение большего количества частиц КГП одновременно. Результаты показали, что изначально кварк-глюонная плазма была текучей жидкостью, но со временем меняла форму.»В течение долгого времени исследователи думали, что плазма представляет собой форму газа, — продолжает ученый. — Но наш анализ подтвердил экспериментальные наблюдения на адронном коллайдере. КГП, подобно воде, имеет гладкую мягкую текстуру, а форма ее со временем плавно меняется, что довольно удивительно и отличается от любого другого вещества, которое мы знаем, и от того, чего мы ожидали».Эксперименты с кварк-глюонной плазмой продолжаются в ЦЕРНе более двадцати лет. Более десяти лет назад был создан специальный детектор для тяжелых ионов ALICE.»Каждое открытие — это кирпичик, который увеличивает наши шансы узнать правду о Большом взрыве. Нам потребовалось около двадцати лет, чтобы выяснить, что кварк-глюонная плазма была текучей, прежде чем превратилась в адроны и строительные блоки жизни.
Поэтому любые новые знания о постоянно меняющемся поведении плазмы — это большой прорыв», — заключает Ю Чжоу.
https://ria.ru/20210514/vselennaya-1732282013.html
https://ria.ru/20210429/vselennaya-1730506397.html
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2021
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
1920
1080
true
1920
1440
true
https://cdnn21.
img.ria.ru/images/07e4/09/08/1576940819_238:0:1003:574_1920x0_80_0_0_8c172ddef275723f975747ba0b5d3d77.jpg
1920
1920
true
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
космос — риа наука, большой адронный коллайдер, физика, европейская организация ядерных исследований (церн)
Наука, Космос — РИА Наука, Большой адронный коллайдер, Физика, Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН)
МОСКВА, 26 мая — РИА Новости. Физики, работающие на детекторе ALICE Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, выяснили, что случилось с кварк-глюонной плазмой — самой ранней материей из когда-либо существовавших — в первую микросекунду Большого взрыва.
Статья с результатами исследования опубликована в журнале Physics Letters B.
Соглаcно современным научным представлениям, примерно 14 миллиардов лет назад наша Вселенная перешла от состояния космологической сингулярности, характеризующегося бесконечной плотностью и температурой вещества, к стремительному расширению. Это называется Большим взрывом. В результате него возникли все известные виды вещества: частицы, атомы, звезды, галактики, а также жизнь в том виде, в каком мы ее знаем сегодня. Но сами процессы возникновения первичного вещества ученым пока понятны не до конца.
Участники эксперимента ALICE (A Large Ion Collider Experiment) Большого адронного коллайдера изучили вещество под названием кварк-глюонная плазма — единственную материю, существовавшую в самую первую микросекунду Большого взрыва. Это позволило восстановить уникальную историю того, как материя развивалась на ранней стадии становления Вселенной.
«Сначала плазма, состоящая из кварков и глюонов, была разделена горячим расширением Вселенной.
Затем частицы кварков преобразовались в так называемые адроны. Адрон с тремя кварками образует протон, который является частью атомных ядер. Эти ядра — строительные блоки, из которых состоит Земля, мы и окружающая нас Вселенная», — приводятся в пресс-релизе Копенгагенского университета слова одного из участников исследования доктора Ю Чжоу (You Zhou), доцента Института Нильса Бора.
14 мая 2021, 12:22Наука
Ученые получили необычные данные о расширении Вселенной
Кварк-глюонная плазма (КГП) присутствовала в первые 0,000001 секунды Большого взрыва, а затем исчезла из-за расширения. В эксперименте в ЦЕРНе исследователи смогли воссоздать это первое в истории Вселенной вещество и проследить, что с ним произошло.
«Коллайдер сталкивает ионы плазмы между собой с огромной скоростью — почти со скоростью света. Это позволяет увидеть, как КГП превращается в ядра атомов и строительные блоки жизни», — объясняет Ю Чжоу.
Ученые разработали алгоритм, который позволил проанализировать коллективное расширение большего количества частиц КГП одновременно.
Результаты показали, что изначально кварк-глюонная плазма была текучей жидкостью, но со временем меняла форму.
«В течение долгого времени исследователи думали, что плазма представляет собой форму газа, — продолжает ученый. — Но наш анализ подтвердил экспериментальные наблюдения на адронном коллайдере. КГП, подобно воде, имеет гладкую мягкую текстуру, а форма ее со временем плавно меняется, что довольно удивительно и отличается от любого другого вещества, которое мы знаем, и от того, чего мы ожидали».
Эксперименты с кварк-глюонной плазмой продолжаются в ЦЕРНе более двадцати лет. Более десяти лет назад был создан специальный детектор для тяжелых ионов ALICE.
«Каждое открытие — это кирпичик, который увеличивает наши шансы узнать правду о Большом взрыве. Нам потребовалось около двадцати лет, чтобы выяснить, что кварк-глюонная плазма была текучей, прежде чем превратилась в адроны и строительные блоки жизни. Поэтому любые новые знания о постоянно меняющемся поведении плазмы — это большой прорыв», — заключает Ю Чжоу.
29 апреля 2021, 15:36Наука
Ученые придумали необычный способ оценки скорости расширения Вселенной
Физики выяснили, что произошло в первую микросекунду Большого взрыва
NASA / CXC / M. Weiss
Физики из Института Нильса Бора Копенгагенского университета представили исследование, объясняющее самый ранний процесс создания Вселенной. Они выяснили, что именно произошло с уникальным типом плазмы во время первой микросекунды Большого взрыва.
Исследование опубликовано в журнале Physics Letters B, а краткий отчет о нем появился на сайте Института Нильса Бора. Открытие датских физиков позволяет разгадать часть головоломки, связанной с пониманием эволюции Вселенной.
Общепринятая теория гласит, что Вселенная появилась около 14 миллиардов лет назад. Произошло это в результате почти мгновенного превращения горячей и энергетически насыщенной точки в ту радикально расширяющуюся Вселенную, какой мы ее знаем. Этот процесс ученые назвали Большим взрывом.
Стремительное расширение Вселенной привело к появлению частиц, атомов, звезд и галактик, но вот о том, что именно происходило в первые мгновения «сотворения мира», известно крайне мало. Новое исследование частично восполняет пробел в знаниях.
С помощью Большого адронного коллайдера, расположенного в Швейцарии, ученые смогли воссоздать кварк-глюонную плазму (КГП). Считается, что этот определенный тип плазмы присутствовал в первые 0,000001 секунды Большого взрыва. Затем плазма исчезла, поскольку была «разнесена» на несколько частей.
Ускоритель частиц помог исследователям воспроизвести этот процесс. Ионы плазмы были «разбиты» при помощи чрезвычайно высокой скорости, почти равной скорости света. Это помогло изучить, как КГП превращается из собственного вещества в часть атомных ядер и строительных блоков нашей Вселенной.
Кроме того, исследователи разработали алгоритм, который позволил одновременно анализировать вдвое больше информации о частицах, чем это было возможно ранее.
Результаты показали, что КГП в первую микросекунду Большого взрыва была жидкой и имела гладкую структуру.
«В течение долгого времени исследователи думали, что эта плазма представляла собой своего рода газ, — объясняет ведущий автор исследования Ю Чжоу. — Но наши анализы подтверждают последнюю веху в исследованиях, которая показала, что КГП была жидкой и имела мягкую и гладкую структуру, напоминающую воду. Новое, что мы обнаружили, заключается в том, что плазма со временем меняла форму, что довольно удивительно и отличается от всех других известных нам веществ».
По словам ученого, плазма, состоящая из кварков и глюонов, распалась, когда Вселенная расширилась во время Большого взрыва. Затем кусочки кварка соединились и образовали так называемые адроны. Адрон, состоящий из трех частей кварка, в свою очередь образовал протон, входящий в состав ядер атомов. Эти ядра и стали строительными блоками всей жизни. Именно они помогли сформировать Вселенную, а также нашу Землю и все живое на ней.
Ученые еще не могут объяснить, почему плазма изменила форму. Однако новое открытие приближает нас к разгадке тайны Большого взрыва и пониманию того, как именно Вселенная развивалась в свою первую микросекунду.
«Каждое открытие — это часть головоломки, которая приоткрывает истину о Большом взрыве, — говорит Ю Чжоу. — Нам потребовалось почти 20 лет, чтобы выяснить, что плазма была жидкой, прежде чем она стала адронами и строительными блоками нашей Вселенной. Вот почему наши новые знания о том, что плазма постоянно меняет форму, являются огромным прорывом».
Большой взрыв: что на самом деле произошло при рождении нашей Вселенной?
(Изображение предоставлено: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY через Getty Images)
Потребовалось чуть больше семи дней, чтобы создать вселенную такой, какой мы ее знаем сегодня. SPACE.com рассматривает тайны небес в нашей серии из восьми частей: История и будущее космоса . Это 5 часть из этой серии.
Наша Вселенная родилась около 13,7 миллиардов лет назад в результате массивного расширения, которое взорвало пространство, как гигантский воздушный шар.
Вкратце это и есть теория Большого Взрыва, которую поддерживают практически все космологи и физики-теоретики. Доказательства, подтверждающие эту идею, обширны и убедительны. Мы знаем, например, что Вселенная продолжает расширяться даже сейчас с постоянно ускоряющейся скоростью.
Ученые также обнаружили предсказанный тепловой отпечаток Большого взрыва, пронизывающее вселенную космическое микроволновое фоновое излучение. И мы не видим никаких объектов явно старше 13,7 миллиардов лет, что позволяет предположить, что наша Вселенная возникла примерно в это время.
«Все эти вещи ставят теорию Большого взрыва на чрезвычайно прочную основу», — сказал астрофизик Алекс Филиппенко из Калифорнийского университета в Беркли. «Большой взрыв — чрезвычайно успешная теория».
Чему учит нас эта теория? Что на самом деле произошло при рождении нашей Вселенной и как она приняла форму, которую мы наблюдаем сегодня?
Связанный: История Вселенной: от Большого взрыва до наших дней за 10 простых шагов
Начало
Традиционная теория Большого взрыва утверждает, что наша Вселенная началась с сингулярности — точки бесконечной плотности и температуры, природа которой сложна для нашего разума, чтобы понять.
Однако это может не совсем точно отражать реальность, говорят исследователи, потому что идея сингулярности основана на общей теории относительности Эйнштейна.
«Проблема в том, что нет никаких оснований верить в общую теорию относительности в этом режиме», — сказал Шон Кэрролл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института. «Это будет неправильно, потому что не принимает во внимание квантовую механику. А квантовая механика, безусловно, будет важна, как только вы доберетесь до этого места в истории Вселенной».
Итак, самое начало вселенной остается довольно туманным. Ученые считают, что они могут воспроизвести историю примерно через 10 с минус 36 секунд — одну триллионную от триллионной триллионной доли секунды — после Большого взрыва.
В этот момент, по их мнению, Вселенная претерпела чрезвычайно короткий и драматический период расширения, расширяясь быстрее скорости света. Он удвоился в размере, возможно, в 100 или более раз, и все это в течение нескольких крошечных долей секунды.
(Может показаться, что инфляция нарушает специальную теорию относительности, но это не так, говорят ученые. Специальная теория относительности утверждает, что никакая информация или материя не могут переноситься между двумя точками в пространстве со скоростью, превышающей скорость света. Но инфляция была расширение самого пространства.)
«Инфляция была «взрывом» Большого Взрыва, — сказал Филиппенко SPACE.com. — До инфляции было немного вещества, которое, вполне возможно, немного расширилось. Нам нужно было что-то вроде инфляции, чтобы сделать Вселенная большая».
Эта быстро расширяющаяся вселенная практически не содержала материи, но, согласно теории, содержала огромное количество темной энергии. Темная энергия — это таинственная сила, которая, по мнению ученых, является движущей силой нынешнего ускоряющегося расширения Вселенной.
Во время инфляции темная энергия заставила Вселенную сгладиться и ускориться. Но это не задержалось надолго.
«Это была просто временная темная энергия», — сказал Кэрролл SPACE.
com. «Он превратился в обычную материю и излучение посредством процесса, называемого повторным нагревом. Вселенная превратилась из холодной во время инфляции в снова горячую, когда вся темная энергия исчезла».
Ученые не знают, что могло вызвать инфляцию. По словам Филиппенко, это остается одним из ключевых вопросов космологии Большого взрыва.
На этом рисунке показана временная шкала Вселенной, основанная на теории Большого взрыва и моделях инфляции. (Изображение предоставлено NASA/WMAP)
Большой отскок
Большинство космологов считают инфляцию ведущей теорией для объяснения характеристик Вселенной — в частности, того, почему она относительно плоская и однородная, с примерно одинаковым количеством вещества, равномерно распределенным во всех направлениях.
Различные доказательства указывают на то, что инфляция является реальностью, сказал физик-теоретик Энди Альбрехт из Калифорнийского университета в Дэвисе.
«Все они прекрасно сочетаются с инфляционной картиной», — сказал Альбрехт, один из создателей теории инфляции.
«Инфляция сделала невероятно хорошо».
Однако инфляция — не единственная идея, пытающаяся объяснить структуру Вселенной. Теоретики придумали другую, названную циклической моделью, которая основана на более ранней концепции, называемой экпиротической вселенной.
Эта идея утверждает, что наша Вселенная не возникла из одной точки или чего-то подобного. Скорее, она отскочила в сторону расширения — гораздо более спокойными темпами, чем предсказывает теория инфляции — из ранее существовавшей Вселенной, которая сжималась. Если эта теория верна, наша Вселенная, вероятно, претерпела бесконечную череду взрывов и схлопываний.
«Начало нашей вселенной было бы прекрасным и конечным», — сказал Берт Оврут из Пенсильванского университета, один из создателей экпиротической теории.
Циклическая модель утверждает, что наша Вселенная состоит из 11 измерений, только четыре из которых мы можем наблюдать (три пространственных и одно временное). Наша четырехмерная часть Вселенной называется браной (сокращение от мембраны).
Согласно идее, в 11-мерном пространстве могут скрываться и другие браны. Столкновение двух бран могло привести к тому, что Вселенная перешла от сжатия к расширению, спровоцировав Большой взрыв, свидетельство которого мы наблюдаем сегодня.
На этом изображении всего неба космического микроволнового фона, созданном спутником «Планк» Европейского космического агентства, видны отголоски Большого взрыва, оставшиеся со времен зарождения Вселенной. (Изображение предоставлено ESA/LFI & HFI Consortia)
Известная нам Вселенная обретает форму
Но, во-первых, как наша Вселенная возникла из ничего? Космологи подозревают, что четыре силы, управляющие Вселенной — гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное ядерное взаимодействие — были объединены в единую силу при рождении Вселенной, сжатые вместе из-за связанных с этим экстремальных температур и плотностей.
Но все изменилось, когда Вселенная расширилась и остыла. Примерно во время инфляции сильное взаимодействие, вероятно, отделилось.
И примерно через 10 триллионных долей секунды после Большого взрыва электромагнитное и слабое взаимодействия также стали различаться.
Сразу после инфляции Вселенная, вероятно, была заполнена горячей плотной плазмой. Но примерно за 1 микросекунду (от 10 до минус 6 секунд) или около того он достаточно остыл, чтобы позволить сформироваться первым протонам и нейтронам, считают исследователи.
В первые три минуты после Большого взрыва эти протоны и нейтроны начали сливаться вместе, образуя дейтерий (также известный как тяжелый водород). Затем атомы дейтерия соединились друг с другом, образовав гелий-4.
Рекомбинация: Вселенная становится прозрачной
Все вновь созданные атомы были положительно заряжены, поскольку Вселенная была еще слишком горячей, чтобы способствовать захвату электронов.
Но все изменилось примерно через 380 000 лет после Большого Взрыва. В эпоху, известную как рекомбинация, ионы водорода и гелия начали захватывать электроны, образуя электрически нейтральные атомы.
Свет значительно рассеивается на свободных электронах и протонах, но гораздо меньше на нейтральных атомах. Так что теперь фотоны могли свободно путешествовать по Вселенной.
Рекомбинация кардинально изменила облик Вселенной; это был непрозрачный туман, а теперь он стал прозрачным. Космическое микроволновое фоновое излучение, которое мы наблюдаем сегодня, относится к этой эпохе.
Тем не менее, Вселенная долгое время была довольно темной после рекомбинации, по-настоящему осветившись только тогда, когда первые звезды начали сиять примерно через 300 миллионов лет после Большого взрыва. Они помогли отменить многое из того, что было достигнуто рекомбинацией. Эти ранние звезды — и, возможно, некоторые другие загадочные источники — испускали достаточно радиации, чтобы расщепить большую часть водорода во Вселенной обратно на составляющие его протоны и электроны.
Этот процесс, известный как реионизация, похоже, завершился примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва.
Вселенная сегодня не непрозрачна, как это было до рекомбинации, потому что она так сильно расширилась. По словам ученых, вещество во Вселенной очень разбавлено, поэтому взаимодействия, связанные с рассеянием фотонов, относительно редки.
Со временем звезды притягивались друг к другу, образуя галактики, что приводило к образованию все более крупномасштабных структур во Вселенной. Планеты объединились вокруг некоторых недавно образовавшихся звезд, включая наше собственное Солнце. А 3,8 миллиарда лет назад на Земле зародилась жизнь.
До Большого Взрыва?
Хотя многое о первых мгновениях Вселенной остается спекулятивным, вопрос о том, что предшествовало Большому Взрыву, еще более загадочен и труден для решения.
Во-первых, сам вопрос может быть бессмысленным. Если Вселенная возникла из ничего, как считают некоторые теоретики, то Большой взрыв отмечает момент, когда началось само время. В этом случае не было бы такого понятия, как «раньше», сказал Кэрролл.
Но некоторые концепции рождения вселенной могут предложить возможные ответы.
Циклическая модель, например, предполагает, что нашей расширяющейся Вселенной предшествовала сжимающаяся Вселенная. Кэрролл тоже может вообразить, что что-то существовало до Большого взрыва.
«Это может быть просто пустое пространство, которое существовало до того, как произошел наш Большой Взрыв, а затем какая-то квантовая флуктуация породила вселенную, подобную нашей», — сказал он. «Вы можете представить себе небольшой пузырь пространства, оторвавшийся в результате флуктуации и наполнившийся крошечной каплей энергии, которая затем может вырасти во вселенную, которую мы видим благодаря инфляции».
Филиппенко тоже подозревает, что что-то в этом роде может быть правдой.
«Я думаю, что время в нашей вселенной началось с Большого взрыва, но я думаю, что мы были отклонением от предшественника, материнской вселенной», — сказал Филиппенко.
Узнаем ли мы когда-нибудь?
Миссия Европейского космического агентства «Планк», которая вращалась вокруг Земли с 2009 по 2013 год, помогла космологам уточнить свои представления о природе нашей Вселенной и ее происхождении.
Подробная карта космического микроволнового фона, созданная космическим кораблем, показала, что наша Вселенная, даже если она возникла от предшественницы, вряд ли снова сожмется в будущем, сказал Space.com астрофизик Дэйв Клементс из Имперского колледжа Лондона.
«Планк не может полностью исключить концепцию прыгающей Вселенной, но, учитывая текущие значения космологических параметров, наша Вселенная не собирается повторно коллапсировать», — сказал Клементс. «Компонент темной энергии, который в данный момент ускоряет расширение Вселенной, должен измениться, чтобы обратить это расширение вспять и привести к большому сжатию».
Используя данные Планка, ученые смогли уточнить свои оценки возраста Вселенной, а также количества видимой материи, темной материи и темной энергии в ней. По словам Клементса, миссия не преподнесла никаких сюрпризов и в основном подтвердила существующие теории.
«Это показывает, что это максимально скучная вселенная», — сказал Клементс.
Тем не менее, по его результатам возникло несколько новых вопросов.
Например, постоянная Хаббла, описывающая скорость расширения Вселенной, незначительно отличается, измеренная Планком в далекой Вселенной, по сравнению с ее значением, полученным космическим телескопом Хаббла на основе измерений в ближней Вселенной, сказал Клементс.
Вся эта крупица информации помогает космологам лучше моделировать эволюцию Вселенной и приближаться к ответам на важные вопросы о происхождении всего сущего. Ожидается, что предстоящая миссия Европейского космического агентства под названием «Евклид» , запуск которой запланирован на 2023 год, сделает дальнейшие шаги в этом направлении.
Что дальше
Миссия Евклид будет изучать, как скопления и галактики разбросаны по Вселенной в больших масштабах, чтобы помочь астрономам лучше понять эффекты темной энергии. Он также будет изучать то, что астрономы называют слабым гравитационным линзированием, искривление света, вызванное гравитационным притяжением очень массивных объектов. Поскольку более 80% материи во Вселенной невидимы, сила линзирования может дать астрономам подсказки о распределении темной материи.
«Евклид сможет измерить это в гораздо большем масштабе, возможно, почти на половине внегалактического неба или даже больше», — сказал Клементс.
Дальнейшие части этой космической головоломки могут появиться в результате изучения гравитационных волн, ряби в пространстве-времени, возникающей при столкновениях сверхмассивных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды.
Гравитационные волны, сказал Клементс, должны были возникнуть во время инфляции, периода быстрого расширения в первые моменты существования Вселенной. Таким образом, обнаружение этих ранних гравитационных волн и расшифровка их свойств могут дать беспрецедентные знания о рождении Вселенной.
«Это расскажет нам кое-что о физике, которая привела к раннему очень быстрому расширению Вселенной», — сказал Клементс. «Мы действительно возвращаемся к самым, самым ранним моментам, и если мы лучше поймем инфляцию, мы, надеюсь, сможем лучше понять, был ли Большой взрыв единичным событием или эта прыгающая идея может быть правильной».
Вы можете следить за старшим писателем SPACE.com Майком Уоллом в Твиттере: @michaeldwall. Подписывайтесь на SPACE.com, чтобы быть в курсе последних новостей космической науки и исследований, в Twitter @Spacedotcom и на Facebook.
Дополнительные ресурсы
Чтобы узнать больше о миссии «Планк» и ее стремлении понять происхождение Вселенной, посетите веб-сайт Европейского космического агентства. Для получения информации о предстоящей миссии EUCLID перейдите сюда.
Для получения дополнительной информации об изучении первичных гравитационных волн и о том, как они могут помочь раскрыть тайны рождения Вселенной, прочитайте эту статью Массачусетского технологического института.
Библиография
Муиа, Ф., Большой взрыв: как мы пытаемся его «прислушаться» и какую новую физику он может открыть, The Conversation, 15 июля 2021 г.
https://theconversation.com/big-bang-how-we-are-trying-to-listen-to-it-and-the-new-physics-it-could-unveil-164502
Кастельвекки, Д.
, Как гравитационные волны могут разгадать некоторые из глубочайших загадок Вселенной, Природа, 11 апреля 2018 г.
https://sci.esa.int/web/planck
ESA, Евклид
https://sci.esa.int/web/euclid
Эта справочная статья, первоначально опубликованная 21 октября 2011 г., была обновлена 4 февраля 2022 г.
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Майкл Уолл — старший космический писатель Space.com (открывается в новой вкладке) , присоединился к команде в 2010 году. В основном он освещает экзопланеты, космические полеты и военный космос, но, как известно, увлекается космическим искусством. Его книга о поисках инопланетной жизни «Out There» была опубликована 13 ноября 2018 года. Прежде чем стать научным писателем, Майкл работал герпетологом и биологом дикой природы.
У него есть докторская степень. по эволюционной биологии Сиднейского университета, Австралия, степень бакалавра Аризонского университета и диплом о высшем образовании в области научного письма Калифорнийского университета в Санта-Круз. Чтобы узнать, какой у него последний проект, вы можете подписаться на Майкла в Твиттере.
Большой взрыв: что на самом деле произошло при рождении нашей Вселенной?
(Изображение предоставлено: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY через Getty Images)
Потребовалось чуть больше семи дней, чтобы создать вселенную такой, какой мы ее знаем сегодня. SPACE.com рассматривает тайны небес в нашей серии из восьми частей: История и будущее космоса . Это 5 часть из этой серии.
Наша Вселенная родилась около 13,7 миллиардов лет назад в результате массивного расширения, которое взорвало пространство, как гигантский воздушный шар.
Вкратце это и есть теория Большого Взрыва, которую поддерживают практически все космологи и физики-теоретики.
Доказательства, подтверждающие эту идею, обширны и убедительны. Мы знаем, например, что Вселенная продолжает расширяться даже сейчас с постоянно ускоряющейся скоростью.
Ученые также обнаружили предсказанный тепловой отпечаток Большого взрыва, пронизывающее вселенную космическое микроволновое фоновое излучение. И мы не видим никаких объектов явно старше 13,7 миллиардов лет, что позволяет предположить, что наша Вселенная возникла примерно в это время.
«Все эти вещи ставят теорию Большого взрыва на чрезвычайно прочную основу», — сказал астрофизик Алекс Филиппенко из Калифорнийского университета в Беркли. «Большой взрыв — чрезвычайно успешная теория».
Чему учит нас эта теория? Что на самом деле произошло при рождении нашей Вселенной и как она приняла форму, которую мы наблюдаем сегодня?
Связанный: История Вселенной: от Большого взрыва до наших дней за 10 простых шагов
Начало
Традиционная теория Большого взрыва утверждает, что наша Вселенная началась с сингулярности — точки бесконечной плотности и температуры, природа которой сложна для нашего разума, чтобы понять.
Однако это может не совсем точно отражать реальность, говорят исследователи, потому что идея сингулярности основана на общей теории относительности Эйнштейна.
«Проблема в том, что нет никаких оснований верить в общую теорию относительности в этом режиме», — сказал Шон Кэрролл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института. «Это будет неправильно, потому что не принимает во внимание квантовую механику. А квантовая механика, безусловно, будет важна, как только вы доберетесь до этого места в истории Вселенной».
Итак, самое начало вселенной остается довольно туманным. Ученые считают, что они могут воспроизвести историю примерно через 10 с минус 36 секунд — одну триллионную от триллионной триллионной доли секунды — после Большого взрыва.
В этот момент, по их мнению, Вселенная претерпела чрезвычайно короткий и драматический период расширения, расширяясь быстрее скорости света. Он удвоился в размере, возможно, в 100 или более раз, и все это в течение нескольких крошечных долей секунды.
(Может показаться, что инфляция нарушает специальную теорию относительности, но это не так, говорят ученые. Специальная теория относительности утверждает, что никакая информация или материя не могут переноситься между двумя точками в пространстве со скоростью, превышающей скорость света. Но инфляция была расширение самого пространства.)
«Инфляция была «взрывом» Большого Взрыва, — сказал Филиппенко SPACE.com. — До инфляции было немного вещества, которое, вполне возможно, немного расширилось. Нам нужно было что-то вроде инфляции, чтобы сделать Вселенная большая».
Эта быстро расширяющаяся вселенная практически не содержала материи, но, согласно теории, содержала огромное количество темной энергии. Темная энергия — это таинственная сила, которая, по мнению ученых, является движущей силой нынешнего ускоряющегося расширения Вселенной.
Во время инфляции темная энергия заставила Вселенную сгладиться и ускориться. Но это не задержалось надолго.
«Это была просто временная темная энергия», — сказал Кэрролл SPACE.
com. «Он превратился в обычную материю и излучение посредством процесса, называемого повторным нагревом. Вселенная превратилась из холодной во время инфляции в снова горячую, когда вся темная энергия исчезла».
Ученые не знают, что могло вызвать инфляцию. По словам Филиппенко, это остается одним из ключевых вопросов космологии Большого взрыва.
На этом рисунке показана временная шкала Вселенной, основанная на теории Большого взрыва и моделях инфляции. (Изображение предоставлено NASA/WMAP)
Большой отскок
Большинство космологов считают инфляцию ведущей теорией для объяснения характеристик Вселенной — в частности, того, почему она относительно плоская и однородная, с примерно одинаковым количеством вещества, равномерно распределенным во всех направлениях.
Различные доказательства указывают на то, что инфляция является реальностью, сказал физик-теоретик Энди Альбрехт из Калифорнийского университета в Дэвисе.
«Все они прекрасно сочетаются с инфляционной картиной», — сказал Альбрехт, один из создателей теории инфляции.
«Инфляция сделала невероятно хорошо».
Однако инфляция — не единственная идея, пытающаяся объяснить структуру Вселенной. Теоретики придумали другую, названную циклической моделью, которая основана на более ранней концепции, называемой экпиротической вселенной.
Эта идея утверждает, что наша Вселенная не возникла из одной точки или чего-то подобного. Скорее, она отскочила в сторону расширения — гораздо более спокойными темпами, чем предсказывает теория инфляции — из ранее существовавшей Вселенной, которая сжималась. Если эта теория верна, наша Вселенная, вероятно, претерпела бесконечную череду взрывов и схлопываний.
«Начало нашей вселенной было бы прекрасным и конечным», — сказал Берт Оврут из Пенсильванского университета, один из создателей экпиротической теории.
Циклическая модель утверждает, что наша Вселенная состоит из 11 измерений, только четыре из которых мы можем наблюдать (три пространственных и одно временное). Наша четырехмерная часть Вселенной называется браной (сокращение от мембраны).
Согласно идее, в 11-мерном пространстве могут скрываться и другие браны. Столкновение двух бран могло привести к тому, что Вселенная перешла от сжатия к расширению, спровоцировав Большой взрыв, свидетельство которого мы наблюдаем сегодня.
На этом изображении всего неба космического микроволнового фона, созданном спутником «Планк» Европейского космического агентства, видны отголоски Большого взрыва, оставшиеся со времен зарождения Вселенной. (Изображение предоставлено ESA/LFI & HFI Consortia)
Известная нам Вселенная обретает форму
Но, во-первых, как наша Вселенная возникла из ничего? Космологи подозревают, что четыре силы, управляющие Вселенной — гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное ядерное взаимодействие — были объединены в единую силу при рождении Вселенной, сжатые вместе из-за связанных с этим экстремальных температур и плотностей.
Но все изменилось, когда Вселенная расширилась и остыла. Примерно во время инфляции сильное взаимодействие, вероятно, отделилось.
И примерно через 10 триллионных долей секунды после Большого взрыва электромагнитное и слабое взаимодействия также стали различаться.
Сразу после инфляции Вселенная, вероятно, была заполнена горячей плотной плазмой. Но примерно за 1 микросекунду (от 10 до минус 6 секунд) или около того он достаточно остыл, чтобы позволить сформироваться первым протонам и нейтронам, считают исследователи.
В первые три минуты после Большого взрыва эти протоны и нейтроны начали сливаться вместе, образуя дейтерий (также известный как тяжелый водород). Затем атомы дейтерия соединились друг с другом, образовав гелий-4.
Рекомбинация: Вселенная становится прозрачной
Все вновь созданные атомы были положительно заряжены, поскольку Вселенная была еще слишком горячей, чтобы способствовать захвату электронов.
Но все изменилось примерно через 380 000 лет после Большого Взрыва. В эпоху, известную как рекомбинация, ионы водорода и гелия начали захватывать электроны, образуя электрически нейтральные атомы.
Свет значительно рассеивается на свободных электронах и протонах, но гораздо меньше на нейтральных атомах. Так что теперь фотоны могли свободно путешествовать по Вселенной.
Рекомбинация кардинально изменила облик Вселенной; это был непрозрачный туман, а теперь он стал прозрачным. Космическое микроволновое фоновое излучение, которое мы наблюдаем сегодня, относится к этой эпохе.
Тем не менее, Вселенная долгое время была довольно темной после рекомбинации, по-настоящему осветившись только тогда, когда первые звезды начали сиять примерно через 300 миллионов лет после Большого взрыва. Они помогли отменить многое из того, что было достигнуто рекомбинацией. Эти ранние звезды — и, возможно, некоторые другие загадочные источники — испускали достаточно радиации, чтобы расщепить большую часть водорода во Вселенной обратно на составляющие его протоны и электроны.
Этот процесс, известный как реионизация, похоже, завершился примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва.
Вселенная сегодня не непрозрачна, как это было до рекомбинации, потому что она так сильно расширилась. По словам ученых, вещество во Вселенной очень разбавлено, поэтому взаимодействия, связанные с рассеянием фотонов, относительно редки.
Со временем звезды притягивались друг к другу, образуя галактики, что приводило к образованию все более крупномасштабных структур во Вселенной. Планеты объединились вокруг некоторых недавно образовавшихся звезд, включая наше собственное Солнце. А 3,8 миллиарда лет назад на Земле зародилась жизнь.
До Большого Взрыва?
Хотя многое о первых мгновениях Вселенной остается спекулятивным, вопрос о том, что предшествовало Большому Взрыву, еще более загадочен и труден для решения.
Во-первых, сам вопрос может быть бессмысленным. Если Вселенная возникла из ничего, как считают некоторые теоретики, то Большой взрыв отмечает момент, когда началось само время. В этом случае не было бы такого понятия, как «раньше», сказал Кэрролл.
Но некоторые концепции рождения вселенной могут предложить возможные ответы.
Циклическая модель, например, предполагает, что нашей расширяющейся Вселенной предшествовала сжимающаяся Вселенная. Кэрролл тоже может вообразить, что что-то существовало до Большого взрыва.
«Это может быть просто пустое пространство, которое существовало до того, как произошел наш Большой Взрыв, а затем какая-то квантовая флуктуация породила вселенную, подобную нашей», — сказал он. «Вы можете представить себе небольшой пузырь пространства, оторвавшийся в результате флуктуации и наполнившийся крошечной каплей энергии, которая затем может вырасти во вселенную, которую мы видим благодаря инфляции».
Филиппенко тоже подозревает, что что-то в этом роде может быть правдой.
«Я думаю, что время в нашей вселенной началось с Большого взрыва, но я думаю, что мы были отклонением от предшественника, материнской вселенной», — сказал Филиппенко.
Узнаем ли мы когда-нибудь?
Миссия Европейского космического агентства «Планк», которая вращалась вокруг Земли с 2009 по 2013 год, помогла космологам уточнить свои представления о природе нашей Вселенной и ее происхождении.
Подробная карта космического микроволнового фона, созданная космическим кораблем, показала, что наша Вселенная, даже если она возникла от предшественницы, вряд ли снова сожмется в будущем, сказал Space.com астрофизик Дэйв Клементс из Имперского колледжа Лондона.
«Планк не может полностью исключить концепцию прыгающей Вселенной, но, учитывая текущие значения космологических параметров, наша Вселенная не собирается повторно коллапсировать», — сказал Клементс. «Компонент темной энергии, который в данный момент ускоряет расширение Вселенной, должен измениться, чтобы обратить это расширение вспять и привести к большому сжатию».
Используя данные Планка, ученые смогли уточнить свои оценки возраста Вселенной, а также количества видимой материи, темной материи и темной энергии в ней. По словам Клементса, миссия не преподнесла никаких сюрпризов и в основном подтвердила существующие теории.
«Это показывает, что это максимально скучная вселенная», — сказал Клементс.
Тем не менее, по его результатам возникло несколько новых вопросов.
Например, постоянная Хаббла, описывающая скорость расширения Вселенной, незначительно отличается, измеренная Планком в далекой Вселенной, по сравнению с ее значением, полученным космическим телескопом Хаббла на основе измерений в ближней Вселенной, сказал Клементс.
Вся эта крупица информации помогает космологам лучше моделировать эволюцию Вселенной и приближаться к ответам на важные вопросы о происхождении всего сущего. Ожидается, что предстоящая миссия Европейского космического агентства под названием «Евклид» , запуск которой запланирован на 2023 год, сделает дальнейшие шаги в этом направлении.
Что дальше
Миссия Евклид будет изучать, как скопления и галактики разбросаны по Вселенной в больших масштабах, чтобы помочь астрономам лучше понять эффекты темной энергии. Он также будет изучать то, что астрономы называют слабым гравитационным линзированием, искривление света, вызванное гравитационным притяжением очень массивных объектов. Поскольку более 80% материи во Вселенной невидимы, сила линзирования может дать астрономам подсказки о распределении темной материи.
«Евклид сможет измерить это в гораздо большем масштабе, возможно, почти на половине внегалактического неба или даже больше», — сказал Клементс.
Дальнейшие части этой космической головоломки могут появиться в результате изучения гравитационных волн, ряби в пространстве-времени, возникающей при столкновениях сверхмассивных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды.
Гравитационные волны, сказал Клементс, должны были возникнуть во время инфляции, периода быстрого расширения в первые моменты существования Вселенной. Таким образом, обнаружение этих ранних гравитационных волн и расшифровка их свойств могут дать беспрецедентные знания о рождении Вселенной.
«Это расскажет нам кое-что о физике, которая привела к раннему очень быстрому расширению Вселенной», — сказал Клементс. «Мы действительно возвращаемся к самым, самым ранним моментам, и если мы лучше поймем инфляцию, мы, надеюсь, сможем лучше понять, был ли Большой взрыв единичным событием или эта прыгающая идея может быть правильной».
Вы можете следить за старшим писателем SPACE.com Майком Уоллом в Твиттере: @michaeldwall. Подписывайтесь на SPACE.com, чтобы быть в курсе последних новостей космической науки и исследований, в Twitter @Spacedotcom и на Facebook.
Дополнительные ресурсы
Чтобы узнать больше о миссии «Планк» и ее стремлении понять происхождение Вселенной, посетите веб-сайт Европейского космического агентства. Для получения информации о предстоящей миссии EUCLID перейдите сюда.
Для получения дополнительной информации об изучении первичных гравитационных волн и о том, как они могут помочь раскрыть тайны рождения Вселенной, прочитайте эту статью Массачусетского технологического института.
Библиография
Муиа, Ф., Большой взрыв: как мы пытаемся его «прислушаться» и какую новую физику он может открыть, The Conversation, 15 июля 2021 г.
https://theconversation.com/big-bang-how-we-are-trying-to-listen-to-it-and-the-new-physics-it-could-unveil-164502
Кастельвекки, Д.
, Как гравитационные волны могут разгадать некоторые из глубочайших загадок Вселенной, Природа, 11 апреля 2018 г.
https://sci.esa.int/web/planck
ESA, Евклид
https://sci.esa.int/web/euclid
Эта справочная статья, первоначально опубликованная 21 октября 2011 г., была обновлена 4 февраля 2022 г.
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Майкл Уолл — старший космический писатель Space.com (открывается в новой вкладке) , присоединился к команде в 2010 году. В основном он освещает экзопланеты, космические полеты и военный космос, но, как известно, увлекается космическим искусством. Его книга о поисках инопланетной жизни «Out There» была опубликована 13 ноября 2018 года. Прежде чем стать научным писателем, Майкл работал герпетологом и биологом дикой природы.