Как появился космос и что до него было: С чего все начиналось | Лаборатория космических исследований |

Содержание

С чего все начиналось | Лаборатория космических исследований

С чего же все начиналось? С чего начались мы? Нет, я не про эволюцию на Земле. Я о том, что было гораздо, гораздо раньше… до появления Земли, до появления нашей Солнечной системы, до появления Млечного пути…

Я о том, как появилась вся наша Вселенная. Так с чего же все начиналось?

Самая популярная в науке теория о происхождении Вселенной на данный момент — это Теория Большого взрыва. Я думаю, все хоть раз слышали об этой теории. Вот ее мы сегодня и рассмотрим.

Все началось 13 миллиардов 700 миллионов лет назад… со взрыва. Но в самом начале не было никакого огня и шума. Этот взрыв произошел в кромешной тьме, ведь и света тогда еще тоже не существовало. Чтобы его разглядеть нужно было иметь специальное космическое ночное видение. Но увидеть это из космоса было невозможно. Как это не странно звучит, в то время и космоса-то не существовало. Вокруг не было ничего. Был только внутренний мир, мир после Большого взрыва. Эта первозданная Вселенная выглядела очень странно. Обычные понятия о времени и пространстве там, конечно, не работали. Это был почти прозрачный, но сверх горячий энергетический туман. Это была очень маленькая точка с бесконечно высокой температурой и плотностью. В последующем это назвали космической сингулярностью. А потом эта точка, этот маленький мир стал расширяться. Это сопровождалось огромной вспышкой радиации. За триллионную долю секунды Вселенная выросла из точки размером меньше атома в облако размером с апельсин. Это произошло мгновенно. Она появилась надувшись, как шарик, с каждой секундой разворачиваясь и становясь еще и еще больше. Через 100 секунд она уже была размером с нашу Солнечную систему… Пока все это происходило, чистая энергия космоса стала остывать и создавать материю в виде миллионов частиц субатома. Это была первая материя.

Половина этих частиц была похожа на материю, из которой состоим и мы сейчас. А вторая половина была их противоположного вещества, которое называют антиматерией. Когда обе эти частицы встречаются в энергетической вспышке, они друг друга уничтожают. К счастью, материи было немного больше, чем антиматерии. Именно из этого остатка и состоит наша сегодняшняя Вселенная. Можно смело сказать, что мы состоим из дыма Большого взрыва.

Когда космосу было всего 10 минут отроду, он был уже несколько тысяч световых лет в диаметре. А после этого все с течении 330 тысяч лет все охлаждалось и расширялось, и вот, наконец, Вселенная стала видимой. Вот так все и началось…

После такого рассказа о происхождении нашей Вселенной, я думаю, у многих из вас в голове возник разумный вопрос: А что было до Большого взрыва? Сейчас эта проблема волнует множество современных умов. Существует множество различных теорий по этому вопросу, но точного ответа, конечно же, пока нет. Одна из наиболее популярных теорий на данный момент — это теория Роджера Пенроуза и Вахе Гурзадяна. Эти два ученых, работая в паре, создали совершенно новое предположение, заставляющее всех взглянуть на наш мир совершенно по-другому. Как рассказывают Роджер и Вахе, недавно они обнаружили в микроволновом фоне следы событий до Большого взрыва.

Речь идет о реликтовом излучении, которое пронизывает всю современную Вселенную и при этом несет своего рода «слепок» нашего мира, каким он был спустя 300—400 тысяч лет после рождения. В этом излучении наблюдается анизотропия, а анизотропия — это неодинаковость свойств среды. Также Пенроуз с Гурзадяном заявили об обнаружении на картах микроволнового фона правильных структур в виде концентрических кругов (в которых диапазон температур заметно меньше, чем в других местах), свидетельствующих о том, что анизотропия реликтового излучения не носит абсолютно случайный характер.

Двое ученых выяснили, что эти самые круги появились из-за крупных космических катастроф — столкновения двух огромных черных дыр, которые, падая друг на друга по спирали, теряли энергию путем испускания гравитационных волн. Причем некоторые из кругов, согласно расчетам, связаны с событиями, которые происходили еще до момента Большого взрыва.

Это открытие не говорило о том, что Большого взрыва не было, оно говорило, что он случался не однократно. И тогда-то Пенроуз и Гурзадян и выдвинули свою теорию — теорию о цикличности Вселенной, где один эон (мир или Вселенная) сменяется другим, проходя через «триггеры» больших взрывов, которые разделяют разные эоны. Такие процессы, как утверждают ученые, могут происходить до бесконечности, т.е. по кругу, как цикл. Отсюда и произошло название «циклическая Вселенная». Выявленное слияние черных дыр, вероятно, произошло на самых последних стадиях предыдущего эона, который после Большого взрыва сменился уже нашим, в котором мы сейчас все и живем.

Исходя из всего вышесказанного, можно понять, что по их теории до Большого взрыва существовала другая Вселенная, очень похожая на нашу, которая так же, как наша современная, расширялась, в конце концов превратившись в скопление черных дыр. Эти черные дыры сталкивались, уничтожая себя и всю информацию, которая в них находилась. Уничтожение этой информации означало исчезновение, удаление энтропии из Вселенной, после которого и было положено начало новому эону с изначально очень низким уровнем энтропии. Это и есть идея циклической Вселенной.

Сама по себе идея вселенских циклов возникла, конечно, не впервые. В XX веке модель пульсирующей Вселенной, где этап расширения неизбежно сменялся этапом сжатия в одну сингулярность, предшествующую новому взрыву, рассматривалась на равных с моделями бесконечно расширяющейся Вселенной (которые в конце концов победили благодаря открытию «расталкивающей» пространство темной энергии).

Но, как я и говорила, эта теория далеко не единственная, хоть и популярная. К примеру, высказывалась идея, связанная с моделями «ветвящихся» Вселенных, вырастающих друг из друга подобно выдуваемым мыльным пузырям. Различных теорий множество.

Теория циклической Вселенной, конечно же, еще требует большой доработки и находиться на своем начальном этапе, но несомненно уже очень много значит для космологии. Возможно, когда-нибудь она займет лидирующее место среди подобных теорий, а, может, и вообще будет доказана.

Ну, вот на этом я и хочу закончить данную статью. Теперь вы знаете с чего началась наша Вселенная, знаете о Большом взрыве и даже одну из теорий о том, что было до него. В заключении я хотела бы сказать, несомненно, науке еще предстоит множество интереснейших открытий и теорий. Возможно, однажды мы все-таки узнаем точно, как же мы появились.

«Что было до появления космоса, откуда он взялся, как появились первые звезды и планеты, если в самом начале ничего не было?» — Яндекс Кью

История Вселенной: от Большого взрыва до наших дней за 10 шагов

Впечатление этого художника показывает галактики менее чем через миллиард лет после Большого Взрыва, когда Вселенная была еще частично заполнена водородным туманом, поглощавшим ультрафиолетовый свет.
(Изображение предоставлено ESO/M. Kornmesser)

История Вселенной и то, как она развивалась, широко принята в качестве модели Большого Взрыва, в которой говорится, что Вселенная возникла как невероятно горячая и плотная точка примерно 13,7 миллиарда лет назад. Итак, как Вселенная превратилась из размеров в доли дюйма (несколько миллиметров) в то, чем она является сегодня?

Вот разбивка Большого Взрыва на настоящее в 10 простых для понимания шагах.

Шаг 1: Как все началось

Иллюстрация временной шкалы Вселенной после Большого взрыва. (Изображение предоставлено NASA/WMAP Science Team)

Большой взрыв не был взрывом в космосе, как можно предположить из названия теории. Вместо этого, по словам исследователей, это было появление пространства повсюду во Вселенной. Согласно теории Большого взрыва, Вселенная родилась как очень горячая и очень плотная точка в пространстве.

Космологи не знают, что произошло до этого момента, но с помощью сложных космических миссий, наземных телескопов и сложных расчетов ученые работают над тем, чтобы нарисовать более четкую картину ранней Вселенной и ее формирования.

Ключевая часть этого связана с наблюдениями космического микроволнового фона, который содержит послесвечение света и излучения, оставшиеся после Большого взрыва. Этот реликт Большого взрыва пронизывает Вселенную и виден микроволновым детекторам, что позволяет ученым собрать воедино ключи к разгадке ранней Вселенной.

В 2001 году НАСА запустило миссию Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) для изучения условий, существовавших в ранней Вселенной, путем измерения излучения космического микроволнового фона. Среди других открытий WMAP удалось определить возраст Вселенной — около 13,7 миллиардов лет.

Шаг 2: Первый всплеск роста Вселенной

Когда Вселенная была очень молода — что-то вроде сотой миллиардной триллионной триллионной доли секунды (фу!) — она испытала невероятный всплеск роста. Во время этого всплеска расширения, известного как инфляция, Вселенная росла в геометрической прогрессии и удвоилась в размерах, по крайней мере, на 90 раз.

«Вселенная расширялась, и по мере расширения она становилась все холоднее и менее плотной», — сказал SPACE. com Дэвид Спергель, астрофизик-теоретик из Принстонского университета в Принстоне, штат Нью-Джерси. После инфляции Вселенная продолжала расти, но более медленными темпами.

По мере расширения пространства Вселенная охлаждалась и формировалась материя.

Шаг 3: Слишком жарко, чтобы светить

Легкие химические элементы были созданы в течение первых трех минут образования Вселенной. По мере расширения Вселенной температура снижалась, а протоны и нейтроны сталкивались, образуя дейтерий, изотоп водорода. Большая часть этого дейтерия объединилась в гелий.

WMAP создал новую, более подробную картину зарождающейся вселенной. Цвета обозначают «более теплые» (красные) и «более холодные» (синие) пятна. (Изображение предоставлено NASA/WMAP Science Team)

Однако в течение первых 380 000 лет после Большого взрыва сильное тепло от сотворения Вселенной делало ее слишком горячей для того, чтобы излучать свет. Атомы столкнулись друг с другом с достаточной силой, чтобы разбиться на плотную непрозрачную плазму протонов, нейтронов и электронов, которая рассеивала свет, как туман.

Шаг 4: Да будет свет

Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва материя достаточно остыла, чтобы электроны соединились с ядрами и образовали нейтральные атомы. Эта фаза известна как «рекомбинация», и поглощение свободных электронов сделало Вселенную прозрачной. Свет, высвобожденный в то время, можно обнаружить сегодня в виде излучения космического микроволнового фона.

Тем не менее, за эрой рекомбинации последовал период тьмы, прежде чем образовались звезды и другие яркие объекты.

Шаг 5: Выход из темных веков

Примерно через 400 миллионов лет после Большого взрыва Вселенная начала выходить из своих темных веков. Этот период эволюции Вселенной называется эпохой реионизации.

Считалось, что эта динамическая фаза длилась более полумиллиарда лет, но, основываясь на новых наблюдениях, ученые полагают, что реионизация могла происходить быстрее, чем считалось ранее.

За это время сгустков газа разрушилось достаточно, чтобы образовались самые первые звезды и галактики. Испускаемый ультрафиолетовый свет этих энергетических событий очистил и уничтожил большую часть окружающего нейтрального газообразного водорода. Процесс повторной ионизации, а также очистка туманного газообразного водорода привели к тому, что Вселенная впервые стала прозрачной для ультрафиолетового света.

Шаг 6: Больше звезд и больше галактик

Изображение, полученное космическим телескопом НАСА Хаббл, показывает скопление галактик, находящихся на расстоянии 10 миллиардов световых лет. (Изображение предоставлено НАСА/ЕКА/Университет Флориды, Гейнсвилл/Университет Миссури-Канзас-Сити/Калифорнийский университет в Дэвисе)

Астрономы прочесывают Вселенную в поисках самых отдаленных и древнейших галактик, чтобы помочь им понять свойства ранней Вселенной. Точно так же, изучая космический микроволновый фон, астрономы могут работать в обратном направлении, чтобы собрать воедино события, которые произошли раньше.

Данные более старых миссий, таких как WMAP и Cosmic Background Explorer (COBE), которые были запущены в 1989 году, а также все еще действующих миссий, таких как космический телескоп Хаббла, запущенный в 1990 году, — все они помогают ученым разгадывать самые непреходящие загадки и ответить на самые спорные вопросы космологии.

Шаг 7: Рождение нашей Солнечной системы

По оценкам, наша Солнечная система родилась спустя 9 миллиардов лет после Большого Взрыва, то есть ей около 4,6 миллиарда лет. Согласно текущим оценкам, Солнце является одной из более чем 100 миллиардов звезд только в нашей галактике Млечный Путь и вращается примерно в 25 000 световых лет от галактического ядра.

Инфракрасный снимок развивающейся звезды, сделанный космическим телескопом NASA Spitzer. Он иллюстрирует, как могла выглядеть наша Солнечная система миллиарды лет назад. (Изображение предоставлено NASA/JPL-Caltech/AURA)

Многие ученые считают, что Солнце и остальная часть нашей Солнечной системы образовались из гигантского вращающегося облака газа и пыли, известного как солнечная туманность. Когда гравитация заставила туманность схлопываться, она вращалась быстрее и сплющивалась в диск. На этом этапе большая часть материала была стянута к центру, чтобы сформировать солнце.

Шаг 8: Невидимое вещество во Вселенной

В 1960-х и 1970-х годах астрономы начали думать, что во Вселенной может быть больше массы, чем видимая. Вера Рубин, астроном из Института Карнеги в Вашингтоне, наблюдала за скоростью звезд в различных местах галактик.

Основы ньютоновской физики подразумевают, что звезды на окраинах галактики вращаются медленнее, чем звезды в центре, но Рубин не обнаружил разницы в скоростях звезд, расположенных дальше. На самом деле она обнаружила, что все звезды в галактике вращаются вокруг центра с более или менее одинаковой скоростью.

Эта загадочная и невидимая масса стала известна как темная материя. Вывод о темной материи основан на гравитационном притяжении, которое она оказывает на обычную материю. Одна из гипотез гласит, что таинственный материал может быть образован экзотическими частицами, которые не взаимодействуют со светом или обычным веществом, поэтому его так трудно обнаружить.

Изображение Земли, окруженной нитями темной материи, называемыми «волосами». (Изображение предоставлено NASA/JPL-Caltech)

Шаг 9: расширяющаяся и ускоряющаяся Вселенная

В 1920-х годах астроном Эдвин Хаббл сделал революционное открытие о Вселенной. С помощью недавно построенного телескопа в обсерватории Маунт-Вилсон в Лос-Анджелесе Хаббл заметил, что Вселенная не статична, а расширяется.

Десятилетия спустя, в 1998 году, космический телескоп Хаббла, названный в честь знаменитого астронома, изучал очень далекие сверхновые и обнаружил, что давным-давно Вселенная расширялась медленнее, чем сегодня. Это открытие было неожиданным, потому что долгое время считалось, что гравитация материи во Вселенной замедляет ее расширение или даже заставляет ее сжиматься.

Ссылки по теме

Темная энергия считается странной силой, которая разрывает космос на части со все возрастающей скоростью, но она остается незамеченной и окутана тайной. Существование этой неуловимой энергии, которая, как считается, составляет 80% Вселенной, является одной из самых горячо обсуждаемых тем в космологии.

Шаг 10: Нам все еще нужно знать больше

Несмотря на то, что многое известно о сотворении и эволюции Вселенной, остаются вопросы, которые остаются без ответа. Темная материя и темная энергия остаются двумя самыми большими загадками, но космологи продолжают исследовать Вселенную в надежде лучше понять, как все началось.

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), запущенный в 2021 году, продолжит охоту за неуловимой темной материей, а также заглянет в начало времен и эволюцию Вселенной с помощью инфракрасных инструментов.

Впечатление художника от космического телескопа NASA/ESA/CSA James Webb. (Изображение предоставлено ЕКА, НАСА, С. Беквитом (STScI) и группой HUDF, Northrop Grumman Aerospace Systems / STScI / ATG medialab) Вселенная (открывается в новой вкладке)» Дэвида Х. Лита или «Краткая история времени (открывается в новой вкладке)» Стивена Хокинга. Вы также можете быть в курсе открытий JWST, посетив специальную веб-страницу НАСА или специальную веб-страницу Европейского космического агентства.

Библиография

Scientific American, «Эволюция Вселенной (открывается в новой вкладке)», октябрь 1994 г.

Уолтер Перри, «Происхождение и эволюция Вселенной (открывается в новой вкладке)», Journal of Modern Physics, Том 12, ноябрь 2021 г.

Бхарат Ратра и Майкл С. Фогели, «Начало и эволюция Вселенной», Публикации Тихоокеанского астрономического общества, том 120, март 2008 г.,

НАСА, «Краткая история Вселенная», декабрь 2006 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].

Скотт является штатным автором журнала How It Works и ранее писал для других научных и информационных изданий, включая журнал BBC Wildlife, журнал World of Animals, Space.com и журнал All About History. Скотт имеет степень магистра в области научной и экологической журналистики, а также степень бакалавра в области природоохранной биологии Университета Линкольна в Великобритании. За свою академическую и профессиональную карьеру Скотт участвовал в нескольких проектах по сохранению животных, включая исследования птиц в Англии, наблюдение за волками в Германии. и отслеживание леопарда в Южной Африке.

Факты и информация о происхождении Вселенной

Происхождение Вселенной 101

Наиболее подтвержденная теория происхождения нашей Вселенной основана на событии, известном как Большой взрыв. Эта теория родилась из наблюдения, что другие галактики удаляются от нашей с огромной скоростью во всех направлениях, как если бы все они были движимы древней взрывной силой.

Бельгийский священник по имени Жорж Леметр впервые предложил теорию большого взрыва в 1920-х годах, когда он предположил, что Вселенная началась с одного первичного атома. Эта идея получила серьезное развитие благодаря наблюдениям Эдвина Хаббла о том, что галактики разлетаются от нас во всех направлениях, а также благодаря наблюдениям 19-43 секунды своего существования Вселенная была очень компактной, менее чем в миллион миллиардов миллиардных долей размера одного атома. Считается, что в таком непостижимо плотном, энергетическом состоянии четыре фундаментальные силы — гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое ядерное взаимодействие — были объединены в единую силу, но наши современные теории еще не выяснили, как единая, объединенные силы будут работать. Чтобы осуществить это, нам нужно знать, как работает гравитация в субатомном масштабе, но в настоящее время мы этого не знаем.

Также считается, что очень близкое расстояние позволило самым первым частицам во Вселенной смешиваться, смешиваться и достигать примерно одинаковой температуры. Затем, за невообразимо малую долю секунды, вся эта материя и энергия расширились наружу более или менее равномерно, с крошечными вариациями, обусловленными флуктуациями в квантовом масштабе. Эта модель головокружительного расширения, называемая инфляцией, может объяснить, почему во Вселенной такая равномерная температура и распределение материи.

После инфляции Вселенная продолжала расширяться, но гораздо медленнее. До сих пор неясно, что именно вызвало инфляцию.

Последствия космической инфляции

С течением времени и охлаждением материи начали формироваться более разнообразные виды частиц, которые в конечном итоге сконденсировались в звезды и галактики нашей нынешней Вселенной.

К тому времени, когда Вселенной исполнилась миллиардная доля секунды, Вселенная достаточно остыла, чтобы четыре фундаментальные силы отделились друг от друга. Фундаментальные частицы Вселенной также сформировались. Однако было еще так жарко, что эти частицы еще не собрались во многие субатомные частицы, которые мы имеем сегодня, такие как протон. По мере того как Вселенная продолжала расширяться, этот горячий первичный бульон, называемый кварк-глюонной плазмой, продолжал остывать. Некоторые коллайдеры частиц, такие как Большой адронный коллайдер ЦЕРН, достаточно мощны, чтобы воссоздать кварк-глюонную плазму.

Излучение в ранней Вселенной было настолько интенсивным, что сталкивающиеся фотоны могли образовывать пары частиц, состоящих из материи и антиматерии, которые во всех отношениях похожи на обычную материю, за исключением противоположного электрического заряда. Считается, что ранняя Вселенная содержала равное количество материи и антиматерии. Но по мере того, как Вселенная остывает, фотоны уже не обладают достаточной силой, чтобы образовывать пары материи и антиматерии. Так что, как в экстремальной игре «музыкальные стулья», многие частицы материи и антиматерии объединились и аннигилировали друг друга.

Каким-то образом выжило некоторое количество избыточной материи, и теперь это материал, из которого состоят люди, планеты и галактики. Наше существование — явный признак того, что законы природы относятся к материи и антиматерии немного по-разному. Исследователи экспериментально наблюдали этот дисбаланс правил, называемый нарушением CP, в действии. Физики все еще пытаются выяснить, как именно материя победила в ранней Вселенной.

Создание атомов

В течение первой секунды Вселенной было достаточно прохладно, чтобы оставшаяся материя объединилась в протоны и нейтроны, знакомые частицы, из которых состоят ядра атомов. И через первые три минуты протоны и нейтроны собрались в ядра водорода и гелия. По массе водород составлял 75 процентов материи ранней Вселенной, а гелий — 25 процентов. Обилие гелия является ключевым предсказанием теории большого взрыва, подтвержденным научными наблюдениями.

Несмотря на наличие атомных ядер, молодая Вселенная была еще слишком горячей, чтобы электроны могли осесть вокруг них и образовать стабильные атомы. Материя Вселенной оставалась электрически заряженным туманом, настолько плотным, что свет с трудом пробивался сквозь него. Потребуется еще 380 000 лет или около того, чтобы Вселенная остыла настолько, чтобы образовались нейтральные атомы — поворотный момент, называемый рекомбинацией. Более холодная Вселенная впервые сделала ее прозрачной, что позволило грохотающим внутри нее фотонам, наконец, беспрепятственно пройти сквозь нее.

Мы до сих пор видим это первозданное послесвечение как космическое микроволновое фоновое излучение, которое встречается во всей Вселенной. Излучение аналогично тому, которое используется для передачи телевизионных сигналов через антенны. Но это самое старое из известных излучений, и оно может хранить много тайн о самых ранних моментах существования Вселенной.

От первых звезд до наших дней

Во Вселенной не было ни одной звезды примерно через 180 миллионов лет после Большого взрыва. Именно столько времени потребовалось гравитации, чтобы собрать облака водорода и превратить их в звезды. Многие физики считают, что огромные облака темной материи, до сих пор неизвестного материала, вес которого превышает вес видимой материи более чем в пять раз, послужили гравитационным каркасом для первых галактик и звезд.

После того, как зажглись первые звезды Вселенной, свет, который они выпустили, был достаточно сильным, чтобы еще раз лишить электроны нейтральных атомов, что является ключевой стадией Вселенной, называемой реионизацией. В феврале 2018 года австралийская команда объявила, что они, возможно, обнаружили признаки этого «космического рассвета». Через 400 миллионов лет после Большого взрыва родились первые галактики. Спустя миллиарды лет звезды, галактики и скопления галактик формировались и переформировывались, в результате чего образовалась наша родная галактика, Млечный Путь, и наш космический дом, Солнечная система.

Даже сейчас Вселенная расширяется, и, к удивлению астрономов, скорость расширения увеличивается. Считается, что это ускорение вызвано силой, которая отталкивает гравитацию, называемой темной энергией. Мы до сих пор не знаем, что такое темная энергия, но считается, что она составляет 68 процентов всей материи и энергии Вселенной. Темная материя составляет еще 27 процентов. В сущности, вся материя, которую вы когда-либо видели — от вашей первой любви до звезд над головой — составляет менее пяти процентов Вселенной.

ИСТОЧНИКИ

Калифорнийский технологический институт — Космический микроволновый фон
НАСА — Команда Хаббла побила рекорд космического расстояния
НАСА — Что такое темная энергия?
Природа — Bowman et al. 2018
Планк — Космический микроволновый фон
Приключения Вселенной — Эпоха Планка
Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе — Краткая история Вселенной
Университет Мэриленда — Кварк-глюонная плазма и ранняя Вселенная
Университет Орегона — Ранняя Вселенная
Техасский университет — Ранняя Вселенная

Читать далее

Здесь можно увидеть «путь воды» в реальной жизни

Путешествовать

Здесь можно увидеть «путь воды» в реальной жизни

Самый большой из островов Кука, Раротонга предлагает пристальный взгляд на древнюю культуру мореплавания и во многом напоминает вымышленный мир сиквела «Аватара».