Содержание
Воздушный шарик или пирог: как расширяется Вселенная?
Срочная новость
«Тайные механизмы природы» — впервые на телеканале «Наука»
«Тайные механизмы природы» — впервые на телеканале «Наука»
Как ученые узнают о том, что было 14 млрд лет назад? Какими методами они измеряют скорость расширения Вселенной? И как астрофизика движется к существенно новому пониманию устройства нашего мира? Об этом ученый рассказал в эфире передачи «Вопрос науки».
Дмитрий Горбунов
доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, член-корреспондент РАН
Как расширяется наша Вселенная?
Вселенная расширяется точно так же, как расширяется поверхность шарика, который вы надуваете. Вы можете нарисовать две точки на поверхности шарика, начать его надувать, и эти точки друг от друга раздвинутся. Причем любые две точки на шарике одинаково раздвинутся относительно друг друга.
В таком же смысле расширяется наша Вселенная.
Можно сказать и по-другому. Допустим, у вас есть какой-нибудь пирог, в тесто вы включили изюм и хорошо все перемешали. Теперь тесто у вас в печи набухает, расширяется, и расстояние между изюминками увеличивается. Если вы хорошо подготовили вашу печку и тесто, то они будут равномерно и одинаково удаляться: каждая изюминка от каждой изюминки. При этом корочку мы не видим, ведь мы сидим глубоко-глубоко внутри пирога. Но мы стараемся ее увидеть и задаем себе вопрос: «А есть ли корочка?» Так и со Вселенной. Из темпа расширения как раз и следует возраст Вселенной: ей примерно 14 млрд лет.
Тут произошла типичная для науки история. Допустим, вы знаете всю известную физику, и в соответствии с ней у вас все работает. Но дальше вы понимаете, что есть фундаментальные законы. И всякий раз, как вы научились смотреть физику на меньших расстояниях, больших скоростях, вы пытаетесь проверить: а работают ли эти законы? И вы увидите, что теория немножечко начинает отличаться от эксперимента.
Вы улучшаете экспериментальную чувствительность, и это расхождение увеличивается. Потом увеличивается еще и еще, и в какой-то момент вы признаете, что, наверное, что-то нужно менять.
Лет 10–15 назад измерение времени — величина времени жизни нейтрона — сдвинулась больше чем на пять стандартных измерений.
Сегодня темп расширения Вселенной определяется плотностью той компоненты, которая доминирует во Вселенной. Это так называемая темная энергия — очень странное вещество, которое не реагирует на расширение Вселенной. Обычное вещество как устроено? Вот есть у вас эти самые изюминки, и они составляют основную массу. Когда у вас пирог увеличился, расстояние между изюминками увеличилось, плотность энергии уменьшилась. А темная энергия не реагирует. И это очень странная вещь — так называемая dark energy, ее проявления в обычной физике нет нигде. Ну вот так устроено: она только в гравитации и только на больших расстояниях. Поэтому лишь космологические наблюдения могут помочь ее посмотреть.
Мы про нее ничего не знаем, но всегда задаем себе вопрос: насколько она константна? Возвращаясь к аналогии с пирогом, есть ли корочка? А если нет, то насколько большим может быть этот пирог? Мы увидели странную аномалию и, возможно, просто пока не догадались, как эта субстанция изменяется. Может быть, она все-таки изменяется. Мы это сейчас увидели, но теоретически пока не нашли ту самую модель, которая все эти разные измерения сведет в одно.
Как ученые измеряют расширение Вселенной?
Методы измерений можно разделить на два класса. Один метод — это измерение, которое относится к объектам, процессам и явлениям в современной Вселенной, которую мы сейчас более-менее хорошо знаем. И есть другие методы, которые относятся к извлечению величины современного темпа. Наблюдаемые данные в первую очередь рассказывают нам о физике ранней Вселенной.
Во Вселенной «далеко» означает «рано». Один из способов, которой основан на поздней Вселенной, — это наблюдаемые цефеиды (класс пульсирующих переменных звезд).
Это попытка построить линейку от сегодняшнего момента в прошлое. А другой способ — наоборот: вы строите эту линейку с раннего момента, с момента рекомбинации, где есть очень хорошие наблюдаемые, и пытаетесь ее оттуда спустить сюда. И вот эти две линейки — условно говоря, на расстоянии 100 мегапарсек — друг с другом не сходятся и ни одну из них непонятно, как сдвинуть.
За тот факт, что Вселенная расширяется с ускорением, дали Нобелевскую премию. Это наблюдение было сделано как раз со сверхновыми вспышками, которые видны очень далеко. И оно было качественно основано на том, что один из способов измерения расстояния состоит в использовании так называемых стандартных свеч. Если у вас есть лампочка, мощность которой вы точно знаете, вы измеряете поток. По тому, насколько тускло светит лампочка, можно узнать, насколько она далеко. Нужно учитывать при этом все: изменяется частота, время и другие параметры. Если все это учесть, можно отсюда понять, как расширялась Вселенная.
Для этого используется оригинальный способ измерения параметра Хаббла, который был разработан ученым Хабблом.
Число, которое он получил, примерно раз в десять больше, чем то, что мы сейчас знаем. Если бы он так измерил сегодня, его бы все засмеяли, но тем не менее он угадал, что Вселенная расширяется и что есть этот параметр. Измерение этого замечательного параметра Хаббла ведется в километрах на секунду на мегапарсеки (км/с/Мпк). Эта характеристика позволяет нам по вспышке делать определенные расчеты. Допустим, если вспышка случилась так — это лампочка 10 Вт, а если так — это лампочка 20 Вт. И так мы узнаем расстояние.
Есть второй метод измерения: реликтовое излучение — это фотоны, которые образовались во Вселенной в эпоху рекомбинации образования водорода. В ранней Вселенной была плазма. В какой-то момент Вселенная расширилась настолько, что стало выгодно образовывать водород — протоны с электронами образовали нейтральный водород. У фотонов, которые там летали, нет зарядов, нет свободных заряженных частиц, им не на ком рассеиваться, поэтому они распространялись и летят до сих пор, мы их каждый день регистрируем и считаем, что Вселенная полностью ими заполнена.
Когда все фотоны к нам летели, они летели во Вселенной, которая эволюционировала. Она расширялась, образовывались новые структуры. Пролетая мимо галактик и скоплений галактик, фотоны отклонялись, и в какой-то момент случилась реионизация. И мы сейчас видим уже ее результат. Мы не видим ту первичную картинку анизотропии, но зато мы по этой картинке можем не только узнать раннюю физику — физику реликтового излучения, или раннюю космологию, но и можем проследить всю историю развития Вселенной.
Картинка анизотропии реликтового излучения может многое рассказать нам. Мы измеряем температуру реликтовых фотонов, глядя на разные уголки неба. Температура фотонов у нас 2,7 °К. Но есть незначительные различия: 300, 200, 100 мкК (это очень маленькая величина: 10–4). В этой картинке на самом деле очень много информации. Разные пятнышки — это так называемая анизотропия реликтового излучения. Считается, что эти пятнышки произошли из-за того, что в первичной плазме была немножко неоднородно распределена материя, где-то электронов было побольше, где-то поменьше.
И поэтому в одном месте рекомбинация случилась немножко пораньше, в другом немножко попозже. Соответственно, фотоны, которые тут летят, имеют разную температуру: чуть больше и чуть меньше. Эти неоднородности очень интересны для исследователей. Это свидетельство того, как Вселенная дышала в ту эпоху, как она развивалась.
Глядя на картинку анизотропии, мы понимаем, что эти пятнышки означают, что там «гуляют» звуковые волны. И эти звуковые волны мы можем поизучать. Пятнистость может проявляться по-разному. Есть пятнышки очень-очень маленькие или очень большие. И эта история — в какой доле есть большие, в какой доле есть маленькие — в научных терминах превращается в такую картинку, которая выглядит очень похоже на разложение звука по частотам. Мы видим на ней какие-то колебания. И это прямо звуковые колебания, звуковые волны, которые были в ту эпоху — в эпоху образования водорода в плазме.
Расстояние между пиками, угловой размер — это прямо размер звуковой волны самый большой.
Именно эти измерения позволяют узнать, как расширялась Вселенная. Это и есть параметр Хаббла.
Прогресс в экспериментальной технике действительно идет, и все улучшения, о которых я говорил, появились благодаря новым экспериментальным данным. Все-таки физика — это экспериментальная наука. Я думаю, нас ждет какое-то очень важное открытие. Должны быть новые экспериментальные данные, новое поколение экспериментов, которое в первую очередь будет смотреть за распределением структур, за тем, сколько у нас во Вселенной галактик.
Подробнее о современных способах изучения расширения Вселенной рассказывается в передаче Алексея Семихатова «Вопрос науки».
Как возникла Вселенная и что было дальше?
Коллайдер в Дубне обрел «сердце», чтобы раскрыть тайны Вселенной
«Кастрюлька», открывающая тайны Вселенной: что такое реактор ПИК
На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc.
, запрещённая на территории Российской Федерации
Внеземное
Остальные теги
Расскажите друзьям
- Околонаука
Пришельцы уже среди нас: кто они и чего от них ждать? Премьера на канале «Наука»
Телеканал «Наука» стал лауреатом VIII Всероссийской премии «За верность науке»
- Внеземное
Гигантский астероид вызвал мегацунами на Марсе
- Устройство человека
Загадочные щупальца внутри мозга контролируют наше восприятие времени
- Внеземное
Взгляд «Джеймса Уэбба» проник сквозь плотные облака Титана
Shutterstock
Исследование: марсианская жизнь могла уничтожить сама себя
East News
Самый человекоподобный робот в мире ответил на вопрос про войну людей и машин
Science X
Инженеры научили предметы левитировать с помощью звуковых волн
Shoji Takeuchi
Создан первый в мире робопалец с живой кожей
За что присудили Нобелевскую премию по физике и для чего пригодятся эти открытия
Хотите быть в курсе последних событий в науке?
Оставьте ваш email и подпишитесь на нашу рассылку
Ваш e-mail
Нажимая на кнопку «Подписаться», вы соглашаетесь на обработку персональных данных
Почему вселенная расширяется? И как долго?
Наша вселенная расширяется.
С ускорением. Каждую секунду пространство между космическими галактиками растет все быстрее и быстрее.
Какова будет конечная судьба Вселенной — вечное расширение или великий крах? Ключом к этому является понимание «темной энергии» — самой большой загадки современной астрофизики, которая также является причиной ускорения, которое началось внезапно 4-5 миллиардов лет назад.
Только в конце двадцатого века ученые обнаружили, что вселенная расширяется с ускорением. Его начало — около 5 миллиардов лет назад, относительно скоро до возраста вселенной, которой почти 14 миллиардов лет. Это оказался огромным сюрпризом для всех ученых, потому что, согласно тогдашним теориям, вселенная должна замедляться, а не ускорять свое расширение.
На самом деле, сам Эйнштейн столкнулся с проблемами, связанными с идеей об изменяющейся, а не статичной вселенной. Великий ученый считает, что почти до самого конца своей жизни вселенная должна быть статичной и неизменной — и при этом она не должна расширяться или уменьшаться.
Именно по этой причине он меняет свои уравнения, которые говорят об обратном, и добавляет к ним так называемые космологическая постоянная, которая препятствует расширению пространства.
Когда в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл открыл так называемую красное смещение галактик, становится ясно, что кажется, что все другие галактики в космосе «убегают» от нас.
Когда автомобиль движется к нам, его звук меняется, а когда галактика движется, ее «цвет» меняется, и мы можем определить, приближается ли он к Земле или удаляется от нее.
Хаббл наблюдает за смещением видимого света галактик в красный спектр, что означает, что объект удаляется, и мы можем измерить его скорость. Это так называемый закон Хаббла, и скорость расширения сегодня известна как постоянная Хаббла (около 72 км в секунду на мегапарсек, равная 1 парсек = 31 триллион километров или 206 265 раз расстояния между Землей и Солнцем, и 1 мегапарсек = 1 миллион парсек).
Поэтому единственно возможное объяснение состоит в том, что пространство вселенной расширяется и не может быть статичным.
И хотя эксперименты Хаббла являются эмпирическим доказательством, математическое изложение этого факта было сделано еще раньше бельгийским математиком Жоржем Ломмером в 1927 году. Перед лицом этого доказательства Эйнштейн отказался от космологической постоянной и даже назвал ее «самой большой ошибкой в его карьера».
Сегодня, однако, совершенно неожиданно, что нам снова нужна космологическая константа, хотя и немного другим способом.
Теория большого взрыва и эволюция вселенной
Как только станет ясно, что галактики убегают друг от друга, логично предположить, что в начале все они были сгруппированы в одном месте. Более того, мы можем предположить, что в самом начале вселенная была сжата в одну взорвавшуюся точку. Так рождается теория большого взрыва.
Сегодня это одна из широко признанных и проверенных теорий развития вселенной. Причина в ее огромной объяснительной силе. Действительно, если все когда-либо было собрано в одной точке, то это состояние должно быть с огромной температурой и невероятной плотностью.
Моделирование таких условий является одной из задач современных ускорителей частиц, таких как Большой адронный ускоритель в ЦЕРНе. Объясняя появление химических элементов в результате Большого взрыва, Первичный нуклеосинтез, также является одним из больших успехов теоретической ядерной физики.
Но это остается проблемой. Предполагая, что был начальный Большой взрыв, который «раздувает вселенную» и обеспечивает сравнительную однородность пространства в большом масштабе, и в любом направлении, которое так, и мы наблюдаем это, если будет какой-либо энергетический след этого первичного колоссального взрыва, который мы можем видеть? Оказывается, есть доказательство.
Это так называемый космическое микроволновое фоновое излучение, также называемое остаточным или реликтовым излучением. Идея состоит в том, что, когда вселенная очень молода, она находится в чрезвычайно плотном и горячем состоянии плазмы и непрозрачна. Во время процесса расширения его температура снижается, и он начинает охлаждаться.
При более низкой температуре могут образовываться стабильные атомы, но они не могут поглощать тепло, и Вселенная становится прозрачной (примерно через 300-400 лет после взрыва). Это время, когда испускаются первые фотоны, которые даже сегодня циркулируют в пространстве и могут быть обнаружены нами. Поэтому их излучение называется реликтовым, т.е. остаточное. Этот момент — также самая далекая вещь, которую мы можем видеть с нашими телескопами.
В 1964 году два радиоастронома — Арно Пензиас и Роберт Уилсон — экспериментально обнаружили эффект реликтового фона — устойчивый микроволновый «шум» с температурой около 2,7 Кельвина, равномерный в любой точке неба без связи со звездой или другим объектом. Это голос космоса, остаток взрыва, породившего нашу вселенную. Это окончательное доказательство справедливости теории Большого взрыва, за которую два радиоастронома получили Нобелевскую премию в 1978 году.
Космическое микроволновое фоновое излучение
Помимо неоспоримого доказательства Большого взрыва, реликтовое излучение дало нам еще кое-что.
Зонд WMAP (микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона), запущенный в 2001 году, отображает космическое фоновое излучение в наблюдаемой Вселенной. Различный цвет рисунка соответствует небольшой разнице в температуре излучения. В результате излучение является однородным с точностью до пяти знаков после запятой. Однако там, после пятого знака, что-то интересное и удивительное — темная материя.
Он взаимодействует только гравитационно, и мы не можем установить или доказать это каким-либо другим способом. По оценкам, его содержание составляет около 25 процентов от общей плотности вселенной, в то время как обычная, наша материя, составляет всего 4-5 процентов.
Хотя темную материю нельзя наблюдать непосредственно, ее присутствие было предложено Фрицем Цвицким в 1934 году для объяснения так называемой «Проблема с недостающей массой».
Оказывается, что галактики не могут быть стабильными и вращаться, как они это делают, если не существует огромного количества скрытой массы, удерживающей звезды в соединенной галактике.
Результаты исследования космического фонового излучения однозначно подтверждают наличие большого количества темной материи.
Результаты WMAP также можно использовать для проверки геометрии юниверса — закрытой, открытой или плоской.
Сегодня мы знаем, что Вселенная плоская с точностью до 0,5 процента. Это хорошо, но это также означает, что в зависимости от плотности вещества и энергии во вселенной у нас может быть другой конец эволюции пространства. Если общая плотность (так называемый космологический параметр Омеги) превышает критическую массу, Вселенная может сжаться в так называемую Большой крах, прямо противоположный большому взрыву. Или, наоборот, мы можем расширяться до бесконечности, пока сама вселенная не станет довольно холодной, пустынной и относительно скучной. Это теория Большого охлаждения.
Темная энергия и конечная судьба Вселенной
На самом деле, как мы можем знать, что произошло с пространством Вселенной, и что будет с ним в будущем? Поскольку скорость света ограничена, чем дальше находится объект, тем дольше свет должен будет добраться до нас.
Например, путь света от нашего Солнца до Земли составляет чуть более 8 минут. Наблюдая с помощью наших телескопов далеких звезд, мы на самом деле видим прошлое, когда ловим свет, который давно покинул их и только сейчас достигает нас. Тогда, если мы знаем, что наблюдаем два одинаковых объекта, но на разном расстоянии, мы можем вывести изменение пространства между ними во времени.
Объекты, которые относительно «идентичны» в космосе, известны как стандартные свечи.
Это могут быть переменные звезды особого типа, так называемые Цефеиды. Они пульсируют одинаково, т.е. излучать один и тот же световой поток через равные промежутки времени. Другими такими объектами, которые являются еще более точными показателями расстояний, являются вспышки сверхновых типа IA. Они представляют собой термоядерное разрушение звезды (фактически пары звезд). Из-за особенностей процесса всегда выделяется одна и та же энергия. Вот почему сверхновые IA — наши самые известные стандартные свечи.
В частности, в 1997 году исследования сверхновых показали, что Вселенная расширяется с ускорением.
Поскольку энергия вспышки всегда одна и та же, разница, которую мы наблюдаем (более тусклые или более яркие вспышки), обусловлена исключительно разницей в динамике пространства. Таким образом, мы можем получить карту эволюции пространства во времени. Оказывается, что в первые 8-9 миллиардов лет после взрыва Вселенная замедляется, как и следовало ожидать, а затем внезапно начинает расширяться с ускорением!
Это огромный парадокс, и причина ускоренного расширения пока неизвестна. Чтобы объяснить это, ученые вновь вводят космологическую постоянную Эйнштейна в уравнения, но с противоположным знаком — то есть он действует как антигравитация и целесообразно расширяет пространство.
Тем не менее похоже, что Эйнштейн не так сильно ошибался.
Сегодня мы знаем, что темная энергия занимает около 70 процентов от общей плотности энергии Вселенной. Мы понятия не имеем, почему он начинает свое действие или какова его природа. Вполне возможно, что его сила будет уменьшаться или увеличиваться со временем.
В зависимости от этого, есть два сценария конца нашей вселенной. Если космологическая постоянная продолжает работать и расти, мы будем расширяться вечно. Если, наоборот, его сила уменьшается и гравитация побеждает, тогда концом нашего космоса может стать Великое Падение. Тогда, почему бы и нет, возможно, новая вселенная родится в новом космическом Большом Взрыве. Но пока это просто загадки, ответы на которые скоро будут раскрыты.
Наша расширяющаяся Вселенная: возраст, история и другие факты
(Изображение предоставлено Гетти)
Вселенная родилась в результате Большого Взрыва как невообразимо горячая и плотная точка. Когда Вселенной было всего 10 -34 секунды или около того, то есть возраст одной сотой миллиардной триллионной триллионной доли секунды, она испытала невероятный всплеск расширения, известный как инфляция, при котором само пространство расширялось быстрее скорости света. За этот период Вселенная удвоилась в размерах не менее чем на 90 раз, почти мгновенно переходя от субатомного размера к размеру мяча для гольфа.
Работа, направленная на понимание расширяющейся Вселенной, основана на сочетании теоретической физики и прямых астрономических наблюдений. Однако в некоторых случаях астрономы не смогли увидеть прямых доказательств — например, в случае с гравитационными волнами, связанными с космическим микроволновым фоном, остаточным излучением Большого взрыва. Предварительное объявление об обнаружении этих волн в 2014 году было быстро отозвано после того, как астрономы обнаружили, что обнаруженный сигнал можно объяснить наличием пыли в Млечном Пути.
По данным НАСА, после инфляции рост Вселенной продолжился, но более медленными темпами . По мере расширения пространства Вселенная охлаждалась и формировалась материя. Через секунду после Большого взрыва Вселенная была заполнена нейтронами, протонами, электронами, антиэлектронами, фотонами и нейтрино.
В течение первых трех минут существования Вселенной легкие элементы родились в процессе, известном как нуклеосинтез Большого взрыва.
Температуры снижены со 100 нониллионов (10 32 ) Кельвина до 1 миллиарда (10 9 ) Кельвина, и столкновение протонов и нейтронов привело к образованию дейтерия, изотопа водорода. Большая часть дейтерия объединилась в гелий, а также образовались следовые количества лития.
Представление этого художника о Большом взрыве показывает, как материя формирует галактики. (Изображение предоставлено Getty)
В течение первых 380 000 лет или около того Вселенная была слишком горячей, чтобы излучать свет, по данным Национального центра космических исследований Франции (Centre National d’Etudes Spatiales, или CNES). Тепло творения столкнуло атомы вместе с достаточной силой, чтобы разбить их на плотную плазму, непрозрачную смесь протонов, нейтронов и электронов, которая рассеивала свет, как туман.
Статьи по теме
Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва материя достаточно остыла для образования атомов в эпоху рекомбинации, в результате чего, по данным НАСА, образовался прозрачный электрически нейтральный газ .
Это вызвало первоначальную вспышку света, созданную во время Большого взрыва, которую сегодня можно обнаружить как космическое микроволновое фоновое излучение. Однако после этого момента Вселенная погрузилась во тьму, так как еще не образовались ни звезды, ни какие-либо другие яркие объекты.
Примерно через 400 миллионов лет после Большого взрыва Вселенная начала выходить из космических темных веков в эпоху реионизации. За это время, длившееся более полумиллиарда лет, сгустков газа разрушилось достаточно, чтобы образовались первые звезды и галактики, чей энергичный ультрафиолетовый свет ионизировал и уничтожил большую часть нейтрального водорода.
Хотя расширение Вселенной постепенно замедлялось по мере того, как материя во Вселенной притягивалась сама к себе под действием гравитации, примерно через 5 или 6 миллиардов лет после Большого взрыва, по данным НАСА , таинственная сила, ныне называемая темной энергией, снова начала ускорять расширение Вселенной, явление, которое продолжается и сегодня.
Через 9 миллиардов лет после Большого взрыва родилась наша Солнечная система.
Большой взрыв
Шаровое скопление NGC 6397 содержит около 400 000 звезд и расположено на расстоянии около 7 200 световых лет в южном созвездии Ара. Его предполагаемый возраст составляет 13,5 миллиардов лет, и он, вероятно, является одним из первых объектов Галактики, образовавшихся после Большого взрыва. (Изображение предоставлено НАСА/Франческо Ферраро/Болонская обсерватория)
Большой взрыв не произошел как взрыв в обычном понимании таких вещей, несмотря на то, что можно сделать вывод из его названия. Согласно НАСА, Вселенная не расширялась в космос, поскольку космоса до Вселенной не существовало . Вместо этого лучше думать о Большом взрыве как об одновременном появлении пространства во всей Вселенной . Вселенная не расширялась ни с одной точки после Большого взрыва — скорее, само пространство растягивалось и уносило с собой материю.
Поскольку Вселенная по своему определению охватывает все пространство и время, какими мы ее знаем, НАСА говорит, что модель Большого Взрыва не может сказать, во что расширяется Вселенная или что привело к Большой взрыв. Хотя существуют модели, которые размышляют над этими вопросами, ни одна из них пока не сделала реалистично проверяемых прогнозов.
В 2014 году ученые из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики объявили, что они обнаружили слабый сигнал в космическом микроволновом фоне, который может быть первым прямым свидетельством гравитационных волн, которые сами считают «дымящимся пистолетом» для Большого взрыва. Выводы вызвали горячие споры, и астрономы вскоре отказались от своих результатов, когда поняли, что пыль в Млечном Пути может объяснить их выводы.
Сколько лет Вселенной?
На этом изображении всего неба показана зарождающаяся Вселенная. Он показывает температурные колебания возрастом 13,7 миллиардов лет. (Изображение предоставлено НАСА)
В настоящее время возраст Вселенной оценивается примерно в 13,8 миллиарда лет, плюс-минус 130 миллионов лет. Для сравнения, Солнечной системе всего около 4,6 миллиарда лет.
Эта оценка получена в результате измерения состава материи и плотности энергии во Вселенной. Это позволило исследователям вычислить, насколько быстро Вселенная расширялась в прошлом. Обладая этими знаниями, они могли бы повернуть время вспять и экстраполировать, когда произошел Большой взрыв (откроется в новой вкладке). Время между тем и сейчас – это возраст Вселенной.
Как он устроен?
Ученые считают, что в самые ранние моменты существования Вселенной в ней не было структуры, о которой можно было бы говорить, а материя и энергия распределялись почти равномерно. По данным НАСА , гравитационное притяжение небольших флуктуаций плотности материи в то время привело к возникновению огромной паутинообразной структуры звезд и пустоты, наблюдаемой сегодня. Плотные области притягивали все больше и больше материи под действием гравитации, и чем массивнее они становились, тем больше материи они могли притягивать под действием гравитации, образуя звезды, галактики и более крупные структуры, известные как скопления, сверхскопления, нити и стены, с «великими стенами». тысяч галактик, длина которых превышает миллиард световых лет. Менее плотные области не росли, превращаясь в область, казалось бы, пустого пространства, называемого пустотами.
Содержимое Вселенной
Нити темной материи, называемые волосками, образуются, когда частицы темной материи проходят через планету. (Изображение предоставлено NASA/JPL-Caltech)
Еще несколько десятилетий назад астрономы считали, что Вселенная почти полностью состоит из обычных атомов или «барионной материи», согласно НАСА . Однако в последнее время появляется все больше свидетельств того, что большинство ингредиентов, составляющих вселенную, имеют форму, которую мы не можем видеть.
Оказывается, атомы составляют всего 4,6 процента Вселенной. Из оставшихся 23 процента состоит из темной материи, которая, вероятно, состоит из одного или нескольких видов субатомных частиц, очень слабо взаимодействующих с обычной материей, а 72 процента состоит из темной энергии, которая, по-видимому, является движущей силой ускоряющегося расширения Вселенной. Вселенная.
Когда дело доходит до атомов, с которыми мы знакомы, водород составляет около 75 процентов, а гелий — около 25 процентов, а более тяжелые элементы составляют лишь крошечную часть атомов Вселенной, по данным НАСА (opens in new tab ).
Какой он формы?
Форма Вселенной и то, является ли она конечной или бесконечной в размерах, зависит от борьбы между скоростью ее расширения и гравитационным притяжением. Сила рассматриваемого притяжения частично зависит от плотности материи во Вселенной.
Если плотность вселенной превышает определенное критическое значение, то вселенная «закрыта (открывается в новой вкладке)» и «положительно изогнута», как поверхность сферы. Это означает, что световые лучи, которые изначально параллельны, будут медленно сходиться, в конечном итоге пересекаться и возвращаться обратно в исходную точку, если Вселенная будет существовать достаточно долго. Если это так, согласно НАСА , Вселенная не бесконечна, но не имеет конца, так же как площадь на поверхности сферы не бесконечна, но не имеет ни начала, ни конца, о которых можно было бы говорить. В конце концов Вселенная перестанет расширяться и начнет схлопываться сама по себе, так называемый «Большой толчок».
Если плотность Вселенной меньше этой критической плотности, то геометрия пространства «открыта » и «отрицательно изогнута», как поверхность седла. Если это так, то вселенная не имеет границ и будет расширяться вечно (откроется в новой вкладке).
Если плотность Вселенной в точности равна критической плотности, то согласно НАСА, геометрия Вселенной является «плоской» с нулевой кривизной, как лист бумаги . Если это так, то Вселенная не имеет границ и будет расширяться вечно, но скорость расширения будет постепенно приближаться к нулю через бесконечное количество времени. По данным НАСА, недавние измерения показывают, что Вселенная плоская, с погрешностью всего 0,4 процента.
Возможно, Вселенная в целом имеет более сложную форму, хотя кажется, что она обладает другой кривизной. Например, вселенная может иметь форму тора или бублика (откроется в новой вкладке).
Расширяющаяся Вселенная
В 1920-х годах астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная не статична . Скорее, он расширялся; находка, которая показала, что вселенная, по-видимому, родилась в результате Большого взрыва.
После этого долгое время считалось, что гравитация материи во Вселенной обязательно замедлит расширение Вселенной . Затем, в 1998, наблюдения космического телескопа Хаббл за очень далекими сверхновыми показали, что давным-давно Вселенная расширялась медленнее, чем сегодня. Другими словами, расширение Вселенной не замедлялось из-за гравитации, а необъяснимым образом ускорялось. Название неизвестной силы, движущей силой этого ускоряющегося расширения, — темная энергия, и оно остается одной из величайших загадок в науке.
Дополнительные ресурсы
Хотите исследовать вселенную самостоятельно? Вы можете виртуально путешествовать по звездам и галактикам Млечного Пути, используя карту неба NASA Hubble Skymap (откроется в новой вкладке). Кроме того, вы можете прочитать 10 диких теорий о Вселенной (открывается в новой вкладке) в этой статье Live Science.
Библиография
«Первые звезды во Вселенной». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма, том 373, выпуск 1 (2006 г.). https://academic.oup.com/mnrasl/article/373/1/L98/989035?login=true (открывается в новой вкладке)
«Молекулярная вселенная». Обзоры современной физики (2013). https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.85.1021 (открывается в новой вкладке)
«Закон Хаббла и расширяющаяся Вселенная». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки (2015 г.). https://www.pnas.org/content/112/11/3173.short (открывается в новой вкладке)
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].
Айлса — штатный автор журнала How It Works, где она пишет о науке, технологиях, космосе, истории и окружающей среде. Проживая в Великобритании, она окончила Стерлингский университет со степенью бакалавра журналистики (с отличием). Ранее Айлса писала для журнала Cardiff Times, Psychology Now и многочисленных научных журналов.
Наша расширяющаяся Вселенная: возраст, история и другие факты
(Изображение предоставлено Гетти)
Вселенная родилась в результате Большого Взрыва как невообразимо горячая и плотная точка. Когда Вселенной было всего 10 -34 секунды или около того, то есть возраст одной сотой миллиардной триллионной триллионной доли секунды, она испытала невероятный всплеск расширения, известный как инфляция, при котором само пространство расширялось быстрее скорости света. За этот период Вселенная удвоилась в размерах не менее чем на 90 раз, почти мгновенно переходя от субатомного размера к размеру мяча для гольфа.
Работа, направленная на понимание расширяющейся Вселенной, основана на сочетании теоретической физики и прямых астрономических наблюдений. Однако в некоторых случаях астрономы не смогли увидеть прямых доказательств — например, в случае с гравитационными волнами, связанными с космическим микроволновым фоном, остаточным излучением Большого взрыва. Предварительное объявление об обнаружении этих волн в 2014 году было быстро отозвано после того, как астрономы обнаружили, что обнаруженный сигнал можно объяснить наличием пыли в Млечном Пути.
По данным НАСА, после инфляции рост Вселенной продолжился, но более медленными темпами . По мере расширения пространства Вселенная охлаждалась и формировалась материя. Через секунду после Большого взрыва Вселенная была заполнена нейтронами, протонами, электронами, антиэлектронами, фотонами и нейтрино.
В течение первых трех минут существования Вселенной легкие элементы родились в процессе, известном как нуклеосинтез Большого взрыва. Температуры снижены со 100 нониллионов (10 32 ) Кельвина до 1 миллиарда (10 9 ) Кельвина, и столкновение протонов и нейтронов привело к образованию дейтерия, изотопа водорода. Большая часть дейтерия объединилась в гелий, а также образовались следовые количества лития.
Представление этого художника о Большом взрыве показывает, как материя формирует галактики. (Изображение предоставлено Getty)
В течение первых 380 000 лет или около того Вселенная была слишком горячей, чтобы излучать свет, по данным Национального центра космических исследований Франции (Centre National d’Etudes Spatiales, или CNES). Тепло творения столкнуло атомы вместе с достаточной силой, чтобы разбить их на плотную плазму, непрозрачную смесь протонов, нейтронов и электронов, которая рассеивала свет, как туман.
Статьи по теме
Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва материя достаточно остыла для образования атомов в эпоху рекомбинации, в результате чего, по данным НАСА, образовался прозрачный электрически нейтральный газ . Это вызвало первоначальную вспышку света, созданную во время Большого взрыва, которую сегодня можно обнаружить как космическое микроволновое фоновое излучение. Однако после этого момента Вселенная погрузилась во тьму, так как еще не образовались ни звезды, ни какие-либо другие яркие объекты.
Примерно через 400 миллионов лет после Большого взрыва Вселенная начала выходить из космических темных веков в эпоху реионизации. За это время, длившееся более полумиллиарда лет, сгустков газа разрушилось достаточно, чтобы образовались первые звезды и галактики, чей энергичный ультрафиолетовый свет ионизировал и уничтожил большую часть нейтрального водорода.
Хотя расширение Вселенной постепенно замедлялось по мере того, как материя во Вселенной притягивалась сама к себе под действием гравитации, примерно через 5 или 6 миллиардов лет после Большого взрыва, по данным НАСА , таинственная сила, ныне называемая темной энергией, снова начала ускорять расширение Вселенной, явление, которое продолжается и сегодня.
Через 9 миллиардов лет после Большого взрыва родилась наша Солнечная система.
Большой взрыв
Шаровое скопление NGC 6397 содержит около 400 000 звезд и расположено на расстоянии около 7 200 световых лет в южном созвездии Ара. Его предполагаемый возраст составляет 13,5 миллиардов лет, и он, вероятно, является одним из первых объектов Галактики, образовавшихся после Большого взрыва. (Изображение предоставлено НАСА/Франческо Ферраро/Болонская обсерватория)
Большой взрыв не произошел как взрыв в обычном понимании таких вещей, несмотря на то, что можно сделать вывод из его названия. Согласно НАСА, Вселенная не расширялась в космос, поскольку космоса до Вселенной не существовало . Вместо этого лучше думать о Большом взрыве как об одновременном появлении пространства во всей Вселенной . Вселенная не расширялась ни с одной точки после Большого взрыва — скорее, само пространство растягивалось и уносило с собой материю.
Поскольку Вселенная по своему определению охватывает все пространство и время, какими мы ее знаем, НАСА говорит, что модель Большого Взрыва не может сказать, во что расширяется Вселенная или что привело к Большой взрыв. Хотя существуют модели, которые размышляют над этими вопросами, ни одна из них пока не сделала реалистично проверяемых прогнозов.
В 2014 году ученые из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики объявили, что они обнаружили слабый сигнал в космическом микроволновом фоне, который может быть первым прямым свидетельством гравитационных волн, которые сами считают «дымящимся пистолетом» для Большого взрыва. Выводы вызвали горячие споры, и астрономы вскоре отказались от своих результатов, когда поняли, что пыль в Млечном Пути может объяснить их выводы.
Сколько лет Вселенной?
На этом изображении всего неба показана зарождающаяся Вселенная. Он показывает температурные колебания возрастом 13,7 миллиардов лет. (Изображение предоставлено НАСА)
В настоящее время возраст Вселенной оценивается примерно в 13,8 миллиарда лет, плюс-минус 130 миллионов лет. Для сравнения, Солнечной системе всего около 4,6 миллиарда лет.
Эта оценка получена в результате измерения состава материи и плотности энергии во Вселенной. Это позволило исследователям вычислить, насколько быстро Вселенная расширялась в прошлом. Обладая этими знаниями, они могли бы повернуть время вспять и экстраполировать, когда произошел Большой взрыв (откроется в новой вкладке). Время между тем и сейчас – это возраст Вселенной.
Как он устроен?
Ученые считают, что в самые ранние моменты существования Вселенной в ней не было структуры, о которой можно было бы говорить, а материя и энергия распределялись почти равномерно. По данным НАСА , гравитационное притяжение небольших флуктуаций плотности материи в то время привело к возникновению огромной паутинообразной структуры звезд и пустоты, наблюдаемой сегодня. Плотные области притягивали все больше и больше материи под действием гравитации, и чем массивнее они становились, тем больше материи они могли притягивать под действием гравитации, образуя звезды, галактики и более крупные структуры, известные как скопления, сверхскопления, нити и стены, с «великими стенами». тысяч галактик, длина которых превышает миллиард световых лет. Менее плотные области не росли, превращаясь в область, казалось бы, пустого пространства, называемого пустотами.
Содержимое Вселенной
Нити темной материи, называемые волосками, образуются, когда частицы темной материи проходят через планету. (Изображение предоставлено NASA/JPL-Caltech)
Еще несколько десятилетий назад астрономы считали, что Вселенная почти полностью состоит из обычных атомов или «барионной материи», согласно НАСА . Однако в последнее время появляется все больше свидетельств того, что большинство ингредиентов, составляющих вселенную, имеют форму, которую мы не можем видеть.
Оказывается, атомы составляют всего 4,6 процента Вселенной. Из оставшихся 23 процента состоит из темной материи, которая, вероятно, состоит из одного или нескольких видов субатомных частиц, очень слабо взаимодействующих с обычной материей, а 72 процента состоит из темной энергии, которая, по-видимому, является движущей силой ускоряющегося расширения Вселенной. Вселенная.
Когда дело доходит до атомов, с которыми мы знакомы, водород составляет около 75 процентов, а гелий — около 25 процентов, а более тяжелые элементы составляют лишь крошечную часть атомов Вселенной, по данным НАСА (opens in new tab ).
Какой он формы?
Форма Вселенной и то, является ли она конечной или бесконечной в размерах, зависит от борьбы между скоростью ее расширения и гравитационным притяжением. Сила рассматриваемого притяжения частично зависит от плотности материи во Вселенной.
Если плотность вселенной превышает определенное критическое значение, то вселенная «закрыта (открывается в новой вкладке)» и «положительно изогнута», как поверхность сферы. Это означает, что световые лучи, которые изначально параллельны, будут медленно сходиться, в конечном итоге пересекаться и возвращаться обратно в исходную точку, если Вселенная будет существовать достаточно долго. Если это так, согласно НАСА , Вселенная не бесконечна, но не имеет конца, так же как площадь на поверхности сферы не бесконечна, но не имеет ни начала, ни конца, о которых можно было бы говорить. В конце концов Вселенная перестанет расширяться и начнет схлопываться сама по себе, так называемый «Большой толчок».
Если плотность Вселенной меньше этой критической плотности, то геометрия пространства «открыта » и «отрицательно изогнута», как поверхность седла. Если это так, то вселенная не имеет границ и будет расширяться вечно (откроется в новой вкладке).
Если плотность Вселенной в точности равна критической плотности, то согласно НАСА, геометрия Вселенной является «плоской» с нулевой кривизной, как лист бумаги . Если это так, то Вселенная не имеет границ и будет расширяться вечно, но скорость расширения будет постепенно приближаться к нулю через бесконечное количество времени. По данным НАСА, недавние измерения показывают, что Вселенная плоская, с погрешностью всего 0,4 процента.
Возможно, Вселенная в целом имеет более сложную форму, хотя кажется, что она обладает другой кривизной. Например, вселенная может иметь форму тора или бублика (откроется в новой вкладке).
Расширяющаяся Вселенная
В 1920-х годах астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная не статична . Скорее, он расширялся; находка, которая показала, что вселенная, по-видимому, родилась в результате Большого взрыва.
После этого долгое время считалось, что гравитация материи во Вселенной обязательно замедлит расширение Вселенной . Затем, в 1998, наблюдения космического телескопа Хаббл за очень далекими сверхновыми показали, что давным-давно Вселенная расширялась медленнее, чем сегодня. Другими словами, расширение Вселенной не замедлялось из-за гравитации, а необъяснимым образом ускорялось. Название неизвестной силы, движущей силой этого ускоряющегося расширения, — темная энергия, и оно остается одной из величайших загадок в науке.
Дополнительные ресурсы
Хотите исследовать вселенную самостоятельно? Вы можете виртуально путешествовать по звездам и галактикам Млечного Пути, используя карту неба NASA Hubble Skymap (откроется в новой вкладке). Кроме того, вы можете прочитать 10 диких теорий о Вселенной (открывается в новой вкладке) в этой статье Live Science.
Библиография
«Первые звезды во Вселенной». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма, том 373, выпуск 1 (2006 г.). https://academic.oup.com/mnrasl/article/373/1/L98/989035?login=true (открывается в новой вкладке)
«Молекулярная вселенная». Обзоры современной физики (2013). https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.85.1021 (открывается в новой вкладке)
«Закон Хаббла и расширяющаяся Вселенная». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки (2015 г.