Содержание
Насколько велика наша Вселенная? / Статьи
Начиная с того мгновения, когда произошел Большой взрыв, космос беспрерывно расширяется. Но насколько быстро? Ответ на этот вопрос может показать, что все наши прежние представления о физике были ошибочными.
Вселенная большая. Считается, что самые отдаленные из видимых её областей находятся на расстоянии 46 млрд световых лет. В диаметре это 870 секстиллионов, или 870 000000000000000000 км. Это наиболее вероятное предположение, на самом же деле никто не знает, насколько Вселенная большая.
Мы можем видеть Вселенную лишь до тех областей, куда дошел свет (или, если точнее, микроволновое излучение от Большого взрыва) со времен её зарождения. Это произошло около 13,8 млрд лет назад. Но в силу того, что мы не знаем точный возраст Вселенной, очень сложно точно определить, насколько далеко она может расшириться за пределы той области, которую мы не видим.
Постоянная Хаббла
Установить, насколько быстро Вселенная расширяется, ученые пытаются с помощью постоянной Хаббла.
«Это коэффициент того, насколько быстро расширяется Вселенная, — объясняет Уэнди Фридман, астрофизик из Чикагского университета. — Постоянная Хаббла устанавливает масштабы Вселенной, ее размеры и возраст».
Наша галактика, Млечный Путь
Таким образом, Вселенная представляется неким разрывающимся шаром. По мере того, как звезды и галактики, словно точки на поверхности шара, отдаляются друг от друга все быстрее, увеличивается и расстояние между ними. Чем дальше другие галактики находятся от нас, тем быстрее они отдаляются.
Но, к сожалению, чем больше астрономы измеряют это число, тем больше последующие исследования опровергают прогнозы, построенные на нашем понимании Вселенной. Один из способов измерения постоянной Хаббла дает определенные данные. Альтернативные же подсчеты, основанные на нашем понимании других параметров Вселенной, говорят о другом. Получается, что либо подсчеты неверны, либо же мы как-то не так представляем устройство Вселенной.
Но сейчас ученые считают, что они близки к разгадке, во многом благодаря новым экспериментам и наблюдениям, призванным установить, чем на самом деле является постоянная Хаббла.
«Перед космологами инженерный вызов: как измерить это число с максимальной точностью?» — поясняет Рейчел Битон, астроном из Принстонского университета. По ее словам, для этого нужны не только данные, но и перепроверка измерений, сделанных разными способами. С точки зрения ученых, эта задача сродни пазлу, нежели загадке в стиле Агаты Кристи.
Первые измерения в 1929 году сделал астроном, чье имя эта постоянная носит. Спустя 100 лет после того, как Эдвин Хаббл сделал первые подсчеты, это значение несколько раз менялось в сторону уменьшения. Сегодня постоянную определяют в пределах 67–74 (км/с)/Мпк.
Отчасти проблема в том, что постоянная Хаббла может отличаться в зависимости от того, как ее измеряют.
Есть два основных способа:
— один определяет, насколько быстро ближайшие галактики отдаляются от нас;
— для второго используется реликтовое излучение (космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение) — первое излучение, появившееся после Большого взрыва.
Мы все еще можем видеть это излучение сегодня, но в силу того, что далекие области Вселенной отдаляются, мы видим излучение как радиоволны, которые были обнаружены случайно в 1960-х годах. По ним можно составить поверхностное представление о том, как выглядела Вселенная.
Реликтовое излучение и звезды Цефеиды
Но есть проблема. Когда астрономы пытаются определить значение постоянной Хаббла по тому, как ближайшие галактики отдаляются от нас, результаты получаются разными. По словам Уэнди Фридмана, если стандартная модель верна, тогда два значения постоянной (то, что мы наблюдаем сегодня, и значение, полученное во время ранних наблюдений) должны совпадать. Но это не так.
Когда спутник Planck Европейского космического агентства (ESA) измерил расхождения в реликтовом излучении сначала в 2014-м, а затем в 2018 году, получилось, что постоянная Хаббла равна 67,4 (км/с)/Мпк. Это примерно на 9% меньше тех данных, которые астрономы получили при измерении ближайших галактик.
Крошечные возмущения в ранней Вселенной можно увидеть в колебаниях самого старого источника света во Вселенной — космического микроволнового фона
Дальнейшие измерения реликтового излучения, которые проводились с помощью Атакамского космологического телескопа, подтвердили значение, полученное с помощью телескопа Планка.
Уэнди Фридман вместе с коллегами опирается в своих подсчетах на информацию о пульсирующих переменных звездах Цефеидах, который были открыты 100 лет назад астрономом Генриеттой Левит. Определяя, насколько яркими звезды кажутся нам с Земли, и используя затемнение света как функцию расстояния, исследователи нашли точный способ установить расстояние до звезд.
Если Вселенная расширяется быстрее, чем это считается, она может быть моложе 13,8 млрд лет
В 2019 году еще одна команда астрономов с помощью космического телескопа Хаббл определила значение постоянной как 74 (км/с)/Мпк, здесь также использовались данные о Цефеидах. В дальнейшем с помощью альтернативного способа, включающего такой фактор, как свет, который исходит от квазаров, значение постоянной было определено как 73 (км/с)/Мпк.
Если эти подсчеты верны, тогда Вселенная может расширяться намного быстрее, чем предполагает Стандартная космологическая модель. Это бы означало, что использующуюся модель нужно пересмотреть, а вместе с ней — и все наши лучшие описания фундаментальной природы Вселенной. Пока результаты не ясны, но если они подтвердятся, последствия могут быть весьма значительными.
«Это может означать, что стандартной модели чего-то недостает. Пока еще мы не знаем причину, почему это происходит», — объясняет Фридман.
Если в Стандартной модели есть просчет, тогда все наши представления о Вселенной — о темной материи, темной энергии и излучении — не вполне верны. И если Вселенная действительно расширяется быстрее, чем это считалось прежде, она может быть намного моложе 13,8 млрд лет — возраста, который ей приписывают сейчас.
Альтернативное объяснение расхождений в подсчетах постоянной Хаббла состоит в том, что та часть Вселенной, где находится Земля, как-то отличается от остальной Вселенной, и это отличие влияет на подсчеты.
«Это далеко не точная аналогия, но можно представить, как скорость автомобиля меняется, когда вы едите с горы или под гору, даже если давите на газ с одинаковой силой», — объясняет Рейчел Битон.
Астрономы считают, что сейчас они близки к разгадке того, чем на самом деле является постоянная Хаббла. «В течение ближайших 2-3 лет мы решим эту задачу. Сейчас появляется множество открытий и возможностей, которых не было прежде. Думаю, скоро мы доберемся до сути», — резюмирует Уэнди Фридман.
При подготовке статьи использовались материалы иностранных СМИ
Читайте Фразу в Google News (нажать «Подписаться»)
Подписывайтесь на каналы Фразы в Telegram, Youtube, Twitter, Instagram, Facebook
Насколько велика Вселенная? Можно ли вообще ответить на этот вопрос?
Вселенная представляет собой огромное пространство, заполненное туманностями, звездными скоплениями, отдельными звездами, планетами с их спутниками, различными кометами, астероидами и, в конце концов, вакуумом, а также темной материей.
Она настолько огромна, что полнота ответа на вопрос о том, насколько именно она большая, к сожалению, ограничена нашим нынешним уровнем развития технологий. Как бы там ни было, понимание размера Вселенной подразумевает понимание нескольких ключевых факторов. Одним из этих факторов, например, является понимание того, как ведет себя космос, а также понимание того, что то, что мы видим, является всего лишь так называемой «наблюдаемой Вселенной». Выяснить истинные размеры Вселенной мы не можем, потому что наши возможности не позволяют нам увидеть ее «край».
Рулеткой ее точно не измерить
Все, что находится за пределами видимой Вселенной, по-прежнему остается для нас загадкой и является предметом бесконечных споров и дискуссий среди астрофизиков всех мастей. Сегодня постараемся простыми словами объяснить то, к чему пришла наука к настоящему моменту времени в вопросах понимания размеров Вселенной, и постараемся ответить на один из самых животрепещущих и сложных вопросов о ее природе.
Но сперва давайте рассмотрим базовые принципы того, как ученые определяют расстояние в космосе.
Содержание
- 1 Как определяют расстояние в космосе
- 2 Что такое параллакс
- 3 Какого размера Вселенная?
- 4 Сколько лет Вселенной?
Как определяют расстояние в космосе
Самым простейшим методом определения расстояния в космосе является использование света. Однако если учесть то, каким образом свет распространяется в пространстве, то следует понимать, что те объекты, которые мы видим с Земли, в космосе необязательно будут выглядеть так же. Ведь для того, чтобы свет от далеких объектов достиг нашей планеты может потребоваться десятки, сотни, тысячи, а то и десятки тысяч лет.
Скорость света составляет 300 000 километров в секунду, но для космоса, для такого гигантского пространства, понятие секунды не является идеальной величиной для измерения.
В астрономии принято для определения расстояния использовать термин световой год.
Один световой год приблизительно эквивалентен расстоянию 9 460 730 472 580 800 метров и дает нам не только представление о расстоянии, но также может говорить о том, какое количество времени потребуется свету объекта для того, чтобы нас достигнуть.
Такое расстояние сложно себе даже представить
Самым простым примером разницы времени и расстояний является свет Солнца. Среднее расстояние от нас до Солнца составляет около 150 000 000 километров. Допустим, у вас есть подходящий телескоп и защита для глаз, позволяющие вести за Солнцем наблюдение. Суть в том, что все, что вы будете видеть в телескоп, на самом деле происходило с Солнцем 8 минут назад (именно столько требуется свету, чтобы добрать до Земли). Свет Проксимы Центавра? Дойдет до нас только через четыре года. Или взять хотя бы такую крупную звезду, как Бетельгейзе, собирающуюся стать в скором времени сверхновой. Даже если бы это событие произошло сейчас, мы узнали бы о нем не раньше середины 27 века!
Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на нас в Яндекс.
Дзен, чтобы не пропускать новые материалы!
Свет и его свойства сыграли ключевую роль в понимании нами того, насколько огромна Вселенная. В настоящий момент наши возможности позволяют нам заглянуть примерно на 46 миллиардов световых лет наблюдаемой Вселенной. Каким образом? Все благодаря используемой физиками и астрономами шкалы расстояний в астрономии.
Что такое параллакс
Телескопы являются лишь одним из инструментов для измерения космических расстояний и не всегда способны справится с этим заданием: чем дальше находится объект, расстояние до которого мы хотим измерить, тем сложнее это сделать. Радиотелескопы отлично подходят для измерения расстояний и проведения наблюдений лишь внутри нашей Солнечной системы. Они действительно способны предоставлять очень точные данные. Но стоит только направить их взор за пределы Солнечной системы, как их эффективность резко сокращается. Ввиду всех этих проблем астрономы решили прибегнуть к другому методу измерения расстояния — параллаксу.
Что такое параллакс? Объясним на простом примере. Закройте сначала один глаз и посмотрите на какой-нибудь объект, а затем закройте другой глаз и посмотрите снова на этот же объект. Заметили небольшое «изменение в положении» объекта? Этот «сдвиг» и называется параллаксом, методом, который используется для определения расстояния в космосе. Метод отлично работает, когда речь идет о звездах, находящихся в относительной близости от нас — примерно в радиусе 100 световых лет. Но когда и этот метод становится малоэффективным, ученые прибегают к другим.
Следующий способ определения расстояния носит название «метод главной последовательности». Он основан на наших знаниях о том, как со временем изменяются звезды определенных размеров. Сначала ученые определяют яркость и цвет звезды, а затем сравнивают показатели с ближайшими звездами, обладающими аналогичными характеристиками, выводя на основе этих данных приблизительное расстояние. Опять же, данный метод весьма ограничен и работает только в случае звезд, принадлежащих нашей галактике, или тех, которые находятся в радиусе 100 000 световых лет.
Чтобы заглянуть дальше, астрономы полагаются на метод измерения по цефеидам. Он основан на открытии американского астронома Генриетты Суон Ливитт, которая обнаружила зависимость между периодом изменения блеска и светимостью звезды. Благодаря этому методы многие астрономы смогли высчитать расстояния до звезд не только внутри нашей галактики, но и за ее пределами. В некоторых случаях речь идет о дистанциях в 10 миллионов световых лет.
Какого размера Вселенная?
И все же к вопросу размеров Вселенной мы пока не приблизились ни на йоту. Поэтому переходим к ультимативному средству измерений, основанному на принципе красного сдвига (или красного смещения). Суть красного смещения аналогична принципу работы эффекта Доплера. Вспомните железнодорожный переезд. Никогда не замечали, как звучание гудка поезда изменяется в зависимости от расстояния, усиливаясь при приближении и становясь тише при отдалении?
Свет работает примерно так же. Посмотрите на спектрограмму выше, видите черные линии? Они указывают на границы поглощения цвета химическими элементами, находящимися внутри и вокруг источника света.
Чем больше сдвинуты линии к красной части спектра — тем дальше объект находится от нас. На основе подобных спектрограмм ученые также определяют то, насколько быстро объект двигается от нас.
Так мы плавно и подобрались к нашему ответу. Большая часть света, подвергшаяся красному смещению, принадлежит галактикам, возраст которых около 13,8 миллиарда лет.
Сколько лет Вселенной?
Если после прочтенного вы пришли к выводу, что радиус наблюдаемой нами Вселенной составляет всего 13,8 миллиарда световых лет, то вы не учли одной важной детали. Все дело в том, что на протяжении этих 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва Вселенная продолжала расширяться. Другими словами, это означает, что реальный размер нашей Вселенной гораздо больше, чем указано в наших изначальных измерениях.
Поэтому для того, чтобы узнать реальный размер Вселенной, необходимо принять во внимание еще один показатель, а именно то, насколько быстро Вселенная расширялась со времен Большого взрыва. Физики говорят, что наконец смогли вывести нужные цифры и уверены в том, что радиус видимой Вселенной в настоящий момент составляет около 46,5 миллиарда световых лет.
Правда, стоит также отметить, что эти подсчеты основаны лишь на том, что мы сами можем видеть. Точнее способны разглядеть в глубине космоса. Эти подсчеты не отвечают на вопрос истинного размера Вселенной. Кроме того, ученых заставляет задуматься некоторое несоответствие, согласно которому более удаленные от нас галактики в нашей Вселенной слишком хорошо сформированы, чтобы можно было считать, что они появились сразу после Большого взрыва. Для такого уровня развития потребовалось гораздо больше времени.
Необъяснимый факт, указанный выше, открывает целый ряд новых проблем. Некоторые ученые постарались посчитать, сколько потребовалось бы времени для развития этих полностью сформированных галактик. Например, оксфордские ученые пришли к выводу, что размер всей Вселенной может быть в 250 раз больше наблюдаемой.
Мы действительно способны измерить расстояния до объектов в пределах наблюдаемой Вселенной, но то, что находится за этой гранью, нам не известно. Конечно же, никто не говорит, что ученые не пытаются это выяснить, но, как уже говорилось выше, наши возможности ограничены нашим уровнем технического прогресса.
Кроме того, не стоит также сразу отбрасывать предположение о том, что ученые, возможно, так никогда и не узнают настоящих размеров всей Вселенной, если учесть все факторы, находящиеся на пути решения этого вопроса.
Насколько велика Вселенная?
(Изображение предоставлено космическим телескопом Хаббл НАСА/ЕКА)
Если вы когда-нибудь мечтали о путешествии во времени, просто посмотрите на ночное небо; проблески, которые вы видите, на самом деле являются моментальными снимками далекого прошлого. Это потому, что эти звезды, планеты и галактики находятся так далеко, что свет даже от самых близких может достигать Земли за десятки тысяч лет.
Вселенная, несомненно, большая. Но насколько он велик?
«Это может быть что-то, чего мы на самом деле никогда не узнаем», — сказала Live Science Сара Галлахер, астрофизик из Западного университета в Онтарио, Канада. Размер Вселенной — один из фундаментальных вопросов астрофизики. Также может быть невозможно ответить. Но это не мешает ученым пытаться.
Связанный: Что происходит в межгалактическом пространстве?
Чем ближе объект во Вселенной, тем легче измерить расстояние до него, сказал Галлахер. Солнце? Кусок пирога. Луна? Еще проще. Все, что нужно сделать ученым, — это направить луч света вверх и измерить время, необходимое для того, чтобы этот луч отразился от поверхности Луны и вернулся на Землю.
Но самые далекие объекты в нашей галактике сложнее, сказал Галлахер. В конце концов, чтобы добраться до них, потребуется очень сильный луч света. И даже если бы у нас были технологические возможности, чтобы светить так далеко, у кого есть тысячи лет, чтобы ждать, пока луч отразится от 9 Вселенной?0011 далекие экзопланеты и вернуться обратно к нам?
У ученых есть несколько хитростей в рукаве для работы с самыми дальними объектами во Вселенной. Звезды меняют цвет по мере старения, и, основываясь на этом цвете, ученые могут оценить, сколько энергии и света испускают эти звезды.
Две звезды с одинаковой энергией и яркостью не будут выглядеть одинаково с Земли, если одна из этих звезд находится намного дальше. Чем дальше, тем, естественно, будет казаться тусклее. По словам Галлахера, ученые могут сравнить реальную яркость звезды с тем, что мы видим с Земли, и использовать эту разницу, чтобы рассчитать, насколько далеко находится звезда.
А как насчет абсолютного края вселенной ? Как ученые рассчитывают расстояния до объектов, находящихся так далеко? Вот где все становится действительно сложно.
Помните: чем дальше объект от Земли, тем дольше свет от этого объекта доходит до нас. Представьте себе, что некоторые из этих объектов находятся так далеко, что их свету потребовались миллионы или даже миллиарды лет, чтобы добраться до нас. А теперь представьте, что свету некоторых объектов требуется так много времени, чтобы совершить это путешествие, что за все миллиарды лет существования Вселенной он так и не достиг Земли. Это именно та проблема, с которой сталкиваются астрономы, сказал Live Science Уилл Кинни, физик из Университета штата Нью-Йорк в Буффало.
«Мы можем видеть только крошечный, маленький пузырь [вселенной]. А что находится за его пределами? Мы действительно не знаем», — сказал Кинни.
Но, рассчитав размер этого маленького пузыря, ученые могут оценить, что находится за его пределами.
Ученые знают, что Вселенной 13,8 миллиарда лет, плюс-минус несколько сотен миллионов лет. Это означает, что объект, свет которого дошел до нас 13,8 миллиарда лет, должен быть самым дальним объектом, который мы можем видеть. У вас может возникнуть соблазн подумать, что это дает нам простой ответ на вопрос о размере Вселенной: 13,8 миллиарда световых лет. Но имейте в виду, что Вселенная также постоянно расширяется с возрастающей скоростью. За то время, которое потребовалось свету, чтобы добраться до нас, край пузыря сдвинулся. К счастью, ученые знают, как далеко она сдвинулась: на 46,5 миллиардов световых лет, исходя из расчетов расширения Вселенной с момента Большого взрыва.
Связанный: Если бы существовала временная деформация, как бы физики ее нашли?
Некоторые ученые использовали это число, чтобы попытаться рассчитать, что находится за пределами того, что мы можем видеть.
Основываясь на предположении, что Вселенная имеет искривленную форму, астрономы могут изучить закономерности, которые мы наблюдаем в наблюдаемой Вселенной, и использовать модели, чтобы оценить, насколько дальше простирается остальная часть Вселенной. Одно исследование показало, что реальная Вселенная может быть по крайней мере в 250 раз больше размера из 46,5 миллиардов световых лет, которые мы видим.
Но у Кинни есть и другие идеи: «Нет никаких доказательств того, что Вселенная конечна, — сказал он. — Она вполне может существовать вечно».
Нельзя точно сказать, конечна Вселенная или бесконечна, но ученые сходятся во мнении, что она «действительно чертовски огромна», — сказал Галлахер. К сожалению, та небольшая часть, которую мы можем видеть сейчас, — это максимум того, что мы когда-либо сможем наблюдать. Поскольку Вселенная расширяется с возрастающей скоростью, внешние края наблюдаемой нами Вселенной на самом деле движутся наружу со скоростью, превышающей скорость света.
Это означает, что края нашей вселенной удаляются от нас быстрее, чем их свет может достичь нас . Постепенно эти края (и любых ресторанов там , как однажды написал британский писатель Дуглас Адамс) исчезают из поля зрения.
Размер Вселенной и то, что мы не можем ее видеть, — это унизительно, — сказал Галлахер. Но это не мешает ей и другим ученым продолжать искать ответы.
«Возможно, мы не сможем понять это. Это может расцениваться как разочарование», — сказал Галлахер. «Но это также делает его действительно захватывающим».
- Что было до Большого Взрыва?
- Сколько мусора на Луне?
- Как образуется черная дыра?
Первоначально опубликовано на Live Science .
Изобель Уиткомб — автор статей для журнала Live Science, посвященный вопросам окружающей среды, животных и здоровья. Ее работы публиковались в New York Times, Fatherly, Atlas Obscura, Hakai Magazine и Scholastic’s Science World Magazine.
Исобель уходит корнями в науку. Она изучала биологию в колледже Скриппса в Клермонте, штат Калифорния, одновременно работая в двух разных лабораториях и получая стипендию в Национальном парке Кратер-Лейк. Она получила степень магистра журналистики в программе Нью-Йоркского университета по науке, здравоохранению и экологии. В настоящее время она живет в Портленде, штат Орегон.
Насколько велика Вселенная?
Вселенная невообразимо огромна.
- Наблюдаемая Вселенная — это часть Вселенной, которую мы можем видеть
- Конечный возраст Вселенной и скорость света означают, что существует предел того, насколько далеко мы можем видеть
- Диаметр наблюдаемой Вселенной оценивается в 93 миллиарда световых лет
Вселенная невообразимо огромна.
Человеческий мозг просто не способен по-настоящему охватить необъятность космоса. По мере того, как телескопы становились все более совершенными, ученые могут заглянуть в космос дальше, чем когда-либо прежде, и оценить фактический размер Вселенной. Насколько велика вселенная?
Наблюдаемая Вселенная
Компьютерное моделирование всей вселенной, часто называемой космической паутиной, NASA
Вселенная, которую мы можем видеть, называется наблюдаемой вселенной. Наблюдаемая Вселенная, вероятно, является лишь частью Вселенной, а за ее пределами, вероятно, есть еще больше пространства, заполненного звездами и галактиками. Причина, по которой существует наблюдаемая Вселенная, заключается в том, что Вселенная не существует бесконечное количество времени. Скорее, Вселенная началась в результате Большого взрыва около 13,8 миллиардов лет назад.
Конечный возраст Вселенной означает, что объекты за определенной точкой, называемой космическим горизонтом, просто находятся слишком далеко, чтобы их свет достиг наших глаз. Все, что мы можем сейчас увидеть во Вселенной, является частью нашего космического пузыря, называемого наблюдаемой Вселенной.
Космический горизонт
Галактика Водоворот находится на расстоянии почти 30 миллионов световых лет, а это означает, что мы видим ее такой, какой она была 30 миллионов лет назад, НАСА 9.0002 Какими бы мощными ни становились телескопы, существует физический предел того, насколько далеко мы можем заглянуть во вселенную. Это потому, что Вселенная имеет конечный возраст и конечный предел скорости.
Единственная причина, по которой мы можем видеть так далеко в космосе, заключается в том, что свет, излучаемый объектами, распространяется с огромной скоростью. Скорость света — самая быстрая известная вещь во Вселенной, и, насколько известно ученым, законы физики запрещают чему-либо превышать скорость света. Вселенная началась в результате Большого взрыва около 13,8 миллиардов лет назад, и, поскольку скорость света — конечное число, существует предел того, насколько далеко мы можем видеть во Вселенной. Вселенная просто не существовала достаточно долго, чтобы источники света за пределами определенной точки достигли наших глаз. Поскольку один световой год — это расстояние, которое свет проходит за год, было бы разумно предположить, что максимальное расстояние, которое мы можем видеть, составляет около 13,8 миллиардов световых лет, или возраст Вселенной. Однако на самом деле это не так. Скорее, наблюдаемая Вселенная оценивается примерно в 93 миллиарда световых лет в поперечнике. Это, вероятно, кажется нелогичным, потому что скорость света конечна и является максимальной скоростью Вселенной.