Расширение вселенной: Что такое расширение Вселенной и чем оно нам грозит |

Содержание

5 вопросов о расширении Вселенной, которые вы стеснялись задать / Хабр

Взгляд на чрезвычайно отдалённую часть Вселенной открывает нам галактики, движущиеся от нас с огромными скоростями. На таких расстояниях галактик видно больше, они меньше по размеру, не такие развитые и удаляются с большими красными смещениями, чем те, что расположены недалеко

Когда вы смотрите на удалённую Вселенную, вы повсюду видите галактики – во всех направлениях, на все миллионы и миллиарды световых лет. Человечеству доступны для наблюдения примерно два триллиона галактик, а общая сумма всего, что есть во Вселенной, гораздо больше и невероятнее, чем большинство из нас может себе представить. Один из наиболее сбивающих с толку фактов состоит в том, что все видимые нами галактики в среднем подчиняются одному правилу: чем дальше они от нас, тем быстрее, по-видимому, они движутся в сторону от нас. Это открытие, сделанное Эдвином Хабблом со своими помощниками в 1920-х, привело нас к картине расширяющейся Вселенной. Но что означает, что Вселенная расширяется? Наука знает это, а теперь будете знать и вы!

Чем дальше мы смотрим, тем более древнюю и неразвитую Вселенную видим. Но это только если Общая теория относительности применима ко Вселенной и управляет её расширением.

1) Во что расширяется Вселенная? Это один из вопросов, звучащих разумно, поскольку всё остальное, что может расширяться, состоит из материи и существует в рамках пространства и времени Вселенной. Но сама Вселенная – это и есть пространство и время, и оно содержит всю имеющуюся материю и энергию. Говоря о «расширении Вселенной» мы имеем в виду, что расширяется пространство, и мы видим, что отдельные галактики и их скопления разлетаются друг от друга. Лучшая из визуализаций этого процесса – это тесто с изюминками, поднимающееся в результате выпекания в печи.

Модель «хлеба с изюмом» расширения Вселенной, в которой относительные расстояния увеличиваются при расширении пространства (теста).

Тесто – ткань пространства, изюминки – связанные структуры (галактики или группы/скопления галактик), и с точки зрения любой изюминки все остальные двигаются от неё, и чем дальше изюминка, тем быстрее она убегает. Только в случае Вселенной нет никакой печки и воздуха снаружи теста; есть только тесто (пространство) и изюминки (материя).

Красное смещение вызывается не движением галактик от нас – красное смещение света, путешествующего от удалённых точек пространства к нам, происходит из-за растяжения пространства между нами и галактиками

2) Откуда нам знать, что расширяется ткань пространства – может, это просто галактики движутся с разными скоростями? Если объекты движутся от вас по всем направлениям, то, возможно, пространство между вами и ими расширяется; но это лишь одна из возможностей. Также звучит разумным, что вы могли оказаться в центре взрыва, и многие объекты просто оказались дальше от вас и двигаются быстрее сегодня, поскольку приобрели больше энергии во время взрыва. Если бы это было так, то выделялись бы два свидетельства этого:

На больших расстояниях галактик с высокими скоростями было бы меньше, поскольку они бы разлетались в стороны в пространстве с течением времени.

Соотношение красного смещения и дальности на больших расстояниях имело бы весьма определённую форму, отличающуюся от того случая, когда расширяется ткань пространства.

Разница между объяснением на основе простого движения (пунктир) и предсказаниями ОТО (сплошная) для расстояний в расширяющейся Вселенной. Нашим наблюдениям однозначно соответствуют предсказания ОТО.

На больших расстояниях плотность галактик оказывается выше, чем поблизости от нас. Это совпадает с картиной, в которой расширяется пространство, поскольку заглядывать вдаль – это всё равно, что заглядывать в прошлое, где расширение было не таким сильным. Мы также видим, что отношение красного смещения к расстоянию у далёких галактик совпадает с картиной расширения ткани пространства, и вовсе не совпадает со случаем, когда галактики просто движутся от нас. На этот вопрос наука даёт ответ двумя очень разными способами, и оба ответа поддерживают вариант расширяющейся Вселенной.

График видимой скорости расширения (ось y) в зависимости от расстояния (ось x) совпадает со Вселенной, быстрее расширявшейся в прошлом, но до сих пор расширяющейся сегодня. Это современная версия наблюдения, расширяющая дистанции в тысячи раз по сравнению с тем, что делал Хаббл. Отметьте, что точки не лежат на прямой, что говорит об изменении скорости расширения со временем

3) Всегда ли Вселенная расширялась с одной скоростью? Мы называем эту скорость постоянной Хаббла, но она постоянна по всему пространству, а не по всему времени. Вселенная сейчас, сегодня, расширяется медленнее, чем это было в прошлом [Вот тут Итан объясняет, почему расширение замедляется, а галактики разлетаются всё быстрее / прим. перев.]. Когда мы говорим о скорости расширения, имеется в виду скорость на единицу расстояния: сегодня это порядка 70 км/с/Мпк (километров в секунду на мегапарсек; мегапарсек – 3 260 000 световых лет). Но скорость расширения зависит от плотности всего, что есть во Вселенной, включая и материю с излучением. С расширением Вселенной материя и излучение внутри неё становятся менее плотными, и с падением плотности материи и излучения падает и скорость расширения. Вселенная в прошлом расширялась быстрее, и замедляется со времён горячего Большого взрыва. Постоянная Хаббла названа так не очень точно; её надо бы назвать параметром Хаббла.

Варианты отдалённой судьбы Вселенной предлагают несколько возможностей, но если тёмная энергия действительно является постоянной, о чём говорят наши данные, то Вселенная будет продолжать следовать красной кривой

4) Будет ли Вселенная расширяться вечно, или она когда-нибудь остановится, или даже сожмётся обратно? Множество поколений этот вопрос был святым Граалем космологии и астрофизики, и на него можно было ответить, только определив как скорость расширения Вселенной, так и все присутствующие в ней типы и количества энергии. Теперь мы успешно измерили, сколько нормальной материи, излучения, нейтрино, тёмной материи и тёмной энергии присутствует в ней, а также скорость расширения Вселенной. На основании законов физики и прошлых событий весьма вероятным кажется то, что Вселенная будет расширяться вечно. Хотя эта вероятность не равна 100%; если что-то, к примеру, тёмная материя, будет вести себя в будущем по-другому, не так, как в прошлом или сегодня, все наши выводы придётся пересмотреть.

5) Есть ли галактики, убегающие от нас быстрее скорости света, и не запрещено ли это? С нашей точки зрения пространство между нами и любой удалённой точкой расширяется. Чем дальше что-то находится, тем быстрее оно удаляется от нас. Даже если бы скорость расширения была крохотной, достаточно далёкий объект в итоге преодолел бы порог любой конечной скорости, поскольку скорость расширения (скорость на единицу расстояния), помноженная на достаточно большое расстояние, даст вам любое значение скорости. Но ОТО этого не запрещает! Закон, запрещающий движение быстрее света, применим только к движениям объектов в пространстве, а не к расширению самого пространства. На самом деле сами галактики двигаются со скоростями порядка сотен или тысяч км/с, что гораздо меньше, чем 300 000 км/с, ограничение скорости, устанавливаемое светом. Убегание и красное смещение вызвано расширением Вселенной, а не истинным движением галактики.

Внутри наблюдаемой Вселенной (жёлтый круг) есть примерно 2 триллиона галактик. До галактик, находящихся на расстоянии большем, чем треть пути от нас до границы, никогда нельзя будет добраться из-за расширения Вселенной, поэтому объём, открытый для изучения человеком, составляет всего 3% от наблюдаемой Вселенной

Расширение Вселенной – обязательное следствие наличия материи и энергии, заполняющей пространство-время, подчиняющееся ОТО. Пока есть материя, есть гравитационное притяжение, поэтому либо гравитация выигрывает и всё сжимается, либо гравитация проигрывает и выигрывает расширение. Нет никакого центра расширения, нет ничего за пределами пространства, куда расширялась бы Вселенная; расширение испытывает сама ткань Вселенной, везде и постоянно. И что самое обидное, даже если бы мы сегодня покинули Землю и отправились бы в путь со скоростью света, нам оказались бы доступными лишь 3% галактик из всей наблюдаемой Вселенной; 97% из них уже за пределами наших возможностей. Вселенная может быть сложным местом, но, по крайней мере, теперь вы знаете ответы на пять из наиболее часто запутывающих всех вопросов!

Физик раскрыл тайну расширения Вселенной

https://ria.ru/20200316/1568664920.html

Физик раскрыл тайну расширения Вселенной

Физик раскрыл тайну расширения Вселенной — РИА Новости, 16.03.2020

Физик раскрыл тайну расширения Вселенной

Профессор Женевского университета (UNIGE) Лукас Ломбрайзер выдвинул гипотезу, объясняющую скорость расширения Вселенной, сообщает портал Phys.org. РИА Новости, 16.03.2020

2020-03-16T13:23

2020-03-16T15:01

наука

космос — риа наука

физика

вселенная

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/03/0a/1568382908_0:36:1920:1116_1920x0_80_0_0_9d056c3d10c08e2957774edf13c6c835.jpg

МОСКВА, 16 мар — РИА Новости. Профессор Женевского университета (UNIGE) Лукас Ломбрайзер выдвинул гипотезу, объясняющую скорость расширения Вселенной, сообщает портал Phys. org.Бельгийский физик Жорж Леметр первым предположил, что Вселенная расширяется со времен Большого взрыва, который произошел 13,8 миллиарда лет назад. В 1929 году эту гипотезу подтвердил американский астроном Эдвин Хаббл. Он установил, что каждая галактика отдаляется от нас, причем быстрее всего двигаются самые отдаленные галактики. Из этого ученые сделали вывод, что когда-то все галактики находились в одной точке, которая по времени совпадает только с временем Большого взрыва. После этих исследований появился закон Хаббла-Леметра, позволивший физикам рассчитать параметр скорости расширения Вселенной — постоянную Хаббла. По оптимальной оценке, Вселенная расширяется на 70 километров в секунду быстрее каждые 3,26 миллиона световых лет. Но единого мнения по поводу справедливого значения постоянной нет: существуют два независимых друг от друга метода подсчета. Данные по ним отличаются друг от друга на десять процентов.Ломбрайзер предположил, что Вселенная не однородна, как считалось ранее, а материя внутри галактики распределяется иначе, нежели за ее пределами. Физик считает, что из-за этого сложно подсчитать вариации средней плотности материи в объемах, в тысячу раз больших размеров галактики. Расчеты могут стать достоверными, если представить, что Земля, наша Галактика и тысячи ближайших к нам галактик движутся в «пузыре», где плотность материи значительно ниже известной науке плотности Вселенной, предположил физик.По его гипотезе, диаметр «пузыря» составляет 250 миллионов световых лет, и этого достаточно, чтобы вместить галактику, которая послужила бы точкой отсчета для измерения расстояний. Тогда плотность материи внутри «пузыря» окажется наполовину меньше, чем в остальной Вселенной.Это дает новое значение постоянной Хаббла, которое согласуется с расчетом по одному из основных методов и составляет порядка 74 километров в секунду на один мегапарсек, отмечается в пресс-релизе исследования.

https://ria.ru/20190912/1558585662.html

https://ria.ru/20200311/1568426272.html

РИА Новости

4.7

internet-group@rian. ru

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/03/0a/1568382908_192:0:1728:1152_1920x0_80_0_0_4420767cf91866fd21105ffa9c91b08a.jpg

1920

true

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

наука, космос — риа наука, физика, вселенная

Наука, Космос — РИА Наука, Физика, Вселенная

МОСКВА, 16 мар — РИА Новости. Профессор Женевского университета (UNIGE) Лукас Ломбрайзер выдвинул гипотезу, объясняющую скорость расширения Вселенной, сообщает портал Phys.org.

Бельгийский физик Жорж Леметр первым предположил, что Вселенная расширяется со времен Большого взрыва, который произошел 13,8 миллиарда лет назад. В 1929 году эту гипотезу подтвердил американский астроном Эдвин Хаббл. Он установил, что каждая галактика отдаляется от нас, причем быстрее всего двигаются самые отдаленные галактики. Из этого ученые сделали вывод, что когда-то все галактики находились в одной точке, которая по времени совпадает только с временем Большого взрыва.

12 сентября 2019, 08:00Наука

Загадки сверхновых. Как происходят самые смертоносные взрывы в космосе

После этих исследований появился закон Хаббла-Леметра, позволивший физикам рассчитать параметр скорости расширения Вселенной — постоянную Хаббла. По оптимальной оценке, Вселенная расширяется на 70 километров в секунду быстрее каждые 3,26 миллиона световых лет. Но единого мнения по поводу справедливого значения постоянной нет: существуют два независимых друг от друга метода подсчета. Данные по ним отличаются друг от друга на десять процентов.

Ломбрайзер предположил, что Вселенная не однородна, как считалось ранее, а материя внутри галактики распределяется иначе, нежели за ее пределами. Физик считает, что из-за этого сложно подсчитать вариации средней плотности материи в объемах, в тысячу раз больших размеров галактики.

Расчеты могут стать достоверными, если представить, что Земля, наша Галактика и тысячи ближайших к нам галактик движутся в «пузыре», где плотность материи значительно ниже известной науке плотности Вселенной, предположил физик.

По его гипотезе, диаметр «пузыря» составляет 250 миллионов световых лет, и этого достаточно, чтобы вместить галактику, которая послужила бы точкой отсчета для измерения расстояний. Тогда плотность материи внутри «пузыря» окажется наполовину меньше, чем в остальной Вселенной.

Это дает новое значение постоянной Хаббла, которое согласуется с расчетом по одному из основных методов и составляет порядка 74 километров в секунду на один мегапарсек, отмечается в пресс-релизе исследования.

11 марта 2020, 12:40Наука

Раскрыта тайна происхождения материи во Вселенной

Как открывали расширение Вселенной

Алексей Левин
«Популярная механика» №6, 2012

Всего лишь сто лет назад ученые обнаружили, что наше Мироздание стремительно увеличивается в размерах.

В 1870 году английский математик Уильям Клиффорд пришел к очень глубокой мысли, что пространство может быть искривлено, причем неодинаково в разных точках, и что со временем его кривизна может изменяться. Он даже допускал, что такие изменения как-то связаны с движением материи. Обе эти идеи спустя много лет легли в основу общей теории относительности. Сам Клиффорд до этого не дожил — он умер от туберкулеза в возрасте 34 лет за 11 дней до рождения Альберта Эйнштейна.

Красное смещение

Первые сведения о расширении Вселенной предоставила астроспектрография. В 1886 году английский астроном Уильям Хаггинс заметил, что длины волн звездного света несколько сдвинуты по сравнению с земными спектрами тех же элементов. Исходя из формулы оптической версии эффекта Допплера, выведенной в 1848 году французским физиком Арманом Физо, можно вычислить величину радиальной скорости звезды. Подобные наблюдения позволяют отследить движение космического объекта.

Четверть века спустя эту возможность по-новому использовал сотрудник обсерватории во Флагстаффе в штате Аризона Весто Слайфер, который с 1912 года изучал спектры спиральных туманностей на 24-дюймовом телескопе с хорошим спектрографом. Для получения качественного снимка одну и ту же фотопластинку экспонировали по нескольку ночей, поэтому проект двигался медленно. С сентября по декабрь 1913 года Слайфер занимался туманностью Андромеды и с помощью формулы Допплера–Физо пришел к выводу, что она ежесекундно приближается к Земле на 300 км.

В 1917 году он опубликовал данные о радиальных скоростях 25 туманностей, которые показывали значительную асимметрию их направлений. Только четыре туманности приближались к Солнцу, остальные убегали (и некоторые очень быстро).

Слайфер не стремился к славе и не пропагандировал свои результаты. Поэтому они стали известны в астрономических кругах, лишь когда на них обратил внимание знаменитый британский астрофизик Артур Эддингтон.

В 1924 году он опубликовал монографию по теории относительности, куда включил перечень найденных Слайфером радиальных скоростей 41 туманности. Там присутствовала все та же четверка туманностей с голубым смещением, в то время как у остальных 37 спектральные линии были сдвинуты в красную сторону. Их радиальные скорости варьировали в пределах 150–1800 км/с и в среднем в 25 раз превышали известные к тому времени скорости звезд Млечного Пути. Это наводило на мысль, что туманности участвуют в иных движениях, нежели «классические» светила.

Космические острова

В начале 1920-х годов большинство астрономов полагало, что спиральные туманности расположены на периферии Млечного Пути, а за его пределами уже нет ничего, кроме пустого темного пространства. Правда, еще в XVIII веке некоторые ученые видели в туманностях гигантские звездные скопления (Иммануил Кант назвал их островными вселенными). Однако эта гипотеза не пользовалась популярностью, поскольку достоверно определить расстояния до туманностей никак не получалось.

Эту задачу решил Эдвин Хаббл, работавший на 100-дюймовом телескопе-рефлекторе калифорнийской обсерватории Маунт-Вилсон. В 1923–1924 годах он обнаружил, что туманность Андромеды состоит из множества светящихся объектов, среди которых есть переменные звезды семейства цефеид. Тогда уже было известно, что период изменения их видимого блеска связан с абсолютной светимостью, и поэтому цефеиды пригодны для калибровки космических дистанций. С их помощью Хаббл оценил расстояние до Андромеды в 285 000 парсек (по современным данным, оно составляет 800 000 парсек). Диаметр Млечного Пути тогда полагали приблизительно равным 100 000 парсек (в действительности он втрое меньше). Отсюда следовало, что Андромеду и Млечный Путь необходимо считать независимыми звездными скоплениями. Вскоре Хаббл идентифицировал еще две самостоятельные галактики, чем окончательно подтвердил гипотезу «островных вселенных».

Справедливости ради стоит отметить, что за два года до Хаббла расстояние до Андромеды вычислил эстонский астроном Эрнст Опик, чей результат — 450 000 парсек — был ближе к правильному. Однако он использовал ряд теоретических соображений, которые не были так же убедительны, как прямые наблюдения Хаббла.

К 1926 году Хаббл провел статистический анализ наблюдений четырех сотен «внегалактических туманностей» (этим термином он пользовался еще долго, избегая называть их галактиками) и предложил формулу, позволяющую связать расстояние до туманности с ее видимой яркостью. Несмотря на огромные погрешности этого метода, новые данные подтверждали, что туманности распределены в пространстве более или менее равномерно и находятся далеко за границами Млечного Пути. Теперь уже не приходилось сомневаться, что космос не замыкается на нашей Галактике и ее ближайших соседях.

Модельеры космоса

Эддингтон заинтересовался результатами Слайфера еще до окончательного выяснения природы спиральных туманностей. К этому времени уже существовала космологическая модель, в определенном смысле предсказывавшая эффект, выявленный Слайфером. Эддингтон много размышлял о ней и, естественно, не упустил случая придать наблюдениям аризонского астронома космологическое звучание.

Современная теоретическая космология началась в 1917 году двумя революционными статьями, представившими модели Вселенной, построенные на основе общей теории относительности. Одну из них написал сам Эйнштейн, другую — голландский астроном Виллем де Ситтер.

Эйнштейн в духе времени считал, что Вселенная как целое статична (он пытался сделать ее еще и бесконечной в пространстве, но не смог найти корректные граничные условия для своих уравнений). В итоге он построил модель замкнутой Вселенной, пространство которой обладает постоянной положительной кривизной (и поэтому она имеет постоянный конечный радиус). Время в этой Вселенной, напротив, течет по-ньютоновски, в одном направлении и с одинаковой скоростью. Пространство-время этой модели искривлено за счет пространственной компоненты, в то время как временная никак не деформирована. Статичность этого мира обеспечивает специальный «вкладыш» в основное уравнение, препятствующий гравитационному схлопыванию и тем самым действующий как вездесущее антигравитационное поле. Его интенсивность пропорциональна особой константе, которую Эйнштейн назвал универсальной (сейчас ее называют космологической постоянной).

Эйнштейновская модель позволила вычислить размер Вселенной, общее количество материи и даже значение космологической постоянной. Для этого нужна лишь средняя плотность космического вещества, которую, в принципе, можно определить из наблюдений. Не случайно этой моделью восхищался Эддингтон и использовал на практике Хаббл. Однако ее губит неустойчивость, которую Эйнштейн просто не заметил: при малейшем отклонении радиуса от равновесного значения эйнштейновский мир либо расширяется, либо претерпевает гравитационный коллапс. Поэтому к реальной Вселенной такая модель отношения не имеет.

Пустой мир

Де Ситтер тоже построил, как он сам считал, статичный мир постоянной положительной кривизны. В нем присутствует эйнштейновская космологическая константа, но зато полностью отсутствует материя. При введении пробных частиц сколь угодно малой массы они разбегаются и уходят в бесконечность. Кроме того, время на периферии вселенной де Ситтера течет медленней, нежели в ее центре. Из-за этого с больших расстояний световые волны приходят с красным смещением, даже если их источник неподвижен относительно наблюдателя. Поэтому в 1920-е годы Эддингтон и другие астрономы задались вопросом: не имеет ли модель де Ситтера чего-нибудь общего с реальностью, отраженной в наблюдениях Слайфера?

Эти подозрения подтвердились, хоть и в ином плане. Статичность вселенной де Ситтера оказалась мнимой, поскольку была связана с неудачным выбором координатной системы. После исправления этой ошибки пространство де Ситтера оказалось плоским, евклидовым, но нестатичным. Благодаря антигравитационной космологической константе оно расширяется, сохраняя при этом нулевую кривизну. Из-за этого расширения длины волн фотонов возрастают, что и влечет за собой предсказанный де Ситтером сдвиг спектральных линий. Стоит отметить, что именно так сегодня объясняют космологическое красное смещение далеких галактик.

От статистики к динамике

История открыто нестатичных космологических теорий начинается с двух работ советского физика Александра Фридмана, опубликованных в немецком журнале Zeitschrift fur Physik в 1922 и 1924 годах. Фридман просчитал модели вселенных с переменной во времени положительной и отрицательной кривизной, которые стали золотым фондом теоретической космологии. Однако современники эти работы почти не заметили (Эйнштейн сначала даже счел первую статью Фридмана математически ошибочной). Сам Фридман полагал, что астрономия еще не обладает арсеналом наблюдений, позволяющим решить, какая из космологических моделей более соответствует реальности, и потому ограничился чистой математикой. Возможно, он действовал бы иначе, если бы ознакомился с результатами Слайфера, однако этого не случилось.

По-другому мыслил крупнейший космолог первой половины XX века Жорж Леметр. На родине, в Бельгии, он защитил диссертацию по математике, а затем в середине 1920-х изучал астрономию — в Кембридже под руководством Эддингтона и в Гарвардcкой обсерватории у Харлоу Шепли (во время пребывания в США, где он подготовил вторую диссертацию в МIT, он познакомился со Слайфером и Хабблом). Еще в 1925 году Леметру впервые удалось показать, что статичность модели де Ситтера мнимая. По возвращении на родину в качестве профессора Лувенского университета Леметр построил первую модель расширяющейся вселенной, обладающую четким астрономическим обоснованием. Без преувеличения, эта работа стала революционным прорывом в науке о космосе.

Вселенская революция

В своей модели Леметр сохранил космологическую константу с эйнштейновским численным значением. Поэтому его вселенная начинается статичным состоянием, но со временем из-за флуктуаций вступает на путь постоянного расширения с возрастающей скоростью. На этой стадии она сохраняет положительную кривизну, которая уменьшается по мере роста радиуса. Леметр включил в состав своей вселенной не только вещество, но и электромагнитное излучение. Этого не сделали ни Эйнштейн, ни де Ситтер, чьи работы были Леметру известны, ни Фридман, о котором он тогда ничего не знал.

Леметр еще в США предположил, что красные смещения далеких галактик возникают из-за расширения пространства, которое «растягивает» световые волны. Теперь же он доказал это математически. Он также продемонстрировал, что небольшие (много меньшие единицы) красные смещения пропорциональны расстояниям до источника света, причем коэффициент пропорциональности зависит только от времени и несет информацию о текущем темпе расширения Вселенной. Поскольку из формулы Допплера–Физо следовало, что радиальная скорость галактики пропорциональна красному смещению, Леметр пришел к выводу, что эта скорость также пропорциональна ее удаленности. Проанализировав скорости и дистанции 42 галактик из списка Хаббла и приняв во внимание внутригалактическую скорость Солнца, он установил значения коэффициентов пропорциональности.

Незамеченная работа

Свою работу Леметр опубликовал в 1927 году на французском языке в малочитаемом журнале «Анналы Брюссельского научного общества». Считают, что это послужило основной причиной, из-за которой она поначалу осталась практически незамеченной (даже его учителем Эддингтоном). Правда, осенью того же года Леметр смог обсудить свои выводы с Эйнштейном и узнал от него о результатах Фридмана. У создателя ОТО не было технических возражений, однако он решительно не поверил в физическую реальность леметровской модели (подобно тому, как раньше не принял фридмановские выводы).

Графики Хаббла

Между тем в конце 1920-х годов Хаббл и Хьюмасон выявили линейную корреляцию между расстояниями до 24 галактик и их радиальными скоростями, вычисленными (в основном еще Слайфером) по красным смещениям. Хаббл сделал из этого вывод о прямой пропорциональности радиальной скорости галактики расстоянию до нее. Коэффициент этой пропорциональности сейчас обозначают H₀ и называют параметром Хаббла (по последним данным, он немного превышает 70 (км/с)/мегапарсек).

Статья Хаббла с графиком линейной зависимости между галактическими скоростями и дистанциями была опубликована в начале 1929 года. Годом ранее молодой американский математик Хауард Робертсон вслед за Леметром вывел эту зависимость из модели расширяющейся Вселенной, о чем Хаббл, возможно, знал. Однако в его знаменитой статье эта модель ни прямо, ни косвенно не упоминалась. Позднее Хаббл высказывал сомнения, что фигурирующие в его формуле скорости реально описывают движения галактик в космическом пространстве, однако всегда воздерживался от их конкретной интерпретации. Смысл своего открытия он видел в демонстрации пропорциональности галактических расстояний и красных смещений, остальное предоставлял теоретикам. Поэтому при всем уважении к Хабблу считать его первооткрывателем расширения Вселенной нет никаких оснований.

И все-таки она расширяется!

Тем не менее Хаббл подготовил почву для признания расширения Вселенной и модели Леметра. Уже в 1930 году ей воздали должное такие мэтры космологии, как Эддингтон и де Ситтер; немногим позже ученые заметили и по достоинству оценили работы Фридмана. В 1931 году с подачи Эддингтона Леметр перевел на английский свою статью (с небольшими купюрами) для «Ежемесячных известий Королевского астрономического общества». В этом же году Эйнштейн согласился с выводами Леметра, а годом позже совместно с де Ситтером построил модель расширяющейся Вселенной с плоским пространством и искривленным временем. Эта модель из-за своей простоты долгое время была очень популярна среди космологов.

В том же 1931 году Леметр опубликовал краткое (и без всякой математики) описание еще одной модели Вселенной, объединявшей в себе космологию и квантовую механику. В этой модели начальным моментом выступает взрыв первичного атома (Леметр также называл его квантом), породивший и пространство, и время. Поскольку тяготение тормозит расширение новорожденной Вселенной, его скорость уменьшается — не исключено, что почти до нуля. Позднее Леметр ввел в свою модель космологическую постоянную, заставившую Вселенную со временем перейти в устойчивый режим ускоряющегося расширения. Так что он предвосхитил и идею Большого взрыва, и современные космологические модели, учитывающие присутствие темной энергии. А в 1933 году он отождествил космологическую постоянную с плотностью энергии вакуума, о чем до того никто еще не додумался. Просто удивительно, насколько этот ученый, безусловно достойный титула первооткрывателя расширения Вселенной, опередил свое время!

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 точно 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.