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!
Расширение Вселенной «скоро» закончится, и она начнет сжиматься: когда все начнется
Новое исследование предполагает, что после почти 13,8 млрд лет расширения Вселенной, этот процесс может остановиться.
Related video
Ученые создали модель развития Вселенной, которая показала, что темная энергия, способствующая ее стремительному расширению со временем может утратить свою силу. Но друга характеристика этой энергии будут способствовать постепенному сжатию Вселенной, что приведет к ее «смерти» или возможно, к новому возрождению пространства-времени, сообщает Live Science.
Ученые из Принстонского университета пришли к выводу, что загадочная темная энергия – это не постоянная сила природы. Она может меняться со временем, в частности ее отталкивающая способность к расширению Вселенной может замедляться и в конце концов, полностью остановиться.
После этого, у темной энергии проявится ее притягивающая способность, что приведет к медленному сжатию Вселенной.
Расширение закончится скоро по космическим меркам
Модель эволюции Вселенной, созданная учеными, показала, что ускоренное расширение Вселенной может завершиться через 65 млн лет, а через 100 млн лет она вообще перестанет расширяться. После этого, может наступить период медленного сжатия, который будет длиться несколько миллиардов лет. В результате Вселенная либо «умрет», либо наступит ее новое возрождение.
«Мы считаем, что процесс замедления расширения Вселенной произойдет достаточно быстро. Ведь 65 млн лет в космических масштабах – это небольшой отрезок времени», — говорит Пол Стейнхардт из Принстонского университета.
Еще в 90-х годах прошлого века ученые выяснили, что Вселенная расширяется быстрее, чем миллиарды лет назад и причиной этому является темная энергия, которая имеет способность отталкивать такие массивные объекты, как галактики друг от друга.
Модель эволюции Вселенной, созданная учеными, показала, что ускоренное расширение Вселенной может завершиться через 65 млн лет, а через 100 млн лет она вообще перестанет расширяться
Фото: Live Science
Теории касательно темной энергии
Согласно теории, которую предложил еще Альберт Эйнштейн, темная энергия имеет неизменяемую форму. То есть эта сила не меняется, а значит расширение Вселенной будет длиться вечно. Но другая теория, которую предложили ученые, среди которых был и Стейнхардт, еще в 1998 году, говорит о том, что темная энергия не обязательно должна быть постоянной, и она может менять свои характеристики. Это значит, что темная энергия может иметь как отталкивающую, так и притягивающую способности.
Темная энергия может терять свою силу
Создав новую модель эволюции Вселенной, ученые пришли к выводу, что сила темной энергии, которая позволяет ей способствовать расширению Вселенной, со временем будет угасать.
Моделирование показало, что процесс замедления отталкивающей силы темной энергии начался еще несколько миллиардов лет назад. Поэтому ускоренное расширение Вселенной замедляется уже сейчас.
По словам Стейнхардта, после того, как закончится расширение Вселенной и начнется ее сжатие, этот процесс будет происходить очень медленно. Чтобы сжаться до половины своих нынешних размеров, Вселенной потребуется несколько миллиардов лет.
Два сценария «конца» Вселенной
«Мы считаем, что в конце концов, произойдет одно из двух вероятных событий. Или Вселенная будет сжиматься до тех пор, пока не исчезнет и не закончится пространство-время. Или же она сожмется до такого состояния, в каком она пребывала перед Большим взрывом и произойдет еще одно подобное событие, что положит начало новой Вселенной», — говорит Стейнхардт.
В конце концов произойдет одно из двух вероятных событий: или Вселенная будет сжиматься до тех пор, пока не исчезнет и не закончится пространство-время.
Или же она сожмется до такого состояния в каком она пребывала перед Большим взрывом
Фото: Live Science
Если верен второй сценарий развития событий, то согласно теории Стейнхардта Вселенная постоянно расширяется и сжимается. Это значит, что наша Вселенная не первая и не последняя в бесконечной серии Вселенных.
К сожалению, новое исследование остается только теорией, ведь нет возможности его проверить. Чем все закончится на самом деле, возможно, увидят только наши очень далекие потомки, говорят ученые.
Фокус уже писал о том, что ученые ищут ответ на вопрос: может ли наша Вселенная разорваться на части? Ответить на этот вопрос ученым может помочь новый космический телескоп Nancy Grace Roman.
Также Фокус писал о том, что существуют несколько отличных от общепринятой, теорий рождения нашей Вселенной. Теорию Большого взрыва ставили под сомнение уже несколько раз.
Еще Фокус писал о том, что ученые создали модель, с помощью которой смогли увидеть, как зажглись первые звезды в нашей Вселенной и как свет начал распространятся в космосе.
Вселенная может начать сжиматься всего через 100 миллионов лет
Эд Браун
Технологии и наука
Наука
Пространство
Физика
Астрофизика
Американские ученые опубликовали новый исследовательский документ, в котором излагается возможность того, что относительно скоро Вселенная может начать сжиматься к своей гибели и возможному возрождению.
Происхождение и конец Вселенной веками волновали ученых и остаются одними из самых больших вопросов в физике. Сегодня преобладает теория о том, что Вселенная началась с Большого Взрыва — обширного расширения всего из одной точки, которая продолжала расти и охлаждаться до того, чем является Вселенная сегодня.
Однако существуют некоторые разногласия относительно того, как закончится вселенная.
Существует ряд теорий, в том числе: «Большой разрыв», который предполагает, что Вселенная будет расти все быстрее и быстрее, пока расстояния даже между отдельными частицами не станут бесконечными; «Большая заморозка», при которой Вселенная продолжает расширяться вечно, а вся материя остывает до абсолютного нуля; и «Большое сжатие» или «Большой отскок», при котором Вселенная перестает расширяться, начинает сжиматься и, в конце концов, схлопывается в единую точку, прежде чем снова взорваться.
Большой взрыв — это господствующая теория возникновения Вселенной. Неизвестно, чем это закончится. Однако американские ученые опубликовали новый исследовательский документ, в котором излагается возможность того, что Вселенная может начать сжиматься, что приведет к ее гибели и потенциальному возрождению. На фото иллюстрация, изображающая космический взрыв.
кофекай / Гетти
В этом последнем сценарии конец вселенной и начало вселенной по сути одно и то же.
Текущие измерения Вселенной предполагают, что мы движемся либо к сценарию Большого Разрыва, либо к Большому Замораживанию, поскольку расширение пространства выглядит так, будто оно ускоряется, движимое таинственной силой, известной как темная энергия, которая составляет 68 процентов Вселенная, по данным НАСА.
Однако группа из трех ученых из Нью-Йорка и Нью-Джерси считает, что темная энергия не может существовать вечно. Они думают, что темная энергия на самом деле может быть чем-то, называемым квинтэссенцией, которая меняется со временем.
Если это так, говорят исследователи, то темной энергии в конечном итоге будет недостаточно для продолжения расширения Вселенной, и гравитационное притяжение всего в космосе заставит все упасть само на себя.
Возможно, самым поразительным элементом их исследования является предсказание того, что это может произойти поразительно скоро — переход от расширения к сжатию может произойти менее чем через 100 миллионов лет, говорят они.
По космическим меркам это всего лишь мгновение ока, учитывая, что ученые обычно считают, что Вселенная существует около 13,8 миллиардов лет, когда, как считалось, произошел Большой Взрыв.
После этого перехода Вселенная может начать «фазу медленного сжатия», которая продлится порядка 1 миллиарда лет, прежде чем снова взорваться.
Гэри Хиншоу, профессор физики и астрономии Университета Британской Колумбии, не участвовавший в исследовании, рассказал Живая наука , что теория, выдвинутая учеными, не лишена правдоподобия. Однако в настоящее время предсказания невозможно проверить, и они остаются только теориями.
Хиншоу добавил: «Я думаю, что на самом деле все сводится к тому, насколько убедительной вы считаете эту теорию и, что более важно, насколько проверяемой вы считаете ее?»
Исследование было опубликовано в журнале The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 5 апреля.
Запросить перепечатку и лицензирование, внести исправление или просмотреть редакционные правила
Вселенная может скоро начать сжиматься, предполагают новые исследования , и возможное перерождение. Новый анализ, опубликованный в
PNAS , говорит об этом гораздо большим количеством слов и уравнений.
Чтобы объяснить движения Вселенной, заключение исследования также проливает новый свет на свойства темной энергии, невидимой сущности, о которой мы до сих пор знаем очень мало.
Суть такова: темная энергия — это сила, действующая как антигравитация, сила отталкивания, противостоящая силе притяжения гравитации. Еще несколько миллиардов лет назад темная энергия играла лишь небольшую роль в расширении Вселенной, но вскоре она обогнала все остальное и стала доминирующим фактором.
Согласно теории, предложенной Эйнштейном, темная энергия — это «космологическая постоянная», то есть неизменная часть законов Вселенной. Но теперь исследователи предположили, что темная энергия может «распадаться» — то есть она может умереть и, возможно, превратиться в обычную стабильную материю, какой мы ее знаем. В этой теории темная энергия называется «квинтэссенцией» и носит динамический характер.
Сейчас мы знаем, что Вселенная расширяется. Отталкивающая природа темной энергии способствует этому процессу. Но расширение может замедляться, потому что темная энергия может входить в фазу своего цикла, когда она распадается, что приводит к уменьшению ее отталкивающей энергии.
«Хотя сегодня Вселенная расширяется с ускорением, в этой статье представлен простой механизм, с помощью которого динамическая форма темной энергии (известная как квинтэссенция) может привести к прекращению ускорения и плавному переходу от расширения к фазе расширения. медленное сокращение», — говорится в документе.
Связанные с The Swaddle:
Ученые впервые в мире видят столкновение черной дыры с нейтронной звездой остановит свое расширение и начнет обратный процесс, чтобы начать сжиматься.
«Возвращаясь назад во времени на 65 миллионов лет, именно тогда астероид Чиксулуб ударил Землю и уничтожил динозавров… В космическом масштабе 65 миллионов лет — это удивительно мало», — Пол Стейнхардт, директор Принстонского центра теоретических наук. Университет в Нью-Джерси и соавтор исследования, рассказал Live Science.
Возможны два последствия сокращения Вселенной. Во-первых, это может закончиться коллапсом всей материи в себя, что приведет к прекращению пространства-времени в том виде, в каком мы его знаем.