За вселенной что: Что лежит за пределами наблюдаемой Вселенной |

Содержание

«Что находится за пределами вселенной и есть ли у вселенной конец?» — Яндекс Кью

Что находится за границей Вселенной: основные гипотезы

Что находится за пределами Вселенной? Этим вопросом задаются как ученые, так и обычные люди, интересующиеся тайнами мироздания. Та часть звездного неба, что доступна нам по ночам, является лишь небольшой частью огромного космического пространства. В научном сообществе все еще ведутся споры о том, где проходит граница Вселенной и есть ли она вообще.

Существует множество гипотез, рассуждающих о возможных пределах космоса. Но главная проблема каждой из них заключается в том, что их невозможно ни доказать, ни опровергнуть. Современные космические технологии не позволяют нам исследовать настолько огромное пространство. Поэтому научное сообщество продолжает выдвигать свои гипотезы о том, что находится на краю Вселенной и за ее пределами. С самыми популярными из них вы познакомитесь в этой статье.

Мультивселенная

Обозримая Вселенная

Прежде чем начать рассуждения о том, что находится за пределами Вселенной, необходимо понять, где эти самые пределы. Естественно, узнать о настоящих границах космического пространства мы не можем, но точно знаем, где заканчивается обозримая часть Вселенной – Метагалактика.

Наблюдаемый космос – это пространство, из которого наши технологии способны регистрировать рассеяние реликтового излучения. Те области, где оно заканчивается, и принято считать за границы обозримого космоса. Реликтовое излучение – это энергия, высвободившаяся во время Большого взрыва и распространяющаяся по Вселенной до сих пор. Примерный радиус Метагалактики составляет 46 миллиардов световых лет.

Обозримая Вселенная

Однако насчет обозримой Вселенной у ученых есть два противоположных мнения. Одни считают, что за пределами Метагалактики есть и другие системы, а мы наблюдаем лишь малую часть необъятного космоса. Другое мнение говорит о том, что это и есть вся Вселенная, и за ее пределами уже ничего нет.

Помимо Метагалактики, есть такое понятие, как область Хаббла. Так называют часть обозримого космоса, которую мы можем увидеть с помощью своих технологий. Она составляет примерно 13,8 миллиарда световых лет. Так как возраст Вселенной составляет примерно столько же, свет из ее более далеких областей до нас еще попросту не дошел. Область Хаббла рано или поздно расширится, увеличив количество наблюдаемых нами звездных систем.

Мультивселенная

С обозримыми границами Вселенной разобрались, но что же находится за их пределами? Если космическое пространство представляет собой ограниченную область, пусть и очень большую, то почему рядом с ней не может существовать других подобных территорий? Что если наша Вселенная не единственная в своем роде, а лишь одна из бесчисленного множества?

Мультивселенная

Гипотеза Мультивселенной говорит о том, что каждая отдельная Вселенная представляет собой нечто вроде пузыря, формирующегося из вещества во время Большого взрыва. Все миры рождаются, эволюционируют и в конечном итоге умирают, сменяясь новыми. Одним из наиболее известных сторонников данной гипотезы был Стивен Хокинг. Также ее поддерживают, пожалуй, самый известный популяризатор науки астрофизик Нил Деграсс Тайсон, один из первых людей в области квантовых вычислений Дэвид Дойч, Алан Харви Гут – первый физик, предложивший идею космической инфляции, и Брайан Рэндолф Грин – известный популяризатор теории струн.

Стивен Хокинг

В Мультивселенной существует бесконечное множество «пузырей», которые работают по одним и тем же законам природы, но находятся в разных состояниях. Параллельные Вселенные никак не зависят друг от друга и практически не взаимодействуют.

Эта гипотеза на данном этапе даже не совсем научная. Она предполагает, что может находиться за пределами Вселенной, но доказать или хотя бы попытаться экспериментально проверить не может. Поэтому пока это скорее философский вопрос, чем научный. Но, если предположение окажется правдой, это будет означать, что, помимо нашей, существует огромное количество Вселенных с конечными размерами и продолжительностью жизни.

Полное ничто

Космос постоянно расширяется. Это утверждение официально признано современным научным сообществом. Но даже ученые не могут сказать, будет ли это продолжаться вечно и до каких масштабов может увеличиться Вселенная.

Некоторые теоретики предполагают, что наш мир имеет свои границы, но за их пределами нет ничего. Согласно такой гипотезе, когда Вселенная заканчивается, остается лишь абсолютная пустота, полное ничего, в котором не действуют ни одни законы физики. Туда не доходит свет, его нельзя ощутить, увидеть, там нет времени и пространства. Гипотеза гласит, что космос представляет собой замкнутый шар, который парит в бесконечном ничего, к которому не применимы ни одни из знакомых нам физических параметров.

Теория абсолютной пустоты

Осознать и принять абсолютную пустоту довольно сложно для человеческого мозга. Даже если гипотеза верна, мы не сможем представить, как выглядит полное ничто. Черный фон? Белый? Матрица? Гадать можно долго, но вряд ли мы действительно сможем это представить.

Голограмма

Последний труд Стивена Хокинга, который был издан уже после смерти ученого, содержит одно очень занятное предположение. Оно говорит о том, что наша Вселенная может оказаться всего лишь голограммой какой-то первичной плоскости. Большой взрыв привел к появлению той самой плоскости, а наш мир – ее двумерная проекция. Именно двумерная, а 3D – это просто иллюзия. Все наше пространство-время и законы физики тоже представляют собой проекцию, искажение реальности.

Гипотеза довольно сложная, и ее даже понять тяжело, не то что доказать. Если вдруг она окажется правдой, это будет означать, что все законы природы, работающие в трехмерном мире, на самом деле так не работают и являются лишь искажением. Если за пределами нашей Вселенной лежит первичная плоскость, то мы даже представить себе не сможем, как в ней все устроено. Наряду с абсолютной пустотой и Мультивселенной эта теория, как и сотни других, являются больше философскими, чем научными. А что на самом деле находится за пределами Вселенной мы вряд ли когда-нибудь узнаем.

Есть ли что-нибудь за пределами наблюдаемой Вселенной?

Вопрос о том, что находится за пределами Вселенной представители рода человеческого задавали себе не одно столетие. Но приблизительное понимание того, что представляет собой наш космический дом, появилось (по меркам той же Вселенной) совсем недавно. Сегодня мы знаем, что Вселенная родилась около 14 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва и с тех пор расширяется с ускорением, параллельно остывая. Кажется, это противоречит здравому смыслу, но чтобы понять удивительные законы космоса и то, как они работают, умнейшие из нас трудились не одно поколение. Но знания, накопленные за эти годы, увы, по-прежнему не позволяют собрать головоломку воедино. Да, мы знаем, как выглядит наблюдаемая Вселенная – с помощью мощнейших телескопов ученые наносят на карту не только звезды, но миллиарды галактик и их скопления, заглядывая все дальше и дальше в прошлое, вплоть до Большого взрыва. Но могут ли они узнать, находится ли что-то за пределами нашей Вселенной? Есть ли что-нибудь там, куда не только невозможно отправить самые мощные инструменты, но и попросту заглянуть?

Перед вами цветной рентген-снимок Вселенной в ее самый обычный день: ускорение и распад материи, нагретой до сверхвысоких температур, обжигающий газ, ненасытные черные дыры и взрывы звезд.

Что мы знаем о Вселенной?

Чтобы ответить на вопрос о том, что находится за пределами вселенной, сначала нужно точно определить, что мы подразумеваем под «вселенной». Если вы воспринимаете это буквально как все вещи, которые могут существовать во всем пространстве и времени, то за пределами вселенной не может быть ничего. Даже если вы представляете, что вселенная имеет некоторый конечный размер, и представляете что-то вне этого объема, тогда все, что находится снаружи, также должно быть включено во вселенную.

Даже если вселенная представляет собой бесформенную, безымянную пустоту – абсолютное ничего – это все равно является чем-то и входит в список «всего существующего» — и, следовательно, по определению является частью вселенной. Если вселенная бесконечна по размеру, то беспокоиться об этой головоломке действительно не нужно. Вселенная, будучи всем, что есть, бесконечно велика и не имеет края, поэтому нет ничего «внешнего», о котором можно было бы говорить.

Часть наблюдаемой Вселенной, доступной для изучения современными астрономическими методами, называется Метагалактикой; она расширяется по мере совершенствования приборов.

С другой стороны, конечно, есть внешняя сторона нашего наблюдаемого участка Вселенной. Космос стар и свет распространяется быстро. Таким образом, за всю историю вселенной мы не получали свет от каждой отдельной галактики. В настоящее время ширина наблюдаемой Вселенной составляет около 90 миллиардов световых лет. И, по-видимому, за этой границей находятся миллиарды других случайных звезд и галактик.
Но есть ли что-то помимо этого?

Читайте также: Можно ли разгадать тайну расширения Вселенной?

Границы Вселенной

Космологи не уверены, является ли Вселенная бесконечно большой или просто чрезвычайно большой. Чтобы измерить Вселенную, астрономы вместо этого смотрят на ее кривизну. Геометрическая кривая в больших масштабах Вселенной говорит о ее общей форме. Если вселенная идеально геометрически плоская, то она может быть бесконечной. Если она изогнута, как поверхность Земли, то она имеет конечный объем.

Как пишет в статье для Space. com астрофизик Пол Саттер, текущие наблюдения и измерения кривизны Вселенной показывают, что она практически идеально плоская. Можно подумать, будто это означает, что вселенная бесконечна, но все не так просто. Даже в случае плоской вселенной космос не обязательно должен быть бесконечно большим.

«Возьмем, к примеру, поверхность цилиндра. Он геометрически плоский, потому что параллельные линии, нарисованные на поверхности, остаются параллельными (это одно из определений «плоскостности»), и все же он имеет конечный размер. То же самое можно сказать и о Вселенной: она может быть абсолютно плоской, но замкнутой в себе», – Пол Саттер, астрофизик из SUNY Stony Brook и Института Флэтирона в Нью-Йорке.

Перед вами галактика, обнаруженная на краю Вселенной.

Но даже если вселенная конечна, это не обязательно означает, что где-о есть ее край. Возможно, наша трехмерная вселенная встроена в какую-то более крупную многомерную конструкцию. Это совершенно нормально и действительно является частью некоторых экзотических моделей физики. Но в настоящее время у ученых нет абсолютно никакой возможности проверить это.

Это интересно: Почему физики считают, что мы живем в Мультивселенной?

Неправильный вопрос?

Вселенную можно представить как гигантский шар, наполненный звездами, галактиками и всевозможными интересными астрофизическими объектами. То, как эти объекты выглядят снаружи, также несложно представить –вспомните знаменитые фотографии астронавтов из космоса – они часто смотрят на земной шар с безмятежной орбиты наверху. Но эта общая перспектива вряд ли нужна вселенной для существования, ведь она просто есть.

«Когда вы представляете вселенную в виде шара, плавающего посреди пустоты, вы разыгрываете над собой мысленный трюк, которого математика не требует», – пишет Саттер.

Многие физики всерьез рассматривают теорию Мультивселенной, согласно которой существует бесчисленное множество миров.

Вообще, учитывая накопленный массив данных о наблюдаемой Вселенной (и хорошенько поразмыслив), кажется, что вопрос о том, находится ли что-то за ее пределами попросту не имеет смысла. Это все равно, что спрашивать «Какой звук издает фиолетовый цвет?» Откровенно бессмысленный вопрос, потому что в нем мы пытаемся объединить две несвязанные концепции. А как вы думаете, находится ли что-то за пределами Вселенной и не бессмысленный ли это вопрос? Ответ будем ждать в нашем Telegram-чате, а также комментариях к этой статье.

ВселеннаяЗагадки космосаНаучные исследования

Для отправки комментария вы должны или

Читать онлайн «За пределами Вселенной. Альбом фантастических рисунков с комментариями», Иван Агапов – ЛитРес

ISBN 978-5-4474-2136-6

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Для меня Вселенная долгое время была безграничным чёрным пространством с огромным количеством звёзд. Бесконечность Вселенной выражалась в идее вечного космического полёта без возможности его когда-либо завершить. Затем теория Большого взрыва добавила новые детали – Вселенная оказалась не вечной, возможно, пульсирующей и многомерной. Казалось, что этих и многих других идей более чем достаточно для творчества. Но чем больше размышлял и рисовал, тем теснее становилось мне в той бесконечной Вселенной, которую описывают учебники. Появились идеи об ином космосе; других формах энергии; существах, живущих многие миллиарды лет. Вселенная уменьшилась до точки на листе реальности. Воображение начало создавать новые вселенные, не имеющие почти ничего общего с тем мирозданием, которое мы наблюдаем каждый миг нашей жизни. Большой взрыв стал одним из многих вариантов рождения других вселенных, бесконечных до определённого момента для тех, кто в них живёт и пытается понять окружающий мир. Все эти мысли воплотились в фантастических рисунках и не менее фантастических комментариях к ним.

Что находится за пределами Вселенной? Могут ли вообще существовать эти пределы и не ведут ли в тупик все размышления на эту тему? Я не предлагаю ответы на эти вопросы, а просто пытаюсь показать реальность за пределами того, что сейчас мы называем всей Вселенной.

24.07.2012

Размышляя о том, что может быть за пределами Вселенной и, пытаясь преодолеть барьер, невольно созданный современной наукой, мне не хватало слова, которое бы могло внести ясность в мои рассуждения. Необходимо было придумать термин, обозначающий локальную систему миров, объединённых более-менее общими свойствами пространства. Слово метагалактика по определению не подходило, так как, возможно, есть системы, где энергия и материя приняли иные формы. После многих различных вариантов остановился на слове локсреаль – ЛОКальная Система РЕАЛЬности.

Используя это слово, можно сказать, что каждую ночь мы видим космос нашего родного локсреаля, который находится во Вселенной, возможно, бесконечной. Наш локсреаль один из многих, то есть, возможно, на огромном расстоянии от него существует множество других локсреалей или даже систем локсреалей с другим космосом и другими вариантами изменения материи. Локсреали зависимы от времени, то есть, они рождаются и умирают. И ещё: возможно, мы немного поспешили, назвав Большой взрыв началом Вселенной. Он может быть началом нашего родного локсреаля или даже системы локсреалей, но для объяснения возникновения всей Вселенной теория Большого взрыва не годится, так как очень многого не объясняет.

У меня нет научных данных, подтверждающих мои слова, но искренне убеждён, что реальность намного невероятнее любых гипотез и фантазий. Тем не менее, с помощью фантастики возможно исследовать и показать такие глубины реальности, о которых наука создаёт не менее фантастические гипотезы. А насколько верны догадки учёных и фантастов, покажет время.

4. 04. 2012

Инореальность

На этом рисунке изображены отдельные локсреали (локсреаль – то, что сейчас мы называем всей Вселенной), довы (дов – система локсреалей) и местный инкосм (пространство между локсреалями, довами и, соответственно, внутри довов и полидов) одного из множества разнообразных полидов (полид – система довов). Некоторые локсреали и довы только начинают формироваться, другие уже завершили свою долгую или короткую энергетическую жизнь и развеялись по всему инкосму полида пылью и обломками материи.

Огромные пласты материи образовали причудливые конструкции, возраст которых десятки и сотни миллиардов лет. Хаос изменений в некоторых частях полида создал упорядоченные образования, которые неумолимо он же разрушит через какое-то время. Или создаст из них что-то иное. Среди этих чудовищных и завораживающих сгустков энергии и материи где-то возникла разумная жизнь, способная восхититься удивительными и необъяснимыми изменениями реальности. Восхититься и попытаться выразить своё восхищение в многочисленных произведениях искусства. Кто-то, конечно же, пытается понять окружающую реальность, ищет ответы на вопросы: где начало этого круговорота энергии? Где его предел? В чём смысл существования всего вокруг? Возможно, этот кто-то что-то и поймёт, а возможно, просто убедит себя, что понял всё.

Реальность становится тесной для воображения, и фантазия создаёт инореальность, теоретическую сегодня, завтра. Но что мы узнаем об окружающем нас мире послезавтра?

23 мая 2012 г.

Мир, в котором космос однажды стал другим

Это мироздание огромное количество времени существовало без имени, так как некому было задуматься над вариантами – местный космос был абсолютно безжизненным. Более того, здесь не было локальных источников энергии наподобие звёзд, и только пылевые потоки причудливыми узорами заполняли пространство вселенной.

Но, однажды, сквозь вселенную пролетел мир с замкнутой энергетической системой, не нуждающийся в свете звезды. Этот мир мог стать родным для живых существ и, примерно в середине полёта через пространство мироздания, в нём развилась примитивная жизнь, медленно эволюционировавшая в более сложные организмы.

Когда до выхода за пределы вселенной осталось чуть-чуть времени – по космическим масштабам – в мире жизнь обрела разум.

Разумные существа взглянули на космос и дали имя вселенной, которая, как они считали, была для них родной. Имя было незамысловатым, но полностью соответствовало убеждениям существ – Безграничность.

И наступил тот миг, когда мир стремительно покинул Безграничность. Перед изумлёнными существами предстал иной космос – чужой и непривычный.

Вселенная, сквозь которую пролетел мир существ, ещё очень долго делила небо на две разные части, но теперь она носила другое имя – Та, что была нам родиной.

24 сентября 2011 г.

Инкосмолёт

Инкосм и местный космос локсреалей различны по своим свойствам, а значит, главное отличие инкосмолёта от космолёта – универсальность способа перемещения в пространстве. Двигатель инкосмолёта должен уметь менять режимы работы, чтобы эффективно и безопасно (например, реактивный двигатель может буквально поджечь местный космос, наполненный каким-либо горючим газом и уничтожить близлежащие миры) перемещать корабль в вакууме; в местном космосе, наполненном газом; в местном космосе, наполненном жидкостью и так далее. Так как полёты между локсреалями могут длиться миллионы лет, а местный космос может быть насыщен микрочастицами материи или газом, корпус инкосмолёта должен быть максимально долговечным и прочным. Для этого можно использовать силовые поля разных видов. Один из вариантов: миниатюрные сфероиды силовых полей, с возможностью объединять их в разнообразные конструкции. Корпус из силовых полей позволяет инкосмолёту пролетать сквозь сгустки энергии наподобие звёзд и поддерживать функционирование при достаточном запасе энергии многие миллионы лет, а при возможности, и миллиарды.

17 июня 2012 г.

Здравствуй, новорождённая вселенная!

Он проснулся. Вспомнил, что сегодня произойдёт. Улыбнулся.

* * *

Эта раса существовала очень давно. Так давно, что уже умер от старости их родной мир. Более того, исчерпала энергию система множества миров, где он начал и завершил свой длинный путь в бездне космоса. Но и на этом время не остановилось: настала очередь локсреаля исчезнуть навсегда вместе со всем, чему он так долго и безвозмездно отдавал энергию.

Разумные существа не стали безропотно ждать смерти того, что очень длительное время было для них всей Вселенной, и начали искать новый дом. Их поиски не были бесплодными: на гигантском расстоянии в глубинах инкосма они нашли область, где были все условия для зарождения нового локсреаля.

Остатки энергии старого локсреаля были бережно собраны для путешествия, которое должно было продлиться огромное количество времени и закончится к моменту рождения найденного локсреаля.

* * *

Он стоял на внешней оболочке мини-инкосмолёта и любовался окружающим его хаосом освобождающийся энергии – новый локсреаль начал свою долгую и непредсказуемую жизнь на просторах инкосма, даря надежду настоящему и будущему.

От избытка чувств он, неожиданно для себя, прокричал:

– Здравствуй, новорождённая Вселенная. Здравствуй, новый дом!

16 июня 2012 г.

Последняя работа Хокинга решила парадокс параллельных вселенных

Паллаб Гош
Обозреватель Би-би-си по вопросам науки

3 мая 2018

Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.

Подпись к фото,

В 1980-х годах Хокинг вместе с американским астрофизиком Джеймсом Хартлом разработал новую теорию возникновения Вселенной

В своей последней работе профессор Стивен Хокинг говорит о существовании параллельных вселенных, похожих на нашу.

Эта теория покойного астрофизика помогает решить выведенный им же космический парадокс и наводит астрономов на поиск свидетельств существования параллельных вселенных.

Работа была передана в научное издание Journal of High-Energy Physics за десять дней до смерти Хокинга.

Стивен Хокинг: ученый, изменивший наше представление о Вселенной
«Жизнь была бы трагичной, если бы не была забавной»: Стивен Хокинг в цитатах
Нейтронные звезды и происхождение золота — последнее интервью Стивена Хокинга

В 1980-х годах Хокинг вместе с американским астрофизиком Джеймсом Хартлом разработал новую теорию возникновения Вселенной.

Теория Хартла-Хокинга устраняла внутреннее противоречие теории Эйнштейна, в которой постулировалось, что наша Вселенная возникла около 14 миллиардов лет назад, но не говорилось, каким образом это произошло.

Ученые прибегли к квантовой механике, чтобы объяснить, как Вселенная могла возникнуть из ничего.

Эта теория решила одну проблему, но создала другую, или даже бесконечное число других.

Выстраивая свою теорию, физики пришли к выводу, что Большой взрыв вероятнее всего создал не одну вселенную, а бесконечное их количество.

Автор фото, DETLEV VAN RAVENSWAAY/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Подпись к фото,

В соответствии с теорией Хартла-Хокинга некоторые из параллельных вселенных похожи на нашу

Пропустить Подкаст и продолжить чтение.

Подкаст

Что это было?

Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.

эпизоды

Конец истории Подкаст

В соответствии с теорией Хартла-Хокинга некоторые из параллельных вселенных похожи на нашу: в них существуют похожие на Землю планеты, общества, похожие на наши, и даже схожие с нами люди.

Другие вселенные могут быть немного другими — это может быть планета, похожая на Землю, но сохранившая популяцию динозавров. В третьих все может быть совсем по-другому: без Земли, возможно даже без звезд и галактик, с другими законами физики.

Может быть, это звучит как фантастика, но в соответствии с математической частью теории Хартла-Хокинга это возможно.

Тут возникает проблема, поскольку если существует бесконечное число вселенных с бесконечными вариациями законов физики, то теория не может способствовать пониманию того, в какой именно вселенной мы находимся и каковы ее особенности по сравнению с другими.

Именно этот парадокс в своей последней работе пытается решить Хокинг совместно с профессором Томасом Хертогом из Левенского католического университета в Бельгии.

«Ни Стивен, ни я не были удовлетворены таким положением дел», — говорит Хертог в беседе с Би-би-си.

«Получается, что мультивселенная возникла случайно, а больше мы почти ничего сказать не можем. Мы сказали друг другу: «Возможно, с этим придется смириться». Но сдаваться мы не хотели», — рассказывает ученый.

Автор фото, NASA/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Подпись к фото,

Теория Хартла-Хокинга — плод двадцатилетней работы двух ученых

Теория Хартла-Хокинга — плод двадцатилетней работы двух ученых. Парадокс в рамках новой теории разрешается с помощью математического арсенала другой экзотической теории — теории струн.

Этот подход позволил физикам по-другому взглянуть на науку. А новая оценка теории Хартла-Хокинга, которая содержится в работе, восстанавливает порядок в мультивселенной.

В соответствии с теорией Хокинга-Хертога, параллельные миры существуют, но законы физики в них должны быть такими же, как в нашей.

Это значит, что наша Вселенная типична, а значит выводы, которые мы делаем из наблюдений за ней, применимы и к параллельным мирам.

Все это может показаться заумным, но эти идеи будут реальным подспорьем для физиков, которые стараются разработать более полную теорию возникновения Вселенной, говорит профессор Хертог.

«Законы физики, которые мы проверяем в наших лабораториях, существовали не всегда. Они выкристаллизовались после Большого взрыва, по мере того, как наша Вселенная расширялась и остывала. То, какие именно законы возникнут, в большой степени зависело от физических параметров Большого взрыва. Изучая их, мы надеемся получить более глубокое понимание того, откуда берутся наши теории по физике, как они появляются, и уникальны ли они», — говорит ученый.

Один из волнующих выводов новой теории в том, что, по словам Хертога, она может помочь исследователям обнаружить следы параллельных вселенных в нашей. Это можно сделать, изучая микроволновые следы Большого взрыва.

Но каким-то образом перескочить из одной вселенной в другую вряд ли получится, уточняет ученый.

как выглядит край Вселенной? / Хабр

Симуляция крупномасштабной структуры Вселенной демонстрирует сложные неповторяющиеся скопления. Но с нашей точки зрения мы можем видеть конечный объём Вселенной. Что лежит за его пределами?

13,8 млрд лет назад известная нам Вселенная началась с Большого взрыва. За это время расширилось пространство, материя испытывала гравитационное притяжение, и в результате мы получили такую Вселенную, какую наблюдаем сегодня. Но пусть она и огромна, у наших наблюдений есть пределы. На определённом расстоянии галактики исчезают, звёзды тускнеют, и никаких сигналов от удалённых частей Вселенной мы не получаем. А что же находится за этим пределом? На этой неделе читатель спрашивает:

Если Вселенная конечна в объёме, где находится её граница? Можно ли к ней приблизиться? Как она будет выглядеть?

Начнём с нашего текущего местоположения, и заглянем так далеко, как сумеем.

Видимые нами звёзды и галактики, расположенные поблизости, выглядят так же, как наши. Но чем дальше мы смотрим, тем глубже в прошлое Вселенной заглядываем: там она менее структурирована, моложе, и не так сильно развита

В непосредственной близости от нас Вселенная полна звёзд. Если улететь за 100 000 световых лет, то можно оставить за собой Млечный Путь. За ним простирается море галактик — возможно, два триллиона внутри наблюдаемой Вселенной. Существует огромное количество их разновидностей, форм, размеров и масс. Но разглядывая более удалённые галактики, можно увидеть нечто необычное: чем дальше галактика, тем вероятнее то, что она будет меньше по размеру и по массе, а её звёзды будут тяготеть к голубому цвету сильнее, чем у ближайших галактик.

Чем отличаются галактики в разное время истории Вселенной

Это имеет смысл при условии наличия у Вселенной начала: дня рождения. Именно этим и был Большой взрыв, день, когда родилась известная нам Вселенная. Возраст галактики, находящейся относительно недалеко от нашей, совпадает с нашим возрастом. Но рассматривая галактику, находящуюся в миллиардах световых лет от нас, мы видим свет, которому пришлось идти миллиарды лет, прежде чем он достиг наших глаз. Возраст галактики, свету которой потребовалось 13 млрд лет на то, чтобы дойти до нас, должен быть менее миллиарда лет, и заглядывая всё дальше в пространство мы, по сути, заглядываем в прошлое.

Композит из ультрафиолетового, видимого и инфракрасного света, полученный проектом Хаббла eXtreme Deep Field — величайшее из выпущенных изображение далёкой Вселенной

Выше приведено изображение проекта Хаббл eXtreme Deep Field (XDF), глубочайшее изображение удалённой Вселенной. На нём видны тысячи галактик, находящиеся на сильно различных расстояниях от нас и друг от друга. Но в простом цвете нельзя увидеть, что с каждой галактикой связан определённый спектр, в котором облака газа поглощают свет совершенно определённых длин волн, благодаря простой физике атома. С расширением Вселенной эта длина растягивается, поэтому более дальние галактики кажутся нам более красными. Эта физика позволяет нам делать предположения о расстоянии до них, и когда мы расставляем эти расстояния, выясняется, что самыми удалёнными галактиками оказываются самые молодые и мелкие.

За галактиками должны находиться первые звёзды, а затем ничего, кроме нейтрального газа — когда у Вселенной не было времени стянуть материю в достаточно плотные для формирования звёзд структуры. Пройдя ещё на несколько миллионов лет назад, мы увидим, что излучение во Вселенной было настолько горячим, что там не могли сформироваться нейтральные атомы, а значит фотоны постоянно отскакивали от заряженных частиц. Когда же нейтральные атомы сформировались, этот свет должен был просто пойти по прямой линии, и идти вечно, поскольку на него не влияет ничего, кроме расширения Вселенной. Открытие этого остаточного свечения — реликтового излучения — более 50 лет назад стало окончательным подтверждением Большого взрыва.

Систематическая диаграмма истории Вселенной, описывающая реионизацию. До формирования звёзд и галактик Вселенная была наполнена нейтральными атомами, блокировавшими свет. И хотя большая часть Вселенной подверглась реионизации только спустя 550 млн лет, некоторые более удачливые участки практически реионизировались раньше этого срока.

С нашего сегодняшнего местоположения мы можем посмотреть в любом направлении и увидеть одинаковый ход космической истории. Сегодня, спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва, у нас есть известные нам галактики и звёзды. Раньше галактики были меньше, голубее, моложе и не такие развитые. До того были первые звёзды, а до этого — только нейтральные атомы. До нейтральных атомов была ионизированная плазма, а до неё — свободные протоны и нейтроны, спонтанное возникновение материи и антиматерии, свободные кварки и глюоны, все нестабильные частицы Стандартной Модели, и, наконец, сам момент Большого взрыва. Заглядывать на всё более дальние расстояния — это всё равно, что заглядывать в прошлое.

Представление художника в виде логарифмической концепции наблюдаемой Вселенной. За галактиками следует крупномасштабная структура и горячая, плотная плазма Большого взрыва на задворках. Край является границей только во времени.

Хотя это определяет нашу наблюдаемую Вселенную — с теоретической границей Большого взрыва, находящейся в 46,1 млрд световых лет от нашего местоположения — это не будет какой-то реальной границей пространства. Это просто граница во времени; существуют ограничения того, что мы можем увидеть, поскольку скорость света позволила информации путешествовать только 13,8 млрд лет с момента горячего Большого взрыва. Это расстояние больше 13,8 млрд световых лет, поскольку ткань Вселенной расширялась (и продолжает расширяться), но оно всё равно конечно. Но что насчёт времени до Большого взрыва? Что бы вы увидели, если бы как-то попали за одну долю секунды до того, как Вселенная обладала высочайшей из энергий, была плотной, горячей, полной материи, антиматерии и излучения?

Инфляция обеспечила горячий Большой взрыв и дала рост наблюдаемой Вселенной, к которой у нас есть доступ. Флуктуации инфляции заронили семена, выросшие в имеющуюся у неё сегодня структуру

Вы бы обнаружили состояние космической инфляции, в котором Вселенная расширялась чрезвычайно быстро, и в котором доминировала энергия, присущая самому пространству. Пространство в это время экспоненциально расширялось, было растянуто до плоского состояния, приобрело одинаковые свойства во всех местах, существовавшие тогда частицы были разбросаны в разные стороны, а флуктуации, присущие квантовым полям, были растянуты по всей Вселенной. Когда инфляция закончилась в том месте, где находимся мы, горячий Большой взрыв наполнил Вселенную материей и излучением, и породил ту часть Вселенной — наблюдаемую Вселенную — которую мы видим сегодня. И вот, 13,8 млрд лет спустя, мы имеем то, что имеем.

Наблюдаемая Вселенная может простираться на 46 млрд световых лет во все стороны с нашей точки зрения, но наверняка есть и больше ненаблюдаемых частей Вселенной, возможно, даже бесконечное количество, похожих на ту, в которой находимся мы

Наше расположение ничем особенным не отличается, ни в пространстве, ни во времени. То, что мы можем видеть на 46 млрд световых лет, не придаёт какого-то особого значения этой границе или этому местоположению. Это просто ограничение нашего поля зрения. Если бы мы каким-то образом смогли сделать фотографию всей Вселенной, простирающуюся за наблюдаемую границу, такой, какой она стала через 13,8 млрд лет после Большого взрыва, она бы вся выглядела так, как наша ближайшая часть. В ней была бы великая космическая сеть галактик, скоплений, галактических нитей, космических войдов, простирающихся за пределы относительно небольшого участка, видимого нам. Любой наблюдатель в любом месте увидел бы Вселенную, очень похожую на ту, что мы видим со своей точки зрения.

Одно из самых удалённых наблюдений Вселенной демонстрирует расположенные неподалёку звёзды и галактики, но галактики из внешних участков просто выглядят моложе и менее развитыми. С их точки зрения им 13,8 млрд лет от роду, и они более развитые, а мы кажемся им такими, какими были миллиарды лет назад

Отдельные детали отличались бы, как отличаются детали нашей Солнечной системы, Галактики, местной группы и т. п. от деталей другого наблюдателя. Но Вселенная не ограничена в объёме — ограничена только её наблюдаемая нами часть. Причиной тому временная граница — Большой взрыв — отделяющая нас от остальной части. Мы можем приблизиться к ней только при помощи телескопов, заглядывающих в ранние дни Вселенной, и в теории. Пока мы не придумаем, как обхитрить текущее в одну сторону время, это будет нашим единственным подходом к пониманию «границы» Вселенной. Но в космосе никаких границ нет. Насколько мы знаем, некто на краю нашей наблюдаемой Вселенной просто увидел бы нас на краю своей наблюдаемой Вселенной!

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части .

Что такое Вселенная? | Что такое экзопланета? – Исследование экзопланет: планеты за пределами нашей Солнечной системы

Что такое Вселенная?

Вселенная — это все.

Он включает в себя все пространство и всю материю и энергию, которые содержит пространство. Оно включает в себя даже само время и, конечно же, вас.

Земля и Луна являются частью вселенной, как и другие планеты и их многие десятки спутников. Наряду с астероидами и кометами планеты вращаются вокруг Солнца. Солнце — одна из сотен миллиардов звезд галактики Млечный Путь, и у большинства этих звезд есть свои планеты, известные как экзопланеты.

Млечный Путь — всего лишь одна из миллиардов галактик в наблюдаемой Вселенной — считается, что все они, включая нашу, имеют в своих центрах сверхмассивные черные дыры. Все звезды во всех галактиках и все остальное, что астрономы даже не могут наблюдать, — все это часть Вселенной. Это, просто, все.

Туманность звездообразования W51 — одна из крупнейших «фабрик звезд» в галактике Млечный Путь. Подобные «фабрики звезд» могут работать миллионы лет. Кавернозная красная область на правой стороне W51 старше, о чем свидетельствует то, что она уже образовалась под действием ветров поколений массивных звезд (масса которых по меньшей мере в 10 раз превышает массу нашего Солнца). Пыль и газ в регионе разносятся еще больше, когда эти звезды умирают и взрываются как сверхновые. В более молодой левой части туманности многие звезды только начинают очищаться от газа и пыли. Предоставлено: NASA/JPL-Caltech 9.0007

Хотя вселенная может показаться странным местом, она не такая уж далекая. Где бы вы сейчас ни находились, космическое пространство находится всего в 62 милях (100 км) от вас. Днем или ночью, находитесь ли вы в помещении или на улице, спите, обедаете или дремлете в классе, космическое пространство находится всего в нескольких десятках миль над вашей головой. Это тоже ниже тебя. Примерно в 8 000 миль (12 800 километров) под вашими ногами — на противоположной стороне Земли — скрывается неумолимый вакуум и радиация космического пространства.

Технически вы сейчас находитесь в космосе. Люди говорят «в космосе», как будто оно там, а мы здесь, как будто Земля отделена от остальной вселенной. Но Земля — это планета, и она находится в космосе и является частью вселенной, как и другие планеты. Так уж случилось, что вещи живут здесь, и окружающая среда у поверхности этой конкретной планеты гостеприимна для жизни, какой мы ее знаем. Земля — крошечное, хрупкое исключение в космосе. Для людей и всего прочего, что обитает на нашей планете, практически весь космос является враждебной и беспощадной средой.

Это изображение в реальном цвете показывает Северную и Южную Америку, как они выглядели бы из космоса на высоте 22 000 миль (35 000 км) над Землей. Изображение представляет собой комбинацию данных с двух спутников. Спектрорадиометр среднего разрешения (MODIS) на борту спутника NASA Terra собирал данные о поверхности земли в течение 16 дней, а геостационарный оперативный экологический спутник NOAA (GOES) сделал снимок земных облаков и Луны. Изображение создано Рето Штёкли, Назми Эль Салеус и Марит Джентофт-Нильсен, NASA GSFC.

Сколько лет Земле?

Сколько лет Земле?

Наша планета Земля представляет собой оазис не только в пространстве, но и во времени. Это может казаться постоянным, но вся планета — мимолетная вещь в продолжительности жизни вселенной. Почти две трети времени, прошедшего с момента возникновения Вселенной, Земли даже не существовало. И не будет он вечным в своем нынешнем состоянии. Через несколько миллиардов лет Солнце расширится, поглотив Меркурий и Венеру и заполнив небо Земли. Он может даже расшириться настолько, что поглотит саму Землю. Трудно быть уверенным. В конце концов, люди только начали расшифровывать космос.

В то время как далекое будущее трудно точно предсказать, далекое прошлое — чуть меньше. Изучая радиоактивный распад изотопов на Земле и в астероидах, ученые узнали, что наша планета и Солнечная система сформировались около 4,6 миллиарда лет назад.

Сколько лет Вселенной?

Сколько лет Вселенной?

Возраст Вселенной, по-видимому, около 13,8 миллиардов лет. Ученые пришли к этому числу, измерив возраст самых старых звезд и скорость расширения Вселенной. Они также измерили расширение, наблюдая доплеровское смещение света от галактик, почти все из которых удаляются от нас и друг от друга. Чем дальше галактики, тем быстрее они удаляются. Можно было бы ожидать, что гравитация замедлит движение галактик относительно друг друга, но вместо этого они ускоряются, и ученые не знают почему. В далеком будущем галактики будут так далеко, что их свет не будет виден с Земли.

Иными словами, материя, энергия и все во вселенной (включая само пространство) в прошлую субботу были более компактными, чем сегодня.

Иными словами, материя, энергия и все во вселенной (включая само пространство) в прошлую субботу были более компактными, чем сегодня. То же самое можно сказать о любом времени в прошлом — в прошлом году, миллион лет назад, миллиард лет назад. Но прошлое не длится вечно.

Измеряя скорость галактик и расстояние до них от нас, ученые обнаружили, что если бы мы могли вернуться достаточно далеко, до того, как сформировались галактики или звезды начали превращать водород в гелий, все было бы так близко друг к другу и горячо, что атомы не могли бы образовываться. и фотонам некуда было деться. Чуть раньше все было на том же месте. Или действительно вся вселенная (а не только материя в ней) было на одно место.

Не тратьте слишком много времени на миссию по посещению места, где родилась Вселенная, поскольку человек не может посетить место, где произошел Большой Взрыв. Дело не в том, что вселенная была темным, пустым пространством и в ней произошел взрыв, из которого возникла вся материя. Вселенной не существовало. Космоса не существовало. Время — часть Вселенной, поэтому его не существует. Время тоже началось с большого взрыва. Само пространство расширялось от одной точки до огромного космоса по мере расширения Вселенной с течением времени.

Из чего состоит Вселенная?

Из чего состоит Вселенная?

Вселенная содержит всю энергию и материю. Большая часть наблюдаемой материи во Вселенной имеет форму отдельных атомов водорода, простейшего атомарного элемента, состоящего только из протона и электрона (если атом также содержит нейтрон, его вместо этого называют дейтерием). Два или более атома с общими электронами составляют молекулу. Многие триллионы атомов вместе составляют пылинку. Смешайте вместе несколько тонн углерода, кремнезема, кислорода, льда и некоторых металлов, и вы получите астероид. Или соберите вместе 333 000 земных масс водорода и гелия, и вы получите звезду, подобную Солнцу.

Это впечатляющее изображение, полученное с помощью прибора SPHERE на Очень Большом Телескопе ESO, является первым четким изображением планеты, запечатленной в самом процессе формирования вокруг карликовой звезды PDS 70. Планета четко выделяется, видна как яркая точка справа от центр изображения, затемненный маской коронографа, используемой для блокировки ослепляющего света центральной звезды. Кредит: ЕСО/А. Мюллер и др.

Ради практичности люди классифицируют сгустки материи на основе их свойств. Галактики, звездные скопления, планеты, карликовые планеты, планеты-изгои, луны, кольца, колечки, кометы, метеориты, еноты — все это наборы материи, обладающие отличными друг от друга характеристиками, но подчиняющиеся одним и тем же законам природы.

Ученые начали подсчитывать эти сгустки материи, и полученные цифры довольно дикие. Наша родная галактика, Млечный Путь, содержит не менее 100 миллиардов звезд, а наблюдаемая Вселенная содержит не менее 100 миллиардов галактик. Если бы все галактики были одинакового размера, это дало бы нам 10 тысяч миллиардов миллиардов (или 10 секстиллионов) звезд в наблюдаемой Вселенной.

Но вселенная, кажется, также содержит кучу материи и энергии, которые мы не можем видеть или наблюдать напрямую. Все звезды, планеты, кометы, морские выдры, черные дыры и навозные жуки вместе взятые составляют менее 5 процентов вещества во Вселенной. Около 27 процентов остатка составляет темная материя, а 68 процентов — темная энергия, ни одна из которых даже отдаленно не изучена. Вселенная в том виде, в каком мы ее понимаем, не работала бы, если бы не существовало темной материи и темной энергии, а они называются «темными», потому что ученые не могут наблюдать их напрямую. По крайней мере, пока.

Показаны два изображения массивного скопления галактик Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652) с телескопа Хаббл. Слева вид в видимом свете со странными голубыми дугами, появляющимися среди желтоватых галактик. Это увеличенные и искаженные изображения галактик, находящихся далеко позади скопления. Их свет искривляется и усиливается огромной гравитацией скопления в процессе, называемом гравитационным линзированием. Справа добавлена синяя штриховка, указывающая местонахождение невидимого материала, называемого темной материей, который математически необходим для объяснения природы и расположения наблюдаемых галактик с гравитационными линзами. Авторы и права: НАСА, ЕКА, М. Дж. Джи и Х. Форд (Университет Джона Хопкинса).

Как изменилось наше представление о Вселенной с течением времени?

Как наше представление о Вселенной изменилось с течением времени?

Человеческое понимание того, что такое Вселенная, как она работает и насколько она огромна, менялось с течением времени. На протяжении бесчисленных жизней у людей было мало или вообще не было способов понять вселенную. Вместо этого наши далекие предки полагались на мифы, чтобы объяснить происхождение всего. Поскольку наши предки сами придумали их, мифы отражают человеческие заботы, надежды, стремления или страхи, а не природу реальности.

Однако несколько столетий назад люди начали применять математику, письмо и новые принципы исследования для поиска знаний. Эти принципы со временем совершенствовались, как и научные инструменты, в конечном итоге обнаруживая намеки на природу Вселенной. Всего несколько сотен лет назад, когда люди начали систематически исследовать природу вещей, слова «ученый» даже не существовало (вместо этого какое-то время исследователей называли «натурфилософами»). С тех пор наши знания о Вселенной многократно продвинулись вперед. Лишь около века назад астрономы впервые наблюдали галактики за пределами нашей, и всего полвека прошло с тех пор, как люди впервые начали отправлять космические корабли к другим мирам.

За одну человеческую жизнь космические зонды совершили путешествие к внешним областям Солнечной системы и отправили первые изображения четырех гигантских отдаленных планет и их бесчисленных спутников с близкого расстояния; марсоходы впервые проехали по поверхности Марса; люди построили орбитальную космическую станцию с постоянным экипажем; и первые большие космические телескопы позволили получить потрясающие виды на более отдаленные части космоса, чем когда-либо прежде. Только в начале 21 века астрономы открыли тысячи планет вокруг других звезд, впервые обнаружили гравитационные волны и получили первое изображение черной дыры.

С помощью телескопа Event Horizon ученые получили изображение черной дыры в центре галактики M87. Авторы и права: Сотрудничество Event Horizon Telescope и др. Узнайте больше о черных дырах

С постоянно развивающимися технологиями и знаниями, а также с полным воображением люди продолжают раскрывать тайны космоса. Новые идеи и вдохновенные идеи помогают в этом стремлении, а также извлекают из его. Нам еще предстоит отправить космический зонд даже к ближайшей из миллиардов и миллиардов других звезд в галактике. Люди даже не исследовали все миры за 9 лет.0041 наша собственная Солнечная система . Короче говоря, большая часть вселенной, которую можно познать, остается неизвестной .

Вселенной почти 14 миллиардов лет, нашей Солнечной системе 4,6 миллиарда лет, жизнь на Земле существует примерно 3,8 миллиарда лет, а люди существуют всего несколько сотен тысяч лет. Другими словами, Вселенная существует примерно в 56 000 раз дольше, чем наш вид. По этому показателю почти все, что когда-либо происходило, произошло до того, как появились люди. Так что, конечно, у нас есть масса вопросов — в космическом смысле, мы только что приехали.

Наши первые несколько десятилетий исследования нашей Солнечной системы — это только начало. Отсюда, всего через одну человеческую жизнь, наше понимание Вселенной и нашего места в ней, несомненно, будет расти и развиваться так, как мы сегодня можем только представить.

Далее: В поисках жизни: одиноки ли мы?

Что такое Вселенная? | Что такое экзопланета? – Исследование экзопланет: планеты за пределами нашей Солнечной системы

Что такое Вселенная?

Вселенная — это все. Он включает в себя все пространство и всю материю и энергию, которые содержит пространство. Оно включает в себя даже само время и, конечно же, вас.

Сколько лет Земле?

Сколько лет Земле?

Сколько лет Вселенной?

Сколько лет Вселенной?

Иными словами, материя, энергия и все во вселенной (включая само пространство) в прошлую субботу были более компактными, чем сегодня.

Из чего состоит Вселенная?

Из чего состоит Вселенная?

Как изменилось наше представление о Вселенной с течением времени?

Как наше представление о Вселенной изменилось с течением времени?

Далее: В поисках жизни: одиноки ли мы?

Что такое Вселенная? | Что такое экзопланета? – Исследование экзопланет: планеты за пределами нашей Солнечной системы

Что такое Вселенная?

Вселенная — это все. Он включает в себя все пространство и всю материю и энергию, которые содержит пространство. Оно включает в себя даже само время и, конечно же, вас.

Сколько лет Земле?

Сколько лет Земле?

Сколько лет Вселенной?

Сколько лет Вселенной?

Иными словами, материя, энергия и все во вселенной (включая само пространство) в прошлую субботу были более компактными, чем сегодня.

Из чего состоит Вселенная?

Из чего состоит Вселенная?

Как изменилось наше представление о Вселенной с течением времени?

Как наше представление о Вселенной изменилось с течением времени?

Далее: В поисках жизни: одиноки ли мы?

Эволюция Вселенной

Примечание редактора (8.10.19): космолог Джеймс Пиблз получил Нобелевскую премию по физике в 2019 году за вклад в теорию возникновения и развития нашей Вселенной. Он описывает эти идеи в этой статье, которую он написал в соавторстве для Scientific American в 1994 году.

В определенный момент примерно 15 миллиардов лет назад вся материя и энергия, которые мы можем наблюдать, сконцентрировавшись в области размером меньше десятицентовой монеты, начали расширяться и охлаждаться с невероятно высокой скоростью. К тому времени, когда температура упала в 100 миллионов раз по сравнению с температурой ядра Солнца, силы природы приобрели свои нынешние свойства, и элементарные частицы, известные как кварки, свободно бродили в море энергии. Когда Вселенная расширилась еще в 1000 раз, вся материя, которую мы можем измерить, заполнила область размером с Солнечную систему.

В то время свободные кварки были ограничены нейтронами и протонами. После того, как Вселенная увеличилась еще в 1000 раз, протоны и нейтроны объединились, чтобы сформировать атомные ядра, включая большую часть гелия и дейтерия, присутствующих сегодня. Все это произошло в течение первой минуты расширения. Однако условия были еще слишком жаркими, чтобы атомные ядра могли захватывать электроны. Нейтральные атомы появились в изобилии только после того, как расширение продолжалось 300 000 лет, и Вселенная стала в 1 000 раз меньше, чем сейчас. Затем нейтральные атомы начали сливаться в газовые облака, которые позже превратились в звезды. К тому времени, когда Вселенная увеличилась до одной пятой своего нынешнего размера, звезды сформировали группы, которые можно было распознать как молодые галактики.

Когда Вселенная была вдвое меньше нынешнего размера, ядерные реакции в звездах привели к образованию большинства тяжелых элементов, из которых состоят планеты земной группы. Наша Солнечная система относительно молода: она образовалась пять миллиардов лет назад, когда Вселенная была в две трети своего нынешнего размера. Со временем образование звезд истощило запасы газа в галактиках, и, следовательно, популяция звезд уменьшается. Через пятнадцать миллиардов лет звезды, подобные нашему Солнцу, будут относительно редки, что сделает Вселенную гораздо менее гостеприимным местом для таких наблюдателей, как мы.

Наше понимание происхождения и эволюции Вселенной является одним из величайших достижений науки 20-го века. Эти знания получены в результате десятилетий инновационных экспериментов и теорий. Современные наземные и космические телескопы улавливают свет от галактик, удаленных от нас на миллиарды световых лет, и показывают нам, как выглядела Вселенная в молодости. Ускорители частиц исследуют основы физики высокоэнергетической среды ранней Вселенной. Спутники обнаруживают космическое фоновое излучение, оставшееся от ранних стадий расширения, обеспечивая изображение Вселенной в самых больших масштабах, которые мы можем наблюдать.

Наши усилия по объяснению этого множества данных воплощены в теории, известной как стандартная космологическая модель или космология Большого взрыва. Основное утверждение теории состоит в том, что в среднем крупномасштабном масштабе Вселенная расширяется почти однородно из плотного раннего состояния. В настоящее время нет никаких фундаментальных проблем теории большого взрыва, хотя, безусловно, есть нерешенные вопросы внутри самой теории. Астрономы не уверены, например, как образовались галактики, но нет оснований думать, что этот процесс не происходил в рамках Большого взрыва. Действительно, предсказания теории выдержали все проверки на сегодняшний день.

Тем не менее, модель большого взрыва зашла так далеко, что остается много фундаментальных загадок. Какой была Вселенная до расширения? (Ни одно сделанное нами наблюдение не позволяет нам заглянуть за пределы того момента, когда началось расширение.) Что произойдет в отдаленном будущем, когда последняя из звезд исчерпает запас ядерного топлива? Ответов пока никто не знает.

Нашу вселенную можно рассматривать с разных точек зрения — мистиками, теологами, философами или учеными. В науке мы избираем трудный путь: мы принимаем только то, что проверено экспериментом или наблюдением. Альберт Эйнштейн дал нам теперь хорошо проверенную и принятую общую теорию относительности, которая устанавливает отношения между массой, энергией, пространством и временем. Эйнштейн показал, что однородное распределение материи в пространстве хорошо согласуется с его теорией. Он предположил без обсуждения, что Вселенная статична, неизменна в среднем на больших масштабах [см. «Как космология стала наукой» Стивена Дж. Браша; НАУЧНЫЙ АМЕРИКАНСКИЙ, 19 августа92].

В 1922 году русский теоретик Александр А. Фридман понял, что Вселенная Эйнштейна нестабильна; малейшее возмущение заставит его расширяться или сжиматься. В то время Весто М. Слайфер из обсерватории Лоуэлла собирал первые свидетельства того, что галактики на самом деле расходятся. Затем, в 1929 году, выдающийся астроном Эдвин П. Хаббл показал, что скорость удаления галактики от нас примерно пропорциональна ее расстоянию от нас.

НЕСКОЛЬКО ИЗОБРАЖЕНИЙ далекого квазара ( слева ) являются результатом эффекта, известного как гравитационное линзирование. Эффект возникает, когда свет от удаленного объекта искривляется гравитационным полем промежуточной галактики. При этом галактика, которая видна в центре, дает четыре изображения квазара. Фотография была сделана с помощью телескопа Hubble .

Существование расширяющейся Вселенной подразумевает, что космос превратился из плотной концентрации материи в нынешнее широко распространенное распределение галактик. Фред Хойл, английский космолог, первым назвал этот процесс Большим взрывом. Хойл намеревался очернить эту теорию, но название было настолько броским, что приобрело популярность. Однако несколько ошибочно описывать расширение как некий тип взрыва материи вдали от какой-то конкретной точки пространства.

Это совсем не так: во вселенной Эйнштейна концепция пространства и распределение материи тесно связаны; наблюдаемое расширение системы галактик показывает развертывание самого пространства. Существенной особенностью теории является то, что средняя плотность в пространстве уменьшается по мере расширения Вселенной; распределение материи не образует видимого края. При взрыве самые быстрые частицы улетают в пустое пространство, но в космологии Большого взрыва частицы равномерно заполняют все пространство. Расширение Вселенной мало повлияло на размер галактик или даже скоплений галактик, связанных гравитацией; пространство просто открывается между ними. В этом смысле расширение похоже на поднимающуюся буханку хлеба с изюмом. Тесто аналогично космосу, а изюм — скоплениям галактик. По мере расширения теста изюм расходится. Более того, скорость, с которой любые две изюминки расходятся, прямо и положительно связана с количеством разделяющего их теста.

Доказательства расширения Вселенной накапливались около 60 лет. Первая важная подсказка — красное смещение. Галактика излучает или поглощает некоторые длины волн света сильнее, чем другие. Если галактика удаляется от нас, эти особенности излучения и поглощения смещаются в сторону более длинных волн, то есть становятся краснее по мере увеличения скорости удаления. Это явление известно как красное смещение.

Измерения Хаббла показали, что красное смещение далекой галактики больше, чем у более близкой к Земле. Это соотношение, известное теперь как закон Хаббла, как раз то, что можно было бы ожидать в равномерно расширяющейся Вселенной. Закон Хаббла гласит, что скорость удаления галактики равна расстоянию до нее, умноженному на величину, называемую постоянной Хаббла. Эффект красного смещения в близлежащих галактиках относительно незначителен, и для его обнаружения требуются хорошие инструменты. Напротив, красное смещение очень далеких объектов — радиогалактик и квазаров — представляет собой устрашающее явление; некоторые, кажется, удаляются на более чем 90 процентов от скорости света.

Хаббл внес свой вклад в еще одну важную часть картины. Он подсчитал количество видимых галактик в разных направлениях на небе и обнаружил, что они распределены довольно равномерно. Значение постоянной Хаббла казалось одинаковым во всех направлениях, что является необходимым следствием равномерного расширения. Современные исследования подтверждают фундаментальное положение о том, что Вселенная однородна в больших масштабах. Хотя карты распределения близлежащих галактик демонстрируют комковатость, более глубокие исследования обнаруживают значительную однородность.

Млечный Путь, например, состоит из двух десятков галактик; они, в свою очередь, являются частью комплекса галактик, выступающих из так называемого местного сверхскопления. Иерархия кластеризации была прослежена до размеров около 500 миллионов световых лет. Флуктуации средней плотности вещества уменьшаются по мере увеличения масштаба исследуемой структуры. На картах, покрывающих расстояния, близкие к наблюдаемому пределу, средняя плотность вещества изменяется менее чем на десятую долю процента.

Чтобы проверить закон Хаббла, астрономам необходимо измерить расстояния до галактик. Одним из методов измерения расстояния является наблюдение за видимой яркостью галактики. Если одна галактика в ночном небе в четыре раза слабее, чем сопоставимая галактика, то можно предположить, что она находится в два раза дальше. Теперь это ожидание проверено на всем видимом диапазоне расстояний.

ОДНОРОДНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ галактик видно на карте, которая включает объекты на расстоянии от 300 до 1000 миллионов световых лет. Единственная неоднородность, разрыв около центральной линии, возникает из-за того, что часть неба затенена Млечным Путем. Майкл Штраус из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, создал карту, используя данные НАСА 9. 0279 Инфракрасный астрономический спутник .

Некоторые критики теории отмечают, что галактика, которая кажется меньше и слабее, на самом деле может не быть более далекой. К счастью, есть прямое указание на то, что объекты с большим красным смещением действительно находятся дальше. Доказательства получены из наблюдений за эффектом, известным как гравитационное линзирование. Такой массивный и компактный объект, как галактика, может действовать как грубая линза, создавая искаженное, увеличенное изображение (или даже множество изображений) любого источника фонового излучения, находящегося за ним. Такой объект делает это, искривляя пути световых лучей и другого электромагнитного излучения. Таким образом, если галактика находится на линии прямой видимости между Землей и каким-либо удаленным объектом, она будет преломлять световые лучи от объекта так, что их можно будет наблюдать [см. «Гравитационные линзы» Эдвина Л. Тернера; НАУЧНЫЙ АМЕРИКАН, 19 июля.88]. За последнее десятилетие астрономы открыли более десятка гравитационных линз. Объект за линзой всегда имеет большее красное смещение, чем сама линза, что подтверждает качественное предсказание закона Хаббла.

Закон Хаббла имеет большое значение не только потому, что он описывает расширение Вселенной, но и потому, что его можно использовать для расчета возраста космоса. Чтобы быть точным, время, прошедшее с момента Большого взрыва, является функцией текущего значения постоянной Хаббла и скорости ее изменения. Астрономы определили приблизительную скорость расширения, но никто еще не смог точно измерить второе значение.

Тем не менее, можно оценить эту величину, зная среднюю плотность Вселенной. Можно ожидать, что из-за силы гравитации, препятствующей расширению, галактики теперь будут расходиться медленнее, чем в прошлом. Таким образом, скорость изменения расширения связана с гравитационным притяжением Вселенной, определяемым ее средней плотностью. Если плотность равна плотности только видимого вещества в галактиках и вокруг них, возраст Вселенной, вероятно, составляет от 12 до 20 миллиардов лет. (Диапазон учитывает неопределенность скорости расширения.)

Однако многие исследователи считают, что плотность выше этого минимального значения. Так называемая темная материя компенсирует разницу. Сильно защищаемый аргумент утверждает, что Вселенная достаточно плотна, чтобы в отдаленном будущем расширение замедлилось почти до нуля. При таком предположении возраст Вселенной уменьшается в пределах от 7 до 13 миллиардов лет.

ПЛОТНОСТЬ нейтронов и протонов во Вселенной определяет распространенность некоторых элементов. Для Вселенной с более высокой плотностью вычисленное содержание гелия мало отличается, а вычисленное содержание дейтерия значительно ниже. Заштрихованная область согласуется с наблюдениями: содержание гелия варьируется от 24 процентов до одной части на 1010 для изотопа лития. Это количественное согласие является главным успехом космологии Большого взрыва.

Чтобы улучшить эти оценки, многие астрономы проводят интенсивные исследования по измерению как расстояний до галактик, так и плотности Вселенной. Оценки времени расширения обеспечивают важный тест для модели Вселенной Большого взрыва. Если теория верна, все в видимой Вселенной должно быть моложе, чем время расширения, рассчитанное по закону Хаббла.

Эти две шкалы времени, по крайней мере, приблизительно совпадают. Например, самым старым звездам на диске галактики Млечный Путь около девяти миллиардов лет — оценка, полученная на основе скорости охлаждения белых карликов. Звезды в гало Млечного Пути несколько старше, им около 15 миллиардов лет — это значение получено из скорости потребления ядерного топлива в ядрах этих звезд. Возраст самых старых известных химических элементов также составляет примерно 15 миллиардов лет — число, полученное с помощью методов радиоактивного датирования. Работники лабораторий получили эти оценки возраста из атомной и ядерной физики. Примечательно, что их результаты согласуются, по крайней мере приблизительно, с возрастом, полученным астрономами путем измерения космического расширения.

Другая теория, теория стационарного состояния, также успешно объясняет расширение и однородность Вселенной. В 1946 году три английских физика — Хойл, Герман Бонди и Томас Голд — предложили такую космологию. В их теории Вселенная постоянно расширяется, и материя создается спонтанно, чтобы заполнить пустоты. Они предположили, что по мере того, как этот материал накапливается, он образует новые звезды, чтобы заменить старые. Эта гипотеза устойчивого состояния предсказывает, что ансамбли близких к нам галактик должны статистически выглядеть так же, как и далекие. Космология Большого взрыва делает другое предсказание: если все галактики образовались давно, далекие галактики должны выглядеть моложе ближайших, потому что свету от них требуется больше времени, чтобы достичь нас. В таких галактиках должно быть больше короткоживущих звезд и больше газа, из которого сформируются будущие поколения звезд.

Концептуально тест прост, но астрономам потребовались десятилетия, чтобы разработать детекторы, достаточно чувствительные для детального изучения далеких галактик. Когда астрономы исследуют близлежащие галактики, являющиеся мощными излучателями радиоволн, они видят в оптических длинах волн относительно круглые системы звезд. С другой стороны, далекие радиогалактики имеют вытянутую и иногда неправильную структуру. Более того, в самых далеких радиогалактиках, в отличие от ближайших, распределение света имеет тенденцию соответствовать характеру радиоизлучения.

Точно так же, когда астрономы изучают население массивных, плотных скоплений галактик, они находят различия между теми, которые находятся близко, и теми, кто находится далеко. Далекие скопления содержат голубоватые галактики, которые свидетельствуют о продолжающемся звездообразовании. Подобные скопления, находящиеся поблизости, содержат красноватые галактики, в которых активное звездообразование давно прекратилось. Наблюдения, сделанные с помощью космического телескопа Хаббла, подтверждают, что, по крайней мере, часть усиленного звездообразования в этих более молодых скоплениях может быть результатом столкновений между входящими в их состав галактиками, процесс, который в нынешнюю эпоху происходит гораздо реже.

ДАЛЕКИЕ ГАЛАКТИКИ сильно отличаются от близлежащих — наблюдение, которое показывает, что галактики произошли от более ранних, более неправильных форм. Среди галактик, ярких как в оптическом ( синий ), так и в радиодиапазоне ( красный ) длинах волн, близлежащие галактики, как правило, имеют плавные эллиптические формы в оптических длинах волн и очень вытянутые радиоизображения. По мере увеличения красного смещения и, следовательно, расстояния галактики приобретают более неправильную вытянутую форму, которая кажется выровненной в оптическом и радиодиапазонах. Галактика справа видна такой, какой она была в 10 процентов от нынешнего возраста Вселенной. Изображения были собраны Пэтом Маккарти из Института Карнеги.

Итак, если все галактики удаляются друг от друга и эволюционируют из более ранних форм, кажется логичным, что когда-то они были скоплены вместе в каком-то плотном море материи и энергии. Действительно, в 1927 году, когда о далеких галактиках еще многое не было известно, бельгийский космолог и священник Жорж Леметр предположил, что расширение Вселенной можно проследить до чрезвычайно плотного состояния, которое он назвал первичным «суператомом». Он даже думал, что возможно обнаружить остаточное излучение первобытного атома. Но как будет выглядеть эта радиационная сигнатура?

Когда Вселенная была очень молодой и горячей, излучение не могло распространяться очень далеко, не поглощаясь и не испускаясь какой-либо частицей. Этот непрерывный обмен энергией поддерживал состояние теплового равновесия; какой-либо конкретный регион вряд ли будет намного жарче или холоднее, чем в среднем. Когда вещество и энергия приходят в такое состояние, получается так называемый тепловой спектр, в котором интенсивность излучения на каждой длине волны является определенной функцией температуры. Следовательно, излучение, возникающее в результате горячего Большого взрыва, можно распознать по его спектру.

Фактически, это тепловое космическое фоновое излучение было обнаружено. Работая над созданием радара в 1940-х годах, Роберт Х. Дике, в то время работавший в Массачусетском технологическом институте, изобрел микроволновый радиометр — устройство, способное обнаруживать низкие уровни излучения. В 1960-х годах Bell Laboratories использовали радиометр в телескопе, который должен был отслеживать первые спутники связи Echo-1 и Telstar. Инженер, создавший этот прибор, обнаружил, что он обнаруживает неожиданное излучение. Арно А. Пензиас и Роберт В. Уилсон идентифицировали сигнал как космическое фоновое излучение. Интересно, что к этой идее Пензиаса и Вильсона привело известие о том, что Дикке предложил использовать радиометр для поиска космического фона.

Астрономы очень подробно изучили это излучение с помощью спутника Cosmic Background Explorer (COBE) и ряда ракетных, воздушных и наземных экспериментов. Космическое фоновое излучение имеет два отличительных свойства. Во-первых, она почти одинакова во всех направлениях. (Как обнаружили в 1992 году Джордж Ф. Смут из Лаборатории Лоуренса в Беркли и его группа, вариация составляет всего одну стотысячную часть.) Интерпретация состоит в том, что излучение равномерно заполняет пространство, как и предсказывалось в космологии Большого взрыва. Во-вторых, спектр очень близок к спектру объекта, находящегося в тепловом равновесии при температуре 2,726 Кельвина выше абсолютного нуля. Безусловно, космическое фоновое излучение возникло, когда температура Вселенной была намного выше 2,726 градусов, однако исследователи правильно предвидели, что кажущаяся температура излучения будет низкой. В 1930-е годы Ричард С. Толман из Калифорнийского технологического института показал, что температура космического фона будет уменьшаться из-за расширения Вселенной.

Космическое фоновое излучение является прямым доказательством того, что Вселенная расширялась из плотного и горячего состояния, поскольку это условие необходимо для возникновения излучения. В плотной, горячей ранней Вселенной в результате термоядерных реакций образовались элементы тяжелее водорода, включая дейтерий, гелий и литий. Поразительно, что рассчитанная смесь легких элементов согласуется с наблюдаемыми содержаниями. То есть все данные указывают на то, что легкие элементы были созданы в горячей молодой Вселенной, тогда как более тяжелые элементы появились позже, как продукты термоядерных реакций, питающих звезды.

Теория происхождения легких элементов возникла в результате всплеска исследований, последовавшего за окончанием Второй мировой войны. Джордж Гамов и аспирант Ральф А. Альфер из Университета Джорджа Вашингтона и Роберт Херман из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса и другие использовали данные ядерной физики, полученные во время военных действий, чтобы предсказать, какие ядерные процессы могли происходить в ранней Вселенной. и какие элементы могли быть произведены. Альфер и Герман также поняли, что остатки первоначального расширения все еще можно обнаружить в существующей вселенной.

Несмотря на то, что важные детали этой новаторской работы были ошибочными, она установила связь между ядерной физикой и космологией. Рабочие продемонстрировали, что раннюю Вселенную можно рассматривать как разновидность термоядерного реактора. В результате физики теперь точно рассчитали количество легких элементов, образовавшихся в результате Большого взрыва, и то, как эти количества изменились из-за последующих событий в межзвездной среде и ядерных процессов в звездах.

Наше понимание условий, преобладавших в ранней Вселенной, не приводит к полному пониманию того, как образовались галактики. Тем не менее, у нас есть довольно много кусочков головоломки. Гравитация вызывает рост флуктуаций плотности в распределении материи, так как сильнее замедляет расширение более плотных областей, заставляя их уплотняться еще больше. Этот процесс наблюдается в росте близких скоплений галактик, и сами галактики, вероятно, были собраны тем же процессом в меньшем масштабе.

Росту структуры в ранней Вселенной препятствовало радиационное давление, но это изменилось, когда Вселенная расширилась примерно до 0,1 процента своего нынешнего размера. В этот момент температура составляла около 3000 кельвинов, достаточно низкая, чтобы ионы и электроны могли объединиться с образованием нейтрального водорода и гелия. Нейтральное вещество могло проскальзывать сквозь излучение и образовывать газовые облака, которые могли коллапсировать в звездные скопления. Наблюдения показывают, что к тому времени, когда Вселенная стала одной пятой своего нынешнего размера, материя собралась в газовые облака, достаточно большие, чтобы их можно было назвать молодыми галактиками.

Насущной задачей сейчас является согласование кажущейся однородности ранней Вселенной с неравномерным распределением галактик в современной Вселенной. Астрономы знают, что плотность ранней Вселенной не сильно менялась, потому что они наблюдают лишь небольшие неравномерности космического фонового излучения. До сих пор было легко разрабатывать теории, которые согласуются с доступными измерениями, но сейчас проводятся более важные испытания. В частности, разные теории образования галактик предсказывают совершенно разные флуктуации космического фонового излучения в угловых масштабах менее одного градуса. Измерения таких крошечных флуктуаций еще не проводились, но они могут быть осуществлены в ходе проводимых сейчас экспериментов. Будет интересно узнать, выдержит ли какая-либо из рассматриваемых сейчас теорий формирования галактик эти испытания.

Современная Вселенная предоставила широкие возможности для развития жизни в том виде, в каком мы ее знаем: в той части Вселенной, которую мы можем наблюдать, насчитывается около 100 миллиардов миллиардов звезд, подобных солнцу. Однако космология Большого взрыва подразумевает, что жизнь возможна только в течение ограниченного промежутка времени: в далеком прошлом Вселенная была слишком горячей, и ее ресурсы для будущего ограничены. Большинство галактик все еще производят новые звезды, но многие другие уже исчерпали свои запасы газа. Через тридцать миллиардов лет галактики станут намного темнее и будут заполнены мертвыми или умирающими звездами, поэтому планет, способных поддерживать жизнь в ее нынешнем виде, будет гораздо меньше.

Вселенная может расширяться вечно, и в этом случае все галактики и звезды в конце концов станут темными и холодными. Альтернативой этому большому холоду является большой кранч. Если масса Вселенной достаточно велика, гравитация в конце концов обратит расширение вспять, и вся материя и энергия воссоединятся. В течение следующего десятилетия, по мере того как исследователи совершенствуют методы измерения массы Вселенной, мы, возможно, узнаем, идет ли нынешнее расширение к большому похолоданию или к большому сжатию.

Мы ожидаем, что в ближайшем будущем новые эксперименты помогут лучше понять теорию Большого взрыва. Усовершенствуя измерения скорости расширения и возраста звезд, мы, возможно, сможем подтвердить, что звезды действительно моложе расширяющейся Вселенной. Недавно завершенные или строящиеся более крупные телескопы могут позволить нам увидеть, как масса Вселенной влияет на кривизну пространства-времени, что, в свою очередь, влияет на наши наблюдения за далекими галактиками.

Мы также продолжим изучать вопросы, которые космология Большого взрыва не затрагивает. Мы не знаем, почему произошел Большой взрыв или что могло существовать раньше. Мы не знаем, есть ли у нашей Вселенной братья и сестры — другие расширяющиеся области, далекие от того, что мы можем наблюдать. Мы не понимаем, почему фундаментальные константы природы имеют такие значения. Достижения в физике элементарных частиц предлагают несколько интересных способов ответить на эти вопросы; задача состоит в том, чтобы найти экспериментальные проверки идей.

Следя за дебатами по таким вопросам космологии, следует помнить, что все физические теории являются приближениями к реальности, которые могут потерпеть неудачу, если зайти слишком далеко. Физическая наука продвигается вперед за счет включения более ранних теорий, которые экспериментально подтверждены, в более крупные и всеобъемлющие рамки. Теория большого взрыва подтверждается множеством доказательств: она объясняет космическое фоновое излучение, обилие легких элементов и хаббловское расширение. Таким образом, любая новая космология обязательно будет включать в себя картину большого взрыва. Какие бы изменения ни произошли в ближайшие десятилетия, космология превратилась из области философии в физическую науку, где гипотезы проходят проверку наблюдениями и экспериментами.

Эта статья была первоначально опубликована под названием «Эволюция Вселенной» в журнале Scientific American 271, 4, 52-57 (октябрь 1994 г.)

П. ДЖЕЙМС Э. ПИБЛЗ — один из самых выдающихся космологов мира, ключевой игрок в раннем анализе космического микроволнового фонового излучения и общего состава Вселенной. Он получил несколько высших наград в области астрономии, в том числе 19-ю.82 Премия Хайнемана, лекторская работа Генри Норриса Рассела 1993 года Американского астрономического общества и медаль Брюса 1995 года Тихоокеанского астрономического общества. В настоящее время Пиблз является почетным профессором Принстонского университета.

Эдвин Л. Тернер — профессор астрофизических наук Принстонского университета, научный сотрудник Института физики и математики Вселенной им. Кавли Токийского университета, приглашенный член Программы междисциплинарных исследований Института для перспективных исследований в Принстоне и член совета директоров YHouse, Inc. Он наблюдал полные солнечные затмения в 1970 на острове у побережья Массачусетса, в 2006 году в египетской пустыне и в 2009 году с круизного лайнера в Тихом океане, но пропустил один из-за облаков в 1999 году на юге Германии. Он надеется увидеть затмение 21 августа 2017 года недалеко от Джексон-Хоул, штат Вайоминг.

Последние статьи Эдвина Л.

Тернера

Частное затмение интересно; Полное затмение сногсшибательно
Гравитационные линзы

Что такое Вселенная? | Живая наука

Красивая туманность абстрактный фон.
(Изображение предоставлено: Сюаньюй Хан через Getty Images)

Вселенная — это буквально все, сумма всего сущего. Он включает в себя всю материю, такую как звезды и галактики. Вселенная также включает в себя все излучения и все другие формы энергии. Независимо от того, где и когда вы существуете, вы являетесь частью вселенной, как и все, что вы испытываете. Нет ничего вне вселенной, потому что все, что существует, автоматически включается в определение вселенной.

Сколько лет Вселенной и расширяется ли она?

Наше лучшее понимание истории Вселенной исходит из теории Большого Взрыва . Наблюдения за далекими галактиками показывают, что все галактики в среднем удаляются от любой другой галактики. Астрономы интерпретируют это движение как расширение самой Вселенной; в самых больших масштабах расстояния между галактиками со временем растут. Это означает, что в прошлом Вселенная была меньше, горячее и плотнее, чем сегодня.

Общая теория относительности Эйнштейна позволяет космологам связать содержимое Вселенной с историей ее расширения и, исходя из этого, рассчитать ее возраст. Согласно текущим оценкам, основанным на широком спектре наблюдений, таких как далекие 90 399 сверхновых 90 400 , космический микроволновый фон 90 399 и распространенность легких элементов, во Вселенной примерно 13,787 миллиард лет. В свои самые ранние моменты вся Вселенная была сжата в бесконечно крошечную точку, известную как 9.0399 сингулярность . Из этой сингулярности пространство расширилось, породив вселенную, которую мы видим сегодня, по данным НАСА (откроется в новой вкладке).

Как была создана Вселенная?

Диаграмма, показывающая различные этапы Большого Взрыва. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Ученые не знают, что было до Большого взрыва. Однако они знают, что сингулярность не реальна; вместо этого это артефакт общей теории относительности, который возникает, когда уравнения выходят из строя и теряют способность описывать физическую ситуацию. Истинное объяснение сингулярности должно лежать в теории квантовой гравитации, которая является физической теорией сильной гравитации в чрезвычайно малых масштабах. В настоящее время у физиков нет такой теории, но есть несколько кандидатов, например теория струн и петлевая квантовая гравитация.

Ученые даже не знают, если вопрос « Что было до Большого Взрыва ?» имеет смысл. Наше понимание течения времени исходит из той же теории относительности, которая не работает при описании ранней Вселенной. Вполне может быть, что наши представления о «до» и «после» неадекватны для описания того, что происходит в таких экстремальных масштабах, по словам астрофизика Итана Сигела .

В конечном счете, причина существования Вселенной, возможно, является величайшим из всех философских вопросов.

Что такое наблюдаемая Вселенная?

Астрономы в настоящее время не знают насколько велика Вселенная , но есть предел тому, что мы можем видеть. Этот объем известен как наблюдаемая Вселенная.

Поскольку возраст Вселенной конечен, а скорость распространения света ограничена максимальной скоростью, с нашей точки зрения освещена только определенная часть Вселенной. Наблюдаемая Вселенная представляет собой сферу диаметром примерно 42 миллиарда световых лет. (Для масштаба Млечный Путь имеет диаметр всего 100 000 световых лет, а ближайшая к звезда, солнце , находится на расстоянии менее 4 световых лет.)

галактик , которые астрономы наблюдают на самом краю этой сферы, излучают до 13 миллиардов лет назад. Однако Вселенная расширяется быстрее скорости света, что не является проблемой, потому что специальная теория относительности диктует, что ограничение, согласно которому объекты не могут двигаться быстрее скорости света, применяется только к измерениям, сделанным вблизи наблюдателя, а не к объектам в далекая вселенная.

Если бы Вселенная была статична, то с течением времени мы могли бы наблюдать еще более далекие галактики, поскольку их свет в конце концов достигал нас. Однако расширение Вселенной уносит эти более далекие галактики быстрее, чем свет от них может вернуться к нам, и мы никогда не сможем их наблюдать, Nova сообщила PBS .

Бесконечна ли Вселенная?

Космологи считают, что за краем наблюдаемой вселенной лежит… больше вселенной: больше звезд, больше галактик, больше планет, больше всего. Однако, поскольку ее невозможно наблюдать, астрономы не знают, насколько велика вся Вселенная. Возможно, Вселенная действительно бесконечна и вообще не имеет границ в пространстве, 9В 62 раза шире в диаметре, чем наблюдаемая Вселенная.

Из чего состоит Вселенная?

Темная материя в смоделированной вселенной. (Изображение предоставлено: Иллюстрация Авторы и права Том Абель и Ральф Келер (KIPAC, SLAC), AMNH)

Большая часть содержимого Вселенной имеет форму, в настоящее время неизвестную современной физике. Около 68% всей энергии во Вселенной состоит из тёмной энергии , гипотетической формы энергии, которая, по-видимому, находится в вакууме пространство-время само по себе. Однако физики не знают, откуда берется эта энергия или почему она обладает такой силой, как , по данным форума Вселенной Гарвардского университета .

Около 27% материи и энергии Вселенной состоит из темной материи , которая считается невидимой формой материи, не взаимодействующей со светом. Хотя подавляющее большинство физиков думают, что темная материя — это какой-то новый тип фундаментальной частицы (или частиц), они еще не обнаружили ее напрямую.

Остальные 5% Вселенной состоят из обычной, привычной материи, такой как звезды, планеты и огромные газовые облака.

Как закончится вселенная?

Чтобы понять, как закончится Вселенная, мы должны сначала точно измерить ее содержимое. Поскольку основным компонентом Вселенной является темная энергия, это будет определять ее дальнейшую эволюцию. Главный эффект темной энергии заключается в том, что она ускоряет расширение Вселенной. Таким образом, Вселенная не только становится больше с каждым днем, но с каждым днем становится все быстрее и быстрее. Если предположить, что темная энергия останется неизменной (что является большим предположением, поскольку в настоящее время мы не понимаем природу темной энергии), то это ускоренное расширение в конечном итоге вытеснит почти каждую галактику из нашей наблюдаемой сферы, писал астрофизик Кевин Пимблет в Разговор (откроется в новой вкладке).

Через сотни миллиардов лет почти каждая галактика станет для нас невидимой. В конце концов, в Млечном Пути закончится свежий газ для создания новых звезд. Через триллионы лет последние звезды погаснут, оставив после себя жидкий суп из элементарных частиц, который будет медленно остывать до температуры абсолютного нуля.

Дополнительные ресурсы

Чтобы вникнуть в космологию, ознакомьтесь с книгой «Ваше место во Вселенной (откроется в новой вкладке)» (Прометей, 2018 г.), написанной автором статьи и астрофизиком Полом М. Саттером.
Исследуйте окончательную судьбу Вселенной в этом великолепном видео (откроется в новой вкладке) от PBS Space Time.
В этом выпуске подкаста «Астрономический состав» вы узнаете, как вычисление размера Вселенной — немалый подвиг.

Библиография

Бреннан, П. (3 декабря 2020 г.). Что такое Вселенная? НАСА. https://exoplanets.nasa.gov/what-is-an-exoplanet/what-is-the-universe/ (открывается в новой вкладке)

Halpern, P. (2012, 10 октября). Насколько велика наблюдаемая Вселенная? ПБС НОВА. https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/how-large-is-the-observable-universe/ (открывается в новой вкладке)

НАСА. (2010, 16 апреля). Что такое теория инфляции? https://wmap.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_infl.html#:~:text=The%20Inflation%20Theory%20proposes%20a,relatively%20gradually%20throughout%20its%20history (открывается в новой вкладке )

Пимблет, К. (3 сентября 2015 г.). Судьба Вселенной: тепловая смерть, Большой Разрыв или космическое сознание? Разговор. https://theconversation.com/the-fate-of-the-universe-heat-death-big-rip-or-cosmic-сознания-46157 (открывается в новой вкладке)

Сигел, Э. (2022, г. 4 марта). Спросите Итана: действительно ли наша Вселенная возникла из ничего? Большие мысли. https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-nothing/ (открывается в новой вкладке)

Пол М. Саттер — профессор-исследователь в области астрофизики в Университете SUNY Стоуни-Брук и Институте Флэтайрон в Нью-Йорке. Он регулярно появляется на телевидении и в подкастах, в том числе «Спросите космонавта». Он является автором двух книг: «Твое место во Вселенной» и «Как умереть в космосе», а также регулярно публикуется на Space.com, Live Science и других ресурсах. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, после чего прошел стажировку в Триесте, Италия.

Измерение скорости расширения Вселенной

До того, как был запущен телескоп Хаббл, существовала огромная неопределенность в отношении скорости расширения Вселенной. Это значение необходимо для расчета возраста Вселенной, оценки ее эволюции за миллиарды лет и понимания движущих ее сил. Сначала астрономы были рады сузить оценку расширения до 10-процентной точности. Теперь, при большой настойчивости и точных наблюдениях, они приближаются к точности в один процент.

В 1929 году Эдвин Хаббл предоставил первое наблюдательное свидетельство того, что Вселенная имеет конечный возраст. Используя самый большой телескоп того времени, он обнаружил, что чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется в космос. Это означает, что Вселенная расширяется равномерно во всех направлениях. Хаббл заметил, что свет от далеких галактик растягивается до более длинных волн или окрашивается в красный цвет — явление, называемое красным смещением.

Точно определив скорость расширения, называемую постоянной Хаббла, можно перемотать космические часы и вычислить возраст Вселенной. Однако оценки расширения Эдвина Хаббла подразумевали, что Вселенная была моложе возраста Земли и Солнца. Таким образом, Хаббл пришел к выводу, что явление красного смещения было неизвестным свойством пространства, а не измерением истинной космической скорости. Позднее астрономы поняли, что красное смещение было следствием расширения самого пространства, как это и предсказывалось специальной теорией относительности Эйнштейна.

Однако оценка возраста надежна настолько, насколько точны измерения расстояния. Точное значение постоянной Хаббла является критической опорной точкой для калибровки других фундаментальных космологических параметров Вселенной.

Когда космический телескоп Хаббл был запущен, неопределенность относительно скорости расширения Вселенной уменьшилась в два раза. Это означало, что возраст Вселенной мог составлять 9,7 миллиарда лет или 19,5 миллиарда лет. Младшее значение представляло огромную проблему; это означало бы, что вселенная была моложе , чем самые старые известные звезды.

Ранние наблюдения Хаббла искали космические вехи, переменные звезды цефеиды, в еще более далеких галактиках. Здесь показана галактика M100, расположенная на расстоянии 56 миллионов световых лет от нас. Эти данные уточнили оценки скорости расширения Вселенной.

В 1994 году астрономы начали уточнять постоянную Хаббла, проводя точные измерения расстояния до скопления галактик Девы, расположенного на расстоянии 56 миллионов световых лет. Это позволило астрономам приступить к уточнению измерений расстояний, необходимых для расчета более точного значения постоянной Хаббла. Они наблюдали за классом звезд, называемых переменными цефеидами. Эти звезды проходят через ритмичные пульсации, когда их яркость слегка повышается и понижается. Период этих колебаний напрямую связан с собственной яркостью цефеиды. Как только станет известна истинная яркость звезды, астрономы смогут рассчитать точное расстояние до нее.

К концу 1990-х уточненное значение постоянной Хаббла было уменьшено до погрешности всего около 10 процентов. Другая команда астрономов продолжает упорядочивать и укреплять это, калибруя все больше цефеид, еще более далеких, чем локальная Вселенная. Эти данные были сопоставлены с еще более дальними измерениями взрывающихся звезд, сверхновых, чтобы построить космическую «лестницу расстояний». Измерение постоянной Хаббла улучшилось с 10-процентной неопределенности в начале 2000-х годов до менее 2 процентов к 2019 году..

На этой иллюстрации показаны три шага, которые астрономы использовали для измерения скорости расширения Вселенной с беспрецедентной точностью, что позволило снизить общую неопределенность до 2,3 процента. Астрономы провели измерения, оптимизировав и укрепив конструкцию лестницы космических расстояний, которая используется для точного измерения расстояний до галактик вблизи и вдали от Земли.

Для наблюдения за другими маркерами вех, такими как звезда красного гиганта, применялось множество других стратегий наблюдения. Новый метод использует Хаббл, чтобы посмотреть, где гравитация галактики переднего плана действует как гигантская увеличительная линза, усиливая и искажая свет от фоновых объектов, таких как квазары. Затем астрономы надежно определяют расстояния от галактики до квазара, от Земли до галактики и до фонового квазара. Сравнивая эти значения расстояний, исследователи измерили скорость расширения Вселенной, которая совершенно не зависит от методов «лестницы расстояний».

Однако существует тревожное несоответствие между коллективными программами, получающими значения постоянной Хаббла в близлежащей Вселенной по сравнению со значениями для ранней Вселенной. Нынешняя скорость расширения Вселенной может быть предсказана космологической моделью с использованием измерений ранней Вселенной, закодированных в космическом микроволновом фоне (CMB). Реликтовое излучение — это снимок космоса, каким он выглядел всего через 360 000 лет после Большого взрыва (сделанный космической обсерваторией «Планк»). Значение данных Планка расходится с более прямыми измерениями близлежащей Вселенной, сделанными с помощью Хаббла и других обсерваторий.

Согласно стандартным космологическим моделям, значения для ранней и локальной вселенной должны совпадать. Поскольку это не так, это представляет собой серьезную проблему для теоретиков, подразумевая, что существует неполное понимание физических основ Вселенной. Это может потребовать пересмотра текущих астрофизических теорий.