Почему вселенная расширяется? И как долго?
Наша вселенная расширяется. С ускорением. Каждую секунду пространство между космическими галактиками растет все быстрее и быстрее.
Какова будет конечная судьба Вселенной — вечное расширение или великий крах? Ключом к этому является понимание «темной энергии» — самой большой загадки современной астрофизики, которая также является причиной ускорения, которое началось внезапно 4-5 миллиардов лет назад.
Только в конце двадцатого века ученые обнаружили, что вселенная расширяется с ускорением. Его начало — около 5 миллиардов лет назад, относительно скоро до возраста вселенной, которой почти 14 миллиардов лет. Это оказался огромным сюрпризом для всех ученых, потому что, согласно тогдашним теориям, вселенная должна замедляться, а не ускорять свое расширение.
На самом деле, сам Эйнштейн столкнулся с проблемами, связанными с идеей об изменяющейся, а не статичной вселенной. Великий ученый считает, что почти до самого конца своей жизни вселенная должна быть статичной и неизменной — и при этом она не должна расширяться или уменьшаться. Именно по этой причине он меняет свои уравнения, которые говорят об обратном, и добавляет к ним так называемые космологическая постоянная, которая препятствует расширению пространства.
Когда в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл открыл так называемую красное смещение галактик, становится ясно, что кажется, что все другие галактики в космосе «убегают» от нас.
Когда автомобиль движется к нам, его звук меняется, а когда галактика движется, ее «цвет» меняется, и мы можем определить, приближается ли он к Земле или удаляется от нее.
Хаббл наблюдает за смещением видимого света галактик в красный спектр, что означает, что объект удаляется, и мы можем измерить его скорость. Это так называемый закон Хаббла, и скорость расширения сегодня известна как постоянная Хаббла (около 72 км в секунду на мегапарсек, равная 1 парсек = 31 триллион километров или 206 265 раз расстояния между Землей и Солнцем, и 1 мегапарсек = 1 миллион парсек).
Поэтому единственно возможное объяснение состоит в том, что пространство вселенной расширяется и не может быть статичным. И хотя эксперименты Хаббла являются эмпирическим доказательством, математическое изложение этого факта было сделано еще раньше бельгийским математиком Жоржем Ломмером в 1927 году. Перед лицом этого доказательства Эйнштейн отказался от космологической постоянной и даже назвал ее «самой большой ошибкой в его карьера».
Сегодня, однако, совершенно неожиданно, что нам снова нужна космологическая константа, хотя и немного другим способом.
Теория большого взрыва и эволюция вселенной
Как только станет ясно, что галактики убегают друг от друга, логично предположить, что в начале все они были сгруппированы в одном месте. Более того, мы можем предположить, что в самом начале вселенная была сжата в одну взорвавшуюся точку. Так рождается теория большого взрыва.
Сегодня это одна из широко признанных и проверенных теорий развития вселенной. Причина в ее огромной объяснительной силе. Действительно, если все когда-либо было собрано в одной точке, то это состояние должно быть с огромной температурой и невероятной плотностью. Моделирование таких условий является одной из задач современных ускорителей частиц, таких как Большой адронный ускоритель в ЦЕРНе. Объясняя появление химических элементов в результате Большого взрыва, Первичный нуклеосинтез, также является одним из больших успехов теоретической ядерной физики.
Но это остается проблемой. Предполагая, что был начальный Большой взрыв, который «раздувает вселенную» и обеспечивает сравнительную однородность пространства в большом масштабе, и в любом направлении, которое так, и мы наблюдаем это, если будет какой-либо энергетический след этого первичного колоссального взрыва, который мы можем видеть? Оказывается, есть доказательство.
Это так называемый космическое микроволновое фоновое излучение, также называемое остаточным или реликтовым излучением. Идея состоит в том, что, когда вселенная очень молода, она находится в чрезвычайно плотном и горячем состоянии плазмы и непрозрачна. Во время процесса расширения его температура снижается, и он начинает охлаждаться. При более низкой температуре могут образовываться стабильные атомы, но они не могут поглощать тепло, и Вселенная становится прозрачной (примерно через 300-400 лет после взрыва). Это время, когда испускаются первые фотоны, которые даже сегодня циркулируют в пространстве и могут быть обнаружены нами. Поэтому их излучение называется реликтовым, т.е. остаточное. Этот момент — также самая далекая вещь, которую мы можем видеть с нашими телескопами.
В 1964 году два радиоастронома — Арно Пензиас и Роберт Уилсон — экспериментально обнаружили эффект реликтового фона — устойчивый микроволновый «шум» с температурой около 2,7 Кельвина, равномерный в любой точке неба без связи со звездой или другим объектом. Это голос космоса, остаток взрыва, породившего нашу вселенную. Это окончательное доказательство справедливости теории Большого взрыва, за которую два радиоастронома получили Нобелевскую премию в 1978 году.
Космическое микроволновое фоновое излучение
Помимо неоспоримого доказательства Большого взрыва, реликтовое излучение дало нам еще кое-что. Зонд WMAP (микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона), запущенный в 2001 году, отображает космическое фоновое излучение в наблюдаемой Вселенной. Различный цвет рисунка соответствует небольшой разнице в температуре излучения. В результате излучение является однородным с точностью до пяти знаков после запятой. Однако там, после пятого знака, что-то интересное и удивительное — темная материя.
Он взаимодействует только гравитационно, и мы не можем установить или доказать это каким-либо другим способом. По оценкам, его содержание составляет около 25 процентов от общей плотности вселенной, в то время как обычная, наша материя, составляет всего 4-5 процентов.
Хотя темную материю нельзя наблюдать непосредственно, ее присутствие было предложено Фрицем Цвицким в 1934 году для объяснения так называемой «Проблема с недостающей массой».
Оказывается, что галактики не могут быть стабильными и вращаться, как они это делают, если не существует огромного количества скрытой массы, удерживающей звезды в соединенной галактике. Результаты исследования космического фонового излучения однозначно подтверждают наличие большого количества темной материи.
Результаты WMAP также можно использовать для проверки геометрии юниверса — закрытой, открытой или плоской.
Сегодня мы знаем, что Вселенная плоская с точностью до 0,5 процента. Это хорошо, но это также означает, что в зависимости от плотности вещества и энергии во вселенной у нас может быть другой конец эволюции пространства. Если общая плотность (так называемый космологический параметр Омеги) превышает критическую массу, Вселенная может сжаться в так называемую Большой крах, прямо противоположный большому взрыву. Или, наоборот, мы можем расширяться до бесконечности, пока сама вселенная не станет довольно холодной, пустынной и относительно скучной. Это теория Большого охлаждения.
Темная энергия и конечная судьба Вселенной
На самом деле, как мы можем знать, что произошло с пространством Вселенной, и что будет с ним в будущем? Поскольку скорость света ограничена, чем дальше находится объект, тем дольше свет должен будет добраться до нас. Например, путь света от нашего Солнца до Земли составляет чуть более 8 минут. Наблюдая с помощью наших телескопов далеких звезд, мы на самом деле видим прошлое, когда ловим свет, который давно покинул их и только сейчас достигает нас. Тогда, если мы знаем, что наблюдаем два одинаковых объекта, но на разном расстоянии, мы можем вывести изменение пространства между ними во времени.
Объекты, которые относительно «идентичны» в космосе, известны как стандартные свечи.
Это могут быть переменные звезды особого типа, так называемые Цефеиды. Они пульсируют одинаково, т.е. излучать один и тот же световой поток через равные промежутки времени. Другими такими объектами, которые являются еще более точными показателями расстояний, являются вспышки сверхновых типа IA. Они представляют собой термоядерное разрушение звезды (фактически пары звезд). Из-за особенностей процесса всегда выделяется одна и та же энергия. Вот почему сверхновые IA — наши самые известные стандартные свечи.
В частности, в 1997 году исследования сверхновых показали, что Вселенная расширяется с ускорением. Поскольку энергия вспышки всегда одна и та же, разница, которую мы наблюдаем (более тусклые или более яркие вспышки), обусловлена исключительно разницей в динамике пространства. Таким образом, мы можем получить карту эволюции пространства во времени. Оказывается, что в первые 8-9 миллиардов лет после взрыва Вселенная замедляется, как и следовало ожидать, а затем внезапно начинает расширяться с ускорением!
Это огромный парадокс, и причина ускоренного расширения пока неизвестна. Чтобы объяснить это, ученые вновь вводят космологическую постоянную Эйнштейна в уравнения, но с противоположным знаком — то есть он действует как антигравитация и целесообразно расширяет пространство.
Тем не менее похоже, что Эйнштейн не так сильно ошибался.
Сегодня мы знаем, что темная энергия занимает около 70 процентов от общей плотности энергии Вселенной. Мы понятия не имеем, почему он начинает свое действие или какова его природа. Вполне возможно, что его сила будет уменьшаться или увеличиваться со временем.
В зависимости от этого, есть два сценария конца нашей вселенной. Если космологическая постоянная продолжает работать и расти, мы будем расширяться вечно. Если, наоборот, его сила уменьшается и гравитация побеждает, тогда концом нашего космоса может стать Великое Падение. Тогда, почему бы и нет, возможно, новая вселенная родится в новом космическом Большом Взрыве. Но пока это просто загадки, ответы на которые скоро будут раскрыты.
Источник
Насколько быстро расширяется Вселенная?
Команды Хаббла и Гайи объединились, чтобы провести наиболее точное измерение на сегодня
В 1920-х Эдвин Хаббл сделал революционное открытие – оказалось, что Вселенная расширяется. Изначально такое положение вещей предсказывала Общая теория относительности Эйнштейна. Скорость этого расширения получила название «постоянной Хаббла». К сегодняшнему дню с помощью современных телескопов – таких, как телескоп Хаббла – астрономы заново измерили и пересмотрели эту величину уже много раз.
Эти измерения подтвердили, что скорость расширения со временем увеличивалась, хотя учёные не уверены в том, почему. Последние измерения были проведены международной командой учёных, которые использовали данные с Хаббла, а потом сравнили их с данными, полученными на обсерватории Гайя Европейского космического агентства. В результате были получены наиболее точные измерения постоянной Хаббла на сегодняшний день, которые, однако, не сняли вопросы по поводу космического ускорения.
Исследование, описывающее эти открытия, было опубликовано в июле в журнале Astrophysical Journal под названием: «Стандарты цефеид Млечного пути для измерения космических расстояний и их применение к Гайя DR2: последствия для постоянной Хаббла». В исследовании участвовали учёные из Института исследований космоса с помощью космического телескопа, Университета Джонса Хопкинса, Национального института астрофизики, Калифорнийского университета в Беркли, Техасского университета A&M и Европейской южной обсерватории.
Три этапа измерения постоянной Хаббла: измерение параллакса для цефеид, измерение галактик, содержащих цефеиды и сверхновые типа Ia, измерение удалённых галактик, содержащих сверхновые типа Ia.
С 2005 года Адам Рисс – нобелевский лауреат, работающий с Институтом исследований космоса с помощью космического телескопа и Университетов Джонса Хопкинса – работал над уточнением значения постоянной Хаббла, усиливая и улучшая процесс построения космической лестницы расстояний. Вместе со своей командой, известной как «использование сверхновой H0 для вычисления уравнения состояния» (Supernova H0 for the Equation of State, SH0ES), они успешно уменьшили погрешность измерений скорости расширения Вселенной до 2,2%.
Если подробно, то астрономы традиционно используют шкалу расстояний в астрономии, или лестницу расстояний, для измерения расстояний до дальних объектов Вселенной. Она строится на основе таких вех, как переменные звёзды цефеиды – пульсирующие звёзды, расстояние до которых можно вычислить, сравнивая их абсолютную яркость с видимой [а абсолютную яркость вычислить, исходя из периода пульсаций / прим. перев.]. Такие измерения затем сравниваются с красным смещением света, приходящим от далёких галактик, чтобы определить, насколько быстро расширяется пространство между галактиками.
Отсюда выводится и постоянная Хаббла. Ещё один метод, это наблюдение за реликтовым излучением, и отслеживание расширения ранней Вселенной — когда с Большого взрыва прошло примерно 378 000 лет – из которых при помощи физики и экстраполяции выводится современная скорость расширения. Вместе этим методы должны обеспечить график расширения Вселенной с самого начала и до сегодняшних дней.
Однако астрономы уже довольно давно знают, что два этих измерения не совпадают между собой. В предыдущем исследовании, когда Рисс с командой также проводили исследования при помощи телескопа Хаббла, они получили значение постоянной, равное 73 км/с/Мпк. Тем временем, результаты, полученные из измерений обсерватории Планк (наблюдавшей за реликтовым излучением с 2009 по 2013 года), говорят о том, что постоянная Хаббла должна равняться 67 км/с/Мпк, и уж точно не более 69 – а это расхождение на целых 9%.
Реликтовое излучение в псевдоцветах
Как отметил Рисс в недавнем пресс-релизе НАСА:
Напряжённость переросла в настоящую несовместимость нашего представления о ранней и поздней Вселенной. Встало ясно, что это уже не следствие какой-то жуткой ошибки в одном из измерений. Это похоже на то, как если бы вы предсказали рост ребёнка по графику роста людей, а потом обнаружили, что, повзрослев, он очень сильно превысил ожидания. Мы совершенно сбиты с толку.
В данном случае Рисс с коллегами использовали телескоп Хаббл для оценки яркости удалённых цефеид, а Гайя предоставила данные по параллаксу – видимому изменению местоположения объекта в зависимости от точки зрения – необходимые для определения расстояния. Ещё один вклад Гайи заключался в измерении расстояния до 50 цефеид Млечного пути, которые были скомбинированы с измерениями Хаббла.
Это позволило астрономам более точно откалибровать Цефеиды и использовать те из них, что находятся вне Млечного Пути, в качестве маркеров. Используя измерения, полученные с Хаббла и новые данные от Гайи, Рисс с коллегами смогли уточнить измеренное значение скорости расширения до 73,5 км/с/Мпк.
Спутник Гайя Европейского космического агентства в данный момент выполняет свою пятилетнюю миссию по построению карты звёзд Млечного Пути.
Стефано Казертано из Института исследований космоса с помощью космического телескопа и член команды SH0ES добавил:
Хаббл удивительно хорошо справляется с ролью обсерватории общего назначения, но Гайя – это новый стандарт калибровки расстояний. Он специально создан для измерения параллакса – его для этого разработали. Гайя даёт новые возможности по рекалибровке всех предыдущих измеренных расстояний и подтверждает нашу предыдущую работу. Мы получаем ту же самую величину для постоянной Хаббла, заменяя все предыдущие калибровки шкалы расстояний просто величинами параллаксов, полученными от Гайи. Это перекрёстная проверка двух мощнейших и точных обсерваторий.
В будущем Рисс и его команда надеются продолжать работать с Гайей, чтобы уменьшить погрешность, связанную с постоянной Хаббла, до 1% к началу 2020-х. Тем временем расхождение между современной скоростью расширения и той, что получена из данных по реликтовому излучению, будет продолжать удивлять астрономов.
В итоге это может стать признаком того, что во Вселенной работает какая-то другая физика, что тёмная материя взаимодействует с нормальной материей не так, как подозревали учёные, или, что тёмная энергия может оказаться ещё более экзотической, чем считалось ранее. Какой бы ни была причина, ясно, что у Вселенной ещё найдутся для нас сюрпризы!
Источник