Насколько велика Вселенная? Можно ли вообще ответить на этот вопрос?
Вселенная представляет собой огромное пространство, заполненное туманностями, звездными скоплениями, отдельными звездами, планетами с их спутниками, различными кометами, астероидами и, в конце концов, вакуумом, а также темной материей. Она настолько огромна, что полнота ответа на вопрос о том, насколько именно она большая, к сожалению, ограничена нашим нынешним уровнем развития технологий. Как бы там ни было, понимание размера Вселенной подразумевает понимание нескольких ключевых факторов. Одним из этих факторов, например, является понимание того, как ведет себя космос, а также понимание того, что то, что мы видим, является всего лишь так называемой «наблюдаемой Вселенной». Выяснить истинные размеры Вселенной мы не можем, потому что наши возможности не позволяют нам увидеть ее «край».
Рулеткой ее точно не измерить
Все, что находится за пределами видимой Вселенной, по-прежнему остается для нас загадкой и является предметом бесконечных споров и дискуссий среди астрофизиков всех мастей. Сегодня постараемся простыми словами объяснить то, к чему пришла наука к настоящему моменту времени в вопросах понимания размеров Вселенной, и постараемся ответить на один из самых животрепещущих и сложных вопросов о ее природе. Но сперва давайте рассмотрим базовые принципы того, как ученые определяют расстояние в космосе.
Как определяют расстояние в космосе
Самым простейшим методом определения расстояния в космосе является использование света. Однако если учесть то, каким образом свет распространяется в пространстве, то следует понимать, что те объекты, которые мы видим с Земли, в космосе необязательно будут выглядеть так же. Ведь для того, чтобы свет от далеких объектов достиг нашей планеты может потребоваться десятки, сотни, тысячи, а то и десятки тысяч лет.
Скорость света составляет 300 000 километров в секунду, но для космоса, для такого гигантского пространства, понятие секунды не является идеальной величиной для измерения.
В астрономии принято для определения расстояния использовать термин световой год. Один световой год приблизительно эквивалентен расстоянию 9 460 730 472 580 800 метров и дает нам не только представление о расстоянии, но также может говорить о том, какое количество времени потребуется свету объекта для того, чтобы нас достигнуть.
Такое расстояние сложно себе даже представить
Самым простым примером разницы времени и расстояний является свет Солнца. Среднее расстояние от нас до Солнца составляет около 150 000 000 километров. Допустим, у вас есть подходящий телескоп и защита для глаз, позволяющие вести за Солнцем наблюдение. Суть в том, что все, что вы будете видеть в телескоп, на самом деле происходило с Солнцем 8 минут назад (именно столько требуется свету, чтобы добрать до Земли). Свет Проксимы Центавра? Дойдет до нас только через четыре года. Или взять хотя бы такую крупную звезду, как Бетельгейзе, собирающуюся стать в скором времени сверхновой. Даже если бы это событие произошло сейчас, мы узнали бы о нем не раньше середины 27 века!
Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на нас в Яндекс.Дзен, чтобы не пропускать новые материалы!
Свет и его свойства сыграли ключевую роль в понимании нами того, насколько огромна Вселенная. В настоящий момент наши возможности позволяют нам заглянуть примерно на 46 миллиардов световых лет наблюдаемой Вселенной. Каким образом? Все благодаря используемой физиками и астрономами шкалы расстояний в астрономии.
Что такое параллакс
Телескопы являются лишь одним из инструментов для измерения космических расстояний и не всегда способны справится с этим заданием: чем дальше находится объект, расстояние до которого мы хотим измерить, тем сложнее это сделать. Радиотелескопы отлично подходят для измерения расстояний и проведения наблюдений лишь внутри нашей Солнечной системы. Они действительно способны предоставлять очень точные данные. Но стоит только направить их взор за пределы Солнечной системы, как их эффективность резко сокращается. Ввиду всех этих проблем астрономы решили прибегнуть к другому методу измерения расстояния — параллаксу.
Что такое параллакс? Объясним на простом примере. Закройте сначала один глаз и посмотрите на какой-нибудь объект, а затем закройте другой глаз и посмотрите снова на этот же объект. Заметили небольшое «изменение в положении» объекта? Этот «сдвиг» и называется параллаксом, методом, который используется для определения расстояния в космосе. Метод отлично работает, когда речь идет о звездах, находящихся в относительной близости от нас — примерно в радиусе 100 световых лет. Но когда и этот метод становится малоэффективным, ученые прибегают к другим.
Следующий способ определения расстояния носит название «метод главной последовательности». Он основан на наших знаниях о том, как со временем изменяются звезды определенных размеров. Сначала ученые определяют яркость и цвет звезды, а затем сравнивают показатели с ближайшими звездами, обладающими аналогичными характеристиками, выводя на основе этих данных приблизительное расстояние. Опять же, данный метод весьма ограничен и работает только в случае звезд, принадлежащих нашей галактике, или тех, которые находятся в радиусе 100 000 световых лет.
Чтобы заглянуть дальше, астрономы полагаются на метод измерения по цефеидам. Он основан на открытии американского астронома Генриетты Суон Ливитт, которая обнаружила зависимость между периодом изменения блеска и светимостью звезды. Благодаря этому методы многие астрономы смогли высчитать расстояния до звезд не только внутри нашей галактики, но и за ее пределами. В некоторых случаях речь идет о дистанциях в 10 миллионов световых лет.
Какого размера Вселенная?
И все же к вопросу размеров Вселенной мы пока не приблизились ни на йоту. Поэтому переходим к ультимативному средству измерений, основанному на принципе красного сдвига (или красного смещения). Суть красного смещения аналогична принципу работы эффекта Доплера. Вспомните железнодорожный переезд. Никогда не замечали, как звучание гудка поезда изменяется в зависимости от расстояния, усиливаясь при приближении и становясь тише при отдалении?
Свет работает примерно так же. Посмотрите на спектрограмму выше, видите черные линии? Они указывают на границы поглощения цвета химическими элементами, находящимися внутри и вокруг источника света. Чем больше сдвинуты линии к красной части спектра — тем дальше объект находится от нас. На основе подобных спектрограмм ученые также определяют то, насколько быстро объект двигается от нас.
Так мы плавно и подобрались к нашему ответу. Большая часть света, подвергшаяся красному смещению, принадлежит галактикам, возраст которых около 13,8 миллиарда лет.
Сколько лет Вселенной?
Если после прочтенного вы пришли к выводу, что радиус наблюдаемой нами Вселенной составляет всего 13,8 миллиарда световых лет, то вы не учли одной важной детали. Все дело в том, что на протяжении этих 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва Вселенная продолжала расширяться. Другими словами, это означает, что реальный размер нашей Вселенной гораздо больше, чем указано в наших изначальных измерениях.
Поэтому для того, чтобы узнать реальный размер Вселенной, необходимо принять во внимание еще один показатель, а именно то, насколько быстро Вселенная расширялась со времен Большого взрыва. Физики говорят, что наконец смогли вывести нужные цифры и уверены в том, что радиус видимой Вселенной в настоящий момент составляет около 46,5 миллиарда световых лет.
Правда, стоит также отметить, что эти подсчеты основаны лишь на том, что мы сами можем видеть. Точнее способны разглядеть в глубине космоса. Эти подсчеты не отвечают на вопрос истинного размера Вселенной. Кроме того, ученых заставляет задуматься некоторое несоответствие, согласно которому более удаленные от нас галактики в нашей Вселенной слишком хорошо сформированы, чтобы можно было считать, что они появились сразу после Большого взрыва. Для такого уровня развития потребовалось гораздо больше времени.
Необъяснимый факт, указанный выше, открывает целый ряд новых проблем. Некоторые ученые постарались посчитать, сколько потребовалось бы времени для развития этих полностью сформированных галактик. Например, оксфордские ученые пришли к выводу, что размер всей Вселенной может быть в 250 раз больше наблюдаемой.
Мы действительно способны измерить расстояния до объектов в пределах наблюдаемой Вселенной, но то, что находится за этой гранью, нам не известно. Конечно же, никто не говорит, что ученые не пытаются это выяснить, но, как уже говорилось выше, наши возможности ограничены нашим уровнем технического прогресса. Кроме того, не стоит также сразу отбрасывать предположение о том, что ученые, возможно, так никогда и не узнают настоящих размеров всей Вселенной, если учесть все факторы, находящиеся на пути решения этого вопроса.
Источник
Все за сегодня
Политика
Экономика
Наука
Война и ВПК
Общество
ИноБлоги
Подкасты
Мультимедиа
Наука
Спросите у Этана: каковы были размеры вселенной в момент ее рождения?
Вы, наверное, думаете, что вселенная бесконечна? Может быть и так. Вряд ли мы когда-нибудь узнаем об этом точно. Охватить взглядом всю нашу вселенную целиком не получится. Во-первых, данный факт вытекает из концепции «большого взрыва», которая утверждает, что у вселенной имеется свой, так сказать, день рождения, а, во-вторых, из постулата о том, что скорость света — фундаментальная постоянная. К настоящему времени наблюдаемая часть вселенной, возраст которой составляет 13,8 миллиардов лет, расширилась во всех направлениях на расстояние 46,1 миллиардов световых лет. Возникает вопрос: каковы были размеры вселенной тогда, 13,8 миллиардов лет назад? Этот вопрос нам задал некто Джо Маскарелла (Joe Muscarella). Вот что он пишет:
«Мне встречались разные ответы на вопрос о том, каковы были размеры нашей вселенной вскоре после того, как закончился период космической инфляции (космическая инфляция — фаза, предшествовавшая Большому взрыву, — прим. пер.). В одном источнике указано — 0,77 сантиметров, в другом — размер с футбольный мяч, а в третьем — больше, чем размеры наблюдаемой вселенной. Так который же из них? А может быть какой-то промежуточный?»
Контекст
Большой взрыв и «черная дыра»
Как Вселенная сотворила человека
Nautilus 27.01.2015 Кстати, минувший год как раз дает нам повод, чтобы поговорить и об Эйнштейне, и о сущности пространства-времени, ведь в прошедшем году мы отпраздновали столетний юбилей общей теории относительности. Итак, давайте поговорим о вселенной.
Когда мы через телескоп наблюдаем за отдаленными галактиками, то можем определить некоторые их параметры, например, следующие:
— красное смещение (т.е. насколько испускаемый ими свет сместился по отношению к инерциальной системе отсчета);
— яркость объекта (т.е. измерить количество света, излучаемого удаленным объектом);
— угловой радиус объекта.
Эти параметры очень важны, поскольку если известна скорость света (один из немногих параметров, который нам известен), а также яркость и размеры наблюдаемого объекта (эти параметры нам тоже известны), то можно определить расстояние до самого объекта.
На деле приходится довольствоваться лишь приблизительными характеристиками яркости объекта и его размерами. Если астроном наблюдает в какой-нибудь далекой галактике вспышку сверхновой, то для измерения ее яркости используются соответствующие параметры других сверхновых, расположенных по соседству; мы предполагаем, что условия, в которых эти сверхновые вспыхнули, сходны, а между наблюдателем и космическим объектом нет никаких помех. Астрономы выделяют следующие три вида факторов, обуславливающих наблюдение за звездой: звездная эволюция (различие объектов в зависимости от их возраста и удаленности), экзогенный фактор (если реальные координаты наблюдаемых объектов значительно отличаются от гипотетических) и фактор помех (если, например, на прохождение света оказывают влияние помехи, вроде пыли) — и это все помимо прочих, нам не известных факторов.
Измерив яркость (или размеры) наблюдаемого объекта, с помощью соотношения «яркость/ расстояние» можно определить удаленность объекта от наблюдателя. Более того, по характеристике красного смещения объекта можно определить масштабы расширения вселенной за то время, в течение которого свет от объекта достигает Земли. Используя соотношение между материей-энергией и пространством-временем, о которых говорит общая теория относительности Эйнштейна, можно рассматривать всевозможные комбинации различных форм материи и энергии, имеющиеся на данный момент во вселенной.
Но это еще не все!
Если известно, из каких частей состоит вселенная, то с помощью экстраполяции можно определить ее размеры, а также узнать о том, что происходило на любом из этапов эволюции вселенной, и о том, какова была на тот момент плотность энергии. Как известно, вселенная состоит из следующих составных частей:
— 0,01% — излучение (фотоны);
— 0,1% — нейтрино (более тяжелые, чем фотоны, однако в миллион раз легче электронов);
— 4,9% — обычная материя, включая планеты, звезды, галактики, газ, пыль, плазму и черные дыры;
— 27% — темная материя, т.е. такой ее вид, который участвует в гравитационном взаимодействии, но отличается от всех частиц Стандартной модели;
— 68% — темная энергия, обуславливающая расширение вселенной.
Как видим, темная энергия — штука важная, ее открыли совсем недавно. Первые девять миллиардов лет своей истории вселенная состояла в основном из материи (в виде комбинации материи обычной и материи темной). Однако на протяжении первых нескольких тысячелетий излучение (в виде фотонов и нейтрино) представляло собой еще более важный строительный материал, чем материя!
Обратите внимание, что каждая из этих составных частей вселенной (т.е. излучение, материя и темная энергия) по-разному влияют на скорость ее расширения. Даже если мы знаем, что протяженность вселенной составляет 46,1 миллиардов световых лет, мы должны знать точную комбинацию составляющих ее элементов на каждом этапе ее эволюции для того, чтобы рассчитать размеры вселенной в любой момент времени в прошлом.
Далее мы приводим некоторые интересные факты, описывающие вселенную в различные моменты ее эволюции:
— когда вселенной исполнилось примерно три года, диаметр Млечного Пути составлял сто тысяч световых лет;
— когда вселенной исполнился один год, она была намного более горячей и плотной, чем сейчас; средняя температура превышала два миллиона градусов по Кельвину;
— через одну секунду после своего рождения, вселенная была слишком горячей, чтобы в ней могли сформироваться стабильные ядра; в тот момент протоны и нейтроны плавали в море горячей плазмы. Кроме того, в то время радиус вселенной (если в качестве центра круга взять Солнце) был таким, что в описанный круг могли бы поместиться всего лишь семь из всех ныне существующих ближайших к нам звездных систем, самой отдаленной из которых стала бы Ross 154 (Ross 154 — звезда в созвездии Стрельца, расстояние 9,69 световых лет от Солнца — прим. пер.);
— когда возраст вселенной составлял всего одну триллионную секунды, ее радиус не превышал расстояния от Земли до Солнца; в ту эпоху скорость расширения вселенной была в 1029 раз больше, чем сейчас.
При желании можно посмотреть, что происходило на заключительном этапе инфляции, т.е. непосредственно перед Большим взрывом. Для описания состояния вселенной на самой ранней стадии ее рождения можно было бы использовать гипотезу о сингулярности, но благодаря гипотезе об инфляции нужда в сингулярности полностью отпадает. Вместо сингулярности мы говорим об очень быстром расширении вселенной (т.е. об инфляции), происходившем в течение некоторого времени, прежде чем возникло горячее и плотное расширение, которое положило начало нынешней вселенной. Теперь перейдем к заключительному этапу инфляции вселенной (временной интервал между 10 в минус 30 — 10 в минус 35 секундами). Давайте посмотрим, каковы были размеры вселенной в тот момент, когда инфляция прекратилась и произошел большой взрыв.
Здесь мы говорим о наблюдаемой части вселенной. Истинный ее размер, безусловно, намного больше, но мы не знаем, насколько. При самом наилучшем приближении (если судить по данным, содержащимся в Слоановском цифровом небесном обзоре (SDSS), и информации, полученной с борта космической обсерватории Планка), если вселенная искривляется и сворачивается, то ее наблюдаемая часть настолько неотличима от «неискривленной», что весь ее радиус должен быть, по крайней мере, в 250 раз больше радиуса наблюдаемой части.
По правде говоря, протяженность вселенной может оказаться даже бесконечной, поскольку то, как она вела себя на раннем этапе инфляции, нам неизвестно за исключением последних долей секунды. Но если говорить о том, что происходило во время инфляции в наблюдаемой части вселенной в самый последний момент (в промежутке между 10 в минус 30 и 10 в минус 35 секундой) перед Большим взрывом, то здесь размер вселенной нам известен: он варьируется между 17 сантиметрами (на 10 в минус 35 секунде) и 168 метрами (на 10 в минус 30 секунде).
Что такое семнадцать сантиметров? Это почти диаметр футбольного мяча. Так что, если вы хотите знать, какой из указанных размеров вселенной ближе всего к реальному, то придерживайтесь этой цифры. А если предположить размеры меньше сантиметра? Этого слишком мало; однако, если учесть ограничения, налагаемые космическим микроволновым излучением, то получится, что расширение вселенной не могло закончиться при столь высоком уровне энергий, а значит и упомянутый выше размер вселенной в самом начале «Большого взрыва» (т.е. размер, не превышающий сантиметр) исключен. Если размеры вселенной превышали нынешние, то в этом случае имеет смысл говорить о существовании ненаблюдаемой ее части (что, наверное, правильно), но у нас нет никаких способов эту часть измерить.
Итак, каковы же были размеры вселенной в момент ее зарождения? Если верить наиболее авторитетным математическим моделям, описывающим стадию инфляции, то получится, что размеры вселенной на момент возникновения будут колебаться где-то в пределах между размером человеческой головы и городским кварталом, застроенным небоскребами. А там, глядишь, пройдет всего каких-нибудь 13,8 миллиарда лет — и появилась та вселенная, в которой мы живем.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.
Источник