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
Откуда мы знаем, что Вселенная расширяется?
Сама идея о том, что Вселенная расширяется — довольно новая. Хотя если поразмыслить логически люди могли додуматься до нее уже в 17-18 веках — сразу после открытия закона Всемирного тяготения. Ведь действительно — если все тела притягиваются друг к другу с силой прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояний между ними, то с течением времени вся материя во вселенной сбилась бы в одну «кучу». Однако ничего похожего мы не наблюдаем. Это возможно в двух случаях а) закон Всемирного тяготения неверен б) расстояние между массами увеличивается быстрее, чем сила тяготения успевает его уменьшить.
Однако до первой половины 20-го века никто до этого не додумался. Даже великий Эйнштейн не представлял себе возможности расширяющейся вселенной, хотя она и напрямую следовала из его теории относительности. Первым понял, что вселенная расширяется великий американский астроном Эдвин Хаббл.
Открытие других галактик
До Хаббла считалось, что вся вселенная — это галактика Млечный Путь. Все началось с того, что Хабблу удалось измерить расстояния до далеких звезд в туманности Андромеды и оказалось, что они находятся слишком далеко, чтобы быть частью Млечного Пути.
Многие не хотели принимать его всерьез, ведь он был очень молод и не имел авторитета, но его аргументы были неоспоримы, а математические выкладки точны, и научное сообщество приняло эти результаты, совершившие впоследствии переворот в космологии. В следующие годы Хаббл открыл несколько десятков галактик за пределами Млечного Пути.
Красное и синее смещение
Общеизвестно, что свет обладает свойствами как электромагнитных колебаний, так и потока частиц. Видимый нами свет зависит от длины волны световых электромагнитных колебаний. По одну сторону спектра находятся «красные» волны — длинноволновые колебания, а по другую — «сине-фиолетовые» волны — коротковолновые.
Источник
Спросите Итана: откуда нам известно, что расширяется именно пространство?
Существует большой набор научных доказательств, поддерживающих картину расширения Вселенной и Большой взрыв. А вот вопрос конечности или бесконечности Вселенной пока не решён
Если вы посмотрите на любые окружающие вас объекты Вселенной, и увидите, что все они будут двигаться в сторону от вас, что вы решите? Может, что у вас есть отталкивающая сила? Или что ткань пространства расширяется? Что вы находитесь в центре произошедшего когда-то взрыва и всё разлетается в стороны от его центра? Все эти и некоторые другие варианты могут казаться разумными, но учёные почему-то всё время говорят о «расширяющейся Вселенной», будто бы другие альтернативы не годятся. Почему? Наш читатель спрашивает об этом:
Откуда нам известно, что расширяется пространство? По отношению к чему? Красное смещение разлетающихся галактик могло бы быть и в бесконечном пространстве, а не обязательно в расширяющемся.
Ответ на этот вопрос вытекает непосредственно из наблюдений за Вселенной.
Пространство-время вблизи нашего местоположения искривлено из-за гравитационного воздействия Солнца и других масс
Один из самых невероятных фактов, связанных с Эйнштейновской Общей теорией относительности – лидирующей теорией гравитации – заключается в том, что она связывает пространство-время и материю с энергией. Материя и энергия сообщают пространству-времени, как нужно искривиться; пространство-время говорит материи, как двигаться. Если мы узнаем, как распределена вся материя и энергия во Вселенной в какой-то момент времени, и узнаем, как они движутся, мы сможем воссоздать кривизну пространства-времени и его эволюцию в течение жизни Вселенной.
Двумерный срез регионов повышенной (красный) и пониженной (синий/чёрный) плотности в нашем участке Вселенной. Линии и стрелочки показывают направление пекулярных скоростей, но всё это также вписывается в ткань расширяющегося пространства
Наблюдая за галактиками Вселенной, мы видим, что на самые близкие к нам галактики больше всего влияет гравитационная динамика других соседних галактик. Млечный путь и Андромеда направляются навстречу друг другу, другие галактики местной группы в итоге также сольются с нами. Остальные галактики притягиваются в другим близлежащим массам – крупным галактикам, галактическим группам и скоплениям. В любом относительно небольшом участке пространства, размером от нескольких миллионов до десятков миллионов световых лет, массы этого пространства определяют, как именно будут двигаться галактики.
Ультрадальний снимок Вселенной показывает, как галактики движутся в направлении от нас с экстремально большими скоростями. На таких расстояниях галактик больше, они выглядят меньше по размеру и менее развитыми, и удаляются от нас с большим красным смещением по сравнению с соседними с нами
На крупных масштабах всё происходит не так. Мелкомасштабные движения, известные, как пекулярные скорости, могут достигать нескольких тысяч километров в секунду. Но они накладываются на более сильный эффект, который можно увидеть только на более крупных масштабах: чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас отдаляется.
Красное смещение вызывается не просто удалением галактик от нас, а тем, что пространство между нами и галактиками смещает свет в красную часть спектра, пока он перемещается к нам от отдалённой точки пространства.
Это эмпирическое наблюдение известно, как закон Хаббла, и постулирует, что наблюдаемая скорость убегания от нас галактики пропорциональна расстоянию от неё до нас. Константа пропорциональности известна как постоянная Хаббла, и её довольно точно измерили, получив значение порядка 70 (км/с)/Мпк [66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк – данные 2016 года / прим. перев.] с погрешностью в 3-4 (км/с)/Мпк – зависит от того, как измерять.
Зависимость красного смещения от расстояния до далёких галактик. У не попадающих на линию точек разница в скорости объясняется пекулярными скоростями, но они отвечают лишь за небольшое отклонение от общего расширения. Первичные данные, изучавшиеся Эдвином Хабблом, и впервые использовавшиеся для демонстрации расширения Вселенной, уместились в красный прямоугольник слева внизу.
Но отчего так происходит? Почему всё убегает друг от друга, если не имеет гравитационной связи? Вернёмся к основам ОТО, к тому самому откровению, которое испытал Эйнштейн перед публикацией своей наиболее мощной идеи.
Выдвинув свою ОТО, Эйнштейн быстро понял, что у неё имеется последствие, которое ему не нравится: Вселенная, повсеместно наполненная материей, была бы нестабильна и подвержена гравитационному коллапсу. Эйнштейн решил этот поправить, введя невидимую расталкивающую силу, предотвращавшую коллапс, космологическую константу. Другие поняли, что, если не учитывать эту константу, можно получить Вселенную, не статичную во времени – в ней сама ткань пространства будет расширяться или сжиматься.
Аналогия расширения Вселенной на примере шарика с монетками. Отдельные структуры (монетки) не расширяются, но расстояния между ними увеличиваются.
Исправление Эйнштейна не работала. Космологическая константа приводила к нестабильной Вселенной: участки с повышенной плотностью должны были схлопнуться, а с пониженной – разбежаться. Во Вселенной, работающей по законам ОТО, не могло быть статичного пространства-времени, пока она заполнена материей. Наша Вселенная выглядит для нас гомогенной и изотропной. Важность двух этих свойств заключается в следующем:
- Гомогенность означает, что Вселенная повсюду одинаковая.
- Изотропность означает, что Вселенная одинакова по всем направлениям.
В комплексе они говорят о том, что Вселенной присуще равномерное распределение материи и энергии, во всех местах и направлениях. А раз так, и удалённые галактики убегают от нас тем быстрее, чем дальше находятся, у нас остаётся очень мало вариантов объяснения происходящего.
Вселенная, подчиняющаяся законам относительности, и изотропно и гомогенно заполненная материей и излучением, не может быть статичной. Она должна расширяться или сжиматься, в зависимости от содержимого и его количества.
Эта ситуация могла развиться благодаря разным факторам, среди которых:
- «Усталость» света, идущего от удалённых галактик, и потеря им энергии во время движения через пространство.
- Быстрое движение, в результате которого самые быстрые из движущихся галактик оказались со временем самыми отдалёнными.
- Первоначальный взрыв, расталкивающий галактики дальше от нас.
- Расширение пространства-времени.
Но лишь последний вариант подтверждается полным набором данных, поддерживающих как ОТО, так и астрофизическое распределение и свойства всех наблюдаемых галактик.
Разница между объяснением красного смещения только через движение галактик (пунктир) и предсказаниями ОТО (сплошная) для расстояний в расширяющейся Вселенной. С нашими наблюдениями однозначно совпадают лишь предсказания ОТО.
Довольно быстро стало понятно – ещё в 1930-х – что тут двух вариантов быть не может: Вселенная в самом деле расширяется. Это помог подтвердить тот факт, что красное смещение объекта очень хорошо совпадало с расчётным, полученным через расстояние, и с наблюдаемой скоростью расширения, вне зависимости от расстояния до объекта.
Но тому есть ещё больше доказательств. Если бы Вселенная расширялась, можно было бы ожидать наблюдения ещё нескольких явлений. Мы бы увидели, что чем дальше заглядываем в удалённое прошлое, тем плотнее становится материя Вселенной. Мы бы увидели, что скопления галактик оказываются плотнее, чем сегодня. Мы бы увидели, что спектр света от объектов со свойствами абсолютно чёрного тела таким бы и оставался, и не испытывал сдвига в энергии. А ещё мы бы увидели, что температура реликтового излучения раньше была выше, чем сегодняшние 2,7 К.
Исследование от 2011 года (красные точки) даёт наилучшие на сегодня доказательства того, что температура реликтового излучения в прошлом была выше. Спектральные и температурные свойства пришедшего издалека света подтверждают тот факт, что мы живём в расширяющемся пространстве.
Все эти свидетельства совместно учат нас тому, что Вселенная расширяется, и именно в этом причина красного смещения. Это не движение, не уставший свет, не результат взрыва. Само пространство расширяется, и та часть Вселенной, что мы можем видеть и изучать, со временем становится всё больше и больше. И хотя прошло всего 13,8 млрд лет с момента Большого взрыва, самые удалённые объекты, от которых до нас дошёл свет, сейчас удалены от нас уже на 46 млрд световых лет.
Наблюдаемая часть Вселенной простирается на 46 млрд световых лет во всех направлениях с нашей точки зрения, но за этими пределами определённо существует гораздо больше пространства, точно такое же, как наше,- возможно, даже бесконечное количество.
А что находится за этими пределами? Мы почти уверены, что там есть ещё больше «Вселенной», но свету оттуда просто не хватило времени, чтобы дойти до нас. Ненаблюдаемая Вселенная, расположенная за пределами наблюдаемой, может быть конечной или бесконечной; нам это просто неизвестно. Но даже если она уже бесконечная, она всё равно может расширяться! С расширением Вселенной мы просто умножаем её размер на множитель роста, поэтому если она изначально была конечной, она останется конечной (просто больше по размеру), а если она была бесконечной, она останется бесконечной. Мы уверены, что Вселенная меняется, расширяется и растягивается – и все эти эффекты непротиворечивы и неоспоримы. Но что находится за пределами наблюдаемой Вселенной? Мы работаем над тем, чтобы это выяснить. Как обычно, в науке есть ещё много того, что нужно сделать!
Источник