Как давно расширяется Вселенная?
Возможно, крупнейшее открытие о Вселенной мы сделали в конце прошлого века, обнаружив одну из самых странных космических истин: далекие галактики не просто улетают от нас, пока время движется вперед, но и улетают все быстрее и быстрее. Открытие ускоряющегося расширения Вселенной в рамках Supernova Cosmology Project при помощи команды High-z Supernova Search Team принесло ученым Нобелевскую премию по физике. Пока это одно из самых странных и необычных явлений во Вселенной.
Дело в том, что Вселенная не всегда ускорялась, улетая от нас прочь. В течение миллиардов лет расширение замедлялось, и кому-то, живущему десять миллиардов лет назад, могло показаться, что она стягивается. Что же произошло?
В 1920-х годах было представлено четыре элемента доказательства — три наблюдаемых и один теоретический — того, что Вселенная расширялась. Вот они:
- Открыли то, что спиральные туманности ночного неба были настоящими галактиками, или «островными Вселенными», содержащими миллиарды звезд и расположенными далеко за пределами Млечного Пути.
- Измерение красных и синих смещений этих галактик Весто Слифером показало, как быстро эти галактики либо удаляются от нас (по красному смещению), либо приближаются к нам (по синему смещению), и подавляющее большинство следовало первому сценарию.
- Измерения дистанций до каждой из этих галактик были проведеы Эдвином Хабблом и его ассистентом Милтоном Хьюмасоном. В сочетании с наблюдениями Слифера, они выявили четкое соотношение: чем дальше была галактика, тем быстрее, казалось, она от нас удаляется.
- Наконец, мощный теоретический скачок, произведенный благодаря эйнштейновской общей теории относительности: осознание того, что Вселенная, которая наполнена галактиками примерно одинаковой плотности во всех направлениях, должна быть нестабильной, если только не будет расширяться или сжиматься.
Это привело к картине Вселенной 1929 года: она была горячее, плотнее и расширялась быстрее в прошлом, а после становилась холоднее, менее плотной и медленнее расширялась с течением времени.
- Большое Сжатие. Возможно, изначально темп расширения был весьма высоким, но сила гравитации оказалась сильнее. Расширение должно замедлиться и прекратиться. Вселенная должна достичь максимального размера и начать сжиматься. И, наконец, она должна коллапсировать заново, вернувшись в состояние, предшествующее Большому Взрыву.
- Большое Замерзание. Это сценарий, противоположный предыдущему: в котором расширение начинается быстро, а гравитация его замедляет, но недостаточно. Расширение длится вечно, гравитация его все время замедляет, но не может остановить. Этот сценарий известен как тепловая смерть Вселенной: Большое Замерзание.
- Критическая Вселенная. Существует также возможность того, что вы окажетесь посередине, когда скорость расширения и гравитация уравновесят друг друга, и скорость расширения будет замедляться с течением времени. Одной частицей меньше, одной частицей больше во Вселенной — и вы получите первый или второй сценарий. Но этой частицы не существует. Сценарий «критической Вселенной» приведет к самой медленной из возможных тепловой смерти.
Миллиарды лет казалось, что критический вариант победит. Видите ли, когда вы живете во Вселенной и смотрите на различные галактики, вы не только можете измерить современный темп расширения, но и, глядя на самые далекие галактики, измерить также, каким был темп расширения в начале истории Вселенной.
На этом снимке показаны уже недостижимые для нас галактики
Миллиарды лет — около семи миллиардов, если быть точным, — казалось, что мы живем в критической Вселенной. Расширение началось в эпоху излучения (фотонов и нейтрино), а затем все остыло достаточно, чтобы началась эпоха материи (как обычной, так и темной). По мере того, как Вселенная продолжала расширяться, плотность материи падала и падала, поскольку объем материи увеличивался, а масса оставалась прежней.
Но в какой-то момент плотность вещества упала до такого низкого значения, что проявился другой, более тонкий вкладчик в плотность энергии Вселенной: темная энергия. Примерно за семь миллиардов лет величина темной материи достигла нескольких процентов от общей плотности энергии, и к моменту, когда Вселенной исполнилось 7,8 миллиарда лет, плотность темной энергии достигла важной величины: 33% от всей плотности энергии во Вселенной. Это важно, поскольку такое количество темной энергии необходимо, чтобы темп расширения начал расти.
С тех пор, около 6 миллиардов лет назад, плотность материи начала снижаться, а темная энергия оставалась постоянной. В настоящее время темная материя составляет около 68% общей энергии Вселенной, а материя упала до 32% в общем (27% темная материя и 5% обычная материя). С течением времени, в будущем, плотность материи будет продолжать падать, тогда как плотность темной энергии будет оставаться постоянной, темная энергия будет все более и более преобладающей.
Плотность энергии во Вселенной в разное время в ее прошлом
Для отдельных галактик это будет значить, что галактика, которая начала удаляться от нас в момент Большого Взрыва быстрее других, продемонстрирует очевидный спад скорости (с нашей точки зрения) в первые 7,8 миллиарда лет. Затем скорость замедления перестанет падать и некоторое время будет оставаться неизменной. Потом начнет расти, и галактика начнет удаляться от нас еще быстрее, чем прежде, поскольку пространство между нами и далекими галактиками расширяется с огромной скоростью. В определенный момент — и это пугает, поскольку применимо к 97% галактик в нашей видимой Вселенной — каждая галактика за пределами нашей местной группы будет удаляться на скорости, превышающей скорость света, став, таким образом, недосягаемой для нас вследствие физических ограничений.
Желтым обведен нынешний размер видимой Вселенной: 46 миллиардов световых лет; розовым обведен достижимый для нас размер: 14,5 миллиарда световых лет
Насколько мы можем судить, Вселенная всегда имела количество темной энергии, которое имеет сейчас, присущее самому космосу. Но потребовалось 7,8 миллиарда лет, или вся история Вселенной за полтора миллиарда лет до того, как образовалась наша Солнечной система, чтобы плотность материи упала до такого уровня, что темная энергия возымела власть над расширением Вселенной. С тех пор все галактики за пределами нашей местной группы удаляются от нас и будут удаляться, пока не исчезнет последняя. Вселенная расширяется в течение последних шести миллиардов лет, и, если бы мы появились раньше, мы могли бы и не выйти за пределы этих трех вариантов, предложенных нашей интуицией. В лучшем случае мы могли бы лишь предполагать, какой в точности является Вселенная. И это было бы нашей самой большой наградой.
Источник
Как люди узнали сколько Вселенной лет? Рассказываю за пару минут.
Прошли тысячи лет, прежде чем люди научились оценивать возраст Вселенной на основе научных исследований.
Измерение расстояния до различных галактик и скорости, с которой они удаляются друг от друга по мере расширения Вселенной, является одним из способов оценки возраста космоса.
Набрав сегодня в поисковой строке интернета вопрос: «Сколько лет Вселенной?». Мы за миллисекунды узнаем ответ, который долго искали многие мыслители человечества: Вселенной почти 14 миллиардов лет, а если быть точными — 13,8 миллиарда лет. Большинство учёных, исследующих космос, с этой цифрой согласны.
В конце декабря 2020 года исследователями, работающими на космологическом телескопе Атакама (ACT) в Чили , была опубликована уточнённая оценка возраста Вселенной — 13,77 миллиарда лет, плюс или минус несколько десятков миллионов лет. Эта оценка возраста совпадает с аналогичными данными наблюдений европейского спутника миссии Planck в период с 2009 по 2013 год.
Точные наблюдения ACT и Planck появились спустя более чем тысячелетия наблюдений людей за небом и размышлений о том, откуда всё могло появиться.
Каким же образом люди, с продолжительностью жизни менее века, получили представление о событиях, которые происходили до того, как их планета существовала?
Давайте проследим, как человечество пришло к пониманию возраста Вселенной.
Античность: Начало осмысления
В каждой культуре есть миф о сотворении мира. Вавилоняне, например, верили, что небо и Земля высечены из тела убитого Бога. Но лишь немногие системы верований указывают, когда началось существование (исключение составляет индуизм, который учит, что Вселенная меняется каждые 4,3 миллиарда лет, что не так уж далеко от фактического возраста Земли).
Главенствующая идея , застопорившая на западе развитие мысли о понимании вселенной, исходила от греческих философов и была в какой-то мере научным шагом назад.
В четвертом и третьем веках до нашей эры Платон, Аристотель и другие философы исходили из того, что планеты и звезды заключены в вечно вращающиеся небесные сферы.
В течение следующего тысячелетия или около того мало кто ожидал, что Вселенная вообще будет иметь возраст.
1600 — 1900 г.г.: Конец бесконечности
В 1610 году астроном Иоганнес Кеплер понял, что одна из главных не стыковок в популярной греческой космологии все это время была перед глазами звездочётов. Наблюдая за ночным небом, он задумался: если вечная Вселенная содержит бесконечное количество звезд, как многие привыкли считать, почему все эти звезды не наполняют вселенную ослепительным светом? Темное ночное небо, рассуждал он, наводит на мысль о конечном космосе, где звезды в конце концов исчезают.
Столкновение между ночным небом и бесконечной Вселенной стало известно как парадокс Ольбера, названный в честь Генриха Ольбера, астронома, который популяризировал его в 1826 году.
Ранняя версия современного решения бесконечной Вселенной пришла, прежде всего, от писателя Эдгара Аллана По.
Мы переживаем ночь — размышлял он в своей прозаической поэме «Эврика» в 1848 году, потому что Вселенная не вечна, она имеет начало, и с тех пор как она появилась, прошло слишком мало времени, чтобы звезды полностью осветили небо.
1900-е годы: Появляются современные и ранние вселенные
На разгадку парадокса Ольбера ушло некоторое время. Когда в 1917 году теория гравитации Эйнштейна подсказала ему, что Вселенная, вероятно, росла или сжималась с течением времени, он добавил в свои уравнения фактор выдумки — космологическую постоянную, чтобы Вселенная оставалась неподвижной (позволяя ей существовать вечно).
Тем временем, более крупные телескопы дали астрономам более чёткое представление о других галактиках. Но, в свою очередь, эти наблюдения вызвали ожесточенные споры о том, смотрят ли астрономы на далекие “островные вселенные” или на близлежащие звёздные скопления внутри Млечного Пути.
Острый взгляд Эдвина Хаббла разрешил этот спор в конце 1920-х годов. Он впервые измерил межгалактические расстояния и обнаружил, что галактики не только огромны и далеки друг от друга, но и удаляются друг от друга.
Вселенная расширялась, и Хаббл установил скорость ее расширения в 500 километров в секунду на мегапарсек, константу, которая теперь носит его имя. С пониманием расширения Вселенной астрономы получили мощный новый инструмент, чтобы оглянуться назад во времени и оценить, когда космос начал расти. Работа Хаббла в 1929 году показала, что Вселенная расширяется таким образом, что ей должно быть примерно 2 миллиарда лет.
«Скорость расширения говорит, как быстро можно перемотать историю Вселенной назад» — говорит Дэниел Скольник, космолог из Университета Дьюка.
Но измерение расстояний до далеких галактик — не всегда даёт точный результат. Более точный метод появился в 1965 году, когда исследователи обнаружили слабое потрескивание микроволн, идущих со всех сторон в космосе. Космологи уже предсказывали, что такой сигнал должен существовать, поскольку свет, испущенный всего через сотни тысяч лет после рождения Вселенной, был бы растянут расширением пространства на более длинные микроволны.
Измеряя характеристики этого космического микроволнового фона (CMB), астрономы могли бы сделать своего рода снимок молодой Вселенной, рассчитав ее ранние размеры и содержание. CMB послужил неопровержимым доказательством того, что космос имел начало.
” Самое важное, что было достигнуто в результате окончательного открытия [CMB] в 1965 году, — это заставить нас всех серьёзно отнестись к идее о существовании ранней Вселенной», — писал лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг в своей книге 1977 года «первые три минуты».
Источник
Как и куда расширяется вселенная?
Я думаю многие слышали о том, что Вселенная расширяется. У моих читателей возникает множество вопросов связанных с этим. В этой статье я постарался ответить на наиболее типичные из них.
Как работает расширение вселенной?
Когда мы смотрим на отдаленные объекты, мы можем заметить, что они отдаляются от нас, при этом чем дальше от нас находится объект, тем быстрее он отдаляется. К примеру объекты находящиеся от нас на расстоянии 13.8 миллиардов световых лет ( сфера Хаббла ) отдаляются от нас со скоростью света, а объекты находящиеся еще дальше – отдаляются быстрее скорости света!
Казалось бы происходит нарушение теории относительности, которая запрещает сверхсветовое движение, но на самом деле это не так. Так отдаленные галактики отдаляются от нас не за счет собственного движения, а за счет того, что между нами и ними пространство расширяется настолько быстро, что для расстояние увеличивается быстрее скорости света.
Почему отдаленные галактики удаляются быстрее?
Потому, что пространство расширяется везде и повсеместно равномерно во всех точках. К примеру если во вселенной каждый метр пространства увеличится на 1 сантиметр за 1 секунду, то тогда объекты расположенные на расстоянии 1 километр друг от друга отдалятся за 1 секунду друг от друга на 10 метров. А на расстоянии 100 километров — на 1000 метров. А на расстоянии 1000 километров — на 10 000 метров и так далее — чем больше расстояние между объектами, тем больше пространства между ними возникает за единицу времени.
Почему все галактики удаляется от нас? Значит ли это, что мы находимся в центре расширения? В центре вселенной? Нет, не значит. Так как пространство расширяется повсеместно и равномерно то какую бы галактику вы не выбрали, как точку обзора, из нее все будет выглядеть так, как будто это она находится в центре расширения, но по сути никакого центра расширения просто нет.
На расстоянии примерно 46.5 миллиардов световых лет находится граница наблюдаемой вселенной. Все что находится за ней мы никогда не сможем увидеть. Просто потому, что фотоны испущенные объектами находящимися за границей наблюдаемой вселенной никогда не достигнут нас — пространство между ними и нами будет возникать быстрее, чем фотоны будут успевать преодолевать его. Это расстояние еще называют горизонтом частиц .
Куда расширяется вселенная?
Теперь возникает следующий вопрос – куда же расширяется вселенная? Ответ на него донельзя прозаичен – никуда. Все дело в том, что вселенная бесконечна и не имеет границ. Более того вселенная всегда была бесконечна, даже в момент Большого Взрыва. Когда физик или астроном говорит, что в момент большого взрыва вселенная была сжата до микроскопического размера речь идет о размерах наблюдаемой вселенной, а не всей вселенной.
Источник