Место во Вселенной, где нет ничего
Сверхновые звезды и черные дыры хоть и удивляют ученых, но постепенно изучаются и фиксируются. Гораздо больше ученых заботят странные места Вселенной, которые сложно объяснить известными нам законами физики и природы.
Пустота Волопаса – одно из таких мест. Пустотой она считается не случайно – в ней нет совершенно ничего.
Роберт Киршнер обнаружил удивительное огромную пустоту в космосе в далеком 1981 году.
Астрономы долгое время не могли поверить собственным глазам, ведь на колоссальной площади в 300 миллионов световых лет не нашлось ни одной галактики или звезды. На невообразимые расстояния простирается сплошная чернота. Ученые начали считать плотность галактик и пришли к выводу, что на месте пустоты их должно быть около 10 тысяч. У нашей галактики, Млечный Путь, на расстоянии в 3 миллиона лет уже есть 24 соседних галактики — примерно такая же плотность наблюдается и в остальном космосе. За исключением Пустоты Волопаса.
Технически такого места в космосе быть просто не может. Складывается ощущение, что кто-то взял и вырезал целый галактический кластер. Ученым только предстоит узнать, куда пропали галактики. Все существующие на данный момент теории слишком фантастичны.
Словно мыльные пузыри
Естественно, ученым не терпится узнать, как могла образоваться такая аномальная область пространства. Компьютерные модели предполагают, что пустоты меньшего размера — встречающиеся гораздо чаще — сформировались после сближения галактик, в результате гравитационного взаимодействия. Из-за этого соседние регионы опустели, а так как этот процесс усиливается, области становятся больше.
Однако это никак не объясняет существование войда Волопаса. С рождения Вселенной прошло недостаточно времени для того, чтобы гравитационные силы «очистили» пространство такого масштаба.
Попытки найти объяснение привели к разработке новой теории, предполагающей, что сверхпустоты образуются в результате слияния более мелких пустот. Олдринг как-то заметил, что галактики, находящиеся в пустотах, принимают любопытные формы трубчатой структуры, и это, похоже, важная зацепка. Кроме того, он предположил, что войд Волопаса образовался после слияния меньших пустот — подобно тому, как мыльные пузыри сливаются в один большой пузырь. Что касается «трубчатых» галактик, то, скорее всего, это остатки границ между меньшими пустотами.
Также можно предположить еще более радикальный вариант развития событий, который едва ли рассматривался в научной литературе. Так, войд Волопаса мог образоваться в результате расширения цивилизации третьего типа по шкале Кардашева. В процессе колонизации «пузырь» цивилизации расширяется в направлении от родной системы цивилизации, которая затеняет каждую звезду (а затем и каждую галактику) на своем пути, закрывая ее сферой Дайсона. Это могло бы объяснить и достаточно ровную сферическую форму пустоты. Учитывая то, что войд Волопаса находится примерно в 700 миллионах световых лет от Земли, а разумная жизнь во Вселенной могла возникнуть около четырех миллиардов лет назад, у такой древней цивилизации было предостаточно времени для осуществления этой удивительной космологической инженерии. Да, это чистого рода спекуляция, но, учитывая странность самого феномена, можно рассматривать и такую гипотезу.
Страшное и пустое место
Природа пустоты предоставляет пищу для размышлений. Безусловно, посетители этой области были бы, мягко говоря, ошеломлены такой изоляцией, учитывая экстремальные расстояния между галактиками, и видом далекого космоса, который бы выглядел «чернее черного».
Более того, войд Волопаса, вероятно, самый «идеальный» вакуум в космосе, на эффекты которого также стоит обратить внимание. В нем редко встречались бы не только камни и пыль, но и разного рода частицы. Для взаимодействия частиц в этой огромной пустоте могут уйти эпохи, если это там вообще возможно.
Карта галактических пустот в наблюдаемой Вселенной / © Andrew Z. Colvin
Чрезвычайно низкая плотность вещества в этой области космоса означает, что при попадании в него какой-то «структуры» — нейтрино, например — с одной стороны, она будет выглядеть абсолютно так же на выходе сотни миллионов лет спустя. То же касается и фотонов. Частицы вещества с гораздо большей массой, чем нейтрино и фотоны, будут естественным образом притягиваться к краям пустоты. Из-за этого свойства сохранения состояния войд Волопаса однажды можно рассматривать как идеальную капсулу времени.
Как бы то ни было, открытие сверхпустоты сильно повлияло на традиционное космологическое мышление. С тех пор астрономы неоднократно пересматривали свое понимание формирования галактик, учитывая то, что известно о крайне неравномерном распределении вещества во Вселенной.
В конце концов, войд Волопаса — еще одно скромное напоминание о безграничности космоса. Вселенная, которую мы видим, невообразимо огромна для нашего понимания, а наше место в ней удивительно мало и незначительно — микроскопическая вспышка в исполинском пространстве. Но насколько бы одинокими мы ни казались сами себе на нашей маленькой голубой точке, во всяком случае, у нас есть возможность созерцать звездный пейзаж, когда мы обращаем взгляд на небеса.
Источник
«Всё из ничего: как возникла Вселенная»
Откуда взялась Вселенная? Что было до нее? Чего ждать в будущем? Физик Лоуренс Краусс предпринимает попытку доступно ответить на эти вопрос в новой книге — «Всё из ничего: Как возникла Вселенная» (Альпина нон-фикшн). N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с отрывком из этой книги, в котором автор объясняет, почему в далеком будущем нашу галактику окружит пустое и неизменное пространство, а ученые не найдут никаких следов расширения Вселенной.
Наше печальное будущее
В каком-то смысле обнаружить, что живешь во Вселенной, где всем правит ничто, интересно и восхитительно. Структуры, которые мы видим, вроде звезд и галактик, возникли из ничего в результате квантовых флуктуаций. В среднем полная ньютоновская гравитационная энергия каждого объекта во Вселенной равна — ничему. Наслаждайтесь этой мыслью, пока есть возможность, поскольку, если все это правда, мы живем чуть ли не в самой худшей из вселенных, по крайней мере с точки зрения будущего всех живых организмов.
Вспомним, что всего 100 лет назад Эйнштейн разработал ОТО. Тогда все считали, что наша Вселенная неизменна и вечна. Более того, Эйнштейн не просто высмеял Леметра за предположение о Большом взрыве, но даже выдумал космологическую постоянную, лишь бы сохранить стационарную модель Вселенной.
Сейчас, по прошествии века, мы, ученые, можем гордиться, что открыли столько фундаментального — и расширение Вселенной, и реликтовое излучение, и темное вещество, и темную энергию.
Но что таит в себе будущее?
А будущее наше очень поэтично. Если можно так выразиться.
Вспомним: вывод о том, что в расширении нашей Вселенной доминирует энергия пустого на первый взгляд пространства, делается на основании того факта, что расширение происходит с ускорением. И, как и ранее обстояло с инфляцией и как описано в предыдущей главе, наша наблюдаемая Вселенная стоит на пороге расширения со скоростью больше скорости света. А со временем из-за расширения с ускорением все станет только хуже.
Это означает, что чем дольше мы будем ждать, тем меньше сможем видеть. Галактики, которые мы видим сейчас, в один прекрасный день начнут удалятся от нас со сверхсветовой скоростью, а это значит, что они станут для нас невидимыми: свет, который они испускают, не сможет преодолеть расширяющееся пространство и никогда до нас не долетит. Эти галактики исчезнут с нашего горизонта.
Произойдет это не совсем так, как вы, возможно, себе представляете. Галактики не то чтобы вдруг погаснут и вмиг исчезнут с ночного неба. Просто по мере приближения скорости их удаления к скорости света будет увеличиваться красное смещение. В конце концов весь видимый свет от них сдвинется в инфракрасное, микроволновое, затем радиоизлучение и так далее до тех пор, пока длина волны света, который они испускают, не станет больше размера видимой Вселенной, и в этот момент их можно будет официально признать невидимыми.
Можно посчитать, сколько времени это займет. Поскольку галактики в нашем скоплении связаны взаимным гравитационным притяжением, они не удаляются от нас в связи с фоновым расширением Вселенной, которое открыл Хаббл. Галактики за пределами нашей группы находятся примерно на 1/5000 расстояния до той точки, где скорость удаления объектов приближается к световой. Чтобы туда добраться, у них уйдет около 150 млрд лет, примерно в 10 раз больше нынешнего возраста Вселенной, и тогда весь свет от звезд в этих галактиках сдвинется в красную сторону примерно в 5000 раз. Примерно через 2 трлн лет их свет сдвинется в красную сторону настолько, что длина его волны станет равна размеру видимой Вселенной — и вся остальная часть Вселенной буквально исчезнет.
Казалось бы, 2 трлн лет — большой срок. Так и есть. Однако с космической точки зрения это отнюдь не вечность. Самые долгоживущие звезды главной последовательности (у которых такая же эволюционная история, как и у нашего Солнца) проживут гораздо дольше Солнца и через 2 трлн лет будут еще вовсю светить (в то время как наше Солнце погибнет всего через 5 млрд лет). Так что в отдаленном будущем на планетах вокруг этих звезд вполне могут быть цивилизации, черпающие энергию от своих светил, с водой и органическими соединениями. И астрономы с телескопами тоже вполне могут быть. Посмотрят они в космос — а там все, что мы видим сейчас, все 400 млрд галактик, составляющих на сегодня нашу видимую Вселенную, возьмут и исчезнут!
Я пытался донести этот довод до Конгресса, чтобы убедить его увеличить финансирование космологических исследований прямо сейчас, пока у нас еще есть время наблюдать все это. Однако для конгрессмена даже два года — долгий срок, а уж на 2 трлн лет вперед он заглянуть просто не в состоянии.
Так или иначе астрономов далекого будущего ждал бы большой сюрприз, если бы только они знали, что теряют. Но этого они знать не будут. Как несколько лет назад выяснили мы с коллегой Робертом Шеррером из Университета Вандербильта, исчезнет не только вся остальная Вселенная — по существу, исчезнут и все свидетельства, которые говорят нам сегодня, что мы живем в расширяющейся Вселенной, начавшейся с Большого взрыва, вместе со всеми свидетельствами существования в пустом пространстве темной энергии, которую можно было бы обвинить в этой пропаже.
А ведь не прошло и 100 лет с тех пор, когда все считали, что Вселенная неизменна и вечна, то есть звезды и планеты появляются и исчезают, но на больших масштабах Вселенная остается как была. Получается, что в далеком будущем, когда от нашей планеты и цивилизации, скорее всего, не останется даже праха на свалке истории, иллюзия, которую наша цивилизация разделяла до 1930-х гг., вернется и отомстит за себя сторицей.
К эмпирическому доказательству Большого взрыва привели три основные вехи — три наблюдения, благодаря которым, даже если бы на свете не было ни Эйнштейна, ни Леметра, нам все равно волей-неволей пришлось бы признать, что Вселенная в самом начале была плотной и горячей. Это наблюдения расширения Вселенной, которые проделал Хаббл; это наблюдения космического микроволнового фона; это соответствие наблюдаемой распространенности во Вселенной легких элементов — водорода, гелия и лития — тем количествам, которые должны были возникнуть в первые несколько минут истории Вселенной.
Начнем с хаббловского расширения Вселенной. Откуда мы знаем, что Вселенная расширяется? Мы измерили скорость удаления далеких объектов в зависимости от расстояния до них. Но, когда все видимые объекты вне нашего галактического скопления (в котором все мы связаны узами гравитации) исчезнут за горизонтом, не останется никаких следов расширения, которые наблюдатели могли бы зарегистрировать, — ни звезд, ни галактик, ни квазаров, ни даже огромных газовых облаков. Расширение достигнет таких масштабов, что вынесет из нашего поля зрения все объекты, которые от нас удаляются.
Более того, на масштабе менее 1 трлн лет все галактики в нашей местной группе слипнутся в своего рода огромную сверхгалактику. Наблюдатели в далеком будущем увидят примерно то же самое, что мы могли увидеть в 1915 г.: одну-единственную галактику, в которой находится их звезда и их планета, окруженную обширным пустым и неизменным пространством.
Напомню также, что все свидетельства того, что пустое пространство обладает энергией, мы получаем из наблюдений темпа, с которым ускоряется расширение нашей Вселенной. А без признаков расширения понять, что оно еще и ускоряется, будет невозможно. Вообще-то по странному совпадению мы живем в ту единственную эпоху истории Вселенной, когда наличие темной энергии, наполняющей пустое пространство, в принципе довольно легко зарегистрировать. Конечно, эта эпоха длится несколько сотен миллиардов лет, но в вечно расширяющейся Вселенной это всего лишь мгновение космического ока.
Если мы предположим, что энергия пустого пространства относительно постоянна, как было бы в случае космологической постоянной, то в гораздо более ранние времена плотность энергии вещества и излучения значительно превосходила бы плотность энергии пустого пространства — просто потому, что при расширении Вселенной плотность вещества и излучения снижается, поскольку растет расстояние между частицами, поэтому в заданном объеме остается меньше объектов. В более ранние времена, скажем 5–10 млрд лет назад, плотность вещества и излучения была гораздо больше, чем сегодня. Поэтому во Вселенной тогда и раньше преобладали вещество и излучение со своим гравитационным притяжением. Расширение Вселенной в те ранние времена замедлялось, а гравитационное воздействие энергии пустого пространства невозможно было бы зарегистрировать.
По тем же соображением в далеком будущем, когда Вселенной исполнится несколько сотен миллиардов лет, плотность вещества и излучения станет еще меньше, и можно подсчитать, что средняя плотность темной энергии будет превосходить плотность всего оставшегося во Вселенной вещества и излучения намного более, чем в тысячу миллиардов раз. К этому времени она будет полностью управлять гравитационной динамикой Вселенной на больших масштабах. Однако в эту позднюю эпоху ускоренное расширение Вселенной станет невозможно пронаблюдать. В этом смысле энергия пустого пространства по самой своей природе обеспечивает определенный, конечный отрезок времени, в который его можно наблюдать, и мы, что примечательно, живем именно в этот космологический момент.
Подробнее читайте:
Краусс, Лоуренс . Всё из ничего: Как возникла Вселенная / Лоуренс Краусс ; Пер. с англ. [Анастасия Бродоцкая и Наталья Лисова, под научной редакцией Игоря Лисова] — М.: Альпина нон-фикшн, 2019. — 283 с.
Источник