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
Может ли Вселенная существовать бесконечно?
13,8 миллиардов лет назад Вселенная представляла собой сингулярность — пространство, бесконечно сжатое высоким давлением. Однако менее чем за одну долю миллиардной секунды эта крохотная точка расширилась до невероятных размеров. Классическая история нашей Вселенной имеет начало, середину и конец. Так, согласно общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, со временем расширение Вселенной должно замедлиться. Однако реальность рисует совершенно иную картину: Вселенная продолжает расширяться все быстрее и быстрее. Причиной такого несоответствия ученые считают таинственную темную энергию, однако не исключено, что наше понимание Вселенной и ее эволюции необходимо пересмотреть.
Существует множество предположений о том, как зародилась и почему существует наша Вселенная
С чего все началось и могло ли быть иначе?
Вселенная начала расширяться сразу после Большого взрыва. Скорость расширения на раннем этапе ее эволюции — этот процесс называется космологической инфляцией — была значительно больше, чем после окончания инфляции. Так, постепенно Вселенная расширялась и охлаждалась, но лишь с долей начальной скорости. В течение следующих 380 000 лет Вселенная была настолько плотной, что космос представлял собой непрозрачную, сверхгорячую плазму рассеянных частиц. Когда Вселенная охладилась достаточно для того, чтобы образовались первые атомы водорода, она стала прозрачной для прохождения света. Затем излучение вспыхнуло во всех направлениях и Вселенная была на пути к тому, чтобы стать такой, какой мы видим ее сегодня — пустое пространство, которое чередуется со сгустками газа и пыли, звезд, галактик, черных дыр и других форм материи и энергии. В конце концов, согласно некоторым моделям, все сгустки вещества разойдутся так далеко друг от друга, что постепенно исчезнут. Вселенная станет холодным однородным супом из изолированных фотонов. Но что, если Большой Взрыв не был началом всего этого?
Теория Большого взрыва настолько общепринята, что иногда можно забыть о том, что это лишь теория, в которой есть недостатки. Именно по этой причине ученые предлагают самые разные варианты развития событий. Так, выдвигались предположения о том, что Большой взрыв, возможно, был скорее «Большим отскоком» — неким поворотным моментом в продолжающемся цикле сокращения и расширения Вселенной. Еще одно предположение гласит, что Большой взрыв стал точкой отражения, когда зеркальное отображение нашей Вселенной расширяется за «другую сторону», в которой антивещество заменяет материю, а само время течет в обратном направлении. Согласно третьему предположению Большой взрыв — это точка перехода во Вселенной, которая существовала всегда и продолжит расширяться бесконечно. Все эти теории находятся за пределами основной космологии, но все они нашли поддержку среди уважаемых ученых. Растущее количество новых, конкурирующих друг с другом теорий, говорит о том, что, возможно, пришла пора пересмотреть сам факт того, что Большой взрыв знаменует собой начало пространства и времени.
Вселенная, которую мы в настоящее время видим, состоит из скоплений газа и пыли, звезд, черных дыр и галактик
Что, если Большого взрыва на самом деле не было?
В академических кругах не раз высказывалась идея о том, что Большого взрыва… не было. Так, Эрик Лернер, автор одноименной книги, которую он написал еще в 1992 году, представил результаты исследования, согласно которым, как пишет издание Invers, существует несоответствие между теорией Большого взрыва и наблюдаемыми фактическими данными. «Для развития космологии необходимо отказаться от основной гипотезы Большого взрыва», — говорится в заявлении Лернера. «Настоящий кризис в космологии заключается в том, что Большого взрыва никогда не было».
Речь идет о несоответствии доказательств присутствия лития в космосе, о чем астрономам, по словам Лернера, уже давно известно. Сегодня ученые считают, что точное количество гелия, дейтерия и лития было получено в результате реакций синтеза в плотном, очень горячем облаке химических элементов, появившемся после Большого взрыва. Однако Лернер, который провел десятилетия детально наблюдая за такими реакциями говорит, что результаты его и других ученых не совпадают с давними теориями, основанными на наблюдениях более старых звезд. Он обнаружил, что в старых звездах наблюдается менее половины гелия и менее одной десятой лития, чем предсказывает теория нуклеосинтеза Большого взрыва, согласно которой четверть всей массы Вселенной состоит из гелия. Лернер убежден, что ни литий, ни гелий не были созданы до появления первых звезд в нашей галактике.
Могла ли наша Вселенная возникнуть из ничего?
Однако далеко не все ученые согласны с теорией Лернера. По мнению профессора астрономии из университета Южной Калифорнии Ваэ Перумяна, Лернер редко ссылается на рецензируемые статьи, а многие его аргументы не выдерживают критики. Так, Перумиан считает, что микроволновое космическое фоновое излучение (или реликтовое излучение), которое свидетельствует о радиации, исходящей от Большого взрыва, является опорой космологической теории, которую Лернер не может оспорить. Кроме того, если бы в теории Большого взрыва были настолько серьезные недостатки, Лернер не был бы единственным критиком этой теории.
А как вы думаете, был ли на самом деле Большой взрыв? Поделитесь своим мнением с участниками нашего Telegram-чата и в комментариях к этой статье
Но Лернер не одинок. Лауреат Нобелевской премии космолог Джеймс Пиблз считает, что необходимо прекратить называть самые ранние моменты нашей Вселенной «Большим взрывом». Как передает агентство Франс Пресс, Пиблз полагает, что нет хорошего способа проверить, действительно ли такое событие как Большой взрыв имело место — у космологов есть доказательства быстрого расширения вовне, но нет ничего более дискретного, чем особая точка, которая взорвалась, чтобы создать все во Вселенной. У Пиблза нет альтернативы теории Большого взрыва, при этом он убежден, что без достаточных данных ученые не должны полагать, что эта удобная гипотеза верна. При этом ученый признает, что в отсутствие лучшего способа описания начала Вселенной Большой взрыв прекрасно работает. В своих расчетах Пиблз также придерживается общепринятой теории, хотя она ему очень не нравится.
Большой отскок: может ли Вселенная расширяться бесконечно?
Наиболее распространенная в научных кругах гипотеза Большого отскока берет начало в недовольстве идеей космологической инфляции. Космическое микроволновое фоновое излучение является фундаментальным фактором в каждой модели Вселенной с тех пор, как было впервые обнаружено в 1965 году. Более того, реликтовое излучение является основным источником информации о том, как выглядела ранняя Вселенная и одновременно загадкой для физиков. Дело в том, что реликтовое излучение выглядит одинаково даже в регионах, которые, казалось бы, никогда не могли взаимодействовать друг с другом за всю историю Вселенной.
Шрамы, оставленные Большим взрывом в слабом реликтовом излучении, которое пронизывает весь космос, дают подсказки о том, как выглядела ранняя Вселенная
Согласно гипотезе Большого отскока, Вселенная будет расширяться до тех пор, пока не распадется до одной бесконечно малой точки — это цикл, который длится вечность. В 2007 году Мартин Боджавальд, физик из Пенсильванского университета, основываясь на модели Эйнштейна, выдвинул теорию Петлевой квантовой гравитации — область квантовой физики, описывающая чрезвычайно высокие энергии, которые доминировали в ранней Вселенной.Так, исследователи пришли к выводу, что Вселенная не возникла из ничего и не будет расширяться бесконечно. Однако исследование Божавальда показывает, что гипотетическая предыдущая Вселенная не была в точности такой, как наша. В общем и целом, гипотеза Большого отскока согласуется с картиной Большого взрыва о горячей, плотной вселенной, зародившейся 13,8 миллиардов лет назад, которая начала расширяться и охлаждаться. Но вместо того, чтобы стать началом пространства и времени, большой взрыв оказался моментом перехода Вселенной от более ранней фазы существования, во время которой пространство сокращалось.
Чтобы всегда быть в курсе последних новостей из мира популярной науки и высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram
Однако критики считают, что существует мало доказательств в поддержку этой теории. Так, Питер Войт, математик из Колумбийского университета, написал в своем блоге Not Even Wrong: «Для того, чтобы считаться легитимной теорией, такие заявления должны быть подкреплены доказательствами».
Поиск ответов: все пути ведут к темной энергии
Исходя из того, что общепризнанной теорией появления и эволюции Вселенной является теория Большого взрыва, ученые пытаются найти ответ на вопрос о том, почему Вселенная расширяется с ускорением.
Темная материя и темная энергия, вероятно, и есть ключ к пониманию нашей Вселенной
По мере того, как исследователи анализировали движение звезд и галактик, они пришли к выводу о существовании невидимых частиц, которые они назвали темной материей. А постоянное ускорение расширения Вселенной (постоянная Хаббла), позволило предположить, что оно вызвано неким феноменом, который исследователи назвали темной энергией. Темная энергия и темная материя являются главными научными загадками современности, поэтому поисками ответов занимаются исследователи международной группы по изучению темной энергии (DES). DES приступили к работе в 2004 году, сейчас в проекте принимают участие 400 ученых, представляющих 26 различных научных институтов из семи стран. Поиск темной энергии ученые ведут с помощью самой чувствительной астрономической цифровой фотокамерой с разрешением в 570 мегапикселей. Камера установлена на телескопе Viktor Blanco в обсерватории Черро Толедо в чилийских Андах. Это своего рода скальпель, оснащенный пятью линзами.
Ответы на фундаментальные вопросы о том, как появилась Вселенная и что такое темная материя и темная энергия, как полагают исследователи, должны быть представлены широкой общественности примерно через пять лет. Целью DES является анализ 100 000 галактик, которые находятся от нас на расстоянии до 8 миллиардов световых лет. Так как темную энергию нельзя увидеть, исследователи измеряют постоянную Хаббла, чтобы точно определить, существует ли темная энергия и из чего состоит. Так или иначе, нам с вами остается ждать результатов работы международной команды ученых и строить предположения о том, что же из себя представляет наша Вселенная.
Источник