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
Почему Вселенная расширяется?
В момент Большого Взрыва Вселенная находилась в бесконечно малой точке. После Взрыва она начала постоянно расширяться, и делает это до сих пор. Почему?
Ну, тут действует принцип от обратного, или простейший логический довод: если бы она не расширялась, то вся Вселенная так бы и осталась в одной точке. Но это не так — значит, Вселенная расширяется.
Можно дать и более аргументированный ответ: расширение Вселенной происходит из-за тёмной энергии — загадочного вещества, о котором мы пока что мало что знаем. Чем больше тёмной энергии скапливается в одном месте — тем быстрее происходит расширение в этом месте.
Куда вообще расширяется Вселенная?
Это, скорее, риторический вопрос. Легко представить расширение Вселенной через модель пирожка с изюмом — сами изюминки отдаляются друг от друга, пока пирожок печётся в духовке
Каких-то чётких границ у Вселенной нет — есть лишь ткань пространства-времени, а за её пределами ничего нет — ни атомов, ни энергии, даже нет времени. Как дать определение тому, чего не существует? Мы не сможем даже выйти за пределы Вселенной — там отсутствуют даже физические законы.
Расширение Вселенной — это «растягивание» пространственно-временной ткани, поэтому все галактики удаляются друг от друга.
Ускоряется ли её расширение или замедляется?
Ответ тут дать уже сложнее. Существует так называемый закон Хаббла, описывающий расширение Вселенной. В нём присутствует некий коэффициент, позволяющий связать расстояние до объекта с его удалением от Земли — постоянная Хаббла. Так вот, во всех точках пространства эта постоянная одинакова, но с течением времени она изменяется — и каждую секунду она становится всё меньше и меньше.
И это логично — в первые секунды Большого Взрыва Вселенная расширялась в десятки тысяч раз быстрее, чем сейчас — это мы можем узнать из реликтового излучения, оставшегося в эти первые секунды.
Из-за того, что объекты всё больше отдаляются друг от друга, расширение Вселенной замедляется. Но оно не будет замедляться вечно, Вселенная никогда не остановится увеличиваться в размерах. Одна из самых распространённых теорий по этому поводу — модель Леметра, согласно которой Вселенная сначала замедлит своё расширение, а потом ускорит:
Могут ли объекты отдаляться друг от друга быстрее скорости света?
Если одна галактика будет двигаться со скоростью света от нашей, Млечного Пути, которая тоже движется с той же скоростью, то будет ли она двигаться вдвое быстрее скорости света?
Формально да, и теория относительности не будет нарушена, ведь о перемещении в пространстве речи не идёт. Само пространство расширяется! Это можно сравнить с варп-двигателем — гипотетической моделью двигателя, который спереди сужает пространство, а сзади расширяет, таким образом путешествуя быстрее света.
Получается, мы никогда не увидим другой галактики, если скорость расширения превысит скорость света.
Сфера Хаббла
Сфера Хаббла — это так называемая область вокруг нас, которую мы в состоянии наблюдать. Дальше неё объекты удаляются от нас быстрее скорости света — и мы никогда их не увидим
🙁
И хотя с расширением Вселенной эта сфера также растёт, объекты начинают удаляться от неё всё дальше и дальше. Когда-нибудь свет от других галактик перестанет приходить к нам, и будущие разумные формы жизни будут принимать за всю Вселенную лишь наш Млечный Путь. Грустно всё это.
Понравилась статья? ставьте палец вверх и подписывайтесь на мой канал — там ещё множество научных тем: космос, химия, физика, технологии,изобретения и многое другое!
Источник
Куда и почему расширяется Вселенная?
Расширение вселенной многие воспринимают буквально, то есть, как процесс, при котором становится больше места. Суть в том, что восприятие окружающего мира человеком сильно ограничено . Человек не способен к восприятию никакой другой метрики, помимо евклидовой. А расширение Вселенной — это вообще процесс изменения метрики и это означает то, что Вселенная никуда не расширяется. Если представить, что за пределами Вселенной есть наблюдатель, способный визуально воспринимать информацию, он сможет увидеть что-то похожее на то, как растягивается воздушный шарик, который кто-то надувает. При этом нужно иметь в виду, что поверхность шарика двумерна, и две разные точки на его поверхности просто медленно отдаляются друг от друга, а со Вселенной происходит аналогичный процесс, только измерения не два, а четыре. Правда, если теория струн будет подтверждаться, то окажется, что измерений 26. Но нам бы с четырьмя ужиться.
Эйнштейн ввёл в ОТО космологическую константу ( лямбда-член ), которая позволяла установить стационарность вселенной в уравнениях. Несмотря на то, что в общем случае одна из космологических моделей (Вселенная Фридмана), удовлетворяющих полевым уравнениям общей теории относительности (ОТО), описывает нестационарную модель Вселенной, космологическая константа, по-прежнему применяется во всех частных случаях, например, в астрономии и в инженерных приложениях, таких как системы спутниковой навигации. Но работа 1922 года Александра Фридмана стала первым основным теоретическим развитием ОТО после работ Эйнштейна 1915—1917 гг.
Что было до и будет после?
Вопрос о том, что было до возникновения Вселенной, лишён смысла, так как сам предлог «до» подразумевает предшествование во времени, а возникновение Вселенной совпадает с возникновением времени. Точно так же, как уже показано выше, лишён смысла вопрос о том, куда расширяется вселенная — просто потому, что предлог «куда» подразумевает наличие пространства, в которое и происходит расширение, а Вселенная и есть пространство. Она просто расширяется и это факт.
Другой вопрос, что скорость расширения Вселенной поступательно возрастает и интересно к чему это приведёт в итоге. О причинах этого есть много мнений, которые варьируются от воздействия тёмной энергии (которая по этой гипотезе является силой антигравитации, ощутимой только на колоссальных расстояниях) до того, что это просто свойство Вселенной, как факт. Просто потому, что космологическая постоянная, которая и выражает склонность вселенной к расширению / сжатию / покою, на самом деле такова, что Вселенная сама себя расширяет со всё возрастающей скоростью. Но, каковы бы ни были причины, процесс ускорения расширения является доказанным фактом.
Тёмная ли энергия?
Так почему же расширяется Вселенная? Наиболее правдоподобная гипотеза из существующих говорит, что это происходит из-за тёмной энергии, имеющей антигравитационное действие. Тёмная энергия заставляет Вселенную существовать, расширяет её с самых первых мгновений, благодаря ей на Земле существует жизнь.
К этому надо непременно добавить, что согласно недавним изысканиям, тёмная энергия сама может оказаться ложной концепцией, призванной оттянуть момент признания полной несостоятельности науки перед открытыми ею фактами. Точно так же это некогда произошло с мировым эфиром, теория о котором всех устраивала и считалась неоспоримой, но которого на самом деле вообще нет, и никогда не существовало.
Как, куда и почему всё движется?
Ближайшая соседка нашего Млечного Пути — это галактика Андромеда, которую можно увидеть на ночном небе и невооруженным глазом. Вокруг нас и Андромеды вращаются несколько десятков компаньонов — карликовых галактик. Все эти галактики (в том числе и не открытые), а также галактика Треугольника и галактика NGC 300 входят в Местную группу галактик. Сейчас в Местной группе 54 известных галактики, и её размеры превышают 10 миллионов световых лет. Местная группа вместе с еще примерно 100 скоплениями галактик входит в сверхскопление Девы, размерами больше 110 миллионов световых лет.
В 2014 году группа астрофизиков под руководством Брента Талли из Гавайского университета выяснила, что само это сверхскопление, состоящее из 30 тысяч галактик, является составной частью еще большей структуры — сверхскопления Ланиакея, в котором содержится уже более 100 тысяч галактик. Ланиакея вместе со сверхскоплением Персея-Рыб входит в комплекс сверхскоплений Рыб-Кита, которое одновременно является галактической нитью, то есть составной частью крупномасштабной структуры Вселенной .
Наблюдения и компьютерные симуляции подтверждают, что галактики и скопления не хаотически разбросаны во Вселенной, а составляют сложную губкообразную структуру, где есть галактические нити , узлы и пустоты, также известные как войды . Сверхскопления — это самые крупные образования, которые удерживаются гравитацией от разбегания несмотря на расширение Вселенной. То есть, если упростить, то нити разбегаются друг от друга из-за воздействия тёмной энергии, а движение объектов внутри них в большей степени обусловлено силами гравитационного притяжения.
И теперь, зная, что вокруг нас столько галактик и скоплений, которые притягивают друг друга так сильно, что даже перебарывают расширение Вселенной, пора задать ключевой вопрос: так куда же всё это летит? Именно на него и попыталась ответить группа учёных вместе с Иегуди Хоффманом из Еврейского университета в Иерусалиме и уже упоминавшимся Брентом Талли. Их совместная статья , вышедшая в Nature, основана на данных проекта Cosmicflows-2, который измерил расстояния и скорости более 8000 близлежащих галактик.
Полученные результаты подтвердили то, что нам уже было известно — вся Местная группа галактик летит в космосе в сторону Великого аттрактора , гравитационной аномалии в центре Ланиакеи. А сам Великий аттрактор притягивается намного более массивным сверхскоплением Шэпли , к которому мы и направляемся со скоростью 660 километров в секунду. Астрофизики решили сравнить измеренную скорость Местной группы с расчётной, которая выводится из массы сверхскопления Шэпли. Оказалось, что несмотря на колоссальную массу (10 тысяч масс нашей Галактики), оно не могло бы разогнать нас до такой скорости. Более того, построив карту анти-скоростей (карту векторов, которые направлены в сторону, обратную векторам скоростей), учёные нашли область, которая как будто отталкивает нас от себя. Причём расположена она ровно на противоположной стороне от сверхскопления Шэпли и отталкивает именно с той скоростью, чтобы в сумме дать искомые 660 километров в секунду. Вся эта конструкция напоминает формой электрический диполь, в котором силовые линии идут от одного заряда к другому.
Но ведь считается, что антигравитации быть не может! В качестве примера давайте представим, что вас окружили и тянут в разные стороны пятеро друзей — если они это делают с одинаковой силой, то вы останетесь на месте, как будто вас никто не тянет. Однако, если один из них вас отпустит, то вы будете смещаться в противоположную от него сторону. Точно так же вы будете смещаться в сторону, если к пяти тянущим друзьям присоединится шестой, который начнет не тянуть вас, а толкать.
Во Вселенной в роли тянущих на себя друзей выступают галактики и скопления галактик. Если бы они были равномерно распределены по Вселенной, то мы никуда бы не двигались — они тянули бы нас с одинаковой силой в разные стороны. А теперь представьте, что с одной стороны от нас никаких галактик нет. Поскольку все остальные галактики остались на месте, то мы будем удаляться от этой пустоты, как будто она нас отталкивает. Именно это и происходит с областью, которую учёные окрестили Великим Отталкивателем, или Великим Репеллером — несколько кубических мегапарсек пространства необычайно бедно заселены галактиками и не могут компенсировать гравитационное притяжение, которое оказывают на нас все эти скопления и сверхскопления с остальных сторон. Насколько именно это пространство бедно галактиками ещё только предстоит выяснить. Дело в том, что Великий Репеллер очень неудачно расположен — он находится в зоне избегания , то есть области пространства, закрытой от нас нашей собственной галактикой.
Огромное количество звёзд и туманностей, а в особенности газ и пыль мешают свету от далеких галактик, расположенных по ту сторону галактического диска Млечного пути, долетать до нас. Лишь недавние наблюдения рентгеновскими и радиотелескопами, которые могут регистрировать излучение, свободно проходящее сквозь газ и пыль, позволили составить более-менее полный список галактик в зоне избегания. В области Великого Отталкивателя действительно оказалось очень мало галактик, так что, похоже, что это кандидат на звание войда.
Что произойдёт, когда всё разлетится?
На сегодняшний день все научные факты указывают на то, что Вселенная расширяется, причём в момент, когда вы только начали читать этот текст, она делала это немножко медленнее. И что её в таком случае ждёт? Галактики будут покидать видимую вселенную всё быстрее и быстрее. Между видимой и реальной вселенной есть определённая разница, и довольно большая, потому что деваться эти галактики на самом деле никуда не будут — с их точки зрения денемся как раз мы — однако радиус обозримой вселенной является прямым аналогом горизонта событий чёрной дыры. Подобно тому, как внутри горизонта событий у чёрной дыры может происходить что угодно, и в частности быть до отвращения светло, для нас снаружи это всё выглядит не более, чем дырой в пространственно-временном континууме. Точно так же галактики, покинувшие видимую вселенную, продолжат существовать, но оказавшись по другую сторону, «перестанут существовать» для нас. Такая двойственность является следствием конечности скорости света, так как информация от тел, оказавшихся за горизонтом, уже никогда не сможет до нас дойти. В этом смысле мы все находимся внутри чёрной дыры. И вот они будут вываливаться из нашей реальности всё быстрее и быстрее, пока не останется только сверхскопление Девы, в котором мы и находимся.
А то, что произойдёт дальше, зависит от значения лямбды-члена, введённого Эйнштейном. Считается, что у Вселенной будет две основных альтернативы.
При меньшем значении лямбды сверхскопление можно будет считать замкнутой вселенной. Поскольку система эта окажется замкнутой, в ней начнут происходить термодинамические процессы, которые всегда происходят в замкнутых системах. Согласно второму началу термодинамики тепло переходит от более нагретых тел к менее нагретым. Поскольку в этой маленькой Вселенной будут более горячие и менее горячие места, начнётся постепенное выравнивание температуры. Рано или поздно этот процесс дойдёт до такой степени, когда тепловое колебание молекул остановится — просто потому, что разница температур, которая, выражаясь очень грубо, и заставляет молекулы колебаться, исчезнет. Вещество в этот момент станет полностью однородным, движение станет невозможным, а время исчезнет. Этот процесс называется тепловой смертью. Именно такой конец ожидает Вселенную, если лямбда будет меньшей.
Если же она будет большей, то растаскивание не остановится. Сперва исчезнут ближайшие галактики. Потом наша галактика начнёт разваливаться, так как гравитация не сможет удерживать её, как единое целое. Дальше начнут разрушаться связи между молекулами. Потом начнут разваливаться сами молекулы. Потом — атомы. Потом — субатомные частицы. И в последний момент существования времени исчезнет само пространство.
Всё то же самое будет происходить и с теми галактиками, которые оказались по ту сторону. Этот процесс будет одинаковым в любой точке Вселенной, наблюдаемой или нет. Всё, что её составляет, будет медленно и мучительно умирать в бесконечном одиночестве. И такой конец нам, людям, легко принять, ведь точно так же умирает и человек.
Источник