Как выглядела вселенная в начале. Одна Вселенная или множество? Мы живем внутри футбольного мяча
Как велика наблюдаемая нами часть Вселенной? Давайте поразмышляем как далеко мы можем заглянуть в космос.
Изображение, полученное с телескопа Хаббл, демонстрирует массивное скопление галактик PLCK_G308.3-20.2, ярко светящихся в темноте. Именно так выглядят огромные участки удалённой Вселенной. Но как далеко простирается известная нам Вселенная, включая и ту часть, что мы не можем наблюдать?
13,8 млрд лет назад произошёл Большой взрыв. Вселенная заполнилась материей, антиматерией, излучением, и существовала в сверхгорячем и сверхплотном, но расширяющемся и охлаждающемся состоянии.
Как выглядит вселенная
К сегодняшнему дню её объём, включающий наблюдаемую нами Вселенную, расширился до того, что его радиус составляет 46 млрд световых лет, и свет, сегодня впервые приходящий в наши глаза, соответствует пределам того, что мы способны измерить. А что же находится дальше? Что насчёт ненаблюдаемой части Вселенной?
История Вселенной, определена настолько хорошо, насколько далеко в прошлое мы способны заглянуть при помощи различных инструментов и телескопов. Но можно сказать, прибегая к тавтологии, что наши наблюдения могут дать нам информацию только о наблюдаемых её частях. Обо всём остальном приходится догадываться, и эти догадки хороши лишь настолько, насколько хороши лежащие в их основе предположения.
Сегодня Вселенная холодная и комковатая, а ещё она расширяется и оказывает гравитационное воздействие. Заглядывая далеко в космос, мы не только смотрим на далёкие расстояния, но и видим далёкое прошлое, из-за конечной скорости света.
Удалённые части Вселенной менее комковатые и более однородные, у них было меньше времени на формирование более крупных и сложных структур под воздействием гравитации.
Ранняя, удалённая от нас Вселенная, также была и горячее. Расширяющаяся Вселенная приводит к увеличению длины волны распространяющегося по ней света. С её растяжением свет теряет энергию, охлаждается. Это означает, что в далёком прошлом Вселенная была горячее – и этот факт мы подтвердили, наблюдая за свойствами удалённых частей Вселенной.
Исследование от 2011 года (красные точки) даёт наилучшие из имеющихся на сегодня свидетельств 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.
Исследования
Мы можем измерить температуру сегодняшней Вселенной, спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва, изучая излучение, оставшееся от того горячего, плотного раннего состояния.
Сегодня оно проявляет себя в микроволновой части спектра и известно, как реликтовое излучение. Оно укладывается в спектр излучения абсолютно чёрного тела и имеет температуру 2,725 К, и довольно легко показать, что эти наблюдения с удивительной точностью совпадают с предсказаниями модели Большого взрыва для нашей Вселенной.
Реальный свет Солнца (слева, жёлтая кривая) и абсолютно чёрного тела (серая). Благодаря толщине фотосферы Солнца оно больше относится к чёрным телам. Справа – реальное реликтовое излучение, совпадающее с излучением чёрного тела, по измерениям спутника COBE. Заметьте, что разброс ошибок на графике справа удивительно мал (в районе 400 сигм). Совпадение теории с практикой историческое.
Более того, нам известно, как меняется энергия этого излучения с расширением Вселенной. Энергия фотона обратно пропорциональна длине волны. Когда Вселенная была в два раза меньше, у фотонов, оставшихся от Большого взрыва, энергия была в два раза больше; когда размер Вселенной составлял 10% от её текущего, энергия этих фотонов была в 10 раз большей.
Если мы захотим вернуться назад, к моменту, когда размер Вселенной составлял 0,092% от её текущего, мы обнаружим, что Вселенная была в 1089 раз горячее, чем сегодня: порядка 3000 К. При таких температурах Вселенная способна ионизировать все содержащиеся в ней атомы. Вместо твёрдых, жидких или газообразных веществ, вся материя во всей Вселенной пребывала в виде ионизированной плазмы.
Вселенная, в которой свободные электроны и протоны сталкиваются с фотонами, превращается в нейтральную, прозрачную для фотонов, по мере остывания и расширения. Слева – ионизированная плазма до испускания реликтового излучения, справа – нейтральная Вселенная, прозрачная для фотонов.
Три основных вопроса
К размеру сегодняшней Вселенной мы подходим, разбираясь в трёх связанных между собой вопросах:
- Как быстро Вселенная расширяется сегодня – это мы можем измерить несколькими способами.
- Насколько горячая Вселенная сегодня – это мы можем узнать, изучая реликтовое излучение.
- Из чего состоит Вселенная – включая материю, излучение, нейтрино, антиматерию, тёмную материю, тёмную энергию, и т.д.
Используя сегодняшнее состояние Вселенной, мы можем провести экстраполяцию назад, к ранним этапам горячего Большого взрыва, и прийти к значениям для возраста и размера Вселенной.
Логарифмический график зависимости размера наблюдаемой Вселенной, в световых годах, от количества времени, прошедшего с момента Большого взрыва. Всё это применимо лишь к наблюдаемой Вселенной.
Из всего набора доступных наблюдений, включающих реликтовое излучение, данные по сверхновым, наблюдения крупномасштабных структур и акустических барионных осцилляций, мы получаем картину, описывающую нашу Вселенную.
Спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва её радиус составляет 46,1 млрд световых лет. Это граница наблюдаемого. Всему, что находится дальше, даже движущемуся со скоростью света с момента горячего Большого взрыва, не хватит времени на то, чтобы добраться до нас.
С течением времени увеличиваются возраст и размер Вселенной, и всегда будет существовать граница того, что мы можем увидеть.
Художественное представление наблюдаемой Вселенной на логарифмической шкале. Отметьте, что мы ограничены в том, как далеко можем заглянуть в прошлое, количеством времени, прошедшим с горячего Большого взрыва. Это 13,8 млрд лет, или (учитывая расширение Вселенной) 46 млрд световых лет. Все, живущие в нашей Вселенной, в любой её точке, увидят почти такую же картину.
Что за пределами
Что мы можем сказать по поводу той части Вселенной, что находится за пределами наших наблюдений? Мы можем лишь предполагать на основании законов физики и того, что мы можем измерить в нашей, наблюдаемой части.
К примеру, мы видим, что Вселенная на крупных масштабах пространственно плоская: она не искривлена ни положительно, ни отрицательно, с точностью в 0,25%. Если мы предположим, что наши законы физики сформулированы верно, мы можем оценить, насколько большой может быть Вселенная до тех пор, пока она не замкнётся на себя.
Величины горячих и холодных участков и их масштабы говорят о кривизне Вселенной. Насколько точно мы способны измерить, она выглядит идеально плоской. Акустические барионные осцилляции дают ещё один метод наложения ограничений на кривизну, и приводят к сходным результатам.
Слоановский цифровой небесный обзор и спутник Планк дают нам наилучшие данные на сегодня. Они говорят о том, что если Вселенная и искривляется, замыкаясь на себя, то та её часть, что мы можем видеть, настолько неотличима от плоской, что её радиус должен не менее чем в 250 раз превышать радиус наблюдаемой части.
Это значит, что ненаблюдаемая Вселенная, если в ней нет никаких топологических странностей, должна иметь диаметр не менее 23 триллионов световых лет, а её объём должен быть, по крайней мере, в 15 млн раз больше, чем наблюдаемый нами.
Но если позволить себе рассуждать теоретически, мы можем вполне убедительно доказать, что размеры ненаблюдаемой Вселенной должны значительно превышать даже эти оценки.
Наблюдаемая Вселенная может иметь размер в 46 млрд световых лет во всех направлениях от нашего местоположения, но за этими пределами определённо существует и большая её часть, ненаблюдаемая, возможно, даже бесконечная, похожая на ту, что видим мы. Со временем мы сможем увидеть немного больше, но не всю её.
Горячий Большой взрыв может отмечать появление известной нам наблюдаемой Вселенной, но он не отмечает зарождение самого пространства и времени. До Большого взрыва Вселенная проходила период космической инфляции. Она была заполнена не материей и излучением, и не была горячей, а:
- была заполнена энергией, присущей самому пространству,
- расширялась с постоянной, экспоненциальной скоростью,
- и создавала новое пространство так быстро, что самая малая из возможных длин, планковская длина , растягивалась до размеров наблюдаемой сегодня Вселенной каждые 10-32 секунды.
Инфляция заставляет пространство расширяться экспоненциально, что может очень быстро привести к тому, что искривлённое или не гладкое пространство станет выглядеть плоским. Если Вселенная искривлена, радиус её кривизны, по меньшей мере, в сотни раз больше того, что мы можем наблюдать.
В нашей части Вселенной инфляция действительно подошла к концу. Но три вопроса, на которые мы не знаем ответов, чрезвычайно сильно влияют на реальный размер Вселенной, и то, является ли она бесконечной:
- Насколько велик участок Вселенной после инфляции, породивший наш Большой взрыв?
- Верна ли идея вечной инфляции, по которой Вселенная бесконечно расширяется, по крайней мере, в некоторых регионах?
- Как долго длилась инфляция, пока не остановилась и не породила горячий Большой взрыв?
Возможно, что та часть Вселенной, где шла инфляция, смогла вырасти до размера, не сильно превышающего то, что мы можем наблюдать. Возможно, что в любой момент появится свидетельство наличия «края», на котором закончилась инфляция. Но также возможно, что Вселенная в гуголы раз больше наблюдаемого. Не ответив на эти вопросы, мы не получим ответа на главный.
Огромное количество отдельных регионов, в которых произошёл Большой взрыв, разделяется пространством, постоянно растущим в результате вечной инфляции. Но мы не имеем понятия, как проверить, измерить или получить доступ к тому, что лежит за пределами нашей наблюдаемой Вселенной.
За пределами того, что мы можем видеть, скорее всего, находится ещё больше Вселенной, такой же, как и наша, с теми же законами физики, с теми же космическими структурами и такими же шансами на сложную жизнь.
Также у «пузыря», в котором закончилась инфляция, должен быть конечный размер, при том, что экспоненциально большое число таких пузырей содержится в более крупном, расширяющемся пространстве-времени.
Но даже если вся эта Вселенная, или Мультивселенная, может быть невероятно большой, она может и не быть бесконечной. На самом деле, если только инфляция не продолжалась бесконечно долго, или Вселенная не родилась бесконечно большой, она должна быть конечной.
Как ни велика наблюдаемая нами часть Вселенной, как ни далеко мы можем заглянуть, всё это составляет лишь малую долю того, что должно существовать там, за пределами.
Самая большая проблема состоит в том, что у нас не хватает информации для определённого ответа на вопрос. Мы знаем только, как получить доступ к информации, доступной внутри нашей наблюдаемой Вселенной: эти 46 млрд световых лет во всех направлениях.
Ответ на самый большой вопрос, о конечности или бесконечности Вселенной, может быть спрятан в самой Вселенной, но мы не можем познать достаточно большую её часть, чтобы знать наверняка. И пока мы не разберёмся с этим, или не придумаем хитроумную схему расширения границ возможностей физики, у нас будут оставаться одни только вероятности.
Еще несколько сотен лет назад люди были уверены, что вся наша Вселенная это Солнце и несколько планет вокруг него, но шли годы и пытливые умы постепенно начали приходить к выводу, что наш мир это вовсе не «кучка» планет. В средине 20 века Эдвин Хаббл ошеломил человечество открытием, которое доказывало, что галактика, в которой мы живем, это не вся Вселенная, Млечный путь это «песчинка» в бесчисленном океане других галактик. Современные люди все чаще задаются вопросом, как выглядит Вселенная, ученые смогли составить примерный вид нашего мира, в данной статье вы его увидите.
Популярные гипотезы возникновения Вселенной
Но для начала давайте ознакомимся с наиболее популярными теориями, которые пытаются объяснить рождение нашего мира.
Пожалуй, самой известной считается теория Большого Взрыва, она гласит, что 14 миллиардов лет назад произошел некий всплеск энергии, проще говоря «взрыв», что его породило неизвестно. Ясно только то, что в этой начальной «точке» была сфокусирована огромная температура и высочайшая плотность вещества, энергия взрыва породила все элементы, из которых состоят звезды и планеты (да им мы с вами).
Считается, что наша постоянно расширяется, и будет увеличиваться в размерах и дальше. Продолжаться это будет триллионы лет, пока звезды не выработают все свое вещество и потухнут, тогда наш мир станет холодным и темным.
Часть нашей Вселенной: каждая точка это галактика, которая содержит сотни миллиардов звезд
Также еще одной популярной теорией является та, которая утверждает, что Вселенная была всегда, она не имеет начала и конца, она была, есть и будет. Но данное мнение имеет массу нестыковок, т.к. доказано, что Вселенная расширяется, путем сложного моделирования движения космических объектов, была выстроена их траектория, и она не уходит бесконечно в прошлое, т.е. выходит, что наш мир имеет некое «начало».
Справедливости ради стоит сказать, что «Большой Взрыв» также имеет множество недочетов, например, скорость с момента «взрыва» такова, что должны были разлететься намного дальше друг от друга за 14 миллиардов лет, но этого не наблюдается.
Как выглядит Вселенная со стороны
Ученые постоянно улучшают свои инструменты для более глубокого «всматривания» вглубь Вселенной. Уже точно известны размеры видимого мира, это почти 500 миллиардов галактик (!), которые образуют границы размеров в 26 миллиардов световых лет. Но это не все, ученые могли уловить излучение наблюдаемого мира, и оно составляет 92 миллиарда световых лет! Это колоссальные цифры, которые трудно представить в воображении. Благо астрономы сделали множество наглядных моделей нашего видимого мира, и теперь вы сами можете увидеть, как выглядит Вселенная.
Пытливые умы ученых-энтузиастов бьются над решением загадочных явлений, придумывают теории, проводят исследования и наблюдения… Пожалуй, одной из самых интересных и многообещающих тем является космос и все, что с ним связано. И чем дальше заглядывает человечество в него, тем интереснее найти ответы на все большее число вопросов.
Мы пытаемся изучить Вселенную настолько, насколько это позволяют современные технологии. Но самые современные телескопы имеют определенные пределы, заглянуть за которые при помощи технических средств просто невозможно. Тогда человек подключает свое воображение и начинает домысливать имеющиеся факты.
Где заканчивается Вселенная? При этом это не философский и не риторический вопрос, а самый настоящий научный. Ответить на него односложно и точно, не имея достаточной базы, нельзя. Можно только, основываясь на уже доказанных теориях и имеющихся фактах, делать определенные выводы и фантазировать…
Происхождение Вселенной, галактик, звезд и даже нашей планеты описано теорией Большого Взрыва. Это событие случилось порядка 13,8 миллиардов лет назад и является моментом рождения Вселенной в том виде, в котором мы её себе представляем. При этом не стоит думать, что до этого Вселенная представляла собой пустоту. Напротив, по мере того, как энергия пространства росла, приближаясь к взрыву, менялось и само пространство.
Как выглядит край Вселенной?
Предполагаемая зона Большого Взрыва – сфера радиусом чуть больше 46 световых лет. Но это граница весьма условна и, конечно, не является границей космоса. Но что находится за ней?
Исследователи полагают, что там находится такой же участок Вселенной, который мы наблюдаем. За исключением деталей, которые можно назвать местными – расположение галактик и звезд, особенности систем.
Исходя из этого становится понятно, что увидеть пресловутый «край Вселенной» невозможно, как нельзя объять необъятное.
Книга «Вселенная. Руководство по эксплуатации» - идеальный путеводитель по самым важным - и, конечно, самым упоительным - вопросам современной физики: «Возможны ли путешествия во времени?», «Существуют ли параллельные вселенные?», «Если вселенная расширяется, то куда она расширяется?», «Что будет, если, разогнавшись до скорости света, посмотреть на себя в зеркало?», «Зачем нужны коллайдеры частиц и почему они должны работать постоянно? Разве в них не повторяют без конца одни и те же эксперименты?». Юмор, парадоксальность, увлекательность и доступность изложения ставят эту книгу на одну полку с бестселлерами Г. Перельмана, С. Хокинга, Б. Брайсона и Б. Грина! Настоящий подарок для всех, кого интересует современная наука, - от любознательного старшеклассника до его любимого учителя, от студента-филолога до доктора физико-математических наук!
Что за ними, не видно, но мы знаем, как выглядит Вселенная сейчас и как она выглядела в каждый момент времени с ранних стадий до сегодняшнего дня, поэтому можем догадаться, что находится за этой космической шторой. Так и подмывает за нее заглянуть, правда?
Так вот, хотя заглянуть за горизонт мы не в силах, зато видим достаточно много, чтобы удовлетворять собственное и чужое любопытство за государственный счет. Самое прекрасное - чем дольше мы ждем, тем старше становится Вселенная и тем дальше отодвигается горизонт. Иначе говоря, существуют далекие уголки Вселенной, чей свет доходит до нас только сейчас.
А что же находится за горизонтом? Этого никто не знает, но мы вправе делать обоснованные догадки. Помните, что Коперник и его последователи ясно показали нам; «Когда куда-нибудь идешь, то все равно куда-нибудь придешь», поэтому можно предположить, что за горизонтом Вселенная выглядит примерно так же, как и здесь. Конечно, там будут другие галактики, но их окажется примерно столько же, что и вокруг нас, и выглядеть они будут примерно так же, как и наши соседки. Но это не обязательно правда. Мы выдвигаем такое предположение, поскольку у нас нет причин думать иначе.
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
> Структура Вселенной
Изучите схему структуры Вселенной : масштабы пространства, карта Вселенной, сверхскопления, скопления, группы галактик, галактики, звезды, Великая Стена Слоуна.
Мы живем в бесконечном пространстве, поэтому всегда интересно узнать, как выглядят структура и масштабы Вселенной. Глобальная вселенская структура представляет собою пустоты и волокна, которые можно разбить на , скопления, галактические группы, а уже в конце и сами . Если снова уменьшать масштабы, то рассмотрим и (Солнце – одна из них).
Если вы осознаете, как выглядит эта иерархия, то можете лучше понять, какую роль играет каждый названый элемент в структуре Вселенной. К примеру, если мы проникнем еще дальше, то заметим, что молекулы делятся на атомы, а те на электроны, протоны и нейтроны. Последние два также трансформируются в кварки.
Но это маленькие элементы. А что делать с гигантскими? Что собою представляют сверхскопления, пустоты и волокна? Будем двигаться от маленького к большому. Внизу можете посмотреть, как выглядит карта Вселенной в масштабе (здесь хорошо просматриваются нити, волокна и пустоты пространства).
Существуют одиночные галактики, но большинство предпочитают располагаться группами. Обычно это 50 галактик, занимающих в диаметре 6 миллионов световых лет. Группа Млечного Пути насчитывает более 40 галактик.
Скопления – это области с 50-1000 галактиками, достигающих размеров в 2-10 мегапарсек (диаметр). Интересно отметить, что их скорости невероятно велики, а значит, должны преодолевать гравитацию. Но они все же держатся вместе.
Обсуждения темной материи появляется на этапе рассмотрения именно галактических скоплений. Полагают, что она создает ту силу, которая не позволяет галактикам разойтись в разные стороны.
Иногда группы также объединяются, чтобы сформировать сверхскопление. Это одни из крупнейших структур Вселенной. Наибольший представитель – Великая Стена Слоуна, растянувшаяся на 500 миллионов световых лет в длину, 200 миллионов световых лет в ширину и 15 миллионов световых лет в толщину.
Современные приборы все еще недостаточно мощные, чтобы увеличивать изображения. Сейчас мы можем рассмотреть два компонента. Нитевидные структуры – состоят из изолированных галактик, групп, скоплений и сверхскоплений. А также пустоты – гигантские пустые пузыри. Посмотрите интересные видео, чтобы узнать больше информации о структуре Вселенной и свойствах ее элементов.
Иерархическое формирование галактик во Вселенной
Астрофизик Ольга Сильченко о свойствах темной материи, веществе в ранней Вселенной и реликтовом фоне:
Материя и антиматерия во Вселенной
изик Валерий Рубаков о ранней Вселенной, стабильности вещества и барионном заряде:
