Як виглядав всесвіт на початку. Один Всесвіт чи безліч? Ми живемо всередині футбольного м'яча
Наскільки велика спостерігається нами частина Всесвіту? Давайте поміркуємо, як далеко ми можемо зазирнути в космос.
Зображення, отримане з телескопа Хаббл, демонструє масивне скупчення галактик PLCK_G308.3-20.2, що яскраво світяться у темряві. Саме так виглядають величезні ділянки віддаленого Всесвіту. Але як далеко простягається відомий нам Всесвіт, включаючи і ту частину, що ми не можемо спостерігати?
13,8 млрд років тому стався Великий вибух. Всесвіт заповнився матерією, антиматерією, випромінюванням, і існував у надгарячому і надщільному, але стані, що розширюється і охолоджується.
Як виглядає всесвіт
До сьогоднішнього дня її обсяг, що включає спостерігається нами Всесвіт, розширився до того, що його радіус становить 46 млрд світлових років, і світло, що сьогодні вперше приходить в наші очі, відповідає межам того, що ми здатні виміряти. А що ж далі? Що щодо неспостережуваної частини Всесвіту?
Історія Всесвіту визначена настільки добре, наскільки далеко в минуле ми здатні зазирнути за допомогою різних інструментів та телескопів. Але можна сказати, вдаючись до тавтології, що наші спостереження можуть дати нам інформацію тільки про її частини, що спостерігаються. Про все інше доводиться здогадуватися, і ці припущення хороші лише настільки, наскільки хороші припущення, що лежать в їх основі.
Сьогодні Всесвіт холодний і комкуватий, а ще він розширюється і надає гравітаційний вплив. Заглядаючи далеко в космос, ми не лише дивимося на далекі відстані, а й бачимо далеке минуле через кінцеву швидкість світла.
Віддалені частини Всесвіту менш комкуваті і однорідніші, вони мали менше часу формування більших і складних структур під впливом гравітації.
Ранній, віддалений від нас Всесвіт, також був і гарячим. Всесвіт, що розширюється, призводить до збільшення довжини хвилі світла, що розповсюджується по ній. З її розтягуванням світло втрачає енергію, охолоджується. Це означає, що в далекому минулому Всесвіт був гарячішим – і цей факт ми підтвердили, спостерігаючи за властивостями віддалених частин Всесвіту.
Дослідження від 2011 року (червоні точки) дає найкращі свідчення того, що температура реліктового випромінювання в минулому була вищою. Спектральні і температурні властивості світла, що прийшло здалеку, підтверджують той факт, що ми живемо в просторі, що розширюється.
Дослідження
Ми можемо виміряти температуру сьогоднішнього Всесвіту через 13,8 млрд років після Великого вибуху, вивчаючи випромінювання, що залишилося від того гарячого, щільного раннього стану.
Сьогодні воно виявляє себе в мікрохвильовій частині спектру і відоме як реліктове випромінювання. Воно укладається в спектр випромінювання абсолютно чорного тіла і має температуру 2,725 К, і досить легко показати, що ці спостереження з дивовижною точністю збігаються з прогнозами моделі Великого вибуху для нашого Всесвіту.
Реальне світло Сонця (ліворуч, жовта крива) та абсолютно чорного тіла (сіра). Завдяки товщині фотосфери Сонця воно більше належить до чорних тіл. Справа – реальне реліктове випромінювання, що збігається з випромінюванням чорного тіла, за вимірами супутника COBE. Зауважте, що розкид помилок на графіку справа напрочуд малий (близько 400 сигм). Збіг теорії з практикою історичне.
Більше того, нам відомо, як змінюється енергія цього випромінювання із розширенням Всесвіту. Енергія фотона обернено пропорційна довжині хвилі. Коли Всесвіт був вдвічі меншим, у фотонів, що залишилися від Великого вибуху, енергія була вдвічі більша; коли розмір Всесвіту становив 10% від його поточного, енергія цих фотонів була вдесятеро більшою.
Якщо ми захочемо повернутися назад, до моменту, коли розмір Всесвіту становив 0,092% від його поточного, ми виявимо, що Всесвіт був у 1089 разів гарячішим, ніж сьогодні: близько 3000 К. При таких температурах Всесвіт здатний іонізувати всі атоми, що містяться в ньому. Замість твердих, рідких або газоподібних речовин, вся матерія у всьому Всесвіті перебувала у вигляді іонізованої плазми.
Всесвіт, у якому вільні електрони і протони зіштовхуються з фотонами, перетворюється на нейтральну, прозору для фотонів, у міру остигання та розширення. Зліва – іонізована плазма до випромінювання реліктового випромінювання, праворуч – нейтральний Всесвіт, прозорий для фотонів.
Три основні питання
До розміру сьогоднішнього Всесвіту ми підходимо, розбираючись у трьох пов'язаних між собою питаннях:
- Як швидко Всесвіт розширюється сьогодні – ми можемо виміряти кількома способами.
- Наскільки гарячий Всесвіт сьогодні це ми можемо дізнатися, вивчаючи реліктове випромінювання.
- З чого складається Всесвіт – включаючи матерію, випромінювання, нейтрино, антиматерію, темну матерію, темну енергію тощо.
Використовуючи сьогоднішній стан Всесвіту, ми можемо провести екстраполяцію назад до ранніх етапів гарячого Великого вибуху і прийти до значень для віку та розміру Всесвіту.
Логарифмічний графік залежності розміру Всесвіту, що спостерігається, у світлових роках, від кількості часу, що минув з моменту Великого вибуху. Все це стосується лише спостережуваного Всесвіту.
З усього набору доступних спостережень, що включають реліктове випромінювання, дані надновими, спостереження великомасштабних структур і акустичних баріонних осциляцій, ми отримуємо картину, що описує наш Всесвіт.
Через 13,8 млрд. років після Великого вибуху її радіус становить 46,1 млрд. світлових років. Це межа спостережуваного. Усьому, що знаходиться далі, що навіть рухається зі швидкістю світла з моменту гарячого Великого вибуху, не вистачить часу на те, щоб дістатися до нас.
З часом збільшуються вік і розмір Всесвіту, і завжди існуватиме межа того, що ми можемо побачити.
Художнє представлення Всесвіту, що спостерігається, на логарифмічній шкалі. Зауважте, що ми обмежені в тому, наскільки далеко можемо зазирнути в минуле, кількістю часу, що минув з гарячого Великого вибуху. Це 13,8 млрд років, або (з огляду на розширення Всесвіту) 46 млрд світлових років. Всі, хто живе в нашому Всесвіті, в будь-якій його точці, побачать майже таку ж картину.
Що за межами
Що ми можемо сказати щодо тієї частини Всесвіту, що знаходиться за межами наших спостережень? Ми можемо лише припускати на підставі законів фізики і того, що ми можемо виміряти в нашій частині, що спостерігається.
Наприклад, бачимо, що Всесвіт на великих масштабах просторово плоска: вона не викривлена ні позитивно, ні негативно, з точністю 0,25%. Якщо ми припустимо, що наші закони фізики сформульовані правильно, ми можемо оцінити, наскільки великий може бути Всесвіт доти, доки він не замкнеться на себе.
Величини гарячих і холодних ділянок та їх масштаби говорять про кривизну Всесвіту. Наскільки точно ми здатні виміряти, вона виглядає ідеально плоскою. Акустичні баріонні осциляції дають ще один метод накладення обмежень на кривизну і призводять до подібних результатів.
Слоановський цифровий небесний огляд та супутник Планк дають нам найкращі дані на сьогодні. Вони говорять про те, що якщо Всесвіт і викривляється, замикаючись на себе, то та її частина, що ми можемо бачити, настільки не відрізняється від плоскої, що її радіус повинен не менш ніж у 250 разів перевищувати радіус спостерігається.
Це означає, що Всесвіт, який не спостерігається, якщо в ньому немає ніяких топологічних дивностей, повинен мати діаметр не менше 23 трильйонів світлових років, а його обсяг повинен бути, принаймні, в 15 млн разів більше, ніж спостерігається нами.
Але якщо дозволити собі міркувати теоретично, ми можемо цілком переконливо довести, що розміри Всесвіту, що не спостерігається, повинні значно перевищувати навіть ці оцінки.
Спостережуваний Всесвіт може мати розмір у 46 млрд світлових років у всіх напрямках від нашого місця розташування, але за цими межами безперечно існує і більша його частина, не спостерігається, можливо, навіть нескінченна, схожа на ту, що бачимо ми. Згодом ми зможемо побачити трохи більше, але не всю її.
Гарячий Великий вибух може відзначати появу відомого нам Всесвіту, але він не відзначає зародження самого простору і часу. До Великого вибуху Всесвіт проходив період космічної інфляції. Вона була заповнена не матерією та випромінюванням, і не була гарячою, а:
- була заповнена енергією, властивою самому простору,
- розширювалася з постійною, експоненційною швидкістю,
- і створювала новий простір так швидко, що найменша з можливих довжин, планковська довжина, розтягувалася до розмірів Всесвіту, що спостерігається сьогодні, кожні 10-32 секунди.
Інфляція змушує простір розширюватися експоненційно, що може дуже швидко призвести до того, що викривлений або не гладкий простір виглядатиме плоским. Якщо Всесвіт викривлений, радіус його кривизни щонайменше в сотні разів більше того, що ми можемо спостерігати.
У нашій частині Всесвіту інфляція справді добігла кінця. Але три питання, на які ми не знаємо відповідей, надзвичайно сильно впливають на реальний розмір Всесвіту, і те, чи він нескінченний:
- Наскільки велика ділянка Всесвіту після інфляції, що породила наш Великий вибух?
- Чи вірна ідея вічної інфляції, за якою Всесвіт нескінченно розширюється принаймні в деяких регіонах?
- Як довго тривала інфляція, доки не зупинилася і не породила гарячий Великий вибух?
Можливо, що та частина Всесвіту, де йшла інфляція, змогла зрости до розміру, який не сильно перевищує те, що ми можемо спостерігати. Можливо, що будь-якої миті з'явиться свідчення наявності «краю», на якому закінчилася інфляція. Але також можливо, що Всесвіт у гуголи разів більше спостерігається. Не відповівши на ці запитання, ми не отримаємо відповіді на головне.
Величезна кількість окремих регіонів, у яких стався Великий вибух, розділяється простором, що постійно зростає внаслідок вічної інфляції. Але ми не маємо поняття, як перевірити, виміряти або отримати доступ до того, що лежить за межами нашого Всесвіту, що спостерігається.
За межами того, що ми можемо бачити, швидше за все, знаходиться ще більше Всесвіту, такого ж, як і наш, з тими самими законами фізики, з тими самими космічними структурами та такими ж шансами на складне життя.
Також у «бульбашки», в якій закінчилася інфляція, повинен бути кінцевий розмір, при тому, що експоненційно велика кількість таких бульбашок міститься в більшому просторі-часі, що розширюється.
Але навіть якщо весь цей Всесвіт, або Мультивсесвіт, може бути неймовірно великий, він може і не бути нескінченним. Насправді, якщо тільки інфляція не тривала нескінченно довго, або Всесвіт не народився нескінченно великий, він має бути кінцевим.
Як не велика спостерігається нами частина Всесвіту, як далеко ми можемо зазирнути, все це становить лише малу частку того, що має існувати там, за межами.
Найбільша проблема полягає в тому, що у нас не вистачає інформації для певної відповіді на запитання. Ми знаємо тільки, як отримати доступ до інформації, доступної всередині нашого Всесвіту, що спостерігається: ці 46 млрд світлових років у всіх напрямках.
Відповідь на найбільше питання, про кінцівку чи нескінченність Всесвіту, може бути захована у самому Всесвіті, але ми не можемо пізнати досить більшу її частину, щоб знати напевно. І поки ми не розберемося з цим, або не придумаємо хитромудру схему розширення меж можливостей фізики, у нас залишатимуться лише ймовірності.
Ще кілька сотень років тому люди були впевнені, що весь наш Всесвіт це Сонце і кілька планет навколо нього, але йшли роки і допитливі уми поступово почали дійти висновку, що наш світ це зовсім не купка планет. У середині 20 століття Едвін Хаббл приголомшив людство відкриттям, яке доводило, що галактика, в якій ми живемо, це не весь Всесвіт, Чумацький шлях це «пісчинка» у незліченному океані інших галактик. Сучасні люди все частіше задаються питанням, як виглядає Всесвіт, вчені змогли скласти приблизний вигляд нашого світу, у цій статті ви його побачите.
Популярні гіпотези виникнення Всесвіту
Але для початку давайте ознайомимося з найпопулярнішими теоріями, які намагаються пояснити народження нашого світу.
Мабуть, найвідомішою вважається теорія Великого Вибуху, вона каже, що 14 мільярдів років тому стався якийсь сплеск енергії, простіше кажучи «вибух», що породило його невідомо. Зрозуміло тільки те, що в цій початковій «точці» було сфокусовано величезну температуру та високу щільність речовини, енергія вибуху породила всі елементи, з яких складаються зірки та планети (та їм ми з вами).
Вважається, що наша постійно розширюється і буде збільшуватися в розмірах і надалі. Продовжуватиметься це трильйони років, доки зірки не вироблять усю свою речовину і згаснуть, тоді наш світ стане холодним та темним.
Частина нашого Всесвіту: кожна точка це галактика, що містить сотні мільярдів зірок
Також ще однією популярною теорією є та, яка стверджує, що Всесвіт був завжди, він не має початку і кінця, він був, є і буде. Але це думка має масу нестиковок, т.к. доведено, що Всесвіт розширюється, шляхом складного моделювання руху космічних об'єктів, була побудована їхня траєкторія, і вона не йде нескінченно в минуле, тобто невпинно. виходить, що наш світ має якийсь «початок».
Заради справедливості варто сказати, що «Великий Вибух» також має безліч недоліків, наприклад, швидкість з моменту «вибуху» така, що мали розлетітися набагато далі один від одного за 14 мільярдів років, але цього не спостерігається.
Як виглядає Всесвіт з боку
Вчені постійно покращують свої інструменти для глибшого «вгляду» углиб Всесвіту. Вже точно відомі розміри видимого світу, це майже 500 мільярдів галактик (!), які утворюють межі розмірів 26 мільярдів світлових років. Але це не всі, вчені могли вловити випромінювання світу, що спостерігається, і воно становить 92 мільярди світлових років! Це колосальні цифри, які важко уявити в уяві. Благо астрономи зробили безліч наочних моделей нашого видимого світу, і тепер ви можете побачити, як виглядає Всесвіт.
Допитливі уми вчених-ентузіастів б'ються над вирішенням загадкових явищ, вигадують теорії, проводять дослідження та спостереження… Мабуть, однією з найцікавіших і багатообіцяючих тем є космос і все, що з ним пов'язане. І що далі заглядає людство до нього, то цікавіше знайти відповіді на дедалі більше запитань.
Ми намагаємось вивчити Всесвіт настільки, наскільки це дозволяють сучасні технології. Але найсучасніші телескопи мають певні межі, заглянути які за допомогою технічних засобів просто неможливо. Тоді людина підключає свою уяву і починає домислювати факти.
Де закінчується Всесвіт? При цьому це не філософське і не риторичне питання, а справжнісіньке наукове. Відповісти на нього однозначно і точно, не маючи достатньої бази, не можна. Можна тільки, ґрунтуючись на вже доведених теоріях та фактах, робити певні висновки і фантазувати…
Походження Всесвіту, галактик, зірок і навіть нашої планети описано теорією Великого Вибуху. Ця подія трапилася близько 13,8 мільярдів років тому і є моментом народження Всесвіту у тому вигляді, в якому ми її собі уявляємо. При цьому не варто думати, що до цього Всесвіт був порожнечею. Навпаки, у міру того, як енергія простору зростала, наближаючись до вибуху, змінювався і сам простір.
Як виглядає край Всесвіту?
Імовірна зона Великого Вибуху – сфера радіусом трохи більше 46 світлових років. Але ця межа дуже умовна і, звичайно, не є межею космосу. Але що за нею?
Дослідники вважають, що там знаходиться така сама ділянка Всесвіту, яку ми спостерігаємо. За винятком деталей, які можна назвати місцевими – розташування галактик та зірок, особливості систем.
Тому стає зрозуміло, що побачити горезвісний «край Всесвіту» неможливо, як не можна осягнути неосяжне.
Книга «Всесвіт. Посібник з експлуатації» - ідеальний путівник з найважливіших - і, звісно, найчарівніших - питань сучасної фізики: «Чи можливі подорожі в часі?», «Чи існують паралельні всесвіти?», «Якщо всесвіт розширюється, то куди він розширюється?» , «Що буде, якщо, розігнавшись до швидкості світла, подивитися на себе в дзеркало?», «Навіщо потрібні колайдери частинок і чому вони повинні працювати постійно? Хіба в них не повторюють без кінця одні й самі експерименти?». Гумор, парадоксальність, захоплюючість та доступність викладу ставлять цю книгу на одну полицю з бестселерами Г. Перельмана, С. Хокінга, Б. Брайсона та Б. Гріна! Справжній подарунок для всіх, кого цікавить сучасна наука – від допитливого старшокласника до його улюбленого вчителя, від студента-філолога до доктора фізико-математичних наук!
Що за ними, не видно, але ми знаємо, як виглядає Всесвіт зараз і як він виглядав у кожний момент часу з ранніх стадій до сьогодні, тому можемо здогадатися, що знаходиться за цією космічною шторою. Так і підмиває за неї зазирнути, правда?
Так от, хоча заглянути за обрій ми не в силах, зате бачимо досить багато, щоб задовольняти власну та чужу цікавість державним коштом. Найкрасивіше - чим довше ми чекаємо, тим старшим стає Всесвіт і тим далі відсувається обрій. Інакше кажучи, існують далекі куточки Всесвіту, чиє світло доходить до нас тільки зараз.
А що ж за горизонтом? Цього ніхто не знає, але ми маємо право робити обґрунтовані припущення. Пам'ятайте, що Коперник та його послідовники ясно показали нам; «Коли кудись йдеш, то все одно кудись прийдеш», тому можна припустити, що за горизонтом Всесвіт виглядає приблизно так само, як і тут. Звичайно, там будуть інші галактики, але їх виявиться приблизно стільки ж, що й навколо нас, і вони будуть виглядати приблизно так само, як і наші сусідки. Але це не обов'язково правда. Ми висуваємо таке припущення, оскільки ми не маємо причин думати інакше.
| <<< Назад
|
Вперед >>> |
> Структура Всесвіту
Вивчіть схему структури Всесвіту: масштаби простору, карта Всесвіту, скупчення, скупчення, групи галактик, галактики, зірки, Велика Стіна Слоуна.
Ми живемо у нескінченному просторі, тому завжди цікаво дізнатися, як виглядають структура та масштаби Всесвіту. Глобальна вселенська структура є порожнечами і волокнами, які можна розбити на , скупчення, галактичні групи, а вже в кінці і самі . Якщо знову зменшувати масштаби, то розглянемо (Сонце – одна з них).
Якщо ви усвідомлюєте, як виглядає ця ієрархія, то краще зрозуміти, яку роль грає кожен названий елемент у структурі Всесвіту. Наприклад, якщо ми проникнемо ще далі, то зауважимо, що молекули поділяються на атоми, а ті на електрони, протони та нейтрони. Останні два також трансформуються у кварки.
Але це малі елементи. А що робити з величезними? Що являють собою скупчення, порожнечі і волокна? Рухатимемося від маленького до великого. Внизу можете подивитися, як виглядає карта Всесвіту в масштабі (тут добре проглядаються нитки, волокна та порожнечі простору).
Існують одиночні галактики, але більшість вважають за краще розташовуватися групами. Зазвичай це 50 галактик, які займають діаметром 6 мільйонів світлових років. Група Чумацького Шляху налічує понад 40 галактик.
Скупчення - це області з 50-1000 галактиками, що досягають розмірів 2-10 мегапарсек (діаметр). Цікаво відзначити, що їхні швидкості неймовірно великі, а отже, мають долати гравітацію. Але вони все ж таки тримаються разом.
Обговорення темної матерії з'являється на етапі розгляду саме галактичних скупчень. Вважають, що вона створює ту силу, яка не дозволяє галактикам розійтися в різні боки.
Іноді групи також об'єднуються, щоб сформувати скупчення. Це одні з найбільших структур Всесвіту. Найбільший представник – Велика Стіна Слоуна, що розтягнулася на 500 мільйонів світлових років завдовжки, 200 мільйонів світлових років завширшки та 15 мільйонів світлових років завтовшки.
Сучасні прилади ще недостатньо потужні, щоб збільшувати зображення. Зараз ми можемо розглянути два компоненти. Ниткоподібні структури – складаються із ізольованих галактик, груп, скупчень та надскоплень. А також порожнечі – гігантські порожні бульбашки. Перегляньте цікаві відео, щоб дізнатися більше інформації про структуру Всесвіту та властивості її елементів.
Ієрархічне формування галактик у Всесвіті
Астрофізик Ольга Сільченко про властивості темної матерії, речовину в ранньому Всесвіті та реліктовому тлі:
Матерія та антиматерія у Всесвіті
ізік Валерій Рубаков про ранній Всесвіт, стабільність речовини та баріонний заряд:
