Когда возникла вселенная: Мир, рожденный из ничего: как возникла Вселенная и что ждет ее в будущем

Содержание

Мир, рожденный из ничего: как возникла Вселенная и что ждет ее в будущем

Полученные научные данные позволили сделать вывод, что наша Вселенная родилась около 15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва (к 2023 году было уточнено, что Большой взрыв произошел примерно 13,8 млрд лет назад. — Прим. Vokrugsveta.ru). Но что именно взорвалось в тот момент и что, собственно, существовало до Большого взрыва, по-прежнему оставалось загадкой.

Начальное инфляционное расширение Вселенной происходило существенно быстрее наблюдаемого сегодня. И именно в эти первые мгновения всё ускоряющейся экспансии инфлатонного поля и возникли все необходимые предпосылки для развития нашей Метагалактики

Фото: Bernadett Pogácsás-Simon / Alamy via Legion Media

Созданная в конце XX века инфляционная теория появления нашего мира позволила существенно продвинуться в разрешении этих вопросов, и общая картина первых мгновений Вселенной сегодня уже неплохо прорисована, хотя многие проблемы еще ждут своего часа.

Научный взгляд на сотворение мира

До начала прошлого века было всего два взгляда на происхождение нашей Вселенной. Ученые полагали, что она вечна и неизменна, а богословы говорили, что Мир сотворен и у него будет конец. Двадцатый век, разрушив очень многое из того, что было создано в предыдущие тысячелетия, сумел дать свои ответы на большинство вопросов, занимавших умы ученых прошлого. И быть может, одним из величайших достижений ушедшего века является прояснение вопроса о том, как возникла Вселенная, в которой мы живем, и какие существуют гипотезы по поводу ее будущего.

Простой астрономический факт — расширение нашей Вселенной — привел к полному пересмотру всех космогонических концепций и разработке новой физики — физики возникающих и исчезающих миров. Менее 100 лет назад Эдвин Хаббл обнаружил, что свет от более далеких галактик «краснее» света от более близких. Причем скорость разбегания оказалась пропорциональна расстоянию от Земли (закон расширения Хаббла).

Обнаружить это удалось благодаря эффекту Доплера (зависимости длины волны света от скорости источника света). Поскольку более далекие галактики кажутся более «красными», то предположили, что и удаляются они с большей скоростью. Кстати, разбегаются не звезды и даже не отдельные галактики, а скопления галактик. Ближайшие от нас звезды и галактики связаны друг с другом гравитационными силами и образуют устойчивые структуры. Причем в каком направлении ни посмотри, скопления галактик разбегаются от Земли с одинаковой скоростью, и может показаться, что наша Галактика является центром Вселенной, однако это не так. Где бы ни находился наблюдатель, он будет везде видеть все ту же картину — все галактики разбегаются от него.

Но такой разлет вещества обязан иметь начало. Значит, все галактики должны были родиться в одной точке. В момент такого взрыва температура была очень большой, и должно было появиться очень много квантов света. Конечно, со временем все остывает, а кванты разлетаются по возникающему пространству, но отзвуки Большого взрыва должны были сохраниться до наших дней.

Первое подтверждение факта взрыва пришло в 1964 году, когда американские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение с температурой около 3° по шкале Кельвина (–270°С). Именно это открытие, неожиданное для ученых, убедило их в том, что Большой взрыв действительно имел место и поначалу Вселенная была очень горячей.

Теория Большого взрыва позволила объяснить множество проблем, стоявших перед космологией. Но, к сожалению, а может, и к счастью, она же поставила и ряд новых вопросов. В частности: Что было до Большого взрыва? Почему наше пространство имеет нулевую кривизну и верна геометрия Евклида, которую изучают в школе? Если теория Большого взрыва справедлива, то отчего нынешние размеры нашей Вселенной гораздо больше предсказываемого теорией 1 сантиметра? Почему Вселенная на удивление однородна, в то время как при любом взрыве вещество разлетается в разные стороны крайне неравномерно? Что привело к начальному нагреву Вселенной до невообразимой температуры более 10¹³ К?

Все это указывало на то, что теория Большого взрыва неполна. Долгое время казалось, что продвинуться далее уже невозможно. Только в 1970-80-х благодаря работам российских физиков Э. Глинера и А. Старобинского, а также американца А. Гута было описано новое явление — сверх-быстрое инфляционное расширение Вселенной. Описание этого явления основывается на хорошо изученных разделах теоретической физики — общей теории относительности Эйнштейна и квантовой теории поля. Сегодня считается общепринятым, что именно такой период, получивший название «инфляция», предшествовал Большому взрыву.

Суть инфляции

При попытке дать представление о сущности начального периода жизни Вселенной приходится оперировать такими сверхмалыми и сверхбольшими числами, что наше воображение с трудом их воспринимает. Попробуем воспользоваться некоей аналогией, чтобы понять суть процесса инфляции.

Представим себе покрытый снегом горный склон, в который вкраплены разнородные мелкие предметы — камешки, ветки и кусочки льда. Кто-то, находящийся на вершине этого склона, сделал небольшой снежок и пустил его катиться с горы.

Двигаясь вниз, снежок увеличивается в размерах, так как на него налипают новые слои снега со всеми включениями. И чем больше размер снежка, тем быстрее он будет увеличиваться. Очень скоро из маленького снежка он превратится в огромный ком. Если склон заканчивается пропастью, то он полетит в нее со все более увеличивающейся скоростью. Достигнув дна, ком ударится о дно пропасти и его составные части разлетятся во все стороны (кстати, часть кинетической энергии кома при этом пойдет на нагрев окружающей среды и разлетающегося снега).

Карта температуры реликтового излучения, полученная европейским спутником. Вариации температуры от точки к точке не превышают одной десятитысячной градуса Кельвина

Фото: ESA / Globe Photos via Legion Media

Теперь опишем основные положения теории, используя приведенную аналогию. Прежде всего физикам пришлось ввести гипотетическое поле, которое было названо «инфлатонным» (от слова «инфляция»). Это поле заполняло собой все пространство (в нашем случае — снег на склоне). Благодаря случайным колебаниям оно принимало разные значения в произвольных пространственных областях и в различные моменты времени.

Ничего существенного не происходило, пока случайно не образовалась однородная конфигурация этого поля размером более 10^-33 см. Что же касается наблюдаемой нами Вселенной, то она в первые мгновения своей жизни, по-видимому, имела размер 10^-27 см. Предполагается, что на таких масштабах уже справедливы основные законы физики, известные нам сегодня, поэтому можно предсказать дальнейшее поведение системы.

Оказывается, что сразу после этого пространственная область, занятая флуктуацией (от лат. fluctuatio — «колебание», случайные отклонения наблюдаемых физических величин от их средних значений), начинает очень быстро увеличиваться в размерах, а инфлатонное поле стремится занять положение, в котором его энергия минимальна (снежный ком покатился). Такое расширение продолжается всего 10^-36 секунды (по другим оценкам период инфляции продолжался примерно в течение 10^-33 или 10^-32 секунды. — Прим. Vokrugsveta.ru), но этого времени оказывается достаточно для того, чтобы диаметр Вселенной возрос как минимум в 10²⁶ раз и к окончанию инфляционного периода наша Вселенная приобрела размер более 1 см.

Инфляция заканчивается, когда инфлатонное поле достигает минимума энергии — дальше падать некуда. При этом накопившаяся кинетическая энергия переходит в энергию рождающихся и разлетающихся частиц, иначе говоря, происходит нагрев Вселенной. Как раз этот момент и называется сегодня Большим взрывом.

Гора, о которой говорилось выше, может иметь очень сложный рельеф— несколько разных минимумов, долины внизу и всякие холмы и кочки. Снежные комья (будущие вселенные) непрерывно рождаются наверху горы за счет флуктуаций поля. Каждый ком может скатиться в любой из минимумов, породив при этом свою вселенную со специфическими параметрами. Причем вселенные могут существенно отличаться друг от друга. Свойства нашей Вселенной удивительнейшим образом приспособлены к тому, чтобы в ней возникла разумная жизнь. Другим вселенным, возможно, повезло меньше.

Еще раз хотелось бы подчеркнуть, что описанный процесс рождения Вселенной «практически из ничего» опирается на строго научные расчеты. Тем не менее у всякого человека, впервые знакомящегося с инфляционным механизмом, описанным выше, возникает немало вопросов.

В ответ на каверзные вопросы

Сегодня наша Вселенная состоит из большого числа звезд, не говоря уж о скрытой массе. И может показаться, что полная энергия и масса Вселенной огромны. И совершенно непонятно, как это все могло поместиться в первоначальном объеме.

Однако во Вселенной существует не только материя, но и гравитационное поле. Известно, что энергия последнего отрицательна и, как оказалось, в нашей Вселенной энергия гравитации в точности компенсирует энергию, заключенную в частицах, планетах, звездах и прочих массивных объектах. Таким образом, закон сохранения энергии прекрасно выполняется, и суммарная энергия и масса нашей Вселенной практически равны нулю.

Именно это обстоятельство отчасти объясняет, почему зарождающаяся Вселенная тут же после появления не превратилась в огромную черную дыру. Ее суммарная масса была совершенно микроскопична, и вначале просто нечему было коллапсировать. И только на более поздних стадиях развития появились локальные сгустки материи, способные создавать вблизи себя такие гравитационные поля, из которых не может вырваться даже свет.

Соответственно, и частиц, из которых «сделаны» звезды, на начальной стадии развития просто не существовало. Элементарные частицы начали рождаться в тот период развития Вселенной, когда инфлатонное поле достигло минимума потенциальной энергии и начался Большой взрыв.

Область, занятая инфлатонным полем, разрасталась со скоростью, существенно большей скорости света, однако это нисколько не противоречит теории относительности Эйнштейна. Быстрее света не могут двигаться лишь материальные тела, а в данном случае двигалась воображаемая, нематериальная граница той области, где рождалась Вселенная (примером сверхсветового движения является перемещение светового пятна по поверхности Луны при быстром вращении освещающего ее лазера).

Причем окружающая среда совсем не сопротивлялась расширению области пространства, охваченного все более быстро разрастающимся инфлатонным полем, поскольку ее как бы не существует для возникающего Мира. Общая теория относительности утверждает, что физическая картина, которую видит наблюдатель, зависит от того, где он находится и как движется. Так вот, описанная выше картина справедлива для «наблюдателя», находящегося внутри этой области. Причем этот наблюдатель никогда не узнает, что происходит вне той области пространства, где он находится.

Другой «наблюдатель», смотрящий на эту область снаружи, никакого расширения вовсе не обнаружит. В лучшем случае он увидит лишь небольшую искорку, которая по его часам исчезнет почти мгновенно. Даже самое изощренное воображение отказывается воспринимать такую картину. И все-таки она, по-видимому, верна. По крайней мере, так считают современные ученые, черпая уверенность в уже открытых законах Природы, правильность которых многократно проверена.

Надо сказать, что это инфлатонное поле и сейчас продолжает существовать и флуктуировать. Но только мы, внутренние наблюдатели, не в состоянии этого увидеть — ведь для нас маленькая область превратилась в колоссальную Вселенную, границ которой не может достигнуть даже свет.

Итак, сразу после окончания инфляции гипотетический внутренний наблюдатель увидел бы Вселенную, заполненную энергией в виде материальных частиц и фотонов. Если всю энергию, которую мог бы измерить внутренний наблюдатель, перевести в массу частиц, то мы получим примерно 10⁸⁰ кг. Расстояния между частицами быстро увеличиваются из-за всеобщего расширения. Гравитационные силы притяжения между частицами уменьшают их скорость, поэтому расширение Вселенной после завершения инфляционного периода постепенно замедляется.

Эти опасные античастицы

Сразу после рождения Вселенная продолжала расти и охлаждаться. При этом охлаждение происходило в том числе и благодаря банальному расширению пространства. Электромагнитное излучение характеризуется длиной волны, которую можно связать с температурой — чем больше средняя длина волны излучения, тем меньше температура.

Но если пространство расширяется, то будут увеличиваться и расстояние между двумя «горбами» волны, и, следовательно, ее длина. Значит, в расширяющемся пространстве и температура излучения должна уменьшаться. Что и подтверждает крайне низкая температура современного реликтового излучения.

По мере расширения меняется и состав материи, наполняющей наш мир. Кварки объединяются в протоны и нейтроны, и Вселенная оказывается заполненной уже знакомыми нам элементарными частицами — протонами, нейтронами, электронами, нейтрино и фотонами. Присутствуют также и античастицы. Свойства частиц и античастиц практически идентичны. Казалось бы, и количество их должно быть одинаковым сразу после инфляции. Но тогда все частицы и античастицы взаимно уничтожились бы и строительного материала для галактик и нас самих не осталось бы.

И здесь нам опять повезло. Природа позаботилась о том, чтобы частиц было немного больше, чем античастиц. Именно благодаря этой небольшой разнице и существует наш мир. А реликтовое излучение — это как раз последствие аннигиляции (то есть взаимоуничтожения) частиц и античастиц.

Конечно, на начальном этапе энергия излучения была очень велика, но благодаря расширению пространства и как следствие — охлаждению излучения эта энергия быстро убывала. Сейчас энергия реликтового излучения примерно в десять тысяч раз (10⁴ раз) меньше энергии, заключенной в массивных элементарных частицах.

Постепенно температура Вселенной упала до 10¹⁰ К. К этому моменту возраст Вселенной составлял примерно 1 минуту. Только теперь протоны и нейтроны смогли объединяться в ядра дейтерия, трития и гелия. Это происходило благодаря ядерным реакциям, которые люди уже хорошо изучили, взрывая термоядерные бомбы и эксплуатируя атомные реакторы на Земле. Поэтому можно уверенно предсказывать, сколько и каких элементов может появиться в таком ядерном котле.

Оказалось, что наблюдаемое сейчас обилие легких элементов хорошо согласуется с расчетами. Это означает, что известные нам физические законы одинаковы во всей наблюдаемой части Вселенной и были таковыми уже в первые секунды после появления нашего мира. Причем около 98% существующего в природе гелия образовалось именно в первые секунды после Большого взрыва.

Зарождение галактик

Сразу после рождения Вселенная проходила инфляционный период развития — все расстояния стремительно увеличивались (с точки зрения внутреннего наблюдателя). Однако плотность энергии в разных точках пространства не может быть в точности одинаковой — какие-то неоднородности всегда присутствуют.

Предположим, что в какой-то области энергия немного больше, чем в соседних. Но раз все размеры быстро растут, то и размер этой области тоже должен расти. После окончания инфляционного периода эта разросшаяся область будет иметь чуть больше частиц, чем окружающее ее пространство, да и ее температура будет немного выше.

Поняв неизбежность возникновения таких областей, сторонники инфляционной теории обратились к экспериментаторам: «необходимо обнаружить флуктуации температуры…» — констатировали они. И в 1992 году это пожелание было выполнено. Практически одновременно российский спутник «Реликт-1» и американский «COBE» обнаружили требуемые флуктуации температуры реликтового излучения.

Как уже говорилось, современная Вселенная имеет температуру 2,7 К, а найденные учеными отклонения температуры от среднего составляли примерно 0,00003 К. Неудивительно, что такие отклонения трудно было обнаружить раньше. Так инфляционная теория получила еще одно подтверждение.

Фото: NASA/WMAP Science Team, Public domain, via Wikimedia Commons

С открытием колебаний температуры появилась еще одна захватывающая возможность — объяснить принцип формирования галактики. Ведь чтобы гравитационные силы сжимали материю, необходим исходный зародыш — область с повышенной плотностью. Если материя распределена в пространстве равномерно, то гравитация, подобно Буриданову ослу, не знает, в каком направлении ей действовать.

Но как раз области с избытком энергии и порождает инфляция. Теперь гравитационные силы знают, на что воздействовать, а именно, на более плотные области, созданные во время инфляционного периода. Под действием гравитации эти изначально чуть-чуть более плотные области будут сжиматься и именно из них в будущем образуются звезды и галактики.

Счастливое настоящее

Современный нам момент эволюции Вселенной крайне удачно приспособлен для жизни, и длиться он будет еще много миллиардов лет. Звезды будут рождаться и умирать, галактики вращаться и сталкиваться, а скопления галактик — улетать все дальше друг от друга. Поэтому времени для самосовершенствования у человечества предостаточно.

Правда, само понятие «сейчас» для такой огромной Вселенной, как наша, плохо определено. Так, например, наблюдаемая астрономами жизнь квазаров, удаленных от Земли на 10-13 млрд световых лет, отстоит от нашего «сейчас» как раз на те самые 10-13 млрд лет.

И чем дальше в глубь Вселенной мы заглядываем с помощью различных телескопов, тем более ранний период ее развития мы наблюдаем.

Остатки сверхновой NGC 6995 — это горячий светящийся газ, образовавшийся после взрыва звезды 7-8 тыс. лет назад. По одной из версий, подобные взрывы миллиарды лет назад активно обогащали пространство тяжелыми элементами, из которых впоследствии образовывались планеты и звезды следующего поколения

Фото: Josep Drudis/NASA

Сегодня ученые в состоянии объяснить большинство свойств нашей Вселенной, начиная с момента в 10^-42 секунды и до настоящего времени и даже далее. Они могут также проследить образование галактик и довольно уверенно предсказать будущее Вселенной. Тем не менее ряд «мелких» непонятностей еще остается. Это прежде всего — сущность скрытой массы (темной материи) и темной энергии. Кроме того, существует много моделей, объясняющих, почему наша Вселенная содержит гораздо больше частиц, чем античастиц, и хотелось бы определиться в конце концов с выбором одной правильной модели.

Как учит нас история науки, обычно именно «мелкие недоделки» и открывают дальнейшие пути развития, так что будущим поколениям ученых наверняка будет чем заняться. Кроме того, более глубокие вопросы тоже уже стоят на повестке дня физиков и математиков. Почему наше пространство трехмерно? Почему все константы в природе словно «подогнаны» так, чтобы возникла разумная жизнь? И что же такое гравитация? Ученые уже пытаются ответить и на эти вопросы.

Ну и конечно, оставим место для неожиданностей. Не надо забывать, что такие основополагающие открытия, как расширение Вселенной, наличие реликтовых фотонов и энергия вакуума, были сделаны, можно сказать, случайно и не ожидались ученым сообществом.

Энергия вакуума — происхождение и последствия

Что же ждет нашу Вселенную в дальнейшем? Еще несколько лет назад у теоретиков в этой связи имелись всего две возможности. Если плотность энергии во Вселенной мала, то она будет вечно расширяться и постепенно остывать. Если же плотность энергии больше некоторого критического значения, то стадия расширения сменится стадией сжатия. Вселенная будет сжиматься в размерах и нагреваться. Значит, одним из ключевых параметров, определяющим развитие Вселенной, является средняя плотность энергии.

Так вот, астрофизические наблюдения, проводимые до 1998 года, говорили о том, что плотность энергии составляет примерно 30% от критического значения. А инфляционные модели предсказывали, что плотность энергии должна быть равна критической. Апологетов инфляционной теории это не очень смущало. Они отмахивались от оппонентов и говорили, что недостающие 70% «как-нибудь найдутся». И они действительно нашлись. Это большая победа теории инфляции, хотя найденная энергия оказалась такой странной, что вызвала больше вопросов, чем ответов.
Похоже, что искомая темная энергия — это энергия самого вакуума.

Активная газовая туманность, обнаруженная телескопом «Хаббл» в соседней галактике NGC 604. В этой гигантской газовой туманности уже родились тысячи звезд, и процесс их образования продолжается

Фото: Hui Yang (University of Illinois) and NASA/ESA, Public domain, via Wikimedia Commons

В представлении людей, не связанных с физикой, вакуум — «это когда ничего нет» — ни вещества, ни частиц, ни полей. Однако это не совсем так. Стандартное определение вакуума — это состояние, в котором отсутствуют частицы. Поскольку энергия заключена именно в частицах, то, как резонно полагали едва ли не все, включая и ученых, нет частиц — нет и энергии. Значит, энергия вакуума равна нулю.

Вся эта благостная картина рухнула в 1998 году, когда астрономические наблюдения показали, что разбегание галактик немножко отклоняется от закона Хаббла. Вызванный этими наблюдениями у космологов шок длился недолго. Очень быстро стали публиковаться статьи с объяснением этого факта.

Самым простым и естественным из них оказалась идея о существовании положительной энергии вакуума. Ведь вакуум, в конце концов, означает просто отсутствие частиц, но почему лишь частицы могут обладать энергией?

Обнаруженная темная энергия оказалась распределенной в пространстве на удивление однородно. Подобную однородность трудно осуществить, ведь если бы эта энергия была заключена в каких-то неведомых частицах, гравитационное взаимодействие заставляло бы их собраться в грандиозные конгломераты, подобные галактикам. Поэтому энергия, спрятанная в пространстве-вакууме, очень изящно объясняет устроение нашего мира.

Однако возможны и другие, более экзотические, варианты мироустроения. Например, модель Квинтэссенции, элементы которой были предложены советским физиком А.Д. Долговым в 1985 году, предполагает, что мы все еще скатываемся с той самой горки, о которой говорилось в начале нашего повествования. Причем катимся мы уже очень долго, и конца этому процессу не видно. Необычное название, позаимствованное у Аристотеля, обозначает некую «новую сущность», призванную объяснить, почему мир устроен так, а не иначе.

Сегодня вариантов ответа на вопрос о будущем нашей Вселенной стало значительно больше. И они существенно зависят от того, какая теория, объясняющая скрытую энергию, является правильной.

Предположим, что верно простейшее объяснение, при котором энергия вакуума положительна и не меняется со временем. В этом случае Вселенная уже никогда не сожмется и нам не грозит перегрев и Большой хлопок. Но за все хорошее приходится платить. В этом случае, как показывают расчеты, мы в будущем никогда не сможем достигнуть всех звезд. Более того, количество галактик, видимых с Земли, будет уменьшаться, и через 10—20 млрд лет в распоряжении человечества останется всего несколько соседних галактик, включая нашу — Млечный Путь, а также соседнюю Андромеду.

Человечество уже не сможет увеличиваться количественно, и тогда придется заняться своей качественной составляющей. В утешение можно сказать, что несколько сотен миллиардов звезд, которые будут нам доступны в столь отдаленном будущем, — это тоже немало.

Впрочем, понадобятся ли нам звезды? 20 миллиардов лет — большой срок. Ведь всего за несколько сот миллионов лет жизнь развилась от трилобитов до современного человека. Так что наши далекие потомки, возможно, будут по внешнему виду и возможностям отличаться от нас еще больше, чем мы от трилобитов.

Что же сулит им еще более отдаленное будущее, по прогнозам современных ученых? Ясно, что звезды будут тем или иным способом «умирать», но будут образовываться и новые. Этот процесс тоже не бесконечен — примерно через 10¹⁴ лет, по предположению ученых, во Вселенной останутся только слабосветящиеся объекты — белые и темные карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Почти все они также погибнут через 10³⁷ лет, исчерпав все запасы своей энергии. К этому моменту останутся лишь черные дыры, поглотившие всю остальную материю.

Что может разрушить черную дыру? Любые наши попытки сделать это лишь увеличивают ее массу. Но «ничто не вечно под Луной». Оказывается, черные дыры медленно, но излучают частицы. Значит, их масса постепенно уменьшается. Все черные дыры тоже должны исчезнуть примерно через 10¹⁰⁰ лет. После этого останутся лишь элементарные частицы, расстояние между которыми будет намного превосходить размеры современной Вселенной (примерно в 10⁹⁰ раз) — ведь все это время Вселенная расширялась! Ну и, конечно, останется энергия вакуума, которая будет абсолютно доминировать во Вселенной.

Кстати, свойства такого пространства впервые изучил В. де Ситтер еще в 1922 году. Так что нашим потомкам предстоит либо изменить физические законы Вселенной, либо перебраться в другие вселенные. Сейчас это кажется невероятным, но хочется верить в могущество человечества, как бы оно, человечество, ни выглядело в столь отдаленном будущем. Потому что времени у него предостаточно.

Кстати, возможно, что уже и сейчас мы, сами того не ведая, создаем новые вселенные. Для того чтобы в очень маленькой области возникла новая вселенная, необходимо инициировать инфляционный процесс, который возможен только при высоких плотностях энергий. А ведь экспериментаторы уже давно создают такие области, сталкивая частицы на ускорителях… И хотя эти энергии еще очень далеки от инфляционных, вероятность создания вселенной на ускорителе уже не равна нулю. К сожалению, мы являемся тем самым «удаленным наблюдателем», для которого время жизни этой «рукотворной» вселенной слишком мало, и внедриться в нее и посмотреть, что там происходит, мы не можем…

Возможные сценарии развития нашего мира

Пульсирующая модель Вселенной, при которой вслед за периодом расширения наступает период сжатия и все заканчивается Большим хлопком.
Вселенная со строго подогнанной средней плотностью, в точности равной критической. В этом случае наш мир Евклидов, и его расширение все время замедляется.
Равномерно расширяющаяся по инерции Вселенная. Именно в пользу такой открытой модели мира до последнего времени свидетельствовали данные о подсчете средней плотности нашей Вселенной.
Мир, расширяющийся со все нарастающей скоростью. Новейшие экспериментальные данные и теоретические изыскания говорят о том, что Вселенная разлетается все быстрее, и несмотря на евклидовость нашего мира, большая часть галактик в будущем будет нам недоступна. И виновата в столь странном устроении мира та самая темная энергия, которую сегодня связали с некоей внутренней энергией вакуума, заполняющего все пространство.

_{Автор: Сергей Рубин, доктор физико-математических наук}

_{Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 2, февраль 2004, частично обновлен в марте 2023}

Сергей Рубин

Теги

наука
астрофизика
космос

Как возникла Вселенная и что было дальше?

Срочная новость

Открывается прием заявок на конкурс «Снимай науку!»

08. 07.2021 | 13:37

Ученые-физики путешествуют во времени, возвращаясь на 14 млрд лет назад.

Вселенная, которую мы наблюдаем, — это односторонняя машина времени. Чем дальше находится то, что мы видим, тем сильнее оно погружено в прошлое. Но ближе к началу времен есть предел, заглянуть за который почти невозможно. Что скрывается там, за невидимым горизонтом Вселенной?

Рассказывает гость программы «Вопрос науки» — академик РАН, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН и заведующий кафедрой космологии и физики частиц Физического факультета МГУ Валерий Анатольевич Рубаков.

14 млрд лет расширения Вселенной

Мы хорошо знаем, как расширялась Вселенная с самой первой секунды. Это экспериментальный факт. Сегодня ей почти 14 млрд лет. Когда ее возраст исчислялся одной секундой, температура в ней составляла миллиарды градусов Кельвина (°К). Она была горячая, плотная и быстро-быстро расширялась! В течение секунды все расстояния увеличились вдвое. Это мы знаем из измерений одного сорта. А из измерений другого сорта мы знаем уже во всех деталях, как она была устроена, когда ее возраст составлял примерно 380 000 лет. Температура у этой довольно юной Вселенной была уже поменьше — 3000 °К.

За этим фактом стоит вся история исследований. Почему мы об этом знаем? Потому что до этого момента — 380 000 лет — Вселенная была в плазменном состоянии, состояла в основном из протонов и электронов, была непрозрачной. А когда она остыла до 3000 °К, эта плазма превратилась в газ, в основном водород. Газ был очень прозрачный для электромагнитного излучения, и оно пошло свободно гулять по Вселенной и пришло к нам. И вот, глядя на это электромагнитное излучение, мы знаем, как она была устроена.

Мы имеем фотографию того, как была устроена Вселенная в то время. Совершенно не так, как у нас сейчас. Она была очень однородная, были слабенькие неоднородности — на уровне 0,0001. По мере расширения реликтовое излучение остыло, сейчас его температура — 2,7 °К.

Фотография говорит нам о том, что Вселенная была очень однородная, но были небольшие неоднородности, которые по мере эволюции, расширения Вселенной, превращались в галактики, скопления галактик, сгущались и давали жизнь всем структурам и нам с вами в конце концов.

Конечно, первые звезды появились раньше, чем мы. Они появились примерно через 400–300 млн лет после описанного события. Но все равно потребовались многие сотни миллионов лет, чтобы образовались звезды и самые первые галактики. Этот процесс продолжался долго — все 14 млрд лет.

Мы понимаем, что Вселенная была горячей плотной средой. Мы знаем, как она расширялась и с каким темпом она расширялась. До первой секунды дойти тоже просто, ведь секунда у нас — температура миллиард градусов, это не бог весть какая температура, и физику эту мы прекрасно знаем. Мы знаем общую теорию относительности, а значит, мы знаем темп расширения Вселенной, и нет никаких больших проблем продолжить этот процесс — экстраполировать назад во времени.

В то время работала ядерная физика. Как на Солнце термоядерная реакция происходит, так и во Вселенной были термоядерные реакции, по результатам которых мы, собственно, и знаем, что происходило. Чтобы понять, что было раньше, приходится экстраполировать дальше — на основе тех знаний, которые мы сегодня имеем о физике элементарных частиц, о гравитации. Вот тут уже начинаются гипотезы.

Альтернативные гипотезы о зарождении Вселенной

Если вы пойдете дальше во времени назад на основании тех знаний, которые у нас есть сегодня, — на доли секунды после Большого взрыва, вы придете к ситуации, когда у вас есть начало: Большой взрыв. Это момент времени, когда во Вселенной была гигантская температура, гигантский темп расширения. Невозможно себе представить какой, но настолько гигантский, что мы уже перестаем иметь возможность описывать это в рамках наших представлений. Надо сказать, что Большой взрыв — это не взрыв из точки, а это сразу во всей Вселенной произошел такой поджог, если хотите.

Такая картинка не вяжется с тем, что мы знаем из этой фотографии… Если бы все было устроено так, как мы сейчас с вами обговорили, то у нас есть начало всех времен — ноликом обозначенное время. И есть распространение сигнала. С того момента, когда образовалась наша Вселенная, можно себе представить, что были испущены какие-то сигналы. Неважно какие, но они движутся со скоростью света, не быстрее. Тогда у вас есть световой конус, то есть размер, сколько пробежал этот сигнал… Области вне этого размера друг с другом не «разговаривали» к этому моменту, не могли получить никаких сведений друг о друге и обменяться никакой информацией. Мы находимся далеко впереди во времени и видим много-много таких областей, которые друг с другом никак не связаны и ничего друг о друге не знают.

А теперь посмотрите: Вселенная абсолютно одинаковая везде. Как так получилось? Одна область с другой «разговаривать» не могла, а температура в них в точности одинаковая — с гигантской, фантастической точностью. Как же получилось так, что в большущей области Вселенной температура и плотность оказались чуть-чуть поменьше, а в другом месте — чуть-чуть побольше? (На фото более холодные области обозначены темно-синим и голубым цветом, а более теплые — желтым. — Прим. ред.) Как были созданы все эти неоднородности, которые мы видим? Чтобы это понять, нужно от этой картинки уйти назад во времени гораздо дальше: отправиться далеко-далеко в прошлое, в начало Вселенной.

Существует гипотеза о том, что горячая стадия началась гораздо позже, чем изначально предполагалось. Было что-то совершенно особенное еще раньше. Наиболее красивая и правдоподобная гипотеза об этом — инфляция. Она описывает ситуацию, когда Вселенная расширяется очень быстро, чрезвычайно, невероятно быстро, и за очень короткое время становится огромной. За мельчайшие доли секунды маленький кусочек Вселенной становится огромного размера — такое может быть. И вот тогда такая картинка начинает работать. Но для этого нужно, конечно, специальную теорию создать. Потому что горячая фаза такова, что в ней Вселенная так быстро не расширяется, нужно иметь какую-то другую материю…

Энергия этой изначальной субстанции должна была перейти в тепло, и тогда началась горячая стадия. И это еще одна задачка для ученых. Первая задача — понять, почему эта Вселенная так гигантски расширилась, а другая задача — понять, как это получилось, что энергия некой субстанции (ее еще называют «инфлатон» — гипотетическая элементарная частица. — Прим. ред.) перешла в энергию частиц, в тепло. Теоретически мы умеем отвечать на все эти вопросы, а экспериментально — нет. Поэтому все это остается популярной гипотезой.

А вообще, в теории можно представить себе другие сценарии и другие модели. Например, Вселенная в самом начале могла быть примерно такой же, как сегодня. Только сегодня Вселенная расширяется, а когда-то давным-давно она могла сжиматься: медленно-медленно, потихонечку. Потом должно было произойти чудо — сжатие должно было смениться расширением… Эта теория сегодня в работе. Не я один, а мы вместе с коллегами и многие другие группы пытаются придумать теоретически самосогласованные теории, модели, где такое бы происходило. Обсуждается и другая возможность: есть недавнее предположение о том, что Вселенная вообще может начинаться с пустого плоского пространства. Пустого в том смысле, что энергии никакой в нем нет, плоское, так как в нем ничего не эволюционирует. Потом потихонечку энергия нарастает, плотность энергии и темп расширения растут, и со временем Вселенная выходит ускоренно в гигантский темп расширения. И тут опять нужно, чтобы энергия, которая обеспечивает расширение, перешла в тепло. Рассматривается такая динамика и такие уравнения. Мои итальянские коллеги назвали эту модель «Генезис» — это английское название первой книги Библии.

Что мы знаем о структуре Вселенной?

Это отдельный вопрос, как и вопрос об асимметрии между материей и антиматерией и вопрос о том, как образовалась темная материя во Вселенной. Думается, что генерация образования этих свойств произошла, скорее всего, на горячей стадии.

На языке физики элементарных частиц это называется «поля». Нужны очень необычные сущности и поля, которые обладают совершенно особенными свойствами. Во всех сценариях, которые я перечислил, требуются совершенно новые поля. Эти сущности потом никуда не делись, и, по идее, они должны быть. Но они вполне могут быть очень слабо взаимодействующими с обычной материей, с обычным веществом, из-за этого их очень трудно обнаружить в лаборатории.

А когда-то они доминировали. И нужно организовать теорию так, чтобы они тогда доминировали, а сегодня были бы безопасны с точки зрения эксперимента. Ну и можно попытаться их искать. Это тоже, как говорится, отдельный разговор — попытаться найти эти сущности.

Инфляция — очень красивая в этом отношении теория, она автоматически дает образование этих первичных неоднородностей, которые мы видим на фотографии. И более того, она дает их правильные свойства. Глядя на эту фотографию, мы можем многие свойства этих неоднородностей определить. Если правильно посмотреть на эту фотографию, мы сможем определить, какие были неоднородности, какие амплитуды были при большом размере, при меньшем размере и пр.

В свое время инфляционная теория сделала предсказание относительно того, как должна выглядеть эта фотография, когда этой фотографии еще не было. Она сделала предсказание, и предсказание оказалось прекрасно работающим. За исключением реликтовых гравитационных волн, которых пока не видно. Интересно будет узнать, кто поедет получать Нобелевскую премию, претендентов много.

Это все физика, очень сложная физика — есть теория, есть эксперимент, наблюдения. Мы перемещаемся на мельчайшие доли секунды с момента образования Вселенной или с момента ее перехода со сжатия на расширение. Сам факт, что мы туда способны заглянуть, — это уже фантастика! А мы способны заглянуть, разглядывая большие основные ее свойства на огромных расстояниях. Мы делаем предсказания. Это долгая история, конечно, много теоретических карандашей надо сломать, но мы делаем предсказания и начинаем их проверять на наблюдениях. Как только какие-то предсказания не будут согласовываться с наблюдениями, нам надо будет наши теоретические представления о физике менять.

Если и правда была инфляционная стадия, то инфляция, наверное, произошла от флуктуации, которую мы даже не умеем описывать. Это, наверное, такая стадия или состояние пространства, времени, материи, которую в современных терминах невозможно описать. Что такое сингулярность? Сингулярность — это явно какая-то квантовая, сильно взаимодействующая система, в которой все представления о пространстве, времени, энергии должны быть другими… Она страшно далеко по энергетическим масштабам. Несмотря на все попытки даже теоретически представить себе, как все это происходило, мы до сих пор этого не умеем. Но я оптимист и надеюсь, что еще при моей жизни это открытие произойдет.

Полную версию интервью с ученым смотрите на нашем канале в программе Алексея Семихатова «Вопрос науки».

«Кастрюлька», открывающая тайны Вселенной: что такое реактор ПИК

Прогноз: как наука изменит мир в ближайшие годы

«Человек может и должен летать!»

На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc. , запрещённая на территории Российской Федерации

Физика всего
Остальные теги

Расскажите друзьям

14.05.2023 | 16:02
- Раскопки
Человеческие следы возрастом 300 000 лет обнаружили в Германии
13.05.2023 | 15:57
- Техника на грани
- Внеземное
Странный воздушный шар, кружащий над южным полушарием, — это не НЛО, а новейший телескоп
12. 05.2023 | 17:05
- Наука против природы
Биологи смогли вырастить эмбрионы приматов вне матки дольше, чем когда-либо
12.05.2023 | 15:45
- Эволюция сегодня
- Живое
Похожие на носорогов вымершие родичи лошадей стали гигантскими рекордно быстро
12.05.2023 | 13:20
- Внеземное
Марсоход Perseverance показал фото возможного русла мощнейшей древней марсианской реки

Midjourney
Космические происшествия
East News
Почему мы опаздываем?
Shutterstock
60 новых генетических заболеваний открыли после огромного исследования
Shutterstock
Первые сложные растения колонизировали сушу свыше 444 млн лет назад: исследование
Канарский институт астрофизики
10 необычных экзопланет, открытых или изученных в 2022 году

Хотите быть в курсе последних событий в науке?

Оставьте ваш email и подпишитесь на нашу рассылку

Ваш e-mail

Нажимая на кнопку «Подписаться», вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Большой взрыв: что на самом деле произошло при рождении нашей Вселенной?

Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.

(Изображение предоставлено: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY через Getty Images)

Потребовалось чуть больше семи дней, чтобы создать вселенную, какой мы ее знаем сегодня. SPACE.com рассматривает тайны небес в нашей серии из восьми частей:

История и будущее космоса . Это 5 часть из этой серии.

Наша Вселенная родилась около 13,7 миллиардов лет назад в результате массивного расширения, которое взорвало пространство, как гигантский воздушный шар.

Вкратце это и есть теория Большого Взрыва, которую поддерживают практически все космологи и физики-теоретики. Доказательства, подтверждающие эту идею, обширны и убедительны. Мы знаем, например, что Вселенная продолжает расширяться даже сейчас с постоянно ускоряющейся скоростью.

Ученые также обнаружили предсказанный тепловой отпечаток Большого взрыва, пронизывающее вселенную космическое микроволновое фоновое излучение. И мы не видим никаких объектов явно старше 13,7 миллиардов лет, что позволяет предположить, что наша Вселенная возникла примерно в это время.

«Все эти вещи ставят теорию Большого взрыва на чрезвычайно прочную основу», — сказал астрофизик Алекс Филиппенко из Калифорнийского университета в Беркли. «Большой взрыв — чрезвычайно успешная теория».

Чему учит нас эта теория? Что на самом деле произошло при рождении нашей Вселенной и как она приняла форму, которую мы наблюдаем сегодня?

Связанный: История Вселенной: от Большого взрыва до наших дней за 10 простых шагов

Начало

Традиционная теория Большого взрыва утверждает, что наша Вселенная началась с сингулярности — точки бесконечной плотности и температуры, природа которой сложна для нашего разума, чтобы понять. Однако это может не совсем точно отражать реальность, говорят исследователи, потому что идея сингулярности основана на общей теории относительности Эйнштейна.

«Проблема в том, что нет никаких оснований верить в общую теорию относительности в этом режиме», — сказал Шон Кэрролл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института. «Это будет неправильно, потому что не принимает во внимание квантовую механику. А квантовая механика, безусловно, будет важна, как только вы доберетесь до этого места в истории Вселенной».

Итак, самое начало вселенной остается довольно туманным. Ученые считают, что они могут воспроизвести историю примерно через 10 с минус 36 секунд — одну триллионную от триллионной триллионной доли секунды — после Большого взрыва.

В этот момент, по их мнению, Вселенная претерпела чрезвычайно короткий и драматический период расширения, расширяясь со скоростью, превышающей скорость света. Он удвоился в размере, возможно, в 100 или более раз, и все это в течение нескольких крошечных долей секунды.

(Может показаться, что инфляция нарушает специальную теорию относительности, но это не так, говорят ученые. Специальная теория относительности утверждает, что никакая информация или материя не могут переноситься между двумя точками в пространстве со скоростью, превышающей скорость света. Но инфляция была расширение самого пространства.)

«Инфляция была «взрывом» Большого Взрыва, — сказал Филиппенко SPACE.com. — До инфляции было немного вещества, которое, вполне возможно, немного расширялось. Нам нужно было что-то вроде инфляции, чтобы сделать Вселенная большая».

Эта быстро расширяющаяся вселенная практически не содержала материи, но, согласно теории, содержала огромное количество темной энергии. Темная энергия — это таинственная сила, которая, по мнению ученых, является движущей силой нынешнего ускоряющегося расширения Вселенной.

Во время инфляции темная энергия заставила Вселенную сгладиться и ускориться. Но это не задержалось надолго.

«Это была просто временная темная энергия», — сказал Кэрролл SPACE.com. «Он превратился в обычную материю и излучение посредством процесса, называемого повторным нагревом. Вселенная превратилась из холодной во время инфляции в горячую снова, когда вся темная энергия исчезла».

Ученые не знают, что могло вызвать инфляцию. По словам Филиппенко, это остается одним из ключевых вопросов космологии Большого взрыва.

На этом рисунке показана временная шкала Вселенной, основанная на теории Большого взрыва и моделях инфляции. (Изображение предоставлено NASA/WMAP)

Большой отскок

Большинство космологов считают инфляцию ведущей теорией для объяснения характеристик Вселенной — в частности, почему она относительно плоская и однородная, с примерно одинаковым количеством вещества, равномерно распределенным во всех направлениях.

Различные доказательства указывают на то, что инфляция является реальностью, сказал физик-теоретик Энди Альбрехт из Калифорнийского университета в Дэвисе.

«Все они прекрасно сочетаются с картиной инфляции», — сказал Альбрехт, один из создателей теории инфляции. «Инфляция сделала невероятно хорошо».

Однако инфляция — не единственная идея, пытающаяся объяснить структуру Вселенной. Теоретики придумали другую, названную циклической моделью, которая основана на более ранней концепции, называемой экпиротической вселенной.

Эта идея гласит, что наша Вселенная не возникла из одной точки или чего-то подобного. Скорее, она отскочила в сторону расширения — гораздо более спокойными темпами, чем предсказывает теория инфляции — из ранее существовавшей Вселенной, которая сжималась. Если эта теория верна, наша Вселенная, вероятно, претерпела бесконечную череду взрывов и схлопываний.

«Начало нашей вселенной было бы прекрасным и конечным», — сказал Берт Оврут из Пенсильванского университета, один из создателей экпиротической теории.

Циклическая модель утверждает, что наша Вселенная состоит из 11 измерений, из которых мы можем наблюдать только четыре (три пространственных и одно временное). Наша четырехмерная часть Вселенной называется браной (сокращение от мембраны).

Согласно этой идее, в 11-мерном пространстве могут скрываться и другие браны. Столкновение двух бран могло привести к тому, что Вселенная перешла от сжатия к расширению, спровоцировав Большой взрыв, свидетельство которого мы наблюдаем сегодня.

На этом изображении всего неба космического микроволнового фона, созданном спутником «Планк» Европейского космического агентства, видны отголоски Большого взрыва, оставшиеся со времен зарождения Вселенной. (Изображение предоставлено ESA/LFI & HFI Consortia)

Известная нам Вселенная обретает форму

Но, во-первых, как наша Вселенная возникла из ничего? Космологи подозревают, что четыре силы, управляющие Вселенной — гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное ядерное взаимодействие — были объединены в единую силу при рождении Вселенной, сжатые вместе из-за связанных с этим экстремальных температур и плотностей.

Но все изменилось, когда Вселенная расширилась и остыла. Примерно во время инфляции сильное взаимодействие, вероятно, отделилось. И примерно через 10 триллионных долей секунды после Большого взрыва электромагнитное и слабое взаимодействия также стали различаться.

Сразу после инфляции Вселенная, вероятно, была заполнена горячей плотной плазмой. Но примерно за 1 микросекунду (от 10 до минус 6 секунд) или около того он достаточно остыл, чтобы позволить сформироваться первым протонам и нейтронам, считают исследователи.

В первые три минуты после Большого взрыва эти протоны и нейтроны начали сливаться вместе, образуя дейтерий (также известный как тяжелый водород). Затем атомы дейтерия соединились друг с другом, образовав гелий-4.

Рекомбинация: Вселенная становится прозрачной

Все вновь созданные атомы были положительно заряжены, поскольку Вселенная была еще слишком горячей, чтобы способствовать захвату электронов.

Но все изменилось примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. В эпоху, известную как рекомбинация, ионы водорода и гелия начали захватывать электроны, образуя электрически нейтральные атомы. Свет значительно рассеивается на свободных электронах и протонах, но гораздо меньше на нейтральных атомах. Так что теперь фотоны могли свободно путешествовать по Вселенной.

Рекомбинация кардинально изменила облик Вселенной; это был непрозрачный туман, а теперь он стал прозрачным. Космическое микроволновое фоновое излучение, которое мы наблюдаем сегодня, относится к этой эпохе.

Тем не менее, Вселенная долгое время была довольно темной после рекомбинации, по-настоящему загоревшись только тогда, когда первые звезды начали сиять примерно через 300 миллионов лет после Большого Взрыва. Они помогли отменить многое из того, что было достигнуто рекомбинацией. Эти ранние звезды — и, возможно, некоторые другие таинственные источники — испускали достаточно радиации, чтобы расщепить большую часть водорода во Вселенной обратно на составляющие его протоны и электроны.

Этот процесс, известный как реионизация, похоже, завершился примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва. Вселенная сегодня не непрозрачна, как это было до рекомбинации, потому что она так сильно расширилась. По словам ученых, вещество во Вселенной очень разбавлено, поэтому взаимодействия, связанные с рассеянием фотонов, относительно редки.

Со временем звезды притягивались друг к другу, образуя галактики, что приводило к образованию все более крупномасштабных структур во Вселенной. Планеты объединились вокруг некоторых недавно образовавшихся звезд, включая наше собственное Солнце. А 3,8 миллиарда лет назад на Земле зародилась жизнь.

До Большого Взрыва?

Хотя многое о первых мгновениях Вселенной остается спекулятивным, вопрос о том, что предшествовало Большому Взрыву, еще более загадочен и труден для решения.

Во-первых, сам вопрос может быть бессмысленным. Если Вселенная возникла из ничего, как считают некоторые теоретики, то Большой взрыв отмечает момент, когда началось само время. В этом случае не было бы такого понятия, как «раньше», сказал Кэрролл.

Но некоторые концепции рождения вселенной могут предложить возможные ответы. Циклическая модель, например, предполагает, что нашей расширяющейся Вселенной предшествовала сжимающаяся Вселенная. Кэрролл тоже может вообразить, что что-то существовало до Большого взрыва.

«Это может быть просто пустое пространство, которое существовало до того, как произошел наш Большой Взрыв, а затем какая-то квантовая флуктуация породила вселенную, подобную нашей», — сказал он. «Вы можете представить себе небольшой пузырь пространства, оторвавшийся в результате флуктуации и наполнившийся крошечной каплей энергии, которая затем может вырасти во вселенную, которую мы видим благодаря инфляции».

Филиппенко тоже подозревает, что что-то в этом роде может быть правдой.

«Я думаю, что время в нашей вселенной началось с Большого взрыва, но я думаю, что мы были отклонением от предшественника, материнской вселенной», — сказал Филиппенко.

Узнаем ли мы когда-нибудь?

Миссия Европейского космического агентства «Планк», которая вращалась вокруг Земли с 2009 по 2013 год, помогла космологам уточнить свои представления о природе нашей Вселенной и ее происхождении. Подробная карта космического микроволнового фона, созданная космическим кораблем, показала, что наша Вселенная, даже если она возникла от предшественницы, вряд ли снова сожмется в будущем, сказал Space.com астрофизик Дэйв Клементс из Имперского колледжа Лондона.

«Планк не может полностью исключить концепцию прыгающей Вселенной, но, учитывая текущие значения космологических параметров, наша Вселенная не собирается повторно коллапсировать», — сказал Клементс. «Компонент темной энергии, который в данный момент ускоряет расширение Вселенной, должен измениться, чтобы обратить это расширение вспять и привести к большому сжатию».

Используя данные Планка, ученые смогли уточнить свои оценки возраста Вселенной, а также количества видимой материи, темной материи и темной энергии в ней. По словам Клементса, миссия не преподнесла никаких сюрпризов и в основном подтвердила существующие теории.

«Это показывает, что это максимально скучная вселенная», сказал Клементс.

Тем не менее, по его результатам возникло несколько новых вопросов. Например, постоянная Хаббла, описывающая скорость расширения Вселенной, кажется незначительно отличающейся, измеренной Планком в далекой Вселенной, по сравнению с ее значением, полученным космическим телескопом Хаббла на основе измерений в ближней Вселенной, сказал Клементс.

Вся эта информация помогает космологам лучше моделировать эволюцию Вселенной и приближаться к ответам на важные вопросы о происхождении всего сущего. Ожидается, что предстоящая миссия Европейского космического агентства под названием «Евклид» , запуск которой запланирован на 2023 год, сделает дальнейшие шаги в этом направлении.

Что дальше

Миссия Евклид будет изучать, как скопления и галактики разбросаны по Вселенной в больших масштабах, чтобы помочь астрономам лучше понять эффекты темной энергии. Он также будет изучать то, что астрономы называют слабым гравитационным линзированием, искривление света, вызванное гравитационным притяжением очень массивных объектов. Поскольку более 80% материи во Вселенной невидимы, сила линзирования может дать астрономам подсказки о распределении темной материи.

«Евклид сможет измерить это в гораздо, гораздо больших масштабах, возможно, почти на половине внегалактического неба или даже больше», — сказал Клементс.

Дальнейшие фрагменты этой космической головоломки могут появиться при изучении гравитационных волн, пульсаций пространства-времени, возникающих при столкновениях сверхмассивных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды.

Гравитационные волны, сказал Клементс, должны были возникнуть во время инфляции, периода быстрого расширения в первые моменты существования Вселенной. Таким образом, обнаружение этих ранних гравитационных волн и расшифровка их свойств могут дать беспрецедентные знания о рождении Вселенной.

«Это расскажет нам кое-что о физике, которая привела к раннему очень быстрому расширению Вселенной», — сказал Клементс. «Мы действительно возвращаемся к самым, самым ранним моментам, и если мы лучше поймем инфляцию, мы, надеюсь, сможем лучше понять, был ли Большой взрыв единичным событием или эта прыгающая идея может быть правильной».

Вы можете следить за старшим писателем SPACE.com Майком Уоллом в Твиттере: @michaeldwall. Подписывайтесь на SPACE.com, чтобы быть в курсе последних новостей космической науки и исследований, в Twitter @Spacedotcom и на Facebook.

Дополнительные ресурсы

Чтобы узнать больше о миссии «Планк» и ее стремлении понять происхождение Вселенной, посетите веб-сайт Европейского космического агентства. Для получения информации о предстоящей миссии EUCLID перейдите сюда.

Для получения дополнительной информации об изучении первичных гравитационных волн и о том, как они могут помочь раскрыть тайны рождения Вселенной, прочитайте эту статью Массачусетского технологического института.

Библиография

Муйя, Ф., Большой взрыв: как мы пытаемся его «прислушаться» и какую новую физику он может открыть, The Conversation, 15 июля 2021 г.
https://theconversation.com/big-bang-how-we-are-trying-to-listen-to-it-and-the-new-physics-it-could-unveil-164502

Кастельвекки, Д. , Как гравитационные волны могут разгадать некоторые из глубочайших загадок Вселенной, Природа, 11 апреля 2018 г.
https://sci.esa.int/web/planck

ESA, Euclid

https://sci.esa.int/web/euclid

Эта справочная статья, первоначально опубликованная 21 октября 2011 г., была обновлена 4 февраля 2022 г.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Получайте последние космические новости и последние новости о запусках ракет, наблюдениях за небом и многом другом!

Свяжитесь со мной, чтобы сообщить о новостях и предложениях от других брендов Future. Получайте электронные письма от нас от имени наших надежных партнеров или спонсоров.

Майкл Уолл — старший космический обозреватель Space.com (открывается в новой вкладке) и присоединился к команде в 2010 году. В основном он освещает экзопланеты, космические полеты и военный космос, но, как известно, увлекается космическим искусством. Его книга о поисках инопланетной жизни «Out There» была опубликована 13 ноября 2018 года. Прежде чем стать научным писателем, Майкл работал герпетологом и биологом дикой природы. У него есть докторская степень.

по эволюционной биологии Сиднейского университета, Австралия, степень бакалавра Аризонского университета и диплом о высшем образовании в области научного письма Калифорнийского университета в Санта-Круз. Чтобы узнать, какой у него последний проект, вы можете подписаться на Майкла в Твиттере.

Большой взрыв: что на самом деле произошло при рождении нашей Вселенной?

Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.

(Изображение предоставлено: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY через Getty Images)

Потребовалось чуть больше семи дней, чтобы создать вселенную, какой мы ее знаем сегодня. SPACE.com рассматривает тайны небес в нашей серии из восьми частей: История и будущее космоса . Это 5 часть из этой серии.

Связанный: История Вселенной: от Большого взрыва до наших дней за 10 простых шагов

Начало

«Это была просто временная темная энергия», — сказал Кэрролл SPACE. com. «Он превратился в обычную материю и излучение посредством процесса, называемого повторным нагревом. Вселенная превратилась из холодной во время инфляции в горячую снова, когда вся темная энергия исчезла».