Из чего на данный момент образовалась Вселенная
содержание
Из чего образовалась Вселенная?
Известная Вселенная образована галактиками, звездами, туманностями, планетами, спутниками, кометами, астероидами и излучением. Также возможно, что существует материя в еще не обнаруженной форме.
Что еще существует во Вселенной?
Самым распространенным химическим элементом во Вселенной является водород (H). Подсчитано, что он составляет 75% массы всей материи и 93% атомов в космосе. Это также самый простой и легкий химический элемент, в котором всего один протон в ядре и один электрон в его электроне.
Как называется Вселенная, в которой мы живем?
Мы живем в галактике под названием Млечный Путь, где расположена Солнечная система.
В какой части Вселенной мы находимся?
Каков наш адрес во Вселенной? Ответ: Наша планета Земля находится в Солнечной Системе, в Межзвездном Окрестности, в пределах Млечного Пути, который является просто галактикой Местной Группы, расположенной в Скоплении Девы, в пределах Сверхскопления Ланиакея, во Вселенной.
Сколько вселенных в мире?
Открытие планет, расположенных за пределами Солнечной системы, также называемых экзопланетами, способствует изучению возможных признаков жизни во Вселенной.
На что похожа наша Вселенная?
Вселенная огромна и должна существовать не менее 13 миллиардов лет. Несмотря на огромное количество галактик, звезд и планет, Вселенная пустее, чем мы себе это представляем: расстояние, разделяющее небесные тела, как правило, очень велико.
Что идет после космоса?
Вселенная – это все, что физически существует, сумма пространства и времени и самых разнообразных форм материи, таких как планеты, звезды, галактики и составляющие межгалактического пространства.
Что находится в бесконечности космоса?
Когда-то считалось, что космос бесконечен, но более поздние исследования показывают, что это не так.
Почему число 42 является ответом на все вопросы?
Многие люди называют это ответом на необъяснимые вопросы вроде «в чем смысл жизни, вселенной и всего остального?»… и ответ на такую экзистенциальную сложность просто «42». Этот вопрос поднимался в серии книг Дугласа Адамса «Автостопом по Галактике».
Как образовалась жизнь?
Во время формирования планеты Земля, примерно 4,5 миллиарда лет назад, органические молекулы, состоящие из углерода, агрегировались и давали начало ингредиентам, необходимым для развития жизни.
Что находится в центре Вселенной?
В центре каждой галактики во Вселенной находится сверхмассивная черная дыра. Примерно через миллиард лет после Большого взрыва родились и слились первые звезды, образовав вращающееся вокруг себя тело.
Что находится в центре нашей галактики?
В центре нашей галактики находится сверхмассивная черная дыра весом в четыре миллиона солнц.
Окруженная ярким диском вращающейся материи, эта бездонная яма пространства-времени обычно скрыта облаком газа, пыли и вращающихся вокруг звезд.
Можно ли выжить на других планетах?
«Возможно, жизнь зародилась не на Земле, а где-то еще». Еще более захватывающей возможностью является пример второго генезиса, если биология Марса не имеет отношения к нам и предполагает независимое происхождение жизни.
Как Земля во Вселенной?
Планета Земля во Вселенной
По отношению к Солнцу планета Земля является третьей по расстоянию. Перед ним Меркурий и Венера, а позади него Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Среди каменистых планет или планет земной группы Земля является самой большой как по плотности, так и по диаметру.
Сколько солнечных систем в нашем Млечном Пути?
Из 2.034 звездных систем, которые находятся на расстоянии не более 326 световых лет, 1.
715 находятся или прошли через область, где мы можем нас видеть, и еще 319 систем добавятся к этой группе в следующие XNUMX лет.
Что такое Царь Вселенной?
Иисуса стали призывать как Царя народов, наций и царя вселенной. Это произошло в декабре 1925 года. Таким образом, это праздник, который лишь недавно был введен в литургический календарь.
Kepler 186f
| экзопланета | Звезды с экзопланетами |
| Представление художника об экзопланете | |
| мать звезда | |
|---|---|
| Estrela | Кеплер-186 |
| Созвездие | лебедь |
Что существует за пределами Солнечной системы?
Экзопланеты — это планеты, находящиеся за пределами Солнечной системы, вращающиеся вокруг других звезд, то есть являющиеся частью других планетных систем.
К 2019 году Североамериканское космическое агентство (НАСА) уже подтвердило существование более 4000 экзопланет и чуть более 3000 планетных систем.
Как говорить о Вселенной?
Как общаться со Вселенной? Вселенная может послать вам сигнал через людей, изображения, музыку, животных или другими способами. В случае с бабочкой вы можете не увидеть настоящую бабочку, но вы можете увидеть бабочку на картинке, свитере или слове «бабочка», написанном где-нибудь.
Сколько у тебя звезд?
Наша галактика Млечный Путь насчитывает от 200 до 400 миллиардов звезд. В галактиках в среднем сотни миллиардов звезд. И оценки также указывают на сотни миллиардов галактик во Вселенной. Это привело бы к существованию более 10 секстиллионов звезд.
Где находится Земля в Млечном Пути?
Наша Солнечная система расположена в рукаве под названием Орион.
Наше Солнце находится в 26.000 250 световых лет от центра Млечного Пути. Его скорость вокруг галактического ядра составляет 200 км/с, а полный оборот вокруг галактики занимает около XNUMX миллионов лет.
Где заканчивается земля?
Воображаемая линия, отделяющая Землю от космоса, называется линией Кармана в честь венгерско-американского физика Теодора фон Кармана.
Какая температура в космосе?
Космос — очень холодное место. Правильная температура в вакууме и вдали от любой звезды составляет около -270 градусов по Цельсию. Этой температуры было бы достаточно, чтобы заморозить водород на Земле, но она все же на несколько градусов выше того, что считается «абсолютным нулем» — самой низкой точкой. насколько это возможно.
Что под космосом?
Эта среда состоит из частичного вакуума, содержащего частицы с низкой плотностью, преимущественно водородную и гелиевую плазму, в дополнение к электромагнитному излучению, магнитным полям, нейтрино, межзвездной пыли и космическим лучам.
Что выше бесконечности?
Еще большее число называется гуголплексом, который представляет собой число 1, за которым следуют гугол-нули. Трудно даже представить! Чтобы написать это число, нам понадобилась бы стопка бумаги, которая, вероятно, не поместилась бы даже во Вселенной! Какими бы большими ни были эти числа, их нельзя сравнивать даже близко к бесконечности.
Кто создал Млечный Путь?
Одна из основных гипотез состоит в том, что Млечный Путь родился вскоре после Большого Взрыва из облака, состоящего из водорода, гелия и космической пыли. Со временем это облако разделилось бы на несколько других облаков, которые развивались независимо друг от друга, дав начало галактикам.
Есть ли что-то за пределами бесконечности?
В 1891 году математик Георг Кантор доказал, что одни бесконечности больше других и что самые большие бесконечности прячутся в промежутках между числами, а не за ними. Его открытие будет увековечено в сказке о невозможном отеле с бесконечным количеством номеров.
Кто такой Ангел 42?
Микаэль – Ангел 42 – Божественная Гармония.
Каков ответ на мир, вселенную и все остальное?
Одна из теорий, выдвинутых Дугласом Адамсом в серии книг «Автостопом по Галактике», состоит в том, что компьютер смог вычислить ответ на «фундаментальный вопрос жизни, Вселенной и всего остального»: 42.
Какое число 42?
Таблица измерений
| US | BR | ЕВРО |
|---|---|---|
| 7.5 | 39 | 41 |
| 8.5 | 40 | 42 |
| 9.5 | 41 | 43 |
| 10 | 42 | 44 |
Где родился мир?
Ученые определили местонахождение «родины» современного человека в регионе к югу от реки Замбези, на территории современной Северной Ботсваны, Африка. В настоящее время этот район покрыт солончаками, но когда-то здесь находилось огромное озеро, которое, возможно, было домом наших предков 200 XNUMX лет назад.
Какой была первая форма жизни?
Самые ранние формы жизни, известные на планете Земля, представляют собой окаменелые микроорганизмы, обнаруженные в отложениях гидротермальных источников.
Первое появление жизни на Земле — это событие, его точное временное и пространственное положение до сих пор неизвестно.
Каково происхождение нашей планеты?
Земля возникла около 4.5 миллиардов лет назад вместе с Солнечной системой, возникшей из первичного облака. В центре его концентрация материи породила Солнце, а вокруг облака образовались более мелкие тела, давшие начало планетам и планетоидам.
Каков предел Вселенной?
78 миллиардов световых лет.
Это нижняя граница размера всей Вселенной, основанная на предполагаемом текущем расстоянии между точками, которые мы можем видеть на противоположных сторонах космического микроволнового фона; поэтому он представляет собой диаметр пространства, образованного космическим фоновым излучением.
Каково число нашей Вселенной?
Согласно ее предполагаемому возрасту, который составляет 13,5 миллиардов лет, есть также оценки ее нынешнего размера, который составляет 156 миллиардов световых лет. Следует отметить, что скорость расширения Вселенной намного превышает скорость света.
Как назвать человека в центре Вселенной?
Антропоцентризм — это философское учение, которое ставит фигуру человека как «центр мира», подчеркивая важность человечества по сравнению с другими вещами, составляющими Вселенную.
Есть ли выход из нашей галактики?
Технология, необходимая для межгалактических путешествий, выходит за рамки нынешних человеческих возможностей и в настоящее время является предметом спекуляций, гипотез и научной фантастики. Однако с научной точки зрения ничто не указывает на то, что межгалактические путешествия невозможны.
Какая самая важная звезда в Млечном Пути?
Сириус, самая яркая звезда на небе (после Солнца), находится на расстоянии 8,6 световых лет от Земли.
Какая самая большая звезда в нашей галактике?
1-й — VY Большого Пса: также известный как VY Cma, этот гипергигант имеет красноватое свечение, его диаметр в 2.100 раз больше, чем у Солнца.
На каких планетах мы живем?
Планета Земля – это планета, населенная нами, живыми существами.
Также известная как водная планета, это самая большая из четырех скалистых планет, составляющих Солнечную систему.
Почему Земля является обитаемой планетой?
Необычайная газообразная атмосфера Земли ответственна за возможность жизни на этой третьей планете от Солнца. Наша атмосфера содержит водяной пар, который помогает снизить дневную температуру.
Можно ли выжить на Юпитере?
Фактически, она более чем в сто раз ниже концентрации воды, необходимой для самых выносливых земных существ, что делает почти невозможным выживание любого существа в этом месте. Атмосфера Юпитера по-прежнему является очень неблагоприятным местом для выживания, не в последнюю очередь потому, что здесь происходит самый сильный шторм в Солнечной системе.
Что находится в центре Вселенной?
В центре каждой галактики во Вселенной находится сверхмассивная черная дыра. Примерно через миллиард лет после Большого взрыва родились и слились первые звезды, образовав вращающееся вокруг себя тело.
Что образует галактику?
Галактики — это гигантские системы, состоящие из миллиардов звезд. Некоторые из них содержат большое количество газа и пыли, образуя спиральные рукава, в которых формируются новые звезды. Типичный диаметр галактик, таких как наш Млечный Путь, составляет 100.000 XNUMX световых лет.
«Всё из ничего: как возникла Вселенная»
Наше печальное будущее
В каком-то смысле обнаружить, что живешь во Вселенной, где всем правит ничто, интересно и восхитительно.
Структуры, которые мы видим, вроде звезд и галактик, возникли из ничего в результате квантовых флуктуаций. В среднем полная ньютоновская гравитационная энергия каждого объекта во Вселенной равна — ничему. Наслаждайтесь этой мыслью, пока есть возможность, поскольку, если все это правда, мы живем чуть ли не в самой худшей из вселенных, по крайней мере с точки зрения будущего всех живых организмов.
Вспомним, что всего 100 лет назад Эйнштейн разработал ОТО. Тогда все считали, что наша Вселенная неизменна и вечна. Более того, Эйнштейн не просто высмеял Леметра за предположение о Большом взрыве, но даже выдумал космологическую постоянную, лишь бы сохранить стационарную модель Вселенной.
Сейчас, по прошествии века, мы, ученые, можем гордиться, что открыли столько фундаментального — и расширение Вселенной, и реликтовое излучение, и темное вещество, и темную энергию.
Но что таит в себе будущее?
А будущее наше очень поэтично. Если можно так выразиться.
Вспомним: вывод о том, что в расширении нашей Вселенной доминирует энергия пустого на первый взгляд пространства, делается на основании того факта, что расширение происходит с ускорением.
И, как и ранее обстояло с инфляцией и как описано в предыдущей главе, наша наблюдаемая Вселенная стоит на пороге расширения со скоростью больше скорости света. А со временем из-за расширения с ускорением все станет только хуже.
Это означает, что чем дольше мы будем ждать, тем меньше сможем видеть. Галактики, которые мы видим сейчас, в один прекрасный день начнут удалятся от нас со сверхсветовой скоростью, а это значит, что они станут для нас невидимыми: свет, который они испускают, не сможет преодолеть расширяющееся пространство и никогда до нас не долетит. Эти галактики исчезнут с нашего горизонта.
Произойдет это не совсем так, как вы, возможно, себе представляете. Галактики не то чтобы вдруг погаснут и вмиг исчезнут с ночного неба. Просто по мере приближения скорости их удаления к скорости света будет увеличиваться красное смещение. В конце концов весь видимый свет от них сдвинется в инфракрасное, микроволновое, затем радиоизлучение и так далее до тех пор, пока длина волны света, который они испускают, не станет больше размера видимой Вселенной, и в этот момент их можно будет официально признать невидимыми.
Можно посчитать, сколько времени это займет. Поскольку галактики в нашем скоплении связаны взаимным гравитационным притяжением, они не удаляются от нас в связи с фоновым расширением Вселенной, которое открыл Хаббл. Галактики за пределами нашей группы находятся примерно на 1/5000 расстояния до той точки, где скорость удаления объектов приближается к световой. Чтобы туда добраться, у них уйдет около 150 млрд лет, примерно в 10 раз больше нынешнего возраста Вселенной, и тогда весь свет от звезд в этих галактиках сдвинется в красную сторону примерно в 5000 раз. Примерно через 2 трлн лет их свет сдвинется в красную сторону настолько, что длина его волны станет равна размеру видимой Вселенной — и вся остальная часть Вселенной буквально исчезнет.
Казалось бы, 2 трлн лет — большой срок. Так и есть. Однако с космической точки зрения это отнюдь не вечность. Самые долгоживущие звезды главной последовательности (у которых такая же эволюционная история, как и у нашего Солнца) проживут гораздо дольше Солнца и через 2 трлн лет будут еще вовсю светить (в то время как наше Солнце погибнет всего через 5 млрд лет).
Так что в отдаленном будущем на планетах вокруг этих звезд вполне могут быть цивилизации, черпающие энергию от своих светил, с водой и органическими соединениями. И астрономы с телескопами тоже вполне могут быть. Посмотрят они в космос — а там все, что мы видим сейчас, все 400 млрд галактик, составляющих на сегодня нашу видимую Вселенную, возьмут и исчезнут!
Я пытался донести этот довод до Конгресса, чтобы убедить его увеличить финансирование космологических исследований прямо сейчас, пока у нас еще есть время наблюдать все это. Однако для конгрессмена даже два года — долгий срок, а уж на 2 трлн лет вперед он заглянуть просто не в состоянии.
Так или иначе астрономов далекого будущего ждал бы большой сюрприз, если бы только они знали, что теряют. Но этого они знать не будут. Как несколько лет назад выяснили мы с коллегой Робертом Шеррером из Университета Вандербильта, исчезнет не только вся остальная Вселенная — по существу, исчезнут и все свидетельства, которые говорят нам сегодня, что мы живем в расширяющейся Вселенной, начавшейся с Большого взрыва, вместе со всеми свидетельствами существования в пустом пространстве темной энергии, которую можно было бы обвинить в этой пропаже.
А ведь не прошло и 100 лет с тех пор, когда все считали, что Вселенная неизменна и вечна, то есть звезды и планеты появляются и исчезают, но на больших масштабах Вселенная остается как была. Получается, что в далеком будущем, когда от нашей планеты и цивилизации, скорее всего, не останется даже праха на свалке истории, иллюзия, которую наша цивилизация разделяла до 1930-х гг., вернется и отомстит за себя сторицей.
К эмпирическому доказательству Большого взрыва привели три основные вехи — три наблюдения, благодаря которым, даже если бы на свете не было ни Эйнштейна, ни Леметра, нам все равно волей-неволей пришлось бы признать, что Вселенная в самом начале была плотной и горячей. Это наблюдения расширения Вселенной, которые проделал Хаббл; это наблюдения космического микроволнового фона; это соответствие наблюдаемой распространенности во Вселенной легких элементов — водорода, гелия и лития — тем количествам, которые должны были возникнуть в первые несколько минут истории Вселенной.
Начнем с хаббловского расширения Вселенной. Откуда мы знаем, что Вселенная расширяется? Мы измерили скорость удаления далеких объектов в зависимости от расстояния до них. Но, когда все видимые объекты вне нашего галактического скопления (в котором все мы связаны узами гравитации) исчезнут за горизонтом, не останется никаких следов расширения, которые наблюдатели могли бы зарегистрировать, — ни звезд, ни галактик, ни квазаров, ни даже огромных газовых облаков. Расширение достигнет таких масштабов, что вынесет из нашего поля зрения все объекты, которые от нас удаляются.
Более того, на масштабе менее 1 трлн лет все галактики в нашей местной группе слипнутся в своего рода огромную сверхгалактику. Наблюдатели в далеком будущем увидят примерно то же самое, что мы могли увидеть в 1915 г.: одну-единственную галактику, в которой находится их звезда и их планета, окруженную обширным пустым и неизменным пространством.
Напомню также, что все свидетельства того, что пустое пространство обладает энергией, мы получаем из наблюдений темпа, с которым ускоряется расширение нашей Вселенной.
А без признаков расширения понять, что оно еще и ускоряется, будет невозможно. Вообще-то по странному совпадению мы живем в ту единственную эпоху истории Вселенной, когда наличие темной энергии, наполняющей пустое пространство, в принципе довольно легко зарегистрировать. Конечно, эта эпоха длится несколько сотен миллиардов лет, но в вечно расширяющейся Вселенной это всего лишь мгновение космического ока.
Если мы предположим, что энергия пустого пространства относительно постоянна, как было бы в случае космологической постоянной, то в гораздо более ранние времена плотность энергии вещества и излучения значительно превосходила бы плотность энергии пустого пространства — просто потому, что при расширении Вселенной плотность вещества и излучения снижается, поскольку растет расстояние между частицами, поэтому в заданном объеме остается меньше объектов. В более ранние времена, скажем 5–10 млрд лет назад, плотность вещества и излучения была гораздо больше, чем сегодня. Поэтому во Вселенной тогда и раньше преобладали вещество и излучение со своим гравитационным притяжением.
Расширение Вселенной в те ранние времена замедлялось, а гравитационное воздействие энергии пустого пространства невозможно было бы зарегистрировать.
По тем же соображением в далеком будущем, когда Вселенной исполнится несколько сотен миллиардов лет, плотность вещества и излучения станет еще меньше, и можно подсчитать, что средняя плотность темной энергии будет превосходить плотность всего оставшегося во Вселенной вещества и излучения намного более, чем в тысячу миллиардов раз. К этому времени она будет полностью управлять гравитационной динамикой Вселенной на больших масштабах. Однако в эту позднюю эпоху ускоренное расширение Вселенной станет невозможно пронаблюдать. В этом смысле энергия пустого пространства по самой своей природе обеспечивает определенный, конечный отрезок времени, в который его можно наблюдать, и мы, что примечательно, живем именно в этот космологический момент.
Подробнее читайте:
Краусс, Лоуренс. Всё из ничего: Как возникла Вселенная / Лоуренс Краусс ; Пер.
с англ. [Анастасия Бродоцкая и Наталья Лисова, под научной редакцией Игоря Лисова] — М.: Альпина нон-фикшн, 2019. — 283 с.
История вселенной: от Большого взрыва до наших дней за 10 шагов
Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.
Впечатление этого художника показывает галактики менее чем через миллиард лет после Большого Взрыва, когда Вселенная была еще частично заполнена водородным туманом, поглощавшим ультрафиолетовый свет. (Изображение предоставлено ESO/M.Kornmesser)История Вселенной и то, как она развивалась, широко принята в качестве модели Большого взрыва, в которой говорится, что Вселенная возникла как невероятно горячая и плотная точка примерно 13,7 миллиарда лет назад. Итак, как Вселенная превратилась из размеров в доли дюйма (несколько миллиметров) в то, чем она является сегодня?
Вот разбивка Большого Взрыва на настоящее в 10 простых для понимания шагах.
Шаг 1: Как все началось
Иллюстрация временной шкалы Вселенной после Большого взрыва. (Изображение предоставлено NASA/WMAP Science Team)Большой взрыв не был взрывом в космосе, как можно предположить из названия теории. Вместо этого, по словам исследователей, это было появление пространства повсюду во Вселенной. Согласно теории Большого взрыва, Вселенная родилась как очень горячая и очень плотная точка в пространстве.
Космологи не знают, что произошло до этого момента, но с помощью сложных космических миссий, наземных телескопов и сложных расчетов ученые работают над тем, чтобы нарисовать более четкую картину ранней Вселенной и ее формирования.
Ключевую роль в этом сыграли наблюдения космического микроволнового фона, который содержит послесвечение света и излучения, оставшиеся после Большого взрыва. Этот реликт Большого взрыва пронизывает Вселенную и виден микроволновым детекторам, что позволяет ученым собрать воедино ключи к разгадке ранней Вселенной.
В 2001 году НАСА запустило миссию Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) для изучения условий, существовавших в ранней Вселенной, путем измерения излучения космического микроволнового фона. Среди других открытий WMAP удалось определить возраст Вселенной — около 13,7 миллиардов лет.
Шаг 2: Первый всплеск роста Вселенной
Когда Вселенная была очень молода — что-то вроде сотой миллиардной триллионной триллионной доли секунды (фу!) — она испытала невероятный всплеск роста. Во время этого всплеска расширения, известного как инфляция, Вселенная росла в геометрической прогрессии и удвоилась в размерах, по крайней мере, на 90 раз.
«Вселенная расширялась, и по мере расширения она становилась все холоднее и менее плотной», — сказал SPACE.com Дэвид Спергель, астрофизик-теоретик из Принстонского университета в Принстоне, штат Нью-Джерси. После инфляции Вселенная продолжала расти, но более медленными темпами.
По мере расширения пространства Вселенная охлаждалась и формировалась материя.
Шаг 3: Слишком жарко, чтобы светить
Легкие химические элементы были созданы в течение первых трех минут образования Вселенной. По мере расширения Вселенной температура снижалась, а протоны и нейтроны сталкивались, образуя дейтерий, изотоп водорода. Большая часть этого дейтерия объединилась в гелий.
WMAP создал новую, более подробную картину зарождающейся вселенной. Цвета обозначают «более теплые» (красные) и «более холодные» (синие) пятна. (Изображение предоставлено NASA/WMAP Science Team)Однако в течение первых 380 000 лет после Большого взрыва сильное тепло от сотворения Вселенной делало ее слишком горячей для того, чтобы излучать свет. Атомы столкнулись друг с другом с достаточной силой, чтобы разбиться на плотную непрозрачную плазму протонов, нейтронов и электронов, которая рассеивала свет, как туман.
Шаг 4: Да будет свет
Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва материя достаточно остыла для того, чтобы электроны соединились с ядрами и образовали нейтральные атомы.
Эта фаза известна как «рекомбинация», и поглощение свободных электронов сделало Вселенную прозрачной. Свет, высвобожденный в то время, можно обнаружить сегодня в виде излучения космического микроволнового фона.
Тем не менее, за эрой рекомбинации последовал период тьмы, прежде чем образовались звезды и другие яркие объекты.
Шаг 5: Выход из темных веков
Примерно через 400 миллионов лет после Большого взрыва Вселенная начала выходить из своих темных веков. Этот период эволюции Вселенной называется эпохой реионизации.
Считалось, что эта динамическая фаза длилась более полумиллиарда лет, но, основываясь на новых наблюдениях, ученые полагают, что реионизация могла происходить быстрее, чем считалось ранее.
За это время сгустков газа разрушилось достаточно, чтобы образовались самые первые звезды и галактики. Испускаемый ультрафиолетовый свет этих энергетических событий очистил и уничтожил большую часть окружающего нейтрального газообразного водорода.
Процесс повторной ионизации, а также очистка туманного газообразного водорода привели к тому, что Вселенная впервые стала прозрачной для ультрафиолетового света.
Шаг 6: Больше звезд и больше галактик
Изображение, полученное космическим телескопом НАСА Хаббл, показывает скопление галактик, находящихся на расстоянии 10 миллиардов световых лет. (Изображение предоставлено НАСА/ЕКА/Университет Флориды, Гейнсвилл/Университет Миссури-Канзас-Сити/Калифорнийский университет в Дэвисе)Астрономы прочесывают Вселенную в поисках самых отдаленных и древнейших галактик, чтобы помочь им понять свойства ранней Вселенной. Точно так же, изучая космический микроволновый фон, астрономы могут работать в обратном направлении, чтобы собрать воедино события, которые произошли раньше.
Данные более старых миссий, таких как WMAP и Cosmic Background Explorer (COBE), которые были запущены в 1989 году, а также все еще действующих миссий, таких как космический телескоп Хаббла, запущенный в 1990 году, — все они помогают ученым разгадывать самые непреходящие загадки и ответить на самые спорные вопросы космологии.
Шаг 7: Рождение нашей Солнечной системы
По оценкам, наша Солнечная система родилась спустя 9 миллиардов лет после Большого Взрыва, то есть ей около 4,6 миллиардов лет. Согласно текущим оценкам, Солнце является одной из более чем 100 миллиардов звезд только в нашей галактике Млечный Путь и вращается примерно в 25 000 световых лет от галактического ядра.
Инфракрасный снимок развивающейся звезды, сделанный космическим телескопом NASA Spitzer. Он иллюстрирует, как могла выглядеть наша Солнечная система миллиарды лет назад. (Изображение предоставлено NASA/JPL-Caltech/AURA)
Многие ученые считают, что Солнце и остальная часть нашей Солнечной системы образовались из гигантского вращающегося облака газа и пыли, известного как солнечная туманность. Когда гравитация заставила туманность схлопываться, она вращалась быстрее и сплющивалась в диск. На этом этапе большая часть материала была стянута к центру, чтобы сформировать солнце.
Шаг 8: Невидимое вещество во Вселенной
В 1960-х и 1970-х годах астрономы начали думать, что во Вселенной может быть больше массы, чем видимая.
Вера Рубин, астроном из Института Карнеги в Вашингтоне, наблюдала за скоростью звезд в различных местах галактик.
Основы ньютоновской физики подразумевают, что звезды на окраинах галактики вращаются медленнее, чем звезды в центре, но Рубин не обнаружил разницы в скоростях звезд, расположенных дальше. На самом деле она обнаружила, что все звезды в галактике вращаются вокруг центра с более или менее одинаковой скоростью.
Эта загадочная и невидимая масса стала известна как темная материя. Вывод о темной материи основан на гравитационном притяжении, которое она оказывает на обычную материю. Одна из гипотез гласит, что таинственный материал может быть образован экзотическими частицами, которые не взаимодействуют со светом или обычным веществом, поэтому его так трудно обнаружить.
Изображение Земли, окруженной нитями темной материи, называемыми «волосами». (Изображение предоставлено NASA/JPL-Caltech)Шаг 9: расширяющаяся и ускоряющаяся Вселенная
В 1920-х годах астроном Эдвин Хаббл сделал революционное открытие о Вселенной.
С помощью недавно построенного телескопа в обсерватории Маунт-Вилсон в Лос-Анджелесе Хаббл заметил, что Вселенная не статична, а расширяется.
Десятилетия спустя, в 1998 году, космический телескоп Хаббла, названный в честь знаменитого астронома, изучал очень далекие сверхновые звезды и обнаружил, что давным-давно Вселенная расширялась медленнее, чем сегодня. Это открытие было неожиданным, потому что долгое время считалось, что гравитация материи во Вселенной замедляет ее расширение или даже заставляет ее сжиматься.
Ссылки по теме
Темная энергия считается странной силой, которая разрывает космос на части со все возрастающей скоростью, но она остается незамеченной и окутана тайной. Существование этой неуловимой энергии, которая, как считается, составляет 80% Вселенной, является одной из самых горячо обсуждаемых тем в космологии.
Шаг 10: Нам все еще нужно знать больше
Несмотря на то, что многое известно о сотворении и эволюции Вселенной, остаются вопросы, на которые нет ответа.
Темная материя и темная энергия остаются двумя самыми большими загадками, но космологи продолжают исследовать Вселенную в надежде лучше понять, как все началось.
Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), запущенный в 2021 году, продолжит охоту за неуловимой темной материей, а также заглянет в начало времен и эволюцию Вселенной с помощью инфракрасных инструментов.
Впечатление художника от космического телескопа NASA/ESA/CSA James Webb. (Изображение предоставлено ЕКА, НАСА, С. Беквитом (STScI) и командой HUDF, Northrop Grumman Aerospace Systems / STScI / ATG medialab) Вселенная (открывается в новой вкладке)» Дэвида Х. Лита или «Краткая история времени (открывается в новой вкладке)» Стивена Хокинга. Вы также можете быть в курсе открытий JWST, посетив специальную веб-страницу НАСА или специальную веб-страницу Европейского космического агентства.Библиография
Scientific American, «Эволюция Вселенной (открывается в новой вкладке)», октябрь 1994 г.
Уолтер Перри, «Происхождение и эволюция Вселенной (открывается в новой вкладке)», Journal of Modern Physics, Том 12, ноябрь 2021 г.
Бхарат Ратра и Майкл С. Фогели, «Начало и эволюция Вселенной», Публикации Тихоокеанского астрономического общества, том 120, март 2008 г.,
НАСА, «Краткая история Вселенная», декабрь 2006 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].
Скотт является штатным автором журнала How It Works и ранее писал для других научных и информационных изданий, включая журнал BBC Wildlife, журнал World of Animals, Space.com и журнал All About History. Скотт имеет степень магистра в области научной и экологической журналистики, а также степень бакалавра в области природоохранной биологии Университета Линкольна в Великобритании. За свою академическую и профессиональную карьеру Скотт участвовал в нескольких проектах по сохранению животных, включая исследования птиц в Англии, наблюдение за волками в Германии.
Эволюция Вселенной
Примечание редактора (8.10.19): Космолог Джеймс Пиблз получил Нобелевскую премию по физике 2019 года за вклад в теорию возникновения и развития нашей Вселенной. Он описывает эти идеи в этой статье, которую он написал в соавторстве с журналом Scientific American в 1994 году. десять центов, начал расширяться и остывать с невероятной скоростью. К тому времени, когда температура упала в 100 миллионов раз по сравнению с температурой ядра Солнца, силы природы приобрели свои нынешние свойства, и элементарные частицы, известные как кварки, свободно бродили в море энергии. Когда Вселенная расширилась еще в 1000 раз, вся материя, которую мы можем измерить, заполнила область размером с Солнечную систему.
В то время свободные кварки были ограничены нейтронами и протонами. После того, как Вселенная увеличилась еще в 1000 раз, протоны и нейтроны объединились, чтобы сформировать атомные ядра, включая большую часть гелия и дейтерия, присутствующих сегодня.
Все это произошло в течение первой минуты расширения. Однако условия были еще слишком жаркими, чтобы атомные ядра могли захватывать электроны. Нейтральные атомы появились в изобилии только после того, как расширение продолжалось 300 000 лет, и Вселенная стала в 1 000 раз меньше, чем сейчас. Затем нейтральные атомы начали сливаться в газовые облака, которые позже превратились в звезды. К тому времени, когда Вселенная увеличилась до одной пятой своего нынешнего размера, звезды сформировали группы, которые можно было распознать как молодые галактики.
Когда Вселенная была вдвое меньше нынешнего размера, ядерные реакции в звездах привели к образованию большей части тяжелых элементов, из которых состоят планеты земной группы. Наша Солнечная система относительно молода: она образовалась пять миллиардов лет назад, когда Вселенная была в две трети своего нынешнего размера. Со временем образование звезд истощило запасы газа в галактиках, и, следовательно, популяция звезд уменьшается. Через пятнадцать миллиардов лет звезды, подобные нашему Солнцу, будут относительно редки, что сделает Вселенную гораздо менее гостеприимным местом для таких наблюдателей, как мы.
Наше понимание происхождения и эволюции Вселенной является одним из величайших достижений науки 20-го века. Эти знания получены в результате десятилетий инновационных экспериментов и теорий. Современные наземные и космические телескопы улавливают свет от галактик, удаленных от нас на миллиарды световых лет, и показывают нам, как выглядела Вселенная в молодости. Ускорители частиц исследуют основы физики высокоэнергетической среды ранней Вселенной. Спутники обнаруживают космическое фоновое излучение, оставшееся от ранних стадий расширения, обеспечивая изображение Вселенной в самых больших масштабах, которые мы можем наблюдать.
Наши усилия по объяснению этого огромного количества данных воплощены в теории, известной как стандартная космологическая модель или космология Большого взрыва. Основное утверждение теории состоит в том, что в среднем крупномасштабном масштабе Вселенная расширяется почти однородно из плотного раннего состояния. В настоящее время нет никаких фундаментальных проблем теории большого взрыва, хотя, безусловно, есть нерешенные вопросы внутри самой теории.
Астрономы не уверены, например, как образовались галактики, но нет оснований думать, что этот процесс не происходил в рамках Большого взрыва. Действительно, предсказания теории выдержали все проверки на сегодняшний день.
Тем не менее, модель большого взрыва зашла так далеко, что остается много фундаментальных загадок. Какой была Вселенная до расширения? (Ни одно сделанное нами наблюдение не позволяет нам заглянуть за пределы того момента, когда началось расширение.) Что произойдет в отдаленном будущем, когда последняя из звезд исчерпает запас ядерного топлива? Ответов пока никто не знает.
Нашу вселенную можно рассматривать с разных точек зрения — мистиками, теологами, философами или учеными. В науке мы избираем трудный путь: мы принимаем только то, что проверено экспериментом или наблюдением. Альберт Эйнштейн дал нам теперь хорошо проверенную и принятую общую теорию относительности, которая устанавливает отношения между массой, энергией, пространством и временем. Эйнштейн показал, что однородное распределение материи в пространстве хорошо согласуется с его теорией.
Он предположил без обсуждения, что Вселенная статична, неизменна в среднем на больших масштабах [см. «Как космология стала наукой» Стивена Дж. Браша; НАУЧНЫЙ АМЕРИКАНСКИЙ, 19 августа92].
В 1922 году русский теоретик Александр А. Фридман понял, что Вселенная Эйнштейна нестабильна; малейшее возмущение заставит его расширяться или сжиматься. В то время Весто М. Слайфер из обсерватории Лоуэлла собирал первые свидетельства того, что галактики на самом деле расходятся. Затем, в 1929 году, выдающийся астроном Эдвин П. Хаббл показал, что скорость удаления галактики от нас примерно пропорциональна ее расстоянию от нас.
НЕСКОЛЬКО ИЗОБРАЖЕНИЙ далекого квазара ( слева ) являются результатом эффекта, известного как гравитационное линзирование. Эффект возникает, когда свет от удаленного объекта искривляется гравитационным полем промежуточной галактики. При этом галактика, которая видна в центре, дает четыре изображения квазара. Фотография была сделана с помощью телескопа Хаббл .
Существование расширяющейся Вселенной подразумевает, что космос превратился из плотной концентрации материи в нынешнее широко распространенное распределение галактик. Фред Хойл, английский космолог, первым назвал этот процесс Большим взрывом. Хойл намеревался очернить эту теорию, но название было настолько броским, что приобрело популярность. Однако несколько ошибочно описывать расширение как некий тип взрыва материи вдали от какой-то конкретной точки пространства.
Это совсем не так: во вселенной Эйнштейна концепция пространства и распределение материи тесно связаны; наблюдаемое расширение системы галактик показывает развертывание самого пространства. Существенной особенностью теории является то, что средняя плотность в пространстве уменьшается по мере расширения Вселенной; распределение материи не образует видимого края. При взрыве самые быстрые частицы улетают в пустое пространство, но в космологии Большого взрыва частицы равномерно заполняют все пространство. Расширение Вселенной мало повлияло на размер галактик или даже скоплений галактик, связанных гравитацией; пространство просто открывается между ними.
В этом смысле расширение похоже на поднимающуюся буханку хлеба с изюмом. Тесто аналогично космосу, а изюм — скоплениям галактик. По мере расширения теста изюм расходится. Более того, скорость, с которой любые две изюминки расходятся, прямо и положительно связана с количеством разделяющего их теста.
Доказательства расширения Вселенной накапливались около 60 лет. Первая важная подсказка — красное смещение. Галактика излучает или поглощает некоторые длины волн света сильнее, чем другие. Если галактика удаляется от нас, эти особенности излучения и поглощения смещаются в сторону более длинных волн, то есть становятся краснее по мере увеличения скорости удаления. Это явление известно как красное смещение.
Измерения Хаббла показали, что красное смещение далекой галактики больше, чем у более близкой к Земле. Это соотношение, известное теперь как закон Хаббла, как раз то, что можно было бы ожидать в равномерно расширяющейся Вселенной. Закон Хаббла гласит, что скорость удаления галактики равна расстоянию до нее, умноженному на величину, называемую постоянной Хаббла.
Эффект красного смещения в близлежащих галактиках относительно незначителен, и для его обнаружения требуются хорошие инструменты. Напротив, красное смещение очень далеких объектов — радиогалактик и квазаров — представляет собой устрашающее явление; некоторые, кажется, удаляются на более чем 90 процентов от скорости света.
Хаббл внес свой вклад в еще одну важную часть картины. Он подсчитал количество видимых галактик в разных направлениях на небе и обнаружил, что они распределены довольно равномерно. Значение постоянной Хаббла казалось одинаковым во всех направлениях, что является необходимым следствием равномерного расширения. Современные исследования подтверждают фундаментальное положение о том, что Вселенная однородна в больших масштабах. Хотя карты распределения близлежащих галактик демонстрируют комковатость, более глубокие исследования обнаруживают значительную однородность.
Млечный Путь, например, состоит из двух десятков галактик; они, в свою очередь, являются частью комплекса галактик, выступающих из так называемого местного сверхскопления.
Иерархия кластеризации была прослежена до размеров около 500 миллионов световых лет. Флуктуации средней плотности вещества уменьшаются по мере увеличения масштаба исследуемой структуры. На картах, покрывающих расстояния, близкие к наблюдаемому пределу, средняя плотность вещества изменяется менее чем на десятую долю процента.
Чтобы проверить закон Хаббла, астрономам необходимо измерить расстояния до галактик. Одним из методов измерения расстояния является наблюдение за видимой яркостью галактики. Если одна галактика в ночном небе в четыре раза слабее, чем сопоставимая галактика, то можно предположить, что она находится в два раза дальше. Теперь это ожидание проверено на всем видимом диапазоне расстояний.
ОДНОРОДНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ галактик видно на карте, которая включает объекты на расстоянии от 300 до 1000 миллионов световых лет. Единственная неоднородность, разрыв около центральной линии, возникает из-за того, что часть неба затенена Млечным Путем. Майкл Штраус из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, создал карту, используя данные НАСА 9.
0112 Инфракрасный астрономический спутник . Некоторые критики теории отмечают, что галактика, которая кажется меньше и слабее, на самом деле может не быть более далекой. К счастью, есть прямое указание на то, что объекты с большим красным смещением действительно находятся дальше. Доказательства получены из наблюдений за эффектом, известным как гравитационное линзирование. Такой массивный и компактный объект, как галактика, может действовать как грубая линза, создавая искаженное, увеличенное изображение (или даже множество изображений) любого источника фонового излучения, находящегося за ним. Такой объект делает это, искривляя пути световых лучей и другого электромагнитного излучения. Таким образом, если галактика находится на линии прямой видимости между Землей и каким-либо удаленным объектом, она будет преломлять световые лучи от объекта так, что их можно будет наблюдать [см. «Гравитационные линзы» Эдвина Л. Тернера; НАУЧНЫЙ АМЕРИКАН, 19 июля.88]. За последнее десятилетие астрономы открыли более десятка гравитационных линз.
Объект за линзой всегда имеет большее красное смещение, чем сама линза, что подтверждает качественное предсказание закона Хаббла.
Закон Хаббла имеет большое значение не только потому, что он описывает расширение Вселенной, но и потому, что его можно использовать для расчета возраста космоса. Чтобы быть точным, время, прошедшее с момента Большого взрыва, является функцией текущего значения постоянной Хаббла и скорости ее изменения. Астрономы определили приблизительную скорость расширения, но никто еще не смог точно измерить второе значение.
Тем не менее, эту величину можно оценить, зная среднюю плотность Вселенной. Можно ожидать, что из-за силы гравитации, препятствующей расширению, галактики теперь будут расходиться медленнее, чем в прошлом. Таким образом, скорость изменения расширения связана с гравитационным притяжением Вселенной, определяемым ее средней плотностью. Если плотность равна плотности только видимого вещества в галактиках и вокруг них, возраст Вселенной, вероятно, составляет от 12 до 20 миллиардов лет.
(Диапазон учитывает неопределенность скорости расширения.)
Однако многие исследователи считают, что плотность выше этого минимального значения. Так называемая темная материя компенсирует разницу. Сильно защищаемый аргумент утверждает, что Вселенная достаточно плотна, чтобы в отдаленном будущем расширение замедлилось почти до нуля. При таком предположении возраст Вселенной уменьшается в пределах от 7 до 13 миллиардов лет.
ПЛОТНОСТЬ нейтронов и протонов во Вселенной определяет распространенность некоторых элементов. Для Вселенной с более высокой плотностью вычисленное содержание гелия мало отличается, а вычисленное содержание дейтерия значительно ниже. Заштрихованная область согласуется с наблюдениями: содержание гелия варьируется от 24 процентов до одной части на 1010 для изотопа лития. Это количественное согласие является главным успехом космологии Большого взрыва. Чтобы улучшить эти оценки, многие астрономы проводят интенсивные исследования по измерению как расстояний до галактик, так и плотности Вселенной.
Оценки времени расширения обеспечивают важный тест для модели Вселенной Большого взрыва. Если теория верна, все в видимой Вселенной должно быть моложе, чем время расширения, рассчитанное по закону Хаббла.
Эти две шкалы времени, по крайней мере, приблизительно совпадают. Например, самым старым звездам на диске галактики Млечный Путь около девяти миллиардов лет — оценка, полученная на основе скорости охлаждения белых карликов. Звезды в гало Млечного Пути несколько старше, им около 15 миллиардов лет — это значение получено из скорости потребления ядерного топлива в ядрах этих звезд. Возраст самых старых известных химических элементов также составляет примерно 15 миллиардов лет — число, полученное с помощью методов радиоактивного датирования. Работники лабораторий получили эти оценки возраста из атомной и ядерной физики. Примечательно, что их результаты согласуются, по крайней мере приблизительно, с возрастом, полученным астрономами путем измерения космического расширения.
Другая теория, теория стационарного состояния, также успешно объясняет расширение и однородность Вселенной.
В 1946 году три английских физика — Хойл, Герман Бонди и Томас Голд — предложили такую космологию. В их теории Вселенная постоянно расширяется, и материя создается спонтанно, чтобы заполнить пустоты. Они предположили, что по мере того, как этот материал накапливается, он образует новые звезды, чтобы заменить старые. Эта гипотеза устойчивого состояния предсказывает, что ансамбли близких к нам галактик должны статистически выглядеть так же, как и далекие. Космология Большого взрыва делает другое предсказание: если все галактики образовались давно, далекие галактики должны выглядеть моложе ближайших, потому что свету от них требуется больше времени, чтобы достичь нас. В таких галактиках должно быть больше короткоживущих звезд и больше газа, из которого сформируются будущие поколения звезд.
Концептуально тест прост, но астрономам потребовались десятилетия, чтобы разработать детекторы, достаточно чувствительные для детального изучения далеких галактик. Когда астрономы исследуют близлежащие галактики, являющиеся мощными излучателями радиоволн, они видят в оптических длинах волн относительно круглые системы звезд.
С другой стороны, далекие радиогалактики имеют вытянутую и иногда неправильную структуру. Более того, в самых далеких радиогалактиках, в отличие от ближайших, распределение света имеет тенденцию соответствовать характеру радиоизлучения.
Точно так же, когда астрономы изучают население массивных, плотных скоплений галактик, они находят различия между теми, которые находятся близко, и теми, кто находится далеко. Далекие скопления содержат голубоватые галактики, которые свидетельствуют о продолжающемся звездообразовании. Подобные скопления, находящиеся поблизости, содержат красноватые галактики, в которых активное звездообразование давно прекратилось. Наблюдения, сделанные с помощью космического телескопа Хаббла, подтверждают, что, по крайней мере, часть усиленного звездообразования в этих более молодых скоплениях может быть результатом столкновений между входящими в их состав галактиками, процесс, который в нынешнюю эпоху происходит гораздо реже.
ДАЛЕКИЕ ГАЛАКТИКИ сильно отличаются от ближайших — наблюдение, которое показывает, что галактики произошли от более ранних, более неправильных форм.
Среди галактик, ярких как в оптическом ( синий ), так и в радио ( красный ) длинах волн, близлежащие галактики обычно имеют плавные эллиптические формы в оптическом диапазоне и очень вытянутые радиоизображения. По мере увеличения красного смещения и, следовательно, расстояния галактики приобретают более неправильную вытянутую форму, которая кажется выровненной в оптическом и радиодиапазонах. Галактика справа видна такой, какой она была в 10 процентов от нынешнего возраста Вселенной. Изображения были собраны Пэтом Маккарти из Института Карнеги. Итак, если все галактики удаляются друг от друга и эволюционируют из более ранних форм, кажется логичным, что когда-то они были скоплены в каком-то плотном море материи и энергии. Действительно, в 1927 году, когда о далеких галактиках еще многое не было известно, бельгийский космолог и священник Жорж Леметр предположил, что расширение Вселенной можно проследить до чрезвычайно плотного состояния, которое он назвал первичным «суператомом».
Он даже думал, что возможно обнаружить остаточное излучение первобытного атома. Но как будет выглядеть эта радиационная сигнатура?
Когда Вселенная была очень молодой и горячей, излучение не могло распространяться очень далеко, не поглощаясь и не испускаясь какой-либо частицей. Этот непрерывный обмен энергией поддерживал состояние теплового равновесия; какой-либо конкретный регион вряд ли будет намного жарче или холоднее, чем в среднем. Когда вещество и энергия приходят в такое состояние, получается так называемый тепловой спектр, в котором интенсивность излучения на каждой длине волны является определенной функцией температуры. Следовательно, излучение, возникающее в результате горячего Большого взрыва, можно распознать по его спектру.
Фактически, это тепловое космическое фоновое излучение было обнаружено. Работая над созданием радара в 1940-х годах, Роберт Х. Дике, в то время работавший в Массачусетском технологическом институте, изобрел микроволновый радиометр — устройство, способное обнаруживать низкие уровни излучения.
В 1960-х годах Bell Laboratories использовали радиометр в телескопе, который должен был отслеживать первые спутники связи Echo-1 и Telstar. Инженер, создавший этот прибор, обнаружил, что он обнаруживает неожиданное излучение. Арно А. Пензиас и Роберт В. Уилсон идентифицировали сигнал как космическое фоновое излучение. Интересно, что к этой идее Пензиаса и Вильсона привело известие о том, что Дикке предложил использовать радиометр для поиска космического фона.
Астрономы очень подробно изучили это излучение с помощью спутника Cosmic Background Explorer (COBE) и ряда ракетных, воздушных и наземных экспериментов. Космическое фоновое излучение имеет два отличительных свойства. Во-первых, она почти одинакова во всех направлениях. (Как обнаружили в 1992 году Джордж Ф. Смут из Лаборатории Лоуренса в Беркли и его группа, вариация составляет всего одну стотысячную часть.) Интерпретация состоит в том, что излучение равномерно заполняет пространство, как и предсказывалось в космологии Большого взрыва.
Во-вторых, спектр очень близок к спектру объекта, находящегося в тепловом равновесии при температуре 2,726 Кельвина выше абсолютного нуля. Безусловно, космическое фоновое излучение возникло, когда температура Вселенной была намного выше 2,726 градусов, однако исследователи правильно предвидели, что кажущаяся температура излучения будет низкой. В 1930-е годы Ричард С. Толман из Калифорнийского технологического института показал, что температура космического фона будет уменьшаться из-за расширения Вселенной.
Космическое фоновое излучение является прямым доказательством того, что Вселенная расширялась из плотного и горячего состояния, поскольку это условие необходимо для возникновения излучения. В плотной, горячей ранней Вселенной в результате термоядерных реакций образовались элементы тяжелее водорода, включая дейтерий, гелий и литий. Поразительно, что рассчитанная смесь легких элементов согласуется с наблюдаемыми содержаниями. То есть все данные указывают на то, что легкие элементы были созданы в горячей молодой Вселенной, тогда как более тяжелые элементы появились позже, как продукты термоядерных реакций, питающих звезды.
Теория происхождения легких элементов возникла в результате всплеска исследований, последовавшего за окончанием Второй мировой войны. Джордж Гамов и аспирант Ральф А. Альфер из Университета Джорджа Вашингтона и Роберт Херман из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса и другие использовали данные ядерной физики, полученные во время военных действий, чтобы предсказать, какие ядерные процессы могли происходить в ранней Вселенной. и какие элементы могли быть произведены. Альфер и Герман также поняли, что остатки первоначального расширения все еще можно обнаружить в существующей вселенной.
Несмотря на то, что важные детали этой новаторской работы были ошибочными, она установила связь между ядерной физикой и космологией. Рабочие продемонстрировали, что раннюю Вселенную можно рассматривать как тип термоядерного реактора. В результате физики теперь точно рассчитали количество легких элементов, образовавшихся в результате Большого взрыва, и то, как эти количества изменились из-за последующих событий в межзвездной среде и ядерных процессов в звездах.
Наше понимание условий, преобладавших в ранней Вселенной, не приводит к полному пониманию того, как образовались галактики. Тем не менее, у нас есть довольно много кусочков головоломки. Гравитация вызывает рост флуктуаций плотности в распределении материи, так как сильнее замедляет расширение более плотных областей, заставляя их уплотняться еще больше. Этот процесс наблюдается в росте близких скоплений галактик, и сами галактики, вероятно, были собраны тем же процессом в меньшем масштабе.
Росту структуры в ранней Вселенной препятствовало радиационное давление, но это изменилось, когда Вселенная расширилась примерно до 0,1 процента своего нынешнего размера. В этот момент температура составляла около 3000 кельвинов, достаточно низкая, чтобы ионы и электроны могли объединиться с образованием нейтрального водорода и гелия. Нейтральное вещество могло проскальзывать сквозь излучение и образовывать газовые облака, которые могли коллапсировать в звездные скопления. Наблюдения показывают, что к тому времени, когда Вселенная стала одной пятой своего нынешнего размера, материя собралась в газовые облака, достаточно большие, чтобы их можно было назвать молодыми галактиками.
Насущной задачей сейчас является примирение кажущейся однородности ранней Вселенной с неравномерным распределением галактик в современной Вселенной. Астрономы знают, что плотность ранней Вселенной не сильно менялась, потому что они наблюдают лишь небольшие неравномерности космического фонового излучения. До сих пор было легко разрабатывать теории, которые согласуются с доступными измерениями, но сейчас проводятся более важные испытания. В частности, разные теории образования галактик предсказывают совершенно разные флуктуации космического фонового излучения в угловых масштабах менее одного градуса. Измерения таких крошечных флуктуаций еще не проводились, но они могут быть осуществлены в ходе проводимых сейчас экспериментов. Будет интересно узнать, выдержит ли какая-либо из рассматриваемых сейчас теорий формирования галактик эти испытания.
Современная Вселенная предоставила широкие возможности для развития жизни в том виде, в каком мы ее знаем: в той части Вселенной, которую мы можем наблюдать, насчитывается около 100 миллиардов миллиардов звезд, подобных солнцу.
Однако космология Большого взрыва подразумевает, что жизнь возможна только в течение ограниченного промежутка времени: в далеком прошлом Вселенная была слишком горячей, и ее ресурсы для будущего ограничены. Большинство галактик все еще производят новые звезды, но многие другие уже исчерпали свои запасы газа. Через тридцать миллиардов лет галактики станут намного темнее и будут заполнены мертвыми или умирающими звездами, поэтому планет, способных поддерживать жизнь в ее нынешнем виде, будет гораздо меньше.
Вселенная может расширяться вечно, и в этом случае все галактики и звезды в конце концов станут темными и холодными. Альтернативой этому большому холоду является большой кранч. Если масса Вселенной достаточно велика, гравитация в конце концов обратит расширение вспять, и вся материя и энергия воссоединятся. В течение следующего десятилетия, по мере того как исследователи совершенствуют методы измерения массы Вселенной, мы, возможно, узнаем, идет ли нынешнее расширение к большому похолоданию или к большому сжатию.
Мы ожидаем, что в ближайшем будущем новые эксперименты помогут лучше понять теорию Большого взрыва. Усовершенствуя измерения скорости расширения и возраста звезд, мы, возможно, сможем подтвердить, что звезды действительно моложе расширяющейся Вселенной. Недавно завершенные или строящиеся более крупные телескопы могут позволить нам увидеть, как масса Вселенной влияет на кривизну пространства-времени, что, в свою очередь, влияет на наши наблюдения за далекими галактиками.
Мы также продолжим изучать вопросы, которые космология Большого взрыва не затрагивает. Мы не знаем, почему произошел Большой взрыв или что могло существовать раньше. Мы не знаем, есть ли у нашей Вселенной братья и сестры — другие расширяющиеся области, далекие от того, что мы можем наблюдать. Мы не понимаем, почему фундаментальные константы природы имеют такие значения. Достижения в физике элементарных частиц предлагают несколько интересных способов ответить на эти вопросы; задача состоит в том, чтобы найти экспериментальные проверки идей.
Следя за дебатами по таким вопросам космологии, следует помнить, что все физические теории являются приближениями к реальности, которые могут потерпеть неудачу, если зайти слишком далеко. Физическая наука продвигается вперед за счет включения более ранних теорий, которые экспериментально подтверждены, в более крупные и всеобъемлющие рамки. Теория большого взрыва подтверждается множеством доказательств: она объясняет космическое фоновое излучение, обилие легких элементов и хаббловское расширение. Таким образом, любая новая космология обязательно будет включать в себя картину большого взрыва. Какие бы изменения ни произошли в ближайшие десятилетия, космология превратилась из области философии в физическую науку, где гипотезы проходят проверку наблюдениями и экспериментами.
Эта статья была первоначально опубликована под названием «Эволюция Вселенной» в журнале Scientific American 271, 4, 52-57 (октябрь 1994 г.)
doi:10.1038/scientificamerican1094-52
П.