Что такое вселенная краткий ответ

Об устройстве Вселенной – простыми словами. Поймет даже ребенок

О темной материи и энергии, зачем они нужны, и что ждет нашу Вселенную.

Астрономы и ученые всегда размышляли над важными вопросами. Есть ли во Вселенной еще кто-то, кроме нас? Как все связано между собой? Быть может, космос состоит из того, о чем мы еще не знаем? Но в последнее время все чаще всплывают вопросы о темной материи. Мол, что это такое и почему ее так упорно ищут ученые. В чем вообще состоит идея «темного потока» нашей Вселенной?

Предлагаем на секунду представить, что вы – выпускник Межгалактической школы из галактики Андромеда, который вместе с другом поступил во Вселенский университет галактики Млечный Путь. Вероятно, по праздникам и выходным вы захотите навещать своих близких, поэтому вам придется ездить из одной галактики в другую. И когда вы в очередной раз приедете домой в Андромеду, то обнаружите, что путь обошелся вам дороже, чем в прошлый уикенд. А прошлая поездка, в свою очередь, была дороже предшествующей.

В этот момент вы наверняка заподозрили бы что-то неладное. И не зря. На самом деле каждый раз ваша поездка длилась все дольше и дольше, потому что вы путешествовали на большее расстояние. Но как это возможно, если пункты отправления и назначения остались прежними? Ответ кроется в скрытом мире темной материи.

Понимание, как и объяснение темной материи и энергии, может быть сложным. В конце концов даже ведущие ученые мира не совсем уверены, что представляет собой все вышеперечисленное. К тому же доказать их существование они могут лишь по влиянию, которое темная материя и энергия оказывают на Вселенную.

Так как же работает темная материя? И что такое темная энергия? И почему путешествие домой в Андромеду каждый раз занимает все больше времени?

Ниже вы найдете несколько фактов, которые объясняют, что сегодня известно ученым о темной материи и энергии и как, по их мнению, это влияет на нашу Вселенную и будущее всего человечества.

RAGER FULLER / NATIONAL SCIENCE FOUNDATION

В учебниках не найти достоверной информации о составе Вселенной

В школе нас учили, что Вселенная и все, что в ней находится, состоит из атомов. Нам рассказывали о протонах, нейтронах и электронах, о том, что они являются строительными блоками всей материи, но ученые обнаружили, что на занятиях уделяли внимание далеко не всему, что есть во Вселенной.

Оказывается, того, что состоит не из атомов, в 10 раз больше видимой материи нашей Вселенной. Лишь около 4,6% Вселенной отводится барионной материи, которую и составляют протоны, нейтроны и электроны. Современные ученые считают, что 23,3% космоса составляет темная материя, а темная энергия заполняет оставшиеся 72,1%. Хотя точные значения, естественно, колеблются.

Почти 96% Вселенной состоит из невидимой темной материи и темной энергии

Когда вы смотрите на ночное небо и видите, что на нем мерцают миллиарды звезд лишь в одной нашей галактике, – нетрудно представить, что космос немного переполнен. Особенно если добавить к числу звезд планеты, кометы и все, что «плавает» в космическом пространстве.

А потом вы обнаруживаете, что наш Млечный Путь – всего лишь одна галактика во Вселенной, заполненной миллиардами и миллиардами других галактик. И в каждой из этих галактик есть планеты и звезды, примерно похожие на наши… В этот момент приходит осознание, что Вселенная – действительно большое место.

И когда мы наивно полагаем, что можем видеть все ее составляющие, выясняется, что видимая часть Вселенной – лишь крошечный пазл всей космической картины. Остальные 96% Вселенной заполнены темной материей и темной энергией.

Что такое темная материя?

В «Звездных войнах» темную материю считают Силой, которая держит все предметы вместе. Но в мире науки все намного сложнее и более размыто. Темная материя ведет себя не так, как обычная материя, к которой привыкли ученые. Она не излучает свет, более того – она его не отражает и не поглощает.

Ученые собрали всех космических «подозреваемых», чтобы выяснить, кто из них причастен к образованию темной материи, но пока ни один из них не отвечает всем требованиям. От аксионов до черных дыр – еще ничто не может объяснить влияние темной материи на гравитацию.

Темная материя удерживает все вместе

Поскольку темная материя обладает огромным гравитационным эффектом, она влияет буквально на все во Вселенной. Созданная ей гравитация заставляет все содержимое космоса соединяться и образовывать галактики. Эти галактики, в свою очередь, собираются вместе с другими галактиками, образуя галактические скопления. А после того как они формируются и начинают вращаться, именно темная материя удерживает их, чтобы они не вылетели в открытое космическое пространство.

Представьте, что к веревке прикреплен теннисный мяч и вы вращаете его над головой. Мяч – это галактика, а вы – гравитация. Если бы теннисный мяч был шаром для боулинга, ваша гравитация не помешала бы ему порвать веревку и улететь в космос. Темная материя – это то, что делает эту веревку достаточно прочной, чтобы удерживать предметы на своих местах.

Темная материя + вся остальная материя – это даже не половина Вселенной

Из чего же состоит остальная часть Вселенной? Из темной энергии! Она составляет от 68 до 72% всей Вселенной. И если темная материя работает как космический магнит, обладая гравитационным притяжением, темная энергия действует наоборот – отталкивает предметы друг от друга.

Если нарисовать картину Вселенной большими мазками, то можно сказать, что одна ее половина пытается удержать все вместе, а другая – пытается это раздвинуть.

Что такое темная энергия?

Даже ученые не знают, что такое темная энергия! Она похожа на невидимого злого двойника темной материи, за исключением того, что темная материя создает притягивающую гравитацию, а темная энергия – отталкивающую. Другими словами, антигравитацию. Это значит, что темная энергия отдаляет предметы все дальше друг от друга, заставляя Вселенную расширяться. Почти так же, как воздушный шар увеличивается в размерах, когда вы наполняете его воздухом.

Если ученые не видят темную материю, откуда они знают, что она есть?

Это похоже на явление «ходячих деревьев»: мы видим, как деревья самостоятельно перемещаются на некоторое расстояние, и мы точно знаем, что у них нет ног. Но должна быть какая-то причина, объясняющая их медленное передвижение. Так происходит и с темной материей. Используя метод гравитационного линзирования, ученые могут видеть, как искажается свет под влиянием темной материи.

Точно так же, как мы знаем, что гравитационное притяжение внутри черных дыр настолько велико, что выйти из них не под силу даже свету, – ученые знают, что когда темная материя создает достаточную гравитацию, она влияет на поведение сталкивающегося с ней света.

Как проще всего представить устройство нашей Вселенной?

Чтобы получить ясное представление о том, что происходит в нашей Вселенной, достаточно взглянуть на глобус. Представьте, что это наша Вселенная, а части суши – галактики, которые удерживает темная материя. Вода, как и темная энергия во Вселенной, составляет 70% поверхности планеты.

Теперь представьте, что глобус на самом деле становится больше, а галактики остаются прежними. Они просто отдаляются друг от друга по мере расширения Мирового океана. Таким образом, нам будет требоваться все больше и больше времени, чтобы добираться с одного острова или материка на другой – ведь они отдаляются друг от друга. Получается, темная энергия не разрывает наши планеты или галактики на кусочки, а просто обеспечивает постоянное расширение нашей Вселенной.

Для измерения расстояния в космосе нужны нестандартные методы

Здесь, на Земле, любой из нас может взять линейку или рулетку, чтобы определить, как далеко один объект находится от другого. Но как ученые измеряют расстояние от одной планеты до другой? Или, раз уж на то пошло, как далеко находятся друг от друга галактики? Ученые используют свет, который излучают определенные звезды.

Это все равно что выяснить ночью, как далеко друг от друга находятся две машины, измерив яркость фар. Чем ближе они подъедут, тем ярче будет их свет. Именно этот метод Эдвин Хаббл использовал для того, чтобы понять, что звезды, на которые он смотрел, находились за пределами нашей галактики.

Молодой астроном Эдвин Хаббл навсегда изменил представление о Вселенной

6 октября 1923 года Хаббл обнаружил галактики, которые находились далеко за пределами нашего Млечного Пути. У каждой из них были миллиарды звезд и планет, каждая имела собственную Солнечную систему. В тот момент Вселенная в том виде, в каком ее знали люди, вышла за пределы человеческого воображения.

Как и раньше, чем больше ученые узнавали о космосе, тем больше загадок им предстояло разгадать. Темная материя до сих пор остается одной из них. Но с появлением космического телескопа Хаббл ученые смогли подобраться к отгадке ближе, чем когда-либо.

Фриц Цвикки смог открыть невидимое

Фриц Цвикки был астрономом, проводившим исследования движения галактик в скоплении. Он пришел к выводу, что движение в этих галактиках происходит слишком быстро, чтобы оставаться в их гравитационных полях.

Это подобно катанию на карусели, которая вращается с большой скоростью: если бы не было сиденья и специальных ремней, которые удерживали вас на месте, вас бы отбросило в сторону. Цвикки знал, что единственное объяснение состоит в том, что для учета силы тяжести должно быть намного больше материи, хотя он и не мог ее видеть. Так в 1933 году Цвикки открыл и ввел термин «темная материя».

Темная материя может рассказать нам много нового о зарождении жизни на Земле

MARK GARLICK/SCIENCE LIBRARY

Если бы ученые смогли обнаружить и проанализировать темную материю, они смогли бы заглянуть в прошлое, как через окно времени, и увидеть, что происходило через тысячную долю секунды после Большого взрыва. Именно в этот момент Вселенная начала расти. Именно тогда появилось все, что существует сегодня.

Хотя после взрыва должно пройти еще 380 тысяч лет, прежде чем частицы начнут соединяться друг с другом, образуя сгустки вещества, которые в итоге будут втянуты в паутину темной материи и образуют галактики.

Темная энергия может разрушить Вселенную

Люси Ридинг-Икканда / Quanta Magazine

Несмотря на то что темная энергия может разрушить Вселенную, не спешите паниковать. Этого не произойдет как минимум еще триллион лет. А за это время может случиться многое. Ученые даже могут придумать, как создать совершенно новую Вселенную в лабораторных условиях.

Но в то же время может произойти и так, что темная энергия будет продолжать отдалять галактики все дальше друг от друга, пока наш маленький Млечный Путь в полном одиночестве не останется дрейфовать посреди бесконечного моря тьмы, теряя все свое тепло и постепенно замерзая.

Может ли Вселенная самоуничтожиться?

Эдвин Хаббл первым обнаружил, что Вселенная расширяется. Считалось, что внешний импульс в итоге замедлится, остановится, а затем развернется вспять. Это очень похоже на то, как если бы вы подбросили мяч в небо, он достиг определенной точки, где его преодолела бы сила тяжести, и упал вниз.

Представьте, как были удивлены ученые, когда они обнаружили, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Это происходит из-за того, что отталкивающая гравитация темной энергии усиливается, в то время как притягивающая сила притяжения темной материи ослабляется, потому что галактики все больше отдаляются друг от друга.

Однако некоторые ученые полагают, что в какой-то момент быстрое расширение остановится и обратится вспять, сомкнувшись так же быстро, как расширялась Вселенная. Этот сценарий известен как теория Большого сжатия.

По мере расширения наших знаний расширяется и наша Вселенная

В течение очень долгого времени люди действительно верили, что Земля плоская. Моряки боялись, что если они уплывут слишком далеко в океан, то окажутся за пределами края планеты. И хотя Христофору Колумбу ошибочно приписывают доказательство того, что Земля имеет форму шара, именно астрономы выяснили, что наша планета вовсе не плоская и вращается вокруг Солнца, а не наоборот.

Но даже после этого открытия, которое, по меркам того времени, было совершенно удивительным, астрономы не могли и предположить, какие находки ждали их впереди. Чем глубже могли заглядывать люди в космос, тем глубже и обширнее становилась наша Вселенная.

Источник

Космос

Вселенная – это огромнейшее и неисследованное место. Важно понимать, что на изучение конкретной темы или даже вопроса могут уходить десятки, а то и сотни лет. Существует миллион различных направлений, включающих сотни ответвлений. Чтобы вас не ошарашил такой информационный массив, мы предлагаем список тем, которые раскрывают информацию о Вселенной.

Большая часть научного сообщества соглашается с тем, что Вселенная плоская. Это основание базируется на показаниях прибора WMAP (изучение реликтового излучения). Но есть и те, кто не согласен. Не будем забывать, что не так давно все свято верили в плоскость Земли, так что в таких вопросах всегда остаются сомнения.

Конечно, вышеописанные сведения – всего лишь кратчайшее изложение, а вот детали вы узнаете по ссылкам. Каждая статья раскрывает интересующий вопрос и излагает все на понятном языке. Поэтому вам не придется тратить всю жизнь на изучение Вселенной, ведь ученые предоставили вам готовые сведения. Вы сможете больше узнать о Солнечной системе с описанием, характеристикой и качественными фото планет, а также изучить звезды, галактики, экзопланеты, туманности, звездные скопления, пульсары, квазары, черные дыры, созвездия, темную энергию и темную материю. Нужно лишь перейти по заинтересовавшей ссылке.

Строение Вселенной

Воспользуйтесь исключительной возможностью заглянуть в любой уголок Солнечной системы благодаря виртуальному путешествию по спутникам, планетам и яркому Солнцу.

Вселенная – драгоценная шкатулка, наполненная не только удивительнейшими объектами, но и тайнами, над которыми ученые бьются не одну тысячу лет. Присоединяйтесь к величайшим умам человечества и исследуйте окружающий мир во всех масштабах. Зачем ограничиваться единственной планетой, если за ее чертой скрываются черные дыры, отдаленные галактики и квазары!

Опытный таролог ответит на вопросы:

Что ждёт Вас в будущем? Как сложатся отношения? Какое решение — верное?

Так что же такое Вселенная?

Некоторые даже не понимают, насколько сложным и масштабным выглядит вопрос: «Что такое Вселенная?». Можно потратить десятилетия на исследования и рассекретить лишь верхушку айсберга. Возможно, мы говорим не просто об огромном мире, но бесконечном. Поэтому нужно быть энтузиастом своего дела, чтобы погрузиться во все эти загадки, на расшифровку которых может уйти вся жизнь.

Что же такое Вселенная? Если емко, то это сумма всего существующего. Это все время, пространство, материя и энергия, образовавшиеся и расширяющиеся вот уже 13.8 миллиардов лет. Никто не может точно сказать, насколько обширны просторы нашего мира и пока нет точных предсказаний финала. Но исследования выдвигают множество теорий и пазл за пазлом собирают картинку.

Определение Вселенной

Само слово «Вселенная» происходит от латинского «universum». Впервые его использовал Цицерон, а уже после него оно стало общепринятым у римских авторов. Понятие обозначало мир и космос. На тот момент люди в этих словах видели Землю, все известные живые существа, Луну, Солнце, планеты (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн) и звезды.

Геоцентрическая концепция Вселенной Птолемея, созданная Бартоломеу Велью

Иногда вместо «Вселенная» используют «космос», которое с греческого переводится как «мир». Кроме того, среди терминов фигурировали «природа» и «все». В современном понятии вмешают все, что существует во Вселенной – наша система, Млечный Путь и прочие структуры. Также сюда входят все виды энергии, пространство-время и физические законы.

Происхождение Вселенной

Как появился космос и все, что мы знаем? Вселенная берет свое начало 13.8 лет назад с Большого Взрыва. Это не единственное предположение (теория колеблющейся Вселенной или устойчивого состояния), но только ему удается объяснить появление всей материи, физических законов и прочих формирований. Теория также способна рассказать, почему происходит расширение, что такое реликтовое излучение и прочие известные явления.

Теория Большого Взрыва: сингулярность – стартовая точка, с последующим расширением

Ученые начали рассматривать Вселенную с настоящего момента и постепенно возвращались к стартовой точке. Отсюда выплыло предположение, что все началось с бесконечной плотности и исчисляемого времени, запустивших процесс расширения. После первого этапа температурные показатели упали, что помогло сформироваться субатомным частицам, а после них – простые атомы. Позже гигантские облака этих формирований соединились с гравитационными силами, порождая звезды и галактики.

Опытный таролог ответит на вопросы:

Что ждёт Вас в будущем? Как сложатся отношения? Какое решение — верное?

Официальный возраст Вселенной – 13.8 миллиардов лет. Проводя тесты с ускорителями частиц, теоретическими принципами, а также исследуя небесные объекты, ученым удалось воссоздать этапы событий, чтобы вернуть нас с современности в мгновение начала всего.

Но наиболее отдаленный период Вселенной (от 10 43 до 10 11 секунд) все еще вызывает споры. Стоит учитывать, что современные физические законы к тому времени еще не применимы, поэтому никто не может понять, как повела себя Вселенная. Но все же есть сторонники некоторых теорий, которые помогли выделить главные временные промежутки вселенской эволюции: сингулярность, инфляция и охлаждение.

Графическое представление сингулярности Вселенной

Сингулярность (эпоха Планка) – самый ранний период Вселенной. На этом этапе материя была собрана в одной точке бесконечной плоскости, где царствовали экстремальные температурные режимы. В физическом плане доминирует исключительно сила гравитации.

Это время длилось от 0 до 10 43 секунд. Свое второе название эпоха получила в честь Планка, потому что лишь эта обсерватория способна проникнуть в такой промежуток. Вселенная была лишенной устойчивости, потому что вещество было не просто невероятно накаленным, но и сверхплотным. По мере расширения и снижения накаленности, возникли физические законы. С 10 43 до 10 36 секунды запустился температурный переход.

Это началось с 10 37 секунд, когда выделение сил привело к экспоненциальному росту. В этот промежуток стартует барионегез – гипотетическое событие, характеризующееся настолько высокими температурными показателями, что случайные движения частиц осуществлялись на релятивистских скоростях. При столкновениях они создавались и уничтожались. Полагают, что именно из-за этого материя преобладает над антиматерией.

Когда инфляция подошла к концу, пространство представляло собою кварк-глюонную плазменную структуру и прочие элементарные частички. С остыванием материя сливалась и формировала новые структуры. Период охлаждения наступил с уменьшением температуры и плотности. В этом процессе элементарные частички и фундаментальные силы приобрели современный вид.

Есть мнение, что через 10 11 секунд энергия стремительно снизилась. Еще спустя 10 6 секунд кварки и глюоны объединились в барионы, что привело к их переизбытку. Температура больше не достигала необходимой отметки, поэтому у протонов-антипротонов исчезла возможность формировать новые пары. Произошла массовая аннигиляция, оставившая лишь 10 10 изначального их количества. То же самое случилось и для электронов и протонов спустя секунду.

Оставшиеся протоны, электроны и нейтроны оставались статичными, поэтому вселенская плотность обеспечивалась только фотонами и нейтрино. Прошло еще несколько минут, и начался нуклеосинтез.

Температура остановилась на отметке в миллиард кельвинов, а плотность уменьшилась. Поэтому протоны и нейтроны начали сливаться, формируя изотоп водорода (дейтерий) и атомы гелия. Но большая часть протонов все же оставалась «одиночной».

Эволюция Вселенной

Как происходил процесс развития и эволюции Вселенной? В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты. Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).

Если говорить о деталях процесса, то они зависят количества и разновидности материи. Можно выделить 4 типа темной: холодная, теплая, горячая и барионная. Из них стандартной считается Лямбда-CDM (холодная темная материя). В ней частички перемещаются со скоростью, уступающей скорости света.

Она составляет 23% вселенской материи, а барионная достигает лишь 4.6%. Лямбда дает отсылку к космологической константе, созданной Альбертом Эйнштейном. Она доказывала, что равновесие массы-энергии остается в статике.

Этапы эволюции Вселенной. Нажмите на изображение, чтобы его увеличить

Также связана с темной энергией, послужившей причиной ускорения Вселенной и оставляющей ее структуру однородной. Темную энергию нельзя увидеть напрямую, но ее наличие доказывают многочисленные теории. Считается, что 73% пространства насыщено ею.

Гравитация преобладала над всеми процессами еще на ранних этапах, когда барионное вещество располагалось ближе. Но темная энергия росла и стала доминирующей силой. Это привело к ускорению всех процессов и старту Эпохи Ускорения.

Считают, что это время началось 5 миллиардов лет назад. Этот период описывает в своих уравнениях Эйнштейн, хотя все же настоящая природа темной материи еще не раскрыта. Кроме того, все еще не придумали схем, способных объяснить, что произошло во Вселенной до 10 15 секунд после возникновения всего.

Однако ученые не теряют надежды и экспериментируют с Большим адронным коллайдером, пытаясь воссоздать необходимые условия для Большого Взрыва. Прорыв в этой области поможет понять, как гравитация взаимодействует со слабой и сильной ядерными силами, а также электромагнетизмом.

Структура Вселенной

Хотя старейший свет достигает 13.8 миллиардов световых лет (реликтовое излучение) это не реальные размеры Вселенной. Не будем забывать, что вот уже миллиарды лет пространство расширяется со скоростью выше скорости света. Именно из-за этого нам не удается увидеть край (если он есть).

Полагают, что Вселенная простирается на 91 миллиардов лет (29 миллиардов парсек) в диаметре. А это значит, что в любую сторону от нашей системы нам доступно 46 миллиардов световых лет наблюдения. Однако, мы все еще не знаем истинного размера космического пространства, так что есть вариант, что Вселенная не имеет границы.

Диаграмма Вселенной Лямбда-CBR (от Большого Взрыва к нашей эре).

Вещество распределяется в соотношении со структурами. Если брать галактические пределы, то мы видим планеты, звезды и туманности, чередующиеся с пустыми участками. Даже если увеличивать картинку, то сама суть остается той же. Галактики отделены газовыми и пылевыми участками. На высшем уровне мы видим сверхскопления, формирующиеся в нити, разделенные гигантскими космическими пустотами.

Опытный таролог ответит на вопросы:

Что ждёт Вас в будущем? Как сложатся отношения? Какое решение — верное?

Пространство-время способно существовать в одной из трех конфигураций: положительно-изогнутая, отрицательно-изогнутая и плоская. Подобные виды основываются на 4 измерениях (координаты x, y, z и время) и зависят от космического расширения (повлияет бесконечность или конечность пространства).

Положительно-изогнутая представляет собою четырехмерную сферу. У нее есть конец, но не виден резкий край. Отрицательно-изогнутую еще называют открытой, потому что напоминает седло, у которого нет границ. Нижний рисунок демонстрирует возможные варианты форм Вселенной.

Возможные формы наблюдаемой Вселенной.

В первом случае, расширение Вселенной должно было остановиться из-за огромного количества энергии. Во втором ее слишком мало, чтобы остановить его. А в последнем – критическое число энергии заставило бы расширение остановиться, но через бесконечное время.

Что ждет Вселенную?

Если мы знаем о наличии стартовой точки, то нас должен волновать и финиш. Что же нас ждет? Вечное расширение? Или же возвращение в компактный первородный шарик? Как умрет Вселенная? Эти вопросы возродились, когда велись дискуссии об истинной модели Вселенной. В 1990-х годах научное сообщество определилось с Большим Взрывом, создав два возможных варианта конца.

Познакомьтесь с Большим Сжатием. Вселенная продолжит разрастаться до максимального объема, а затем запустит процесс саморазрушения. Это возможно, если массовая плотность превышает критическую. Если же это значение такое же или ниже, тогда в игру вступает Большое Замораживание. Пространство также продолжит расширяться, пока звезды не смогут поддерживать процесс формирования (израсходуется весь газ). Все уже существующие звезды сгорели бы и трансформировались в белых карликов, а нейтронные – в черные дыры.

Возможные варианты конца Вселенной

Конечно, черные дыры стали бы притягиваться, порождая настоящих гигантских монстров. Средняя температура пространства достигла бы абсолютного нуля, и черные дыры испарились. Энтропия вырастет до такой степени, что запустит сценарий тепловой смерти, когда уже просто невозможно извлечь никакой организованной формы энергии.

Есть также теория фантомных энергий. Она полагает, что галактические скопления, планеты, звезды, ядра и даже материя разорвутся из-за расширения. Такой исход называют Большим разрывом.

История изучения Вселенной

Если говорить в общем, то природу вещей изучают еще с начала времен. Наиболее ранние известия о Вселенной представлены в мифах и передавались устно. По большей части все начинается с момента творения, за которое ответственен Бог или боги.

Астрономия появилась в Древнем Вавилоне. Созвездия и календари фигурируют у них еще 2000 лет до н.э. Более того, им даже удалось создать предсказания на последующую тысячу лет. Греческие и индийские ученые подходили к вопросам Вселенной с философской стороны, сосредотачиваясь не на божественном вмешательстве, а на причине и следствии. Можно вспомнить Фалеса и Анаксимандра, утверждавших, что все появилось из первозданной материи.

Эмпедокл (5-й век до н.э.) стал первым в западном мире, кто предположил, что Вселенная представлена землей, воздухом, водой и огнем. Эта система стала очень популярной среди философов, так как сильно походила на китайскую: металл, дерево, вода, огонь и земля.

Ранняя атомная теория утверждала, что разные материалы состоят из атомов различной формы

Только с Демокритом приходит теория о неразделимых частицах (атомов), из которых и состоит пространство. Ее продолжил философ из Индии по имени Канада, считавший, что свет и тепло являются одним веществом, просто представленным в разных формах. Буддийский философ Дигнана еще более продвинулся, заявив, что вся материя – энергия.

Идея о конечности времени вошла в христианство, иудаизм и ислам. Они верили, что у Вселенной есть начало и конец. Космология продолжала развиваться, и греки выдвигают геоцентрическую модель, которая гласит, что в центре всего стоит Земля, вокруг которой вращаются небесные тела. Детальнее всего это описано в «Альмагесте» Птолемеем. Это станет каноном и продлится до Средневековья.

Сравнение геоцентрической и гелиоцентрической моделей Вселенной

Еще до периода научной революции (16-18 века) появлялись ученые, считавшие, что в основе всего должна стоять гелиоцентрическая модель, где в центре нашей системы расположено Солнце. Среди них фигурируют Аристарх Самосский (310-230 гг. до н.э.) и Селевк (190-150 гг. до н.э.).

Хотя в индийские, персидские и арабские философы развивали идеи Птолемея, находились и революционеры. Например, Ас-Сиджизи или Ариабхата. В 16-м веке появляется Николай Коперник. Его заслуга в том, что он выдвинул концепцию гелиоцентрической модели и обосновал доказательства ее верности. Они основывались на 7 принципах:

Титульный лист «Диалога» (1632)

Более расширенная версия его идей появилась в 1532 году, когда дописал «О вращении небесных сфер». В рукописи фигурировали те же аргументы, но уже подкрепленные научными доводами и примерами. Но автор переживал, что его начнут преследовать со стороны церкви и работа увидела свет лишь в 1542 году после его смерти.

За его идеи взялись ученые 16-17-х веков. Особой заслуги достоин Галилео Галилей. При помощи своего нового изобретение (телескоп) он впервые взглянул на Луну, Солнце и Юпитер, которые не вписывались в геоцентрическую модель, зато соответствовали гелиоцентрической.

В начале 17-го века его записи опубликовали. Интересными были наблюдения кратерной поверхности Луны, а также детализация крупнейших спутников Юпитера и выявление солнечных пятен. Не обошел он стороною и Млечный Путь, который до этого считался туманностью. Галилей увидел, что перед ним множество плотно расположенных звезд.

В 1632 году он выступил за гелиоцентрическую модель в трактате «Диалог о двух системах мира». Его аргументы разбили верования Птолемея и Аристотеля. Дальнейшему укреплению способствовала теория Иоганна Кеплера об эллиптических орбитах планет. Дальше появляется Исаак Ньютон, создавший теорию всемирного тяготения. В трактате 1687 года он описал три закона движения:

Демонстрация дистанции между планетами в Солнечной системе

Все вместе эти принципы описывали связь между объектом, воздействующими силами и движением. Это стало основой для классической механики. С их помощью Ньютон определил массы планет, выравнивание Земли на полюсах и выпуклость на экваторе, а также то, что сила тяжести между Солнцем и Луной создает приливы на Земле.

Следующий прорыв произошел в 1755 году. Иммануил Кант выдвигает идею, что Млечный Путь – огромная звездная коллекция, скрепленная общей гравитацией. Звезды вращаются, формируя сплющенный диск, а Солнечная система расположена внутри него.

В 1785 году Уильям Гершель хотел вычислить форму галактики, но он не догадался, что большая ее часть скрыта за пылью и газом. Пришлось ждать 20-го века и появления Эйнштейна с его Специальной и Общей теориями относительности. Началось с того, что он просто хотел решить законы ньютоновской механики законами электромагнетизма. В 1905 году появилась Специальная теория относительности.

Она утверждала, что скорость света одинакова для всех инерциальных систем координат. Но это вступало в противоречие с предыдущим мнением (свет, проходящий сквозь движущуюся среду, будет следовать вдоль среды, то есть, скорость света равняется сумме скорости прохода сквозь среду и скорость самой среды).

Получается, что эта теория сделала так, что среда вообще оказалась лишней. В 1907-1911х гг. Эйнштейн думал, как применить теорию к гравитационным полям. В итоге, он создал Общую теорию относительности (время относится к наблюдателю и зависит от его расположения в гравитационном поле).

Здесь же появляется принцип эквивалентности – гравитационная масса равняется инерционной массе. Он также предсказал замедление гравитационного времени, существование черных дыр и расширение Вселенной.

В 1915 году появляется радиус Шварцшильда – точка, в которой масса сферы будет так сильно сжата, что скорость ухода с поверхности приравнивается к скорости света (является результатом решения уравнение поля Эйнштейна). В 1931 году Субраманьян Чандрасекар использовал наработки Эйнштейна, чтобы понять, что если масса не вращающегося тела вырожденного электрона выше определенной отметки, то оно само рухнет.

В 1929 году Эдвин Хаббл подтвердил, что Вселенная расширяется. Для этого он замерил красное смещение, в котором галактики отходили от Млечного Пути. Кроме того, сумел продемонстрировать, что чем дальше галактика, тем быстрее скорость отдаления.

В 1931 году Жорж Леметр независимо подтвердил расширение и предположил, что Вселенная началась с маленького объекта (зарождение теории Большого Взрыва). То есть, в определенный момент вся масса была сконцентрирована в одной крошечной точке. Эта идея вызвала бурные споры в 1920-1930-х годах, так как все еще были сторонники статичной Вселенной.

Но споры разрешились в 1965 году, когда обнаружили реликтовое излучение. В это же время появляется предположение, что темная материя является недостающей массой Вселенной. Расширили понимание Вселенной наработки Стивена Хокинга и остальных физиков, подтвердивших вариант Большого Взрыва.

В 1990-х годах все силы тратились на попытку разобраться в темной энергии. Ее появление помогло объяснить, почему пространство продолжает ускоряться. Естественно, эпоха новых телескопов позволила впервые заглянуть в глубины космоса, а значит и в прошлое (определение возраста и плотности материи).

Хаббл Deep Field

Результаты 2016 года показывают, что скорость расширения Вселенной выше, чем полагали ранее, а значит, и постоянная Хаббла увеличилась на 5-9%. Появление телескопа нового поколения Джеймс Уэбб позволит совершить дальнейшие прорывы в изучении Вселенной.

Кажется, что человечество серьезно продвинулось в исследовании мира. Но проблема в том, что мы лишь приоткрыли дверь и с удивлением смотрим на все эти чудеса, многим из которых все еще нет объяснения. Поэтому нас ожидает еще множество открытий и сюрпризов.

Источник

Космологический ликбез. Что такое Вселенная

2MASS Redshift Survey (2MRS)

Мы в соавторстве с Валерием Рубаковым работаем над книгой с рабочим названием «Острые углы космологии». Она будет во многом полемической: рассмотрим основные темы, о которых спорят и судачат, и вопросы, ответы на которые пока еще не знают. Но для начала — ликбез. Это первая глава будущей книги.

Разные люди понимают под словом «Вселенная» совершенно разные вещи. Например, «всё сущее». Но надо бы сузить понятие, доопределить его до чего-то конкретного. Большинство космологов, вероятно, согласится с тем, что Вселенная — это пространство со всем содержимым, в котором мы находимся и которое теоретически можно покрыть непрерывной гладкой координатной сеткой, или мысленной сетью наблюдателей, каждый из которых видит соседей.

Вселенная имеет четыре измерения — три одинаковых (пространство) и четвертое — радикально отличающееся от этих трех (время).

Это Вселенная с большой буквы, но для понимания Мироздания нам потребуется вселенная с маленькой буквы. Это то же самое, только надо исключить оттуда нас и убрать конкретное число измерений. Получим некое другое пространство, в котором нас нет, пространство с другим содержимым и, возможно, с другими свойствами, включая число и характер измерений. Это будет просто другая вселенная, которую мы никогда не сможем наблюдать, можем только сказать, что ничто не запрещает существование ее и ей подобных. И еще есть некоторые наводящие соображения, по которым такие вселенные должны быть, причем в неограниченном количестве, в том числе непохожие на нашу.

Геометрия Вселенной

Какова геометрия Вселенной? Легче всего представить себе бесконечное вечное пространство, в котором работают аксиомы Евклида, — так Вселенную и представляли себе до третьей декады ХХ века. Но это не обязательно так. Представим себе двумерное пространство — это легко. Например, бесконечную плоскость, где также справедливы аксиомы Евклида. Это будет двумерный аналог бесконечного евклидова трехмерного пространства. Но можно легко представить и иной вариант — сферу. Это замкнутое конечное пространство, где параллельные прямые пересекаются, а сумма углов треугольника больше 180°. Такое пространство называется римановым, его кривизна положительна.

Представим себе, что эта сфера — целый мир, вселенная с маленькой буквы. По сфере распространяется свет — по геодезическим линиям, т. е. по кратчайшему расстоянию между точками. На сфере существуют двумерные материальные объекты и даже созданные из них разумные существа. Эта вселенная не имеет краев, но она конечна — пространство замкнуто. Если вселенная стационарна, т. е. ее размер и форма не меняется со временем, то в ней можно совершить кругосветное путешествие — отправиться по прямой и вернуться с обратной стороны. В этом случае яркие объекты можно увидеть с двух противоположных сторон, подобно тому, как ударная волна от мощнейшего взрыва приходит дважды, обогнув земной шар в противоположных направлениях.

Мы, живущие в трех измерениях, видим сферу со стороны, видим, что она выпуклая и замкнутая. А могут ли микроскопические двумерные существа, живущие на этой сфере и не имеющие выхода за ее пределы, убедиться, что она не плоская? Еще как! Например, построить большой треугольник и измерить сумму углов. Если она больше 180° — то кривизна положительна, геометрия риманова, и можно говорить о том, что их вселенная замкнута (в предположении, что кривизна везде одинакова). А если сумма равна 180° или меньше, значит, кривизна нулевая или отрицательная, геометрия евклидова или Лобачевского, вселенная бесконечна. Причем даже не обязательно «строить» треугольник — достаточно измерить угловой размер объекта с известным линейным размером и известным расстоянием до него.

В нашем примере предполагается, что есть дополнительное третье измерение, иначе мы бы не могли смотреть на сферу со стороны. Но может ли его не быть вовсе? Конечно, может! Существование такой двумерной вселенной без всяких дополнительных измерений не противоречит никаким принципам. А может ли быть так, что измерений все-таки три, а вселенная — просто вложенный в них двумерный пузырь, из которого нельзя или очень трудно выпрыгнуть в третье измерение — физика не позволяет? Тоже может быть — это называется «мир на бране». Теоретики рассматривают возможность, что наша Вселенная — тоже мир на бране, но проверить, так ли это, мы пока не можем.

Теперь следующий, более трудный, но важный шаг: пусть наша сфера будет трехмерной — трехмерное замкнутое пространство. Это вообразить гораздо сложнее, поскольку мы не можем представить себе четвертое измерение, помогающее взглянуть извне на трехмерную сферу. Теперь мы сами — те микроскопические существа, заключенные в замкнутом пространстве. Если наша вселенная стационарна (радиус сферы не меняется со временем), мы можем совершить кругосветное путешествие, отправившись в любом направлении и вернувшись с противоположного. Мы будем видеть яркие объекты с двух противоположных сторон неба (такие объекты безуспешно искались). И если сфера совсем идеальная, то взгляд, брошенный человеком в любом направлении, упрется в его же затылок, правда, его изображение будет исчезающе тусклым из-за колоссального увеличения.

До сих пор мы говорили о вселенной как о замкнутой сфере идеальной формы. Это не обязательно так. Сфера может быть покрыта мелкой рябью, может иметь глобальные деформации (что усложняет кругосветное путешествие). Теоретически вселенная может даже иметь другую топологию, например тороидальную. Но все-таки нам важно, чтобы вселенная была замкнутой и конечной. Теоретически можно описать и бесконечную вселенную, но тогда встает тяжелый вопрос: как она могла появиться? Этот вопрос можно просто проигнорировать, но с конечной вселенной намного проще: вопрос о ее появлении (и размножении) не то, чтобы решен, но просматривается в общих чертах.

А может ли вселенная иметь форму чемодана? То есть быть пространством не замкнутым, а ограниченным какими-то стенками? Теоретически — да. Например, есть такое понятие, как «доменные стенки», разделяющие пространства с разными законами физики. Тогда за стенкой лежит другая смежная вселенная (домен) и скорее всего стенка движется — один домен пожирает другой, но это уже за пределами темы этой книги, и возвращаться к доменным стенкам мы не будем.

Вариантов геометрии вселенных огромное множество, но мы должны остановиться на самом простом, который к тому же и самый естественный: однородная изотропная сфера. Однородная означает, что условия в каждой точке одинаковы, изотропная — нет выделенных направлений. В случае нашей Вселенной — сфера трехмерная. Для демонстрации будем использовать идеальную двумерную сферу в трехмерном пространстве. Мы приходим к тому, что называется пространственно ноль-мерной задачей: ото всех пространственных координат ничего не зависит, независимой переменной остается только время. Решение задачи будет описывать только размер (радиус кривизны, масштаб) Вселенной — его изменение со временем.

Кинематика Вселенной

Выше мы для наглядности рассматривали стационарную вселенную. На самом деле так не бывает. Устроить стационарную вселенную очень трудно — нужна точная подгонка параметров, об этом будет сказано ниже. Реальные вселенные либо расширяются, либо сжимаются. Нам интереснее первый вариант, поскольку наша Вселенная расширяется.

Кругосветное путешествие нам не светит: никто, ограниченный скоростью света, не сможет обогнать расширение Вселенной, поскольку оно может быть сверхсветовым, а в нашей Вселенной — точно сверхсветовое. Это не ошибка — удаленные области Вселенной действительно разлетаются со скоростями выше световой. Как ни крамольно это звучит. Чтобы объяснить этот парадокс, нужно сначала разобраться в том, что значит «расширение» и «удаленные области разлетаются». Эти слова подразумевают, что во вселенной в каждой точке существует некоторая выделенная система отсчета.

В нашей модели вселенной в виде двумерной поверхности замкнутой сферы расширение можно смоделировать, например, надувая эту сферу, если она резиновая. Там выделенная система отсчета очевидна — это материал сферы. Пусть резина везде одинаковая и можно нанести на нее точки и наблюдать, как они удаляются друг от друга при надувании. А в реальной физической Вселенной вроде бы нет материала, выделяющего систему отсчета. В пространстве действует специальная теория относительности, отрицающая существование выделенных систем. Ну да, есть малоподвижные звезды и галактики, но это лишь факт биографии нашей Вселенной, в специальной теории относительности они не задают систему отсчета. А в общей теории относительности, оказывается, задают.

Выделенной системы отсчета нет только в пустом плоском пространстве. А если пространство не пустое? Значит, появляется система, где суммарный импульс вещества равен нулю (назовем ее «система объемного покоя»). Эта система — факт биографии вселенной, но общая теория относительности вынуждена с этим фактом считаться — для этой системы уравнения общей теории относительности выглядят несравненно проще, и их решения интерпретируются однозначно: сжимается или расширяется само пространство. Если вселенная однородна и изотропна, ее эволюция определяется изменением одной переменной. Это так называемый масштабный фактор a. Если пространство кривое, то в качестве естественного масштабного фактора можно взять радиус кривизны. Если пространство настолько плоское, что его кривизна лежит за пределами обнаружимости, тогда удобней использовать безразмерный масштабный фактор: расстояние между двумя точками пространства относительно расстояния между ними же в фиксированный момент времени. То есть берем расстояние между точками A и B в определенный момент времени (например, сейчас в нашей Вселенной), обозначаем его a_o и смотрим, как меняется расстояние a(t) между этими точками со временем. Для удобства убираем конкретное расстояние между конкретными точками, работая с безразмерным соотношением, общим для всей однородной вселенной, a(t)/a_o, где t — время. Тогда относительный темп расширения вселенной будет ȧ/a, где ȧ — производная a(t) по времени — это ни что иное, как постоянная Хаббла, H. В странных единицах, к которым все привыкли, постоянная Хаббла для нашей Вселенной в настоящий момент примерно равна 67 км/с на мегапарсек. Если обратить внимание на то, что расстояние входит как в числитель, так и в знаменатель, можно его сократить, выразив мегапарсек в километрах. Получим 2,2 · 10 −18 с −1 (обратная величина — порядка возраста Вселенной, что не случайно). Скорость, с которой точки А и В удаляются друг от друга, равна S · Н, где S — расстояние между точками в данный момент. Если S = c/H

1,4 · 10 28 см, то точка В удаляется от точки А со скоростью света.

Что такое горизонт вселенной? По идее, это расстояние между точками А и В (под расстоянием понимаем сумму длин малых отрезков, измеренных в сопутствующей системе отсчета по пути от А к В), когда нечто произошедшее в одной точке может повлиять на происходящее в другой точке, но не дальше. Но здесь, в отличие от ситуации с черной дырой, которая тоже имеет горизонт, возникает важный вопрос «когда?». Когда произошло и когда повлияло. Есть два определения горизонта:

Горизонт нашей Вселенной в настоящий момент находится в 46 млрд световых лет от нас при возрасте Вселенной 13,8 млрд лет. Ничего удивительного: точка В в молодой Вселенной убегала от нашей точки А гораздо быстрей света. Более того, фотон, испущенный из точки В в сторону А, тоже удалялся от точки А быстрей света. Ситуацию приблизительно иллюстрирует рисунок внизу.

Не будет большой ошибки, если мы выберем точку В не в момент Большого взрыва, а чуть позже — в момент рекомбинации. От момента Большого взрыва до нас не дошло ничего, кроме нейтрино и гравитационных волн, а от момента рекомбинации дошло реликтовое излучение, у нас есть прекрасная карта Вселенной возраста 380 тыс. лет. И мы видим там зародыши будущей крупномасштабной структуры — будущие войды и вероятные будущие сверхскопления. Сейчас всё это улетело на 46 млрд световых лет, но у нас есть хотя бы приблизительная информация о том, что там сейчас находится. В этом и есть смысл горизонта.

Дело в том, что природа космологического красного смещения другая — это именно расширение пространства. Волна электромагнитного поля, пересекающая пространство, растягивается вместе с ним. Если за время пролета вселенная растянулась в a раз, то и длина волны увеличится в a раз, а ее частота и энергия в a раз упадет. Наша Вселенная с момента рекомбинации растянулась примерно в тысячу раз, соответственно энергия фотонов и температура реликтового излучения в тысячу раз уменьшилась. Кстати, если рассмотреть покраснение фотонов как череду небольших доплеровских смещений в расширяющемся пространстве, разбив его траекторию на небольшие шаги, мы получим тот же самый результат.

Горизонт в расширяющейся вселенной. Пунктиром показаны траектории точек, изначально находящихся на разных расстояниях от точки A, в которой находимся мы. Горизонт определяется точкой B, от которой световой луч, испущенный в нашу сторону в самом начале расширения Вселенной, пришел к нам сейчас. Расстояние до горизонта равно расстоянию, на которое точка B ушла от нас к настоящему времени. Мы не знаем, что происходит сейчас в точке B, но если взять за начало эпоху рекомбинации, которая отображена в карте реликтового излучения, можем примерно восстановить, где там пустоты и сверхскопления. На рисунке не учтено современное ускоренное расширение Вселенной из-за темной энергии. Для стационарной вселенной луч света в этих координатах был бы представлен прямой линией, идущей под углом 45°

Можно продемонстрировать растягивание электромагнитной волны вместе с расширением вселенной и более строго, но это потребует введения дополнительных понятий и формул. Частицы, летящие со скоростью, близкой к скорости света, тоже теряют свою энергию как Е = Е_о · a_o/a(t), а нерелятивистские частицы таким же образом теряют скорость относительно системы покоя.

А как же специальная теория относительности? Она никуда не делась, просто надо помнить, что преобразования Лоренца применимы для плоского (евклидова) стационарного пространства. А в расширяющемся пространстве они тоже применимы, но имеют локальный характер: все преобразования скоростей и другие релятивистские эффекты сохраняют свой вид для событий, относительно близких в пространстве.

Источник

Что такое Вселенная и из чего она состоит?

Вселенная… Слово-то какое страшное. Масштабы того, что обозначается эти словом, не поддаются никакому осмыслению. Для нас проехать 1000 км — это уже расстояние, а что они значат в сравнении с гигантской цифрой, которая обозначает минимально возможный, с точки зрения учёных, диаметр нашей Вселенной.

Эта цифра не просто колоссальна — она ирреальна. 93 миллиарда световых лет! В километрах это выражается следующим числом 879 847 933 950 014 400 000 000.

Что такое Вселенная?

Что же такое Вселенная? Как объять разумом сие необъятное, ведь это же, как писал Козьма Прутков, никому не дано. Давайте обопрёмся на всем нам знакомые, простые вещи, способные путём аналогий привести нас к искомому постижению.

Из чего состоит наша Вселенная?

Чтобы разобраться в этом вопросе, пойдите прямо сейчас на кухню и возьмите поролоновую губку, которую вы используете для мытья посуды. Взяли? Так вот, вы держите в руках модель Вселенной. Если вы через лупу рассмотрите структуру губки поближе, то увидите, что она представляет собой множество открытых пор, ограниченных даже не стенками, а скорее перемычками.

Нечто подобное представляет собой и Вселенная, но только в качестве материала для перемычек используется не поролон, а… скопления галактик… Не планет, не звёздных систем, а галактик! Каждая из этих галактик состоит из сотен миллиардов звёзд, вращающихся вокруг центрального ядра, и каждая может иметь размер до сотен тысяч световых лет. Расстояние между галактиками обычно составляет около миллиона световых лет.

Расширение Вселенной

Вселенная не просто большая, она ещё вдобавок постоянно расширяется. Этот установленный с помощью наблюдения красного смещения факт, лёг в основу теории Большого взрыва.

Согласно данным НАСА возраст Вселенной с момента Большого взрыва, положившего ей начало, составляет приблизительно 13,7 миллиардов лет.

Что означает слово «Вселенная»?

Слово «Вселенная» имеет старославянские корни и, фактически, является калькой с греческого слово ойкумента (οἰκουμένη), происходящего от глагола οἰκέω «населяю, обитаю». Изначально этим словом обозначалась вся обитаемая часть мира. В церковном языке и по сей день сохраняется подобное значение: например, Константинопольский Патриарх в своём титуле имеет слово «Вселенский».

Термин происходит от слова «вселение» и только лишь созвучен слову «всё».

Что находится в центре Вселенной?

Если же нет внятного определения центра Вселенной, то говорить о том, что находится в этом самом центре, мы считаем пустым занятием.

Что находится за пределами Вселенной?

О, это вопрос очень интересный, но такой же неопределённый, как и предыдущий. Вообще неизвестно, есть ли у Вселенной пределы. Возможно, их нет. Возможно, они есть. Возможно, кроме нашей Вселенной есть и другие с иными свойствами материи, с отличными от наших законами природы и мировыми константами. Никто не может доказательно дать ответ на подобный вопрос.

Проблема заключается в том, что мы имеем возможность наблюдать Вселенную лишь на расстоянии в 13,3 миллиарда световых лет. Почему? Очень просто: мы же помним, что возраст Вселенной составляет 13,7 миллиардов лет. Учитывая, что наше наблюдение происходит с задержкой, равной времени, потраченному светом на прохождение соответствующего расстояния, мы не можем наблюдать Вселенную ранее того момента как она, собственно, появилась на свет. На этом расстоянии мы видим Вселенную ясельного возраста…

Что ещё мы знаем о Вселенной?

Очень много и ничего! Мы знаем о реликтовом свечении, о космических струнах, о квазарах, чёрных дырах и о многом и многом другом. Некоторая часть этих знаний может быть обоснована и доказана; кое-что является лишь теоретическими выкладками, которые не могут быть подтверждены доказательно, а что-то — лишь плод богатой фантазии псевдоучёных.

Но одно мы знаем наверняка: никогда не настанет момент, в который мы сможем, облегчённо вытерев пот со лба, сказать: «Фу-у-х! Вопрос, наконец-то полностью изучен. Здесь больше ловить нечего!»

Источник

Что такое Вселенная?

Вселенная — это весь бесконечный мир, окружающий нас, все существующее. От мельчайших пылинок и атомов до грандиозных звездных систем.

Космическое пространство и наша Земля, другие планеты и звезды, туманности и электромагнитные поля, растения, животные и люди — все это Вселенная. Это вещество и энергия, принимающие самые разнообразные и во многом еще не известные формы.

Какая наука изучает Вселенную?

Астрономия изучает Вселенную, расположение, движение, происхождение небесных тел и все, что связано с космосом. А ученые, исследующие все это, называются астрономами. Они изучают Солнце, звезды. Луну, планеты Солнечной системы, метеориты, кометы и многие другие небесные тела.

Изучая Вселенную, астрономы шаг за шагом проникали все дальше в ее таинственные глубины. Поняв и уточнив строение Солнечной системы, ученые обратились к Млечному Пути — гигантскому «содружеству» звезд и межзвездного вещества, существующему по особым «правилам». А следующий этап — открытие и исследование других звездных систем, похожих и непохожих на нашу, оказался крайне сложным. Ведь речь шла о расстояниях в сотни тысяч и миллионы световых лет!

А ведь еще в начале 20 в. не все астрономы верили в существование звезд и звездных систем за пределами нашей Галактики. И лишь с появлением сверхмощных телескопов нового поколения удалось измерить расстояния до самых отдаленных туманностей и галактик и хотя бы в общих чертах понять, как выглядит Вселенная «в целом».

Чем отличается космос от Вселенной?

Всё пространство Вселенной за пределами атмосфер (газовых оболочек) небесных тел называют космосом. Например, наша планета и её обитатели являются частью Вселенной. А чтобы попасть в космос, человеку надо преодолеть земную гравитацию и вылететь за границу нашей воздушной оболочки, то есть взмыть на 100-километровую высоту.

Как появилась Вселенная?

По официальным данным современной астрономической науки, Вселенная образовалась примерно 14 миллиардов лет назад. Из множества теорий, объясняющих ее происхождение, наиболее популярна теория Большого взрыва. Другие же ученые считают, что Вселенная бесконечна и существовала она всегда. Однако мы можем только предполагать, как возникла Вселенная.

Теория Большого взрыва

Теория Большого взрыва гласит, что современная Вселенная возникла после невероятной силы взрыва. Множество ученых, начиная с Альберта Эйнштейна, внесли свой вклад в развитие теории.

Насколько велика Вселенная?

Всякий, кто хоть что-то знает о Вселенной, ответит не задумываясь: «Ужасно велика!» А вот ученые так быстро и определенно ответить не берутся.

Мы привыкли к тому, что у любого объекта есть размер. Иногда его не так легко определить, но он есть. Есть размер у атома, живой клетки, человека, Земли, любой планеты, Солнечной системы. Мы можем заглянуть в справочники и найти все эти цифры. Но, открывая справочник на слове «Вселенная», видим, к удивлению, что ее размер не указан. Это потому, что Вселенная — объект, который не укладывается в обычные житейские представления. Но люди об этом обычно не задумываются. Чаще под влиянием фантастов и околонаучных энтузиастов интереснее поразмышлять об иных мирах и пришельцах из них. А между тем в последние десятилетия ученые наблюдают настоящую революцию в понимании устройства Вселенной. Это гораздо более крупное изменение представлений о строении окружающего нас мира, чем осознание человечеством того, что Земля — это шар.

Еще несколько десятков лет назад Вселенную считали бесконечной. Так думали потому, что нигде не заметно никаких признаков ее границ. Например, в наши дни через телескопы можно рассмотреть объекты, находящиеся на расстоянии 28 млрд световых лет, но границ так и не видно.

Однако эти взгляды пришлось изменить, когда в 1929 году 40-летний американский астроном Эдвин Хаббл открыл, что галактики удаляются друг от друга со скоростью, пропорциональной расстоянию между ними. Из теоретических работ Альберта Эйнштейна и советского физика Александра Фридмана следовало, что Вселенная должна изменяться во времени. Таким образом, открытие Хаббла способствовало перевороту в науке: вместо вечной и неизменной мы получили расширяющуюся, эволюционирующую Вселенную, возникшую миллиарды лет назад.

Новые представления породили новые идеи и исследования. Их результаты привели к модели образования Вселенной в результате Большого взрыва, который произошел, по разным оценкам, от 13 до 17 млрд лет назад. С этого момента начало существовать и отсчитываться время. В результате взрыва образовались частицы, из них — вещество, а из него уже формировались звезды и планеты.

В нынешнем состоянии Вселенная по форме похожа на футбольный мяч, состоящий из 12 пятиугольников, плотно подогнанных друг к другу. Внутри него находятся все известные нам объекты, включая нас самих. Диаметр «мяча» составляет, по разным оценкам, от 60 до 80 млрд световых лет. (Световой год — это расстояние, которое свет проходит за год. Это примерно 10 000 млрд километров.) Считается, что «мяч» еще какое-то время будет расширяться, а потом начнется обратный процесс, так что общий цикл от начала до конца займет около 40 млрд световых лет.

Некоторые модели, с помощью которых описываются процессы возникновения и эволюции Вселенной, предполагают, что вселенные могут возникать при высокоэнергетическом взаимодействии элементарных частиц. В этих моделях макромир и микромир оказываются взаимосвязанными. Из этого следует, что вселенных может быть много.

Конечно, и из-за гигантских отрезков времени, и из-за дистанций это никак не затрагивает нашу жизнь. Но это формирует наши представления об окружающем мире. И восхищает то, что люди на уютной планете Земля за свою короткую по космическим масштабам жизнь и историю своим разумом, страстью и упорством проникают в такие удивительные тайны мироздания. Этим можно гордиться.

Сколько во Вселенной галактик и планетных систем?

Существует как минимум 100 миллиардов галактик, о которых нам известно. Однако это число продолжает возрастать по мере того, как появляются новые, более мощные приборы.

В каждой из этих галактик насчитывается от нескольких сотен тысяч до десятков триллионов звезд. Вокруг всех этих небесных светил могут вращаться разнообразные небесные тела, в том числе и планеты. Планетные системы выглядят по-разному, очень часто бывает, что вокруг звезды обращается только одна планета. Однако и систем, похожих на Солнечную, также великое множество.

Источник

Естествознание.ру

Вселенная

Появление эффективных инструментов измерения и исследования космоса позволило постепенно приблизиться к ответам на самые глобальные вопросы. Как устроен весь мир? Когда появилась Вселенная? По каким законам она существует и развивается? Изучая законы Вселенной, чужие галактики, звезды и планетные системы, мы изучаем себя. Мы начинаем понимать, как родилась Солнечная система и каково ее будущее, как устроена наша планета и какова ее ближайшая судьба.

Каждая светящаяся точка галактики — звезда. Многие звезды имеют свою систему планет. Все объекты Вселенной взаимодействуют по законам Ньютона и Эйнштейна: спутники вращаются вокруг своих планет, планеты — вокруг звезд, а звезды галактик — вокруг галактических центров.

Кратко о Вселенной

Структура и объекты Вселенной

Если бы существовала возможность улететь на сверхмощном космическом корабле на достаточное расстояние от нашей Вселенной, что же мы увидели бы в иллюминаторах, оглядываясь назад? Масштабные сгустки космического газа, яркие точки на черном фоне, а также скопления этих точек, где-то редкие, где-то частые, сливающиеся в единое свечение. Разберемся, как ученые представляют себе нашу Вселенную.

Космический наблюдатель и его выводы

В 2009 г. на орбиту Земли был выведен астрономический спутник-обсерватория «Планк» с грандиозной миссией — изучить ни много ни мало строение Вселенной. В 2013 г. ученые озвучили выводы, сделанные на основе наблюдений «Планка». Эти данные очень необычны. В общей структуре массы и энергии Вселенной все звезды и планеты составляют лишь ничтожные 0,4%, еще 3,6% приходится на галактический газ и пыль. Почти полностью, на 95%, Вселенная состоит из того, что называют темной энергией и темной материей.

Такова структура всей Вселенной, как ее видят ученые-физики и астрономы из НАСА. Каждая точка — это отдельная галактика. Цветом показана яркость галактик — от голубого и синего (самые яркие) до алого и бордового (самые тусклые).

Темная энергия

Основой Вселенной является темная энергия, на нее приходится примерно 68,2% массы и энергии всего сущего. Темная энергия никак не связана с темной материей, просто ученые не очень удачно подобрали названия для этих двух субстанций. Темная энергия — это энергия, заполняющая все пространство Вселенной. Она возникла во время Большого взрыва.

Темная материя

Почему космос черного цвета? Ученые говорят, что это благодаря темной (или же черной) материи. Ею заполнено примерно 26,8% Вселенной. А черная она потому, что не испускает ни светового, ни электромагнитного излучения. Она не видна ни в одном из известных нам диапазонов. На фоне темной материи светятся космические туманности.

Созидатель и разрушитель

В чем отличие темной энергии от темной материи? Темная материя обволакивает галактики, скрепляя их своей массой. Темная энергия же постоянно и неуклонно провоцирует расширение Вселенной, то есть ее разрушение. Предполагается, что через многие триллионы лет темная энергия разорвет не только всю темную материю, но и галактики, звезды и даже планеты.

Изучение Вселенной Альбертом Эйнштейном

Величайший физик-теоретик современной науки Альберт Эйнштейн (1879-1955) известен как автор общей теории относительности, которая описывает законы существования Вселенной. Альберт Эйнштейн доказал, что гравитация возникает при деформации пространства и времени массой тела. Если представить себе пространство и время в виде плоской поверхности, то массивные тела типа Земли или Солнца образуют в них «лунки».

Изучение Вселенной Исааком Ньютоном

Исаак Ньютон (1642—1727) — великий английский физик, математик, механик и астроном. Автор закона всемирного тяготения, в котором математическими формулами описал принцип взаимодействия тел. Согласно общеизвестной легенде, закон тяготения Ньютон открыл, наблюдая падение яблока.

Галактики

Одна из точек Вселенной — галактика. Изображенная ниже галактика принадлежит к спиралевидному типу, имеются также эллиптические, неправильные и линзовидные галактики. Такова структура всей Вселенной. Каждая точка — это отдельная галактика. Цветом показана яркость галактик: от голубого и синего (самые яркие) до алого и бордового (самые тусклые).

Галактики объединяются в группы галактик, такие группы образуют скопления и сверхскопления. Последние выстраиваются в нити и цепочки.

Развитие Вселенной

Скорости и расстояния во Вселенной

Земная система измерения космических расстояний для масштабов Вселенной подходит плохо. Чтобы описать расстояния в космосе в километрах, придется оперировать числами со многими нулями: миллионами, миллиардами, триллионами (соответственно 1 000 000, 1 000 000 000 и 1 000 000 000 000). Это очень неудобно. Поэтому ученые разработали систему астрономических величин. Познакомимся с ними.

Сколько километров проходит свет за год?

Световой год (св. г.) — расстояние, проходимое светом за один земной год. Скорость света составляет немыслимую цифру 299 792 458 м/с, или 1 079 252 849 км/ч. За год свет проходит гигантское расстояние — 9 460 730 472 580 км (примерно 63 200 а. е.). Можно подсчитать, что максимальный радиус области гравитационного влияния Солнца (1) составляет примерно 2 св. г., или 125 000 а. е.

Максимальная единица измерения длины

Несколько примеров космических расстояний

Ближайшая к нам галактика — Андромеда — находится на расстоянии 2,5 млн св. лет, или около 770 000 пк (5). Диаметр диска нашей галактики составляет 100 000 св. лет, или около 30 000 пк (6). Диаметр диска галактики Андромеда составляет 260 000 св. лет, или примерно 80 000 пк (7).

Астрономическая единица (а. е.) — это базовая единица измерения расстояний в астрономии, приблизительно равная средней дистанции от Земли до Солнца. 1 а. е. равна в точности 149 597 870 700 м, но чаще всего ее величину округляют до 149,6 млн км (8).

Быстрее пули

Живя своей обычной жизнью, мы даже не представляем, с какими поистине космическими скоростями мы передвигаемся через пространство Вселенной. Планета Земля вращается вокруг Солнца со скоростью 29,78 км/с. Много это или мало? Один километр в секунду — это 3600 км/ч, то есть скорость Земли составляет 107 208 км/ч. Для сравнения: начальная скорость пули автомата Калашникова составляет 715 м/с, что равно 2574 км/ч. То есть Земля и все, что на ней расположено, включая читателя этих строк, несется вокруг звезды примерно в 40 раз быстрее пули!

Куда мы летим?

Солнечная система находится в движении относительно центра нашей галактики. Скорость составляет около 40 а. е. в год, или 200 км/с. Наша галактика также не стоит на месте, а сближается с галактикой Андромеды со скоростью 100-150 км/с. Местная группа галактик, включая Млечный Путь, движется к скоплению Девы (ближайшая к нам группа галактик) со скоростью 400 км/с.

Источник

Вселенная

В историческом плане для обозначения «всего пространства» использовались различные слова, включая эквиваленты и варианты из различных языков, такие как «небесная сфера», «космос», «мир». Использовался также термин «макрокосмос», хотя он предназначен для определения систем большого масштаба, включая их подсистемы и части. Аналогично, слово «микрокосмос» используется для обозначения систем малого масштаба.

Содержание

Этимология

Облик Вселенной

Несмотря на то, что Вселенная имеет четко выраженную структуру, да и к тому же с несколькими уровнями иерархий, понятия классической механики, такие как форма, масса, размер, для неё не имеют смысла: Вселенная ни с чем не взаимодействует. Вместо этого её описывают как термодинамическую систему, употребляя такие понятия как плотность, давление, температура, химический состав. Именно они и определят облик Вселенной как единого целого.

Он формируется множеством процессов, действующих на разном уровне иерархии — масштабе, и имеющие различную природу. Самый крупный из них — это расширение Вселенной, природа которого — гравитационное взаимодействие всех существующих объектов. Именно от его хода зависит будущее Вселенной на самых больших масштабах.

Ещё одним явлением, сравнимым по масштабу с размером Вселенной, можно назвать реликтовый фон. Он образован фотонами, испущенными в эпоху, когда свет горячего Большого взрыва практически перестал взаимодействовать с материей, отделился от неё. Сейчас из-за расширения Вселенной из видимого диапазона большинство этих фотонов перешли в микроволновой радиодиапазон.

Гравитация также ответственна за образование сложных крупномасштабных структур: войдов, сверхскоплений, скоплений, локальных групп галактик, галактик линзовидных, неправильных, эллиптических и спиральных, галактик с активными ядрами и так далее. Каждая такая структура образует поле, на котором разворачиваются различные процессы. Все вместе они определяют эволюцию отдельной галактики — базового процесса в морфологической и химической эволюции Вселенной. Основную роль на масштабах поменьше играют звёздные скопления, звёздные системы различной кратности и, наконец, отдельные звёзды.

На схеме ниже представлен комплекс процессов, формирующих эволюцию галактики.

В центре диаграммы представлены важные этапы эволюции одной звезды, от её формирования до смерти. Их ход малозависим от того, что творится со всей галактикой в целом. Однако общее число вновь образующихся звёзд и их параметры подвержены значительному внешнему влиянию. Процессы, масштабы которых сравнимы или больше размера галактики (на диаграмме это все остальные, не вошедшие в центральную область), меняют морфологическую структуру, темп звездообразования, а значит и скорость химической эволюции, спектр галактики и т. д.

Как можно видеть, масштабы происходящих процессов — многие миллионы лет, условия, в которых они происходят крайне редко, и то лишь частично, можно воспроизвести в лабораториях, поэтому все знания о них — многоступенчатая интерпретация астрономических наблюдений.

Наблюдения

Информация, которой обладает человечество о Вселенной, как о едином целом — результат астрономических наблюдений. И если у большинства естественных наук разнообразие источников информации ничем не ограничено, то у астронома, в подавляющем числе случаев, он один — электромагнитное излучение. Среди однозначно интерпретируемых фактов относительно свойств Вселенной приведем здесь следующие:

Шкала расстояний — это целый комплекс задач по измерению расстояний до различных объектов. Мы привыкли, что на Земле, да и в Солнечной системе, расстояние — это параметр, который надо подставить, чтобы что-то вычислить. Но на космологических масштабах расстояние перестает быть просто параметром. Суть закона, сформулированного Эдвином Хабблом, ныне носящего его имя:

У Хаббла были две ступени шкалы расстояний: фундаментальная — метод тригонометрического параллакса, следующий из евклидовой геометрии, и метод, измерения по видимому блеску цефеид. Сегодня таких ступеней гораздо больше и протягиваются они гораздо дальше, позволяя измерять расстояния в миллиарды парсек.

Метод тригонометрического параллакса

Годичный параллакс — угол, под которым был бы виден средний радиус земной орбиты из центра масс звезды. Из-за движения Земли по орбите видимое положение любой звезды на небесной сфере постоянно сдвигается — звезда описывает эллипс, большая полуось которого оказывается равной годичному параллаксу. По известному параллаксу из законов евклидовой геометрии расстояние от центра земной орбиты до звезды можно найти как [10] :

где приближённое равенство записано для малого угла (в радианах). Данная формула хорошо демонстрирует основную трудность этого метода: с увеличением расстояния значение параллакса убывает по гиперболе, и поэтому измерение расстояний до далеких звезд сопряжено со значительными техническими трудностями.

Суть группового параллакса состоит в следующем: если некое звёздное скопление имеет заметную скорость относительно Земли, то по законам проекции видимые направления движения его членов будут сходиться в одной точке, называемой радиантом скопления. Положение радианта определяется из собственных движений звёзд и смещения их спектральных линий, возникшего из-за эффекта Доплера. Тогда расстояние до скопления находится из следующего соотношения [11] :

Метод определения расстояния по цефеидам и звёздам типа RR Лиры

Метод относится к классу фотометрических: если есть источник, светимость которого известна (так называемая стандартная свеча), то искомое расстояние вычисляется по формуле

где M — абсолютная звёздная величина, m — наблюдаемая звёздная величина, а d₀ = 10 пк.

Оба типа звёзд являются переменными, но если цефеиды — недавно образовавшиеся объекты, то звёзды типа RR Лиры сошли с главной последовательности — гиганты спектральных классов A—F, расположенные, в основном, на горизонтальной ветви диаграммы «цвет-величина» для шаровых скоплений. Однако, способы их использования как стандартных свеч различны:

Определение данным методом расстояний сопряжено с рядом трудностей:

Кроме того, для цефеид остаётся серьёзной проблемой точное определение нуль пункта зависимости «Период пульсации — Светимость». На протяжении XX века его значение постоянно менялось, а значит и менялось расстояние, измеряемое подобным способом. Светимость звезд типа RR Лиры, хотя и почти постоянна, но все же зависит от концентрации тяжелых элементов.

Метод определения расстояния по сверхновым типа Ia

Характерная черта сверхновых типа Ia — сходство кривых блеска и одинаковая светимость в их максимуме. Открытие последнего факта стало возможным после определения расстояний по цефеидам до галактик, в которых произошли вспышки сверхновых. Собственно, только после этого стало возможным использование сверхновых в качестве стандартных свеч.

Вышесказанное означает, что наблюдая за кривой блеска, можно определить, какую звёздную величину сверхновая имела в максимуме, а значит, и определить расстояние до неё.

Метод определения расстояния по гравитационным линзам

Проходя около массивного тела, луч света отклоняется. Таким образом, массивное тело способно собирать параллельный пучок света в некотором фокусе, строя изображение, причём их может быть несколько. Это явление называется гравитационным линзированием. Если линзируемый объект — переменный, и наблюдается несколько его изображений, это открывает возможность измерения расстояний, так как между изображениями будут различные временны́е задержки из-за распространения лучей в разных частях гравитационного поля линзы (эффект аналогичен эффекту Шапиро в Солнечной системе).

Если в качестве характерного масштаба для координат изображения ξ и источника η (см. рисунок) в соответствующих плоскостях взять ξ₀=D_l и η₀=ξ₀D_s/D_l (где D — угловое расстояние), тогда можно записывать временно́е запаздывание между изображениями номер i и j следующим образом [16] :

где x=ξ/ξ₀ и y=η/η₀ — угловые положения источника и изображения соответственно, с — скорость света, z_l — красное смещение линзы, а ψ — потенциал отклонения, зависящий от выбора модели. Считается, что в большинстве случаев реальный потенциал линзы хорошо аппроксимируется моделью, в которой вещество распределено радиально симметрично, а потенциал превращается в бесконечность. Тогда время задержки определяется по формуле:

Метод определения расстояния по красным гигантам

Однако, по мере ослабления звезды растут и ошибки метода. В итоге предельно измеряемый блеск на две звездных величины хуже, чем позволяет аппаратура.

где a — коэффициент, близкий к 0,3, m — наблюдаемая звёздная величина.

Основная проблема — расходимость в некоторых случаях рядов, возникающих в результате работы метода максимального правдоподобия.

Проблемы и современные дискуссии

Если проэкстраполировать закон Хаббла назад во времени, то в итоге возникнет точка, гравитационная сингулярность, называемая космологической сингулярностью. Это большая проблема, так как весь аналитический аппарат физики становится бесполезным. И хотя, следуя путём Гамова, предложенным в 1946 году, можно надёжно экстраполировать до момента, пока работоспособны современные законы физики, но точно определить этот момент наступления «новой физики» пока не представляется возможным. Предполагается, что по величине он равен планковскому времени, с.

Изучение истории развития Вселенной и её крупномасштабной структуры

Изучение истории развития Вселенной и проблема возникновения её крупномасштабной структуры — крайне важные задачи как для космологии, так и для всей астрофизики в целом. Только их решение может однозначно дать ответ о верности представлений и понимании процессов, происходящих на масштабах сопоставимых с размером одной галактики и больше.

Но проблемы эти крайне сложны, и трудности возникают сразу с постановки задачи. Для построения общей картины эволюции и формирования Вселенной необходимы знания об эволюции и формировании отдельных её частей, вплоть до звёзд. Однако, время эволюции даже наиболее короткоживущих звёзд — миллионы лет, и не в силах человеческих пронаблюдать всё это время. Самый очевидный выход: наблюдения схожих объектов, но разных возрастов. Но чтоб исключить эффекты селекции для каждого возрастного среза нужен не один представитель, но десятки, а лучше и сотни. Но тут поджидает засада: чем старее объект, тем труднее его наблюдать. И всё из-за того, что Солнце и звёзды в ближайших окрестностях — молодые звёзды по космологическим меркам и старая звезда может оказаться среди них лишь по одной причине: процессы протекают в ней очень медленно, а значит и её блеск крайне невелик. С увеличением расстояния, кроме падения блеска, уменьшается и угловое расстояние, и начиная с определенного предела, наблюдение отдельных звёзд невозможно и все данные носят интегральный характер. Но и это ещё не всё: на больших масштабах из-за космологического красного смещение оптический спектр вместе с крайне важной линией L_α смещается в инфракрасный диапазон, наблюдения в котором связаны со значительными техническими трудностями.

И универсального решения тут нет: если построить большой телескоп, то решается, до известного предела, проблема блеска и разрешимости на отдельные звёзды. Но при этом размер поля телескопа не годится для массовых обзорных наблюдений. Если построить обзорный телескоп, то количество старых объектов, по которым можно будет получить детальные спектры и хорошие фотометрические данные крайне мало. Если выделить какую-то группу звёзд или придумать критерий, по наблюдениям только больших телескопов, то вполне возможна ситуация, что при попытке его экстраполировать на все объекты данного типа, могут выявиться факты, учёт которых затруднителен. Тоже самое справедливо и для обзорных телескопов.

После обнаружения у гамма-всплесков оптического послесвечения и получения их спектров стало ясно, что гамма-всплески — далёкие объекты. На данный момент одним из самых далёких зафиксированных объектов Вселенной является гамма-всплеск GRB 090423 с красным смещением z = 8,2.

Звёздное скоплениеЗвёздные скопления представляют собой гравитационно-связанные группы звёзд, имеющих общее происхождение, и, соответственно, примерно одинаковый возраст и химический состав. Более массивные звёзды скопления раньше проходят все этапы своей эволюции, превращаясь либо в компактные релятивистские объекты (нейтронные звёзды и чёрные дыры), либо в белые карлики, а менее массивные продолжают находиться на главной последовательности.Не проэволюционировавшие или слабо проэволюционировавшие объектыВ данную группу включены как галактики, так и звёзды. Характерной чертой данных объектов является их низкая металличность. Они в основном состоят из того вещества, из которого состояли самые первые звёзды и галактики.Реликтовый фонРеликтовый фон — чернотельное однородное излучение со средней температурой 2,72 К, заполняющее Вселенную.

Общие особенности и приемы

Наблюдать космологические объекты можно различными способами, некоторые подходят только для одного типа объектов, некоторые применимы ко всем. Те, что характерны для всех, частично пришли из звёздной астрономии (такие как метод звёздных подсчётов или сравнение различных участков спектра), частично изобретены только для нужд космологии.

Общие проблемы наиболее ярким образом проявляются в галактиках. Классически, среди них выделяют четыре типа: эллиптические, линзовидные, спиральные и иррегулярные. И эти четыре типа во многом схожи, но также во многом различны. Факторов, влияющих на эволюцию свойств отдельно взятой галактики — огромное множество. Все это отражается на её спектральных и фотометрических характеристиках, причем временные масштабы эволюционных процессов — миллионы лет. В итоге наблюдения далеких объектов нельзя соотнести с наблюдениями близких галактик и нет простых механизмов экстраполяции того состояния к нынешнему.

Лайман-альфа лес

В спектрах некоторых далеких объектов можно наблюдать большое скопление сильных абсорбционных линий на малом участке спектра (т. н. лес линий). Эти линии отождествляются как линии серии Лаймана, но имеющие разные красные смещения.

Облака нейтрального водорода эффективно поглощают свет на длинах волн от L_α(1216 Å) до лаймановского предела. Излучение, изначально коротковолновое, на пути к нам из-за расширения Вселенной поглощается там, где его длина волны сравнивается с этим «лесом». Сечение взаимодействия очень большое и расчёт показывает, что даже малой доли нейтрального водорода достаточно для создания большого поглощения в непрерывном спектре.

При большом количестве облаков нейтрального водорода на пути света, линии будто настолько близко друг к другу, что на довольно широком интервале в спектре образуется провал. Длинноволновая граница этого интервала обусловлена L_α, а коротковолновая зависит от ближайшего красного смещения, ближе которого среда ионизована и нейтрального водорода мало. Подобный эффект носит названия эффекта Гана-Петерсона.

Эффект наблюдается в квазарах с красным смещением z > 6. Отсюда делается вывод, что эпоха ионизации межгалактического газа началась с z ≈ 6.

Гравитационное линзирование

Сравнение различных участков спектра

К стандартным приёмам, позволяющим прояснить природу любого объекта, можно отнести сравнение как спектров различных, но принадлежащих к одному классу объектов, так и различных частей одного и того же спектра.

Метод звёздных черпков

Первым способом изучения крупномасштабной структуры Вселенной, не потерявший своей актуальности, стал так называемый метод «звёздных подсчётов» или метод «звёздных черпков». Суть его в подсчёте количества объектов в различных направлениях. Применён Гершелем в конце XVIII века, когда о существовании далеких космических объектов только догадывались, и единственными объектами, доступными для наблюдений, были звёзды, отсюда и название. Сегодня, естественно, считают не звёзды, а внегалактические объекты (квазары, галактики), и помимо выделенного направления строят распределения по z.

Крупнейшими источниками данных о внегалактических объектах являются отдельные наблюдения конкретных объектов, обзоры типа SDSS, APM, 2df, а также компилятивные базы данных, такие как Ned и Hyperleda. Например, в обзоре 2df охват неба составлял

5 %, среднее z — 0,11 (

500 Мпк), количество объектов —

Особенности наблюдений квазаров

Особенности наблюдений гамма-всплесков

Уникальные возможности применения гамма-всплесков для изучения структуры Вселенной состоят в следующем [47] :

Основной проблемой гамма-всплесков является их спорадичность и краткость времени, когда послесвечение всплеска, по которому только и можно определить расстояние до него, можно наблюдать спектроскопически.

Особенности наблюдений реликтового излучения

Информация, которую возможно получить, наблюдая реликтовый фон, крайне разнообразна: примечателен сам факт существования реликтового фона. Если Вселенная существовала вечно, то неясна причина его существования — массовых источников, способных создать такой фон, мы не наблюдаем. Однако если время жизни Вселенной конечно, то очевидно, что причина его возникновения кроется на первых этапах жизни Вселенной.

На сегодняшний день доминирует мнение, что реликтовое излучение — это излучение, высвободившееся в момент образовании атомов водорода. До этого излучение было заперто в веществе, а вернее, в том, что тогда оно из себя представляло — плотной горячей плазме.

Метод анализа реликтового фона на этом предположении и базируется. Если мысленно проследить путь каждого фотона, то получится, что поверхность последнего рассеяния — сфера, тогда колебания температуры удобно разложить в ряд по сферическим функциям [48] :

где — коэффициенты, называемые мультипольными, а — сферические гармоники. Получающаяся информация довольно разнообразна.

Эффект Сюняева — Зельдовича

Если фотоны реликтового фона на своём пути встречают горячий газ скоплений галактик, то в ходе рассеяния за счёт обратного эффекта Комптона фотоны будут разогреваться (то есть увеличат частоту), забирая часть энергии у горячих электронов. Наблюдательно это будет проявляться снижением потока реликтового излучения в направлении крупных скоплений галактик в длинноволновой области спектра.

С помощью этого эффекта можно получить информацию [49] :

При достаточном количестве наблюдаемых скоплений можно определить и общую плотность Вселенной Ω.

Преимущество этого эффекта состоит в том, что его природа ясна и никак не зависит от космологического красного смещения.

Поляризация

Поляризация реликтового излучения могла возникнуть только в эпоху просветления. Так как рассеяние томпсоновское, то реликтовое излучение линейно поляризовано. Соответственно, параметры Стокса Q и U, характеризующие линейные параметры, отличны, а параметр V равен нулю. Если интенсивность можно разложить по скалярным гармоникам, то поляризацию можно разложить по так называемым спиновым гармоникам [48] :

E-мода может появляться при прохождении излучения через неоднородную плазму вследствие томпсоновского рассеяния. B-мода, максимальная амплитуда которой достигает всего лишь , возникает лишь при взаимодействии с гравитационными волнами.

На сегодняшний день поляризация обнаружена, её величина на уровне в несколько (микрокельвинов). Причем зарегистрирована только E-мода, B-мода не наблюдается.

Флуктуации реликтового фона

Для сравнение с теоретическими данным сырые данные приводятся к вращательно-инвариантной величине [48] :

«Спектр» же строят для величины l(l+1)Cl/2π, из которого получают важные для космологии выводы. К примеру, по положению первого пика можно судить о полной плотности Вселенной, а по его величине — содержание барионов.

Особенности наблюдений звёздных скоплений

Главное свойство шаровых скоплений для наблюдательной космологии — много звёзд одного возраста в небольшом пространстве. Это значит, что если каким-то способом измерено расстояние до одного члена скопления, то различие в расстоянии до других членов скопления пренебрежимо мало.

Одновременное формирование всех звёзд скопления позволяет определить его возраст: опираясь на теорию звёздной эволюции, строятся изохроны на диаграмме «цвет — звёздная величина», то есть кривые равного возраста для звёзд различной массы. Сопоставляя их с наблюдаемым распределением звёзд в скоплении, можно определить его возраст.

Метод имеет ряд своих трудностей. Пытаясь их решить, разные команды, в разное время получали разные возраста для самых старых скоплений, от

В галактиках шаровые скопления, входящие в старую сферическую подсистему галактик, содержат множество белых карликов — остатков проэволюционировавших красных гигантов относительно небольшой массы. Белые карлики лишены собственных источников термоядерной энергии и излучают исключительно за счёт излучения запасов тепла. Белые карлики имеют приблизительно одинаковую массу звёзд-предшественниц, а значит — и приблизительно одинаковую зависимость температуры от времени. Определив по спектру белого карлика его абсолютную звёздную величину на данный момент и зная зависимость время—светимость при остывании, можно определить возраст карлика [57]

Особенности наблюдений непроэволюционировавших объектов

Объекты, фактически состоящие из первичного вещества, дожили до нашего времени благодаря крайне малому темпу их внутренней эволюции. Это позволяет изучать первичный химический состав элементов, а также, не сильно вдаваясь в подробности и основываясь на лабораторных законах ядерной физики, оценить возраст подобных объектов, что даст нижний предел на возраст Вселенной в целом.

К такому типу можно отнести: звёзды малой массы с низкой металличностью (так называемые G-карлики), низкометалличные области HII, а также карликовые неправильные галактики класса BCDG (Blue Compact Dwarf Galaxy).

Согласно современным представлениям, в ходе первичного нуклеосинтеза должен был образоваться литий. Особенность это элемента заключается в том, что ядерные реакции с его участием начинаются при не очень больших, по космическим масштабам, температурах. И в ходе звездной эволюции изначальный литий должен был быть практически полностью переработан. Остаться он мог только у массивных звезд населения типа II. Такие звёзды имеют спокойную, не конвективную атмосферу, благодаря чему литий остаётся на поверхности, не рискуя сгореть в более горячих внутренних слоях звезды.

В ходе измерений, обнаружилось, что у большинства таких звезд обильность лития составляет [59] :

.

У звезды CS31082-001, принадлежащей звёздному населению типа II, были обнаружены линии и измерены концентрации в атмосфере тория и урана. Эти два элемента имеют различный период полураспада, поэтому со временем их соотношение меняется, и если как-то оценить первоначальное соотношение обильностей, то можно определить возраст звезды. Оценить можно двояким способом: из теории r-процессов, подтверждённой как лабораторными измерениями, так и наблюдениями Солнца; или можно пересечь кривую изменения концентраций за счёт распада и кривую изменения содержания тория и урана в атмосферах молодых звёзд за счёт химической эволюции Галактики. Оба метода дали схожие результаты: 15,5±3,2 [61] млрд лет получены первым способом, [62] млрд лет — вторым.

Слабо металличные BCDG-галактикам (всего их существует

10) и зоны HII — источники информации по первичному обилию гелия. Для каждого объекта из его спектра определяется металличность (Z) и концентрация He (Y). Экстраполируя определённым образом диаграмму Y-Z до Z=0, получают оценку первичного гелия.

Теоретические модели

Космология — скорее описательная наука, чем предсказательная, и многие её наблюдения, если запастись большой долей фантазии и изобретательности, можно трактовать по разному. Волей-неволей, но приходится обращаться к неким предположениям, принципам, в том числе и философским. Сейчас практически все согласны, что любая модель Вселенной должна удовлетворять так называемому «космологическому принципу». Согласно ему в больших пространственных масштабах во Вселенной нет выделенных областей и направлений. Следствием такого постулата является однородность и изотропность материи во Вселенной на больших масштабах (> 100 Мпк).

Пространственная однородность и изотропность не запрещает неоднородности во времени, то есть существования выделенных последовательностей событий, доступных всем наблюдателям. Сторонники теорий стационарной Вселенной иногда формулируют «совершенный космологический принцип», согласно которому свойствами однородности и изотропности должно обладать четырёхмерное пространство-время. Однако наблюдаемые во Вселенной эволюционные процессы, по всей видимости не согласуются с таким космологическим принципом.

В общем случае для построения модели применяются следующие теории и разделы физики:

Комбинируя их пытаются в первую очередь объяснить три фундаментальных явления: расширение Вселенной, наблюдаемую крупномасштабную структуру Вселенной и распространенность химических элементов. Основными теориями на сегодняшний день в совокупности описывающие все эти три явления являются:

Теория Большого Взрыва. Описывает химический состав Вселенной.

Теория стадии инфляции. Объясняет причину расширения.

Модель расширения Фридмана. Описывает расширение.

Иерархическая теория. Описывает крупномасштабную структуру.

Зелёный цвет означает абсолютно доминирующие теории, янтарный — признана многими, но широко обсуждаемая, алый — испытывающая большие проблемы в последнее время, но поддерживаемая многими теоретиками.

Модель расширяющейся Вселенной

Модель расширяющейся Вселенной описывает сам факт расширения. В общем случае не рассматривается, когда и почему Вселенная начала расширяться. В основе большинства моделей лежит ОТО и её геометрический взгляд на природу гравитации. Изотропно расширяющуюся среду удобно рассматривать в системе координат, расширяющихся вместе с материей. Таким образом, расширение Вселенной формально сводится к изменению масштабного фактора всей координатной сетки, в узлах которой «посажены» галактики. Такую систему координат называют сопутствующей. Начало же отсчёта обычно прикрепляют к наблюдателю.

Модель Фридмана

Стадия	Эволюция	Параметр Хаббла
Инфляционная
Радиационное доминирование
Пылевая стадия
-доминирование

В рамках ОТО вся динамика Вселенной может быть сведена к простым дифференциальным уравнениям для масштабного фактора — величины отражающая изменение расстояний в однородно сжимающихся пространствах [69] :

k — кривизна пространства (принимает значения −1 0 1), Λ — космологическая постоянная, ρ — средняя плотность Вселенной, P — давление, с — скорость света.

Для подобной модели интервал между двумя событиями записывается следующим образом:

где dR² описывает геометрические свойства пространства. В таких системах координат изменение расстояния между двумя точками (l), покоящимися в сопутствующей системе координат происходит по следующему закону:

Это не что иное, как закон Хаббла, где параметр Хаббла есть меняющаяся от времени величина:

Также в этой модели появляется различные типы расстояний: угловое и фотометрическое. Угловым расстоянием мы назовем расстояние, вычисляемое по видимому угловому расстоянию объекта (θ) и его линейному размеру объекта (D):

до какого-то момента такое расстояние увеличивается, а после начинает уменьшаться, само пространство начинает играть роль гигантской гравитационной линзы.

Фотометрическое расстояние, это расстояние вычисляемое с помощью источника, известной светимости (L) и принимаемый от него поток излучения (F):

Время с начала расширения, часто называемого возрастом Вселенной:

Иногда в различного рода моделях переходят от космологического времени t к конформному η следующим образом:

Эволюция расширения

Ход расширения в общем случае зависит от значений космологической постоянной Λ, кривизны пространства k и уравнения состояния (P(ρ)). Однако качественно эволюцию расширения можно оценить, опираясь на достаточно общие предположения.

В современной общепринятой модели расширения космологическая постоянная положительна и существенно отлична от нуля, то есть на больших масштабах возникают силы антигравитации. Природа таких сил неизвестна, теоретически подобный эффект можно было бы объяснить действием физического вакуума, однако ожидаемая плотность энергии оказывается на много порядков больше, чем энергия, соответствующая наблюдаемому значению космологической постоянной — проблема космологической постоянной.

Остальные варианты на данный момент представляют только теоретический интерес, однако это может измениться при появлении новых экспериментальных данных. Современная история космологии уже знает подобные примеры: модели с нулевой космологической постоянной безоговорочно доминировали (помимо короткого всплеска интереса к другим моделям в 1960-е гг.) с момента открытия Хабблом космологического красного смещения и до 1998 года, когда данные по сверхновым типа Ia убедительно опровергли их.

На сегодняшний момент в стандартной модели считается, что k=0 (это проверяется с точностью до нескольких десятых долей процента), тогда плотность тёмной энергии составляет 72 % от всей энергии Вселенной, а основной вклад в плотность материи вносит невидимое вещество, участвующее только в гравитационном взаимодействии (тёмная материя) — её почти в 6 раз больше, чем барионной материи. Эти значения основаны на наблюдениях сверхновых типа Ia, исследованиях флуктуаций реликтового излучения, корреляционных функциях и спектрах пространственного распределения галактик, данных о гравитационном линзировании скоплениями галактик.

В случае, если космологическая постоянная равна нулю, то эволюция при заданном значении H₀ целиком и полностью зависит от начальной плотности вещества [69] :

Значение называют критической плотностью. Если , то расширение продолжается бесконечно долго, в пределе с асимптотически стремящейся к нулю скоростью. Если плотность больше критической, то расширение Вселенной тормозится и сменяется сжатием. Если меньше, то расширение идёт неограниченно долго с ненулевым пределом H.

Если уравнение энергии поделить на H₀, то оно примет следующий вид (с учётом нулевой космологической постоянной):

Из этого уравнения следует, что плотность вещества во Вселенной и кривизна пространства взаимосвязаны: ρ=ρ_cr соответствует k=0 (случай плоской Вселенной), плотность меньше критической соответствует k=-1 (открытая Вселенная), больше — k=1 (замкнутой Вселенной).

Если Λ>0 и k≤0, то Вселенная монотонно расширяется, но в отличие от случая с Λ=0 при больших значениях R скорость расширения растёт [70] :

При k=1 выделенным значением является . В этом случае существует такое значение R, при котором и , то есть Вселенная статична.

При Λ>Λ_c скорость расширения убывает до какого-то момента, а потом начинает неограниченно возрастать. Если Λ незначительно превышает Λ_c, то на протяжении некоторого времени скорость расширения остаётся практически неизменной.

В случае Λ Теория Большого Взрыва (модель горячей Вселенной)

Также теория Большого взрыва предсказала и объяснила происхождение реликтового излучения — это наследие того момента, когда ещё всё вещество было ионизованным и не могло сопротивляться давлению света. Иными словами, реликтовый фон — это остаток «фотосферы Вселенной».

Энтропия Вселенной

Главным аргументом, подтверждающий теорию горячей Вселенной, является величина её энтропии. Она с точностью до численного коэффициента равна отношению концентрации равновесных фотонов n_γ к концентрации барионов n_b.

Выразим n_b через критическую плотность и долю барионов [69] :

где — современное значение Хаббла, выраженное в единицах 100 км/(c Мпк), и, учитывая, что для реликтового излучения с T=2,73 К

Обратная величина и есть величина энтропии.

Первые три минуты

На данный момент невозможно сказать, какие же именно частицы присутствуют в тот момент, но кое-что всё же известно. Величина η — не только показатель энтропии, но и характеризует избыток частиц над античастицами [73] :

При температуре Т≈0,7 МэВ термодинамическое равновесие между протонами и нейтронами, существовавшее до этого, нарушается и отношение концентрации нейтронов и протонов застывает на значении 0,19. Начинается синтез ядер дейтерия, гелия, лития. Спустя

Проблемы теории Большого взрыва

Инфляционная модель

Основная идея инфляционной стадии — если вести скалярное поле, называемое инфлантоном, воздействие которого велико на начальных стадиях (начиная, примерно с 10 −42 с), но быстро убывает со временем, то можно объяснить плоскую геометрию пространства, хаббловское расширение же становится движением по инерции благодаря большой кинетической энергии, накопленной в ходе инфляции, а происхождение из малой изначально причинно-связанной области объясняет однородность и изотропность Вселенной.

Однако способов задать инфлатон — великое множество, что в свою очередь порождает целое множество моделей. Но большинство основывается на предположении о медленном скатывании: потенциал инфлантона медленно уменьшается до значения, равного нулю. Конкретный же вид потенциала и способ задания начальных значений зависит от выбранной теории.

Теории инфляции также делятся на бесконечные и конечные во времени. В теории с бесконечной инфляцией существуют области пространства — домены — которые начали расширяться, но из-за квантовых флуктуаций вернулись в первоначальное состояние, в котором возникают условия для повторной инфляции. К таким теориям относится любая теория с бесконечным потенциалом и хаотическая теория инфляции Линде.

К теориям с конечным временем инфляции относится гибридная модель. В ней существует два вида поля: первое ответственно за большие энергии (а значит за скорость расширения), а второе за малые, определяющие момент завершения инфляции. В таком случае квантовые флуктуации могут повлиять только на первое поле, но не на второе, а значит и сам процесс инфляции конечен.

Мультивселенная

Области Вселенной, разделённые расстояниями больше размера горизонта частиц, эволюционируют независимо друг от друга. Любой наблюдатель видит только те процессы, которые происходят в домене, равном по объёму сфере с радиусом, составляющим расстояние до горизонта частиц. В эпоху инфляции две области расширения, разделённые расстоянием порядка горизонта, не пересекаются.

Такие домены можно рассматривать как отдельные вселенные, подобные нашей: они точно так же однородны и изотропны на больших масштабах. Конгломерат таких образований и есть Мультивселенная.

Альтернативы теории инфляции

Модель космической инфляции вполне успешна, но не необходима для рассмотрения космологии. У неё имеются противники, в числе которых можно назвать Роджера Пенроуза. Их аргументы сводятся к тому, что решения, предлагаемые инфляционной моделью, оставляют за собой упущенные детали. Например, никаких фундаментальных обоснований того, что возмущения плотности на доинфляционной стадии должны быть именно такими малыми, чтобы после инфляции возникала наблюдаемая степень однородности, эта теория не предлагает. Аналогичная ситуация и с пространственной кривизной: она очень сильно уменьшается при инфляции, но ничто не мешало ей до инфляции иметь настолько большое значение, чтобы всё-таки проявляться на современном этапе развития Вселенной. Иными словами, проблема начальных значений не решается, а лишь искусно драпируется.

В качестве альтернативы предлагаются такие экзотические теории, как теория струн и теория бран, а также циклическая теория. Основная идея этих теорий заключается в том, что все необходимые начальные значения формируются до Большого взрыва.

Теория эволюции крупномасштабных структур

Как показывают данные по реликтовому фону, в момент отделения излучения от вещества Вселенная была фактически однородна, флуктуации вещества были крайне малыми, и это представляет собой значительную проблему. Вторая проблема — ячеистая структура сверхскоплений галактик и одновременно сфероподобная — у скоплений меньших размеров. Любая теория, пытающаяся объяснить происхождение крупномасштабной структуры Вселенной, в обязательном порядке должна решить эти две проблемы (а также верно смоделировать морфологию галактик).

Современная теория формирования крупномасштабной структуры, как впрочем и отдельных галактик, носит названия «иерархическая теория». Суть теории сводится к следующему: вначале галактики были небольшие по размеру (примерно как Магелланово облако), но со временем они сливаются, образуя все большие галактики.

Общие положения

Любая теория, так или иначе, предполагает, что все современные образования, начиная от звезд и заканчивая сверхскоплениями, образовались в результате коллапса первоначальных возмущений. Классическим случаем является неустойчивость Джинса, в которой рассматривается идеальная жидкость, которая создаёт гравитационный потенциал в соответствии с законом тяготения Ньютона. В этом случае из уравнений гидродинамики и потенциала получается, что размер возмущения, при котором начинается коллапс, составляет [83] :

где u_s — скорость звука в среде, G — гравитационная постоянная, а ρ — плотность невозмущенной среды. Подобное рассмотрение можно провести и на фоне расширяющей Вселенной. Из-за удобства в этом случае рассматривают величину относительной флуктуации Тогда классические уравнения примут следующий вид [83] :

У этой системы уравнений есть только одно решение, которое возрастает со временем. Это уравнение продольных колебаний плотности:

Из него, в частности, следует, что нестабильными являются флуктуации точно такого же размера, что и в статическом случае. А растут возмущения линейным образом или слабее, в зависимости от эволюции параметра Хаббла и плотности энергии.

Модель Джинса адекватно описывает коллапс возмущений в нерелятивистской среде, если их размер гораздо меньше текущего горизонта событий (в том числе и для тёмной материи во время радиационно-доминированной стадии). Для противоположных случаев необходимо рассматривать точные релятивистские уравнения. Тензор энергии-импульса идеальной жидкости с учётом малых возмущений плотности

ковариантно сохраняется, из чего следуют уравнения гидродинамики, обобщённые для релятивистского случая. Вместе с уравнениями ОТО они представляют исходную систему уравнений, определяющих эволюцию флуктуаций в космологии на фоне решения Фридмана.

Эпоха до рекомбинации

Выделенным моментом в эволюции крупномасштабной структуры Вселенной можно считать момент рекомбинации водорода. До этого момента действуют одни механизмы, после совсем другие.

Первоначальные волны плотности больше горизонта событий и не влияют на плотность материи во Вселенной. Но по мере расширения размер горизонта сравнивается с длиной волны возмущения, как говорят «волна выходит из под горизонта» или «входит под горизонт». После этого процесс её расширения — распространение звуковой волны на расширяющемся фоне.

В эту эпоху под горизонт входят волны с длиной волны на нынешнюю эпоху не более 790 Мпк. Волны, важные для формирования галактик и их скоплений, входят в самом начале этой стадии.

В это время вещество представляет собой многокомпонентную плазму, в которой есть много различных эффективных механизмов затухания всех звуковых возмущений. Пожалуй, самый эффективный среди них в космологии — затухание Силка. После того, как все звуковые возмущения подавлены, остаются лишь адиабатические возмущения.

Поведение барион-фотонной компоненты после разделения и вплоть до окончания радиационной стадии описывается уравнением [84] :

,

где k — импульс рассматриваемой волны. Из его решения следует, что в ту эпоху амплитуда возмущений плотности барионной компоненты не росла и не убывала, а испытывала акустические осцилляции:

.

В это же время тёмная материя таких осцилляций не испытывала, так как ни давление света, ни давление барионов и электронов не оказывает на неё воздействия. Более того, амплитуда её возмущений растет:

.

После рекомбинации

После рекомбинации давление фотонов и нейтрино на вещество уже пренебрежимо мало. Следовательно, системы уравнений, описывающие возмущения тёмной и барионной материи, аналогичны:

, .

Уже из схожести вида уравнений можно предположить, а потом и доказать, что разность флуктуаций между тёмной и барионной материй стремится к константе. Иными словами, обычное вещество скатывается в потенциальные ямы, сформированные тёмной материей. Рост возмущений сразу после рекомбинации определяется решением

,

где С_i — суть константы, зависящие от начальных значений. Как видно из вышенаписанного, на больших временах флуктуации плотности растут пропорционально масштабному фактору:

.

Все скорости роста возмущений, приведённые в этом параграфе и в предыдущем, растут с волновым числом k, следовательно, при начальном плоском спектре возмущений на стадию коллапса раньше выходят возмущения наименьших пространственных масштабов, то есть первыми образуются объекты с меньшей массой.

Для астрономии интерес представляют объекты с массой

10 5 M_ʘ. Дело в том, что при коллапсе тёмной материи образуется протогало. Водород и гелий, стремящиеся к его центру, начинают излучать, и при массах меньших, чем 10 5 M_ʘ, это излучение вышвыривает газ обратно на окраины протоструктуры. При бо́льших массах запускается процесс формирования первых звезд.

Важным следствием начального коллапса является то, что возникают звёзды большой массы, излучающие в жёсткой части спектра. Испущенные жёсткие кванты в свою очередь встречаются с нейтральным водородом и ионизуют его. Таким образом сразу после первой вспышки звездообразования происходит вторичная ионизация водорода.

Стадия доминирования тёмной энергии

Предположим, что давление и плотность тёмной энергии не меняется со временем, то есть она описывается космологической константой. Тогда из общих уравнений для флуктуаций в космологии следует, что возмущения эволюционируют следующим образом:

.

Учитывая, что потенциал при этом обратно пропорционален масштабному фактору a, это означает, что рост возмущений не происходит и их размер неизменен. Это означает, что иерархическая теория не допускает структур больше ныне наблюдаемых.

В эпоху доминирования тёмной энергии происходят два последних важных события для крупномасштабных структур: появление галактик, подобных Млечному пути — это происходит на z

2, а немного погодя — образование скоплений и сверхскоплений галактик.

Проблемы теории

И это лишь часть тех проблем, которые встали перед теорией.

Проблемы современных моделей

Вопрос о форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, перед нами стоит проблема поиска трёхмерной топологии пространственного сечения Вселенной, то есть такой фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект Вселенной. Общая теория относительности как локальная теория не может дать полного ответа на этот вопрос, хотя некоторые ограничения вводит и она.

Во-первых, неизвестно, является ли Вселенная глобально пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах. В настоящее время большинство космологов полагают, что наблюдаемая Вселенная очень близка к пространственно плоской с локальными складками, где массивные объекты искажают пространство-время. Это мнение было подтверждено последними данными WMAP, рассматривающими «акустические осцилляции» в температурных отклонениях реликтового излучения.

Во-вторых, неизвестно, является ли Вселенная односвязной или многосвязной. Согласно стандартной модели расширения, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно конечна. Это может быть понято на примере двумерной аналогии: поверхность сферы не имеет границ, но имеет ограниченную площадь, причём кривизна сферы постоянна. Если Вселенная действительно пространственно ограничена, то в некоторых её моделях, двигаясь по прямой линии в любом направлении, можно попасть в отправную точку путешествия (в некоторых случаях это невозможно из-за эволюции пространства-времени [85] ).

История открытия Вселенной

С ранних времен человек задумывался об устройстве окружающего его мира как единого целого. И в каждой культуре оно понималось и представлялось по-разному. Так, в Вавилоне жизнь на Земле тесно связывали с движением звезд, а в Китае идеи гармонии переносились на всю Вселенную.

Развитие этих представлений в разных частях света шло по-разному. Но если в Старом Свете накопленные знания и представления в целом никуда не исчезли, лишь передаваясь от одной цивилизации к другой, то о Новом Свете такого сказать нельзя. Виной тому — колонизация Америки европейцами, уничтожавшая многие памятники древних культур.

В период Средневековья представление о мире как о едином целом не претерпевает существенных изменений. И тому две причины. Первая — сильное давление ортодоксальных богословов, характерное как для католической Европы, так и для исламского мира. Вторая — наследие прошлого, когда представления о мире строились из неких философских концепций. Необходимо было осознать, что астрономия являлась частью физики.

Первый значительный толчок в сторону современных представлений о Вселенной совершил Коперник. Второй по величине вклад внесли Кеплер и Ньютон. Но поистине революционные изменения в наших представлениях о Вселенной происходят лишь в XX веке.

Древняя космография и ранняя астрономия

Цивилизации Азии и Средиземноморья

Месопотамия

На относительно небольшой территории между Тигром и Евфратом, последовательно сменяя друг друга, существовали несколько культур. Их космогонические воззрения похожи друг на друга. Менялись имена богов, некоторые детали, но суть сохранялась.

Что касается астрономических познаний, то данные по ним очень фрагментарны. В-первых, датировка древнейших и по сути единственных источников на данную тему mul APIN и «Астролябии» крайне неточна и в различных работах может отличаться на тысячелетия, хотя большинство исследователей склоняются к касситскому периоду. Во-вторых, объекты, описанные в астролябиях и mul APIN, до сих пор отождествлены лишь частично, хотя гипотез высказано немало. В-третьих, кроме факта неподвижности звезд, никакой информации о представлениях древневавилонских астрономов из этих источников почерпнуть не удаётся: не приводится объяснения движения планет и нет никаких сведений о собственном движении звёзд, которое вавилоняне могли бы обнаружить, учитывая период и точность наблюдения.

Также нет надёжных данных о том, как рассчитывалось движение звезд. Часть исследователей утверждает, что вавилоняне уже использовали сферическую систему координат, однако оппоненты, опираясь на противоречие с космогоническими воззрениями и ряд других несоответствий, оспаривают данную точку зрения.

Древний Египет

Так в одной, ставили в центр мироздания солнечного бога Ра и считали его отцом всех прочих богов. Он и восемь его потомков образовывали так называемую эннеаду Гелиополиса. По гелиопольской легенде, Атум появился из изначальных вод, и по его воле из них же начал расти священный камень Бенбен. Стоя на его вершине, Атум породил Шу, бога воздуха, и Тефнут, богиню влаги. Эта пара родила своих детей, Геба, бога земли, и Нут, богиню неба. Эти первые поколения богов представляют в эннеаде основу творения. Геб и Нут произвели на свет Осириса, Исиду, Сета и Нефтиду, олицетворяющих соответственно плодородную пойму Нила и бесплодную пустыню.

Противоположная версия существовала в городе Гермополисе, где считали, что мир произошёл от восьмерых древних божеств, так называемой огдоады. Эта восьмерка состояла из четырёх пар богов и богинь, символизирующих элементы творения. Нун и Наунет соответствуют изначальным водам, Ху и Хаухет — бесконечности пространства, Кук и Каукет — вечной тьме. Четвёртая пара неоднократно менялась, но, начиная с Нового царства, она состоит из Амона и Амаунет, олицетворяющих невидимость и воздух. По гермопольской версии, эти божества были матерями и отцами бога солнца, принесшего в мир свет и дальнейшее творение.

Древняя Греция

Древняя Греция, как и многие другие древние цивилизации, создала своё представление о Вселенной. Но уникальность древней Греции состояла в том, что она имела не одну модель: различные философские школы выдвинули крайне различные модели мира, и каждая была тем или иным образом «аргументирована».

Ранние философские школы выделяли те или иные вещества или фигуры как основополагающие. Через эти основы и строились ранние представления о Вселенной. Так, то земной диск плавает в воде, как это было у Фалеса из Милета, то просто цилиндр плавает в бесконечном пространстве, как это было у Анаксимандра и т. д.

Большинство древнегреческих учёных, однако, были сторонниками геоцентрической системы мира, также основанной пифагорейцами.

Расстояния между светилами у пифагорейцев соответствовали музыкальным интервалам в гамме; при вращении их звучит «музыка сфер», не слышимая нами. Пифагорейцы считали Землю шарообразной, а некоторые из них (Экфант и Гикет из Сиракуз) — даже вращающейся вокруг оси, отчего и происходит смена дня и ночи.

Платон (ок. 428 — ок. 347) анализировал весь мир через призму своих представлений о духовной сущности. Неизбежно это сказывалось и на устройстве мира. Звезды у него были «божественными сущностями» с телом и душой. Их видимая форма — это огонь, и он светит для того, чтобы они выглядели самыми яркими и прекрасными. А для сходства со Всецелым они были созданы шарообразными. Космос в представлении Платона не вечен, так как всё, что ощущается, есть вещь, а вещи старятся и умирают. Более того, само Время родилось вместе с Космосом.

Платон же первым предложил разложить неравномерные движения светил на «совершенные» движения по окружностям. На этот призыв откликнулся Евдокс Книдский. В своих (несохранившихся) сочинениях он изложил теорию гомоцентрических сфер — кинематическую схему движения планет, объясняющую попятное движение планет (с несколькими наложенными круговыми движениями) всего по четырём сферам, в центре которых находилась Земля.

Космологическую систему, имевщую большое значение в Средневековье, создал Аристотель. Он полагал, что небесные тела переносятся в своём движении твёрдыми небесными сферами, к которым они прикреплены. По его мнению, всё, что движется, приводится в движение чем-нибудь внешним, которое, в свою очередь, также чем-то движется, и так далее, пока мы не дойдем до двигателя, который сам по себе неподвижен — до Перводвигателя. Землю он считал неподвижной.

В первой половине III в до н. э. Аристарх Самосский предложил гелиоцентрическую систему мира. Исходя из гелиоцентрической системы и ненаблюдаемости годичных параллаксов звёзд он сделал вывод, что расстояние от Земли до Солнца пренебрежимо мало по сравнению с расстоянием от Солнца до звёзд. Кроме того, он предложил метод измерения расстояния до Солнца и Луны и их размеров. По его оценке, Земля по объёму в 250 раз меньше Солнца. Хотя численно он и ошибся, его метод позволил установить, что Земля намного меньше Солнца.

С III века до н. э. греческая наука усвоила достижения вавилонян, в том числе достижения в астрономии и математике. Но греки пошли значительно дальше. Около 230 года до н. э. Аполлоний Пергский разработал новый метод представления неравномерного периодического движения через базовую окружность — деферент — и кружащуюся вокруг деферента вторичную окружность — эпицикл; само светило движется по эпициклу. В астрономию этот метод ввёл Гиппарх, работавший на Родосе.

В I веке до н. э. Гемин обнародовал мнение, что звёзды только кажутся лежащими на одной сфере, а на самом деле они располагаются на разных расстояниях от Земли. Есть все основания полагать, что это мнение также зародилось ранее, в III или II веке до н. э., поскольку оно ассоциируется с возможностью существования собственных движений звёзд, возможность которых предполагал Гиппарх: наличие таких движений несовместимо с представлением о звёздах как о телах, закреплённых на одной сфере.

После длительного упадка в конце I в н. э. — начале II в н. э. возобновляются исследование небесных и разработка моделей мира. Теон Смирнский описывает теорию вложенных сфер — физическую теорию, пытающуюся объяснить теорию эпициклов. Суть её в следующем. Представим себе две сделанные из твёрдого материала концентрические сферы, между которыми помещена маленькая сфера. Среднее арифметическое радиусов больших сфер является радиусом деферента, а радиус малой сферы — радиусом эпицикла. Вращение двух больших сфер заставит маленькую сферу вращаться между ними. Если поместить на экватор малой сферы планету, то её движение будет в точности таким, как в теории эпициклов; таким образом, эпицикл является экватором малой сферы.

Древняя Индия

Астрономические знания на тот период описаны в ведах, а также в примыкающей к ним «Джьотиша-веданга». В них описываются 28 [94] лунных стоянок, накштар, а также даются способы расчёта положения Солнца и Луны.

Позже, в брахманский период были составлены пураны, в частности «Бхагавата-пурана», содержащая представления о мире в то время. Дословная её трактовка приводит к многочисленным противоречиям и логическим неувязкам внутри самого текста. Ричард Томпсон в цикле своих работ показал, что большинство из них исчезают, если рассматривать текст как художественное описание цепочки различных проекций.

Так, модель Солнечной системы — геоцентрическая модель, ныне носящая название системы Тихо Браге: все планеты кроме Земли вращаются вокруг Солнца, а само Солнце вокруг Земли. Известные на тот момент планеты это Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн, то есть все, видимые невооруженным глазом. Самая дальняя орбита у Сатурна, она же объявляется той границей, до которой распространяется свет. Примечательно, что указанные размеры орбит всех известных планет по порядку согласуются с современными измерениями, в то время как учёные античной и средневековой эпох сильно занижали масштабы солнечной системы. Однако, истинных масштабов Вселенной древние индусы себе не представляли: как и в древней Греции звёзды считались чем-то близким, а их свет — это отражённый свет Солнца.

Цивилизации Северной и Южной Америк

Месоамерика

К цивилизациям месоамерики относятся Ацтеки, Майя, Миштеки, Ольмеки, Пурепеча, Сапотеки, Тольтеки, Тотонаки, Уастеки, Чичимеки. И хотя даже в рамках одной цивилизации в разных областях жизни различия могли быть огромны, но что касается общих представлений о мире, то тут наблюдается единство взглядов с незначительными отклонениями.

Месоамериканцы очень рано начали проводить точные астрономические наблюдения, обычно это связывают с сельскохозяйственными нуждами. Они точно могли вычислять солнечные и лунные затмения, а также координаты Венеры на небе. Также был создан точный календарь.

Устройство мира также было схожим: мир имеет вертикальное и горизонтальное деление. В проекции это четырёхугольник, углы которого ориентированы на стороны света. Через центр мира проходит мировое древо, соединяющее 13 небесных миров, наземный мир и 9 подземных. Каждая часть света имела своего бога и цвет, которые различались у разных народов. Рождение миру давала борьба двух противоположных начал: добра и зла, света и тьмы и т. д. [98]

Мир инков крайне сильно отличался от представлений о мире, распространенных в Европе и Азии. Они по иному представляли себе окружающий мир, по иному им виделись масштабы Вселенной.

Для инков время совмещалось с пространством, как это выражается уже в самом слове на языке кечуа «pacha», что значит время и пространство (длина, ширина и глубина) одновременно, то есть в одном слове отображены значения сразу четырёх измерений и представления о статике и динамике. Эта синонимия между временем и пространством обозначает, что первое показывалось конкретно и проецировалось на географическое пространство. Время Пача делилось на: настоящее — пача, и прошлое-будущее — ньявпа-пача. И оно показывается идущим по кругу:

Близкими к термину ньявпа были: урин — давнее и невидимая зона, и ханан — недавнее и видимая зона.

Происхождение/начало мира называлось — Паккарик пача.

Как показал новый анализ языка и жестов аймара американскими учёными, индейцы представляют время наоборот: в воображаемой пространственно-временной шкале будущее для них остаётся позади, а прошлое ещё только предстоит увидеть.

Средневековье

Европа

Исламский мир

В области натуральной философии и космологии большинство арабских учёных следовали учению Аристотеля. В его основе лежало разбиение Вселенной на две принципиально различные части — подлунный и надлунный мир. Подлунный мир — это область изменчивого, непостоянного, преходящего; напротив, надлунный, небесный мир — это область вечного и неизменного. С этим представлением связана концепция естественных мест. Существует пять видов материи, и все они имеют свои естественные места в пределах нашего мира: элемент земли — в самом центре мира, далее следуют естественные места элементов воды, воздуха, огня, эфира.

В области космологии учёные стран ислама были сторонниками геоцентрической системы мира. Однако велись споры насчет того, какой её вариант следует предпочесть: теорию гомоцентрических сфер или теорию эпициклов.

Однако и модель эпициклов в её птолемеевском варианте (теории бисекции эксцентриситета) не могла полностью удовлетворить астрономов. В этой теории для объяснения неравномерности движения планет предполагается, что движение центра эпицикла по деференту выглядит равномерным при наблюдении не из центра деферента, но некоторой точки, которая называется эквантом, или уравнивающей точкой. При этом Земля также находится не в центре деферента, а смещена в сторону симметрично точке экванта относительно центра деферента. В теории Птолемея угловая скорость центра эпицикла относительно экванта неизменна, а при наблюдении из центра деферента угловая скорость центра эпицикла при движении планеты меняется. Это противоречит общей идеологии докеплеровой астрономии, согласно которой все движения небесных тел слагаются из равномерных и круговых.

Мусульманские астрономы (начиная с ибн ал-Хайсама, XI век) отметили ещё одну, чисто физическую трудность теории Птолемея. Согласно теории вложенных сфер, которую развивал и сам Птолемей, движение центра эпицикла по деференту представлялось как вращение некоторой материальной сферы. Однако совершенно невозможно представить себе вращение твердого тела вокруг оси, проходящей через её центр, чтобы скорость вращения была неизменной относительно некоторой точки за пределами оси вращения.

Были попытки выйти и за пределы геоцентрической системы, однако, они встречали значительное сопротивление ортодоксальных богословов, которые отвергали любые натурфилософские теории как противоречащие тезису о всемогуществе Аллаха.

Косма Индикоплов отвергал гипотезу о шароподобности Земли и всю систему Птолемея, называя такие мысли «круглообразной ересью». Обосновывал это он тем, что в Священном Писании говорится — ангелы по Втором пришествии будут созывать трубным звуком народы «от конец небес до конец их». И если Земля кругообразна, то и небо кругообразно, то есть не имеет края, а это противоречит Писанию. Далее, если небо «кругообразно» и, следовательно, не прикасается краями к земному шару, то как же тогда люди при всеобщем воскресении будут всходить от земли во время Второго пришествия? По мнению Космы Земля имела форму прямоугольника. Сверху этот прямоугольник возвышается в гору, верхушка которой наклонена к северо-западу, и по склону этой земли-горы от севера до юга живут разные народы. При прохождении Солнце оказывается ближе к южным землям, чем к северным. Вокруг же Земли расположен океан, и на его краю возвышается твердая, но прозрачная стена небесного свода, непосредственно смыкающаяся с заокеанской землей.

Третье космографическое сочинение Древней Руси находится в книге Иоанна Дамаскина «Точное изложение православной веры». Взгляды, изложенные в ней, уже прямо противоположны взглядам Космы: Зодиак описывается во всех подробностях, описываются астрологические дома планет, заметна симпатия к кругообразности земли. В книге Дамаскина не выделяется целостного мнения насчёт природы неба, но приводятся все воззрения на естество неба. Сочувственно цитируется взгляд Василия Великого: «сего небесе божественный Василий тонкое быти, глаголет, естество, аки дым».

XV—XVII вв.

Однако не все учёные приняли концепцию Коперника. Так, одним из оппонентов был Тихо Браге, называя её математической спекуляцией. Он предложил свою компромиссную геогелиоцентрическую систему мира, которая представляла собой комбинацию учений Птолемея и Коперника: Солнце, Луна и звёзды вращаются вокруг неподвижной Земли, а все планеты и кометы — вокруг Солнца. Суточного вращения Земли Браге тоже не признавал. Среди немногочисленных сторонников системы Браге в XVII веке был видный итальянский астроном Риччиоли (у Риччиоли, впрочем, Юпитер и Сатурн обращаются вокруг Земли, а не Солнца). Прямое доказательство движения Земли вокруг Солнца появилось только в 1727 году (аберрация света), но фактически система Браге была отвергнута большинством учёных ещё в XVII веке как неоправданно и искусственно усложнённая по сравнению с системой Коперника-Кеплера.

XVIII—XIX вв.

На этой основе уже в XVIII в. Ньютон строит свою модель Вселенной. Он осознаёт, что в конечном мире, наполненном гравирующими телами, неизбежно наступит момент, когда все они сольются друг с другом. Таким образом, он полагает, что пространство Вселенной бесконечно.

В трактате 1755 года, основанном на работах Томаса Райта (англ. Thomas Wright ), Иммануил Кант предположил, что Галактика может быть вращающимся телом, которое состоит из огромного количества звёзд, удерживаемых гравитационными силами, сходными с теми, что действуют в Солнечной системе, но в бо́льших масштабах. С точки наблюдателя, расположенного внутри Галактики (в частности, в нашей Солнечной системе), получившийся диск будет виден на ночном небе как светлая полоса. Кант высказал и предположение, что некоторые из туманностей, видимых на ночном небе, могут быть отдельными галактиками.

В 1837 году В. Я. Струве на основании собственных наблюдений обнаружил и измерил параллакс α Лиры (опубликовал в 1839 году). Полученное им значение (0,125″ ± 0,055″) было первым успешным определением параллакса звезды вообще. Это был первый шаг в осознании истинных пространственных масштабов Вселенной.

XX век

XX век — век рождения современной космологии. Она возникает в начале века и по мере развития вбирает в себя все новейшие достижения, такие как технологии постройки больших телескопов, космические полёты и компьютеры.

Первые шаги к уже современной космологии были сделаны в 1908—1916 годы. В это время открытие прямо-пропорциональной зависимости между периодом и видимой звёздной величиной у цефеид в Малом Магеллановом облаке (Генриетта Ливитт, США) позволило Эйнар Герцшпрунг и Харлоу Шепли разработать метод определения расстояний по цефеидам.

В 1916 А. Эйнштейн пишет уравнения общей теории относительности — теории гравитации, ставшей основой для доминирующих космологических теорий. В 1917 году, пытаясь получить решение, описывающее «стационарную» Вселенную, Эйнштейн вводит в уравнения общей теории относительности дополнительный параметр — космологическую постоянную.

В 1922—1924 гг. А. Фридман применяет уравнения Эйнштейна (без космологической постоянной и с ней) ко всей Вселенной и получает нестационарные решения.

С этого момента и вплоть до 1998 года классическая модель Фридмана без космологической постоянной становится доминирующей. Влияние космологической постоянной на итоговое решение изучается, но ввиду отсутствия экспериментальных указаний на её существенность для описания Вселенной такие решения для интерпретации наблюдательных данных не применяются.

В 1946—1949 годах Г. Гамов, пытаясь объяснить происхождение химических элементов, применяет законы ядерной физики к началу расширения Вселенной. Так возникает теория «горячей Вселенной» — теория Большого Взрыва, а вместе с ней и гипотеза об изотропном реликтовом излучении с температурой в несколько Кельвин.

В 1964 году А. Пезиас, Р. Вилсон открывают изотропный источник помех в радиодиапазоне. Тогда же выясняется, что это реликтовое излучение, предсказанное Гамовым. Теория горячей Вселенной получает подтверждение, а в космологию приходит физика элементарных частиц.

См. также

Примечания

Источник