Теория большого взрыва
Одна из версий возникновения нашей Вселенной — теория Большого взрыва. В ее основе лежит простая мысль — у Вселенной было начало. Т&Р вместе с автором подкаста «Теория Большой Бороды» Антоном Поздняковым простыми словами объясняют теорию и рассказывают, как происходил «взрыв».
В чем суть теории Большого Взрыва
Теория Большого Взрыва — это космологическая модель, которая описывает ранние стадии развития Вселенной. В ее основе лежит мысль, которая до недавнего времени была совсем не очевидной — у нашей Вселенной было начало.
В начале 20 века астрономы обнаружили, что удаленные от нас галактики разлетаются в разные стороны. Из этого следует, что наша Вселенная не статична, а расширяется. И если с течением времени происходит расширение, то когда-то в прошлом оно должно было начаться. Именно момент, с которого началось расширение Вселенной, сейчас и называют «Большим взрывом». По современным подсчетам, произошло это 13.8 миллиардов лет назад.
Говорить о том, что было до Большого Взрыва, не совсем корректно. По современным физическим представлениям, сама концепция времени, в нашем понимании, тогда не существовала. Не было ни «до», ни «после», ни «во время». Теория Большого Взрыва же описывает ранние стадии расширения Вселенной, то есть события, происходившие непосредственно после Большого Взрыва.
Как происходил Большой Взрыв
Все процессы после Большого Взрыва были обусловлены тем, что Вселенная постепенно остывала и становилась все менее плотной. Как мы знаем, температура — это мера движения частиц. Температура падает — частицы замедляются. Чем медленнее двигаются частицы, тем проще им друг с другом соединяться. По мере остывания Вселенной сначала отдельно летающие кварки смогли объединиться в протоны, нейтроны и другие адроны и лептоны. Затем уже полученные частицы, продолжая замедляться, начали формировать первые ядра привычных нам атомов.
Период формирования первых атомов во Вселенной называется первичным нуклеосинтезом.
Продолжался он примерно 20 минут после Большого Взрыва. В этот период вся Вселенная была разогрета до состояния, которое мы сегодня наблюдаем внутри звезд. В этот период в основном формировались ядра водорода и гелия в соотношении 3 к 1. Такие доли водорода и гелия, двух самых распространенных элементов во Вселенной, мы наблюдаем до сих пор.
Один из самых часто задаваемых вопросов — где именно произошел Большой Взрыв? Ведь если был взрыв, должен быть и эпицентр. Но на самом деле это заблуждение, которое происходит из не совсем корректного термина «взрыв». Дело в том, что у нашей Вселенной нет центра (примерно как нельзя обозначить центр на поверхности сферы). Правильнее представлять, что Большой Взрыв произошел сразу везде, во всех точках Вселенной одновременно.
После того, как закончился первичный нуклеосинтез, и новые ядра атомов уже почти не формировались, Вселенная все еще оставалась горячей настолько, что вещество в ней находилось в состоянии плазмы. В ней электроны летали отдельно от ядер.
И благодаря свободно летающим электронам в этот период Вселенная была непрозрачной для света. Фотоны постоянно сталкивались с электронами и не могли лететь прямо, как будто их закрыли в зеркальном лабиринте. Поэтому же, кстати, вы не можете их видеть сквозь лампу дневного света или сквозь наше Солнце. Они тоже состоят из плазмы, и поэтому непрозрачны.
Вселенная продолжала остывать, и спустя примерно 300 000 лет после Большого Взрыва температура опустилась достаточно, чтобы электроны могли присоединиться к ядрам атомов, и, как следствие, Вселенная стала прозрачной. Этот момент называется рекомбинацией. Фотоны, которыми было наполнено все вокруг, больше не видели препятствий в виде электронов и смогли лететь прямо. При чем сразу отовсюду и во все стороны.
Собственно, именно те фотоны, которые были «освобождены» в момент рекомбинации, мы видим и сегодня. Спустя более чем 13 миллиардов лет они долетают до нас в виде реликтового излучения — микроволнового космического фона, который мы регистрируем с помощью современных телескопов.
Обнаружение реликтового излучения — одно из главных подтверждений Теории Большого Взрыва. Важной его особенностью является однородность. Оно одинаковое независимо от того, в какую сторону мы посмотрим. Это также косвенно подтверждает, что у Вселенной нет некого выделенного направления. Куда бы мы не посмотрели, на больших масштабах Вселенная одинакова во всех направлениях.
Сегодня существует множество подтверждений Теории Большого Взрыва. Мы наблюдаем расширение Вселенной и видим, как формировались галактики и межгалактические структуры на разных этапах эволюции Вселенной, наблюдаем предсказанное соотношение гелия и водорода в последней. Все они сходятся с текущими представлениями о ранних этапах формирования Вселенной, которые и описывает ТБВ.
В самой теории есть неточности, которые нужно будет устранять дальнейшими более точными и подробными астрономическими наблюдениями и разработкой более совершенных физических моделей. Но то количество независимых перекрестных данных, которые уже есть на руках у современной космологии, позволяют нам с уверенностью говорить о том, что Большой Взрыв, ставший отправной точкой расширения Вселенной, действительно произошел, и все вокруг нас — это его прямые последствия.
Подробнее о теории Большого взрыва можно узнать в выпуске подкаста «Теория Большой Бороды». Его ведущий простыми словами рассказывает о науке и космосе, общается с гостями из научного мира, разбирает концепты из мира scifi.
Антон Поздняков
Теги
#частицы
#теория Большого взрыва
#мир
#Вселенная
Что такое теория Большого взрыва?
Теория Большого взрыва является ведущим объяснением того, как возникла Вселенная. Проще говоря, Вселенная, какой мы ее знаем и видим, родилась из бесконечно горячей и плотной точки, называемой сингулярностью. В один момент она «взорвалась» — раздулась и растянулась. В первые мгновения этот процесс происходил с невообразимой скоростью, а затем, по мере охлаждения пространства, замедлился, но не прекратился, и происходит последние 13,8 млрд лет.
Существующие технологии еще не позволяют астрономам в буквальном смысле взглянуть на рождение Вселенной. Многое из того, что мы знаем о Большом взрыве, исходит из математических формул и моделей.
Однако астрономы могут увидеть «эхо» расширения через явление, известное как космический микроволновый фон.
Помимо Большого взрыва, есть и альтернативные объяснения возникновения Вселенной — такие как вечная инфляция или колеблющаяся Вселенная.
Большой взрыв: рождение ВселеннойОколо 13,7 млрд лет назад все было сконцентрировано в бесконечно малой сингулярности, точке бесконечной плотности и тепла. Внезапно началось взрывное расширение, раздувшее нашу Вселенную вовне со скоростью, превышающей скорость света. Это был период космической инфляции, продлившийся всего 10-32 секунды, согласно теории физика Алана Гута 1980 года, которая навсегда изменила наши представления о Большом взрыве.
Когда космическая инфляция подошла к внезапному и все еще загадочному концу, закрепились более классические описания Большого взрыва. Поток материи и излучения, известный как «повторный нагрев», начал заселять нашу Вселенную барионной материей.
По данным NASA, все это произошло всего за первую секунду после возникновения Вселенной, когда температура была еще невообразимо высокой — около 5,5 млрд градусов по Цельсию. Космос содержал огромное количество фундаментальных частиц, таких как нейтроны, электроны и протоны — «сырье», которое станет строительным материалом для всего вещества во Вселенной.
«Послесвечение» Большого взрываЭтот ранний «суп» невозможно увидеть, потому что он не мог удерживать видимый свет. «Свободные электроны заставили бы свет (фотоны) рассеиваться так же, как солнечный свет рассеивается каплями воды в облаках», — заявила NASA. Однако со временем эти свободные электроны встретились с ядрами и создали нейтральные атомы или атомы с равными положительными и отрицательными электрическими зарядами. Это позволило свету «зародиться» спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва.
Этот свет, который иногда называют «послесвечением» Большого взрыва, более правильно назвать космическим микроволновым фоном (CMB). Впервые он был предсказан Ральфом Альфером и другими учеными в 1948 году, но обнаружили его случайно, почти 20 лет спустя.
Это открытие произошло, когда Арно Пензиас и Роберт Уилсон (оба из Bell Telephone Laboratories в Нью-Джерси) строили радиоприемник в 1965 году. По данным NASA, они получили более высокие температуры, чем ожидалось. Сначала они думали, что аномалия возникла из-за того, что мешали экскременты голубей, поселившихся в антенне. После их уборки аномалия не исчезла. Одновременно команда Принстонского университета под руководством Роберта Дике пыталась найти свидетельства реликтового излучения и поняла, что Пензиас и Уилсон наткнулись на него во время своих странных наблюдений.
Возраст ВселеннойВ настоящее время реликтовое излучение наблюдается многими исследователями и во многих миссиях космических аппаратов. Одним из самых известных проектов был спутник NASA Cosmic Background Explorer (COBE), за данными которого была создана карта неба в 1990-х годах. По стопам COBE последовало несколько других миссий, таких как эксперимент BOOMERanG (воздушные наблюдения за миллиметровым внегалактическим излучением и геофизикой), зонд NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) и спутник Planck Европейского космического агентства. Наблюдения последнего, впервые опубликованные в 2013 году, нанесли на карту реликтовое излучение с беспрецедентной детализацией и показали, что Вселенная старше, чем считалось ранее: 13,82 млрд лет, а не 13,7 млрд. Миссия исследовательской обсерватории продолжается, и периодически выпускаются новые карты реликтового излучения.
Однако карта породила новые загадки. Например, почему Южное полушарие оказалось более красным (теплее), чем Северное. Теория Большого взрыва говорит, что реликтовое излучение должно быть в основном одинаковым, куда бы вы ни посмотрели. Но на практике это оказалось не так.
Изучение реликтового излучения также дает астрономам подсказки относительно состава Вселенной. Исследователи считают, что большая часть космоса состоит из материи и энергии, которые невозможно зафиксировать с помощью обычных земных инструментов, что привело к названиям «темная материя» и «темная энергия». Считается, что только 5% Вселенной состоит из материи, такой как планеты, звезды и галактики.
Хотя Большой взрыв часто называют «взрывом», это неверное его представление. При взрыве осколки выбрасываются из центральной точки в уже существовавшее пространство. Если бы вы были в центральной точке, вы бы увидели, что все фрагменты удаляются от вас примерно с одинаковой скоростью. Но Большой взрыв был не таким. Это было скорее расширение пространства — концепция, вытекающая из уравнений общей теории относительности Эйнштейна, но не имеющая аналога в классической физике.
Это означает, что все расстояния во Вселенной растягиваются с одинаковой скоростью. Любые две галактики, разделенные расстоянием X, удаляются друг от друга с одинаковой скоростью, в то время как галактика на расстоянии 2X удаляется с удвоенной скоростью.
Вселенная не только расширяется, но делает это с ускорением. Это означает, что в далеком будущем все галактики настолько удалятся друг от друга, что для наблюдателей будет казаться, что других галактик во Вселенной нет вовсе.
«Если вы подождете достаточно долго, в конце концов далекая галактика достигнет скорости света. Это означает, что даже свет не сможет преодолеть разрыв, который открывается между этой галактикой и нами», — объясняет астроном Гарвардского университета Ави Леб.
Некоторые физики также предполагают, что Вселенная, с которой мы сталкиваемся, — лишь одна из многих. В модели «мультивселенной» разные Вселенные будут сосуществовать друг с другом, как пузыри, парящие рядом. Теория предполагает, что во время этого первого большого толчка инфляции разные части пространства-времени росли с разной скоростью. Это могло бы породить разные Вселенные с потенциально разными законами физики.
Возможно, что Большой взрыв не был первым инфляционным периодом, который пережила Вселенная. Некоторые ученые считают, что мы живем в космосе, который проходит через регулярные циклы инфляции и дефляции. Вероятно, сейчас мы просто живем в одной из таких фаз.
Телескоп — это почти машина времени, позволяющая заглянуть в далекое прошлое. Hubble показал нам галактики такими, какими они были много миллиардов лет назад. А преемник Hubble — космический телескоп James Webb — может еще глубже заглянуть в прошлое. NASA надеется, что сможет увидеть время, когда сформировались первые галактики, почти 13,6 млрд лет назад.
Космический телескоп James Webb. Источник: NASAВ отличие от Hubble, который видит в основном в оптическом диапазоне волн, JWST — это инфракрасный телескоп — имеет большое преимущество при наблюдении за очень далекими галактиками. Расширение Вселенной означает, что испускаемые ею волны растягиваются, поэтому свет, излучаемый в видимом диапазоне длин волн, на самом деле достигает нас в инфракрасном диапазоне. Вполне вероятно, благодаря James Webb мы увидим раннюю Вселенную совсем другой, чем та, которая раскрывалась нам в теоретических расчетах.
Напомним, что ранее мы объясняли, что такое световой год.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
Факты и информация о происхождении Вселенной
Происхождение Вселенной 101
Наиболее подтвержденная теория происхождения нашей Вселенной основана на событии, известном как Большой взрыв. Эта теория родилась из наблюдения, что другие галактики удаляются от нашей с огромной скоростью во всех направлениях, как если бы все они были движимы древней взрывной силой.
Бельгийский священник по имени Жорж Леметр впервые предложил теорию большого взрыва в 1920-х годах, когда он предположил, что Вселенная началась с одного первичного атома. Эта идея получила серьезное развитие благодаря наблюдениям Эдвина Хаббла о том, что галактики разлетаются от нас во всех направлениях, а также благодаря наблюдениям 19-43 секунды своего существования Вселенная была очень компактной, менее чем в миллион миллиардов миллиардных долей размера одного атома. Считается, что в таком непостижимо плотном, энергетическом состоянии четыре фундаментальные силы — гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое ядерное взаимодействие — были объединены в единую силу, но наши современные теории еще не выяснили, как единая, объединенные силы будут работать. Чтобы осуществить это, нам нужно знать, как работает гравитация в субатомном масштабе, но в настоящее время мы этого не знаем.
Также считается, что чрезвычайно близкое расположение позволило самым первым частицам во Вселенной смешиваться, смешиваться и достигать примерно одинаковой температуры. Затем, за невообразимо малую долю секунды, вся эта материя и энергия расширились наружу более или менее равномерно, с крошечными вариациями, обусловленными флуктуациями в квантовом масштабе. Эта модель головокружительного расширения, называемая инфляцией, может объяснить, почему во Вселенной такая равномерная температура и распределение материи.
После инфляции Вселенная продолжала расширяться, но гораздо медленнее. До сих пор неясно, что именно вызвало инфляцию.
С течением времени и охлаждением материи начали формироваться более разнообразные виды частиц, которые в конечном итоге сконденсировались в звезды и галактики нашей нынешней Вселенной.
К тому времени, когда Вселенной исполнилась миллиардная доля секунды, Вселенная достаточно остыла, чтобы четыре фундаментальные силы отделились друг от друга. Фундаментальные частицы Вселенной также сформировались. Однако было еще так жарко, что эти частицы еще не собрались во многие субатомные частицы, которые мы имеем сегодня, такие как протон. По мере того как Вселенная продолжала расширяться, этот горячий первичный бульон, называемый кварк-глюонной плазмой, продолжал остывать. Некоторые коллайдеры частиц, такие как Большой адронный коллайдер ЦЕРН, достаточно мощны, чтобы воссоздать кварк-глюонную плазму.
Излучение в ранней Вселенной было настолько интенсивным, что сталкивающиеся фотоны могли образовывать пары частиц, состоящих из материи и антиматерии, которые во всех отношениях похожи на обычную материю, за исключением противоположного электрического заряда. Считается, что ранняя Вселенная содержала равное количество материи и антиматерии. Но по мере того, как Вселенная остывает, фотоны уже не обладают достаточной силой, чтобы образовывать пары материи и антиматерии. Так что, как в экстремальной игре «музыкальные стулья», многие частицы материи и антиматерии объединились и аннигилировали друг друга.
Каким-то образом выжило некоторое количество избыточной материи, и теперь это вещество, из которого состоят люди, планеты и галактики. Наше существование — явный признак того, что законы природы относятся к материи и антиматерии немного по-разному. Исследователи экспериментально наблюдали этот дисбаланс правил, называемый нарушением CP, в действии. Физики все еще пытаются выяснить, как именно материя победила в ранней Вселенной.
Создание атомов В течение первой секунды Вселенной было достаточно прохладно, чтобы оставшаяся материя объединилась в протоны и нейтроны, знакомые частицы, из которых состоят ядра атомов. И через первые три минуты протоны и нейтроны собрались в ядра водорода и гелия. По массе водород составлял 75 процентов материи ранней Вселенной, а гелий — 25 процентов. Обилие гелия является ключевым предсказанием теории большого взрыва, подтвержденным научными наблюдениями.
Несмотря на наличие атомных ядер, молодая Вселенная была еще слишком горячей, чтобы электроны могли осесть вокруг них и образовать стабильные атомы. Материя Вселенной оставалась электрически заряженным туманом, настолько плотным, что свет с трудом пробивался сквозь него. Потребуется еще 380 000 лет или около того, чтобы Вселенная остыла настолько, чтобы образовались нейтральные атомы — поворотный момент, называемый рекомбинацией. Более холодная Вселенная впервые сделала ее прозрачной, что позволило грохотающим внутри нее фотонам, наконец, беспрепятственно пройти сквозь нее.
Мы до сих пор видим это первозданное послесвечение как космическое микроволновое фоновое излучение, которое встречается во всей Вселенной. Излучение аналогично тому, которое используется для передачи телевизионных сигналов через антенны. Но это самое старое из известных излучений, и оно может хранить много тайн о самых ранних моментах существования Вселенной.
Во Вселенной не было ни одной звезды примерно через 180 миллионов лет после Большого взрыва. Именно столько времени потребовалось гравитации, чтобы собрать облака водорода и превратить их в звезды. Многие физики считают, что огромные облака темной материи, до сих пор неизвестного материала, вес которого превышает вес видимой материи более чем в пять раз, послужили гравитационным каркасом для первых галактик и звезд.
После того, как зажглись первые звезды Вселенной, свет, который они выпустили, был достаточно сильным, чтобы еще раз лишить электроны нейтральных атомов, что является ключевой стадией Вселенной, называемой реионизацией. В феврале 2018 года австралийская команда объявила, что они, возможно, обнаружили признаки этого «космического рассвета». Через 400 миллионов лет после Большого взрыва родились первые галактики. Спустя миллиарды лет звезды, галактики и скопления галактик формировались и переформировывались, в результате чего образовалась наша родная галактика, Млечный Путь, и наш космический дом, Солнечная система.
Даже сейчас Вселенная расширяется, и, к удивлению астрономов, скорость расширения увеличивается. Считается, что это ускорение вызвано силой, которая отталкивает гравитацию, называемой темной энергией. Мы до сих пор не знаем, что такое темная энергия, но считается, что она составляет 68 процентов всей материи и энергии Вселенной. Темная материя составляет еще 27 процентов. В сущности, вся материя, которую вы когда-либо видели — от вашей первой любви до звезд над головой — составляет менее пяти процентов Вселенной.
ИСТОЧНИКИ
Калифорнийский технологический институт — Космический микроволновый фон
НАСА — Команда Хаббла побила рекорд космического расстояния
НАСА — Что такое темная энергия?
Природа — Bowman et al. 2018
Планк — Космический микроволновый фон
Приключения Вселенной — Эпоха Планка
Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе — Краткая история Вселенной
Университет Мэриленда — Кварк-глюонная плазма и ранняя Вселенная
Университет Орегона — Ранняя Вселенная
Техасский университет — Ранняя Вселенная
Читать дальше
15 знаковых изображений из архива National Geographic
- Фотография
15 знаковых изображений из архива National Geographic
Более 115 лет назад National Geographic опубликовала свой первый фоторепортаж и никогда не оглядывалась назад. Эти недавние изображения взяты из архива National Geographic и прославляют силу современной фотографии.
Впервые увиденная черная канадская рысь
- Животные
Черная канадская рысь впервые замечена
Темношерстная кошка имеет генетическое заболевание, называемое меланизмом, которое наблюдалось примерно у трети кошек, но ранее не наблюдалось у этого вида.
Эксклюзивный контент для подписчиков
Почему люди так одержимы Марсом?
Как вирусы формируют наш мир
Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу
Посмотрите, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории
Посмотрите, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету
Почему люди так одержимы Марсом?
Как вирусы формируют наш мир
Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу будет исследовать красную планету
Почему люди так одержимы Марсом?
Как вирусы формируют наш мир
Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу исследует красную планету
Узнать больше
Что такое Теория большого взрыва?
Карта фонового излучения, оставшегося после Большого взрыва, сделанная в 2013 году космическим кораблем ЕКА «Планк», запечатлела самый старый свет во Вселенной. Эта информация помогает астрономам определить возраст Вселенной.
(Изображение предоставлено ESA и Planck Collaboration.)Что такое Большой взрыв?
Теория Большого Взрыва является ведущим объяснением того, как возникла Вселенная. Проще говоря, в нем говорится, что вселенная, какой мы ее знаем, началась с бесконечно горячей и плотной единственной точки, которая раздувалась и растягивалась — сначала с невообразимой скоростью, а затем с более измеримой скоростью — в течение следующих 13,8 миллиардов лет до все еще расширяющегося космоса. что мы знаем сегодня.
Существующие технологии еще не позволяют астрономам в буквальном смысле заглянуть в историю рождения Вселенной, многое из того, что мы знаем о Большом Взрыве, исходит из математических формул и моделей. Однако астрономы могут увидеть «эхо» расширения через явление, известное как космический микроволновый фон.
В то время как большинство астрономического сообщества принимает эту теорию, есть некоторые теоретики, у которых есть альтернативные объяснения помимо Большого Взрыва — такие как вечная инфляция или колеблющаяся Вселенная.
Похожие: Некоторые сверхмассивные черные дыры могут содержать следы Большого Взрыва , точка бесконечной плотности и тепла. 9-32 секунды, согласно теории физика Алана Гута 1980 года, которая навсегда изменила наши представления о Большом взрыве.
Когда космическая инфляция подошла к внезапному и все еще загадочному концу, закрепились более классические описания Большого Взрыва. Поток материи и излучения, известный как «повторный нагрев», начал заселять нашу вселенную теми веществами, которые мы знаем сегодня: частицами, атомами, веществами, которые станут звездами и галактиками, и так далее.
Изображения Хаббла показывают далекую галактику GN-z11, какой она была вскоре после Большого взрыва (Изображение предоставлено НАСА) Все это произошло всего за первую секунду после зарождения Вселенной, когда температура всего была еще безумно высокой, около 10 миллиардов градусов по Фаренгейту (5,5 миллиардов по Цельсию), по данным НАСА . Космос теперь содержал огромное количество фундаментальных частиц, таких как нейтроны, электроны и протоны — сырье, которое станет строительным материалом для всего, что существует сегодня.
Этот ранний «суп» было невозможно увидеть, потому что он не мог удерживать видимый свет. «Свободные электроны заставили бы свет (фотоны) рассеиваться так же, как солнечный свет рассеивается каплями воды в облаках», — заявило НАСА. Однако со временем эти свободные электроны встретились с ядрами и создали нейтральные атомы или атомы с равными положительными и отрицательными электрическими зарядами.
Это позволило свету наконец пролиться через 380 000 лет после Большого Взрыва.
Этот свет, который иногда называют «послесвечением» Большого взрыва, более правильно называют космическим микроволновым фоном (CMB). Впервые он был предсказан Ральфом Альфером и другими учеными в 1948 году, но обнаружен лишь случайно почти 20 лет спустя.
Связанный: Изображения: Взгляд назад на Большой взрыв и раннюю вселенную
Это случайное открытие произошло, когда Арно Пензиас и Роберт Уилсон, оба из Bell Telephone Laboratories в Нью-Джерси, строили радиоприемник в 1919 году. По данным НАСА, температура достигла 65°С и поднялась выше ожидаемой (откроется в новой вкладке). Сначала они подумали, что аномалия возникла из-за того, что голуби пытались устроиться внутри антенны и их экскременты, но они убрали беспорядок и убили голубей , и аномалия не исчезла.
Одновременно команда Принстонского университета под руководством Роберта Дике пыталась найти доказательства реликтового излучения и поняла, что Пензиас и Уилсон наткнулись на них своими странными наблюдениями. Обе группы опубликовали статьи в Astrophysical Journal в 1919 г.65.
Реконструкция младенчества Вселенной
Поскольку мы не можем увидеть ее напрямую, ученые пытаются выяснить, как «увидеть» Большой взрыв с помощью других мер. В одном случае космологи нажимают кнопку перемотки назад (открывается в новой вкладке), чтобы добраться до первого момента после Большого взрыва, моделируя 4000 версий текущей Вселенной на огромном суперкомпьютере.
«Мы пытаемся сделать что-то вроде угадывания детской фотографии нашей Вселенной по последнему снимку», — написал руководитель исследования Масато Ширасаки, космолог из Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ), в электронном письме Live Science.
С тем, что известно о Вселенной сегодня, исследователи в этом исследовании 2021 года сравнили свое понимание того, как гравитационные силы взаимодействовали в изначальной Вселенной, с тысячами вселенных, смоделированных на компьютере. Если бы они могли предсказать начальные условия своих виртуальных вселенных, они надеялись, что смогут точно предсказать, как могла выглядеть наша собственная вселенная в самом начале.
Другие исследователи избрали разные пути для изучения происхождения нашей вселенной.
В исследовании 2020 года исследователи сделали это, исследуя раскол между материей и антиматерией. В исследовании, еще не прошедшем экспертную оценку, они предположили, что дисбаланс количества материи и антиматерии во Вселенной связан с огромным количеством темной материи во Вселенной, неизвестной субстанции, которая оказывает влияние на гравитацию, но не взаимодействует с ней. со светом. Они предположили, что в критические моменты сразу после Большого взрыва Вселенная, возможно, была вынуждена производить больше материи, чем антиматерии, что затем могло привести к образованию темной материи .
Подробнее: Что было до Большого Взрыва?
Возраст Вселенной
Художественное представление космического корабля «Планк» Европейского космического агентства. Основная цель Планка — изучение космического микроволнового фона — реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва. (Изображение предоставлено ESA/C. Carreau)Реликтовое излучение в настоящее время наблюдается многими исследователями и с помощью многих миссий космических аппаратов. Одной из самых известных космических миссий для этого был спутник NASA Cosmic Background Explorer (COBE), который нанес на карту небо в 1990-е.
Несколько других миссий последовали по стопам COBE, например, эксперимент BOOMERanG (наблюдения на воздушном шаре миллиметрового внегалактического излучения и геофизики), зонд NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) и спутник Planck Европейского космического агентства.
Наблюдения Планка, впервые опубликованные в 2013 году, нанесли на карту реликтовое излучение с беспрецедентной точностью и показали, что Вселенная старше, чем считалось ранее: 13,82 миллиарда лет, а не 13,7 миллиарда лет. Миссия исследовательской обсерватории продолжается, и периодически выпускаются новые карты реликтового излучения.
Связанный: Сколько лет Вселенной?
Однако карты порождают новые загадки, например, почему Южное полушарие выглядит немного краснее (теплее), чем Северное полушарие. Теория Большого Взрыва говорит, что реликтовое излучение будет в основном одинаковым, куда бы вы ни посмотрели.
Изучение реликтового излучения также дает астрономам подсказки относительно состава Вселенной. Исследователи считают, что большая часть космоса состоит из материи и энергии, которые невозможно «ощутить» с помощью наших обычных инструментов, что привело к названиям «темная материя» и «темная энергия» ». Считается, что только 5% Вселенной состоит из материи, такой как планеты, звезды и галактики.
Наблюдение за гравитационными волнами
Пока астрономы изучают происхождение Вселенной с помощью творческих измерений и математических симуляций, они также ищут доказательства ее быстрого расширения. Они сделали это, изучая гравитационные волны , крошечные возмущения в пространстве-времени, которые распространяются наружу из-за больших возмущений, таких как, например, столкновение двух черных дыр или рождение Вселенной.
Согласно ведущим теориям, в первую секунду после рождения Вселенной наш космос раздувался быстрее скорости света . (Кстати, это не нарушает ограничения скорости, установленного Альбертом Эйнштейном. Однажды он сказал, что скорость света — это самое быстрое, что может двигаться во Вселенной, но это утверждение не относилось к раздуванию самой Вселенной.)
Когда Вселенная расширилась, она создала реликтовое излучение и аналогичный «фоновый шум», состоящий из гравитационных волн, которые, как и реликтовое излучение, были чем-то вроде статики, обнаруживаемой со всех частей неба. Эти гравитационные волны, по данным Научного сотрудничества LIGO , создали теоретическую едва обнаруживаемую поляризацию, один тип которой называется «В-моды».
В 2014 году астрономы заявили, что нашли доказательства существования B-модов с помощью антарктического телескопа под названием «Фоновое изображение космической внегалактической поляризации» или BICEP2.
«Мы абсолютно уверены, что сигнал, который мы видим, реален и находится в небе», — сказал Space.com в марте 2014 года ведущий исследователь Джон Ковач из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.
Но к июню та же команда заявила, что их результаты могли быть изменены из-за того, что галактическая пыль мешала их полю зрения. Эта гипотеза была подтверждена новыми результатами со спутника Planck.
К январю 2015 года исследователи из обеих групп, работавшие вместе, «подтвердили, что сигнал Бицепса был в основном, если не полностью, звездной пылью», — сообщает New York Times .
На этом рисунке показана временная шкала Вселенной, основанная на теории Большого взрыва и моделях инфляции. (Изображение предоставлено NASA/WMAP)Однако с тех пор существование гравитационных волн было не только подтверждено, но и неоднократно наблюдалось.
Эти волны, которые не являются B-модами от рождения Вселенной, а скорее являются результатом более поздних столкновений черных дыр, неоднократно обнаруживались лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (открывается в новой вкладке) (LIGO), при этом первое в истории обнаружение гравитационных волн произошло в 2016 году. По мере того, как LIGO становится более чувствительным, ожидается, что обнаружение гравитационных волн, связанных с черными дырами, будет довольно частым событием.
Расширение против взрыва
Хотя Большой Взрыв часто называют «взрывом», это неверное представление. При взрыве осколки выбрасываются из центральной точки в уже существовавшее пространство. Если бы вы были в центральной точке, вы бы увидели, что все фрагменты удаляются от вас примерно с одинаковой скоростью.
Но Большой Взрыв был не таким. Это было расширение самого пространства — концепция, вытекающая из уравнений общей теории относительности Эйнштейна, но не имеющая аналога в классической физике повседневной жизни. Это означает, что все расстояния во Вселенной растягиваются с одинаковой скоростью. Любые две галактики, разделенные расстоянием X, удаляются друг от друга с одинаковой скоростью, в то время как галактика на расстоянии 2X удаляется с удвоенной скоростью.
Продолжающееся расширение Вселенной
Вселенная не только расширяется, но и расширяется быстрее. Это означает, что со временем никто не сможет обнаружить другие галактики с Земли или из любой другой точки обзора в нашей галактике.
«Мы увидим отдаленные галактики, удаляющиеся от нас, но их скорость со временем увеличивается», — сказал астроном Гарвардского университета Ави Леб в статье Space.com за март 2014 года.
Вся вселенная расширяется, а не взрывается вдали от центральной точки (Изображение предоставлено Getty)«Итак, если вы подождете достаточно долго, в конце концов, далекая галактика достигнет скорости света. Это означает, что даже свет не сможет преодолеть разрыв, который открывается между этой галактикой и нами. чтобы инопланетяне в этой галактике могли общаться с нами, посылать любые сигналы, которые дойдут до нас, как только их галактика будет двигаться относительно нас со скоростью, превышающей скорость света».
Связанный: Теория большого взрыва: 5 странных фактов о том, как увидеть рождение Вселенной
Похожие истории:
Некоторые физики также предполагают, что вселенная, с которой мы сталкиваемся, является лишь одной из многих. В модели «мультивселенной» разные вселенные будут сосуществовать друг с другом, как пузыри, лежащие рядом. Теория предполагает, что в тот первый большой толчок инфляции разные части пространства-времени росли с разной скоростью . Это могло бы разделить разные участки — разные вселенные — с потенциально разными законами физики.
«Трудно построить модели инфляции, которые не ведут к мультивселенной», — сказал Алан Гут, физик-теоретик из Массачусетского технологического института, во время пресс-конференции в марте 2014 года, посвященной открытию гравитационных волн. (Гут не связан с этим исследованием.)
«В этом нет ничего невозможного, поэтому я думаю, что исследования, безусловно, необходимо провести. Но большинство моделей инфляции ведут к мультивселенной, и доказательства инфляции будут подталкивать нас к принятию [идеи о] Мультивселенная серьезно».
Хотя мы можем понять, как возникла Вселенная, которую мы видим, возможно, что Большой Взрыв не был первым инфляционным периодом, который испытала Вселенная. Некоторые ученые считают, что мы живем в космосе, который проходит через регулярные циклы инфляции и дефляции, и что мы просто живем в одной из этих фаз.
JWST и Большой взрыв
Художественное представление космического телескопа Джеймса Уэбба в его рабочей конфигурации (Изображение предоставлено ESA (C. Carreau)) далекое прошлое. С помощью Хаббла НАСА показало нам галактики такими, какими они были много миллиардов лет назад, а преемник Хаббла, космический телескоп Джеймса Уэбба, может заглянуть еще глубже в прошлое. НАСА надеется, что оно увидит все, начиная с момента образования первых галактик, почти 13,6 миллиарда лет назад. И в отличие от Хаббла, который видит в основном в видимом диапазоне волн, JWST — это инфракрасный телескоп — большое преимущество при наблюдении за очень далекими галактиками. Расширение Вселенной означает, что испускаемые ею волны растягиваются, поэтому свет, излучаемый в видимом диапазоне длин волн, на самом деле достигает нас в инфракрасном диапазоне.
Теория большого взрыва: имя, ставшее нарицательным
Слева направо: персонажи Ховард, Леонард, Пенни, Шелдон и Радж из сериала CBS «Теория большого взрыва». (Изображение предоставлено CBS)Название «Теория большого взрыва» было популярным способом говорить об этой концепции среди астрофизиков на протяжении десятилетий, но оно стало мейнстримом в 2007 году, когда на канале CBS состоялась премьера комедийного телешоу с таким же названием.
Сериал «Теория большого взрыва», насчитывающий 279 серий за 12 сезонов, рассказывал о жизни группы ученых, в которую входили физики, астрофизики и аэрокосмические инженеры. Шоу исследует занудную дружбу, романы и ссоры группы. Премьера первого сезона состоялась 24 сентября 2007 года, а официально шоу завершилось 16 мая 2019 года..
Хотя само шоу не слишком углублялось в реальную науку, организаторы шоу наняли астрофизика из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Дэвида Зальцберга в качестве научного консультанта на весь период шоу, согласно журналу Science . Научных консультантов часто нанимают для научно-фантастических и связанных с наукой шоу и фильмов, чтобы помочь сохранить реалистичность определенных аспектов.
Благодаря Зальцбергу словарный запас персонажей включал множество научных терминов, а доски на заднем плане лабораторий, офисов и квартир на протяжении всего шоу были заполнены различными уравнениями и информацией.
В ходе шоу, сказал Зальцберг, эти доски стали желанным пространством, поскольку исследователи прислали ему новую работу, которая, как они надеялись, может быть там представлена. В одном из эпизодов, вспоминал Зальцберг, новое свидетельство существования гравитационных волн было нацарапано на доске, которая якобы принадлежала знаменитому физику Стивену Хокингу, который также одобрил текст.
Ветеран-астронавт НАСА Майк Массимино (справа) позирует фотографу с актером «Теории большого взрыва» Саймоном Хелбергом и еще одним актером во время перерыва на съемках финального сезона сериала «Теория большого взрыва» на канале CBS. (Изображение предоставлено Майком Массимино (через Твиттер как @Astro_Mike))Шоу допускало некоторые вольности , так как оно было вымышленным. По словам физика Fermilab Дона Линкольна, это включало в себя создание некоторых новых научных концепций и беллетризацию политики Нобелевских премий и научных кругов.
Связанный: Как «Теория большого взрыва» отправила Говарда Воловица в космос
Примечательно, что несколько персонажей сериала путешествуют. В одном из эпизодов главные герои Леонард, Шелдон, Радж и Ховард отправляются в исследовательскую экспедицию в Арктику — многие физические эксперименты лучше всего проводить в экстремальных условиях на полюсах или вблизи них. Другой поместил аэрокосмического инженера Ховарда на российский космический корабль «Союз» (открывается в новой вкладке), а позже — на модель Международной космической станции (открывается в новой вкладке) вместе с реальным астронавтом Майком Массимино (открывается в новой вкладке).
Дополнительные ресурсы
Узнайте больше о реликтовом излучении на веб-странице НАСА (открывается в новой вкладке) о проверке теории Большого взрыва. НАСА также показало, как мог бы выглядеть Большой Взрыв в этой анимации (откроется в новой вкладке). Вот 5 кратких фактов о Большом взрыве из журнала How It Works.
Эта статья была обновлена 17 мая 2021 г. сотрудником Space.com Вики Штайн. Эта статья была снова обновлена в 2021 году старшим автором Space.com Челси Год.
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Эндрю Мэй имеет докторскую степень. получил степень доктора астрофизики в Манчестерском университете, Великобритания. В течение 30 лет он работал в академическом, государственном и частном секторах, прежде чем стать научным писателем, где он писал для Fortean Times, How It Works, All About Space, BBC Science Focus и других.