Вселенная что такое кратко: Что такое вселенная? Кратко – Наука и Техника – Каталог статей

Вселенная

• Вселенная включает в себя все, что мы видим вокруг, – это и Земля, и планеты, и Солнце, и звезды, и галактики, и живые организмы, населяющие Землю, и неодушевленные скалы.
• Расстояния во Вселенной астрономические. От Земли до Луны примерно 384 400 км, а до Солнца – 149 600 000 км.
• Вселенная постоянно расширяется. Она как воздушный шар, на который нанесены точки. Шар надувают, и чем больше становится объем шара, тем дальше удаляются друг от друга точки на его поверхности.

Как возникла Вселенная.

Сегодня ученые считают, что возраст Вселенной 13,7 млрд лет.

Тогда, миллиарды лет назад, все, что мы видим вокруг, и воздух, которым мы дышим, и звезды, и живые организмы, и неодушевленные скалы, было сосредоточено в невообразимо малом сгустке.

Этот сгусток можно представить себе в виде яйца, наполненного теплом и энергией.

Внезапно он начал стремительно расширяться, и произошел невероятной силы взрыв, который называют Большим взрывом.

Он сопровождался выделением огромного количества энергии.

Через несколько секунд отдельные сгустки энергии превратились в мельчайшие частицы, из которых образовались атомы.

Почему процесс образования Вселенной называют Большим взрывом?

Среди астрономов, как и среди прочих людей, много шутников.

Когда Жорж Леметр опубликовал свою теорию возникновения Вселенной, коллеги бельгийского ученого сочли идею о сверхплотном сгустке вещества, который начал расширяться в результате колоссального взрыва, удачным поводом для насмешек, обозвав ее «Big Bang», что можно перевести и как «большой ба-бах!».

Каких размеров Вселенная?

Масштабы наблюдаемой Вселенной огромны.

Земля – это маленькая частичка Солнечной системы.

Солнечная система – небольшая часть другой большой системы – галактики.

Наша Галактика Млечный Путь в свою очередь – малая часть более крупной системы.

Обычные единицы измерения расстояний – метры и километры – для Вселенной непригодны.

При изучении Солнечной системы используется астрономическая единица: 1 а. е. = 149 млн км, а за пределами Солнечной системы – световой год.

Он равен расстоянию, которое свет проходит за год, т. е. около 10 трлн км.

 

В XX в. благодаря применению гигантских телескопов астрономы пришли к выводу: расстояния между галактиками постоянно увеличиваются.

И дело здесь не в природе галактик – сама Вселенная непрерывно расширяется!

Как выглядела Вселенная до Большого взрыва?

Согласно теории Большого взрыва до него ничего вообще не существовало, даже время.

Это кажется невероятным, но вопрос о том, что происходило до возникновения Вселенной, не имеет смысла: поскольку не существовало время, то само слово «до» оказывается лишенным смысла.

Вот так ловко устроились ученые, вообще отказавшись рассматривать этот вопрос.

Невероятно!

• Ближайшая к Земле звезда после Солнца находится на расстоянии более четырех световых лет, т. е. около 40 трлн километров.
• Наша галактика – Млечный путь – насчитывает 100 миллиардов звезд, а это лишь одна из миллионов галактик!

Почему некоторые звезды светят ярче?

Все зависит от размера и удаленности звезд от Земли.

Как правило, чем ближе к нашей планете расположены звезды, тем ярче они светят.

Как называется наша Галактика?

Галактика, в которой мы живем, называется Млечный Путь из-за белого как молоко звездного шлейфа, мерцающего на небе.

Почему в космоса темно?

Во Вселенной нет ничего, что отражало бы световые лучи.

Над Землей голубое небо благодаря атмосфере, которая рассеивает главным образом синюю часть спектра солнечных лучей.

Почему черные дыры заглатывают все, что оказывается вблизи них?

Черная дыра – это след стремительно сжимающейся гигантской звезды.

Своим сходством с гигантскими пылесосами черные дыры обязаны полю тяготения, настолько мощному, что даже свет не в силах преодолеть его.

Почему на небе есть созвездия?

Мы называем созвездиями группы ярких звезд, образующие определенную композицию.

В прежние времена путешественники и мореплаватели использовали их как ориентиры для определения своего положения на Земле и на море.

Почему у галактик такие разные формы?

Галактики бывают спиральные, вроде Млечного Пути, которые при наблюдении «с ребра» напоминают две яичницы-глазуньи, соединенные нижними сторонами.

Бывают галактики эллиптические, по форме напоминающие футбольный мяч или мяч для регби.

Неправильные галактики – это бесформенные массы звезд всех возрастов, газа и пыли.

Форма галактики зависит от характера движения звезд, из которых она состоит.

Если галактика круглая как футбольный мяч, то звезды в ней движутся вокруг ядра как пчелиный рой вокруг улья.

Чем дальше от ядра, тем меньше звезд.

В этом случае форма галактики почти идеально сферическая.

Галактики – это системы, состоящие из огромного количества звезд.

Что ждет Вселенную в будущем?

Существует несколько сценариев будущего Вселенной. Некоторые ученые считают, что Вселенная продолжит расширяться. Через многие миллиарды лет прогорит все вещество в звездах, и галактики погрузятся во тьму. Останутся только планеты, белые и коричневые карлики, а столкновения между ними будут крайне редки.

Известно, что разбегающиеся галактики притягиваются друг к другу, а это замедляет расширение Вселенной, и галактики замрут на месте.

Есть еще одна гипотеза – Большое сжатие. Однажды Вселенная перестанет расширяться и сдуется как воздушный шар.

Есть еще и третий возможный сценарий – промежуточный, при котором расширение Вселенной прекратится через бесконечно долгое время.

Но при любом сценарии все эти события произойдут через много миллиардов лет.

Как образуются звезды?

Согласно общепринятой гипотезе, звезда зарождается в результате сжатия межзвездного газопылевого облака.

По мере уплотнения такого облака сначала образуется протозвезда.

Давление и температура внутри протозвезды неуклонно растут, и в недрах звезды «запускается» своеобразный ядерный реактор.

Тогда центр небесного тела начинает светиться: родилась звезда!

 

 

Песни о космосе и космонавтах. День Космонавтики 12 апреля

Космическая музыка. Музыка для занятий и расслабления

Вселенная. Строение Вселенной | МЕРКАТОР

Вселенная — это весь материальный мир, разнообразный по формам, которые приобретает материя и энергия.

Вселенная состоит из пустот (войдов) и галактических нитей, которые можно разбить на сверхскопления, скопления, группы галактик, а затем и на галактики. Галактики состоят из звезд, звездных скоплений, межзвездного газа, пыли и темной материи. Звезды или группы звезд образуют звездные системы. В их состав могут входить незвездные объекты (планеты, спутники, астероиды, метеороиды, кометы и космическая пыль), которые образуют планетные системы.

Вселенная в пределах 500 млн световых лет, показывает ближайшие галактические стены и сверхскопления (Авторы: Richard Powell, Antropia; Источник: Wikipedia)

Войды (от англ. void — пустота) — участки космического пространства, в которых концентрация галактик в десятки раз меньше средней. Они окаймлены скоплениями и сверхскоплениями галактик. Размеры войдов составляют около 10-30 мегапарсек. Большие войды (англ. supervoids) могут достигать в размерах 150 мегапарсек и вероятно охватывают около 50% объема Вселенной.

Галактические нити (англ. galaxy filament) — крупнейшие из известных космических структур Вселенной в форме нитей из галактик со средней длиной 50-80 мегапарсек (163-260 миллионов световых лет), лежащие между большими пустотами (войдами). Нити могут формировать «большие стены» — относительно плоские структуры скоплений и сверхскоплений.

Сверхскопления галактик (англ. supercluster) — физически связанные сплющенные группировки скоплений галактик и групп галактик.  Группы и скопления галактик образуют вытянутые волокна (цепочки). Протяженность цепочек 10-100 мегапарсек, толщина около 1 мегапарсек. Богатые скопления (то есть такие, которые состоят из большого количества членов) расположены на концах цепочек или в местах их разветвления. Сверхскопление содержит сеть волокон (или одно волокно) и одно или несколько богатых скоплений. Соседние сверхскопления соединены цепочками. Между цепочками сверхскоплений расположены войды.

Скопления галактик (англ. galaxy cluster) — гравитационно связанные системы галактик, размеры которых могут достигать 10⁸ световых лет. Массы скоплений варьируются от 10¹³ до 10¹⁵ масс Солнца. Выделяют три вида скоплений: регулярные, иррегулярные, промежуточные. Регулярные (или правильные) скопления имеют округлую форму в проекции на небесную сферу, их характеризует значительный рост концентрации к центру. Иррегулярные (или неправильные) скопления характеризуются неправильными внешними контурами и уменьшением концентрации к центру.

Группы галактик (англ. galaxy group) — пространственно отделены и гравитационно связанные объединения галактик, которые насчитывают до ста членов. Объединения с количеством членов более ста обычно называют скоплениями галактик, хотя четко определенной границы между ними нет.

Галактика (англ. galaxy) — гравитационно связанная система из звезд, звездных скоплений, межзвездного газа, пыли и темной материи. Галактики (за исключением нашей) — чрезвычайно далекие астрономические объекты. В видимой части Вселенной есть около двух триллионов галактик. В пространстве они распределены неравномерно. Галактики отличаются большим разнообразием. Среди них можно выделить: шаровидные эллиптические галактики, дисковые спиральные галактики, галактики с перемычкой (баром), карликовые, неправильные и т.д. Масса галактик варьируется от 10⁷ до 10¹² масс Солнца. Диаметр галактик — от 5 до 250 килопарсек (16-800 тысяч световых лет). Самая большая известная галактика IC 1101 имеет диаметр более 600 килопарсек.

Спиральная галактика NGC 4414 (Автор: The Hubble Heritage Team; Источник: Wikipedia)

Звезда (англ. star) — огромное раскаленное, самосветящееся небесное тело, в недрах которого эффективно происходят (или происходили) термоядерные реакции. Форма звезд близка к сферической. Есть как одиночные, так и кратные звезды (двойные, тройные и т.д.). В зависимости от температуры поверхности звезды бывают голубыми, белыми, желтыми и красными. Массы звезд изменяются от 0,05 до 80 масс Солнца.

Звездное скопление (англ. star clusters) — гравитационно связанная группа звёзд, которая имеет общее происхождение и подвижная в гравитационном поле галактики как единое целое.

Звездная система (англ. star system) — это система, состоящая из звезды или группы звезд, и, возможно, планетных систем из меньших тел, объединенных гравитацией.

Планетная система (англ. planetary system) — незвездные объекты, вращающиеся вокруг материнской звезды.  Это могут быть планеты, спутники, астероиды, метеороиды, кометы и космическая пыль.

Планета (англ. planet) — это небесное тело, вращающееся по орбите вокруг звезды или ее остатков, достаточно массивное, чтобы стать округлым под действием собственной гравитации, но недостаточно массивное для начала термоядерной реакции, и которое сумело очистить окрестности своей орбиты.

Спутник (англ. satellite) — небесное тело, вращающееся по определенной траектории (орбите) вокруг другого объекта в космическом пространстве под действием гравитации.

Астероид (англ. asteroid) — твердое небесное тело диаметром от 1 до 1000 км, которое движется по орбите в звездной системе.

Метеороид (англ. meteoroid) — небольшое твердое небесное тело, движущееся в межпланетном пространстве.

Комета (англ. comet) — небольшое тело звездных систем, которое вращается вокруг звезды и имеет так называемую кому (атмосферу) и/или хвост.  Кома и хвост кометы — это последствия испарения поверхности ядра кометы под действием солнечного излучения. Ядро состоит из льда и мелких пористых каменистых частиц. Ядра имеют диаметры от нескольких сотен метров до десятков километров.

Космическая пыль (англ. cosmic dust) — частицы в космосе размером от нескольких молекул до 0,1 мм.

Межзвездный газ (англ. interstellar gas) — газ, заполняющий пространство между звездами. Он прозрачен в видимом свете. Средняя концентрация атомов межзвездного газа составляет менее 1 атома в 1 см³.

Темная материя (англ. dark matter) — один из компонентов Вселенной, существование которого обнаружено недавно только по гравитационным воздействиям на видимую материю и на фоновое излучение, поскольку она не излучает и не рассеивает электромагнитное излучение, а также не участвует в сильном (ядерном) взаимодействии.

---

Источники:

• Structure of the Universe – https://www.universetoday. com/37360/structure-of-the-universe/
• Галактика — https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%BB%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B
• Войд — https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B9%D0%B4
• Всесвіт — https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%81%D0%B5%D1%81%D0%B2%D1%96%D1%82
• Галактична нитка — https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%BB%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%BD%D0%B0_%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BA%D0%B0
• Надскупчення галактик — https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%B4%D1%81%D0%BA%D1%83%D0%BF%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D1%8F_%D0%B3%D0%B0%D0%BB%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%BA
• Скупчення галактик — https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BA%D1%83%D0%BF%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D1%8F_%D0%B3%D0%B0%D0%BB%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%BA
• Група галактик — https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D1%83%D0%BF%D0%B0_%D0%B3%D0%B0%D0%BB%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%BA
• Темна матерія — https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BC%D0%BD%D0%B0_%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D1%96%D1%8F
• Зоря — https://uk. wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%BE%D1%80%D1%8F
• Зоряне скупчення — https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%BE%D1%80%D1%8F%D0%BD%D0%B5_%D1%81%D0%BA%D1%83%D0%BF%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D1%8F
• Зоряна система — https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%BE%D1%80%D1%8F%D0%BD%D0%B0_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0
• Планетна система — https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%BD%D0%B0_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0
• Планета — https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B0
• Супутник — https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%83%D0%BF%D1%83%D1%82%D0%BD%D0%B8%D0%BA
• Астероїд — https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%81%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BE%D1%97%D0%B4
• Метеороїд — https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%97%D0%B4
• Комета — https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0
• Космічний пил — https://uk.wikipedia. org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%81%D0%BC%D1%96%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%B9_%D0%BF%D0%B8%D0%BB
• Міжзоряний газ — https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D1%96%D0%B6%D0%B7%D0%BE%D1%80%D1%8F%D0%BD%D0%B8%D0%B9_%D0%B3%D0%B0%D0%B7

---

Что такое Вселенная? | Live Science

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

Красивая туманность абстрактный фон. (Изображение предоставлено: Сюаньюй Хан через Getty Images)

Вселенная — это буквально все, сумма всего сущего. Он включает в себя всю материю, такую ​​как звезды и галактики. Вселенная также включает в себя все излучения и все другие формы энергии. Независимо от того, где и когда вы существуете, вы являетесь частью вселенной, как и все, что вы испытываете. Нет ничего вне вселенной, потому что все, что существует, автоматически включается в определение вселенной.

Сколько лет Вселенной и расширяется ли она?

Наше лучшее понимание истории Вселенной исходит из теории Большого Взрыва . Наблюдения за далекими галактиками показывают, что все галактики в среднем удаляются от любой другой галактики. Астрономы интерпретируют это движение как расширение самой Вселенной; в самых больших масштабах расстояния между галактиками со временем растут. Это означает, что в прошлом Вселенная была меньше, горячее и плотнее, чем сегодня.

Общая теория относительности Эйнштейна позволяет космологам связать содержимое Вселенной с историей ее расширения и, исходя из этого, вычислить ее возраст. Согласно текущим оценкам, основанным на самых разнообразных наблюдениях, таких как далекие сверхновых , космический микроволновый фон и распространенность легких элементов — во Вселенной примерно 13,787 миллиард лет. В свои самые ранние моменты вся Вселенная была сжата в бесконечно крошечную точку, известную как 9.0009 сингулярность . Из этой сингулярности пространство расширилось, породив вселенную, которую мы видим сегодня, согласно НАСА (открывается в новой вкладке).

Как была создана Вселенная?

Диаграмма, показывающая различные этапы Большого Взрыва. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Ученые не знают, что было до Большого взрыва. Однако они знают, что сингулярность не реальна; вместо этого это артефакт общей теории относительности, который возникает, когда уравнения выходят из строя и теряют способность описывать физическую ситуацию. Истинное объяснение сингулярности должно лежать в теории квантовой гравитации, которая является физической теорией сильной гравитации в чрезвычайно малых масштабах. В настоящее время у физиков нет такой теории, но есть несколько кандидатов, например теория струн и петлевая квантовая гравитация.

Ученые даже не знают, если вопрос “ Что было до Большого Взрыва ?” имеет смысл. Наше понимание течения времени исходит из той же теории относительности, которая не работает при описании ранней Вселенной. Вполне может быть, что наши представления о «до» и «после» неадекватны для описания того, что происходит в таких экстремальных масштабах, по словам астрофизика Итана Сигела .

В конечном счете, причина существования Вселенной, возможно, является величайшим из всех философских вопросов.

Что такое наблюдаемая Вселенная?

Астрономы в настоящее время не знают насколько велика вселенная , но есть предел тому, что мы можем видеть. Этот объем известен как наблюдаемая Вселенная.

Поскольку возраст Вселенной конечен, а скорость распространения света ограничена максимальной скоростью, с нашей точки зрения освещена только определенная часть Вселенной. Наблюдаемая Вселенная представляет собой сферу диаметром примерно 42 миллиарда световых лет. (Для масштаба Млечный Путь составляет всего 100 000 световых лет в поперечнике, а ближайшая к звезда, солнце , находится на расстоянии менее 4 световых лет.) до 13 миллиардов лет назад. Однако Вселенная расширяется быстрее скорости света, что не является проблемой, потому что специальная теория относительности диктует, что ограничение, согласно которому объекты не могут двигаться быстрее скорости света, применяется только к измерениям, сделанным вблизи наблюдателя, а не к объектам в далекая вселенная.

Если бы Вселенная была статична, то с течением времени мы могли бы наблюдать еще более далекие галактики, поскольку их свет в конце концов достигал нас. Однако расширение Вселенной уносит эти более далекие галактики быстрее, чем свет от них может вернуться к нам, и мы никогда не сможем их наблюдать, Nova сообщила канала PBS .

Вселенная бесконечна?

Космологи считают, что за краем наблюдаемой вселенной лежит… больше вселенной: больше звезд, больше галактик, больше планет, больше всего. Однако, поскольку ее невозможно наблюдать, астрономы не знают, насколько велика вся Вселенная. Возможно, Вселенная действительно бесконечна и вообще не имеет границ в пространстве, 9В 62 раза шире в диаметре, чем наблюдаемая Вселенная.

Из чего состоит Вселенная?

Темная материя в смоделированной вселенной. (Изображение предоставлено: Иллюстрация Авторы и права Том Абель и Ральф Кэлер (KIPAC, SLAC), AMNH)

Большая часть содержимого Вселенной имеет форму, в настоящее время неизвестную современной физике. Около 68% всей энергии во Вселенной состоит из темной энергии , гипотетической формы энергии, которая, по-видимому, находится в вакууме пространство-время само по себе. Однако физики не знают, откуда берется эта энергия и почему она обладает такой силой, как , по данным Форума Вселенной Гарвардского университета .

Около 27% материи и энергии Вселенной состоит из темной материи , которая считается невидимой формой материи, не взаимодействующей со светом. Хотя подавляющее большинство физиков думают, что темная материя — это какой-то новый тип фундаментальной частицы (или частиц), они еще не обнаружили ее напрямую.

Остальные 5% Вселенной состоят из обычной, привычной материи, такой как звезды, планеты и огромные газовые облака.

Как закончится вселенная?

Чтобы понять, как закончится Вселенная, мы должны сначала точно измерить ее содержимое. Поскольку основным компонентом Вселенной является темная энергия, это будет определять ее дальнейшую эволюцию. Главный эффект темной энергии заключается в том, что она ускоряет расширение Вселенной. Таким образом, Вселенная не только становится больше с каждым днем, но с каждым днем ​​становится все быстрее и быстрее. Если предположить, что темная энергия останется неизменной (что является большим предположением, поскольку в настоящее время мы не понимаем природу темной энергии), то это ускоренное расширение в конечном итоге вытеснит почти каждую галактику из нашей наблюдаемой сферы, писал астрофизик Кевин Пимблет в Разговор (откроется в новой вкладке).

Через сотни миллиардов лет почти каждая галактика станет невидимой для нас. В конце концов, в Млечном Пути закончится свежий газ для создания новых звезд. Через триллионы лет последние звезды погаснут, оставив после себя жидкий суп из элементарных частиц, который будет медленно остывать до температуры абсолютного нуля.

Дополнительные ресурсы

• Чтобы погрузиться в космологию, ознакомьтесь с книгой «Ваше место во Вселенной (откроется в новой вкладке)» (Прометей, 2018 г. ), написанной автором статьи и астрофизиком Полом М. Саттером.
• Исследуйте окончательную судьбу Вселенной в этом великолепном видео (откроется в новой вкладке) от PBS Space Time.
• В этом выпуске подкаста «Астрономический состав» вы узнаете, как вычислить размер Вселенной — немалый подвиг.

Библиография

Бреннан, П. (3 декабря 2020 г.). Что такое Вселенная? НАСА. https://exoplanets.nasa.gov/what-is-an-exoplanet/what-is-the-universe/ (открывается в новой вкладке)

Halpern, P. (2012, 10 октября). Насколько велика наблюдаемая Вселенная? ПБС НОВА. https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/how-large-is-the-observable-universe/ (открывается в новой вкладке) 

НАСА. (2010, 16 апреля). Что такое теория инфляции? https://wmap.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_infl.html#:~:text=The%20Inflation%20Theory%20proposes%20a,relatively%20gradually%20throughout%20its%20history (открывается в новой вкладке )

Пимблет, К. (3 сентября 2015 г.). Судьба Вселенной: тепловая смерть, Большой Разрыв или космическое сознание? Разговор. https://theconversation.com/the-fate-of-the-universe-heat-death-big-rip-or-cosmic-сознания-46157 (открывается в новой вкладке) 

Сигел, Э. (2022, г. 4 марта). Спросите Итана: действительно ли наша Вселенная возникла из ничего? Большие мысли. https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-nothing/ (открывается в новой вкладке)

Пол М. Саттер — профессор-исследователь в области астрофизики в Университете SUNY Стоуни-Брук и Институте Флэтайрон в Нью-Йорке. Он регулярно появляется на телевидении и в подкастах, в том числе «Спросите космонавта». Он является автором двух книг: «Твое место во Вселенной» и «Как умереть в космосе», а также регулярно публикуется на Space.com, Live Science и других ресурсах. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, после чего прошел стажировку в Триесте, Италия.

Происхождение Вселенной – Scientific American

Вселенная велика как в пространстве, так и во времени, и на протяжении большей части истории человечества была вне досягаемости наших инструментов и нашего разума. Это резко изменилось в 20 веке. Успехи были в равной степени обусловлены мощными идеями — от общей теории относительности Эйнштейна до современных теорий элементарных частиц — и мощными инструментами — от 100- и 200-дюймовых рефлекторов, построенных Джорджем Эллери Хейлом, которые перенесли нас за пределы нашей галактики Млечный Путь в космический телескоп Хаббл, который вернул нас к рождению галактик. За последние 30 лет темпы прогресса ускорились благодаря осознанию того, что темная материя не состоит из обычных атомов, открытию темной энергии и появлению смелых идей, таких как космическая инфляция и мультивселенная.

Вселенная 100 лет назад была простой: вечной, неизменной, состоящей из одной галактики, содержащей несколько миллионов видимых звезд. Сегодняшняя картина полнее и намного богаче. Космос начался 13,7 миллиардов лет назад с Большого взрыва. Через долю секунды после начала Вселенная представляла собой горячий бесформенный суп из самых элементарных частиц, кварков и лептонов. По мере его расширения и охлаждения слой за слоем развивались структуры: нейтроны и протоны, атомные ядра, атомы, звезды, галактики, скопления галактик и, наконец, сверхскопления. Наблюдаемая часть Вселенной сейчас населена 100 миллиардами галактик, каждая из которых содержит 100 миллиардов звезд и, вероятно, такое же количество планет. Сами галактики удерживаются вместе гравитацией таинственной темной материи. Вселенная продолжает расширяться, и действительно делает это с ускорением, движимая темной энергией, еще более загадочной формой энергии, гравитационная сила которой скорее отталкивает, чем притягивает.

Главной темой истории нашей вселенной является эволюция от простого кваркового супа к сложности, которую мы наблюдаем сегодня в галактиках, звездах, планетах и ​​жизни. Эти особенности появлялись одна за другой на протяжении миллиардов лет, руководствуясь основными законами физики. В нашем путешествии назад к началу творения космологи сначала путешествуют по хорошо известной истории Вселенной до первой микросекунды; затем в пределах 10-34 секунд от начала, для которых идеи хорошо сформированы, но доказательства еще не являются твердыми; и, наконец, к самым ранним моментам творения, для которых наши идеи все еще остаются лишь предположениями. Хотя окончательное происхождение Вселенной все еще находится за пределами нашего понимания, у нас есть дразнящие предположения, в том числе понятие мультивселенной, согласно которому вселенная состоит из бесконечного числа разрозненных подвселенных.

Расширяющаяся Вселенная

С помощью 100-дюймового телескопа Хукера на горе Вильсон в 1924 году Эдвин Хаббл показал, что нечеткие туманности, которые изучались и обсуждались в течение нескольких сотен лет, были такими же галактиками, как наша собственная, тем самым увеличив известную Вселенную на 100 миллиардов. Несколько лет спустя он показал, что галактики удаляются друг от друга по регулярной схеме, описываемой математическим соотношением, теперь известным как закон Хаббла, согласно которому галактики, находящиеся дальше, движутся быстрее. Это закон Хаббла, воспроизведенный во времени, который указывает на Большой взрыв 13,7 миллиардов лет назад.

Закон Хаббла нашел готовую интерпретацию в рамках общей теории относительности: само пространство расширяется, а галактики увлекаются за собой [ см. вставку на противоположной странице ]. Свет тоже растягивается или смещается в красную сторону — процесс, который истощает его энергию, так что Вселенная охлаждается по мере расширения. Космическое расширение дает повествование для понимания того, как возникла сегодняшняя Вселенная. Когда космологи представляют себе перемотку часов, Вселенная становится плотнее, горячее, экстремальнее и проще. Исследуя начало, мы также исследуем внутреннюю работу природы, используя ускоритель, более мощный, чем любой из построенных на Земле, — сам Большой взрыв.

Глядя в космос с помощью телескопов, астрономы заглядывают в прошлое — и чем больше телескоп, тем дальше они заглядывают. Свет от далеких галактик указывает на более раннюю эпоху, и величина красного смещения этого света показывает, насколько выросла Вселенная за прошедшие годы. Нынешний рекордсмен имеет красное смещение более 10, что соответствует времени, когда Вселенная была меньше одной одиннадцатой от нынешнего размера и имела возраст всего несколько сотен миллионов лет. Телескопы, такие как космический телескоп Хаббла и 10-метровый телескоп Кека на Мауна-Кеа, обычно возвращают нас в эпоху, когда формировались галактики, подобные нашей, через несколько миллиардов лет после Большого взрыва. Свет еще более ранних времен так сильно смещен в красную сторону, что астрономам приходится искать его в инфракрасном и радиодиапазонах. Такие телескопы, как планируемый космический телескоп Джеймса Уэбба, 6,5-метровый инфракрасный телескоп, и Большая миллиметровая решетка Атакама (ALMA), сеть из 66 радиотарелок, уже работающих в северной части Чили, могут вернуть нас к рождению самого первого звезды и галактики.

Компьютерное моделирование говорит, что эти звезды и галактики возникли, когда Вселенной было около 100 миллионов лет. До этого Вселенная пережила время, называемое «темными веками», когда она была почти кромешной тьмой. Пространство было заполнено безликой кашей, состоящей из пяти частей темной материи и одной части водорода и гелия, которая истончалась по мере расширения Вселенной. Материя была немного неравномерной по плотности, и гравитация усиливала эти колебания плотности: более плотные области расширялись медленнее, чем менее плотные. К 100 миллионам лет самые плотные регионы не только расширялись медленнее, но и фактически начали разрушаться. Каждая из таких областей содержала около миллиона солнечных масс вещества. Они были первыми гравитационно связанными объектами в космосе.

Темная материя составляет большую часть их массы, но, как следует из названия, не способна излучать или поглощать свет. Так оно и осталось в расширенном облаке. С другой стороны, газообразный водород и гелий излучали свет, теряли энергию и концентрировались в центре облака. В конце концов он рухнул вплоть до звезд. Эти первые звезды были намного массивнее современных — сотни масс Солнца. Они прожили очень короткую жизнь, прежде чем взорваться и оставить после себя первые тяжелые элементы. В течение следующего миллиарда лет или около того сила гравитации собрала эти облака массой в миллион солнечных масс в первые галактики.

Излучение первичных водородных облаков, сильно смещенных в красную сторону при расширении, должно быть обнаружено гигантскими массивами радиоантенн с общей площадью сбора до одного квадратного километра. Когда они будут построены, эти массивы будут наблюдать за тем, как первое поколение звезд и галактик ионизируют водород и положат конец темным векам.

Слабое свечение горячего начала

За темными веками находится свечение горячего Большого взрыва с красным смещением 1100. Это излучение было смещено в красную сторону от видимого света (красно-оранжевое свечение) даже за пределы инфракрасного диапазона к микроволнам. То, что мы видим с того времени, — это стена микроволнового излучения, заполняющая небо — космическое микроволновое фоновое излучение (CMB), открытое в 1964 Арно Пензиаса и Роберта Уилсона. Он дает представление о Вселенной в нежном возрасте 380 000 лет, периоде, когда сформировались атомы. До этого Вселенная была почти однородной смесью атомных ядер, электронов и фотонов. Когда он остыл до температуры около 3000 кельвинов, ядра и электроны объединились, чтобы сформировать атомы. Фотоны перестали рассеивать электроны и беспрепятственно устремились сквозь пространство, открывая Вселенную в более простое время, до появления звезд и галактик.

В 1992 году спутник NASA Cosmic Background Explorer обнаружил, что интенсивность реликтового излучения имеет небольшие вариации — около 0,001 процента, — отражающие небольшую неоднородность в распределении вещества. Степень изначальной бугристости была достаточной, чтобы послужить семенами для галактик и более крупных структур, которые позже возникнут под действием гравитации. Характер этих вариаций реликтового излучения на небе также кодирует основные свойства Вселенной, такие как ее общая плотность и состав, а также намекает на ее самые ранние моменты; тщательное изучение этих вариаций многое открыло во Вселенной [9].0155 см. иллюстрацию на стр. 41 ].

Когда мы прокручиваем фильм об эволюции Вселенной в обратном направлении от этой точки, мы видим, как первичная плазма становится все более горячей и плотной. Примерно до 100 000 лет плотность энергии излучения превышала плотность энергии материи, что не позволяло материи слипаться. Следовательно, это время знаменует собой начало гравитационной сборки всех структур, наблюдаемых сегодня во Вселенной. Еще раньше, когда Вселенной было меньше секунды, атомные ядра еще не сформировались; существовали только составляющие их частицы, а именно протоны и нейтроны. Ядра появились, когда Вселенной было всего несколько секунд, а температуры и плотности были как раз подходящими для ядерных реакций. Этот процесс нуклеосинтеза Большого взрыва произвел только самые легкие элементы в периодической таблице: много гелия (около 25 процентов атомов во Вселенной по массе) и меньшее количество лития и изотопов дейтерия и гелия 3. Остальная часть плазма (около 75 процентов) осталась в форме протонов, которые в конечном итоге стали атомами водорода. Все остальные элементы периодической таблицы образовались миллиарды лет спустя в виде звезд и звездных взрывов.

Теория нуклеосинтеза точно предсказывает содержания элементов и изотопов, измеренные в самых древних образцах Вселенной, а именно, в самых старых звездах и газовых облаках с большим красным смещением. Обилие дейтерия, очень чувствительного к плотности атомов во Вселенной, играет особую роль: его измеренное значение означает, что обычное вещество составляет 4,5 ± 0,1% от общей плотности энергии. (Остальное — темная материя и темная энергия.) Эта оценка точно согласуется с составом, полученным из анализа реликтового излучения. Эта переписка — великий триумф. То, что эти два совершенно разных измерения, одно из которых основано на ядерной физике, когда Вселенной была всего одна секунда, а другое, основанное на атомной физике, когда Вселенной было 380 000 лет, согласуются друг с другом, является серьезной проверкой не только нашей модели эволюции космоса, но и по всей современной физике.

Ответы в кварковом супе

До микросекунды даже протоны и нейтроны не могли существовать, и Вселенная представляла собой суп из основных строительных блоков природы: кварков, лептонов и переносчиков взаимодействия (фотонов, W и Z бозонов и глюонов). Мы можем быть уверены, что кварковый суп существовал, потому что эксперименты на ускорителях частиц воссоздали подобные условия сегодня здесь, на Земле.

Чтобы исследовать эту эпоху, космологи полагаются не на большие и лучшие телескопы, а на мощные идеи физики элементарных частиц. Разработка Стандартной модели физики элементарных частиц 30 лет назад привела к смелым предположениям, включая теорию струн, о том, как, казалось бы, несопоставимые фундаментальные частицы и силы объединяются. Как оказалось, эти новые идеи имеют значение для космологии, столь же важное, как и первоначальная идея о горячем Большом взрыве. Они намекают на глубокие и неожиданные связи между миром очень большого и очень маленького. Начинают появляться ответы на три ключевых вопроса: природа темной материи, асимметрия между материей и антиматерией и происхождение самого комковатого кваркового супа.

Теперь выясняется, что ранняя фаза кваркового супа была местом рождения темной материи. Идентичность темной материи остается неясной, но ее существование очень хорошо установлено. Наша галактика и любая другая галактика, а также скопления галактик удерживаются вместе гравитацией невидимой темной материи. Чем бы ни была темная материя, она должна слабо взаимодействовать с обычной материей; иначе оно проявило бы себя иначе. Попытки найти единую структуру для сил и частиц природы привели к предсказанию стабильных или долгоживущих частиц, которые могли бы составлять темную материю. Некоторые из этих гипотетических частиц будут присутствовать сегодня как остатки фазы супа кварков в правильном количестве, чтобы быть темной материей, и даже могут быть обнаружены.

Одним из кандидатов является нейтралино, самая легкая из предполагаемого нового класса частиц, которые являются более тяжелыми аналогами известных частиц. Считается, что нейтралино имеет массу от 100 до 1000 масс протона, что находится в пределах досягаемости экспериментов, которые сейчас проводятся на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН недалеко от Женевы. Физики также построили сверхчувствительные подземные детекторы, а также спутниковые и воздушные детекторы для поиска этой частицы или побочных продуктов ее взаимодействия.

Вторым кандидатом является аксион, сверхлегкая частица, масса которой составляет примерно одну триллионную массы электрона. На его существование намекают тонкости, которые Стандартная модель предсказывает в поведении кварков. Попытки обнаружить его используют тот факт, что в очень сильном магнитном поле аксион может трансформироваться в фотон. И нейтралино, и аксионы обладают тем важным свойством, что они в особом техническом смысле являются «холодными». Хотя они образовались в жарких условиях, они были медленными и поэтому легко сбивались в галактики.

Ранняя фаза кваркового супа, вероятно, также содержит секрет того, почему современная Вселенная состоит в основном из материи, а не из материи и антиматерии. Физики считают, что изначально во Вселенной было равное количество каждого из них, но в какой-то момент в ней образовался небольшой избыток материи — примерно один дополнительный кварк на каждый миллиард антикварков. Этот дисбаланс гарантировал, что достаточное количество кварков переживет аннигиляцию с антикварками по мере расширения и охлаждения Вселенной. Более 40 лет назад эксперименты на ускорителях показали, что законы физики слегка смещены в пользу материи, и в очень ранней последовательности взаимодействий частиц, которую еще предстоит понять, это небольшое смещение привело к созданию избытка кварков.

Считается, что сам кварковый суп возник в очень раннее время — возможно, через 10−34 секунды после Большого взрыва в результате всплеска космического расширения, известного как инфляция. Этот всплеск, движимый энергией нового поля (считается, что оно имеет отдаленное отношение к недавно открытому полю Хиггса), называемого инфлатоном, объясняет такие основные свойства космоса, как его общая однородность и неравномерность, из-за которых галактики и другие структуры поселяются в космосе. Вселенная. По мере того, как инфлатонное поле распадалось, оно высвобождало оставшуюся энергию в кварки и другие частицы, тем самым создавая тепло Большого взрыва и сам суп из кварков.

Инфляция приводит к глубокой связи между кварками и космосом: квантовые флуктуации в поле инфлатона в субатомном масштабе увеличиваются до астрофизических размеров в результате быстрого расширения и становятся семенами всех структур, которые мы видим сегодня. Другими словами, картина, наблюдаемая на небе реликтового излучения, представляет собой гигантское изображение субатомного мира. Наблюдения реликтового излучения согласуются с этим предсказанием, предоставляя убедительные доказательства того, что инфляция или что-то подобное произошло очень рано в истории Вселенной.

Рождение Вселенной

По мере того, как космологи пытаются понять происхождение самой Вселенной, наши идеи становятся менее твердыми. Общая теория относительности Эйнштейна обеспечила теоретическую основу для столетия прогресса в нашем понимании эволюции Вселенной. Поскольку общая теория относительности не включает в себя квантовую теорию, другой столп современной физики, на нее нельзя полагаться при рассмотрении самых ранних моментов творения, когда эффекты квантовой гравитации должны были быть важны. Величайшая задача этой дисциплины состоит в том, чтобы разработать квантовую теорию гравитации, с помощью которой мы сможем обратиться к так называемой эре Планка примерно до 10−43 секунд, когда само пространство-время обретало форму.

Предварительные попытки создать единую теорию привели к некоторым замечательным предположениям о самом начале нашего существования. Теория струн, например, предсказывает существование дополнительных измерений пространства и, возможно, других вселенных, плавающих в этом большем пространстве. То, что мы называем большим взрывом, могло быть столкновением нашей вселенной с другой. Соединение теории струн с концепцией инфляции привело, пожалуй, к самой смелой идее мультивселенной, а именно к тому, что Вселенная состоит из бесконечного числа несвязанных частей, каждая из которых имеет свои собственные локальные законы физики.

Концепция мультивселенной, которая все еще находится в зачаточном состоянии, опирается на два ключевых теоретических открытия. Во-первых, уравнения, описывающие инфляцию, убедительно предполагают, что если инфляция произошла один раз, то она должна происходить снова и снова, и с течением времени создается бесконечное количество инфляционных областей. Ничто не может перемещаться между этими областями, поэтому они не влияют друг на друга. Во-вторых, теория струн предполагает, что эти области имеют разные физические параметры, такие как количество пространственных измерений и виды стабильных частиц.

Идея мультивселенной дает новые ответы на два самых больших вопроса во всей науке: что произошло до Большого взрыва и почему законы физики такие, какие они есть (знаменитые размышления Альберта Эйнштейна о том, «был ли у Бога выбор»). о законах). Мультивселенная делает спорным вопрос о том, что произошло до Большого взрыва, потому что было бесконечное количество больших взрывов, каждое из которых было вызвано собственным всплеском инфляции. Точно так же вопрос Эйнштейна отодвигается в сторону: в бесконечности вселенных были опробованы все возможности законов физики, поэтому нет особой причины для законов, управляющих нашей Вселенной.

Космологи неоднозначно относятся к мультивселенной. Если разъединенные субвселенные действительно закрыты друг от друга, мы не можем надеяться проверить их существование; они, кажется, лежат за пределами области науки. Часть меня хочет кричать, По одной вселенной за раз, пожалуйста! С другой стороны, мультивселенная решает различные концептуальные проблемы. Если это так, то увеличение Вселенной Хабблом всего лишь в 100 миллиардов раз и изгнание Земли из центра Вселенной Коперником в 16 веке покажется небольшим прогрессом в понимании нашего места в космосе.

Современная космология смирила нас. Мы состоим из протонов, нейтронов и электронов, которые вместе составляют всего 4,5 процента Вселенной, и мы существуем только благодаря тонким связям между очень маленькими и очень большими. События, управляемые микроскопическими законами физики, позволили материи доминировать над антиматерией, породили комковатость, засевшую галактики, заполнили пространство частицами темной материи, обеспечивающими гравитационную инфраструктуру, и обеспечили возможность создания галактик из темной материи до того, как темная энергия станет значительной и расширение начал ускоряться [ см. вставку выше ]. В то же время космология по самой своей природе высокомерна. Мысль о том, что мы можем понять что-то настолько обширное как в пространстве, так и во времени, как наша Вселенная, на первый взгляд нелепа. Эта странная смесь смирения и высокомерия продвинула нас в прошлом столетии довольно далеко в продвижении нашего понимания современной вселенной и ее происхождения. Я с оптимизмом смотрю на дальнейший прогресс в ближайшие годы и твердо верю, что мы живем в золотой век космологии.

Эта статья была первоначально опубликована под названием «Происхождение Вселенной» в специальных выпусках SA 22, 2s, 36–43 (май 2013 г. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});";cachedBlocksArray[96927]="

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});";-->