что такое расширение вселенной
Почему вселенная расширяется? И как долго?
Наша вселенная расширяется. С ускорением. Каждую секунду пространство между космическими галактиками растет все быстрее и быстрее.
Когда в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл открыл так называемую красное смещение галактик, становится ясно, что кажется, что все другие галактики в космосе «убегают» от нас.
Когда автомобиль движется к нам, его звук меняется, а когда галактика движется, ее «цвет» меняется, и мы можем определить, приближается ли он к Земле или удаляется от нее.
Хаббл наблюдает за смещением видимого света галактик в красный спектр, что означает, что объект удаляется, и мы можем измерить его скорость. Это так называемый закон Хаббла, и скорость расширения сегодня известна как постоянная Хаббла (около 72 км в секунду на мегапарсек, равная 1 парсек = 31 триллион километров или 206 265 раз расстояния между Землей и Солнцем, и 1 мегапарсек = 1 миллион парсек).
Поэтому единственно возможное объяснение состоит в том, что пространство вселенной расширяется и не может быть статичным. И хотя эксперименты Хаббла являются эмпирическим доказательством, математическое изложение этого факта было сделано еще раньше бельгийским математиком Жоржем Ломмером в 1927 году. Перед лицом этого доказательства Эйнштейн отказался от космологической постоянной и даже назвал ее «самой большой ошибкой в его карьера».
Сегодня, однако, совершенно неожиданно, что нам снова нужна космологическая константа, хотя и немного другим способом.
Теория большого взрыва и эволюция вселенной
Как только станет ясно, что галактики убегают друг от друга, логично предположить, что в начале все они были сгруппированы в одном месте. Более того, мы можем предположить, что в самом начале вселенная была сжата в одну взорвавшуюся точку. Так рождается теория большого взрыва.
Сегодня это одна из широко признанных и проверенных теорий развития вселенной. Причина в ее огромной объяснительной силе. Действительно, если все когда-либо было собрано в одной точке, то это состояние должно быть с огромной температурой и невероятной плотностью. Моделирование таких условий является одной из задач современных ускорителей частиц, таких как Большой адронный ускоритель в ЦЕРНе. Объясняя появление химических элементов в результате Большого взрыва, Первичный нуклеосинтез, также является одним из больших успехов теоретической ядерной физики.
Космическое микроволновое фоновое излучение
Он взаимодействует только гравитационно, и мы не можем установить или доказать это каким-либо другим способом. По оценкам, его содержание составляет около 25 процентов от общей плотности вселенной, в то время как обычная, наша материя, составляет всего 4-5 процентов.
Хотя темную материю нельзя наблюдать непосредственно, ее присутствие было предложено Фрицем Цвицким в 1934 году для объяснения так называемой «Проблема с недостающей массой».
Оказывается, что галактики не могут быть стабильными и вращаться, как они это делают, если не существует огромного количества скрытой массы, удерживающей звезды в соединенной галактике. Результаты исследования космического фонового излучения однозначно подтверждают наличие большого количества темной материи.
Сегодня мы знаем, что Вселенная плоская с точностью до 0,5 процента. Это хорошо, но это также означает, что в зависимости от плотности вещества и энергии во вселенной у нас может быть другой конец эволюции пространства. Если общая плотность (так называемый космологический параметр Омеги) превышает критическую массу, Вселенная может сжаться в так называемую Большой крах, прямо противоположный большому взрыву. Или, наоборот, мы можем расширяться до бесконечности, пока сама вселенная не станет довольно холодной, пустынной и относительно скучной. Это теория Большого охлаждения.
Темная энергия и конечная судьба Вселенной
На самом деле, как мы можем знать, что произошло с пространством Вселенной, и что будет с ним в будущем? Поскольку скорость света ограничена, чем дальше находится объект, тем дольше свет должен будет добраться до нас. Например, путь света от нашего Солнца до Земли составляет чуть более 8 минут. Наблюдая с помощью наших телескопов далеких звезд, мы на самом деле видим прошлое, когда ловим свет, который давно покинул их и только сейчас достигает нас. Тогда, если мы знаем, что наблюдаем два одинаковых объекта, но на разном расстоянии, мы можем вывести изменение пространства между ними во времени.
Объекты, которые относительно «идентичны» в космосе, известны как стандартные свечи.
В частности, в 1997 году исследования сверхновых показали, что Вселенная расширяется с ускорением. Поскольку энергия вспышки всегда одна и та же, разница, которую мы наблюдаем (более тусклые или более яркие вспышки), обусловлена исключительно разницей в динамике пространства. Таким образом, мы можем получить карту эволюции пространства во времени. Оказывается, что в первые 8-9 миллиардов лет после взрыва Вселенная замедляется, как и следовало ожидать, а затем внезапно начинает расширяться с ускорением!
Тем не менее похоже, что Эйнштейн не так сильно ошибался.
Сегодня мы знаем, что темная энергия занимает около 70 процентов от общей плотности энергии Вселенной. Мы понятия не имеем, почему он начинает свое действие или какова его природа. Вполне возможно, что его сила будет уменьшаться или увеличиваться со временем.
В зависимости от этого, есть два сценария конца нашей вселенной. Если космологическая постоянная продолжает работать и расти, мы будем расширяться вечно. Если, наоборот, его сила уменьшается и гравитация побеждает, тогда концом нашего космоса может стать Великое Падение. Тогда, почему бы и нет, возможно, новая вселенная родится в новом космическом Большом Взрыве. Но пока это просто загадки, ответы на которые скоро будут раскрыты.
5 вопросов о расширении Вселенной, которые вы стеснялись задать
Взгляд на чрезвычайно отдалённую часть Вселенной открывает нам галактики, движущиеся от нас с огромными скоростями. На таких расстояниях галактик видно больше, они меньше по размеру, не такие развитые и удаляются с большими красными смещениями, чем те, что расположены недалеко
Когда вы смотрите на удалённую Вселенную, вы повсюду видите галактики – во всех направлениях, на все миллионы и миллиарды световых лет. Человечеству доступны для наблюдения примерно два триллиона галактик, а общая сумма всего, что есть во Вселенной, гораздо больше и невероятнее, чем большинство из нас может себе представить. Один из наиболее сбивающих с толку фактов состоит в том, что все видимые нами галактики в среднем подчиняются одному правилу: чем дальше они от нас, тем быстрее, по-видимому, они движутся в сторону от нас. Это открытие, сделанное Эдвином Хабблом со своими помощниками в 1920-х, привело нас к картине расширяющейся Вселенной. Но что означает, что Вселенная расширяется? Наука знает это, а теперь будете знать и вы!
Чем дальше мы смотрим, тем более древнюю и неразвитую Вселенную видим. Но это только если Общая теория относительности применима ко Вселенной и управляет её расширением.
1) Во что расширяется Вселенная? Это один из вопросов, звучащих разумно, поскольку всё остальное, что может расширяться, состоит из материи и существует в рамках пространства и времени Вселенной. Но сама Вселенная – это и есть пространство и время, и оно содержит всю имеющуюся материю и энергию. Говоря о «расширении Вселенной» мы имеем в виду, что расширяется пространство, и мы видим, что отдельные галактики и их скопления разлетаются друг от друга. Лучшая из визуализаций этого процесса – это тесто с изюминками, поднимающееся в результате выпекания в печи.
Модель «хлеба с изюмом» расширения Вселенной, в которой относительные расстояния увеличиваются при расширении пространства (теста).
Тесто – ткань пространства, изюминки – связанные структуры (галактики или группы/скопления галактик), и с точки зрения любой изюминки все остальные двигаются от неё, и чем дальше изюминка, тем быстрее она убегает. Только в случае Вселенной нет никакой печки и воздуха снаружи теста; есть только тесто (пространство) и изюминки (материя).
Красное смещение вызывается не движением галактик от нас – красное смещение света, путешествующего от удалённых точек пространства к нам, происходит из-за растяжения пространства между нами и галактиками
2) Откуда нам знать, что расширяется ткань пространства – может, это просто галактики движутся с разными скоростями? Если объекты движутся от вас по всем направлениям, то, возможно, пространство между вами и ими расширяется; но это лишь одна из возможностей. Также звучит разумным, что вы могли оказаться в центре взрыва, и многие объекты просто оказались дальше от вас и двигаются быстрее сегодня, поскольку приобрели больше энергии во время взрыва. Если бы это было так, то выделялись бы два свидетельства этого:
На больших расстояниях плотность галактик оказывается выше, чем поблизости от нас. Это совпадает с картиной, в которой расширяется пространство, поскольку заглядывать вдаль – это всё равно, что заглядывать в прошлое, где расширение было не таким сильным. Мы также видим, что отношение красного смещения к расстоянию у далёких галактик совпадает с картиной расширения ткани пространства, и вовсе не совпадает со случаем, когда галактики просто движутся от нас. На этот вопрос наука даёт ответ двумя очень разными способами, и оба ответа поддерживают вариант расширяющейся Вселенной.
График видимой скорости расширения (ось y) в зависимости от расстояния (ось x) совпадает со Вселенной, быстрее расширявшейся в прошлом, но до сих пор расширяющейся сегодня. Это современная версия наблюдения, расширяющая дистанции в тысячи раз по сравнению с тем, что делал Хаббл. Отметьте, что точки не лежат на прямой, что говорит об изменении скорости расширения со временем
3) Всегда ли Вселенная расширялась с одной скоростью? Мы называем эту скорость постоянной Хаббла, но она постоянна по всему пространству, а не по всему времени. Вселенная сейчас, сегодня, расширяется медленнее, чем это было в прошлом [Вот тут Итан объясняет, почему расширение замедляется, а галактики разлетаются всё быстрее / прим. перев.]. Когда мы говорим о скорости расширения, имеется в виду скорость на единицу расстояния: сегодня это порядка 70 км/с/Мпк (километров в секунду на мегапарсек; мегапарсек – 3 260 000 световых лет). Но скорость расширения зависит от плотности всего, что есть во Вселенной, включая и материю с излучением. С расширением Вселенной материя и излучение внутри неё становятся менее плотными, и с падением плотности материи и излучения падает и скорость расширения. Вселенная в прошлом расширялась быстрее, и замедляется со времён горячего Большого взрыва. Постоянная Хаббла названа так не очень точно; её надо бы назвать параметром Хаббла.
Варианты отдалённой судьбы Вселенной предлагают несколько возможностей, но если тёмная энергия действительно является постоянной, о чём говорят наши данные, то Вселенная будет продолжать следовать красной кривой
4) Будет ли Вселенная расширяться вечно, или она когда-нибудь остановится, или даже сожмётся обратно? Множество поколений этот вопрос был святым Граалем космологии и астрофизики, и на него можно было ответить, только определив как скорость расширения Вселенной, так и все присутствующие в ней типы и количества энергии. Теперь мы успешно измерили, сколько нормальной материи, излучения, нейтрино, тёмной материи и тёмной энергии присутствует в ней, а также скорость расширения Вселенной. На основании законов физики и прошлых событий весьма вероятным кажется то, что Вселенная будет расширяться вечно. Хотя эта вероятность не равна 100%; если что-то, к примеру, тёмная материя, будет вести себя в будущем по-другому, не так, как в прошлом или сегодня, все наши выводы придётся пересмотреть.
5) Есть ли галактики, убегающие от нас быстрее скорости света, и не запрещено ли это? С нашей точки зрения пространство между нами и любой удалённой точкой расширяется. Чем дальше что-то находится, тем быстрее оно удаляется от нас. Даже если бы скорость расширения была крохотной, достаточно далёкий объект в итоге преодолел бы порог любой конечной скорости, поскольку скорость расширения (скорость на единицу расстояния), помноженная на достаточно большое расстояние, даст вам любое значение скорости. Но ОТО этого не запрещает! Закон, запрещающий движение быстрее света, применим только к движениям объектов в пространстве, а не к расширению самого пространства. На самом деле сами галактики двигаются со скоростями порядка сотен или тысяч км/с, что гораздо меньше, чем 300 000 км/с, ограничение скорости, устанавливаемое светом. Убегание и красное смещение вызвано расширением Вселенной, а не истинным движением галактики.
Внутри наблюдаемой Вселенной (жёлтый круг) есть примерно 2 триллиона галактик. До галактик, находящихся на расстоянии большем, чем треть пути от нас до границы, никогда нельзя будет добраться из-за расширения Вселенной, поэтому объём, открытый для изучения человеком, составляет всего 3% от наблюдаемой Вселенной
Расширение Вселенной – обязательное следствие наличия материи и энергии, заполняющей пространство-время, подчиняющееся ОТО. Пока есть материя, есть гравитационное притяжение, поэтому либо гравитация выигрывает и всё сжимается, либо гравитация проигрывает и выигрывает расширение. Нет никакого центра расширения, нет ничего за пределами пространства, куда расширялась бы Вселенная; расширение испытывает сама ткань Вселенной, везде и постоянно. И что самое обидное, даже если бы мы сегодня покинули Землю и отправились бы в путь со скоростью света, нам оказались бы доступными лишь 3% галактик из всей наблюдаемой Вселенной; 97% из них уже за пределами наших возможностей. Вселенная может быть сложным местом, но, по крайней мере, теперь вы знаете ответы на пять из наиболее часто запутывающих всех вопросов!
Ускоренное расширение Вселенной: несколько популярных слов
Некоторая ирония природы состоит в том, что наиболее изобильная форма энергии во Вселенной есть и наиболее загадочная. После ошеломляющего открытия ускоренного расширения Вселенной довольно быстро возникла согласованная картина, указывающая на то, что 2/3 космоса «сделаны» из «темной энергии» — некоторого сорта гравитационно отталкивающего материала. Но достаточно ли убедительны доказательства, подтверждающие новые экзотические законы природы? Может имеются более простые астрофизические объяснения этих результатов?
Предыстория Нобелевской премии
История темной энергии началась в 1998 году, когда два независимых коллектива исследовали удаленные сверхновые с целью обнаружить скорость замедления расширения Вселенной.
Одна из них, Supernova Cosmology Project, приступила к работе в 1988-м, и руководил ею Сол Перлмуттер. Другая, возглавляемая Брайаном Шмидтом High-z Supernova Search Team, подключилась к исследованиям в 1994-м.
Результат поверг их в шок: Вселенная достаточно давно находится в режиме ускоренного расширения.
Как детективы, космологи всего мира собирали досье на обвиняемого, ответственного за ускорение. Его особые приметы: гравитационно отталкивающий, препятствует образованию галактик (кластеризации материи в галактики), проявляется в растяжении пространства-времени. Кличка обвиняемого – «темная энергия». Многие теоретики предполагали, что обвиняемый – космологическая константа. Она безусловно соответствовала сценарию ускоренного расширения. Но хватало ли улик, чтобы полностью идентифицировать темную энергию с космологической постоянной?
Существование гравитационно-отталкивающей темной энергии должно было иметь драматические следствия для фундаментальной физики. Наиболее консервативное предположение состояло в том, что Вселенная заполнена однородным морем квантовой энергии нулевых колебаний или конденсатом новых частиц, масса которых в 
раз меньше электрона. Некоторые исследователи также предполагали необходимость изменения общей теории относительности, в частности, новые дальнодействующие силы, ослабляющие действие гравитации. Но даже в самых консервативных предложениях имелись серьезные недостатки. Например, плотность энергии нулевых колебаний оказалась на 120 неправдоподобных порядка меньше теоретических предсказаний. С точки зрения этих экстремальных предположений казалось более естественным искать решение в рамках традиционных астрофизических понятий: межгалактическая пыль (рассеяние фотонов на ней и связанное с этим ослабление потока фотонов) или разница между новыми и старыми сверхновыми звездами. Эта возможность поддерживалась многими космологами, бодрствующими в ночи.
Наблюдения сверхновых и их анализ проведенный С. Перлмуттером, Б. Шмидтом и А. Риссом, дали понять, что убывание их яркости с расстоянием происходит заметно быстрее, чем этого следовало бы ожидать, по принятым в то время космологическим моделям. Совсем недавно это открытие было отмечено Нобелевской премией по физике. Такое дополнительное потускнение означает, что данному красному смещению соответствует некоторая эффективная добавка расстояния. Но это, в свою очередь, возможно только тогда, когда космологическое расширение происходит с ускорением, т.е. скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Важнейшая особенность новых экспериментов состояла и в том, что они позволили не только определить сам факт ускоренного расширения, но и сделать важное заключение о вкладе в плотность вещества во Вселенной различных составляющих.
До недавнего времени сверхновые звезды были единственным прямым доказательством ускоренного расширения и единственной убедительной опорой темной энергии. Точные измерения космического микроволнового фона, включающие WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) данные обеспечили независимое подтверждение реальности темной энергии. То же самое подтвердили и данные еще двух мощных проектов: крупномасштабное распределение галактик во Вселенной и Sloan Digital Sky Survey (SDSS).
Sloan Digital Sky Survey (SDSS, Слоуновский цифровой обзор неба) — проект широкомасштабного исследования изображений и спектров звёзд и галактик, использующий 2,5-метровый широкоугольный телескоп в Обсерватория Апачи-Пойнт, Нью-Мексико.
WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) — космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва в момент зарождения Вселенной.
Комбинация данных WMAP, SDSS и других источников, нашли, что гравитационное отталкивание, генерируемое темной энергией, замедляет коллапс сверхплотных областей материи во Вселенной. Реальность темной энергии сразу стала существенно более приемлемой.
Космическое расширение
Космическое расширение было открыто Эдвином Хабблом в конце 1920-х и, может, является самой важной особенностью нашей Вселенной. Не только астрономические тела двигаются под влиянием гравитационного взаимодействия своих соседей, но и крупномасштабные структуры еще в большей степени растягиваются космическим расширением. Популярная аналогия – движение изюминок в очень большом пироге, находящемся в печи. Когда пирог подходит, расстояние между любой парой изюминок, погруженных в пирог, растет. Если мы вообразим, что одна конкретная изюминка представляет нашу галактику, то мы обнаружим, что все другие изюминки (галактики) удаляются от нас по всем направлениям. Наша Вселенная расширялась из горячего плотного космического супа, созданного в процессе Большого Взрыва, в куда более холодное и более разряженное собрание галактик и кластеров галактик, которой мы наблюдаем сегодня.
Чем дальше от Земли находится та или иная галактика, тем выше скорость ее удаления от нас и, соответственно, тем сильнее смещены к красному концу линии ее спектра.
Свет, испущенный звездами и газом в отдаленных галактиках, растягивается подобным же образом, удлиняя свою длину волны во время своего путешествия к Земле. Этот сдвиг в длине волны задается красным смещением , где — длина света на Земле и -длина волны испущенного света. Например, лайман альфа переход в атоме водорода характеризуется длиной волны нанометров (при возвращении в основное состояние). Этот переход можно обнаружить в излучении отдаленных галактик. В частности, он был использован для обнаружения рекордно большого красного смещения: ошеломляющее z=10 с линией лайман альфа при нанометров. Но красное смещение описывает только изменение в масштабах космоса при испускании и поглощении света и не дает прямой информации о расстоянии до излучателя или возрасте Вселенной, когда свет был испущен. Если мы знаем как расстояние до объекта, так и красное смещение, мы можем попытаться получить важную информацию о динамике расширения Вселенной.
Наблюдения сверхновых звезд обнаружили некоторую гравитационно-отталкивающую субстанцию, которая управляет ускорением Вселенной. Астрономы не первый раз столкнулись с проблемой недостающей материи. Светящиеся массы галактик оказались существенно меньше гравитирующих масс. Эта разница была восполнена темной материей – холодной нерелятивистской материи, в основном, вероятно, состоящей из частиц, слабо взаимодействующих с атомами и светом.
Однако наблюдения указывали, что полное количество материи во Вселенной, включая и темную материю, составляет всего 1/3 от полной энергии. Это было подтверждено исследованием миллионов галактик в рамках 2DF и SDSS проектов. Но общая теория относительности предсказывает, что имеется точная связь между расширением и энергетическим содержанием Вселенной. Мы, следовательно, знаем, что общая плотность энергии всех фотонов, атомов и темной материи должна быть дополнена до некоторого критического значения, определяемого постоянной Хаббла : . Загвоздка в том, чего нет, но это совсем другая история.
Краткая история темной энергии
Темная энергия, или нечто подобное ей, много раз возникала в истории космологии. Ящик Пандоры открыл Эйнштейн, который ввел космологическую постоянную в свои уравнения гравитационного поля. Космическое расширение тогда еще не было открыто и уравнения правильно «подсказывали», что Вселенная, содержащая материю, не может быть статичной без математического дополнения – космологической постоянной, которую принято обозначать . Эффект эквивалентен заполнению Вселенной морем отрицательной энергии, в котором дрейфуют звезды и туманности. Открытие расширения устранило необходимость этого ad hoc дополнения теории.
В последующие десятилетия отчаянные теоретики периодически вводили в попытке объяснить новые астрономические явления. Эти возвраты были всегда кратковременными и обычно заканчивались более правдоподобными объяснениями полученных данных. Однако с 60-х годов начала пробиваться идея того, что вакуумная (нулевая) энергия всех частиц и полей должна неизбежно генерировать слагаемое, подобное . Кроме того, есть основания полагать, что космологическая постоянная могла естественно возникнуть на ранних этапах эволюции Вселенной.
В 1980 была развита теория инфляции. В этой теории ранняя Вселенная испытала период ускоренного экспоненциального расширения. Расширение было обязано отрицательному давлению, обязанному новой частице – инфлатону. Инфлатон оказался очень успешным. Он разрешил много парадоксов в модели Большого Взрыва. К этим парадоксам относятся проблемы горизонта и плоскостности Вселенной. Предсказания теории хорошо согласовывались различными космологическими наблюдениями.
Темная энергия и будущее Вселенной
С открытием темной энергии сильно изменились представления о том, каким может быть отдаленное будущее нашей Вселенной. До этого открытия вопрос о будущем однозначно связывался с вопросом о кривизне трехмерного пространства. Если бы, как многие раньше считали, кривизна пространства на 2/3 определяла современный темп расширения Вселенной, а темная энергия отсутствовала, то Вселенная расширялась бы неограниченно, постепенно замедляясь. Теперь же понятно, что будущее определяется свойствами темной энергии.
Энергетический бюджет нашей Вселенной. Стоит обратить внимание на то, что на долю привычного вещества (планеты, звезды, весь окружающий нас мир) приходится всего 4 процента, всё остальное составляют «темные» формы энергии.
Еще более драматическая судьба ожидает Вселенную, если темная энергия — фантом, причем такой, что его плотность энергии возрастает неограниченно. Расширение Вселенной будет все более и более быстрым, оно настолько ускорится, что галактики будут вырваны из скоплений, звезды из галактик, планеты из Солнечной системы. Дело дойдет до того, что электроны оторвутся от атомов, а атомные ядра разделятся на протоны и нейтроны. Произойдет, как говорят, большой разрыв.
Такой сценарий, однако, представляется не очень вероятным. Скорее всего, плотность энергии фантома будет оставаться ограниченной. Но и тогда Вселенную может ожидать необычное будущее. Дело в том, что во многих теориях фантомное поведение — рост плотности энергии со временем — сопровождается неустойчивостями фантомного поля. В таком случае фантомное поле во Вселенной будет становиться сильно неоднородным, плотность его энергии в разных частях Вселенной будет разной, какие-то части будут быстро расширяться, а какие-то, возможно, испытают коллапс. Судьба нашей Галактики будет зависеть от того, в какую область она попадет. Все это, впрочем, относится к будущему, отдаленному даже по космологическим меркам. В ближайшие 20 миллиардов лет Вселенная будет оставаться почти такой же, как сейчас. У нас есть время для того, чтобы разобраться в свойствах темной энергии и тем самым более определенно предсказать будущее — а может быть, и повлиять на него.
Пару слов о себе
В настоящее время я профессионально занимаюсь космологией, наукой которая изучает наибольший из существующих объектов – всю Вселенную. В то же время я являюсь давним (и постоянным) читателем горячо любимого Хабра, который не перестает удивлять замечательными статьями по всем направлениям IT технологий. Однако, будучи представителем космологической науки, был сильно удивлен и расстроен тем, что нет подобного сайта и сообщества по космологической, достаточно современной и бурно развивающейся науке.
Мы захотели восполнить эту нишу, и создать сайт о современной космологии – ModCos. В силу ряда причин, не всё задуманное у нас вышло, но то что получилось, не кажется плохим, а возможно даже полезным.
Nota bene: Не являясь и не прибегая к помощи сторонних веб-разработчиков, сайт был написан нами с нуля, и был нашим первым блином.