Астрофизики выяснили что вселенная расширяется на основании
Спросите Итана: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы?
Если Вселенная расширяется, можно понять, почему далёкие галактики удаляются от нас. Но почему не расширяются звёзды, планеты и атомы?
Одним из крупнейших научных сюрпризов XX века стало открытие расширения Вселенной. Удалённые галактики разбегаются от нас и друг от друга быстрее, чем ближе расположенные, будто бы растягивается сама ткань пространства. На крупнейших масштабах плотность материи и энергии Вселенной падали миллиарды лет, и продолжают это делать. А если мы заглянем достаточно далеко, мы увидим галактики, разлетающиеся так быстро, что ничто, что мы могли бы отправить к ним сегодня, не сможет их догнать – не хватит даже скорости света. Но нет ли в этом парадокса? Именно об этом спрашивает читатель:
Если вселенная расширяется быстрее скорости света, почему это не влияет на нашу солнечную систему и расстояния от Солнца до планет? И почему относительное расстояние между звёздами нашей галактики не увеличивается… или оно увеличивается?
Мысль читателя верна, и Солнечная система, расстояния между планетами и звёздами не увеличиваются при расширении Вселенной. Так что же расширяется в расширяющейся Вселенной? Давайте разбираться.
Первоначальное представление о пространстве, выдвинутое Ньютоном, как о фиксированном, абсолютном и неизменном. Это была сцена, на которой массы могли существовать и притягиваться
Когда Ньютон впервые задумался о Вселенной, он представлял себе пространство в виде сетки. Это была абсолютная, фиксированная сущность, наполненная массами, гравитационно притягивающимися друг к другу. Но когда появился Эйнштейн, он понял, что эта воображаемая сетка не фиксирована, не абсолютна, и не похожа на представление Ньютона. Эта сетка похожа на ткань, и эта ткань искривлена, искажена и меняется со временем из-за присутствия материи и энергии. Более того, материя и энергия определяют её искривление.
Искривление пространства-времени гравитационными массами согласно ОТО
Но если бы в вашем пространстве-времени был только набор различных масс, они неизбежно бы схлопнулись и сформировали чёрную дыру. Эйнштейну эта идея не нравилась, поэтому он добавил «поправку» в виде космологической константы. Если существует этот дополнительный член уравнения – дополнительная энергия, пронизывающая пустое пространство – она может отталкивать все эти массы и удерживать Вселенную в неподвижности. Она предотвратит гравитационный коллапс. Добавив её, Эйнштейн позволял Вселенной существовать в почти неподвижном состоянии вечно.
Но не всех привлекала идея статичной Вселенной. Одно из первых решений получил физик по имени Александр Фридман. Он показал, что если не добавлять эту космологическую константу, и заполнить Вселенную энергией – материей, излучением, пылью, жидкостями, и т.д. – то существует два класса решений: один для сжимающейся Вселенной, а другой для расширяющейся.
Модель расширения Вселенной в виде «хлеба с изюмом», где относительные расстояния увеличиваются при расширении пространства (теста)
Математика даёт вам возможные решения, но вам нужно посмотреть на физическую Вселенную, чтобы узнать, какое из них её описывает. Это произошло в 1920-х годах благодаря работам Эдвина Хаббла. Хаббл первым открыл, что можно измерить характеристики отдельных звёзд в других галактиках и определить расстояние до них. Скомбинировав эти измерения с работами Весто Слайфера, показавшего, что у этих объектов происходит сдвиг атомного спектра, он получил удивительный результат.
График видимой скорости расширения (ось y) в зависимости от расстояния (ось x) соответствует Вселенной, быстро расширявшейся в прошлом, но до сих пор расширяющейся и сегодня. Это современная версия работы Хаббла, расширенная на расстояния в тысячи раз большие первоначальных
Либо вся теория относительности неверна, мы находимся в центре Вселенной и всё симметрично убегает от нас, либо теория относительности верна, Фридман прав, и чем дальше от нас галактика, тем быстрее она в среднем удаляется от нас. Одним движением теория расширяющейся Вселенной перешла от простой идеи к лидирующему описанию Вселенной.
Расширение работает немного контринтуитивно. Выглядит всё так, будто ткань пространства со временем растягивается, и все объекты в этом пространстве растаскиваются друг от друга. Чем дальше объект отстоит от другого, тем больше между ними растяжения, тем быстрее они удаляются друг от друга. Если бы у нас была однородно заполненная материей Вселенная, то материя просто становилась бы менее плотной и каждый её участок со временем отдалялся бы от всех остальных.
Холодные флуктуации (синий) реликтового излучения по сути не холоднее, а просто представляют участки, в которых имеется большее гравитационное притяжение из-за большей плотности материи. Горячие участки (красный) горячее, потому что излучение в этих участках живёт в более мелком гравитационном колодце. Со временем более плотные участки превратятся в звёзды, галактики и скопления с большей вероятностью, а менее плотные – с меньшей.
Но Вселенная не является идеально равномерной. В ней есть участки повышенной плотности, типа планет, звёзд, галактик, скоплений галактик. В ней есть участки пониженной плотности, такие, как огромные космические войды, где практически не встретить массивных объектов. Тому причиной наличие других физических явлений, кроме расширения Вселенной. На мелких масштабах, размером с животных и меньше, преобладают электромагнетизм и ядерные силы. На крупных масштабах – планеты, солнечные системы и галактики – преобладает гравитационное воздействие. На крупнейших масштабах – размерах, сравнимых со Вселенной – главная борьба разворачивается между расширением Вселенной и гравитационным притяжением всей имеющейся в ней материи и энергии.
На крупнейших масштабах Вселенная расширяется, и галактики удаляются друг от друга. На маленьких масштабах гравитация пересиливает расширение, что приводит к формированию звёзд, галактик и их скоплений
На крупнейших масштабах расширение побеждает. Самые удалённые галактики удаляются так быстро, что никакие сигналы, которые мы могли бы отправить к ним, даже со скоростью света, никогда до них не дойдут. Сверхскопления Вселенной – длинные, нитевидные структуры, вдоль которых выстраиваются галактики, тянущиеся на миллиарды световых лет – растягиваются и раздвигаются из-за расширения Вселенной. В относительно короткие сроки они исчезнут. И даже ближайшее к Млечному Пути скопление галактик, скопление Девы, находящееся всего в 50 миллионах световых лет от нас, не притянет нас к себе. Несмотря на гравитационное притяжение, более чем в тысячу раз превышающее наше собственное, расширение Вселенной растащит нас в стороны.
Крупный набор из многих тысяч галактик составляет наше ближайшее окружение в пределах 100 000 000 световых лет. Скопление Девы останется гравитационно связанным, но Млечный Путь продолжит со временем отдаляться от него
Орбиты планет в системе TRAPPIST-1 не меняются с расширением Вселенной благодаря связующей силе гравитации, преодолевающей все последствия расширения
Этому есть неочевидная причина, связанная с тем, что расширение – это не взаимодействие, а больше скорость. Пространство расширяется на всех масштабах, но расширение воздействует только на все объекты совокупно. Между двумя точками пространство будет расширяться с определённой скоростью, но если эта скорость меньше скорости убегания между двумя объектами – если между ними действует связующая их сила – тогда расстояние между ними увеличиваться не будет. Нет увеличения расстояния, нет эффекта от расширения. В любой момент расширение преодолевается с запасом, поэтому оно никогда не приобретёт суммарный эффект, наблюдаемый между несвязанными между собой объектами. В результате стабильные, связные объекты могут выжить без изменений в расширяющейся Вселенной вечно.
Размеры стабильных, удерживаемых вместе объектов, будь они связаны гравитацией, электромагнетизмом или другой силой, не изменятся с расширением Вселенной. Если вам удастся преодолеть космическое расширение, вы останетесь связным навечно.
Пока Вселенная обладает измеренными нами свойствами, так всё и будет продолжаться. Тёмная энергия может существовать и заставлять удалённые галактики двигаться от нас с ускорением, но действие расширения на фиксированном расстоянии меняться не будет. Только в варианте Большого Разрыва – на который не указывают свидетельства – это заключение может измениться.
Ткань пространства может расширяться повсюду, но это не оказывает измеряемого эффекта на объекты. Если какая-то сила удерживает вас в связном состоянии, расширяющаяся Вселенная не будет на вас влиять. Только на самых крупных масштабах, на которых все силы, связующие объекты, слишком слабы, чтобы победить скорость Хаббла, и происходит это расширение. Как однажды сказал физик Ричард Прайс: «Если ваша талия расширяется, вы не можете винить в этом расширение Вселенной».
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
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.
«Хаббл» перепроверил: Вселенная расширяется быстрее, чем думали астрономы
Астрономы с помощью космического телескопа «Хаббл» выяснили, что Вселенная расширяется быстрее, чем считалось прежде. Это говорит о том, что существует некая неизвестная учёным частица или же о возможной неполноте теории гравитации Эйнштейна.
Вселенная расширяется на 5-9% быстрее, чем считалось ранее. Такое заключение сделали астрономы с помощью космического телескопа НАСА «Хаббл».
«Этот неожиданный вывод может стать важным ключом к пониманию загадочных элементов Вселенной. Они составляют до 95 процентов всей материи Вселенной, но при этом не излучают свет, например, это может быть тёмная материя, тёмная энергия и тёмное излучение», — говорит руководитель исследования и лауреат Нобелевской премии Адам Рисс (Adam Riess) из Университета Джона Хопкинса.
Команда учёных во главе с Риссом измерила текущую скорость расширения Вселенной с беспрецедентной точностью, уменьшив неопределённость до 2,4%. Астрономы смогли сделать это, разработав новые технологии, которые улучшили точность измерений расстояний до далёких галактик.
Учёные искали галактики, содержащие сразу и цефеиды (пульсирующие переменные звёзды), и сверхновые типа Ia.
Поясним, что означают два этих понятия. Цефеиды – это класс пульсирующих переменных звёзд с довольно точной зависимостью период—светимость. Одной из наиболее известных цефеид является Полярная звезда. Сверхновые типа Ia — условное название сверхновых, которые также обладают близкими и установленными учёными параметрами, а потому, так же как и цефеиды, могут быть использованы как «километровые столбики» во Вселенной. То есть, наблюдая за ними, можно определить расстояние до той или иной галактики.
Исследователи, измерив параметры около 2400 цефеид в 19 галактиках и сравнив наблюдаемую яркость обоих типов звёзд, смогли точно измерить их истинную яркость и рассчитать расстояние до примерно 300 сверхновых типа Ia в отдалённых галактиках.
Команда учёных сравнила эти расстояния с расширением космоса, измерив смещение света, приходящего от отдаляющихся галактик. Они использовали эти два значения, чтобы вычислить, как быстро Вселенная расширяется со временем, или вычислить постоянную Хаббла.
Усовершенствованная постоянная Хаббла составила 73,23 километра в секунду на мегапарсек. Один мегапарсек равен 3,26 миллиона световых лет. Новое значение даёт понять, что расстояние между существующими космическими объектами удвоится через 9,8 миллиарда лет.
Эта уточнённая калибровка представляет собой некую головоломку для учёных, потому что она не совсем соответствует предполагаемой скорости расширения Вселенной после Большого взрыва.
Измерения послесвечения от Большого взрыва, полученные с помощью космического аппарата НАСА WMAP и спутника «Планк» Европейского космического агентства, прогнозировали скорость на пять-девять процентов меньше нынешней уточнённой постоянной Хаббла.
По мнению Рисса, сравнение скоростей расширения Вселенной, полученных от WMAP, «Планка» и «Хаббла», напоминает строительство моста. На одном берегу находятся наблюдения космического микроволнового фонового излучения молодой Вселенной, на другом – измерения, сделанные командой Рисса с помощью «Хаббла».
«Если вы начинаете строить с двух концов, то планируете встретиться посередине в том случае, если все ваши чертежи и измерения верны. Но наши стороны не сходятся посередине, и мы хотим выяснить, в чём причина», — говорит Рисс.
Существует несколько возможных объяснений для излишней скорости расширения Вселенной. Один из возможных вариантов заключается в том, что тёмная энергия, возможно, может расталкивать галактики с большей силой.
Другая идея состоит в том, что космос содержал в своей ранней истории некие субатомные частицы, которые перемещались со скоростью близкой к скорости света. Такие быстрые частицы учёные предварительно называют «тёмным излучением». Они включают в себя частицы ранее известные, как нейтрино.
Кроме того, новые данные об ускорении могут означать, что тёмная материя обладает некоторыми странными и даже неожиданными характеристиками. Вполне может быть и так, что ускорение Вселенной расскажет астрономам о том, что теория гравитации Эйнштейна является неполной.
Результаты исследования появятся в следующем выпуске научного издания The Astrophysical Journal. Впрочем, их можно изучить уже сейчас (препринт статьи здесь).
Можно ли разгадать тайну расширения Вселенной?
Немногим больше ста лет назад никто на нашей планете не знал, что Вселенная расширяется. Но несмотря на все беды и несчастья, которые ХХ век принес человечеству, именно это столетие ознаменовано научно-техническим прогрессом. За невероятно короткий отрезок времени мы узнали о мире и Вселенной больше, чем когда-либо. Идею о том, что наша Вселенная расширяется на протяжении последних 13,8 миллиардов лет впервые предложил бельгийский физик Жорж Леметр в 1927 году. Два года спустя американскому астроному Эдвину Хабблу удалось подтвердить эту гипотезу. Он установил, что каждая галактика удаляется от нас и чем она дальше, тем быстрее это происходит. Сегодня существует множество способов, с помощью которых ученые могут понять, как быстро наша Вселенная увеличивается в размерах. Вот только цифры, которые исследователи получают в процессе измерения, каждый раз получаются разными. Но почему?
C момента своего рождения наша Вселенная расширяется со все возрастающей скоростью.
Самая большая загадка Вселенной
Как мы знаем сегодня, существует тесная связь между расстоянием до галактики и тем, как быстро она удаляется. Так, скажем, галактика на расстоянии 1 мегапарсек от нашей планеты (один мегапарсек приблизительно равен 3,3 млн световых лет) удаляется со скоростью 70 километров в секунду. А та галактика, что находится несколько дальше, на расстоянии двух мегапарсек, движется в два раза быстрее (140 км/сек).
Интересно и то, что сегодня существует два основных подхода для определения возраста Вселенной или, по-научному, постоянной Хаббла. Разница между этими двумя группами заключается в том, что один набор методов рассматривает относительно близкие объекты во Вселенной, а другой – очень отдаленные. Однако каким бы способом не воспользовались ученые, результаты каждый раз получаются разные. Выходит, либо мы делаем что-то не так, либо где-то далеко во Вселенной происходит нечто абсолютно неведомое.
Исходя из того, что быстрее всего от Земли отдаляются самые далекие галактики, ученые сделали вывод о том, что когда-то все галактики находились в одной точке – по времени это событие совпадает только с Большым взрывом.
В исследовании, недавно опубликованном на сервере препринтов airxiv.org, астрономы, изучая близлежащие галактики, использовали умный метод измерения расширения Вселенной под названием флуктуации поверхностной яркости (surface brightness fluctuations). Это причудливое название, но оно включает в себя идею, которая на самом деле интуитивно понятна.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!
Представьте, что вы стоите на опушке леса, прямо перед деревом. Так как вы стоите очень близко, вы видите только одно дерево в своем поле зрения. Но стоит отойти немного назад, как перед глазами возникнет больше деревьев. И чем дальше вы будете отходить, тем больше деревьев будете видеть. Примерно то же самое происходит с галактиками, которые ученые наблюдают с помощью телескопов, только гораздо сложнее.
Как узнать скорость расширения Вселенной?
Чтобы получить хорошие статистические данные, астрономы наблюдают за галактиками, расположенными довольно близко к Земле, примерно на расстоянии 300 миллионов световых лет и ближе. Однако наблюдая за галактиками, необходимо учитывать пыль, фоновые галактики и звездные скопления, которые видно на полученных с помощью телескопа изображениях.
Вселенная хитра. Начиная с 1990-х годов астрономы увидели, что очень далекие взрывающиеся звезды всегда были расположены дальше, чем показывали простые измерения. Это привело их к мысли, что сейчас Вселенная расширяется быстрее, чем раньше, что, в свою очередь, привело к открытию темной энергии — таинственной силы, ускоряющей Вселенское расширение.
На сегодняшний день время Большого взрыва, породившего Вселенную, ученые оценивают с помощью компьютерного моделирования.
Как пишут авторы научной работы, когда мы смотрим на очень далекие объекты, мы видим их такими, какими они были в прошлом, когда Вселенная была моложе. Если скорость расширения Вселенной тогда была иной (скажем, 12-13, 8 миллиарда лет назад), чем сейчас (менее миллиарда лет назад), мы можем получить два разных значения для постоянной Хаббла. Или, быть может, разные части Вселенной расширяются с разной скоростью?
Но если скорость расширения изменилась, значит возраст нашей Вселенной совсем не такой, как мы думаем (ученые используют скорость расширения Вселенной, чтобы определить ее возраст). Это, в свою очередь, означает, что у Вселенной другой размер, а значит время, необходимое для того, чтобы что-то произошло, тоже будет другим.
«Если следовать этой цепочке рассуждений, то в конечном итоге окажется, что физические процессы, происходившие в ранней Вселенной, происходили в разное время. Еще, возможно, были задействованы другие процессы, влияющие на скорость расширения. В общем выходит какой-то бардак. Из чего следует, что либо мы недостаточно хорошо понимаем, как ведет себя Вселенная, либо неправильно ее измеряем», – отмечают авторы исследования.
В любом случае постоянная Хаббла является предметом горячих споров в астрономическом сообществе. Так как новое исследование добавило еще больше вопросов, борьба с неопределенностью будет долгой. Когда-нибудь, конечно, наше понимание космоса изменится. Но когда это произойдет, космологам придется искать что-то еще, о чем можно будет поспорить. Что они обязательно сделают.