Вселенная расширяется всё более интенсивно. Между галактиками пространство увеличивается с каждым мгновением.
Будет ли Вселенная вечно расширяться или столкнутся в великом крахе? Ответ кроется в понимании «темной энергии» — самой большой тайны современной астрофизики, которая стала причиной ускорения примерно 4-5 миллиардов лет назад.
В конце двадцатого века учёные обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением. Начало этого процесса относится к пяти миллиардам лет назад, что относительно недавно по сравнению с возрастом Вселенной, составляющим почти четырнадцать миллиардов лет. Это стало большой неожиданностью для всех учёных, поскольку тогдашние теории предполагали замедление расширения Вселенной, а не ускорение.
Эйнштейн сталкивался с проблемами, связанными с идеей изменяющейся вселенной. Ученый считал, что до конца жизни вселенная должна быть статичной и неизменной, не меняясь в размерах. Из-за этого он модифицировал свои уравнения, которые показывали обратное, добавив к ним космологическую постоянную, которая препятствовала расширению пространства.
Когда в 1929 году американский астроном Эдвин ХабблОбнаружение красного смещения галактик показывает, что все остальные галактики в космосе кажутся удаляющимися от нас.
Движущийся автомобиль изменяет свой звук, а движущаяся галактика — цвет. По этому изменению можно понять, приближается ли галактика к Земле или уходит от неё.
Телескоп Хаббл регистрирует сдвиг излучения галактик в красный диапазон спектра, свидетельствующий о их отдалении. Это позволяет нам измерять скорость их движения. скоростьЭто закон Хаббла, скорость расширения которого сегодня называется постоянной Хаббла (примерно 72 километра в секунду на мегапарсек).
Единственное возможное объяснение — расширение пространства вселенной, которое не может быть статичным. Несмотря на то, что эксперименты Хаббла являются эмпирическим подтверждением, математическое изложение этого факта было дано ранее бельгийским математиком Жоржем Ломмером в 1927 году. Перед этим открытием Эйнштейн отказался от космологической постоянной и назвал её «самой большой ошибкой в своей карьере».
Сегодня внезапно выяснилось, что для нас вновь пригодится космологическая константа, но примененным образом.
Модель Большого Взрыва и развитие мироздания.
Как только станет понятно, что галактики удаляются друг от друга, логично предположить, что изначально они находились вместе. Можно даже предположить, что во Вселенной было одно сжатое начало, которое взорвалось. Таким образом, возникает теория Большого взрыва.
В настоящее время эта теория считается одной из самых признанных и проверенных. Её сильная сторона в том, что она может объяснить много явлений. Если всё когда-либо было сжато в одну точку, то её состояние должно быть характеризоваться высокой температурой и невероятной плотностью. Моделирование таких условий входит в задачи современных ускорителей частиц, например Большого адронного ускорителя. ЦЕРНеПоясняющий возникновение химических элементов после Большого взрыва, первичный нуклеосинтез считается одним из главных достижений теоретической ядерной физики.
Хотя это остается проблемой, предположим, что был начальный Большой взрыв, раздувающий вселенную и обеспечивающий сравнительную однородность пространства в больших масштабах. В любом направлении, которое мы наблюдаем, если будет энергетический след этого первичного колоссального взрыва, который мы можем увидеть? Оказывается, имеются доказательства.
Это так называемое космическое микроволновое фоновое излучение, также известное как остаточное или реликтовое излучение. Предполагается, что в очень молодом возрасте Вселенная находилась в чрезвычайно плотном и горячем состоянии плазмы и была непрозрачна. При расширении температура снижалась, и все охлаждалось. При более низкой температуре могли образовываться стабильные атомы, но они не могли поглощать тепло, и Вселенная стала прозрачной (примерно через 300-400 лет после Большого взрыва). В это время испускались первые фотоны, которые циркулируют в пространстве и могут быть обнаружены нами. Поэтому излучение называется реликтовым, то есть остаточным. Этот момент – также самая далекая вещь, которую мы можем видеть с телескопами.
В 1964 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон экспериментально обнаружили эффект реликтового фона — устойчивый микроволновый шум с температурой около 2,7 Кельвина, равномерный во всех точках неба и не связанный со звездой или другим объектом. Это голос космоса, остаток взрыва, породившего нашу вселенную. Это окончательное доказательство справедливости теории Большого взрыва, за которую два радиоастронома получили Нобелевскую премию в 1978 году.
Космическое микроволновое фоновое излучение
Кроме неоспоримого доказательства Большого взрыва, реликтовое излучение предоставило ещё кое-что. Зонд WMAP (микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона), запущенный в 2001 году, отображает космическое фоновое излучение наблюдаемой Вселенной. Различные цвета рисунка соответствуют небольшой разнице в температуре излучения. В результате получается однородное излучение с точностью до пяти знаков после запятой. Но именно после пятого знака обнаруживается что-то интересное и удивительное — темная материя.
Взаимодействует исключительно гравитационно, и установить или доказать это другими способами не представляется возможным. Согласно оценкам, его содержание приблизительно 25 процентов от общей плотности вселенной, тогда как обычная материя составляет лишь 4-5 процентов.
Невозможно увидеть темную материю напрямую, но ее существование предположил Фриц Цвик в 1934 году, чтобы объяснить так называемую «Проблему с недостающей массой».
Галактики не могут быть стабильными и вращаться так, как это делают, без огромного количества скрытой массы, удерживающей звезды в соединенной галактике. Результаты исследования космического фонового излучения однозначно подтверждают наличие большого количества темной материи.
Данные WMAP позволяют проверить геометрию Вселенной: закрытую, открытую или плоскую.
Сегодня известно, что Вселенная плоская с точностью до 0,5 процента. Это хорошо, но также означает, что в зависимости от плотности вещества и энергии во вселенной у нас может быть иной конец эволюции пространства. Если общая плотность (так называемый космологический параметр Омега) превышает критическую массу, Вселенная может сжаться в так называемую Большой крах, прямо противоположный большому взрыву. В противном случае мы можем расширяться до бесконечности, пока сама вселенная не станет довольно холодной, пустынной и относительно скучной. Это теория Большого охлаждения.
Загадки темной энергии и конца вселенной.
Как узнать о судьбе Вселенной и её пространстве? Скорость света ограничена, поэтому чем дальше объект, тем дольше его свет достигает нас. Свет от Солнца к Земле проходит чуть более 8 минут. Наблюдая далекие звезды телескопами, мы видим прошлое, ведь это свет, ушедший от них давно и только сейчас достигший нас. Если два одинаковых объекта расположены на разном расстоянии, то изменение пространства между ними во времени можно определить.
В космосе объекты с одинаковой яркостью называются стандартными свечами.
Это могут быть переменные звезды особой категории, называемые Цефеидами. Именно они пульсируют одинаково, то есть излучают один и тот же световой поток через равные промежутки времени. Другими объектами, являющимися еще более точными показателями расстояний, являются вспышки сверхновых типа IA. Это термоядерное разрушение звезды (фактически пары звезд). Из-за особенностей процесса всегда выделяется одна и та же энергия. Вот почему сверхновые IA — наши самые известные стандартные свечи.
Исследования сверхновых в 1997 году показали ускоренное расширение Вселенной. Разница яркости вспышек обусловлена динамикой пространства, так как энергия всегда одинакова. Получается карта эволюции пространства во времени: первые 8-9 миллиардов лет Вселенная замедляется, а затем внезапно ускоряется!
Это огромный парадокс, причина ускоренного расширения пока неясна. Чтобы объяснить это, учёные вновь вводят космологическую постоянную Эйнштейна в уравнения, но с противоположным знаком — то есть он действует как антигравитация и целесообразно расширяет пространство.
Впрочем, кажется, что Эйнштейн был не слишком неправ.
Сегодня известно, что темная энергия составляет примерно 70 процентов от всей энергии во Вселенной. Непонятно, как она действует и что ее представляет собой. Ее влияние может меняться со временем – слабеть или усиливаться.
В зависимости от этого существует два варианта конца Вселенной. При продолжении роста космологической постоянной расширение будет бесконечным. При ослаблении её силы … гравитацияЕсли победит [кто-то], конец нашему космосу может стать Великим Падением. Возможно, тогда в новом Большом взрыве родится новая вселенная. Пока это просто загадки, ответы на которые будут найдены в скором времени.