Что такое Теория Большого Взрыва?

Карта фонового излучения, оставшегося после Большого Взрыва, сделанная в 2013 году космическим кораблем ЕКА «Планк», запечатлела самый старый свет во Вселенной. Эта информация помогает астрономам определить возраст Вселенной. (Изображение предоставлено ESA и Planck Collaboration.)

Теория Большого Взрыва — это наше лучшее предположение о том, как возникла Вселенная.

Что такое Большой Взрыв?

Теория большого Взрыва является ведущим объяснением того, как возникла Вселенная. Проще говоря, в нем говорится, что вселенная, какой мы ее знаем, началась с бесконечно горячей и плотной единственной точки, которая раздувалась и растягивалась — сначала с невообразимой скоростью, а затем с более измеримой скоростью — в течение следующих 13,8 миллиардов лет до все еще расширяющегося космоса, что мы знаем сегодня.

Существующие технологии еще не позволяют астрономам в буквальном смысле взглянуть на рождение Вселенной, многое из того, что мы понимаем о Большом Взрыве, исходит из математических формул и моделей. Однако астрономы могут увидеть «эхо» расширения через явление, известное как космический микроволновый фон.

В то время как большинство астрономического сообщества принимает эту теорию, есть некоторые теоретики, у которых есть альтернативные объяснения помимо Большого Взрыва — такие как вечная инфляция или колеблющаяся Вселенная.

Большой Взрыв: рождение вселенной

Около 13,7 миллиардов лет назад все во всей Вселенной было сконцентрировано в бесконечно малой сингулярности, точке бесконечной плотности и тепла.

Внезапно началось взрывное расширение, раздувшее нашу вселенную вовне быстрее скорости света. Это был период космической инфляции, который длился всего доли секунды — около 10 ^ -32 секунды, согласно теории физика Алана Гута 1980 года, которая навсегда изменила наши представления о Большом Взрыве.

Когда космическая инфляция подошла к внезапному и все еще загадочному концу, закрепились более классические описания Большого Взрыва. Поток материи и излучения, известный как «повторный нагрев», начал заселять нашу вселенную теми веществами, которые мы знаем сегодня: частицами, атомами, веществами, которые станут звездами и галактиками, и так далее.

Изображения Хаббла показывают далекую галактику GN-z11, какой она была вскоре после Большого Взрыва. (Изображение предоставлено НАСА)

Все это произошло всего за первую секунду после возникновения Вселенной, когда температура всего была еще безумно высокой, около 10 миллиардов градусов по Фаренгейту (5,5 миллиардов по Цельсию), по данным НАСА. Космос теперь содержал огромное количество фундаментальных частиц, таких как нейтроны, электроны и протоны — сырье, которое станет строительным материалом для всего, что существует сегодня.

Этот ранний «суп» было невозможно увидеть, потому что он не мог удерживать видимый свет. «Свободные электроны заставили бы свет (фотоны) рассеиваться так же, как солнечный свет рассеивается каплями воды в облаках», — заявило НАСА. Однако со временем эти свободные электроны встретились с ядрами и создали нейтральные атомы или атомы с равными положительными и отрицательными электрическими зарядами.

Это позволило свету, наконец, пролиться через 380 000 лет после Большого Взрыва.

Этот свет, который иногда называют «послесвечением» Большого Взрыва, более правильно называют космическим микроволновым фоном (CMB). Впервые он был предсказан Ральфом Альфером и другими учеными в 1948 году, но почти 20 лет спустя был обнаружен лишь случайно.

Это случайное открытие произошло, когда Арно Пензиас и Роберт Уилсон, оба из Bell Telephone Laboratories в Нью-Джерси, строили радиоприемник в 1965 году и, по данным НАСА, получили более высокие, чем ожидалось, температуры. Сначала они думали, что аномалия возникла из-за того, что голуби пытались устроиться внутри антенны и их экскременты, но они убрали беспорядок и убили голубей, и аномалия не исчезла.

Одновременно команда Принстонского университета под руководством Роберта Дике пыталась найти свидетельства реликтового излучения и поняла, что Пензиас и Уилсон наткнулись на них своими странными наблюдениями. Обе группы опубликовали статьи в Astrophysical Journal в 1965 году.

Реконструкция младенчества вселенной

Поскольку мы не можем увидеть его напрямую, ученые пытались выяснить, как «увидеть» Большой Взрыв другими способами. В одном случае космологи перематывают назад, чтобы добраться до первого момента после Большого Взрыва, моделируя 4000 версий нынешней Вселенной на огромном суперкомпьютере.

«Мы пытаемся сделать что-то вроде угадывания детской фотографии нашей Вселенной по последнему снимку», — написал руководитель исследования Масато Ширасаки, космолог из Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ), в электронном письме Live Science.

С тем, что известно о Вселенной сегодня, исследователи в этом исследовании 2021 года сравнили свое понимание того, как гравитационные силы взаимодействовали в изначальной Вселенной, с их тысячами вселенных, смоделированных на компьютере. Если бы они могли предсказать начальные условия своих виртуальных вселенных, они надеялись, что смогут точно предсказать, как могла выглядеть наша собственная вселенная в самом начале.

Другие исследователи выбрали другие пути для изучения происхождения нашей Вселенной.

В исследовании 2020 года исследователи сделали это, исследуя раскол между материей и антиматерией. В исследовании, еще не прошедшем экспертную оценку, они предположили, что дисбаланс количества материи и антиматерии во Вселенной связан с огромным количеством темной материи во Вселенной, неизвестной субстанции, которая оказывает влияние на гравитацию, но не взаимодействует с ней. со светом. Они предположили, что в решающие моменты сразу после Большого Взрыва Вселенная, возможно, была вынуждена произвести больше материи, чем антиматерии, что затем могло привести к образованию темной материи.

Возраст вселенной

Впечатление художника от космического корабля «Планк» Европейского космического агентства. 
Основная цель Планка — изучение космического микроволнового фона — реликтового излучения, оставшегося после Большого Взрыва.  (Изображение предоставлено ESA/C. Carreau)

В настоящее время реликтовое излучение наблюдается многими исследователями и во многих миссиях космических аппаратов. Одной из самых известных космических миссий для этого был спутник NASA Cosmic Background Explorer (COBE), который нанес на карту небо в 1990-х годах.

По стопам COBE последовало несколько других миссий, таких как эксперимент BOOMERanG (воздушные шаровые наблюдения за миллиметровым внегалактическим излучением и геофизикой), зонд NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) и спутник Планк Европейского космического агентства.

Наблюдения Планка, впервые опубликованные в 2013 году, нанесли на карту реликтовое излучение с беспрецедентной детализацией и показали, что Вселенная старше, чем считалось ранее: 13,82 миллиарда лет, а не 13,7 миллиарда лет. Миссия исследовательской обсерватории продолжается, и периодически выпускаются новые карты реликтового излучения.

Однако карты порождают новые загадки, например, почему Южное полушарие кажется немного более красным (теплее), чем Северное полушарие. Теория Большого Взрыва говорит, что реликтовое излучение будет в основном одинаковым, куда бы вы ни посмотрели.

Изучение реликтового излучения также дает астрономам подсказки относительно состава Вселенной. Исследователи считают, что большая часть космоса состоит из материи и энергии, которые невозможно «ощутить» с помощью наших обычных инструментов, что привело к названиям «темная материя» и «темная энергия». Считается, что только 5% Вселенной состоит из материи, такой как планеты, звезды и галактики.

Наблюдение за гравитационными волнами

В то время как астрономы изучают происхождение Вселенной с помощью творческих измерений и математических симуляций, они также ищут доказательства ее быстрого расширения. Они сделали это, изучая гравитационные волны, крошечные возмущения в пространстве-времени, которые распространяются наружу из-за больших возмущений, таких как, например, столкновение двух черных дыр или рождение Вселенной.

Согласно ведущим теориям, в первую секунду после рождения Вселенной наш космос раздувался быстрее скорости света. (Кстати, это не нарушает ограничения скорости, установленного Альбертом Эйнштейном. Однажды он сказал, что скорость света — это самая высокая скорость, на которой может двигаться что-либо во Вселенной, но это утверждение не относилось к инфляции самой Вселенной.)

Когда Вселенная расширилась, она создала реликтовое излучение и аналогичный «фоновый шум», состоящий из гравитационных волн, которые, как и реликтовое излучение, были чем-то вроде статики, обнаруживаемой со всех частей неба. Эти гравитационные волны, согласно научному сотрудничеству LIGO, создали теоретически едва заметную поляризацию, один тип которой называется «B-моды».

В 2014 году астрономы заявили, что нашли доказательства существования B-моды с помощью антарктического телескопа под названием «Фоновое изображение космической внегалактической поляризации» или BICEP2.

«Мы абсолютно уверены, что сигнал, который мы видим, реален и находится в небе», — сказал Space.com в марте 2014 года ведущий исследователь Джон Ковач из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.

Но к июню та же команда заявила, что их результаты могли быть изменены из-за того, что галактическая пыль мешала их полю зрения. Эта гипотеза была подтверждена новыми результатами со спутника Планк.

К январю 2015 года исследователи из обеих команд, работающие вместе, «подтвердили, что сигнал Бицепса в основном, если не весь, был звездной пылью», — сообщает New York Times.

На этом графике показана временная шкала Вселенной, основанная на теории Большого Взрыва и моделях инфляции. (Изображение предоставлено НАСА/WMAP)

Однако с тех пор существование гравитационных волн не только подтверждено, но и неоднократно наблюдалось. 

Эти волны, которые не являются B-модами от рождения Вселенной, а скорее являются результатом более поздних столкновений черных дыр, были обнаружены несколько раз Лазерным интерферометром Гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) с первым в истории обнаружением гравитационных волн в 2016 году. По мере того, как LIGO станет более чувствительным, ожидается, что обнаружение гравитационных волн, связанных с черными дырами, станет довольно частым событием.

Расширение против взрыва

Хотя Большой Взрыв часто называют «взрывом», это неверное представление. При взрыве осколки выбрасываются из центральной точки в уже существовавшее пространство. Если бы вы были в центральной точке, вы бы увидели, что все фрагменты удаляются от вас примерно с одинаковой скоростью.

Но Большой Взрыв был не таким. Это было расширение самого пространства — концепция, вытекающая из уравнений общей теории относительности Эйнштейна, но не имеющая аналога в классической физике повседневной жизни. Это означает, что все расстояния во Вселенной растягиваются с одинаковой скоростью. Любые две галактики, разделенные расстоянием X, удаляются друг от друга с одинаковой скоростью, в то время как галактика на расстоянии 2X удаляется с удвоенной скоростью.

Продолжающееся расширение вселенной

Вселенная не только расширяется, но и расширяется быстрее. Это означает, что со временем никто не сможет обнаружить другие галактики с Земли или из любой другой точки обзора в нашей галактике.

«Мы увидим далекие галактики, удаляющиеся от нас, но их скорость со временем будет увеличиваться», — сказал астроном Гарвардского университета Ави Леб в статье Space.com за март 2014 года.

Вся Вселенная расширяется в размерах, а не взрывается вдали от центральной точки. (Изображение предоставлено Гетти)

«Итак, если вы будете ждать достаточно долго, в конце концов, далекая галактика достигнет скорости света. Это означает, что даже свет не сможет преодолеть разрыв, который открывается между этой галактикой и нами. Инопланетяне в этой галактике не смогут связаться с нами, послать какие-либо сигналы, которые дойдут до нас, если их галактика движется относительно нас со скоростью, превышающей скорость света.».

Некоторые физики также предполагают, что вселенная, с которой мы сталкиваемся, — лишь одна из многих. В модели «мультивселенной» разные вселенные будут сосуществовать друг с другом, как пузыри, лежащие рядом. Теория предполагает, что во время этого первого большого толчка инфляции разные части пространства-времени росли с разной скоростью. Это могло бы разделить разные участки — разные вселенные — с потенциально разными законами физики.

«Трудно построить модели инфляции, которые не ведут к мультивселенной», — сказал Алан Гут, физик-теоретик из Массачусетского технологического института, во время пресс-конференции в марте 2014 года, посвященной открытию гравитационных волн. (Гут не связан с этим исследованием.)

«Это не невозможно, поэтому я думаю, что, безусловно, необходимо провести исследование. Но большинство моделей инфляции действительно приводят к мультивселенной, и доказательства инфляции будут подталкивать нас к серьезному восприятию [идеи] мультивселенной».

Хотя мы можем понять, как возникла Вселенная, которую мы видим, возможно, что Большой Взрыв не был первым инфляционным периодом, который пережила Вселенная. Некоторые ученые считают, что мы живем в космосе, который проходит через регулярные циклы инфляции и дефляции, и что мы просто живем в одной из этих фаз.

JWST и большой взрыв

Впечатление художника от космического телескопа Джеймса Уэбба в его рабочей конфигурации. (Изображение предоставлено ЕКА (К. Карро))

Телескоп — это почти машина времени, позволяющая заглянуть в далекое прошлое. С помощью Хаббла НАСА показало нам галактики такими, какими они были много миллиардов лет назад, а преемник Хаббла, космический телескоп Джеймса Уэбба, имеет возможность заглянуть еще глубже в прошлое.

НАСА надеется, что сможет увидеть время, когда сформировались первые галактики, почти 13,6 миллиарда лет назад. И в отличие от Хаббла, который видит в основном в видимом диапазоне волн, JWST — это инфракрасный телескоп — большое преимущество при взгляде на очень далекие галактики. Расширение Вселенной означает, что испускаемые ею волны растягиваются, поэтому свет, излучаемый в видимом диапазоне длин волн, на самом деле достигает нас в инфракрасном диапазоне.

Теория Большого Взрыва: становится нарицательным

Слева направо: персонажи Ховард, Леонард, Пенни, Шелдон и Радж из шоу CBS «Теория Большого Взрыва». (Изображение предоставлено CBS)

Название «Теория Большого Взрыва» было популярным способом говорить об этой концепции среди астрофизиков на протяжении десятилетий, но оно стало мейнстримом в 2007 году, когда на канале CBS состоялась премьера комедийного телешоу с таким же названием.

Шоу «Теория Большого Взрыва», насчитывающее 279 серий в течение 12 сезонов, рассказывало о жизни группы ученых, в которую входили физики, астрофизики и аэрокосмические инженеры. Шоу исследует занудную дружбу, романы и ссоры группы. Премьера первого сезона состоялась 24 сентября 2007 года, а официально шоу завершилось 16 мая 2019 года.

Хотя само шоу не слишком углублялось в реальную науку, по данным журнала Science, организаторы наняли астрофизика из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Дэвида Зальцберга в качестве научного консультанта на весь период шоу. Научных консультантов часто нанимают для научно-фантастических и связанных с наукой шоу и фильмов, чтобы помочь сохранить реалистичность определенных аспектов.

Благодаря Зальцбергу словарный запас персонажей включал множество научных терминов, а доски на заднем плане лабораторий, офисов и квартир на протяжении всего шоу были заполнены различными уравнениями и информацией.

По словам Зальцберга, во время шоу эти доски стали желанным пространством, поскольку исследователи присылали ему новые работы, которые, как они надеялись, могут быть там представлены. В одном из эпизодов, вспоминал Зальцберг, новое свидетельство существования гравитационных волн было нацарапано на доске, которая якобы принадлежала знаменитому физику Стивену Хокингу, который также одобрил текст.

Ветеран-астронавт НАСА Майк Массимино (справа) позирует фотографу с актером «Теории Большого Взрыва» Саймоном Хелбергом и еще одним актером во время перерыва в съемках финального сезона сериала «Теория Большого Взрыва» на канале CBS. (Изображение предоставлено Майком Массимино (через Твиттер как @Astro_Mike))

Шоу взяло на себя некоторые вольности, так как оно было вымышленным. По словам физика Fermilab Дона Линкольна, это включало в себя создание некоторых новых научных концепций и беллетризацию политики Нобелевских премий и научных кругов.

Примечательно, что несколько персонажей сериала путешествуют. В одном из эпизодов главные герои Леонард, Шелдон, Радж и Ховард отправляются в исследовательскую экспедицию в Арктику — многие физические эксперименты лучше всего проводить в экстремальных условиях на полюсах или вблизи них. Другой поместил аэрокосмического инженера Ховарда на российский космический корабль «Союз», а позже — на модель Международной космической станции вместе с реальным астронавтом Майком Массимино.

Сергей Бородаенко
5 1 голос
Рейтинг статьи
Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии

Наука и астрономия

Какое самое холодное место во Вселенной?

Самое холодное место во Вселенной — минус 237,59 °C: более чем в три раза холоднее, чем в самом холодном месте на Земле.

Подробнее
Наука и астрономия

Что такое темная материя?

Справочная статья: Факты о темной материи.

Подробнее
Наука и астрономия

Наша расширяющаяся Вселенная: возраст, история и другие факты

Эволюция и содержание нашей расширяющейся вселенной

Подробнее
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x
()
x
Яндекс.Метрика