В начале Вселенная расширялась очень и очень быстро.
(Изображение: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
Пол Саттер - астрофизик в Университете штата Огайо и главный научный сотрудник научного центра COSI. Саттер также является хозяином Ask a Spaceman и Space Radio, и возглавляет AstroTours по всему миру. Саттер опубликовал эту статью для «Экспертных голосов» Space.com: Op-Ed & Insights
13,8 миллиарда лет назад вся наша наблюдаемая вселенная была размером с персик и имела температуру более триллиона градусов.
Это довольно простое, но очень смелое заявление, которое нельзя сделать легко или просто. В самом деле, даже сто лет назад это звучало бы совершенно нелепо, но мы говорим, что это не так уж важно. Но, как и в чем-либо в науке, простые утверждения, подобные этому, построены из гор множества независимых линий доказательств, которые все указывают на один и тот же вывод - в данном случае, Большой взрыв, наша модель истории нашей вселенной. [Вселенная: большой взрыв в 10 простых шагах]
Но, как говорится, не верьте мне на слово. Вот пять доказательств Большого взрыва:
# 1: ночное небо темно
Представьте на мгновение, что мы жили в совершенно бесконечной вселенной, как во времени, так и в пространстве. Сверкающие скопления звезд продолжаются вечно во всех направлениях, и вселенная просто всегда была и всегда будет. Это будет означать, куда бы вы ни смотрели в небе - просто выберите случайное направление и смотрите - вы обязательно найдете звезду там, где-то, на некотором расстоянии. Это неизбежный результат бесконечной вселенной.
И если та же самая вселенная существовала вечно, то у этой звезды было достаточно времени, чтобы ползти по космосу с относительно медленной скоростью c, чтобы достичь ваших глазных яблок. Даже присутствие какой-либо промежуточной пыли не уменьшит накопленный свет от бесконечности звезд, рассеянных по бесконечно большому космосу.
Следовательно, небо должно быть пылающим от объединенного света множества звезд. Вместо этого это в основном тьма. Пустота. Пустота. Темнота. Вы знаете, космос.
Немецкий физик Генрих Ольберс, возможно, был не первым, кто заметил этот очевидный парадокс, но его имя увязло с мыслью: это известно как парадокс Ольберса. Простое разрешение? Либо вселенная не бесконечна по размеру, либо не бесконечна по времени. Или, может быть, это не так.
# 2: существуют квазары
Как только исследователи разработали чувствительные радиотелескопы, в 1950-х и 60-х годах они заметили странно громкие радиоисточники в небе. С помощью значительных астрономических исследований ученые установили, что эти квазизвездные радиоисточники, или «квазары», были очень далекими, но необычайно яркими, активными галактиками.
Что наиболее важно для этой дискуссии, так это «очень отдаленная» часть этого заключения.
Поскольку свету требуется время, чтобы путешествовать из одного места в другое, мы не видим звезд и галактик такими, какие они есть сейчас, а такими, какими они были тысячи, миллионы или миллиарды лет назад. Это означает, что взгляд глубже во вселенную также заглядывает глубже в прошлое. Мы видим много квазаров в далеком космосе, что означает, что эти объекты были очень распространены миллиарды лет назад. Но в нашем местном, современном районе почти нет квазаров. И они достаточно распространены в далекой (то есть молодой) вселенной, чтобы мы могли видеть гораздо больше в нашей окрестности.
Простой вывод: Вселенная в прошлом была иной, чем сегодня.
№ 3: становится больше
Мы живем в расширяющейся вселенной. В среднем галактики удаляются от всех других галактик. Конечно, некоторые небольшие локальные столкновения происходят из-за оставшихся гравитационных взаимодействий, например, как Млечный Путь столкнется с Андромедой через несколько миллиардов лет. Но в больших масштабах эти простые, экспансионистские отношения верны. Это то, что астроном Эдвин Хаббл открыл в начале 20-го века, вскоре после того, как обнаружил, что «галактики» на самом деле вещь. [Головной удар галактики Млечный Путь с Андромедой: изображения художника]
В расширяющейся вселенной правила просты. Каждая галактика отступает от (почти) любой другой галактики. Свет от далеких галактик будет смещен в красную сторону - испускаемые ими длины волн света станут длиннее и, следовательно, будут краснее с точки зрения других галактик. У вас может возникнуть соблазн думать, что это связано с движением отдельных галактик, несущихся по вселенной, но математика не складывается.
Величина красного смещения для конкретной галактики связана с тем, насколько она далеко. Более близкие галактики получат определенное красное смещение. Галактика, которая вдвое дальше, получит в два раза больше красного смещения Четыре раза расстояние? Это верно, четыре раза красное смещение. Чтобы объяснить это просто галактиками, совершающими кругосветное путешествие, должен быть действительно странный заговор, когда все галактические граждане вселенной соглашаются двигаться в этом очень специфическом порядке.
Вместо этого есть гораздо более простое объяснение: движение галактик происходит из-за растяжения пространства между этими галактиками.
Мы живем в динамичной, развивающейся вселенной. Это было меньше в прошлом и будет больше в будущем.
# 4: Реликтовое излучение
Давай сыграем в игру. Предположим, что вселенная была меньше в прошлом. Это значит, что было бы и плотнее, и жарче, верно? Правильно - все содержимое космоса было бы собрано в меньшем пространстве, а более высокие плотности означают более высокие температуры.
В какой-то момент, когда, скажем, вселенная была в миллион раз меньше, чем сейчас, все было бы так разбито, что это была бы плазма. В этом состоянии электроны были бы свободны от своих ядерных носителей и могли свободно плавать, все это вещество купалось в интенсивном излучении высокой энергии.
Но когда эта детская вселенная расширилась, она остыла бы до такой степени, что внезапно электроны могли бы удобно расположиться вокруг ядер, создавая первые полные атомы водорода и гелия. В этот момент сумасшедшее интенсивное излучение беспрепятственно бродило по новой тонкой и прозрачной вселенной. И когда эта вселенная расширилась, свет, который начинался буквально раскаленным белым цветом, охладил бы, охладил, охладил до нескольких градусов выше абсолютного нуля, поместив длины волн в микроволновом диапазоне.
И когда мы указываем наши микроволновые телескопы на небо, что мы видим? Ванна с фоновым излучением, окружающая нас со всех сторон и почти идеально однородная (в одной части на 100 000!) Во всех направлениях. Детская картина вселенной. Открытка из давно умершей эпохи. Свет от времени, столь же старого как сама вселенная.
# 5: это элементарно
Отодвиньте часы назад даже дальше, чем формирование космического микроволнового фона, и в какой-то момент все становится настолько интенсивным, настолько безумным, что даже протонов и нейтронов не существует. Это просто суп из их основных частей, кварков и глюонов. Но опять же, когда вселенная расширилась и остыла от неистовых первых нескольких минут своего существования, самые легкие ядра, такие как водород и гелий, застыли и образовались.
В настоящее время у нас достаточно приличное знание ядерной физики, и мы можем использовать это знание, чтобы предсказать относительное количество самых легких элементов в нашей вселенной. Предсказание: этот застывший суп должен был породить примерно три четверти водорода, одну четверть гелия и незначительное количество «другого».
Затем задача достается астрономам, и что они найдут? Вселенная, состоящая примерно из трех четвертей водорода, одной четверти гелия и меньшего процента «другого». Бинго.
Конечно, есть и другие доказательства. Но это только отправная точка для нашей современной картины космоса Большого взрыва. Многочисленные независимые свидетельства указывают на один и тот же вывод: нашей вселенной около 13,8 миллиардов лет, и когда-то она была размером с персик и имела температуру более триллиона градусов.
Узнайте больше, послушав эпизод "Что происходит, когда сталкиваются галактики?" в подкасте «Спросите космонавта», доступном в iTunes и в Интернете по адресу http://www.askaspaceman.com. Спасибо Майку Д., Триппу Б., Седасу С., Исла и Патрику Д. за вопросы, которые привели к этой части! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя #AskASpaceman или следуя указаниям Пола @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter. Следуйте за нами @Spacedotcom, Facebook и Google+. Оригинальная статья на Space.com.
