Введение
Около 13,8 миллиардов лет назад Вселенная, как мы ее знаем, началась. Этот момент, известный как Большой взрыв, - это когда пространство само начало быстро расширяться. Во время Большого взрыва наблюдаемая вселенная (включая материалы по крайней мере для 2 триллионов галактик) вписывалась в пространство шириной менее сантиметра. Теперь видимая вселенная имеет 93 миллиарда световых лет и продолжает расширяться.
Есть много вопросов о Большом взрыве, особенно о том, что было до него (если что-нибудь). Но ученые кое-что знают. Продолжайте читать о некоторых из самых сногсшибательных открытий о начале всего.
Вселенная расширяется
До 1929 года истоки вселенной были полностью окутаны мифом и теорией. Но в этом году предприимчивый астроном по имени Эдвин Хаббл обнаружил нечто очень важное во вселенной, что откроет новые способы понимания ее прошлого: все расширяется.
Хаббл сделал свое открытие, измерив нечто, называемое красным смещением, которое представляет собой сдвиг в сторону более длинных красных длин волн света, видимых в очень далеких галактиках. (Чем дальше от объекта, тем более ярко выражено красное смещение.) Хаббл обнаружил, что красное смещение увеличивается линейно с расстоянием в отдаленных галактиках, что указывает на то, что Вселенная не является стационарной. Это расширяется, везде, все сразу.
По данным НАСА, Хаббл смог рассчитать скорость этого расширения - фигура, известная как постоянная Хаббла. Именно это открытие позволило ученым экстраполировать и теоретизировать, что Вселенная когда-то была упакована в крошечную точку. Первый момент его расширения они назвали Большим взрывом.
Космическое микроволновое фоновое излучение
В мае 1964 года Арно Пензиас и Роберт Уилсон, исследователи из Bell Telephone Laboratories, работали над созданием нового радиоприемника в Нью-Джерси. Их антенна все время улавливала странное жужжание, которое, казалось, исходило отовсюду. Они думали, что в оборудовании могут быть голуби, но удаление гнезд ничего не дало. Также не было их других попыток уменьшить помехи. Наконец они поняли, что подбирают что-то настоящее.
Оказалось, что то, что они обнаружили, было первым светом Вселенной: космическое микроволновое фоновое излучение. Это излучение датируется примерно 380 000 годами после Большого взрыва, когда вселенная наконец остыла достаточно для того, чтобы фотоны (волнообразные частицы, составляющие свет) могли свободно перемещаться. Это открытие поддержало теорию Большого взрыва и идею о том, что вселенная расширилась быстрее скорости света в свое первое мгновение. (Это потому, что космический фон довольно однороден, что предполагает плавное расширение всего сразу из маленькой точки.)
Карта неба
Открытие космического микроволнового фона открыло окно в истоки вселенной. В 1989 году НАСА запустило спутник под названием Cosmic Background Explorer (COBE), который измерял крошечные изменения фонового излучения. В результате, согласно НАСА, была «детская картина» вселенной, которая показывает некоторые из первых вариаций плотности в расширяющейся вселенной. Эти крошечные вариации, вероятно, породили структуру галактик и пустого пространства, известную как космическая сеть галактик, которую мы видим сегодня во Вселенной.
Прямое доказательство инфляции
Космический микроволновый фон также позволил исследователям найти «дымящуюся пушку» для инфляции - это огромное расширение, превышающее скорость света, которое произошло во время Большого взрыва. (Хотя теория специальной теории относительности Эйнштейна утверждает, что ничто не движется быстрее, чем свет в пространстве, это не было нарушением; само пространство расширилось.) В 2016 году физики объявили, что они обнаружили определенный тип поляризации или направленности в некоторых из космический микроволновый фон. Эта поляризация известна как «B-моды». Поляризация B-моды была первым в мире прямым свидетельством гравитационных волн Большого взрыва. Гравитационные волны создаются, когда массивные объекты в космосе ускоряются или замедляются (первое, что когда-либо было обнаружено, возникло в результате столкновения двух черных дыр). B-режимы предоставляют новый способ непосредственно исследовать расширение ранней вселенной - и, возможно, выяснить, что им способствовало.
Пока никаких дополнительных измерений
Одним из следствий открытия гравитационных волн было то, что оно позволило ученым искать дополнительные измерения, помимо обычных трех. По мнению теоретиков, гравитационные волны должны иметь возможность переходить в неизвестные измерения, если эти измерения существуют. В октябре 2017 года ученые обнаружили гравитационные волны от столкновения двух нейтронных звезд. Они измерили время, необходимое для прохождения волн от звезд до Земли, и не нашли никаких доказательств утечек сверхразмерности.
Результаты, опубликованные в июле 2018 года в «Журнале космологии и физики астрочастиц», показывают, что если есть какие-то другие измерения, они крошечные - они затронут области Вселенной размером менее 1 мили (1,6 километра). Это означает, что теория струн, которая утверждает, что вселенная состоит из крошечных вибрирующих струн и предсказывает, по крайней мере, 10 измерений, все еще может быть верной.
Расширение ускоряется ...
Одним из самых странных открытий в физике является то, что вселенная не только расширяется, но и расширяется с ускоряющейся скоростью.
Открытие датируется 1998 годом, когда физики объявили результаты нескольких длительных проектов, в которых измерялись особо тяжелые сверхновые, называемые сверхновыми типа Ia. Результаты (которые получили исследователи Саул Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Г. Рейс Нобелевскую премию в 2011 году) показали более слабый, чем ожидалось, свет от самой далекой из этих сверхновых звезд. Этот слабый свет показал, что само пространство расширяется: все во вселенной постепенно удаляется от всего остального.
Ученые называют драйвер этого расширения «темной энергией», таинственным двигателем, который может составлять около 68% энергии во вселенной. Эта темная энергия, по-видимому, имеет решающее значение для приведения в соответствие теорий начала вселенной, которые ведутся в настоящее время, таких, как те, что были сделаны с помощью Уилкинсоновского микроволнового зонда анизотропии (WMAP) НАСА, инструмента, который создал наиболее точную карту космического излучения. микроволнового фона пока нет.
... даже быстрее, чем ожидалось
Новые результаты телескопа Хаббла, выпущенные в апреле 2019 года, углубили загадку расширяющейся вселенной. Измерения с космического телескопа показывают, что расширение Вселенной на 9% быстрее, чем ожидалось из предыдущих наблюдений. Для галактик расстояние в 3,3 миллиона световых лет от Земли переводится на дополнительные 46 миль в секунду (74 км в секунду) быстрее, чем предсказывали более ранние расчеты, согласно НАСА.
Почему это имеет значение для происхождения вселенной? Потому что физики должны что-то упустить. По данным НАСА, во время Большого взрыва и вскоре после него могло произойти три отдельных "всплеска" темной энергии. Эти взрывы закладывают основу для того, что мы видим сегодня. Первый мог начать начальное расширение; секунда, возможно, произошла намного быстрее, действуя как тяжелая нога, нажимаемая на педаль газа вселенной, заставляя вселенную расширяться быстрее, чем считалось ранее. Последний взрыв темной энергии может объяснить ускоряющееся расширение Вселенной сегодня.
Ничего из этого не доказано - пока. Но ученые смотрят. Исследователи из Техасского университета в обсерватории Остина Макдональда используют недавно модернизированный инструмент, телескоп Хобби-Эберли, для непосредственного поиска темной энергии. Проект «Эксперимент по темной энергии телескопа Хобби-Эберли» (HETDEX) измеряет слабый свет от галактик на расстоянии до 11 миллиардов световых лет, что позволит исследователям увидеть любые изменения в ускорении Вселенной с течением времени. Они также будут изучать отголоски беспорядков во вселенной, насчитывающей 400 000 лет, созданной в густом супе из частиц, которые составляли все сразу после Большого взрыва. Это также раскроет тайны расширения и объяснит темную энергию, которая его двигала.
