Почему считается что вселенная расширяется
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.
Вселенная расширяется быстрее, чем предполагали ученые?
На основе многочисленных наблюдений звезд и галактик ученые стали замечать, что Вселенная разлетается быстрее, чем показывают самые точные модели космоса. Свидетельства этому накапливались годами, в результате чего некоторые ученые назвали данный процесс надвигающимся кризисом в космологии. Последние данные, которые удалось собрать группе исследователей при помощи космический телескопа Хаббл, говорят о том, что ошибки быть не может, вселенная действительно разлетается быстрее. Загадка получила название “напряжение Хаббла” в честь астронома Эдвина Хаббла. В 1929 году он заметил, что чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется. Тем не менее, не все ученые согласны с этими выводами, и все еще утверждают, что “напряжение Хаббла” — это просто артефакт. Но какие есть “за” и “против”?
Последние исследования показывают, что вселенная расширяется с ускорением
Что такое напряжение Хабла и как вычислили скорость расширения вселенной
Исследователи пытались измерить текущую скорость расширения Вселенной двумя основными способами — путем измерения расстояний до ближайших звезд и методом картирования слабого свечения, относящегося к молодой Вселенной. Исследование также выявило некоторые ключевые космические ингредиенты, такие как темная энергия — таинственная сила, которая, как считается, движет ускоряющимся расширением Вселенной.
Эти два метода показывают разные результаты относительно текущей скорости расширения Вселенной. Расхождение составляет примерно 8 процентов. Это различие может показаться незначительным, но, если оно действительно существует, значит Вселенная стала расширяться быстрее, чем вначале своего существования.
Большинство данных, которые ученые используют в своих расчетах, полученных с телескопа Хаббл
В нескольких исследованиях, опубликованных The Astrophysical Journal, для измерения расстояния между нами и ближайшими галактиками используются определенные типы звезд и звездные взрывы. Набор данных включает наблюдения 42 различных звездных взрывов, что более чем вдвое превышает масштаб предыдущего анализа такого рода. Согласно результатам, противоречие между их новым анализом и результатами измерений раннего космоса достигло пяти сигм, статистического порога, используемого в физике элементарных частиц для подтверждения существования новых частиц.
Космические микроволны и дистанционная лестница
Один из способов получить постоянную Хаббла (скорость расширения вселенной) основан на космическом микроволновом фоне (CMB), слабом свечении, которое образовалось, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет. Телескопы, такие как обсерватория Planck Европейского космического агентства, измерили реликтовое излучение, предоставив подробный снимок того, как материя и энергия были распределены в ранней Вселенной, а также физику, которая ими управляла.
Используя модель, которая с поразительным успехом предсказывает многие свойства Вселенной, известную как модель Лямбда Холодной Темной Материи, космологи могут математически просчитать развитие молодой Вселенной и предсказать, какой должна быть сегодняшняя постоянная Хаббла. Согласно этому методу, Вселенная должна расширяться со скоростью около 67,36 километров в секунду на мегапарсек.
Один мегапарсек равен 3,26 миллионам световых лет.
Для вычисления постоянной Хаббла ученые используют данные звезд и галактик
Другие команды измеряют постоянную Хаббла, глядя на “локальную” вселенную, то есть более современные звезды и галактики, которые относительно близки к нам. Эта версия расчета требует двух видов данных: насколько быстро галактика удаляется от нас и как далеко эта галактика находится. Этот метод требует от астрономов разработки так называемой лестницы космических расстояний.
Лестница космических расстояний нового исследования, составленная исследовательской группой SHoES, начинается с измерения расстояний между нами и некоторыми видами звезд, называемыми цефеидными переменными. Чтобы расширить лестницу еще дальше, астрономы добавили ступеньки, основанные на звездных взрывах, названных сверхновыми типа 1a.
Изучая галактики, в которых находятся как цефеиды, так и сверхновые типа 1a, астрономы могут установить взаимосвязь между яркостью сверхновых и расстояниями до них. Поскольку сверхновые типа 1a намного ярче, чем цефеиды, их можно увидеть на гораздо больших расстояниях, что позволяет астрономам распространять свои измерения на галактики, расположенные глубже в космосе.
В расчетах постоянной Хаббла могут быть ошибки, так как сложно получить точную информацию о Сверхновых и других космических объектах, которые находятся на большом расстоянии от Земли
Учет ошибок и вариаций в измерении скорости расширения Вселенной
Проблема вычисления постоянной Хаббла заключается в том, что точно измерить данных всех звезд и сверхновых крайне сложно. С технической точки зрения, не все цефеиды и сверхновые типа 1a выглядят одинаково. Некоторые из них могут иметь разный состав, разные цвета или разные типы родительских галактик. Астрономы потратили много лет на то, чтобы выяснить, как объяснить всю эту изменчивость. Тем не менее чрезвычайно трудно с уверенностью сказать, что в том или ином измерении не закралась ошибка.
Чтобы решить эти проблемы, исследовательская группа под названием “Пантеон +” исчерпывающе проанализировала более 1700 наблюдений сверхновых типа 1a, собранных с 1981 года. Анализ включал количественную оценку всех известных неопределенностей и источников систематической ошибки.
Постоянная Хаббла, полученная с учетом возможных ошибок подтвердила ускорение расширения Вселенной
Проведя исчерпывающую перекрестную проверку факторов, которые могут повлиять на наблюдения цефеид, команда дала самую точную оценку для постоянной Хаббла — 73,04 километра в секунду на мегапарсек, плюс-минус 1,04. Это примерно на 8 процентов выше, чем значение, полученное на основе измерений CMB обсерваторией Planck.
Команда также приложила все усилия, чтобы проверить идеи сторонних ученых о том, почему ее оценка постоянной Хаббла выше, чем оценка Планка. Всего исследователи изучили 67 анализов, многие из которых усугубили загадку напряженности Хаббла.
Напряжение Хабла — это ошибка в расчетах?
Венди Фридман, ученый из Чикагского университета, работала над оценкой, которая не основана на пульсации звезд. Вместо этого она использовала определенную группу красных гигантских звезд, которые действуют также, как электрические лампочки известной мощности. Основываясь на этих альтернативных объектах с известной внутренней яркостью, постоянная Хаббла составила 69,8 км/с на мегапарсек.
Ученая Венди Фридман самостоятельно высчитала постоянную Хаббла, используя для этого «надежные» источники
Несмотря на тщательную работу команды, Фридман говорит, что необнаруженные ошибки все еще могут влиять на анализ, возможно, создавая иллюзорное напряжение. По ее словам, некоторые источники неопределенности неизбежны. Есть только три галактики, достаточно близкие к Млечному Пути, расстояния от которых мы можем измерить напрямую.
Команды Pantheon + и SH0ES внимательно изучили результаты Фридман и других исследователей. Согласно их работе, включение дополнительных звезд, которые использовала Фридман, немного снижает оценку постоянной Хаббла, но не снимает напряженности. И если напряжение Хаббла действительно отражает нашу физическую реальность, как утверждают ученые, то для ее объяснения, вероятно, потребуется добавить еще один пункт в наш список фундаментальных компонентов Вселенной.
Взрыв темной энергии и помолодевшая Вселенная
Согласно одной из теорий, примерно через 50 тысяч лет после Большого взрыва произошла кратковременная вспышка темной энергии. В принципе, короткий всплеск дополнительной темной энергии мог бы изменить скорость расширения ранней Вселенной в достаточной степени, чтобы возникло напряжение Хаббла, не нарушая при этом стандартную модель космологии.
Получить более точную информацию относительно скорости расширения Вселенной, возмоно, поможет телескоп Джеймса Уэбба
Но, по оценкам космологов, возраст Вселенной упадет с нынешних 13,8 миллиарда лет до примерно 13 миллиардов лет. На данный момент нет никаких очевидных доказательств ранней темной энергии. Хотя некоторые намеки все же имеются. В сентябре Космологический телескоп Атакама, учреждение в Чили, которое измеряет космический микроволновый фон, заявило, что модель, включающая раннюю темную энергию, соответствует их данным лучше, чем стандартная космологическая модель. Правда, есть теория, согласно которой темная материя, наоборот, замедляла расширение вселенной.
Еще больше увлекательных материалов из мира науки мы подготовили для вас на нашем Яндекс.Дзен-канале
Очевидно, что для разгадки напряжения Хаббла потребуются дополнительные, более точные наблюдения. Возможно, окончательную точку в споре о скорости расширения вселенной поставит телескоп Джеймса Уэбба, который перепроверить данные измерений, выполненных ранее телескопом Хаббл.
5 вопросов о расширении Вселенной, которые вы стеснялись задать
Взгляд на чрезвычайно отдалённую часть Вселенной открывает нам галактики, движущиеся от нас с огромными скоростями. На таких расстояниях галактик видно больше, они меньше по размеру, не такие развитые и удаляются с большими красными смещениями, чем те, что расположены недалеко
Когда вы смотрите на удалённую Вселенную, вы повсюду видите галактики – во всех направлениях, на все миллионы и миллиарды световых лет. Человечеству доступны для наблюдения примерно два триллиона галактик, а общая сумма всего, что есть во Вселенной, гораздо больше и невероятнее, чем большинство из нас может себе представить. Один из наиболее сбивающих с толку фактов состоит в том, что все видимые нами галактики в среднем подчиняются одному правилу: чем дальше они от нас, тем быстрее, по-видимому, они движутся в сторону от нас. Это открытие, сделанное Эдвином Хабблом со своими помощниками в 1920-х, привело нас к картине расширяющейся Вселенной. Но что означает, что Вселенная расширяется? Наука знает это, а теперь будете знать и вы!
Чем дальше мы смотрим, тем более древнюю и неразвитую Вселенную видим. Но это только если Общая теория относительности применима ко Вселенной и управляет её расширением.
1) Во что расширяется Вселенная? Это один из вопросов, звучащих разумно, поскольку всё остальное, что может расширяться, состоит из материи и существует в рамках пространства и времени Вселенной. Но сама Вселенная – это и есть пространство и время, и оно содержит всю имеющуюся материю и энергию. Говоря о «расширении Вселенной» мы имеем в виду, что расширяется пространство, и мы видим, что отдельные галактики и их скопления разлетаются друг от друга. Лучшая из визуализаций этого процесса – это тесто с изюминками, поднимающееся в результате выпекания в печи.
Модель «хлеба с изюмом» расширения Вселенной, в которой относительные расстояния увеличиваются при расширении пространства (теста).
Тесто – ткань пространства, изюминки – связанные структуры (галактики или группы/скопления галактик), и с точки зрения любой изюминки все остальные двигаются от неё, и чем дальше изюминка, тем быстрее она убегает. Только в случае Вселенной нет никакой печки и воздуха снаружи теста; есть только тесто (пространство) и изюминки (материя).
Красное смещение вызывается не движением галактик от нас – красное смещение света, путешествующего от удалённых точек пространства к нам, происходит из-за растяжения пространства между нами и галактиками
2) Откуда нам знать, что расширяется ткань пространства – может, это просто галактики движутся с разными скоростями? Если объекты движутся от вас по всем направлениям, то, возможно, пространство между вами и ими расширяется; но это лишь одна из возможностей. Также звучит разумным, что вы могли оказаться в центре взрыва, и многие объекты просто оказались дальше от вас и двигаются быстрее сегодня, поскольку приобрели больше энергии во время взрыва. Если бы это было так, то выделялись бы два свидетельства этого:
На больших расстояниях плотность галактик оказывается выше, чем поблизости от нас. Это совпадает с картиной, в которой расширяется пространство, поскольку заглядывать вдаль – это всё равно, что заглядывать в прошлое, где расширение было не таким сильным. Мы также видим, что отношение красного смещения к расстоянию у далёких галактик совпадает с картиной расширения ткани пространства, и вовсе не совпадает со случаем, когда галактики просто движутся от нас. На этот вопрос наука даёт ответ двумя очень разными способами, и оба ответа поддерживают вариант расширяющейся Вселенной.
График видимой скорости расширения (ось y) в зависимости от расстояния (ось x) совпадает со Вселенной, быстрее расширявшейся в прошлом, но до сих пор расширяющейся сегодня. Это современная версия наблюдения, расширяющая дистанции в тысячи раз по сравнению с тем, что делал Хаббл. Отметьте, что точки не лежат на прямой, что говорит об изменении скорости расширения со временем
3) Всегда ли Вселенная расширялась с одной скоростью? Мы называем эту скорость постоянной Хаббла, но она постоянна по всему пространству, а не по всему времени. Вселенная сейчас, сегодня, расширяется медленнее, чем это было в прошлом [Вот тут Итан объясняет, почему расширение замедляется, а галактики разлетаются всё быстрее / прим. перев.]. Когда мы говорим о скорости расширения, имеется в виду скорость на единицу расстояния: сегодня это порядка 70 км/с/Мпк (километров в секунду на мегапарсек; мегапарсек – 3 260 000 световых лет). Но скорость расширения зависит от плотности всего, что есть во Вселенной, включая и материю с излучением. С расширением Вселенной материя и излучение внутри неё становятся менее плотными, и с падением плотности материи и излучения падает и скорость расширения. Вселенная в прошлом расширялась быстрее, и замедляется со времён горячего Большого взрыва. Постоянная Хаббла названа так не очень точно; её надо бы назвать параметром Хаббла.
Варианты отдалённой судьбы Вселенной предлагают несколько возможностей, но если тёмная энергия действительно является постоянной, о чём говорят наши данные, то Вселенная будет продолжать следовать красной кривой
4) Будет ли Вселенная расширяться вечно, или она когда-нибудь остановится, или даже сожмётся обратно? Множество поколений этот вопрос был святым Граалем космологии и астрофизики, и на него можно было ответить, только определив как скорость расширения Вселенной, так и все присутствующие в ней типы и количества энергии. Теперь мы успешно измерили, сколько нормальной материи, излучения, нейтрино, тёмной материи и тёмной энергии присутствует в ней, а также скорость расширения Вселенной. На основании законов физики и прошлых событий весьма вероятным кажется то, что Вселенная будет расширяться вечно. Хотя эта вероятность не равна 100%; если что-то, к примеру, тёмная материя, будет вести себя в будущем по-другому, не так, как в прошлом или сегодня, все наши выводы придётся пересмотреть.
5) Есть ли галактики, убегающие от нас быстрее скорости света, и не запрещено ли это? С нашей точки зрения пространство между нами и любой удалённой точкой расширяется. Чем дальше что-то находится, тем быстрее оно удаляется от нас. Даже если бы скорость расширения была крохотной, достаточно далёкий объект в итоге преодолел бы порог любой конечной скорости, поскольку скорость расширения (скорость на единицу расстояния), помноженная на достаточно большое расстояние, даст вам любое значение скорости. Но ОТО этого не запрещает! Закон, запрещающий движение быстрее света, применим только к движениям объектов в пространстве, а не к расширению самого пространства. На самом деле сами галактики двигаются со скоростями порядка сотен или тысяч км/с, что гораздо меньше, чем 300 000 км/с, ограничение скорости, устанавливаемое светом. Убегание и красное смещение вызвано расширением Вселенной, а не истинным движением галактики.
Внутри наблюдаемой Вселенной (жёлтый круг) есть примерно 2 триллиона галактик. До галактик, находящихся на расстоянии большем, чем треть пути от нас до границы, никогда нельзя будет добраться из-за расширения Вселенной, поэтому объём, открытый для изучения человеком, составляет всего 3% от наблюдаемой Вселенной
Расширение Вселенной – обязательное следствие наличия материи и энергии, заполняющей пространство-время, подчиняющееся ОТО. Пока есть материя, есть гравитационное притяжение, поэтому либо гравитация выигрывает и всё сжимается, либо гравитация проигрывает и выигрывает расширение. Нет никакого центра расширения, нет ничего за пределами пространства, куда расширялась бы Вселенная; расширение испытывает сама ткань Вселенной, везде и постоянно. И что самое обидное, даже если бы мы сегодня покинули Землю и отправились бы в путь со скоростью света, нам оказались бы доступными лишь 3% галактик из всей наблюдаемой Вселенной; 97% из них уже за пределами наших возможностей. Вселенная может быть сложным местом, но, по крайней мере, теперь вы знаете ответы на пять из наиболее часто запутывающих всех вопросов!