На початку Всесвіт розширювалася дуже, дуже швидко.
(Зображення: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
Пол Саттер - астрофізик Державного університету штату Огайо і головний науковий співробітник наукового центру COSI. Саттер також приймає запитання у космонавта та космічного радіо, а також ведеAstroTours по всьому світу. Саттер додав цю статтю до голосів експертів Space.com: Op-Ed & Insights.
У 13,8 мільярда років тому весь наш спостережуваний Всесвіт мав розмір персика і мав температуру понад трильйон градусів.
Це досить просте, але дуже сміливе твердження, і це не твердження, яке зроблено легенько чи легко. Дійсно, навіть сто років тому це звучало б прямо, безглуздо, але ось ми, говоримо це, ніби це не велика справа. Але як і все, що є в науці, прості подібні твердження побудовані з гір безлічі незалежних доказів, які вказують на один і той же висновок - у цьому випадку Великий вибух - наша модель історії нашого Всесвіту. [Всесвіт: Великий вибух зараз за 10 простих кроків]
Але, як кажуть, не сприймайте мого слова. Ось п’ять доказів Великого вибуху:
№1: Нічне небо темне
Уявіть на мить, що ми жили у ідеально нескінченному Всесвіті, як у часі, так і в просторі. Блискучі колекції зірок продовжуються назавжди в будь-якому напрямку, а Всесвіт просто завжди була і завжди буде. Це означало б, куди б ви не дивилися в небо - просто вибирайте випадковий напрямок і дивитесь - ви обов'язково знайдете зірку там, десь, на деякій відстані. Це неминучий результат нескінченного Всесвіту.
І якщо той самий всесвіт існував назавжди, то часу, коли світла від цієї зірки, повзає через космос із відносно млявою швидкістю c, пройшло досить багато часу, щоб досягти ваших очних яблук. Навіть наявність пилу, що втручається, не зменшила б накопичене світло від нескінченності зірок, що розтікалися по нескінченно великому космосу.
Ерго, небо повинно світитися поєднаним світлом безлічі зірок. Натомість це переважно темрява. Порожнеча. Пустота. Чорнота. Ви знаєте, космос.
Німецький фізик Генріх Ольберс, можливо, не був першою людиною, яка відзначила цей очевидний парадокс, але його ім'я трималося за ідею: Це відомий як парадокс Ольберса. Просте дозвіл? Або Всесвіт не має нескінченних розмірів, або не є нескінченним у часі. А може, це ні те.
№ 2: Квазари існують
Як тільки дослідники розробили чутливі радіотелескопи, у 1950-60-ті роки вони помітили на небі дивно гучні джерела радіо. Шляхом значного астрономічного снування вчені визначили, що ці квазізоряні радіоджерела, або "квазари", були дуже далекими, але нечасто яскравими, діючими галактиками.
Найважливішим для цієї дискусії є "дуже далека" частина цього висновку.
Оскільки світлу потрібен час для подорожі з одного місця в інше, ми не бачимо зірок і галактик такими, якими вони є зараз, але як були тисячі, мільйони чи мільярди років тому. Це означає, що глибше заглядаючи у Всесвіт, дивлячись у минуле. У далекому космосі ми бачимо багато квазарів, а це означає, що ці об’єкти були дуже поширеними мільярди років тому. Але в нашому місцевому, сучасному мікрорайоні навряд чи є квазари. І вони досить поширені у далекому (тобто молодому) Всесвіті, що нам слід побачити набагато більше у нашій близькості.
Простий висновок: Всесвіт у своєму минулому був іншим, ніж сьогодні.
№3: вона стає більшою
Ми живемо у всесвіті, що розширюється. У середньому галактики віддаляються від усіх інших галактик. Звичайно, деякі невеликі локальні зіткнення трапляються внаслідок залишків гравітаційних взаємодій, як, наприклад, як Чумацький Шлях зіткнеться з Андромедою за кілька мільярдів років. Але у великих масштабах це просте, розширене відношення справджується. Це те, що виявив астроном Едвін Хаббл на початку 20 століття, незабаром після того, як виявив, що "галактики" насправді є річчю. [Аварійний крах галактики Чумацького шляху з Андромедою: зображення художника]
У всесвіті, що розширюється, правила прості. Кожна галактика відступає від (майже) будь-якої іншої галактики. Світло від віддалених галактик стане червонішим - довжина хвилі світла, яку вони випускають, стане довшою і, таким чином, червонішою, з точки зору інших галактик. Можливо, вам сподобається думати, що це пов’язано з рухом окремих галактик, які швидко обертаються навколо Всесвіту, але математика не додається.
Величина червоного зміщення для певної галактики пов'язана з тим, наскільки вона далека. Ближче галактик отримає певну кількість красного зміщення. Галактика вдвічі більше отримає червоне зміщення вдвічі. Вчетверо відстань? Правильно, чотири рази червоніші. Щоб пояснити це лише галактиками, що замикаються навколо, має бути дійсно дивна змова, коли всі галактичні громадяни Всесвіту погоджуються рухатися за цією дуже специфічною схемою.
Натомість існує набагато простіше пояснення: рух галактик пояснюється розтягуванням простору між цими галактиками.
Ми живемо у динамічному, що розвивається Всесвіті. Вона була меншою в минулому і буде більшою в майбутньому.
№ 4: реліктове випромінювання
Давайте пограємо в гру. Припустимо, Всесвіт була меншою в минулому. Це означає, що це було б і щільніше, і гарячіше, правда? Правильно - весь вміст космосу був би згрупований у меншому просторі, а більша щільність означає більш високі температури.
У якийсь момент, коли Всесвіт, скажімо, в мільйон разів менше, ніж зараз, все було б так розбито разом, що це була б плазма. У такому стані електрони будуть неприєднані до ядерних господарів і вільно плавати, і вся ця речовина купається в інтенсивному високоенергетичному випромінюванні.
Але коли ця дитяча всесвіт розширилася, вона охолола б до точки, коли раптом електрони могли комфортно осісти навколо ядер, зробивши перші повні атоми водню та гелію. У цей момент шалено інтенсивне випромінювання блукало безперешкодно через щойно тонкий і прозорий Всесвіт. І коли ця Всесвіт розширювалася, світло, яке починалося буквально розпеченим, охолоджувало б, охолоджувало, охолоджувало до голих кількох градусів вище абсолютного нуля, ставлячи довжини хвилі міцно в діапазон НВЧ.
І коли ми наводимо мікрохвильовими телескопами на небо, що ми бачимо? Ванна фонового випромінювання, що оточує нас з усіх боків і майже ідеально рівномірна (до однієї частини на 100 000!) У всіх напрямках. Дитина малюнка Всесвіту. Листівка з давно померлої епохи. Світло з часу, майже такого ж старого, як і сам Всесвіт.
№5: це елементарно
Відсуньте годинник ще далі, ніж формується космічний мікрохвильовий фон, і в якийсь момент справи настільки інтенсивні, настільки шалені, що навіть протонів і нейтронів немає. Це просто суп з їх основних частин, кварків і глюонів. Але знову ж таки, коли Всесвіт розширювалась і охолоджувалась від френетичних перших хвилин свого існування, найлегші ядра, як водень та гелій, згущувалися та утворювались.
На сьогоднішній день у нас є досить гідна робота з ядерної фізики, і ми можемо використовувати ці знання для прогнозування відносної кількості найлегших елементів у нашому Всесвіті. Прогноз: цей суп, що згущується, повинен був породжувати приблизно три чверті водню, одну четверту гелію і дещо «інше».
Потім виклик переходить до астрономів, і що вони знаходять? Всесвіт, що складається приблизно з трьох четвертих водню, однієї четвертої гелію та меншого відсотка "іншого". Бінго.
Звичайно, є і більше доказів. Але це лише вихідна точка для сучасної картини космосу Великого вибуху. Кілька незалежних доказів свідчать про один і той же висновок: нашому Всесвіту близько 13,8 мільярдів років, і свого часу він був розміром з персика і мав температуру понад трильйон градусів.
Дізнайтеся більше, прослухавши епізод "Що відбувається, коли галактики стикаються?" у подкасті Ask A Spaceman, доступному в iTunes та в Інтернеті за адресою http://www.askaspaceman.com. Дякую Майку Д., Тріппу Б., Седасу С., Ісла та Патріку Д. за запитання, які спричинили цю п'єсу! Задайте власне запитання у Twitter за допомогою #AskASpaceman або, дотримуючись Пола @PaulMattSutter та facebook.com/PaulMattSutter. Слідкуйте за нами @Spacedotcom, Facebook та Google+. Оригінальна стаття на Space.com.
