Як виглядає наш всесвіт ззовні. Що таке Всесвіт? Будова Всесвіту

Як виглядає Всесвіт на дуже великих відстанях, у областях, недоступних спостереженню? І чи є межа того, наскільки далеко ми можемо зазирнути? Наш космічний обрій визначається відстанню до найдальших об'єктів, світло яких встигло прийти до нас за 14 мільярдів років з моменту Великого вибуху. Через прискорене розширення Всесвіту ці об'єкти зараз видалено вже на 40 мільярдів світлових років. Від більш далеких об'єктів світло до нас ще не дійшло. То що ж там, за обрієм? Фото: SPL/EAST NEWS

Один Всесвіт чи безліч?

Як виглядає Всесвіт на дуже великих відстанях, у областях, недоступних спостереженню? І чи є межа того, наскільки далеко ми можемо зазирнути? Наш космічний обрій визначається відстанню до найдальших об'єктів, світло яких встигло прийти до нас за 14 мільярдів років з моменту Великого вибуху. Через прискорене розширення Всесвіту ці об'єкти зараз видалено вже на 40 мільярдів світлових років. Від більш далеких об'єктів світло до нас ще не дійшло. То що ж там, за обрієм? Донедавна фізики давали дуже просту відповідь на це питання: там все те саме — такі ж галактики, такі ж зірки. Але сучасні досягненняу космології та фізиці елементарних частинокдозволили переглянути ці уявлення. У новій картині світу віддалені області Всесвіту разюче відрізняються від того, що ми бачимо навколо себе, і можуть навіть підкорятися іншим законам фізики.

Нові уявлення ґрунтуються на теорії космічної інфляції. Спробуймо роз'яснити її суть. Почнемо з короткого оглядустандартної космології Великого вибуху, яка була домінуючою теорією до відкриття інфляції.

Відповідно до теорії Великого вибуху Всесвіт почався з колосальної катастрофи, яка вибухнула близько 14 мільярдів років тому. Великий вибух стався не в якомусь певному місціВсесвіту, а одразу скрізь. У той час не було зірок, галактик і навіть атомів, і Всесвіт заповнював дуже гарячий щільний згусток матерії і випромінювання, що швидко розширювався. Збільшуючись у розмірах, він остигав. Приблизно через три хвилини після Великого вибуху температура знизилася достатньо для формування атомних ядерА через півмільйона років електрони і ядра об'єдналися в електрично нейтральні атоми і Всесвіт став прозорим для світла. Це дозволяє нам сьогодні реєструвати світло, випущене вогненним згустком. Він приходить з усіх напрямків на небі та називається космічним фоновим випромінюванням.

Спочатку вогненний потік був майже ідеально однорідним. Але крихітні неоднорідності в ньому таки були: у деяких областях щільність була трохи вищою, ніж в інших. Ці неоднорідності зростали, стягуючи своєю гравітацією всі більше речовиниз навколишнього простору, і за мільярди років перетворилися на галактики. І лише нещодавно за космічними мірками на сцені з'явилися ми, люди.

На користь теорії Великого вибуху говорить безліч спостережних даних, що не залишають сумнівів у тому, що цей сценарій здебільшого коректний. Перш за все ми бачимо, як далекі галактики розбігаються від нас з дуже великими швидкостямищо вказує на розширення Всесвіту. Також теорія Великого вибуху пояснює поширеність у Всесвіті легких елементів, таких як гелій та літій. Але найголовнішим доказом, можна сказати, стовбуром Великого вибуху, що димиться, служить космічне фонове випромінювання - післясвічення первинного вогняної кулі, до цих пір дозволяє його спостерігати та досліджувати. За його вивчення присуджено вже дві Нобелівські премії.

Отже, ми, схоже, маємо в своєму розпорядженні дуже успішною теорією. І все ж таки вона залишає без відповіді деякі інтригуючі питання, що стосуються початкового стану Всесвіту відразу після Великого вибуху. Чому Всесвіт був такий гарячий? Чому вона почала розширюватися? Чому вона була такою однорідною? І, зрештою, що було з нею до Великого вибуху?

На ці питання відповідає теорія інфляції, яку Алан Гут висунув 28 років тому.

Космічна інфляція

Центральну роль цієї теорії грає особлива формаматерії, що називається хибним вакуумом. У повсякденному розумінні цього слова вакуум - просто абсолютно порожній простір. Але для фізиків, які займаються елементарними частинками, вакуум далеко не повне ніщо, а фізичний об'єкт, що володіє енергією та тиском, який може перебувати в різних енергетичних станах. Фізики називають ці стани різними вакуумами, від своїх характеристик залежать властивості елементарних частинок, які можуть існувати. Зв'язок між частинками і вакуумом подібний до зв'язку звукових хвильз речовиною, якою вони поширюються: в різних матеріалахшвидкість звуку неоднакова. Ми живемо в дуже низькоенергетичному вакуумі, і довгий час фізики вважали, що енергія нашого вакууму точно дорівнює нулю. Однак нещодавно спостереження показали, що він має трохи відмінну від нуля енергію (вона отримала назву темної енергії).

Сучасні теорії елементарних частинок передбачають, що крім нашого вакууму існує низка інших, високоенергетичних вакуумів, які називають хибними. Поряд із дуже високою енергією помилковий вакуум характеризується великим негативним тиском, який називають натягом. Це те саме, що розтягнути шматок гуми: з'являється натяг - сила, спрямована всередину, яка змушує стискатися гуму.

Але найдивніша властивість помилкового вакууму - це його гравітація, що відштовхує. Згідно загальної теоріївідносності Ейнштейна гравітаційні силивикликаються як масою (тобто енергією), а й тиском. Позитивний тиск викликає гравітаційне тяжінняа негативне веде до відштовхування. У разі вакууму відштовхувальна дія тиску перевищує силу, що притягує, пов'язану з його енергією, і в сумі виходить відштовхування. І чим вища енергія вакууму, тим вона сильніша.

А ще хибний вакуум нестабільний і зазвичай дуже швидко розпадається, перетворюючись на низькоенергетичний вакуум. Надлишок енергії йде породження вогняного згустку елементарних частинок. Тут важливо наголосити, що Алан Гут не винаходив помилковий вакуум з такими дивними властивостями спеціально для своєї теорії. Його існування випливає з фізики елементарних частинок.

Гут просто припустив, що на початку історії Всесвіту простір перебував у стані хибного вакууму. Чому так сталося? Гарне питання, і тут є що сказати, але ми повернемося до цього питання наприкінці статті. А поки припустимо слідом за Гутом, що молодий Всесвіт був заповнений хибним вакуумом. У такому разі викликана ним відштовхуюча гравітація призвела б до дуже швидкого розширення Всесвіту, що прискорюється. За такого типу розширення, який Гут назвав інфляцією, існує характерний час подвоєння, протягом якого розмір Всесвіту збільшується вдвічі. Це схоже на інфляцію в економіці: якщо її темпи є постійними, то ціни подвоюються, скажімо, за 10 років. Космологічна інфляція йде набагато швидше, з такою швидкістю, що за малу частку секунди крихітна область діаметром менше атомароздмухується до розмірів, що перевищують частину Всесвіту, що спостерігається сьогодні.

Оскільки помилковий вакуум нестабільний, він у результаті розпадеться, породжуючи вогняний потік, і цьому інфляція закінчується. Розпад помилкового вакууму грає у цій теорії роль Великого вибуху. З цього моменту Всесвіт розвивається відповідно до уявлень стандартної космології Великого вибуху.

Від умогляду до теорії

Теорія інфляції природним чиномпояснює особливості початкового стану, які насамперед здавалися такими загадковими. Висока температуравиникає через високої енергіїхибного вакууму. Розширення пов'язане з гравітацією, що відштовхує, яка змушує помилковий вакуум розширюватися, а вогненний згусток продовжує розширюватися за інерцією. Всесвіт однорідний тому, що помилковий вакуум скрізь має однакову щільність енергії (за винятком малих неоднорідностей, які пов'язані з квантовими флуктуаціями в помилковому вакуумі).

Коли теорія інфляції вперше була оприлюднена, її сприйняли лише як умоглядну гіпотезу. Але тепер, через 28 років, вона отримала вражаючі підтвердження спостереження, більшість з яких пов'язана з космічним фоновим випромінюванням. Супутник WMAP побудував карту інтенсивності випромінювання для неба і виявив, що видимий у ньому плямистий візерунок перебуває у бездоганній згоді з теорією.

Є і ще одне передбачення інфляції, яке полягає в тому, що Всесвіт повинен бути майже плоским. Відповідно до загальної теорії відносності Ейнштейна простір може бути викривлено, проте теорія інфляції передбачає, що область Всесвіту, що спостерігається нами, повинна з високою точністю описуватися плоскою, евклідовою, геометрією. Уявіть викривлену поверхню сфери.

Тепер подумки збільшіть цю поверхню в величезна кількістьразів. Це саме те, що трапилося із Всесвітом під час інфляції. Нам видно лише крихітну частину цієї величезної сфери. І вона здається плоскою так само, як Земля, коли ми розглядаємо невелику її ділянку. Те, що геометрія Всесвіту плоска, було перевірено шляхом виміру кутів гігантського трикутника розміром майже до космічного горизонту. Їхня сума склала 180 градусів, як і має бути при плоскій, евклідовій, геометрії.

Тепер, коли дані, отримані в області Всесвіту, що спостерігається нами, підтвердили теорію інфляції, можна певною мірою довіряти тому, що вона говорить нам про регіони, недоступні для спостереження. Це повертає нас до питання, з якого ми почали: що лежить за нашим космічним обрієм?

Світ нескінченних двійників

Відповідь, яку дає теорія, досить несподівана: хоча в нашій частині космосу інфляція закінчилася, у Всесвіті загалом вона продовжується. То там, то тут у її товщі трапляються. великі вибухи», в яких розпадається хибний вакуум і виникає область космосу, подібна до нашої. Але інфляція ніколи не закінчиться повністю, у всьому Всесвіті. Справа в тому, що розпад вакууму - ймовірнісний процес, і в різних областяхвін трапляється в різний час. Виходить, Великий вибух не був унікальною подієюу нашому минулому. Безліч «вибухів» трапилося раніше і незліченна кількість ще відбудеться в майбутньому. Цей ніколи не закінчується процес називається вічною інфляцією.

Можна спробувати уявити, як би виглядав інфлюючий Всесвіт, якщо поглянути на нього збоку. Простір було б заповнено хибним вакуумом і дуже швидко розширювалося на всі боки. Розпад фальшивого вакууму схожий на закипання води. То там, то тут спонтанно з'являються бульбашки низькоенергетичного вакууму. Щойно зародившись, бульбашки починають розширюватися зі швидкістю світла. Але вони дуже рідко стикаються, оскільки простір між ними розширюється ще швидше, утворюючи місце для нових і нових бульбашок. Ми живемо в одному з них і бачимо лише малу частину.

На жаль, подорожі до інших бульбашок неможливі. Навіть забравшись у космічний корабельі рухаючись майже зі швидкістю світла, нам не наздогнати за межами нашого міхура, що розширюються. Тож ми є його бранцями. З практичної точки зору кожен міхур є самодостатнім окремим всесвітом, у якого немає зв'язку з іншими бульбашками. У ході вічної інфляції породжується нескінченне числотаких міхурів-всесвітів.

Але якщо не можна дістатися інших міхурів-всесвітів, як переконатися, що вони справді існують? Одна з вражаючих можливостей – спостереження за зіткненням бульбашок. Якби інший міхур вдарився в наш, це мало б помітний вплив на спостережуване космічне фонове випромінювання. Проблема, однак, у тому, що зіткнення бульбашок дуже рідкісні, і не факт, що така подія траплялася в межах нашого горизонту.

Дивний висновок випливає з цієї картини світу: оскільки кількість всесвітів-бульбашок нескінченна і кожна з них необмежено розширюється, в них буде містити нескінченне число областей розміром з наш обрій. Кожна така галузь матиме свою історію. Під «історією» мають на увазі все, що сталося, аж до найменших подій, таких як зіткнення двох атомів. Ключовий моментполягає в тому, що кількість різних історій, які можуть мати місце, – звісно. Як це можливо? Наприклад, я можу посунути своє випорожнення на один сантиметр, на півсантиметра, на чверть і так далі: здається, що вже тут таїться необмежену кількістьісторій, оскільки я можу зрушити стілець нескінченним числом різних способівна скільки завгодно мала відстань. Однак через квантову невизначеність дуже близькі одна до одної історії принципово неможливо розрізнити. Таким чином, квантова механікакаже нам, що кількість різних історій звичайно. З моменту Великого вибуху для області, що спостерігається, воно становить приблизно 10, зведене в ступінь 10150. Це неймовірно велике числоАле важливо підкреслити, що воно не нескінченне.

Отже, обмежена кількість історій розгортається у нескінченному числі областей. Неминучим є висновок, що кожна історія повторюється нескінченне число разів. Зокрема, існує безліч земель з такими ж історіями, як у нашої. Це означає, що десятки ваших дублів зараз читають цю фразу. Повинні існувати також галузі, історії яких чимось відрізняються, реалізуючи всі можливі варіації. Наприклад, є області, в яких змінено лише прізвисько вашого собаки, а є інші, де по Землі досі ходять динозаври. Хоча, звісно, ​​у більшості областей немає нічого схожого на нашу Землю: адже куди більше способіввідрізнятиметься від нашого космосу, чим бути на нього схожим. Ця картина може здатися дещо гнітючою, але її дуже важко уникнути, якщо визнається теорія інфляції.

Бульбашки мультиверсу

Досі ми припускали, що інші всесвіти-бульбашки схожі між собою по своїх фізичним властивостям. Але це необов'язково має бути так. Властивості нашого світу визначаються набором чисел, які називають фундаментальними постійними. Серед них Ньютонова гравітаційна стала, маси елементарних частинок, їх електричні заряди тощо. Усього існує близько 30 таких констант, і виникає цілком природне питання: чому вони мають саме такі значення, які є? Довгий часфізики мріяли, що одного разу зможуть вивести значення констант із якоїсь фундаментальної теорії. Але суттєвого прогресу цьому шляху досягнуто був.

Якщо виписати на листок паперу значення відомих фундаментальних постійних, вони видадуться цілком випадковими. Деякі з них дуже малі, інші великі, і за цим набором чисел немає ніякого порядку. Однак у них все ж таки була помічена система, хоча й дещо іншого роду, ніж сподівалися виявити фізики. Значення констант, схоже, ретельно підібрані для забезпечення нашого існування. Це спостереження отримало назву антропного принципу. Константи ніби спеціально тонко налаштовані Творцем, щоб створити відповідний для життя Всесвіт - це саме те, про що говорять нам прихильники вчення про розумний задум.

Але існує інша можливість, що малює зовсім інший образ Творця: він довільним чином породжує безліч всесвітів, і випадково деякі з них виявляються придатними для життя. З'явилися в таких рідкісних всесвітіврозумні спостерігачі виявляють чудове тонке налаштування констант. У цій картині світу, яка називається Мультиверсом, більшість бульбашок безплідна, але в них немає нікого, хто міг би на це поскаржитися.

Але як перевірити концепцію мультиверса? Прямі спостереження нічого не дадуть, оскільки ми не можемо подорожувати в інші бульбашки. Можна, однак, як у кримінальному розслідуванні, знайти непрямі докази. Якщо константи змінюються від одного всесвіту до іншого, їх значення у нас не можна точно передбачити, але можна зробити імовірнісні передбачення. Можна спитати: які значення виявить середньостатистичний спостерігач? Це аналогічно спробі передбачити зростання першої зустрічної людини на вулиці. Навряд чи він виявиться гігантом чи карликом, тому якщо прогнозувати, що його зростання буде десь близько середнього, ми, як правило, не помилимося. Аналогічно і з фундаментальними постійними: немає підстав думати, що їх значення в нашій області космосу дуже великі чи малі, інакше кажучи, вони суттєво відрізняються від тих, що виміряють більшість спостерігачів у Всесвіті. Припущення про нашу невиключність – це важлива ідея; я назвав її принципом пересічності.

Цей підхід був застосований до так званої постійної космологічної, яка характеризує щільність енергії нашого вакууму. Значення цієї постійної, отримане з астрономічних спостережень, виявилося у добрій згоді з прогнозами, заснованими на концепції Мультиверсу. Це стало першим свідченням існування там, за горизонтом, воістину колосального Всесвіту, який завжди інфлює. Це свідчення, звичайно, опосередковане, яким тільки й могло бути. Але якщо нам пощастить зробити ще кілька вдалих пророцтв, то нову картинусвіту можна буде визнати доведеною за межами розумних сумнівів.

Що було до величезного вибуху?

А чи був у Всесвіті початок? Ми описали космос, що безмежно розширюється, породжує все нові «великі вибухи», але хотілося б знати, чи завжди Всесвіт був таким? Багато хто знаходить таку можливість вельми привабливою, оскільки вона позбавляє деяких важких питань, пов'язані з початком Всесвіту. Коли Всесвіт вже існує, його еволюція описується законами фізики. Але як описувати її початок? Що змусило Всесвіт з'явитися? І хто поставив їй початкові умови? Було б дуже зручно сказати, що Всесвіт завжди перебуває у стані вічної інфляції без кінця і початку.

Ця ідея, однак, стикається з несподіваною перешкодою. Арвінд Борд та Алан Гут довели теорему, яка стверджує, що хоча інфляція вічна в майбутньому, вона не може бути вічною у минулому, а це означає, що у неї має бути якийсь початок. І яке б воно не було, ми можемо питати: а що було до того? Виходить, що одне з основних питань космології - з чого почався Всесвіт? - Так і не отримав задовільного відповіді.

Єдиний запропонований досі спосіб обійти цю проблему нескінченної регресії полягає в тому, що Всесвіт міг бути спонтанно створений з нічого. Часто кажуть: ніщо не може з'явитися з нічого. Справді, матерія має позитивною енергією, і закон її збереження вимагає, щоб у будь-якому початковому стані енергія була такою самою. Однак математичний фактполягає в тому, що замкнутий всесвіт має нульову енергію. У загальній теорії відносності Ейнштейна простір може бути викривленим і замикатися він подібно поверхні сфери. Якщо в такому замкнутому всесвіті рухатися весь час в один бік, то зрештою повернешся туди, звідки стартував, - так само, як повертаєшся в вихідну точку, обійшовши навколо Землі. Енергія матерії позитивна, але енергія гравітації - негативна, і можна суворо довести, що в замкнутому всесвіті їх вклади точно компенсують один одного, так що повна енергія замкнутого всесвіту дорівнює нулю. Інша величина, що зберігається - електричний заряд. І тут теж виявляється, що повний заряд замкнутого всесвіту має бути нульовим.

Якщо всі збережені величини в замкнутому всесвіті дорівнюють нулю, то ніщо не перешкоджає її спонтанній появі з нічого. У квантовій механіці будь-який процес, який не заборонений суворими законами збереження, з певною ймовірністю відбуватиметься. А значить, замкнуті всесвіти повинні з'являтися з нічого подібно бульбашкам в келиху шампанського. Ці новонароджені всесвіти можуть бути різного розмірута заповнені різними типамивакуум. Аналіз показує, що найбільш ймовірні всесвіти мають мінімальні початкові розміри та найвищу енергію вакууму. Варто з'явитися такому всесвіту, як негайно під впливом високої енергії вакууму він починає розширюватися. Саме так і розпочинається історія вічної інфляції.

Космологія Блаженного Августина

Слід зазначити, що аналогія між всесвітами, що виникають з нічого, і бульбашками шампанського не зовсім точна. Пухирці народжуються в рідині, а у всесвіті немає ніякого навколишнього простору. Зародився замкнутий всесвіт - це і є існуючий простір. До її появи ніякого простору не існує, як не існує часу. У загальній теорії відносності простір і час пов'язані у єдину сутність, звану «простором-часом», і час починає свій відлік лише після того, як з'являється Всесвіт.

Щось подібне багато століть тому було описано Августином Блаженним. Він намагався зрозуміти, що робив Бог до того, як створив небеса та землю. Свої міркування над цією проблемою Августин виклав у чудовій книзі «Сповідь». Висновок, до якого він у результаті прийшов, полягає в тому, що Бог мав створити час разом із Всесвітом. До того не було часу, а значить, безглуздо питати, що було раніше. Це дуже схоже на відповідь, яку дає сучасна космологія.

Ви можете запитати: що змусило Всесвіт з'явитися з нічого? Хоч як це дивно, жодної причини не потрібно. Якщо взяти радіоактивний атом, він розпадеться, і квантова механіка передбачає можливість його розпаду за певний інтервал часу, скажімо, за хвилину. Але якщо запитати, чому атом розпався саме в даний конкретний момент, а не в інший, то відповідь полягатиме в тому, що не було жодної причини: цей процес є випадковим. Аналогічно не потрібна причина і для квантового створення Всесвіту.

Закони фізики, які описують квантове народження Всесвіту, - ті самі, що описують її подальшу еволюцію. З цього, мабуть, випливає, що закони існували в певному сенсі, перш ніж виник Всесвіт. Іншими словами, закони, схоже, не є описом Всесвіту, а мають якесь платонівське існування, крім самого Всесвіту. Ми поки що не знаємо, як це розуміти.

Олександр Віленкін – директор Інституту космології в Університеті Тафтса (Бостон, штат Массачусетс). Він закінчив Харківський університет 1971 року, 1976-го емігрував із СРСР, 1978-го став професором Університету Тафтса. Віленкін - один із провідних сучасних космологів, автор концепції вічної інфляції, що виникла як розвиток інфляційної космології Алана Гута, спільно з яким написав ряд наукових праць. Відома полеміка між Олександром Віленкіним і Стівеном Хокінгом щодо того, як саме трапилося квантове народження Всесвіту. Віленкін є прихильником антропного принципу, за яким існує безліч всесвітів і лише деякі з них придатні для життя розумних мешканців. Причому Віленкін вважає, що з антропного принципу можна отримати нетривіальні передбачення, що дозволяють підтвердити існування недоступних спостереженню всесвіту. Бурхливі дискусії викликала науково-популярна книга Олександра Віленкіна «Світ безлічі світів: у пошуках інших всесвітів», опублікована на англійською. Цього року вона виходить російською.

Книга «Всесвіт. Посібник з експлуатації» - ідеальний путівник з найважливіших - і, звичайно, найчарівніших - питань сучасної фізики: «Чи можливі подорожі у часі?», «Чи існують подорожі? паралельні всесвіти?», «Якщо всесвіт розширюється, то куди він розширюється?», «Що буде, якщо, розігнавшись до швидкості світла, подивитися на себе в дзеркало?», «Навіщо потрібні колайдери частинок і чому вони повинні працювати постійно? Хіба в них не повторюють без кінця одні й самі експерименти?». Гумор, парадоксальність, захоплюючість та доступність викладу ставлять цю книгу на одну полицю з бестселерами Г. Перельмана, С. Хокінга, Б. Брайсона та Б. Гріна! Справжній подарунок для всіх, кого цікавить сучасна наука- від допитливого старшокласника до його улюбленого вчителя, від студента-філолога до доктора фізико-математичних наук!

Що за ними, не видно, але ми знаємо, як виглядає Всесвіт зараз і як він виглядав у кожний момент часу з ранніх стадійдо сьогоднішнього дня, тож можемо здогадатися, що знаходиться за цією космічною шторою. Так і підмиває за неї зазирнути, правда?

Так от, хоча заглянути за обрій ми не в силах, зате бачимо досить багато, щоб задовольняти власну та чужу цікавість державним коштом. Найкрасивіше - чим довше ми чекаємо, тим старшим стає Всесвіт і тим далі відсувається обрій. Інакше кажучи, існують далекі куточки Всесвіту, чиє світло доходить до нас тільки зараз.

А що ж за горизонтом? Цього ніхто не знає, але ми маємо право робити обґрунтовані припущення. Пам'ятайте, що Коперник та його послідовники ясно показали нам; «Коли кудись йдеш, то все одно кудись прийдеш», тому можна припустити, що за горизонтом Всесвіт виглядає приблизно так само, як і тут. Звичайно, там будуть інші галактики, але їх виявиться приблизно стільки ж, що й навколо нас, і вони будуть виглядати приблизно так само, як і наші сусідки. Але це не обов'язково правда. Ми висуваємо таке припущення, оскільки ми не маємо причин думати інакше.

> Структура Всесвіту

Вивчіть схему структури Всесвіту: масштаби простору, карта Всесвіту, скупчення, скупчення, групи галактик, галактики, зірки, Велика стінаСлоуна.

Ми живемо у нескінченному просторі, тому завжди цікаво дізнатися, як виглядають структура та масштаби Всесвіту. Глобальна вселенська структура є порожнечами і волокнами, які можна розбити на , скупчення, галактичні групи, а вже в кінці і самі . Якщо знову зменшувати масштаби, то розглянемо (Сонце – одна з них).

Якщо ви усвідомлюєте, як виглядає ця ієрархія, то краще зрозуміти, яку роль грає кожен названий елемент у структурі Всесвіту. Наприклад, якщо ми проникнемо ще далі, то зауважимо, що молекули поділяються на атоми, а ті на електрони, протони та нейтрони. Останні два також трансформуються у кварки.

Але це малі елементи. А що робити з величезними? Що являють собою скупчення, порожнечі і волокна? Рухатимемося від маленького до великого. Внизу можете подивитися, як виглядає карта Всесвіту в масштабі (тут добре проглядаються нитки, волокна та порожнечі простору).

Існують одиночні галактики, але більшість вважають за краще розташовуватися групами. Зазвичай це 50 галактик, які займають діаметром 6 мільйонів світлових років. Група Чумацького Шляху налічує понад 40 галактик.

Скупчення - це області з 50-1000 галактиками, що досягають розмірів 2-10 мегапарсек (діаметр). Цікаво відзначити, що їхні швидкості неймовірно великі, а отже, мають долати гравітацію. Але вони все ж таки тримаються разом.

Обговорення темної матеріїз'являється на етапі розгляду саме галактичних скупчень. Вважають, що вона створює ту силу, яка не дозволяє галактикам розійтися в різні сторони.

Іноді групи також об'єднуються, щоб сформувати скупчення. Це одні з найбільших структур Всесвіту. Найбільший представник – Велика Стіна Слоуна, що розтягнулася на 500 мільйонів світлових років завдовжки, 200 мільйонів світлових років завширшки та 15 мільйонів світлових років завтовшки.

Сучасні прилади ще недостатньо потужні, щоб збільшувати зображення. Зараз ми можемо розглянути два компоненти. Ниткоподібні структури – складаються із ізольованих галактик, груп, скупчень та надскоплень. А також порожнечі – гігантські порожні бульбашки. Подивіться цікаві відео, щоб дізнатися більше інформації про структуру Всесвіту та властивості її елементів.

Ієрархічне формування галактик у Всесвіті

Астрофізик Ольга Сільченко про властивості темної матерії, речовину в раннього Всесвітута реліктовому фоні:

Матерія та антиматерія у Всесвіті

ізік Валерій Рубаков про ранній Всесвіт, стабільність речовини та баріонний заряд:

• Переклад

Симуляція великомасштабної структури Всесвіту демонструє складні неповторні скупчення. Але на наш погляд ми можемо бачити кінцевий обсяг Всесвіту. Що лежить поза його межами?

13,8 млрд років тому відомий нам Всесвіт почався з Великого вибуху. За цей час розширився простір, матерія зазнавала гравітаційного тяжіння, і в результаті ми отримали такий Всесвіт, який спостерігаємо сьогодні. Але нехай вона і величезна, наші спостереження мають межі. На певній відстані галактики зникають, зірки тьмяніють, і жодних сигналів від віддалених частин Всесвіту ми не отримуємо. А що ж знаходиться за цією межею? Цього тижня читач запитує:

Якщо Всесвіт кінцевий в обсязі, де знаходиться його межа? Чи можна наблизитися до неї? Як вона виглядатиме?

В безпосередній близькості від нас Всесвіт сповнений зірок. Якщо відлетіти за 100 000 світлових років, то можна залишити за собою Чумацький шлях. За ним простягається море галактик - можливо, два трильйони всередині спостережуваного Всесвіту. Існує велика кількістьїх різновидів, форм, розмірів та мас. Але розглядаючи більш віддалені галактики, можна побачити щось незвичайне: що далі галактика, то ймовірніше те, що вона буде меншою за розміром і по масі, а її зірки будуть тяжіти до блакитному кольорусильніше, ніж у найближчих галактик.

Чим відрізняються галактики у різний час історії Всесвіту

Це має сенс за умови наявності у Всесвіті початку дня народження. Саме цим і був Великий вибух, день, коли народився відомий нам Всесвіт. Вік галактики, що є відносно неподалік нашої, збігається з нашим віком. Але розглядаючи галактику, що знаходиться в мільярдах світлових років від нас, ми бачимо світло, якому довелося йти мільярди років, перш ніж воно досягло наших очей. Вік галактики, світлу якої знадобилося 13 млрд років на те, щоб дійти до нас, має бути меншим за мільярд років, і заглядаючи все далі в простір ми, по суті, заглядаємо в минуле.

Композит з ультрафіолетового, видимого та інфрачервоного світла, отриманий проектом Хаббла eXtreme Deep Field – найбільше з випущених зображення далекого Всесвіту

Вище наведено зображення проекту Хаббл eXtreme Deep Field (XDF), глибоке зображення віддаленого Всесвіту. На ньому видно тисячі галактик, що знаходяться на різних відстанях від нас і один від одного. Але в простому кольорі не можна побачити, що з кожною галактикою пов'язаний певний спектр, в якому хмари газу поглинають світло. певних довжинхвиль, завдяки простій фізиці атома. З розширенням Всесвіту ця довжина розтягується, тому більше дальні галактикиздаються нам червонішими. Ця фізика дозволяє нам робити припущення про відстань до них, і коли ми розставляємо ці відстані, з'ясовується, що найвіддаленішими галактиками виявляються наймолодші та найдрібніші.

За галактиками повинні знаходитися перші зірки, а потім нічого, крім нейтрального газу - коли Всесвіт не мав часу стягнути матерію в досить щільні для формування зірок структури. Пройшовши ще кілька мільйонів років тому, ми побачимо, що випромінювання у Всесвіті було настільки гарячим, що не могли сформуватися нейтральні атоми, отже фотони постійно відскакували від заряджених частинок. Коли ж нейтральні атоми сформувалися, це світло мало просто піти по прямій лінії, і йти вічно, оскільки на нього не впливає нічого, крім розширення Всесвіту. Відкриття цього залишкового свічення - реліктового випромінювання- Понад 50 років тому стало остаточним підтвердженням Великого вибуху.

Систематична діаграма історії Всесвіту, що описує реіонізацію. До формування зірок і галактик Всесвіт був наповнений нейтральними атомами, що блокували світло. І хоча більша частинаВсесвіту зазнала реіонізації лише через 550 млн років, деякі більш щасливі ділянки практично реіонізувалися раніше за цей термін.

З нашого сьогодення ми можемо подивитися в будь-якому напрямку і побачити однаковий хід космічної історії. Сьогодні, через 13,8 млрд років після Великого вибуху, у нас є відомі нам галактики та зірки. Раніше галактики були меншими, голубішими, молодшими і не такі розвинені. До того були перші зірки, а до цього лише нейтральні атоми. До нейтральних атомівбула іонізована плазма, а до неї - вільні протони та нейтрони, спонтанне виникнення матерії та антиматерії, вільні кваркиі глюони, всі нестабільні частки Стандартної моделі, і, нарешті, самий момент Великого вибуху. Заглядати на більш далекі відстані - це все одно, що заглядати в минуле.

Подання художника у вигляді логарифмічної концепції Всесвіту, що спостерігається. За галактиками слідує великомасштабна структурата гаряча, щільна плазма Великого вибуху на задвірках. Край є межею лише у часі.

Хоча це визначає наш спостерігається Всесвіт - з теоретичним кордоном Великого вибуху, що знаходиться - це не буде якимось реальним кордоном простору. Це просто межа у часі; існують обмеження того, що ми можемо побачити, оскільки швидкість світла дозволила інформації подорожувати лише 13,8 млрд. років з моменту гарячого Великого вибуху. Ця відстань більше 13,8 млрд світлових років, оскільки тканина Всесвіту розширювалася (і продовжує розширюватися), але вона все одно звісно. Але що щодо часу до Великого вибуху? Що б ви побачили, якби якось потрапили за одну частку секунди до того, як Всесвіт мав найвищу з енергій, був щільний, гарячий, повний матерії, антиматерії та випромінювання?

Інфляція забезпечила гарячий Великий вибух і дала зростання Всесвіту, до якого ми маємо доступ. Флуктуації інфляції заронили насіння, що виросло в структуру, що є в неї сьогодні.

Ви виявили б стан космічної інфляції, в якому Всесвіт розширювався надзвичайно швидко, і в якому домінувала енергія, властива самому простору. Простір у цей час експоненційно розширювався, був розтягнутий до плоского стану, набув однакові властивостіу всіх місцях, що існували тоді частинки, були розкидані в різні боки, а флуктуації, властиві квантовим полям, були розтягнуті по всьому Всесвіту. Коли інфляція закінчилася в тому місці, де ми знаходимося, гарячий Великий вибух наповнив Всесвіт матерією і випромінюванням, і породив ту частину Всесвіту - спостережувану Всесвіт - яку ми бачимо сьогодні. І ось, через 13,8 млрд років, ми маємо те, що маємо.

Спостережуваний Всесвіт може простягатися на 46 млрд світлових років на всі боки з нашої точки зору, але, напевно, є і більше неспостеріганих частин Всесвіту, можливо, навіть нескінченна кількість, схожих на ту, в якій ми знаходимося

Наше розташування нічим особливим не відрізняється, ні у просторі, ні у часі. Те, що ми можемо бачити на 46 млрд світлових років, не надає якогось особливого значенняцього кордону або цього місця розташування. Це просто обмеження нашого поля зору. Якби ми якимось чином змогли зробити фотографію всього Всесвіту, що простягається за кордон, що спостерігається, таким, яким він став через 13,8 млрд років після Великого вибуху, він би вся виглядав так, як наша найближча частина. У ній була б велика космічна мережа галактик, скупчень, галактичних ниток, космічних війдів, що тягнуться за межі відносно невеликої ділянки, видимої нам. Будь-який спостерігач у будь-якому місці побачив би Всесвіт, дуже схожий на той, що ми бачимо зі свого погляду.

Одне з найвіддаленіших спостережень Всесвіту демонструє розташовані неподалік зірки і галактики, але галактики із зовнішніх ділянок просто виглядають молодшими і менш розвиненими. З їхньої точки зору їм 13,8 млрд років від народження, і вони більш розвинені, а ми здається їм такими, якими були мільярди років тому

Окремі деталі відрізнялися б, як відрізняються наші деталі Сонячна система, галактики, місцевої групи тощо. від деталей іншого спостерігача. Але Всесвіт не обмежена в обсязі - обмежена тільки її спостерігається нами частина. Причиною тому тимчасовий кордон - Великий вибух - що відокремлює нас від решти. Ми можемо наблизитися до неї лише за допомогою телескопів, що заглядають у ранні дніВсесвіту і в теорії. Поки ми не придумаємо, як обхитрити поточний час, це буде нашим єдиним підходом до розуміння «кордону» Всесвіту. Але в космосі жодних меж немає. Наскільки ми знаємо, хтось на краю нашого спостережуваного Всесвіту просто побачив би нас на краю свого спостережуваного Всесвіту!

Вчені вперше отримали серйозний доказ того, що поряд з нашим світом ще кілька

Таємниці небесної карти

До сенсаційних висновків підштовхнули дані, отримані за допомогою космічного телескопа Планка (European Space Agency's Planck satellite).

Вважається, що це саме реліктове випромінювання, якими наповнено простір, є відлунням Великого Вибуху - коли 13,8 мільярдів років тому щось неймовірно крихітне і неймовірно щільне раптом "вибухнуло", розширилося і перетворилося на навколишній світ. Тобто, у наш Всесвіт.

Зрозуміти як стався "акт творіння" не вийде за всього бажання. Лише за допомогою вельми віддаленої аналогії можна уявити ніби щось грюкнуло-полахнуло і помчало. Але залишилися чи то "луна", чи то "відсвіт", чи якісь ошметки. Вони й утворили мозаїку, яка представлена ​​на карті, де світлі ("гарячі") ділянки відповідають потужнішому. електромагнітного випромінювання. І навпаки.

"Гарячі" та "холодні" плями мікрохвильового фону повинні чергуватись рівномірно. Але мапа свідчить: упорядкованого розподілу немає. З південної частини небосхилу йде набагато потужніше реліктове випромінювання, ніж із північної. І що дуже дивно: мозаїка рясніє темними провалами - деякими дірками і протяжними дірками, появу яких неможливо пояснити з позицій сучасної фізики.

Сусіди дають про себе знати

Ще в 2005 році фізик-теоретик Лаура Мерсіні-Хоутон (Laura Mersini-Houghton) з Університету Північної Кароліни (University of North Carolina at Chapel Hill) та її колега Річард Холман (Richard Holman), професор Університету Карнегі-Меллон University) передбачили існування аномалій мікрохвильового фону. І припустили, що виникли вони через те, що на наш Всесвіт впливають інші Всесвіти, розташовані поруч. Аналогічним чином на стелі вашої квартири виникають плями від "протеклих" сусідів, які дали про себе знати такими наочними аномаліями "штукатурного фону".

На колишній - менш чіткій - карті, складеної за даними зонда НАСА WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), що літав з 2001 року, нічого зовсім вже не дивно виходить видно не було. Одні натяки. А тепер – картина ясна. І сенсаційна. На думку вчених, аномалії, що спостерігаються, означають саме те, що наш Всесвіт не самотній. Інших - безліч.

Лаура та Річард теж не самотні у своїх поглядах. Приміром, Стефан Фіней (Stephen Feeney) з лондонського університетського коледжу (University College London) побачив на картині мікрохвильового фону, як мінімум, чотири аномально "холодні" круглі плями, які він назвав "синяками". І тепер доводить, що ці "синці" виникли від безпосередніх ударів сусідніх Всесвітів по нашому.

На його думку, Стефанна, Всесвіт виникають і пропадають немов бульбашки пари в киплячій рідині. А виникнувши, стикаються. І відскакують один від одного, залишаючи сліди.

Куди їх несе?

Кілька років тому групу фахівців НАСА під керівництвом астрофізика Олександра Кашлинського виявили дивна поведінкаприблизно у 800 віддалених галактичних скупчень. Виявилося, що всі вони летять в одному напрямку - у певну частину космосу - зі швидкістю 1000 кілометрів на секунду. Це світове переміщення було названо "Темним потоком".

Нещодавно з'ясувалося, що " Темний потікОхоплює аж 1400 галактичних скупчень. І несе їх у район, розташований десь біля кордонів нашого Всесвіту. З чого б це? Або галактики засмоктує в інший Всесвіт.

Зі світу в світ перелітаючи

Чи можна потрапити з нашого Всесвіту до якогось іншого? Чи сусіди відокремлені якоюсь непереборною перешкодою?

Перешкода переборна, - вважають професор Тібо Дамур (Thibault Damour) з французького Інституту передових наукових досліджень(Institut des Hautes E"tudes Scientifiques - IHE"S) та його колега доктор фізико-математичних наук Сергій Солодухін з московського Фізичного інституту РАН імені Лебедєва (ФІАН), який зараз працює в німецькому Бременському міжнародному університеті(International University Bremen). На думку вчених, існують ходи, які ведуть інші світи. З боку вони - ці ходи - виглядають точно як "чорні дірки". Але насправді не є.

Тунелі, які поєднують віддалені частини нашого Всесвіту, одні астрофізики називають "червоточинами" (wormholes), інші - "кротовими норами". Суть у тому, що, пірнувши в таку нору, можна миттєво виринути десь в іншій галактиці, віддаленій на мільйони, а то на мільярди світлових років. Принаймні теоретично подібна подорож можлива в межах нашого Всесвіту. А якщо вірити Дамуру та Солодухіну, то виринути можна ще далі – взагалі в іншому Всесвіті. Чи не закрита начебто і зворотна дорога.

Вчені за допомогою розрахунків уявили, як мають виглядати " кротові нори", що ведуть саме в сусідні Всесвіти. І виявилося, що подібні об'єкти нічим особливо не відрізняються від уже відомих "чорних дірок". І поводяться вони так само - поглинають матерію, деформують тканину простору-часу".

Єдина суттєва різниця: крізь "нору" можна пробратися. І залишитися цілим. А "чорна діра" розірве своїм жахливим гравітаційним полем корабель, що наближається до неї, на атоми.

На жаль, Тібо та Солодухін не знають, як з великої відстані безпомилково відрізнити "чорну дірку" від "кротової нори". Мовляв, це з'ясується лише у процесі занурення у об'єкт.

Від "чорних дірок", щоправда, походить випромінювання - так зване випромінювання Хокінга. А "кротові нори" нічого не випускають. Але випромінювання настільки мало, що вловити його неймовірно важко і натомість інших джерел.

Не зрозуміло поки що, і скільки часу займе стрибок у інший Всесвіт. Можливо, частки секунди, а можливо мільярди років.

І найдивовижніше: на думку вчених "кротові нори" можна створити штучно - на Великому адронному колайдері (БАК), зіштовхуючи частки на енергії, що багаторазово перевершує нині досягнутий рівень. Тобто утворюватимуться не "чорні діри", якими лякали ще до початку експериментів з моделювання Великого вибуху, а відкриватимуться "кротові нори". Наскільки страшно саме такий розвиток подій, фізики поки що не пояснили. Але сама перспектива – створити вхід до іншого Всесвіту – виглядає привабливо.

ДО РЕЧІ

Ми живемо всередині футбольного м'яча

Ще недавно вчені пропонували безліч варіантів форми нашого світу: від банальної кулі-бульбашки, до тора-бубліка, параболоїда. Або навіть … чашки з ручкою. Ну, не видно із Землі, як виглядає Всесвіт із боку. Однак тепер, придивившись до картини розподілу реліктового випромінювання, астрофізики зробили висновок: Всесвіт схожий на футбольний м'яч, "зшитий" з п'ятикутників - додекаедрів, за науковим.

- "М'яч", звичайно, величезний, - каже Дуглас Скотт з Університету Британської Колумбії (Канада), - але не настільки, щоб вважати його нескінченним.

Вчені знову посилаються на дивний порядок розподілу "холодних" та "гарячих" ділянок. І вважають, що "візерунок" такого масштабу міг виникнути лише в обмеженому за розмірами Всесвіті. З обчислень випливає: від краю до краю всього 70 мільярдів світлових років.

А що там за краєм? Про це вважають за краще не думати. Пояснюють: простір ніби замкнутий сам на себе. І той "м'яч", у якому ми живемо, ніби "дзеркальний" зсередини. І якщо послати із Землі промінь у будь-який бік, то він обов'язково колись повернеться назад. А деякі промені нібито вже повернулися, відбившись від "дзеркального краю". І не один раз. Мовляв, від цього астрономи бачать деякі (ті самі) галактики в різних частинахнебозводу. Та ще й із різних боків.