Rating@Mail.ru
История Вселенной: Космология от Эдвина Хаббла до «Джеймса Уэбба»

Краткая история всего

История Вселенной: Космология от Эдвина Хаббла до «Джеймса Уэбба»

Мы живем в расширяющейся Вселенной, возраст которой составляет примерно 13,8 миллиарда лет. Из-за конечности возраста Вселенной и скорости света нам доступна для наблюдений лишь небольшая ее область, изучая которую мы пытаемся восстановить и понять свойства всего нашего мира. Эту область называют наблюдаемой частью Вселенной. Говоря о ней, мы будем обозначать ее вселенной с маленькой буквы. А под Вселенной будем понимать всю ту область — возможно, бесконечную, — элементом которой является доступная нам часть. Наконец, существуют модели, допускающие существование мультивселенных. В них наша Вселенная является лишь одной из многих.

Несмотря на грандиозность задачи, за последние полвека мы достигли больших успехов, и теперь неплохо представляем себе историю нашей Вселенной начиная с первых секунд ее существования.

Откуда мы знаем раннюю историю Вселенной?

Современная космология началась с измерения скоростей движения галактик и расстояний до них. Расширение Вселенной было открыто в 1929 году благодаря в первую очередь работам Эдвина Хаббла. К этому времени уже существовала теоретическая основа для описания эволюции нашего мира. Александр Фридман (1922) в рамках общей теории относительности построил первую модель эволюционирующей Вселенной, а Жорж Леметр (1927), независимо создав и проанализировав аналогичный сценарий, показал, что в расширяющейся Вселенной скорость удаления галактик друг от друга будет пропорциональна расстоянию между ними. В 1929 году Эдвин Хаббл убедительно показал, что скорость разлета галактик в самом деле пропорциональна расстоянию: чем дальше они находятся, тем быстрее от нас удаляются. Теперь мы называем это соотношение законом Хаббла. Уже в первой трети ХХ века трудами ряда ученых — Эйнштейна, де Ситтера и других — был построен ряд теоретических моделей, заложивших основы современной космологии. Однако до второй половины ХХ века отсутствие новых наблюдательных данных не позволяло существенно продвинуться в понимании эволюции Вселенной.

Череда открытий и современные телескопы обеспечили в последние полвека фантастический прогресс космологии. Современная наука основывает свои выводы уже на целом комплексе наблюдательных данных. Ключевыми источниками информации являются:

  • данные по динамике расширения Вселенной;
  • наблюдения реликтового излучения;
  • измерения обилия химических элементов;
  • параметры крупномасштабной структуры Вселенной;
  • изучение эволюционных изменений различных объектов.


Важнейшим результатом стало открытие Пензиасом и Уилсоном (1965) так называемого реликтового излучения — самого древнего свидетельства молодой Вселенной, которое сейчас можно непосредственно пронаблюдать. В первые примерно 350 000 лет наша Вселенная была достаточно горячей и плотной, чтобы вещество в ней было ионизировано. Фотоны взаимодействовали со свободными электронами, и Вселенная была непрозрачной для заполнявшего ее теплового излучения. Уменьшение температуры и плотности в ходе расширения привело к тому, что произошла рекомбинация: электроны присоединились к ядрам, образовав нейтральные атомы. Вещество стало прозрачным, и все излучение, которым была заполнена Вселенная, стало свободным. Именно его мы и наблюдаем как реликтовое излучение. На момент рекомбинации температура излучающего вещества равнялась примерно 3000 К. Из-за космологического красного смещения температура этого излучения упала с момента эпохи рекомбинации до наших дней примерно в 1100 раз. Поэтому сейчас максимум в спектре приходится на радиодиапазон (температура чуть менее 3 К).

Реликтовое излучение непосредственно дает нам информацию об условиях во Вселенной спустя 350 000 лет после Большого взрыва. Его наличие доказывает, что молодая Вселенная была не только плотной, но и горячей. Вклад излучения в полную плотность Вселенной был доминирующим первые десятки тысяч лет с начала расширения. Кроме того, анализ распределения температуры реликтового излучения по небу позволяет определять ряд космологических параметров, например кривизну Вселенной (ее геометрию).

Александр Фридман (1888–1925) — русский физик, автор первой нестационарной модели Вселенной.

Жорж Леметр (1894–1966) — бельгийский астроном и математик, а также католический священник, открывший закон Хаббла.

Арно Пензиас (р. 1933) и Роберт Уилсон (р. 1936) — американские физики, в 1960-е годы — сотрудники Лабораторий Белла.

Рупорная антенна в Холмделе, Нью-Джерси. С ее помощью Пензиас и Уилсон зарегистрировали реликтовое излучение
Поделиться
Рупорная антенна в Холмделе, Нью-Джерси. С ее помощью Пензиас и Уилсон зарегистрировали реликтовое излучениеNASA

Существование реликтового излучения было предсказано теоретиками — Ральфом Альфером, Георгием Гамовым — в 40-е годы ХХ века. Этот результат был побочным продуктом построения модели происхождения элементов, первичного нуклеосинтеза. В горячей и плотной Вселенной не могли существовать сложные структуры, в том числе и ядра атомов. По мере остывания и уменьшения плотности на короткое время, на несколько минут, должны были сложиться условия, подходящие для синтеза элементов из исходных протонов и нейтронов. Расчеты показывают, что синтез не мог продвинуться далеко по таблице Менделеева. В итоге самыми обильными элементами во Вселенной стали обычный водород и гелий (99% видимого вещества). Кроме них, в молодой Вселенной успели образоваться ничтожные количества дейтерия (изотопа водорода) и лития. Современные измерения содержания гелия, дейтерия и лития в различных астрономических объектах позволяют восстановить свойства Вселенной в первые несколько минут ее жизни.

Данные по динамике расширения Вселенной и реликтовому излучению позволяют получить надежные оценки современной средней плотности Вселенной. При этом данные по первичному нуклеосинтезу говорят, что плотность обычного вещества (протоны и нейтроны) не могла быть слишком большой в интервале времени примерно от одной до десяти минут, иначе доля гелия была бы больше. А значит, помимо обычного вещества, во Вселенной должно быть и темное.

Наблюдая далекие объекты, мы смотрим в прошлое. Поэтому мы можем не только определять современные параметры распределения галактик, но и изучать их эволюцию со временем. На фоне расширения Вселенной под действием гравитации продолжают расти структуры. На сегодняшний день самые большие из них — это сверхскопления галактик. Но, заглядывая в прошлое, мы можем видеть времена, когда скоплений галактик еще не было.

Пятнадцать лет назад телескоп имени Хаббла получил изображение небольшого участка звездного неба в созвездии Печи. Эта площадка была выбрана не случайно: отсутствие на изображении множества звезд нашей Галактики позволило разглядеть совсем неяркие объекты возрастом более 12 миллиардов лет. Если мы посмотрим на галактики в этом Ультраглубоком поле Хаббла, то увидим, что они не похожи на большинство современных галактик. Тогда, более 10 миллиардов лет назад, галактики еще только формировались. В них шло бурное образование звезд. Гигантские звездные системы чаще сливались друг с другом. Поэтому мы видим, что далекие галактики выглядят непривычно — иногда клочковатыми, иногда с необычными спиральными рукавами, иногда какими-то перекрученными... Кроме того, детальный анализ позволяет выделять в далеком прошлом, то есть на больших расстояниях от нас, объекты (например, облака газа) с низким содержанием элементов тяжелее гелия.

Темное вещество и темная энергия

Мы знаем, что развитие Вселенной началось из горячего плотного состояния, когда не могли существовать даже ядра элементов (а в самые ранние эпохи не могли существовать даже протоны и нейтроны, а также многие другие известные нам частицы). Однако сейчас мы видим, что звезды объединены в галактики, галактики — в группы и скопления, а скопления — в сверхскопления, которые формируют ячеисто-волокнистую структуру Вселенной. Только на масштабах порядка миллиарда световых лет Вселенная снова выглядит однородной: какой бы шарик (или кубик) размером в миллиард световых лет мы ни взяли, каждый будет содержать примерно одинаковое количество галактик и их скоплений. Как же из вроде бы однородной молодой Вселенной появился мир, в котором мы живем?

В самые первые мгновения жизни Вселенной, по всей видимости, за счет квантовых процессов возникали флуктуации в распределении массы-энергии (этот процесс естественным образом протекает, например, в инфляционных моделях ранней Вселенной). Поэтому спустя первые, самые бурные доли секунды в истории нашего мира мы уже увидели бы, что где-то плотность выше, а где-то ниже. Под действием гравитации такие флуктуации плотности могли бы расти, однако этому должно было мешать излучение. Ведь если где-то в обычном веществе в ранней Вселенной начинает расти плотность, то в этой области повышается плотность энергии излучения. Оно своим давлением останавливает рост и обращает его вспять. Флуктуации могут расти только в веществе, которое не взаимодействует с излучением. Это должен быть какой-то вид частиц, не входящий в Стандартную модель. Они должны слабо взаимодействовать друг с другом и обычным веществом и вовсе не должны взаимодействовать с электромагнитным излучением, чтобы структуры из такого вещества начали возникать и расти еще до того момента, когда произошла рекомбинация. Это — темное вещество!

О проекте «Краткая история всего»

«Краткая история всего» — мультимедийный сериал о том, что происходило с миром от Большого взрыва до появления современной цивилизации. Самое важное, что надо знать о Вселенной, Земле, жизни и человечестве, — в хронологическом порядке.

«Краткая история» создана вместе с Издательством Яндекса — программой поддержки просветительских проектов в интернете.

Партнер проекта
Краткая история всего

После рекомбинации, когда обычное вещество становится прозрачным, оно тоже может вносить вклад в рост флуктуаций. Однако, если бы уже не существовало структуры из темного вещества, галактики и их скопления просто не успели бы сформироваться к настоящему времени. Мы знаем это, потому что карта распределения температуры реликтового излучения по небу сообщает нам, насколько велики были флуктуации в плотности обычного вещества на момент его отделения от излучения. Таким образом, современные данные о крупномасштабной структуре, распределении галактик в больших масштабах и реликтовом излучении позволяют нам делать выводы о свойствах темного вещества.

Большие открытия в космологии начались с исследования динамики — обнаружения расширения Вселенной. Последнее большое открытие также связано с изучением динамики. В конце 90-х годов ХХ века было открыто ускоренное расширение Вселенной. Независимое определение расстояний до далеких галактик, проведенное по термоядерным сверхновым (так называемые сверхновые типа Ia — взрывы сверхкритических белых карликов), показало, что галактики располагаются чуть дальше, чем им полагается по стандартной на тот момент модели. Описать данные можно, если добавить в уравнения так называемый лямбда-член, придуманный еще Эйнштейном сто лет назад, то есть темную энергию.

Остаток сверхновой I типа G299
Поделиться
Остаток сверхновой I типа G299Изображение: © NASA/CXC/Техасский университет

Сейчас мы знаем, что примерно половину своей жизни, около 7 миллиардов лет, Вселенная расширялась с замедлением, а последние 7 миллиардов лет все быстрее и быстрее. Интерпретация этого результата остается предметом споров и исследований, однако основной гипотезой является существование темной энергии. Мы не знаем ее природы, это может быть некое физическое поле, а может быть свойство нашего вакуума. Но в любом случае повсюду она имеет одну и ту же плотность и обладает отрицательным давлением. Последнее свойство позволяет ей работать как антигравитация (но заметим, что это все происходит в рамках общей теории относительности, так что речь не идет о настоящей антигравитации, подобной, скажем, отталкиванию зарядов одного знака в электродинамике).

Все описанные выше данные достаточно хорошо укладываются в единую картину эволюционирующей Вселенной. Начав с горячего и плотного состояния с небольшими флуктуациями плотности, за 13 миллиардов лет Вселенная превратилась в мир, наполненный галактиками, состоящими из сотен миллиардов звезд. Благодаря ядерным реакциям в звездах возникли тяжелые элементы, поэтому вокруг звезд вращаются планеты, в том числе из камней и железа, как наша. У этих планет могут быть кислородные атмосферы, потому что за время жизни Вселенной в недрах звезд смогло появиться достаточно много этого вещества. А на поверхности планет могут обитать белковые формы жизни, потому что звезды обеспечили синтез элементов, необходимых для этого, а также дают свет и тепло своим планетам.

Кратчайшая история Вселенной

Физики уверены в том, что Вселенная возникла в состоянии высокой плотности и температуры. Первые доли секунды не могли существовать даже многие привычные нам элементарные частицы. Однако уже к первой секунде обычное вещество во Вселенной представляло собой горячую плазму, заполненную излучением. Именно плотность излучения определяла тогда динамику нашего мира (вклад обычного и темного вещества, а также темной энергии был существенно меньше).

В течение времени от нескольких десятков секунд до десяти минут во Вселенной шли реакции первичного нуклеосинтеза — возникли ядра гелия и некоторых других атомов. В результате наша Вселенная, если говорить об обычном (барионном) веществе, примерно на три четверти состоит из водорода и на четверть из гелия. Однако темного вещества по массе в пять раз больше! Именно благодаря ему, а не видимой материи структура Вселенной стала такой, какой мы ее знаем.

Спустя примерно 350 000 лет после начала расширения обычное вещество также стало участвовать в формировании структуры Вселенной. Но десятки миллионов лет этот процесс не приводил к качественным изменениям. Наконец, спустя примерно 100 миллионов лет начали рождаться первые звезды. Пока это лишь результаты теоретического моделирования, но возможно, что новый космический телескоп JWST позволит увидеть взрывы самых первых звезд.

Облако молекулярного водорода в созвездии Цефея, снятое в рентгеновском и инфракрасном диапазоне
Поделиться
Облако молекулярного водорода в созвездии Цефея, снятое в рентгеновском и инфракрасном диапазонеИзображение: © NASA/CXC/PSU; IRL NASA/JPL-Caltech/CfA

Процесс образования звезд происходил в облаках из темного вещества и первичного газа. Эти облака постепенно образовывали галактики, которые появляются спустя еще несколько сотен миллионов лет. Если среди первых звезд были объекты с массой меньше солнечной, то у нас есть шанс обнаружить их даже в нашей Галактике. А вот первые звезды больших масс (сотни масс Солнца) имели небольшое время жизни и через пару миллионов лет после появления порождали черные дыры с массами 100–200 солнечных. Кроме того, черные дыры могли возникать в результате коллапса больших облаков газа. Попадая в галактики, эти черные дыры росли за счет поглощения вещества и слияний друг с другом, превращаясь в сверхмассивные черные дыры. Поэтому в центре каждой достаточно крупной галактики находится такой монстр с типичной массой от миллиона до миллиарда масс Солнца.

В молодых галактиках на сверхмассивные черные дыры интенсивно натекал окружающий газ. Так возникали мощные источники излучения — квазары. Их число было особенно велико через 3–4 миллиарда лет после начала расширения. Сейчас квазары (и другие мощные активные ядра галактик) стали редкостью во Вселенной.

Изображение сверхскопления Девы, полученное с помощью телескопа Burrell Schmidt
Поделиться
Изображение сверхскопления Девы, полученное с помощью телескопа Burrell SchmidtИзображение: © Chris Mihos (Case Western Reserve University)/ESO

Спустя миллиард лет после начала расширения начали появляться скопления галактик. Отчетливо проявилась ячеисто-волокнистая структура. Гравитация вещества делала свое дело, собирая галактики в скопления и сверхскопления и притормаживая расширение Вселенной. Однако спустя семь миллиардов лет после Большого взрыва темная энергия начала выигрывать — расширение стало ускоренным.

Сейчас, как полагают ученые, Вселенная, если говорить о средней плотности, примерно на 70% состоит из темной энергии, на 25% — из темного вещества и лишь на 5% из обычной (барионной) материи. Электромагнитное излучение, а также нейтрино и другие виды частиц вносят лишь незначительный вклад в полную плотность. Поэтому динамика нашего мира в больших масштабах определяется в наши дни именно темной энергией.

Будущее Вселенной в первую очередь зависит от эволюции темной энергии. Если она не будет изменяться, то ее вклад будет расти — Вселенная будет расширяться все быстрее. Скопления галактик выживут, но из-за действия темной энергии не только не возникнут образования, более крупные, чем сверхскопления, но и сами сверхскопления, скорее всего, потеряют свои внешние части. Но не исключено, что темная энергия будет видоизменяться. Некоторые космологические модели допускают ее распад, превращение в другие формы материи. Тогда произойдет возврат к предыдущей стадии, и расширение Вселенной будет замедляться. Все это, впрочем, находится в области гипотез. Чтобы предсказать будущее Вселенной, необходимы новые данные.

Что смогут рассказать новые спутники?

Продвижение в области космологических исследований невозможно без новых наблюдений, в том числе с помощью космических аппаратов. Мы уже получили много важнейшей информации благодаря телескопам, установленным на спутниках. Ключевые результаты по эволюции галактик удалось получить благодаря работе телескопа имени Хаббла. Основные данные по реликтовому излучению — итог наблюдений на спутниках WMAP и Planck. В ближайшие годы должны быть запущены новые инструменты, которые помогут разобраться в космологических загадках.

Следующий большой космический телескоп — телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST) — должен позволить увидеть первые галактики, а также, если повезет, усиленные благодаря гравитационному линзированию вспышки сверхновых, порожденных звездами самого первого поколения. Его запуск запланирован на 2020 год.

Трехмерная модель космического телескопа имени Джеймса Уэбба
Поделиться
Трехмерная модель космического телескопа имени Джеймса УэббаИзображение: © NASA

В 2019 году на борту российского спутника «Спектр-Рентген-Гамма» должен быть запущен рентгеновский телескоп eRosita. Его основная задача — наблюдение скоплений галактик; eRosita позволит увидеть практически все скопления в видимой части Вселенной. Это даст возможность уточнить ряд космологических параметров и лучше понять, как развивалась крупномасштабная структура Вселенной.

Рентгеновский телескоп нового поколения Athena позволит нам разглядеть самые первые квазары. В свое время эти объекты внесли большой вклад в реионизацию: под действием их мощного ультрафиолетового излучения большая часть атомов во Вселенной снова ионизировалась. Кроме того, изучение очень далеких квазаров, находящихся в центрах первых крупных галактик, даст возможность лучше понять историю их формирования и ранней эволюции. Телескоп Athena должен начать работать на орбите в конце 2020-х годов.

Разрабатываются новые инструменты для наблюдения реликтового излучения с Земли и из космоса. Важная задача состоит в регистрации и изучении поляризации реликта. Именно в картах поляризации могли отпечататься первичные гравитационные волны, возникающие и усиливающиеся на стадии инфляции. Обнаружение такого сигнала дало бы нам прямую информацию о самых первых мгновениях жизни Вселенной и подтвердило бы основную гипотезу о рождении Вселенной и природе Большого взрыва. Основные надежды возлагают на спутники, способные строить карты реликтового излучения сразу для всего неба. Однако и наземные установки (стоящие в таких экзотических и экстремальных местах, как Антарктида или очень сухие высокогорные пустыни), каждая из которых изучает свойства реликта лишь на небольшом участке неба, могут внести свой вклад. Более того, вероятнее всего, именно они могут первыми заметить намеки на «отпечаток инфляции» в данных о поляризации реликтового излучения.

Специализированным аппаратом для уточнения свойств темного вещества и темной энергии будет спутник Европейского космического агентства (ESA) Euclid. Его запуск назначен на 2021 год. Инфракрасный телескоп на борту этого аппарата будет наблюдать большое количество далеких галактик. Изучение их распределения и параметров позволит с недостижимой ранее точностью изучить крупномасштабную структуру Вселенной и ее эволюцию.

На Земле будут строиться крупные телескопы, работающие в оптическом и радиодиапазонах. Для космологических исследований будет особенно важна работа гигантской системы радиотелескопов SKA (Square Kilometer Array). Наблюдая излучение нейтрального водорода, эта установка позволит лучше понять эпоху формирования первых галактик. Свою работу она должна начать в 2020-е годы.

По всей видимости, в ближайшие 10–20 лет нас ждут новые космологические открытия.

У вас остались вопросы?

Задайте их в Яндекс.Знатоках