9 вещей, которые мы до сих пор не знаем о Вселенной
Здравствуйте, уважаемые любители космоса!
Хотя может показаться, что ученые и астрономы знают о Вселенной очень много, мы далеко не знаем всего, что нужно знать.
Тем не менее, время от времени астрономы совершают прорыв в нашем понимании Вселенной, и наше представление о том, как работает Вселенная, существенно меняется.
Возьмем, к примеру, американского астронома Эдвина Хаббла (Edwin Hubble), который в 1923 году использовал 100-дюймовый телескоп Хукера в обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии, чтобы сфотографировать галактику Андромеда.
Галактика Андромеда в ультрафиолете.
Результаты расчетов решили один из самых больших оставшихся без ответа астрономических вопросов того времени.
Доказывая, что Андромеда и другие подобные ей «спиральные туманности» на самом деле были огромными галактиками, находящимися в миллионах световых лет от нас, а не маленькими объектами, находящимися ближе, в пределах Млечного Пути.
Это открытие навсегда изменило астрономию, показав, насколько на самом деле огромна наша Вселенная.
Возможно, с тех пор технологии значительно улучшились, но нашу Вселенную все еще окружает множество неразгаданных загадок.
Чего мы еще не знаем о Вселенной
Вот некоторые из наиболее актуальных проблем, занимающих лучшие астрономические умы 21 века.
Как сливаются сверхмассивные черные дыры?
Представление художника о слиянии двух черных дыр.
Когда черная дыра врезается в другую черную дыру, она посылает в само пространство ударные волны: гравитационные волны.
Однако до сих пор наблюдаемые нами слияния происходили из так называемых черных дыр звездной массы – тех, масса которых в несколько десятков раз превышает массу нашего Солнца.
Это крошечная цифра по сравнению со сверхмассивной черной дырой, масса которой может достигать миллиардов солнечных масс.
В центре каждой крупной галактики есть сверхмассивная черная дыра, и галактики также сталкиваются, так что же происходит с двумя черными дырами в их сердцах?
Можно подумать, что они тоже сольются, но есть проблема.
Столкновение двух черных дыр создает рябь в пространстве-времени, известную как «гравитационные волны».
Чтобы двигаться по спирали внутрь, черным дырам необходимо терять энергию, что они и делают, отдавая тепло окружающему газу, пыли и звездам.
Однако когда они оказываются на расстоянии парсека друг от друга – около 3,26 светового года – уже не остается ничего, чему можно было бы терять энергию.
Эта «последняя проблема парсека» означает, что сверхмассивные черные дыры должны продолжать вращаться вокруг друг друга и никогда фактически не сливаться.
Однако недавние данные эксперимента «NANOGrav» позволяют предположить, что Вселенная наполнена гравитационными волнами, образующимися в результате слияния сверхмассивных черных дыр.
Данные этого шума могут дать астрономам подсказки, необходимые для окончательного решения этой проблемы.
Как на самом деле выглядит Вселенная?
Сегодня Вселенная образует «космическую паутину», где газ в галактиках делает их непрозрачными, а пустоты между ними — прозрачными. Чего нельзя было сказать о ранней Вселенной.
Посмотрите на крупномасштабную структуру Вселенной сегодня: бесчисленные галактики натянуты на бесконечные нити космической паутины.
Кажется, что крошечные изменения плотности в самой ранней Вселенной послужили семенами, из которых в конечном итоге расцвела эта структура.
Чрезмерно плотные регионы поглощали все больше и больше материала, создавая заполненные галактиками сверхскопления и оставляя после себя суперпустоты.
Вот только теория Большого взрыва утверждает, что ранняя Вселенная должна была быть совершенно гладкой.
Как получилось, что он (Большой взрыв) имел крошечные несовершенства, составляющие всего несколько частей на сто тысяч, но именно он создал Вселенную такой, какой мы видим ее сегодня?
Снимок космического микроволнового фона — тепла, оставшегося от Большого взрыва — когда Вселенной было всего 380 000 лет, как видно с помощью телескопа «Планк». Он показывает крошечные колебания температуры, соответствующие областям с разной плотностью: семена, из которых вырастут современные звезды и галактики.
Одним из объяснений является модификация Большого взрыва, называемая инфляцией, которая описывает то, что произошло в первые несколько секунд существования Вселенной.
Он утверждает, что Вселенная пережила период сверхбыстрого расширения за первую ничтожную долю секунды.
Космос превратился из значительно меньшего атома в размер примерно с грейпфрут за триллионную триллионную триллионную долю секунды.
До этого Вселенная была настолько маленькой, что в ней доминировали мельчайшие квантовые вариации.
Последовавший за этим взрыв размеров взорвал эти вариации.
Иллюстрация, показывающая расширение Вселенной от Большого взрыва до наших дней.
Стоит сказать, что в настоящее время нет никаких доказательств того, что инфляция действительно имела место, хотя она помогает решить и другие проблемы, связанные с Большим взрывом.
Мы также не знаем истинных размеров Вселенной.
Астрономы говорят об наблюдаемой Вселенной — сферической области протяженностью 13,8 миллиардов световых лет во всех направлениях, где свет успел достичь нас со времен Большого взрыва.
Однако за космическим горизонтом вполне могут существовать вещи, находящиеся так далеко, что свет еще не достиг Земли.
Это также затрудняет определение формы Вселенной.
Астрономы в настоящее время полагают, что четырехмерная ткань пространства-времени плоская, но возможно, инфляция просто сгладила миллиарды световых лет, которые мы видим, а кроме того, Вселенная на самом деле искривлена.
Единственное, чего мы не знаем о Вселенной — это ее форма.
Что такое гравитация на самом деле?
Земля и Солнце искривляют пространство-время, создавая эффект, известный как гравитация.
Хотя мы знаем, что делает гравитация, неясно, как она это делает.
На данный момент лучшей теорией гравитации является общая теория относительности Эйнштейна.
В ней говорится, что массивные объекты, такие как Солнце, искажают пространство-время, ткань Вселенной, вокруг себя.
Тогда Земля попадает в ловушку искажений, которые создает Солнце, поэтому мы вращаемся по орбите.
Вот только физики иначе относятся к трем другим фундаментальным силам.
Все они переносятся частицами, называемыми бозонами.
Магниты притягивают друг друга, например, обмениваясь бозонами, называемыми фотонами.
Итак, ведется охота за гравитоном — пока что гипотетической частицей, которая могла бы отвечать за гравитацию.
Что происходит внутри черной дыры?
Изображение художником света, огибающего сверхмассивную черную дыру.
Один из наиболее часто задаваемых вопросов о черных дырах: «Что произойдет, если вы упадете в черную дыру?»
Подойдите слишком близко к горизонту черной дыры, и огромная разница в силе тяжести между вашей головой и ногами разорвет вас на куски, превратив в человеческие спагетти.
Но где в конечном итоге окажется эта паста?
Наша лучшая теория черных дыр — это общая теория относительности Эйнштейна.
В нем говорится, что внутри черной дыры пространство становится все более сконцентрированным и превращается во все меньший объем.
Фактически в самом низу пространство дробится на бесконечно маленькое пятнышко, называемое сингулярностью.
Однако сингулярность, скорее всего, станет заполнителем нашего невежества.
Кривизна пространства становится бесконечной, а плотность сингулярности становится неопределенной.
Другими словами, законы физики внезапно теряют свою предсказательную силу.
Слон в комнате — квантовая физика.
Если вы сожмете пространство до объема меньше атома, то квантовая физика, вероятно, сможет что-то сказать о том, что произойдет.
Однако, несмотря на множество отважных попыток, физикам еще предстоит удовлетворительным образом объединить общую теорию относительности и квантовую физику.
Если мы когда-нибудь создадим так называемую «Теорию Всего», мы, возможно, узнаем, чем нам нужно заменить сингулярность.
Что такое темная материя?
Что бы это ни было, «темная материя», похоже, заставляет внешние области ранних галактик вращаться медленнее.
Есть что-то в галактиках, что просто не имеет смысла – они вращаются слишком быстро.
Настолько быстро, что их внешние звезды должны были бы улететь в космос, но этого не происходит.
Вместо этого астрономы подозревают, что галактики содержат невидимый гравитационный клей, называемый темной материей, который помогает удерживать эти звезды.
Но из чего состоит темная материя?
Это одна из самых важных вещей, которые мы не знаем о Вселенной, поскольку это ключевой вопрос, на который нет ответа.
На протяжении десятилетий ведущей идеей была идея под названием «Слабо взаимодействующие массивные частицы» (WIMP — Weakly Interacting Massive Particles).
Вот только физики приложили немало усилий и провели обширные и исчерпывающие поиски, но так и не увидели ни одиной.
И поэтому они начинают серьезно рассматривать другие варианты.
На этом изображении показано расчетное наличие темной материи, выделенной розовым цветом, обнаруженной в результате исследования Kilo-Degree Survey.
Другие кандидаты утверждают, что темная материя вызвана гравитацией крошечных черных дыр, образовавшихся вскоре после Большого взрыва и известных как первичные черные дыры.
Или темная материя может быть частицами, называемыми аксионами, которые физики придумали, чтобы решить проблему физики элементарных частиц.
Есть шанс, что темная материя на самом деле вовсе не физическая субстанция, а иллюзия.
Это предпосылка теории, известной как модифицированная ньютоновская динамика (MOND — Modified Newtonian Dynamics).
В ней говорится, что «отсутствующая гравитация» на самом деле связана с тем, что гравитация работает по-другому в масштабах галактик, и мы неправильно интерпретируем ситуацию.
В каком направлении формируются галактики?
Галактика NGC 1792, вид с помощью космического телескопа Хаббл.
В современной Вселенной существуют сотни миллиардов – возможно, даже триллионы – галактик, но откуда взялись все эти звездные города?
Кажется, есть два способа создания галактики.
Вы можете начать с малого, с отдельных звезд и небольших звездных скоплений.
Со временем гравитация, добавленная клеем темной материи, могла бы объединить многие из них вместе, образовав конгломераты, которые мы называем галактиками.
Это так называемый подход «снизу вверх».
Альтернативой является «нисходящий» подход, при котором огромные структуры формируются на ранних этапах истории Вселенной только для того, чтобы по мере старения космоса распадаться на галактики.
Космический телескоп Джеймса Уэбба в настоящее время поражает астрономов своей информацией о ранней Вселенной.
Вид далеких ранних галактик с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба.
Всего через 400 миллионов лет после Большого взрыва он видел полноценные галактики, а также некоторые, которые, по-видимому, сливаются.
Так что, похоже, это благоприятствует восходящему подходу, но это не обязательно должна быть бинарная ситуация.
Возможно, некоторые галактики образовались снизу вверх, а другие образовались сверху вниз.
Огромные предстоящие исследования галактик, подобные тем, которые были проведены обсерваторией Веры Рубин (Vera Rubin) в Чили, могли бы помочь нам узнать больше.
Плюс телескоп Уэбба только начинает свою работу.
Как быстро расширяется Вселенная?
Иллюстрация, изображающая расширение Вселенной.
Когда Эдвин Хаббл открыл космическое расширение в 1920-х годах, это стало важным ключом к разгадке того, что Вселенная началась с Большого взрыва – точки, в которой началось расширение.
Хаббл обнаружил, что далекие галактики удаляются от нас быстрее, чем те, что ближе к нам.
Однако на самом деле галактики не движутся в пространстве – это пространство между галактиками растягивается по мере расширения Вселенной.
Чем больше пространства было между нами и галактикой изначально, тем быстрее эта галактика удаляется, когда это пространство становится больше.
Это привело к идее о так называемой постоянной Хаббла, которая измеряет скорость расширения нынешней Вселенной.
Эдвин Хаббл (1889–1953) был астрономом, подтвердившим существование других галактик за пределами Млечного Пути.
При измерении от объектов в ближайшем космосе она имеет значение 73 километра в секунду на мегапарсек (км/с/Мпк).
Это означает, что галактика, находящаяся на расстоянии миллиона парсеков (3,26 миллиона световых лет), похоже, удаляется со скоростью 73 километра в секунду.
Кажется, что галактика, расположенная в два раза дальше, убегает от нас в два раза быстрее.
Но есть другой способ, с помощью которого астрономы могут измерить постоянную Хаббла: использовать космический микроволновый фон (CMB — Cosmic Microwave Background).
Реликтовое излучение — это реликтовое излучение, оставшееся от Большого взрыва, но его можно использовать для расчета постоянной тока.
Как развивался наш взгляд на реликтовое излучение: 1. Первое обнаружение реликтового излучения в 1964 году рупорной антенной Холмдела выглядело бы так. 2. Снимок реликтового излучения, сделанный COBE в начале 1990-х годов, показывает большую красную полосу микроволнового излучения нашей собственной Галактики. 3. В 2001 году WMAP смог проанализировать мельчайшие изменения температуры, улучшив детализацию в 70 000 раз. 4. Миссия ЕКА «Планк» использовала еще более чувствительные инструменты для уточнения своих результатов, как показывает карта CMB 2015 года.
Однако, если вы сделаете это, вы получите ответ: 68 километров в секунду на мегапарсек – примерно на 7,5% меньше, чем значение, полученное при бегстве галактик.
Это несоответствие стало известно как напряжение Хаббла.
Хотя оба измерения были проверены несколько раз с использованием нескольких разных методов, возможно, одно из измерений ошибочно.
Есть также варианты, когда оба могут быть правы — например, локальные измерения могут быть искажены, если мы находимся в необычной части Вселенной, или может существовать какая-то основополагающая физика, о которой мы не знаем, и которая ждет своего открытия.
Почему материи больше, чем антиматерии?
Одна ключевая вещь, которую мы не знаем о Вселенной — это то, как она вообще существует на самом деле, и это связано с явлением, известным как антиматерия.
Каждая субатомная частица имеет зеркальное отражение — частицу антиматерии.
Когда обычная частица встречает своего аналога из антивещества, они аннигилируют во вспышке света.
Материя и антиматерия должны были возникнуть в равных количествах после Большого взрыва и к настоящему времени должны были полностью аннигилировать.
Однако Вселенная полна материи и очень мало антиматерии.
Астрономы подозревают, что на каждый миллиард частиц антивещества приходится миллиард и одна частица материи.
Вся антиматерия аннигилировала почти со всей материей, оставив крошечный остаток материи.
И все же мы до сих пор не знаем, почему природа отдает предпочтение материи перед антиматерией.
Как закончится Вселенная?
Астрономы раньше думали, что гравитация всего во Вселенной в конечном итоге затянет космос обратно в себя, что приведет к обратному Большому взрыву, получившему название «Большое сжатие».
Однако это было до того, как они обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется из-за призрачной сущности, известной как темная энергия.
Если она продолжит ускоряться, все структуры во Вселенной – даже атомы – будут разорваны на части в течение 22 миллиардов лет в так называемом Большом Разрыве.
Вместо этого более спокойное расширение приведет к Большому замораживанию, когда расширение Вселенной приводит к ее охлаждению настолько сильно, что звезды не могут светить, и Вселенная в конечном итоге обретает однородную температуру.
Есть ли у вас вопросы о Вселенной, на которые вы хотели бы получить ответы? Свяжитесь с нами по электронной почте со страницы «Связаться с нами» или напишите свои умозаключения в разделе комментариев ниже.
Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.
До скорых встреч! Заходите!
