Бесконечна ли Вселенная – Астрофизики о размере и расширении

Как мы познаём необъятный космос, находясь в нашем крошечном пузыре наблюдаемого пространства. Всё на Земле, в нашей Солнечной системе, нашей галактике и за пределами находится во Вселенной. Так что же наука говорит нам об этой всеобъемлющей четырёхмерной колыбели, вмещающей всё пространство-время? Многое!

Философы, математики и астрономы разных культур на протяжении веков долго спорили и строили теории о ночном небе. Но в начале 1920-х годов, основываясь на работах Генриетты Суон Ливитт и других, астроном Эдвин Хаббл представил первые чёткие доказательства того, что видимые в телескопы закрученные скопления на самом деле являются далёкими галактиками, сравнимыми с нашим Млечным Путём.

Получив детальные изображения космических объектов с длительной выдержкой, как пульсирующие переменные звёзды типа Цефеид (пульсирующие звёзды, чья светимость связана с периодом пульсаций, используются для измерения расстояний), Хаббл подтвердил истинную природу Туманности Андромеды и других подобных объектов. Это были не просто близлежащие газовые облака, а далёкие острова миров и звёзд.

За прошедшее столетие наша способность видеть чётче и дальше в космос значительно улучшилась. Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) — самый совершенный из когда-либо запущенных, регулярно предоставляет поразительные изображения со всей Вселенной.

Используя данные космических телескопов и других инструментов, астрономы, космологи и астрофизики могут делать выводы и предсказывать многое о форме Вселенной, скорости её изменения и характере. Вот часть того, что мы уже знаем, а чего — нет.Посмотрите наверх – 8 небесных явлений 2025, за которыми стоит понаблюдать

Каков размер Вселенной

Давайте сразу избавимся от разочарования: физически не существует абсолютно никакой возможности когда-либо узнать, насколько велика Вселенная.

Однако мы знаем, что Вселенная размерами больше 93 млрд световых лет в поперечнике. Это диаметр сферы «наблюдаемой Вселенной» (область Вселенной, свет от которой успел до нас дойти), в центре которой мы и находимся.

Наша способность смотреть вдаль и измерять звёзды ограничена возрастом Вселенной и скоростью света. Единственный свет, который мы можем видеть, — это свет, который успел долететь до нас со времён Большого взрыва, произошедшего около 13,8 млрд лет назад. Следовательно, самый старый свет, который мы можем наблюдать, прошёл путь в 13,8 млрд световых лет.

Тем не менее наблюдаемая Вселенная простирается дальше, чем на 13,8 млрд световых лет в каждом направлении, потому что всё время своего существования пространство также расширялось. Это расширение означает, что свет, испущенный 13,8 млрд лет назад, на самом деле преодолел 46,5 млрд световых лет, чтобы достичь наших глаз и телескопов.

Теоретически это означает, пространство на самом деле расширяется быстрее скорости света, если всё сложить — что концептуально просто взрывает мозг. Пустота пространства и времени не подчиняется законам, действующим для материи и физических объектов.

И хотя у нас нет твёрдых доказательств общего размера Вселенной, она вполне может быть бесконечной. Нет причин, по которым она должна быть ограничена, как и нет причин, почему должен быть край здесь или там.

Существование краёв остаётся под вопросом, но астрофизики в целом согласны с формой Вселенной: она плоская, хотя, возможно, не так, как вы себе представляете. Плоская — не значит двумерная (в конце концов, пространство-время существует в 4D).

Однако это означает, что движение вперёд без изменения направления во Вселенной никогда не вернёт вас к исходной точке. Вместо бублика или сферы, Вселенная, как считают многие астрофизики, скорее всего, представляет четырёхмерный лист бумаги.

Как мы можем знать, что Вселенная расширяется

Используя теории и измерения света, приходящего от далёких звёзд, несколько астрономов в начале 1900-х годов предположили, что Вселенная расширяется.

В 1924 году шведский астроном Кнут Лундмарк нашёл первые наблюдательные доказательства расширения Вселенной. Работа Хаббла подтвердила эти выводы в 1929 году. Эти ранние наблюдения основывались на явлении, называемом красное смещение (сдвиг спектра света к красной области из-за удаления источника), которое является визуальной версией эффекта Доплера.

Подумайте о том, как звуковые волны от сирены проезжающей скорой помощи меняют высоту тона в зависимости от положения и скорости автомобиля: звук кажется выше при приближении и ниже, когда скорая удаляется. Точно так же на наше восприятие световых волн влияет движение и скорость источника света.

Свет, движущийся к вам, будет казаться более синим, а удаляющийся — более красным, поскольку пики и впадины волны, соответственно, сжимаются и растягиваются.

Хаббл и другие заметили, что все открываемые ими галактики кажутся красными с Земли, причём более далёкие галактики демонстрируют наибольшее красное смещение. Это говорит о том, что все галактики удаляются от нас. Более далёкие галактики, кажется, отдаляются в космос быстрее, потому что между нами и ними больше «пустоты», которая расширяется.

В дополнение к наблюдениям красного смещения, астрономы прошлого и настоящего также полагаются на «стандартные свечи» (объекты с известной абсолютной яркостью для измерения расстояний) для оценки размера и скорости Вселенной.

Стандартные свечи — это удобные космологические маркеры известной яркости, которые можно использовать для наблюдения за тем, как свет путешествует и изменяется в пространстве и времени.

Первым типом обнаруженных стандартных свечей были Цефеиды Хаббла — пульсирующие звёзды, которые излучают яркий свет с регулярным, периодическим рисунком, что можно использовать для определения их расстояния от Земли.

Представьте себе лампу накаливания мощностью 40 Вт. Все лампочки одинаковой мощности имеют одинаковую собственную яркость. Однако, если вы посмотрите на лампочку с расстояния 10 м, она будет казаться тусклее, чем с расстояния 1 м. Эту относительную тусклость можно использовать для расчёта расстояния до лампочки.

То же самое и с Цефеидами в космосе. Другие стандартные свечи, используемые для той же цели, включают определённые типы сверхновых (т. е. взрывающиеся звёзды), звёзды «вершины ветви красных гигантов» и углеродные звёзды.

Мы знаем, что эти звёзды имеют абсолютно одинаковую собственную светимость (полная энергия, излучаемая объектом в единицу времени), и поэтому можем использовать это свойство для измерения расстояния.

Мы можем приблизительно оценить расстояние между Землёй и другими галактиками, ища туманности, содержащие эти стандартные свечи. В 2011 году трое учёных были удостоены Нобелевской премии по физике за демонстрацию того, что Вселенная не только расширяется, но и тёмная энергия ускоряет это расширение.

Тёмная энергия — это таинственная и отталкивающая сила, расталкивающая материю и объекты в космосе. Считается, что силы расширения тёмной энергии в целом однородны по всей Вселенной и одинаково действуют на все объекты. Однако само расширение наблюдается неоднородно.

Внутри нашей планеты, Солнечной системы и галактики сила притяжения гравитации удерживает объекты относительно связанными и менее подверженными влиянию тёмной энергии. А сама скорость расширения недостаточно велика, чтобы её можно было легко наблюдать в малых масштабах. Чтобы обнаружить её, нужно наблюдать за очень далёкими объектами.

Как быстро расширяется Вселенная

Основываясь на своих ранних наблюдениях, Хаббл первоначально предположил, что Вселенная расширяется со скоростью около 500 км в секунду на мегапарсек (Мпк – единица расстояния, ~3.26 млн световых лет).

Скорость расширения Вселенной стала известна как Постоянная Хаббла (H0 – скорость расширения Вселенной), несмотря на то что первоначальная оценка астронома, в честь которого она названа, оказалась довольно далёкой от истины.

Сейчас у нас есть более чёткое представление о скорости расширения. Учёные в целом согласны, что H0 находится в диапазоне 65–75 км/сек/Мпк. Если это звучит сложно, то так оно и есть. Скорость расширения Вселенной зависит как от времени, так и от расстояния.

Она больше на больших участках пространства и за более длительные периоды. И вопрос точной скорости остаётся нерешённым. В зависимости от того, кого вы спросите и как производились измерения, расчёты истинной H0 варьируются.

В целом, два разных подхода к количественной оценке H0 регулярно дают разные результаты. Это расхождение известно как «напряжённость Хаббла» (расхождение измерений Постоянной Хаббла).

По одному набору измерений, основанных на расчётах с использованием относительно близких стандартных свечей, H0 составляет 73 +/- 1 км в секунду на мегапарсек. По другому типу анализа, основанному на измерениях реликтового излучения (излучение, оставшееся после Большого взрыва), H0 составляет 67 +/- 1.

Оба измерения имеют настолько точные погрешности, что места для ошибки нет.

Некоторое время астрономы думали, что более точные инструменты смогут разрешить эту напряжённость, сблизив измеренные значения, но этого не произошло. Люди получают лучшие технологии, но эта напряжённость не уменьшается. Самые последние расчёты, основанные на данных JWST, пока не сблизили оценки H0.

Возможно, расхождение всё ещё связано с ошибками измерений. Однако возможно и то, что происходит нечто большее. Возможно, силы тёмной энергии, которые считаются причиной расширения Вселенной, не совсем однородны. Может быть, нам нужна новая теория физики, чтобы объединить эти наблюдения.

Учёные работают над проблемой со всех сторон, рассматривая способы улучшения измерений, а также формулируя потенциальные общие объяснения. И может быть, мы сможем прекратить искать ошибки, если кто-то найдёт физическую теорию, которая свяжет всё воедино, а может быть, они смогут остановиться, если мы найдём большую ошибку в измерениях.