Примерно 13,8 миллиарда лет родилась та Вселенная, которую мы знаем. В этот момент, известный как Большой Взрыв, само пространство начало быстро расширяться. Во время Большого Взрыва наблюдаемая Вселенная (включая материал для по крайней мере 2 триллионов галактик) помещалась в пространстве менее сантиметра в поперечнике. Теперь же наблюдаемая Вселенная имеет 93 миллиарда световых лет в поперечнике и продолжает расширяться.
Вселенная расширяется
До 1929 года про рождение Вселенной могли только слагать мифы и легенды, хотя бы мало-мальски подтвержденных теорий не было. Но в этом году предприимчивый астроном по имени Эдвин Хаббл обнаружил нечто очень важное о Вселенной, что откроет новые способы для понимания ее прошлого: она расширяется.
Хаббл сделал свое открытие, измерив то, что сейчас называют красным смещением: чем дальше наблюдаемый объект, чем сильнее свет от него сдвигается в красную область спектра. Хаббл обнаружил, что красное смещение увеличивается линейно с расстоянием до отдаленных галактик, что указывает на то, что Вселенная не является стационарной. Он расширяется везде, в любой точке.
Хабблу удалось рассчитать скорость этого расширения — цифру, известную сейчас как постоянная Хаббла. Именно это открытие позволило ученым экстраполировать ее во времени и получить, что Вселенная когда-то была упакована в крошечную точку. Момент, когда она начала расширяться, и назвали Большим Взрывом.
Реликтовое излучение
В мае 1964 года Арно Пензиас и Роберт Уилсон, исследователи из Bell Telephone Laboratories, работали над созданием нового радиоприемника в Нью-Джерси. Их антенна все время улавливала странные помехи, которые, казалось, исходили отовсюду и всегда. Они думали, что проблемы могут быть из-за птиц, гнездящихся в антеннах, но удаление гнезд ничего не дало. Чего бы они не делали — ничего не убирало эти помехи. В итоге они поняли, что это не шум — это по-настоящему существующее излучение.
Оказалось, что они обнаружили первый свет Вселенной: космическое сверхвысокочастотное фоновое (также известное как реликтовое) излучение. Оно возникло примерно спустя 380 000 лет после Большого взрыва, когда Вселенная наконец достаточно остыла для того, чтобы фотоны (волнообразные частицы, из которых состоит свет) могли свободно перемещаться по ней. Это открытие подтвердило теорию Большого Взрыва: так как космический фон достаточно однороден, это предполагает плавное расширение Вселенной из одной точки.
Карта неба
Галактические нити и наше расположение среди них.
Открытие космического микроволнового фона дало толчок целому валу исследований о ранней Вселенной. Так, в 1989 году НАСА запустило спутник под названием Cosmic Background Explorer (СOBE), который измерял крошечные изменения фонового космического излучения. В результате была получена «детская картина» Вселенной, которая показывает изменения в плотности первичного фона. Эти небольшие по нашим меркам вариации (тысячные доли градуса), вероятно, породили текущую структуру галактик и пустого пространства, известную как галактические нити, которую мы видим сегодня во Вселенной.
Прямое доказательство инфляции
Реликтовое излучение также позволило исследователям найти непосредственное доказательство инфляции — резкого расширения Вселенной быстрее скорости света, которое произошло во время Большого взрыва. И нет, тут нет никаких противоречий: хотя специальная теория относительности Эйнштейна утверждает, что ничто не движется быстрее, чем свет, инфляция ее не нарушала, так как расширялось само пространство. В 2016 году физики объявили, что они обнаружили особый вид поляризации, или направленности, в космическом микроволновом фоне, которую назвали «B-модами». Они были первыми прямыми свидетельствами гравитационных волн от Большого Взрыва. Гравитационные волны создаются, когда массивные объекты в космосе ускоряются или замедляются (впервые мы обнаружили их при столкновении двух черных дыр). B-моды являются новым способом непосредственного изучения расширения ранней Вселенной, и они, возможно, помогут узнать, что его вызвало.
Никаких новых измерений (по крайней мере пока)
Одним из следствий открытия гравитационных волн было то, что оно позволило ученым искать дополнительные измерения помимо обычных четырех. По мнению теоретиков, гравитационные волны должны иметь возможность переходить в неизвестные измерения, если эти измерения существуют. В октябре 2017 года ученые обнаружили гравитационные волны от столкновения двух нейтронных звезд. Они измерили время, необходимое для прохождения волн от звезд к Земле, и не нашли никаких доказательств какой-либо сверхпространственного перехода.
Результаты, опубликованные в июле 2018 года в Journal of Cosmology and Astrop Particle Physics, показывают, что если есть какие-то другие измерения, то они крошечные и затронут области Вселенной размером менее километра. Это означает, что теория струн, которая утверждает, что Вселенная состоит из крошечных квантовых струн и предсказывает, по крайней мере, 10 измерений, все еще может быть верной.
Вселенная расширяется с ускорением...
Художественное изображение сверхновой типа Ia, которых называют «стандартными свечами», так как все они вспыхивают при одинаковых и хорошо известных условиях, что позволяет их считать космическими вехами.
Одно из самых странных открытий в физике заключается в том, что Вселенная не только расширяется, но и делает это с ускорением. Открытие датируется 1998 годом, когда физики объявили результаты нескольких длительных проектов, в которых измерялись особо тяжелые сверхновые, называемые сверхновыми типа Ia. Результаты (которые принесли исследователям Солу Перлмуттеру, Брайану Шмидту и Адаму Рейссу Нобелевскую премию в 2011 году) показали более слабый, чем ожидалось, свет от самой далекой из этих сверхновых. Это означает, что теоретические выкладки о равномерном расширении Вселенной не были верны — пространство расширяется с ускорением.
Ученые называют движущую силу этого расширения «темной энергией», которая может составлять около 68% всей Вселенной. Эта темная энергия имеет решающее значение для того, чтобы теория начала Вселенной соответствовала наблюдениям, которые ведутся сейчас.
... И даже быстрее, чем ожидалось
Новые результаты, полученные телескопом Хаббла в апреле 2019 года, усугубили загадку расширяющейся Вселенной. Измерения с космического телескопа показывают, что расширение происходит на 9% быстрее, чем ожидалось по предыдущим наблюдениям. По данным НАСА, на каждые 3,3 миллиона световых лет от Земли галактики разлетаются на 74 км в секунду быстрее, чем прогнозировалось ранее.
Почему это имеет значение для происхождения Вселенной? Потому что физики, видимо, что-то упускают. Есть предположение, что во время Большого взрыва и вскоре после него могло произойти три отдельных «выброса» темной энергии, которые заложили основу тому, что мы видим сегодня. Первый мог начать первичное расширение. Второй, действуя намного быстрее, мог придать расширению Вселенной ускорение. Последний всплеск темной энергии может объяснить ускоряющееся расширение Вселенной, происходящее на данный момент.
Ничего из этого не доказано — пока что. Но ученые ищут. Исследователи из Техасского университета в обсерватории Остина Макдональда используют недавно модернизированный инструмент, телескоп Хобби-Эберли, для непосредственного поиска темной энергии. Проект Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment (HETDEX) измеряет слабый свет от галактик на расстоянии до 11 миллиардов световых лет, что позволит исследователям увидеть любые изменения в ускорении Вселенной с течением времени. Они также будут изучать отголоски возмущений во Вселенной, которые происходили в плотном «супе» из частиц первые 400 000 лет после Большого взрыва. Это раскроет тайны расширения Вселенной и, возможно, поможет найти темную энергию.
