За вратами загадочнной Вселенной. Том 1

Глава 2. Ключ к тайнам происхождения Вселенной

Рождение Вселенной. Большой взрыв.

Вселенная – это бескрайний атлас звездных дорог и невероятных тайн. Каждая страница её космической истории таит в себе ключ к удивительному происхождению всего сущего. Под звездным покрывалом таятся ответы на вопросы о зарождении первых сверкающих звёзд, о происхождении галактик, о том, как танец космических сил создал саму жизнь. Давайте вместе вглядимся в эти непостижимые космические глубины и поищем ключ к загадкам рождения вселенского мироздания.

Воспринимая Вселенную как весь окружающий мир, мы сразу делаем её уникальной и единственной. И вместе с этим лишаем себя возможности описать её в терминах классической механики: из-за своей уникальности Вселенная ни с чем не может взаимодействовать, она – система систем, и поэтому в её отношении теряют свой смысл такие понятия, как масса, форма, размер. Вместо этого приходится прибегать к языку термодинамики, употребляя такие понятия как плотность, давление, температура, химический состав.

До победы теории Большого взрыва в умах ученых и мыслителей долгое время доминировала концепция вечной, бесконечной и в среднем неизменной Вселенной. Борис Штерн⁹ пишет: «Вечная бесконечная Вселенная комфортна для человеческого разума. Человеку хочется думать, что звезды будут светить всегда, что у мира нет ни конца, ни начала, что перед жизнью и разумом нет никаких пределов, даже в отдаленном будущем. Такая Вселенная понятна и логична…»

Однако, «очевидность» и «комфортность» такой космологической парадигмы справедливы только для человека, слишком понадеявшегося на свой разум и свои научно-технические возможности освоения космоса. Космологическая мысль дала драматический разворот, начиная с 1920-х годов, когда впервые появилась концепция расширяющейся Вселенной, имеющей начало и, естественно, конец. К 1960-м годам эта концепция оформилась в теорию горячего Большого взрыва.

А теперь представьте себе бескрайние глубины космоса, в которых рождаются и умирают звёзды, взрывы, которые создают новые миры, и энергию, что держит Вселенную в движении. Каждая звезда, каждая галактика, каждый мельчайший атом пронизан тайнами её происхождения. Разгадка этих загадок и есть ключ к пониманию того, как Вселенная возникла и развивалась на протяжении бесконечных веков.

Поэтому не удивительно, что одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?» Естественно, однозначного ответа на данный вопрос нет и вряд ли будет получен в скором времени. Однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной. И сейчас мы ее рассмотрим, как одну из наиболее возможных, но без того, чтобы принимать её за истину последней инстанции.

Теория Большого взрыва – это космологическая модель, которая описывает происхождение и эволюцию Вселенной. Согласно этой теории, она возникла около 13,8 миллиардов лет назад из некоторого плотного разогретого объекта, именуемого сингулярное¹⁰ состояние, плохо поддающееся описанию в рамках современной физики.

Предположение было разработано на основе наблюдений за движением галактик относительно Земли, а также через изучение космического излучения. Эта концепция стала основой для современной космологии и понимания эволюции Вселенной.

Основные положения теории Большого взрыва состоят в том, что Вселенная возникла из одной взорвавшейся точки бесконечной плотности и температуры, стремящейся к бесконечности, что она расширяется и охлаждается, а также содержит большое количество атомов водорода и гелия. При этом известно, что при бесконечной плотности энтропия, то есть меры хаоса, она должна устремляться к нулю, что никак не совмещается с бесконечной температурой.

Изначально было пространство и время, и ткань пространства расширялась с невероятной скоростью.

Расширение ткани пространства

В начальный момент времени Вселенная имела бесконечную плотность и температуру, что делает любое понимание точного «начала» крайне сложным. Считается, что тёмная энергия, которая является причиной ускоренного расширения Вселенной, играла значительную роль в ранние времена и по-прежнему остается загадкой.

Первые секунды своего рождения Вселенная находилась в состоянии квантового хаоса – периода, который начался примерно через 10^-35 секунд после Большого взрыва. В это время она была очень горячей и плотной, а ее состояние – чрезвычайно чувствительно к малейшим изменениям, что явилось причиной того, что поведение Вселенной стало хаотическим и непредсказуемым.

Этап квантового хаоса Вселенной

Другими словами, на этапе квантового хаоса Вселенная, можно сказать, находилась в состоянии квантового коктейля. Это означает, что в ней одновременно существовали различные состояния материи и энергии. Например, электроны могли находиться в двух состояниях одновременно, а фотоны – иметь нулевую или бесконечно большую энергию. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Тем не менее, произошел распад непрерывного единого пространства-времени на кванты¹¹. Их хаотическое поведение привело к дальнейшему развитию Вселенной, поэтому этап квантового хаоса является одним из наиболее интересных и загадочных периодов в её эволюции.

После него на 10^-45 секунде наступила планковская эпоха, то есть момент окончания квантового хаоса, но она остаётся непонятной из-за отсутствия способа объединить квантовую механику и гравитацию.

Планковская длина и планковское время

Причиной этого является расширение Вселенной, по мере которого ее температура и плотность начали снижаться – и квантовые эффекты стали менее заметными.

Окончание квантового хаоса ознаменовало переход Вселенной от однородного и изотропного состояния к неоднородному и анизотропному, что привело к образованию различий в плотности вещества, а в конечном итоге – к образованию галактик и других структур.

Точное время окончания квантового хаоса является предметом дискуссий среди ученых. Некоторые исследователи считают, что оно произошло в момент, когда температура Вселенной упала ниже 10^15 градусов Кельвина, а другие, что это произошло позже – при температуре 10^12 градусов Кельвина.

Независимо от того, когда именно завершилось окончание квантового хаоса, оно явилось важным событием в истории Вселенной, поскольку ознаменовало переход к ее нынешнему состоянию, которое мы наблюдаем сегодня. Исследователи продолжают изучать этот период рождения космического мироздания, чтобы лучше понять его природу и последствия.

Следующей стадией истории Вселенной стала инфляционная стадия – очень короткий, но интенсивный период её резкого расширения, который произошел в самом начале вскоре после Большого Взрыва.

Инфляционная стадия Вселенной

Инфляция¹² была вызвана существованием гипотетической субстанции, называемой инфляционным полем, обладавшим отрицательным давлением, которое привело к ускоренному расширению Вселенной. В первый момент инфляции от единого суперсимметричного поля, ранее включавшего поля фундаментальных взаимодействий, отделилось гравитационное взаимодействие.

Словом, в течение крохотной доли времени (менее, чем за одну миллиардную долю доли секунды), Вселенная, предположительно, экспоненциально¹³ расширилась. Проще говоря, стала очень быстро раздуваться, а ближе к концу энергия физических полей перешла в энергию обычных частиц, что значительно повысило температуру вещества и излучения.

Инфляция имела ряд важных последствий для эволюции Вселенной. Она привела к тому, что Вселенная стала однородной и изотропной на больших масштабах, а также к образованию различий в плотности вещества.

Это предположение о периоде инфляции, хотя и не имеет прямых наблюдений, является ключевой частью современных космологических теорий и помогает объяснить некоторые загадки ранней Вселенной.

После того, как состояние инфляции закончилось и энергия пространства преобразовалась в материю, антиматерию и излучение, началась стадия радиационного доминирования, когда температура Вселенной начала понижаться и сформировались фермионы¹⁴. Они разделились на кварки – бесструктурные элементарные частицы и фундаментальные составляющие материи, сильно взаимодействующие между собой, а также лептоны, которые свободно существуют в пространстве независимо от своих собратьев. Затем кварки объединились в составные частицы, называемые адронами, наиболее стабильными из которых являются протоны и нейтроны, компоненты атомных ядер.

Стадия радиационного доминирования, когда температура Вселенной начала понижаться и сформировались фермионы

Горячий первичный бульон расширился и остыл, образовав легкую асимметрию между материей, которой было чуть больше, и антиматерией, которой было чуть меньше. Словом, начали образовываться начальные химические элементы и синтезироваться гелий. Однако, излучение все еще преобладало над веществом.

Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделение. Вещество начинает доминировать над излучением, и возникает реликтовый фон – остаточное тепло, оставшееся с первых лет сразу после Большого взрыва, которое все еще можно найти в пустых просторах космоса и которое свидетельствует в поддержку этой теории.

Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего стали образовываться ядра, а потом и нейтральные атомы, которые собирались в гравитационных сверхплотных регионах и образовали первые звезды спустя десятки миллионов лет.

Первые звезды спустя десятки миллионов лет после рождения Вселенной

На крупных масштабах звездные скопления, галактики и другие структуры сливались вместе и образовали крупномасштабные структуры, которые мы наблюдаем сегодня. На малых масштабах поколения переработанного, выжженного звездного материала дали жизнь новым поколениям звезд. Эти последние поколения содержали 1—2% тяжелых элементов, некоторые из которых образовали твердые планеты. Часть этих планет, богатых фундаментальными ингредиентами жизни, сформировалась в потенциально обитаемых зонах своих звезд. Законы Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.

Вышеописанная картина сложена из нескольких основополагающих теорий и дает общие представление о формировании Вселенной на ранних этапах ее существования.

Приведу имеющиеся доказательства теории Большого взрыва:

• Наблюдения за далекими галактиками показывают, что они удаляются друг от друга с ускорением. Это можно объяснить только тем, что Вселенная расширяется.

• В 1964 году американские астрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон обнаружили в космосе электромагнитное излучение, которое имеет температуру около 2,7 Кельвина, и интерпретируется как реликтовое излучение, оставшееся от Большого взрыва.

• Исследования показывают, что водород и гелий составляют около 99% вещества Вселенной. Это согласуется с предсказаниями теории Большого взрыва, согласно которой Вселенная должна была образоваться из вещества, состоящего в основном из водорода и гелия.

Тайна Большого Взрыва связана с природой темной энергии и темной материи. Эти загадочные компоненты составляют большую часть Вселенной, но мы знаем о них крайне мало. Темная энергия ускоряет расширение Вселенной, в то время как темная материя влияет на гравитационное взаимодействие галактик.

Сам момент Большого Взрыва, когда плотность и температура были бесконечными, представляет собой точку t=0 во времени. Эта «бесконечность» – загадка, вызывающая споры и непонимание, ибо теории физики не могут адекватно описать состояние до того момента.

Как считают ученые, скорее всего, Большой взрыв случился в полной тишине. Затем, в период начального расширения Вселенной, звуковых волн тоже не было. В отличие от Земли, в космическом вакууме нет воздуха, поэтому звуковые волны не могут распространяться. Наверное, этим и объясняется то, то в космосе всегда какая-то странно-странная тишина. И только потом, когда скорость расширения снизилась и началось образование звезд, появились различия в плотности, которые и определили характеристики первого звука. По мнению астрономов, он напоминал шипение, которое постепенно усиливалось, а затем переросло в рокот.

Хотя есть и другая точка зрения. Якобы, из-за быстрого расширения Вселенной возникли акустические волны, которые называются «звуком Вселенной». Они стали основой для формирования структуры галактик.

На сегодняшний день теория Большого взрыва является наиболее популярной космологической моделью. Она объясняет многие наблюдаемые свойства Вселенной и хорошо согласуется с экспериментальными данными. Однако некоторые вопросы, связанные с теорией Большого взрыва, остаются нерешенными:

• Что было до Большого взрыва?

• Какая сила вызвала Большой взрыв?

• Почему Вселенная содержит такое количество атомов водорода и гелия?

Существуют еще и альтернативные теории происхождения Вселенной:

1. Теория циклической модели, утверждающая, что Вселенная существовала всегда и со временем лишь менялось ее состояние: она будет расширяться за счет темной энергии до тех пор, пока не приблизится к моменту «распада» самого пространства-времени, именуемого как Большой Разрыв. Прямо сейчас существует четыре различных варианта циклической модели Вселенной, одна из которых – конформная циклическая космология.

2. Теория стационарной Вселенной, согласно которой Вселенная существует вечно и не расширяется, то есть остается неизменной в любом месте и в любое время.

3. Теория пульсирующей Вселенной, предполагающая, что Вселенная периодически расширяется и сжимается.

4. Теория вечной инфляции. Понятие было введено космологом Аланом Гутом в 1979 году, чтобы объяснить, почему Вселенная плоская, чего не хватало в первоначальной теории Большого взрыва.

5. Теория плазменной Вселенной. Космология плазмы предполагает, что электромагнитные силы и плазма играют очень важную роль во Вселенной вместо гравитации. Хотя у этого подхода много разных вариантов, основная идея остается той же: каждое астрономическое тело, включая Солнце, звезды и галактики, является результатом какого-либо электрического процесса.

6. Мультивселенная теория, которая предполагает, что наша Вселенная – всего лишь одна из множества параллельных Вселенных, образующих мультивселенную структуру.

7. Теория струн, согласно которой основными элементами Вселенной являются не точечные частицы, а вибрирующие струны, создающие все частицы и силы.

Однако эти альтернативные теории были в основном отвергнуты научным сообществом в пользу Большого взрыва после открытия космического микроволнового фона.

Несмотря на то, что эти и другие модели отвечают на ряд вопросов, ответы на которые не может дать теория Большого Взрыва, в том числе проблема космологической сингулярности, всё же в комплекте с инфляционной теорией Большой Взрыв более цельно объясняет возникновение Вселенной, а также сходится с множеством наблюдений. Вопрос происхождения Вселенной – одно из самых захватывающих исследовательских направлений в науке, поэтому новые эксперименты и наблюдения позволяют уточнять и расширять наши представления об этом.

Что ж, Вселенная – это удивительное и загадочное место, полное необычных и грандиозных структур. Одна из таких структур – огромный пузырь галактик, который был недавно обнаружен астрономами.

Этот пузырь имеет диаметр в 1 миллиард световых лет, что в 10 000 раз больше, чем наш Млечный Путь. Он находится от нас на расстоянии около 820 миллионов световых лет, то есть в ближайшей части Вселенной. Астрономы дали ему имя Ho’oleilana, что на гавайском языке означает «посланные шепоты пробуждения». Это имя взято из гавайского творческого пения Kumulipo, которое описывает происхождение структуры и связано со звездами и луной. Что же такое этот пузырь и как он возник?

Ученые считают, что он может быть ископаемым остатком от Большого взрыва – события, породившего нашу Вселенную, которая в то время была очень горячей, плотной и почти однородной массой материи.

Огромный пузырь галактик

Но в этой материи были небольшие колебания плотности, вызванные гравитацией и излучением, которые создавали звуковые волны, называемые барионными акустическими осцилляциями – БАО.

Это периодические плотности газа и темной материи, которые распространялись по Вселенной в виде сферических оболочек, и оставили следы на космическом микроволновом фоне – реликтовом¹⁵ излучении от Большого взрыва, которое заполняет всю Вселенную.

Но БАО не только повлияли на космический микроволновый фон, но и на распределение галактик в Вселенной, которые образовались в местах, где была большая плотность материи, а значит, и большая гравитация¹⁶. БАО создавали такие места, формируя сферические оболочки с повышенной плотностью на своих краях, в которых образовывались галактики.

Пузырь Ho’oleilana – пример такой сферической оболочки с галактиками на ее краях. Анализ данных показал, что галактики внутри пузыря движутся медленнее, чем галактики на его периферии. Это свидетельствует о том, что пузырь является динамически стабильной структурой, которая не разрушается под действием гравитации или других сил. Также было обнаружено, что галактики внутри пузыря имеют более низкую долю элементов тяжелее гелия, чем галактики на его краях. Это указывает на то, что пузырь является древней структурой, которая формировалась на ранних этапах эволюции Вселенной, когда звездообразование было менее интенсивным и производило менее тяжелые элементы.

Пузырь Ho’oleilana оказался уникальным объектом для изучения прошлого Вселенной, своеобразным фоссилом¹⁷ от Большого взрыва, который хранит в себе секреты нашего происхождения и будущего, и уникальной возможностью проверить теории о природе темной материи и темной энергии, которые определяют судьбу Вселенной.

Вглядываясь в космос, мы смотрим в прошлое. Например, если мы наблюдаем звезду на расстоянии 100 световых лет от нас, то свет, который мы видим сейчас, покинул эту звезду 100 лет назад. Или, замечая на небе яркий Юпитер, мы оглядываемся на час назад – именно столько требуется времени на то, чтобы свет от газового гиганта достиг Земли. Любуясь звездами, видимыми невооруженным глазом, мы наблюдаем их такими, какими они были от 10 до 100 лет назад.

Это же относится и к галактикам, квазарам, а также другим космическим объектам. Например, свет от галактики Андромеды, расположенной сравнительно «недалеко» от Млечного пути, – летит до Земли на протяжении долгих 2,5 млн лет. Так и реликтовое излучение позволяет земным ученым получить от совсем молодой Вселенной «весточку», в которой содержатся намеки на ее детство и юность.

Реликтовое излучение совсем молодой Вселенной

В настоящее время исследователи продолжают интенсивно изучать предполагаемые сценарии зарождения Вселенной, однако, дать неопровержимый ответ на вопрос, как она появилась, вряд ли удастся в ближайшем будущем. На это есть две причины: прямое доказательство космологических теорий практически невозможно, поскольку можно ссылаться лишь на косвенное. К тому же даже теоретически нет возможности получить точную информацию о мире до момента Большого Взрыва. По этим двум причинам ученым остается лишь выдвигать гипотезы и строить космологические модели, которыми максимально верно пытаются описывать природу наблюдаемой нами Вселенной.

И тому есть подтверждение. Свету, излучаемому группой древних галактик, потребовалось удивительно много времени, чтобы достичь космического телескопа «Джеймс Уэбб» в прошлом году. Астрономы подсчитали, что фотоны находились в пути более 13 млрд лет – почти всю историю космоса – прежде чем достигли орбитальной обсерватории.

Полученные результаты впечатляют с научной точки зрения и свидетельствуют о том, что Вселенная уже активно погрузилась в процесс звёздообразования спустя некоторое время после своего рождения. Мир астрономии был ошеломлён. Среди объектов, попавших в гигантское зеркало телескопа, есть один, который, как оказалось, является самой старой из известных галактик во Вселенной. Галактика с прозаическим названием JADES-GS-z13—0 появилась всего через 320 млн лет после Большого взрыва, задолго до образования нашей планеты. По сравнению с нашей галактикой она также оказалась крошечной, но при этом в ней явно рождались новые звёзды со скоростью, сравнимой с той, которой может похвастаться Млечный Путь.

Интересно, что подобная звёздная плодовитость характерна и для нескольких других древних галактик, сфотографированных «Уэббом». Эти снимки младенческой Вселенной показывают, что первые звёзды и галактики уже сформировались и начали эволюционировать гораздо раньше, чем предполагали многие учёные.

И несколько слов о скоплениях галактик – узлах «космической паутины», крупномасштабной структуры нашей Вселенной. Друг с другом эти узлы «связаны» галактическими нитями, а между ними простираются относительно пустые пространства. Известно, что эти скопления образовались из-за небольших перепадов в плотности первичной материи Вселенной, которые мы видим в реликтовом излучении.

Узлы «космической паутины» крупномасштабной структуры нашей Вселенной

Астрофизики обнаружили, что галактические нити крупномасштабной структуры Вселенной тянутся на сотни миллионов световых лет – и, как оказалось, вращаются, увлекая в движение все свои галактики.

Галактики, расположенные в нитях и узлах крупномасштабной сети темной материи, содержат больше тяжелых элементов и эволюционируют быстрее, чем галактики, оказавшиеся в одиночестве. На сегодняшний день можно сказать, что реликтовое излучение изучено неплохо, а значит, и галактические скопления, которые как кирпичики составляют фундаментальную основу Вселенной.

Ничто в космосе не находится в покое. Все движется и вращается: Земля, Солнце, Млечный Путь – а возможно, и вся Вселенная.

Если, подводя итог, облечь написанное в художественную форму, то вначале было Большое Взрывное танго материи, времени и пространства. По мере того, как мы вглядываемся в древние тайны рождения Вселенной, открывается поразительная картина: квантовый хаос, период инфляции, бушующие гравитационные волны, акустические эхо и глубокие загадки планковской эпохи…

Что ж, мы только начинаем постигать первые ноты этой космической симфонии, и каждое новое открытие приближает нас к пониманию того, откуда мы пришли и что еще может скрываться за гранью времени и пространства. В этом вечном стремлении к познанию наших корней лежит основа нашего удивления перед величеством и загадками рождения Вселенной.