5 тайн строения Вселенной

5 тайн строения Вселенной, которые ученые до сих пор не могут разгадать
Большинство существующих ныне концепций основано лишь на гипотезах
Говорят, что в 1900 году английский лорд Кельвин заявил: «Сейчас в физике нет ничего нового. Остаются только все более и более точные измерения». За три десятилетия квантовая механика и теория относительности Эйнштейна произвели революцию в этой области. Но сегодня ни один физик не посмеет утверждать, что наши знания о Вселенной близки к абсолюту. Наоборот, кажется, что каждое новое открытие отворяет ящик Пандоры, наполненный более сложными вопросами. Рассказываем про самые животрепещущие темы, беспокоящие ученых на данный момент.
Существуют ли параллельные вселенные?
Астрофизики предполагают, что пространство-время может быть плоским, а не искривленным, и, таким образом, длится вечно. Если так, то область, которую мы можем видеть («Вселенную»), является всего лишь одним пятном в бесконечно большой мультивселенной.
В то же время законы квантовой механики диктуют, что существует только конечное число возможных конфигураций частиц в пределах каждого космического участка (10^10^122 различных возможностей). Таким образом, с бесконечным числом космических пятен расположение частиц внутри них вынуждено повторяться — бесконечно много раз.
Это означает, что существует бесконечно много параллельных вселенных: космические участки, точно такие же, как наши (с нашими альтер эго).
Что ждет Вселенную в будущем?

 

Судьба Вселенной сильно зависит от фактора неизвестного значения — ;, меры плотности материи и энергии во всем космосе. Если ; больше 1, то пространство-время на самом деле замкнуто, как поверхность огромной сферы. Если темной энергии не существует, такая Вселенная перестанет расширяться и вместо этого начнет сжиматься, в конечном итоге схлопываясь в событии, получившем название «Большое сжатие». Если Вселенная закрыта, но темная энергия есть, сферическая Вселенная будет расширяться вечно.
В качестве альтернативы, если ; меньше 1, то геометрия пространства будет открытой. В таком случае ее окончательная судьба — это Большое замораживание, за которым следует Большой разрыв: сначала внешнее ускорение Вселенной разорвет галактики и звезды на части, оставив всю материю холодной и одинокой. Затем ускорение станет настолько сильным, что пересилит действие сил, удерживающих атомы вместе, и все разорвется на части.
Если ; = 1 и Вселенная на самом деле плоская, простирающаяся как бесконечная плоскость во всех направлениях, а темной энергии не существует, такая плоская Вселенная будет расширяться вечно, но с постоянно замедляющейся скоростью, приближаясь к остановке. Если темная энергия существует, плоская Вселенная в конечном счете подвергнется безудержному расширению, ведущему к Большому разрыву.
Независимо от того, как это происходит, Вселенная умирает, и этот факт подробно обсуждался астрофизиком Полом Саттером.
Что находится внутри черной дыры?
Согласно современным теориям, если вы бросите что-то в черную дыру, мы никогда не узнаем, что с ним случится. Это потому, что гравитация черной дыры настолько сильна, что ее скорость удаления выше скорости света, а свет — самое быстрое в мире явление. Однако раздел науки под названием квантовая механика утверждает, что квантовая информация уничтожена быть не может.
Квантовая информация немного отличается от информации, которую мы храним в виде единиц и нулей на компьютере, или информации в нашем мозге. Это связано с тем, что квантовые теории не дают точной информации, например, о том, где будет находиться объект, подобно расчету траектории бейсбольного мяча в механике. Вместо этого такие теории раскрывают наиболее вероятное местонахождение или наиболее вероятный результат какого-либо действия. Другими словами, если вы знаете, чем заканчивается система, вы сможете вычислить, как она началась.
Из черной дыры не выходит ничего, кроме медленной струйки теплового излучения, называемого излучением Хокинга. Насколько известно, нет способа провести обратный расчет, чтобы выяснить, что на самом деле поглотила черная дыра. Информация уничтожается. Однако квантовая теория утверждает, что информация не может быть полностью недосягаемой. В этом заключается информационный парадокс.
Что такое темная материя?
Около 84% материи во Вселенной не поглощает и не излучает свет. «Темную материю», как ее называют, нельзя увидеть напрямую, и она еще не обнаружена косвенными средствами. Вместо этого существование и свойства темной материи выводятся из ее гравитационного воздействия на видимую материю, излучение и структуру Вселенной.
Считается, что это темное вещество пронизывает окраины галактик и может состоять из слабо взаимодействующих массивных частиц или вимпов. Во всем мире есть несколько детекторов, ищущих вимпы, но до сих пор ни один не был найден. Некоторые предполагают, что темная материя может образовывать длинные мелкозернистые потоки по всей Вселенной, и что такие потоки могут исходить от Земли.
Что такое темная энергия?
Несмотря на то, что гравитация притягивает пространство-время внутрь — «ткань» космоса, — она продолжает расширяться наружу все быстрее и быстрее. Чтобы объяснить это, астрофизики предложили невидимый агент, который противодействует гравитации, раздвигая пространство-время. Они называют это темной энергией.
В наиболее широко принятой модели темной энергии это «космологическая постоянная»: неотъемлемое свойство самого пространства, которое имеет отрицательное давление, раздвигающее пространство. По мере расширения пространства создается еще больше пространства, а вместе с ним и больше темной энергии. Основываясь на наблюдаемой скорости расширения, ученые знают, что сумма всей темной энергии должна составлять более 70% всего содержимого Вселенной. Но никто не знает, как ее искать.
ляем вашему вниманию совершенно новый форум Astronomy.com! Станьте частью нашего сообщества! >> Посетите сейчас
 
 
Вселенная — это огромное, впечатляющее место, которое люди стремились понять на протяжении тысячелетий. Теперь, с помощью таких инструментов, как космический телескоп «Хаббл», который сделал это изображение прекрасной планетарной туманности NGC 6302, мы наконец можем понять, как устроен наш космос. Фото: NASA, ESA и команда Hubble SM4 ERO
Осознаете вы это или нет, вы - часть революции.
Позвольте мне объяснить. В прошлом идеи о том, как интерпретировать природу вещей, развивались медленно. До появления астрономии была астрология, которая пыталась найти мистический смысл в движении звёзд и планет. То, что стало химией, изначально было алхимией, которая стремилась превратить свинец в золото.
Потребовались тысячелетия, чтобы эти примитивные практики превратились в науки. И даже когда это произошло, ранняя наука в основном занималась классификацией, будь то кости, образцы минералов или листья деревьев.
Ситуация в астрономии действительно изменилась в 1860-х годах, когда развитие спектроскопии положило начало новой эре в понимании Вселенной — эре астрофизики. Наконец-то астрономы смогли всерьёз заняться изучением физической природы объектов в космосе с помощью объективных и измеримых методов.
За этим последовали важные открытия. Столетие назад Альберт Эйнштейн преобразовал физику своими теориями относительности, впервые со времён Исаака Ньютона переписав основные законы движения. Эдвин Хаббл совершил революцию в астрономии в начале 1920-х годов, открыв природу галактик и первые намёки на огромные космические расстояния.
Но самое последнее поколение стало свидетелем такого взрыва знаний о Вселенной, какого не было ни до, ни после. И по пути мы столкнулись с удивительными открытиями, которые полностью изменили многие наши представления о Вселенной.
Сейчас мы получаем ответы на некоторые из самых важных и фундаментальных вопросов, которые люди задавали с незапамятных времён: сколько лет Вселенной? Как она возникла? Насколько велик космос? Существуют ли чёрные дыры? Как закончится Вселенная? И почему мы здесь, на планете, вращающейся вокруг довольно обычной звезды?
Воистину, никогда ещё не было лучшего времени для тех, кто любит астрономию и с благоговением смотрит на небо.
 Согласно ведущей теории образования Луны, наш спутник сформировался из обломков, выброшенных в результате столкновения с телом размером с Марс по имени Тейя в начале существования Солнечной системы. Фото: NASA
1. Как образовалась Луна
Одна из величайших загадок астрономии — наш ближайший небесный сосед. Предположительно, одним из первых небесных объектов, которые наши древние предки заметили и которыми заинтересовались, была Луна.
Долгое время Луна ставила перед учёными-планетологами некоторые непростые задачи. Система Земля-Луна — странная система. Она обладает большим угловым моментом, то есть высокой орбитальной скоростью, скоростью вращения и массой. Луна также относительно массивна по сравнению с Землёй, а её орбита необычна: она наклонена на 5,1° к плоскости эклиптики. Однако, несмотря на всю эту массу, Луна обладает странно низкой общей плотностью.
Первые убедительные намёки на происхождение Луны появились, когда астронавты «Аполлона» привезли с Луны образцы горных пород для изучения. Химический состав этих пород привёл учёных в замешательство и навёл на мысль о нескольких вариантах происхождения Луны. Возможно, Луна была блуждающим телом, захваченным гравитацией Земли. Или, может быть, Земля и Луна сформировались одновременно как своего рода двойная планета. Возможно, наш мир породил Луну в результате деления. Возможно, крупные планетезимали в окрестностях Земли в начале истории Солнечной системы распались на части и сформировали Луну. Или, возможно, произошло крупное столкновение, в результате которого образовались обломки, сформировавшие Луну, которую мы видим сейчас.
В 1970-х годах Уильям Хартманн и Дональд Дэвис из Университета Аризоны предположили, что тело размером с Марс (позже названное Тейей) столкнулось с Землёй на заре Солнечной системы, выбив огромное облако материала, из которого сформировалась Луна. Поначалу эта идея не получила распространения. Но после многих лет исследований она прижилась, и в 1990-х годах учёный-планетолог Робин Кануп представил дополнительные убедительные доказательства.
Так называемая гипотеза гигантского столкновения в настоящее время является ведущей теорией о том, как образовалась Луна. Самым убедительным доказательством является то, что изотопы кислорода — особые разновидности элемента, отличающиеся количеством нейтронов, — в лунных породах очень похожи на те, что находятся на Земле. По мнению учёных-планетологов, они должны были образоваться из общего источника, и это можно объяснить столкновением.
Что случилось с Тейей? Большая её часть впиталась в Землю, в то, что у вас под ногами.
 На снимках, сделанных как с орбитальных аппаратов, так и с марсоходов, видны явные признаки того, что когда-то по поверхности Марса текла вода. На этом снимке, сделанном орбитальным аппаратом Mars Reconnaissance Orbiter, видны древние русла рек, которые с тех пор заполнились гравием и превратились в возвышенности. Источник: NASA/JPL-Caltech/Аризонский университет
2. Куда делась вода на Марсе?
В научной фантастике XIX века Марс изображался похожим на Землю миром, возможно, населённым всевозможными существами, которые смотрят на нас в ответ. У нашего соседа по Солнечной системе была сложная система каналов — по крайней мере, так считал Персиваль Лоуэлл, вооружённый своим мощным 24-дюймовым телескопом в Аризоне. Легенды о Красной планете заставляли нас надеяться, что в этом мире могут быть леса, изрезанные долинами, и живые существа, похожие на людей.
Любая возможность этого была исключена, когда в 1960-х годах первый космический аппарат сделал снимки Марса с близкого расстояния. Это был явно бесплодный, безжизненный мир.
Но с появлением орбитальных аппаратов и марсоходов на Красной планете в 1990-х годах начала раскрываться более глубокая история эволюции Марса. Эти аппараты, в частности Mars Reconnaissance Orbiter, продемонстрировали, что на поверхности Марса когда-то было много воды. Во многих местах в скалах видны русла крупных рек. На Марсе есть множество свидетельств наличия подземных водоносных горизонтов, а также водяного льда, в том числе в полярных шапках. Но ни одна из этих вод не течёт по поверхности планеты. Так что же привело к высыханию планеты?
Если коротко, то причина в изменении климата. Планетарные учёные считают, что в начале своей истории Марс имел гораздо более плотную атмосферу, чем сейчас, что помогало удерживать воду на поверхности планеты. Но затем атмосфера эволюционировала и истончилась. Теперь молекулы воды на поверхности Марса испаряются и быстро распадаются на более лёгкие побочные продукты, которые затем быстро улетучиваются в космос.
Будущим астронавтам на Марсе будет интересно пробурить скважины до водоносных горизонтов, расположенных всего в нескольких метрах под поверхностью. Могут ли они содержать микробы? Это может стать первым признаком жизни на другой планете.
3. Почему Венера вывернулась наизнанку?
 Здесь показано северное полушарие Венеры, полученное с помощью радара на борту космического аппарата «Магеллан». Поверхность планеты моложе, чем ожидалось, что указывает на относительно недавнее глобальное обновление поверхности. Источник: NASA/JPL
Венера — самый яркий объект на нашем небе после Солнца и Луны. Это ещё один сосед нашей планеты, о котором известно много интересного и увлекательного с научной точки зрения. Как и в случае с Марсом, первые космические миссии показали, что Венера — не самое подходящее место для длительного пребывания. Советские и американские спускаемые аппараты в 1960-х годах быстро обнаружили, что могут находиться на поверхности планеты лишь короткое время при температуре 800 градусов по Фаренгейту (425 градусов по Цельсию). То, что Венера похожа на культурные представления об аде, стало очевидно сразу, и это сходство только усилилось, когда стало известно о токсичных атмосферных газах.
Помимо того, что Венера разочаровала легионы поклонников научной фантастики, она также стала серьёзной загадкой для планетологов. Исследователи обычно определяют возраст поверхности планет по количеству кратеров. Мы знаем, что внутренняя часть Солнечной системы пережила бурную эпоху, называемую Поздней тяжёлой бомбардировкой, когда мелкие тела бомбардировали поверхности планет и спутников. Доказательства этого всё ещё можно увидеть, просто взглянув на Луну. Но на Венере, для сравнения, очень мало ударных кратеров. «Что происходит с Венерой?» — задавались вопросом планетологи.
В начале 1990-х годов с космического аппарата «Магеллан» было получено много данных о Венере и её поверхности, что положило начало новой эре исследований Венеры. Стало очевидно, что Венера — планета с молодой поверхностью. В относительно недавнем прошлом она была очень вулканически активной. И, возможно, три четверти миллиарда лет назад на Венере произошло глобальное вулканическое событие, которое привело к обновлению поверхности. Старые кратеры были уничтожены. Как выразился один учёный-планетолог, «Венера — это планета, которая сама себя стошнило».
Что могло вызвать такое драматическое событие? Считается, что огромное количество энергии было заключено глубоко внутри Венеры, возможно, из-за того, что её кора стала настолько толстой, что планета задыхалась от собственного внутреннего тепла. В какой-то критический момент эта энергия вырвалась наружу, и, поскольку на Венере нет тектонических плит, это событие привело к катастрофическому глобальному обновлению поверхности.
 Еще через 3,75 миллиарда лет галактика Андромеда (слева) будет казаться огромной в небе Земли, как показано на этом рисунке. К этому времени гравитация массивной галактики начнет искажать плоскость нашего Млечного Пути справа. Авторы: НАСА; ЕКА; З. Левей и Р. ван дер Марел, STScI; Т. Халлас; и А. Меллинджер
4. А вот и Милкомеда
Тайны и странные открытия простираются далеко в космос за пределами нашей Солнечной системы. В начале 1920-х годов Эдвин Хаббл открыл природу галактик, обнаружив переменную звезду типа Цефея в галактике Андромеды, нашем ближайшем крупном внегалактическом соседе. Поскольку переменные звёзды типа Цефея пульсируют с частотой, зависящей от их собственной яркости, Хаббл смог точно определить расстояние до них.
Он обнаружил, что галактика Андромеды находится на расстоянии поразительных 2,5 миллионов световых лет. Свет, который вы видите в окуляре телескопа, исходил от галактики 2,5 миллиона лет назад, когда наши далёкие предки бродили по Земле.
Ещё до Хаббла астроном В. М. Слифер из обсерватории Лоуэлла обнаружил, что большинство «спиральных туманностей», как их тогда называли, удаляются друг от друга.
Но не все из них. Исключения обычно встречаются в скоплениях и группах. Мы находимся в той же группе галактик, что и Андромеда, которую Хаббл назвал Местной группой. Гравитация и случайные движения играют важную роль в поведении галактик в группах.
Оказывается, Галактика Андромеды и наш Млечный Путь движутся навстречу друг другу со скоростью около 70 миль в секунду (110 км/с). В 2008 году профессор астрономии Гарвардского университета Ави Лоэб и его коллеги провели подробное исследование Галактики Андромеды и обнаружили, что в конечном итоге Галактика Андромеды и Млечный Путь сольются в одну сверхгалактику, которую они назвали Милкомеда.
Не о чем беспокоиться — это произойдёт намного позже, чем исчезнет жизнь на Земле. Но в конце концов, через несколько миллиардов лет, галактика Андромеды будет становиться всё больше и больше на нашем небе — или на небе выживших планет Млечного Пути. Все жители станут свидетелями того, как спиральные рукава галактик переплетаются в космическом танце, и, возможно, в конце концов Андромеда будет выглядеть как одна из больших эллиптических галактик, которые мы можем наблюдать сейчас, например, Центавр А на нашем южном небе.
 На этом двухмерном «срезе» Вселенной показано распределение примерно 200 000 галактик — каждая из которых представлена точкой — под углом около 90° на небе. Расстояние до каждой галактики, или красное смещение, переводится в миллиарды лет, начиная с космического микроволнового фона, сформировавшегося около 13,7 миллиарда лет назад. Визуализация Б. Менар и Н. Штаркман
5. Насколько велика Вселенная?
Этот вопрос в той или иной форме должен был возникнуть ещё тогда, когда наши предки впервые обрели способность к сложным размышлениям, глядя в небо и размышляя о том, почему они существуют. И всё же ответ в каком-либо сложном смысле появился совсем недавно.
Космологические исследования показывают, что Вселенной 13,8 миллиарда лет. Самые последние и точные данные о Вселенной были получены со спутника «Планк» Европейского космического агентства. Мы знаем, что Большой взрыв стал отправной точкой Вселенной с тех пор, как Арно Пензиас и Роберт Уилсон в 1964 году открыли космическое микроволновое фоновое излучение. Мы знаем, что Вселенная расширяется, что было обнаружено Слайфером в 1912 году. А с 1998 года, когда была открыта тёмная энергия (см. № 7), мы знаем, что это расширение со временем ускоряется.
Удивительно, но теперь мы также знаем, что диаметр Вселенной составляет не менее 93 миллиардов световых лет. Как такое возможно? Потому что Вселенная не похожа на коробку, содержимое которой движется наружу. Само пространство со временем расширяется. Расстояние в 1 дюйм (2,54 сантиметра) в ранней Вселенной позже стало 2 дюймами (5,1 см) и так далее.
Обратите внимание, что я сказал, что Вселенная имеет в поперечнике не менее 93 миллиардов световых лет. Это потому, что в некоторых космологических моделях Вселенная может быть бесконечной. Звучит как научная фантастика, но, возможно, это правда.
 На этом составном изображении показаны рентгеновские лучи и видимый свет от скопления галактик «Пуля», которое состоит из двух отдельных сталкивающихся скоплений галактик. Горячий газ, связанный со скоплением, который составляет большую часть обычной материи и виден в рентгеновских лучах, окрашен в розовый цвет. Но распределение массы, полученное с помощью гравитационного линзирования, показано синим цветом — это расположение тёмной материи в скоплении. Различие между ними показывает, что тёмная материя и обычная материя по-разному реагируют на слияние. Источник: рентгеновское изображение: NASA/CXC/CfA/M.Маркевич, оптическая карта и карта линз: NASA/STScI, Magellan/U.Аризона/Д.Клоу, карта линз: ESO WFI
6. Тайна темной материи
В начале 1930-х годов два астронома независимо друг от друга предположили существование странной, невидимой формы материи. Голландский астроном Ян Оорт (который вскоре прославился исследованиями облака комет в Солнечной системе) и швейцарский астроном Фриц Цвикки изучали движение звёзд в нашей галактике. Каждый из них пришёл к выводу, что видимые нами яркие объекты — звёзды и галактический диск — не могут быть всем, что существует. Должна существовать некая невидимая форма материи, которая помогает звёздам вращаться вокруг центра галактики с такой же скоростью, как и они. Цвикки назвал её dunkle Materie, или тёмной материей.