Астрономические наблюдения показывают

Астрономические наблюдения показывают, что Вселенная и даже самые далёкие звёзды и галактики состоят из материи, и антивещества в ней очень мало. Это различие между количеством барионов (частиц, состоящих из трёх кварков) и антибарионов (античастиц, состоящих из трёх антикварков) в нашей Вселенной называется барионной асимметрией.
Если бы Вселенная была полностью симметричной, то количество барионов и антибарионов должно было бы быть равным, и мы наблюдали бы целые галактики из антиматерии. Однако в реальности из барионов сделано всё подряд, а антибарионы приходится на ускорителях частиц синтезировать не то что по чайной ложке, а по атому. Поэтому антивещество — самая дорогая штука в мире.
Согласно стандартной модели элементарных частиц, сразу после Большого взрыва во Вселенной должно было быть равное количество кварков и антикварков. Однако что то случилось, что именно — непонятно, но антибарионы почти все аннигилировали, а из оставшихся барионов образовалось вещество. Из него, собственно, и состоит Вселенная. И вы, кстати, тоже. И учёные, которые всё никак не поймут, почему в космосе так мало антивещества.
7. Стабилен ли вакуум
 Изображение: NASA / Unsplash
Вакуум — это пространство с минимально возможной энергией, но, вопреки своему названию, оно не является полностью пустым. В нём всё ещё присутствуют квантовые поля, которые определяют поведение элементарных частиц. Учёные полагают, что истинный, или физический, вакуум, который мы знаем, является наиболее стабильным состоянием во Вселенной, так как он считается глобальным минимумом энергии.
Однако в теории существует возможность, что состояние физического вакуума представляет собой конфигурацию квантовых полей, которая является лишь локальным, а не глобальным минимумом энергии. То есть вакуум, который мы можем наблюдать в глубоком космосе или создавать в лаборатории, — «ложный». А значит, может существовать и «истинный».
И если «истинный» вакуум существует, у нас большие проблемы.
 
Реклама•0+
Если предположить, что наша Вселенная находится в состоянии не «истинного», а «ложного» вакуума, то становится возможен процесс его распада до более стабильного состояния. Последствия такого процесса могут быть самыми ужасающими и варьироваться от едва заметных изменений космологических параметров, которые зависят от разности потенциалов между «ложным» и «истинным» вакуумом, до полного прекращения функционирования элементарных частиц и фундаментальных сил.
Если где нибудь в космосе появится пузырь «настоящего» вакуума, это может привести к полному разрушению барионного вещества или даже мгновенному гравитационному коллапсу Вселенной.
Короче, будем надеяться, что наш вакуум — самый надёжный в мире. А что ещё остаётся?
8. Каким будет конец Вселенной
 Изображение: Wikimedia Commons
И раз уж мы заговорили о таких волнующих глобальных вопросах, как гравитационный коллапс Вселенной: физики составили список самых интересных вещей, которые могут случиться с космосом в будущем, но никак не решат, какой сценарий наиболее вероятный.
Согласно теории Большого взрыва, Вселенная возникла около 13,8 млрд лет назад из плотного и горячего состояния, называемого сингулярностью, и с тех пор всё растёт и остывает. Эта теория хорошо объясняет ряд наблюдаемых феноменов, таких как реликтовое фоновое излучение космоса и расширение Вселенной. Но что будет дальше? Выбирайте, что вам больше нравится:
• Тепловая смерть. В рамках этой концепции предполагается, что со временем Вселенная будет становиться всё более и более холодной и равномерной. Энергия в ней будет исчерпываться, все процессы, такие как образование звёзд и тепловое движение, замедлятся и прекратятся. Это приведёт к состоянию максимальной энтропии, когда все частицы будут находиться в состоянии равновесия и никакие события во Вселенной больше не будут возможны.
• Большой разрыв. Вселенная продолжит расширяться. Это означает, что галактики и другие космические объекты будут всё быстрее отдаляться друг от друга. Если ничего не изменится, в далёком будущем гравитационные силы перестанут быть достаточно сильными для того, чтобы противостоять давлению тёмной энергии. Это приведёт к тому, что на всех уровнях структуры внутри Вселенной, включая галактики, звёзды и атомы, будет действовать сила, превосходящая их собственную силу притяжения. В итоге все объекты будут постепенно разорваны на отдельные частицы.
• Большое сжатие. Согласно этому сценарию расширение Вселенной, вызванное Большим взрывом, замедлится и в конечном счёте перейдёт в обратное движение. Гравитационное притяжение между галактиками, звёздами и планетами станет преобладающей силой. Расстояние между ними будет всё уменьшаться, пока Вселенная не сожмётся обратно в сингулярность, где плотность и температура становятся бесконечно высокими. А там и до нового Большого взрыва недалеко.
Но какая именно судьба ждёт космос, пока что неясно. Подождите, пожалуйста, ещё несколько тысяч септиллиардов лет.

Борис Штерн
Астрофизик. Доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН и Астрокосмического центра ФИАН.
В XX веке в изучении космоса произошёл прорыв — развились технологии, улучшились методы наблюдений. Если раньше учёные довольствовались только телескопами, то теперь у них появились другие, более совершенные инструменты: спутники, радиоастрономические устройства, интерферометры.
Благодаря этому за последние 20 с лишним лет были сделаны важнейшие открытия в космологии и астрофизике: доказано существование гравитационных волн, обнаружены экзопланеты, и, наконец, история Вселенной и её содержимое определены с высокой точностью. Всё это — важнейшие знания, которые расширили наши представления об окружающем мире.
1. Планет, на которых возможна жизнь, много
«Экзопланетная эпопея» началась в 1995 году, когда впервые был применён метод лучевой скорости. Благодаря ему периодически можно было наблюдать сдвиг спектральных линий звёзд по эффекту Доплера. В результате была найдена невозможная, казалось бы, планета гигант с периодом обращения 4,2 дня — совсем близко к звезде 51 Пегаса.
Тогда это стало научной сенсацией и учёные начали поиски экзопланет. Настоящий прорыв в этой области случился в 2009 году, когда был запущен телескоп «Кеплер».
Он уже работал по другому методу — транзитному. Суть состояла в том, чтобы «ловить» небольшие затемнения звёзд, вызванные пролётом планет на их фоне.
В итоге произошёл взрывной рост числа открытых экзопланет. Если до этого их насчитывали сотни, то теперь счёт шёл на тысячи.
На сегодняшний день из них твёрдо подтверждено существование 5 357. Это совершенно разнообразные планеты: и холодные, и горячие, сравнимые как с массой Меркурия, так и с массой 10 Юпитеров. Среди них, скорее всего, есть и такие, поверхность которых — сплошной океан, и ледышки с экстремально низкими температурами.
Однако среди всего этого экзопланетного «зоопарка» практически нет таких экземпляров, на которых могла бы быть жизнь. Это не значит, что их нет совсем. Просто тут работает эффект селекции: чтобы нагреваться так же, как Земля звездой класса Солнца, такие планеты должны иметь довольно большие орбиты — «длинный год». Чтобы зафиксировать их транзиты, за звёздами нужно очень долго наблюдать. А у «Кеплера» этого времени не было — он проработал всего 3 года. При этом, даже если подобные планеты обнаружили бы, доказать, что на них есть жизнь, было бы очень тяжело.
Кроме того, инопланетная жизнь, скорее всего, отличается от земной. С большой вероятностью мы увидели бы только бактериальную слизь. Потому что на пути от возникновения жизни к высокоразвитой, а тем более разумной её форме лежат разные маловероятные события, и, скорее всего, на других планетах процесс затормаживается на ранних стадиях развития.
В этом смысле Земля — редкий феномен.
Сейчас нам не хватает точности инструментов, чтобы вылавливать такие планеты методом лучевой скорости, и нет телескопов, подобных «Кеплеру», которые отслеживали бы их транзиты.
Но я думаю, что вскоре средства усовершенствуются и учёные начнут детектировать первые «Земли». Например, есть намёки на то, что в системе Тау Кита — близкой к Солнцу звезде — есть планеты в зоне обитаемости.
2. Гравитационные волны существуют
Согласно теории относительности Эйнштейна, сила тяготения — это результат искривления пространства времени под влиянием материи, где гравитационные волны — его рябь.
Гравитационные волны образуются в результате слияния чёрных дыр или нейтронных звёзд — то есть массивных объектов. Вблизи них пространство сжимается и расширяется на 10% и больше, а вместе с ним и любой объект в нём. До нас же доходит ничтожная рябь, зарегистрировать которую очень сложно.
Когда Эйнштейн сформулировал теорию относительности, учёные начали долго и безуспешно пытаться экспериментально обнаружить гравитационные волны.
Первыми разумную методику предложили советские учёные: Владислав Пустовойт и Михаил Герценштейн. В 1960 х годах они написали статью, в которой предложили создать детектор гравитационных волн в виде лазерного интерферометра.
Принцип его работы был такой:
1. Два зеркала находятся на дистанции в несколько километров друг от друга.
2. Лазерный луч по интерференции точно измеряет расстояние между ними.
3. Если оно начинает изменяться, то это может происходить из за воздействия гравитационных волн.
Идея простая, но её реализация оказалась связана со множеством сложностей. Дело в том, что точность, с которой надо измерить изменение расстояния между зеркалами, в десятки тысяч раз меньше размера протона в атомном ядре. Чтобы это сделать, нужен мощный лазерный луч, вакуум, уникальная установка детектора.
Чтобы всего этого добиться, потребовалось несколько десятков лет. В итоге в 2015 году учёным из США удалось это сделать. У них было два детектора, которые зафиксировали сигнал гравитационных волн, и их результаты совпали как между собой, так и с теоретическими расчётами.
Никаких сомнений не осталось: гравитационные волны существуют.
Общая теория относительности, красивейшая с самого начала, подтвердилась на практике. Очень важно было показать всем сомневающимся: смотрите, как мощно она работает.
С тех пор число регистраций гравитационных волн перевалило за сотню. Учёные накапливают статистику, а также разрабатывают проект сверхчувствительного интерферометра, который можно будет использовать в космосе.
3. Микроволновый фон — учебник по истории Вселенной
Микроволновый фон — это свет, который образовался в первые сотни тысяч лет после Большого взрыва. Он дошёл до нас в виде коротких радиоволн — размером в доли сантиметра.
Откуда взялся этот свет? В первые моменты своей жизни Вселенная была плотной, горячей и предельно ионизованной — то есть ядра атомов были отделены от электронов. Лишь через 380 тысяч лет они между собой «подружились» и образовали нейтральные атомы. Из за этого сильно изменилось взаимодействие света с новыми веществами. Фотоны разлетелись во все стороны, стали менее энергичными, поскольку длина их волны растянулась вместе с расширением Вселенной. Так свет от Большого взрыва долетел до нас.
В XX веке начались исследования микроволнового фона. В 1990 х чувствительность инструментов возросла настолько, что стала заметна его пятнистость и неравномерность.
В 2000 х в космос запустили мощный детектор микроволнового излучения WMAP, который снял карту этого излучения со всего неба в хорошем разрешении.
Благодаря ей было построено распределение контрастности пятен в зависимости от их размеров, в нём были пики и провалы. Такое явление называется сахаровскими осцилляциями — его впервые описал советский физик Андрей Дмитриевич Сахаров.
Соотношение этих пиков и провалов точно показывает, какой была ранняя Вселенная, а также описывает её свойства.
Теперь мы точно знаем хронологию событий от первых ничтожных долей секунд после Большого взрыва до наших дней. Я считаю, что это важнейшее достижение в XXI веке.
К сожалению, на этом исследования притормозились. После эксперимента WMAP был запущен спутник Planck с более совершенным микроволновым телескопом. Он добыл данные, которых недоставало, но никаких принципиально новых открытий не принёс.
Космология исчерпала возможности метода измерения реликтового излучения. Поэтому дальше продвинуться очень тяжело. Но это закономерно: после революции возникает плато. Новых прорывов придётся подождать.