Всесвіт#
Сучасні наукові уявлення про походження та еволюцію Всесвіту базуються на теорії Великого Вибуху. Ця теорія стверджує, що близько 13,8 мільярдів років тому весь простір, час, матерія та енергія, які ми знаємо, виникли з надзвичайно щільного і гарячого стану, що стрімко розширився. Ця подія не була "вибухом" у звичайному розумінні (тобто вибухом у вже існуючому просторі), а скоріше розширенням самого простору.
Основні етапи еволюції всесвіту#
Планківська епоха (до \(10^{-43}\) с): Це період, про який ми маємо найменше уявлень. Вважається, що всі чотири фундаментальні взаємодії (сильна, слабка, електромагнітна та гравітаційна) були об'єднані в одну. Фізичні закони, які ми знаємо, тут не застосовуються. У цій точці Всесвіт охоплює область лише \(10^{-35}\) метрів (1 планківська довжина) і має температуру понад \(10^{32}\) K (планківська температура).
Епоха Великого Об'єднання (від \(10^{-43}\) с до \(10^{-36}\) с): Гравітація відокремлюється від інших сил. Всесвіт ще надзвичайно гарячий і щільний, заповнений екзотичними частинками.
Епоха Інфляції (від \(10^{-36}\) с до \(10^{-32}\) с): Всесвіт зазнає надзвичайно швидкого експоненціального розширення, відомого як космічна інфляція. Лінійні розміри раннього Всесвіту збільшуються протягом цього періоду, що становить крихітну частку секунди, щонайменше в 10²⁶ разів, приблизно до 10 сантиметрів (розміром з грейпфрут). Елементарні частинки, що залишилися від Епохи Великого Об'єднання (гаряча, щільна кварк-глюонна плазма, яку іноді називають «кварковим супом»), дуже тонко розподіляються по Всесвіту.
Електрослабка епоха (від \(10^{-32}\) с до \(10^{-12}\) с): Cильна ядерна сила відокремлюється від двох інших, взаємодія частинок створює велику кількість екзотичних частинок, включаючи W- та Z-бозони, а також бозони Хіггса (поле Хіггса уповільнює частинки та надає їм маси, дозволяючи Всесвіту, повністю складеному з випромінювання, підтримувати об'єкти, що мають масу).
Епоха Кваркової Плазми або Кваркова епоха (від \(10^{-12}\) с до \(10^{-6}\) с): Кварки, електрони та нейтрино утворюються у великій кількості, коли Всесвіт охолоджується до температури нижче 10 квадрильйонів градусів, і чотири фундаментальні сили набувають своїх нинішніх форм. Кварки та антикварки анігілюють один одного при контакті, але в процесі, відомому як баріогенез, виживає надлишок кварків (приблизно один на кожен мільярд пар), які зрештою об'єднуються, утворюючи матерію.
Епоха Адронної Плазми або Адронна епоха (від \(10^{-6}\) с до ~1 с): Температура Всесвіту охолоджується приблизно до трильйону градусів, що достатньо низько, щоб кварки могли об'єднуватися та утворювати адрони (як протони та нейтрони). Електрони, що стикаються з протонами в екстремальних умовах адронної епохи, зливаються, утворюючи нейтрони та виділяючи безмасові нейтрино, які продовжують вільно подорожувати космосом і сьогодні зі швидкістю світла або близькою до неї. Деякі нейтрони та нейтрино рекомбінують у нові пари протон-електрон. Єдиними правилами, що регулюють усе це, здавалося б, випадкове об'єднання та рекомбінацію, є збереження загального заряду та енергії (включаючи масу-енергію).
Епоха Лептонної Плазми або Лептонна епоха (від 1 с до 3 хв): Після того, як більшість (але не всі) адрони та антиадрони анігілюють один з одним наприкінці Адронної епохи, лептони (такі як електрони) та антилептони (такі як позитрони) домінують у масі Всесвіту. Коли електрони та позитрони стикаються та анігілюють один з одним, вивільняється енергія у вигляді фотонів, і фотони, що стикаються, у свою чергу створюють більше електрон-позитроних пар.
Первинний Нуклеосинтез (від 3 хв до 20 хв): Температура Всесвіту падає до точки (близько мільярда градусів), де можуть почати формуватися атомні ядра, оскільки протони та нейтрони об'єднуються в результаті ядерного синтезу, утворюючи ядра простих елементів: водню, гелію та літію. Приблизно через 20 хвилин після Великого Вибуху температура та щільність Всесвіту падають до точки, де ядерний синтез не може продовжуватися.
Фотонна епоха або радіаційне домінування (від 3 хв до 240 000 років): Протягом цього тривалого періоду поступового охолодження Всесвіт наповнюється плазмою, гарячою, непрозорою сумішшю атомних ядер та електронів. Після того, як більшість лептонів та антилептонів анігілювали один одного в кінці лептонної епохи, енергія Всесвіту переважається фотонами, які продовжують часто взаємодіяти із зарядженими протонами, електронами та ядрами.
Епоха Рекомбінації (від 240 000 років до 380 000 років): Температура Всесвіту падає приблизно до 3000-4000 K, щільність також продовжує падати, іонізовані атоми водню та гелію захоплюють електрони (це називається "рекомбінацією"), нейтралізуючи таким чином їх електричний заряд. Коли електрони тепер зв'язані з атомами, Всесвіт нарешті стає прозорим для світла, що робить цю епоху найдавнішою, яку можна спостерігати сьогодні. Це також вивільнило фотони у Всесвіті, які до цього часу взаємодіяли з електронами та протонами в непрозорій фотонно-баріонній рідині, і ці фотони (ті самі, що ми бачимо в сучасному космічному фоновому випромінюванні) тепер можуть вільно подорожувати. Утворення перших атомів породило також власне світло, що стало частиною космічного мікрохвильового фону (його ще називають реліктовим випромінюванням). Це найдавніше світло, яке ми можемо спостерігати у Всесвіті.
Темні віки (від 380 000 років до 200-400 мільйонів років після Великого Вибуху): Після появи космічного мікрохвильового фону Всесвіт знову став непрозорим на коротших довжинах хвиль через поглинальний ефект усіх утворених атомів водню. Протягом наступних 200 мільйонів років Всесвіт залишався темним. Не було зірок, які б світили. Космос у цей момент складався з моря атомів водню, гелію та кількох важчих хімічних елементів.
Формування перших зірок і галактик (початок між 200-400 мільйонів років після Великого Вибуху): Гравітація посилює незначні неоднорідності в щільності первісного газу, і газові "кишені" стають дедалі щільнішими, навіть попри те, що Всесвіт продовжує швидко розширюватися. Ці щільні хмари космічного газу починають стискатися під дією власної гравітації, стаючи достатньо гарячими, щоб спровокувати реакції ядерного синтезу між атомами водню, створюючи перші зірки. Перші зірки були в 30-300 разів масивніші за наше Сонце та в мільйони разів яскравіші. Протягом кількох сотень мільйонів років перші зірки збиралися в перші галактики.
Перші зірки – це короткоживучі надмасивні зірки, відомі як зірки Популяції III (або "безметалеві"). Зрештою, зірки Популяції II, а потім і Популяції I також починають формуватися з матеріалу попередніх раундів зореутворення. Більші зірки швидко вигорають і вибухають у масивних наднових, а їхній попіл формує наступні покоління зірок. Великі обсяги матерії колапсують, утворюючи галактики, а гравітаційне тяжіння притягує галактики одна до одної, утворюючи групи, скупчення та надскупчення.
Епоха Реіонізації(початок між 250-500 мільйонів років після Великого Вибуху і тривалість до 1 мільярда років після Великого вибуху): Спочатку світло зірок не могло поширюватися далеко, оскільки воно розсіювалося відносно щільним газом, що оточував перші зірки. Поступово ультрафіолетове світло, що випромінювалося цими зірками, іонізувало атоми водню в газі на електрони та протони. У міру того, як ця реіонізація прогресувала, світло зірок поширювалося далі, іонізуючи все більше й більше атомів водню. На той час, коли Всесвіту виповнився 1 мільярд років, зірки та галактики іонізували майже весь цей газ, зробивши Всесвіт прозорим для світла, яким ми його бачимо сьогодні.
Епоха еволюції галактик та формування великомасштабних структур (від 1 мільярда років після Великого Вибуху років до теперішнього часу)
Подальший ріст і злиття галактик. Хоча перші галактики сформувалися раніше, період після реіонізації характеризується енергійним зростанням галактик шляхом злиттів, акреції газу та зореутворення. Менші галактики зливаються, утворюючи більші, що призводить до різноманітних морфологій, які ми бачимо сьогодні (спіральні, еліптичні, неправильні).
Формування скупчень та надскупчень галактик. Оскільки гравітація продовжує діяти на розподіл матерії (як звичайної, так і темної матерії), галактики об'єднуються у дедалі більші структури: скупчення галактик, а потім у величезні ниткоподібні надскупчення, які представляють собою найбільші структури у Всесвіті. Космічна павутина з її щільними вузлами галактик та пустот повністю розвивається протягом цієї епохи.
Зореутворення продовжується в галактиках, але його пік активності припав на кілька мільярдів років після Великого вибуху. З часом швидкість зореутворення загалом знижувалася, оскільки доступний для зореутворення газ вичерпується або блокується в зірках та зоряних залишках.
Хімічне збагачення. Кожне покоління зірок перетворює водень і гелій на важчі елементи (метали). Коли масивні зірки вибухають як наднові, вони розсіюють ці елементи в міжзоряному середовищі, збагачуючи газ, з якого формуються наступні покоління зірок. Цей процес призводить до збільшення металічністі зірок і галактик.
Ера домінування темної енергії (приблизно від 5-6 мільярдів років дотепер): Протягом перших кількох мільярдів років розширення Всесвіту переважно сповільнювалося через гравітаційне тяжіння матерії. Однак, приблизно 5-6 мільярдів років тому спостереження показують, що таємнича сила, яка отримала назву "темна енергія", почала домінувати в розширенні Всесвіту, змушуючи його прискорюватися.
Докази Теорії Великого Вибуху#
Розширення Всесвіту (закон Габбла): Спостереження Едвіна Габбла в 1929 році показали, що галактики віддаляються від нас, і швидкість їхнього віддалення пропорційна відстані до них. Це вказує на те, що Всесвіт розширюється.
Реліктове випромінювання (Космічний мікрохвильовий фон): Це найпереконливіший доказ. Властивості цього випромінювання подані нижче.
Поширеність легких елементів: Спостережувані співвідношення водню, гелію та літію у Всесвіті точно відповідають прогнозам теорії первинного нуклеосинтезу, що відбувся в перші хвилини після Великого Вибуху.
Великомасштабна структура Всесвіту: Розподіл галактик і скупчень галактик у Всесвіті відповідає моделям, що випливають з теорії Великого Вибуху з урахуванням ролі темної матерії.
Еволюція галактик: Спостереження за віддаленими галактиками дозволяють нам бачити їх такими, якими вони були в минулому (через кінцеву швидкість світла). Ці спостереження показують, що галактики еволюціонували з часом, що узгоджується з еволюційною картиною Всесвіту.
Властивості реліктового випромінювання:#
Температура: Спектр реліктового випромінювання практично ідеально відповідає теоретичному спектру абсолютно чорного тіла з температурою 2.725 К. Це є одним з найсильніших доказів моделі Великого вибуху, оскільки він передбачає, що Всесвіт на ранніх етапах був гарячим і щільним, а потім розширювався і охолоджувався, залишаючи після себе це "відлуння" у вигляді мікрохвильового/реліктового випромінювання.
Ізотропність: Реліктове випромінювання надзвичайно ізотропний, тобто його температура майже однакова в усіх напрямках неба. Це є однією з найважливіших властивостей, яка свідчить про те, що ранній Всесвіт був дуже однорідним.
Анізотропія (неоднорідності): Хоча реліктове випромінювання дуже однорідне, існують мікроскопічні флуктуації температури (порядку \(10^{-5}\) К). Ці крихітні неоднорідності є надзвичайно важливими, оскільки вони представляють собою первинні "зерна", з яких під дією гравітації згодом виросли всі структури, які ми бачимо сьогодні: галактики, скупчення галактик та суперскупчення.
Відкриття Реліктового Випромінювання:#
Існування КМФ було передбачено Георгієм Гамовим, українським та американським фізиком-теоретиком, та його колегами у 1940-х роках, які розробляли теорію Великого Вибуху. Однак експериментально його відкрили випадково у 1964 році Арно Пензіас і Роберт Вілсон, які працювали в Bell Labs. Вони використовували антену для супутникового зв'язку і виявили дивний, постійний "шум", що надходив з усіх напрямків неба, і не могли пояснити його походження. Лише після консультацій з фізиками з Принстонського університету (зокрема, Робертом Дікке), які також працювали над пошуком цього випромінювання, стало зрозуміло, що вони відкрили космічний мікрохвильовий фон. За це відкриття Пензіас і Вілсон отримали Нобелівську премію з фізики в 1978 році.
Реліктове випромінювання є найважливішим експериментальним доказом теорії Великого Вибуху. Воно дозволяє нам зазирнути безпосередньо у найдавнішу епоху Всесвіту, коли йому було лише кілька сотень тисяч років. Вивчення КМФ за допомогою супутників, таких як COBE, WMAP і Planck, дало величезну кількість інформації про:
Вік Всесвіту
Геометрію Всесвіту (плоский, відкритий або закритий)
Склад Всесвіту (частки звичайної матерії, темної матерії та темної енергії)
Початкові умови (флуктуації густини в ранньому Всесвіті)