Wszechświat, jak wygląda. Jeden Wszechświat czy wiele? Jak wygląda krawędź Wszechświata?

Niesamowite fakty

Czy zastanawiałeś się kiedyś, jak duży jest Wszechświat?

8. To jednak nic w porównaniu ze Słońcem.

Zdjęcie Ziemi z kosmosu

9. I to widok naszej planety z Księżyca.

10. To my z powierzchni Marsa.

11. I to widok Ziemi za pierścieniami Saturna.

12. A to jest słynna fotografia” Blada niebieska kropka”, na którym Ziemia jest fotografowana z Neptuna, z odległości prawie 6 miliardów kilometrów.

13. Oto rozmiar Ziemia w porównaniu do Słońca, który nawet nie mieści się całkowicie na zdjęciu.

Największa gwiazda

14. I to Słońce z powierzchni Marsa.

15. Jak powiedział kiedyś słynny astronom Carl Sagan, w kosmosie więcej gwiazd niż ziarenek piasku na wszystkich plażach Ziemi.

16. Jest ich wiele gwiazd znacznie większych od naszego Słońca. Spójrzcie tylko, jak małe jest Słońce.

Zdjęcie galaktyki Drogi Mlecznej

18. Ale nic nie może się równać wielkości galaktyki. Jeśli zmniejszysz Słońce do wielkości leukocytu(białe krwinki) i zmniejszyć Galaktykę Drogi Mlecznej przy użyciu tej samej skali, Droga Mleczna byłaby wielkości Stanów Zjednoczonych.

19. Dzieje się tak dlatego, że Droga Mleczna jest po prostu ogromna. To właśnie tam znajduje się Układ Słoneczny.

20. Ale widzimy tylko bardzo dużo mała część naszej galaktyki.

21. Ale nawet nasza galaktyka jest malutka w porównaniu do innych. Tutaj Droga Mleczna w porównaniu do galaktyki IC 1011, który znajduje się 350 milionów lat świetlnych od Ziemi.

22. Pomyśl o tym, na tym zdjęciu wykonanym przez teleskop Hubble'a: tysiące galaktyk, z których każda zawiera miliony gwiazd i każda ma własne planety.

23. Oto jeden z galaktyka UDF 423, położona 10 miliardów lat świetlnych od nas. Patrząc na to zdjęcie, spoglądasz miliardy lat w przeszłość. Niektóre z tych galaktyk powstały kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu.

24. Ale pamiętaj, że to zdjęcie jest bardzo, bardzo mała część wszechświata. To tylko niewielka część nocnego nieba.

25. Możemy z całą pewnością założyć, że gdzieś tak jest czarne dziury. Oto rozmiar czarnej dziury w porównaniu do orbity Ziemi.

Plemię Boshongo w Afryce Środkowej wierzy, że od czasów starożytnych istniała tylko ciemność, woda i wielki bóg Bumba. Pewnego dnia Bumbu był tak chory, że zwymiotował. I tak pojawiło się Słońce. Wysuszył część wielkiego Oceanu, uwalniając ziemię uwięzioną pod jego wodami. W końcu Bumba zwymiotował księżyc i gwiazdy, po czym narodziły się zwierzęta. Pierwszy był lampart, potem krokodyl, żółw i wreszcie człowiek. Dzisiaj porozmawiamy o tym, czym jest Wszechświat we współczesnym ujęciu.

Dekodowanie pojęcia

Wszechświat to wielka przestrzeń o niewyobrażalnych rozmiarach wypełniona kwazarami, pulsarami, czarnymi dziurami, galaktykami i materią. Wszystkie te składniki pozostają w ciągłej interakcji i tworzą nasz wszechświat w formie, w jakiej go sobie wyobrażamy. Często gwiazdy we Wszechświecie nie występują same, ale jako część okazałych gromad. Niektóre z nich mogą zawierać kilkaset, a nawet tysiące takich obiektów. Astronomowie twierdzą, że małe i średnie gromady („żabie pomioty”) powstały bardzo niedawno. Ale formacje kuliste są starożytne i bardzo starożytne, „pamiętają” pierwotny kosmos. Wszechświat zawiera wiele takich formacji.

Ogólne informacje o konstrukcji

Gwiazdy i planety tworzą galaktyki. Wbrew powszechnemu przekonaniu układy galaktyk są niezwykle mobilne i niemal cały czas poruszają się w przestrzeni kosmicznej. Gwiazdy są również ilością zmienną. Rodzą się i umierają, zamieniając się w pulsary i czarne dziury. Nasze Słońce jest „przeciętną” gwiazdą. Takie stworzenia żyją (według standardów Wszechświata) bardzo mało, nie więcej niż 10-15 miliardów lat. Oczywiście we Wszechświecie są miliardy luminarzy, których parametry przypominają nasze Słońce i tyle samo układów podobnych do Układu Słonecznego. W szczególności Mgławica Andromeda znajduje się w pobliżu.

Taki jest Wszechświat. Ale wszystko nie jest takie proste, ponieważ istnieje ogromna liczba tajemnic i sprzeczności, na które nie ma jeszcze odpowiedzi.

Niektóre problemy i sprzeczności teorii

Mity starożytnych ludów o stworzeniu wszystkich rzeczy, podobnie jak wiele innych przed nimi i po nich, próbują odpowiedzieć na pytania, które interesują nas wszystkich. Dlaczego tu jesteśmy, skąd wzięły się planety Wszechświata? Skąd pochodzimy? Oczywiście mniej lub bardziej jasne odpowiedzi zaczynamy otrzymywać dopiero teraz, gdy nasze technologie osiągnęły pewien postęp. Jednakże w historii człowieka często zdarzali się przedstawiciele plemienia ludzkiego, którzy sprzeciwiali się poglądowi, że Wszechświat w ogóle miał początek.

Arystoteles i Kant

Na przykład Arystoteles, najsłynniejszy z filozofów greckich, uważał, że określenie „pochodzenie wszechświata” jest błędne, ponieważ istniało ono zawsze. Coś wiecznego jest doskonalsze niż coś stworzonego. Motywacja wiary w wieczność Wszechświata była prosta: Arystoteles nie chciał uznać istnienia jakiegoś bóstwa, które mogłoby go stworzyć. Oczywiście jego przeciwnicy w polemicznych sporach przytaczali przykład stworzenia Wszechświata jako dowód na istnienie wyższego umysłu. Przez długi czas Kanta dręczyło jedno pytanie: „Co się stało, zanim powstał Wszechświat?” Uważał, że wszystkie istniejące wówczas teorie miały wiele logicznych sprzeczności. Naukowcy opracowali tzw. antytezę, która do dziś jest wykorzystywana w niektórych modelach Wszechświata. Oto jej postanowienia:

Jeśli Wszechświat miał początek, to dlaczego czekał wiecznie, zanim powstał?
Jeśli Wszechświat jest wieczny, to dlaczego w ogóle istnieje w nim czas; Dlaczego w ogóle musimy mierzyć wieczność?

Oczywiście, jak na swoje czasy, zadawał więcej niż właściwe pytania. Tylko dzisiaj są one nieco przestarzałe, ale niektórzy naukowcy, niestety, nadal kierują się nimi w swoich badaniach. Teoria Einsteina, która rzuciła światło na strukturę Wszechświata, położyła kres porzuceniu Kanta (a raczej jego następców). Dlaczego tak uderzyło to społeczność naukową?

Punkt widzenia Einsteina

W jego teorii względności przestrzeń i czas nie były już Absolutem, związanym z jakimś punktem odniesienia. Zasugerował, że są one zdolne do dynamicznego rozwoju, o którym decyduje energia występująca we Wszechświecie. Według Einsteina czas jest tak nieokreślony, że nie ma potrzeby go definiować. To jakby ustalić kierunek na południe od bieguna południowego. Całkiem bezsensowna czynność. Każdy tak zwany „początek” wszechświata byłby sztuczny w tym sensie, że można by próbować wnioskować o „wcześniejszych” czasach. Mówiąc najprościej, jest to nie tyle problem fizyczny, co głęboko filozoficzny. Dziś rozwiązują go najlepsze umysły ludzkości, które niestrudzenie myślą o powstaniu pierwotnych obiektów w przestrzeni kosmicznej.

Obecnie podejście pozytywistyczne jest najbardziej powszechne. Mówiąc najprościej, rozumiemy samą strukturę Wszechświata tak, jak możemy ją sobie wyobrazić. Nikt nie będzie w stanie zadać sobie pytania, czy zastosowany model jest prawdziwy i czy istnieją inne możliwości. Można go uznać za udany, jeśli jest wystarczająco elegancki i organicznie uwzględnia wszystkie zgromadzone obserwacje. Niestety, (najprawdopodobniej) błędnie interpretujemy niektóre fakty, posługując się sztucznie stworzonymi modelami matematycznymi, co dodatkowo prowadzi do zniekształcania faktów o otaczającym nas świecie. Kiedy myślimy o tym, czym jest Wszechświat, tracimy z oczu miliony faktów, które po prostu nie zostały jeszcze odkryte.

Współczesne informacje o pochodzeniu Wszechświata

„Średniowiecze Wszechświata” to era ciemności, która istniała przed pojawieniem się pierwszych gwiazd i galaktyk.

To właśnie w tych tajemniczych czasach powstały pierwsze ciężkie pierwiastki, z których zostaliśmy stworzeni my i cały otaczający nas świat. Obecnie badacze opracowują podstawowe modele Wszechświata i metody badania zjawisk, które miały wówczas miejsce. Współcześni astronomowie twierdzą, że wiek Wszechświata wynosi około 13,7 miliardów lat. Zanim powstał wszechświat, przestrzeń była tak gorąca, że wszystkie istniejące atomy zostały podzielone na dodatnio naładowane jądra i ujemnie naładowane elektrony. Jony te blokowały całe światło, zapobiegając jego rozprzestrzenianiu się. Panowała ciemność i nie było jej końca.

Pierwsze światło

Około 400 000 lat po Wielkim Wybuchu przestrzeń ostygła na tyle, że różne cząstki połączyły się w atomy, tworząc planety Wszechświata i... pierwsze światło w przestrzeni, którego echa wciąż znamy jako „horyzont świetlny” ”. Nadal nie wiemy, co wydarzyło się przed Wielkim Wybuchem. Być może istniał wtedy jakiś inny Wszechświat. Być może nie było nic. Wielkie Nic... Na tę opcję upiera się wielu filozofów i astrofizyków.

Obecne modele sugerują, że pierwsze galaktyki we wszechświecie zaczęły powstawać około 100 milionów lat po Wielkim Wybuchu, dając początek naszemu wszechświatowi. Proces powstawania galaktyk i gwiazd stopniowo trwał, aż większość wodoru i helu została włączona do nowych słońc.

Tajemnice czekające na swojego odkrywcę

Istnieje wiele pytań, na które można odpowiedzieć, badając procesy, które pierwotnie miały miejsce. Na przykład, kiedy i jak powstały potwornie duże czarne dziury widoczne w sercach praktycznie wszystkich dużych gromad? Dziś wiadomo, że Droga Mleczna ma czarną dziurę, której masa jest około 4 miliony razy większa od masy naszego Słońca, a niektóre starożytne galaktyki Wszechświata zawierają czarne dziury, których rozmiar jest na ogół trudny do wyobrażenia. Największa jest formacja w układzie ULAS J1120+0641. Jej czarna dziura waży 2 miliardy razy więcej niż masa naszej gwiazdy. Galaktyka ta powstała zaledwie 770 milionów lat po Wielkim Wybuchu.

To jest główna tajemnica: według współczesnych pomysłów takie masywne formacje po prostu nie miałyby czasu powstać. Jak więc powstały? Jakie są „nasiona” tych czarnych dziur?

Ciemna materia

Wreszcie ciemna materia, która według wielu badaczy stanowi 80% kosmosu, czyli Wszechświata, nadal jest „czarnym koniem”. Nadal nie wiemy, jaka jest natura ciemnej materii. W szczególności jego struktura i interakcja cząstek elementarnych tworzących tę tajemniczą substancję budzą wiele pytań. Dziś zakładamy, że jej części składowe praktycznie nie oddziałują ze sobą, natomiast wyniki obserwacji niektórych galaktyk przeczą tej tezie.

O problemie pochodzenia gwiazd

Kolejnym problemem jest pytanie, jakie były pierwsze gwiazdy, z których powstał gwiezdny Wszechświat. W niewiarygodnym cieple i ciśnieniu panującym w jądrach tych słońc stosunkowo proste pierwiastki, takie jak wodór i hel, zostały przekształcone w szczególności w węgiel, na którym opiera się nasze życie. Naukowcy uważają obecnie, że pierwsze gwiazdy były wielokrotnie większe od Słońca. Być może żyły zaledwie kilkaset milionów lat, a może nawet krócej (prawdopodobnie tak powstały pierwsze czarne dziury).

Jednak niektórzy z „starych wyjadaczy” mogą równie dobrze istnieć we współczesnej przestrzeni. Musiały być bardzo ubogie w pierwiastki ciężkie. Być może niektóre z tych formacji mogą nadal „ukrywać się” w halo Drogi Mlecznej. Ten sekret również nadal nie został ujawniony. Z takimi zdarzeniami trzeba się spotkać za każdym razem, gdy odpowiada się na pytanie: „Czym więc jest Wszechświat?” Aby zbadać pierwsze dni po jego powstaniu, niezwykle ważne jest poszukiwanie najwcześniejszych gwiazd i galaktyk. Naturalnie, najstarszymi obiektami są prawdopodobnie te, które znajdują się na samym brzegu horyzontu świetlnego. Jedynym problemem jest to, że tylko najpotężniejsze i najbardziej wyrafinowane teleskopy mogą dotrzeć do tych miejsc.

Naukowcy pokładają ogromne nadzieje w Kosmicznym Teleskopie Jamesa Webba. Instrument ten ma dostarczać naukowcom cennych informacji na temat pierwszej generacji galaktyk, które powstały bezpośrednio po Wielkim Wybuchu. Praktycznie nie ma zdjęć tych obiektów w akceptowalnej jakości, więc wielkie odkrycia są wciąż przed nami.

Niesamowity „luminarz”

Wszystkie galaktyki emitują światło. Niektóre formacje świecą mocno, inne zaś mają umiarkowane „iluminację”. Ale istnieje najjaśniejsza galaktyka we wszechświecie, której intensywność nie przypomina niczego innego. Nazywa się WISE J224607.57-052635.0. Ta „żarówka” znajduje się w odległości aż 12,5 miliarda lat świetlnych od Układu Słonecznego i świeci jednocześnie jak 300 bilionów Słońc. Należy pamiętać, że obecnie istnieje około 20 takich formacji i nie powinniśmy zapominać o koncepcji „jasnego horyzontu”.

Mówiąc najprościej, z naszego miejsca widzimy tylko te obiekty, które powstały około 13 miliardów lat temu. Odległe obszary są niedostępne dla wzroku naszych teleskopów po prostu dlatego, że stamtąd światło po prostu nie miało czasu dotrzeć. Zatem coś podobnego prawdopodobnie istnieje w tych częściach. To najjaśniejsza galaktyka we Wszechświecie (a dokładniej w jej widocznej części).

Jednym z głównych pytań, które nie opuszcza ludzkiej świadomości, zawsze było i jest pytanie: „jak pojawił się Wszechświat?” Oczywiście nie ma jednoznacznej odpowiedzi na to pytanie i jest mało prawdopodobne, że zostanie ona wkrótce uzyskana, ale nauka pracuje w tym kierunku i tworzy pewien teoretyczny model pochodzenia naszego Wszechświata. Przede wszystkim należy rozważyć podstawowe właściwości Wszechświata, które należy opisać w ramach modelu kosmologicznego:

Model musi uwzględniać obserwowane odległości między obiektami, a także prędkość i kierunek ich ruchu. Takie obliczenia opierają się na prawie Hubble'a: cz =H0D, Gdzie z– przesunięcie ku czerwieni obiektu, D– odległość do tego obiektu, C- prędkość światła.
Wiek Wszechświata w modelu musi przekraczać wiek najstarszych obiektów na świecie.
Model musi uwzględniać początkową obfitość elementów.
Model musi uwzględniać to, co obserwowalne.
Model musi uwzględniać obserwowane tło reliktowe.

Rozważmy pokrótce ogólnie przyjętą teorię pochodzenia i wczesnej ewolucji Wszechświata, popieraną przez większość naukowców. Dziś teoria Wielkiego Wybuchu odnosi się do połączenia modelu gorącego Wszechświata z Wielkim Wybuchem. I chociaż pojęcia te początkowo istniały niezależnie od siebie, w wyniku ich unifikacji udało się wyjaśnić pierwotny skład chemiczny Wszechświata, a także obecność kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła.

Według tej teorii Wszechświat powstał około 13,77 miliardów lat temu z jakiegoś gęstego, ogrzanego obiektu - trudnego do opisania w ramach współczesnej fizyki. Problem z osobliwością kosmologiczną polega między innymi na tym, że przy jej opisie większość wielkości fizycznych, takich jak gęstość i temperatura, dąży do nieskończoności. Jednocześnie wiadomo, że przy nieskończonej gęstości (miara chaosu) powinna dążyć do zera, co w żaden sposób nie jest zgodne z nieskończoną temperaturą.

- Pierwsze 10–43 sekundy po Wielkim Wybuchu nazywane są etapem chaosu kwantowego. Natury wszechświata na tym etapie istnienia nie da się opisać w ramach znanej nam fizyki. Ciągła, zjednoczona czasoprzestrzeń rozpada się na kwanty.

Moment Plancka to moment końca chaosu kwantowego, który przypada na 10 -43 sekundy. W tym momencie parametry Wszechświata były równe, podobnie jak temperatura Plancka (około 10 32 K). W momencie ery Plancka wszystkie cztery podstawowe oddziaływania (słabe, silne, elektromagnetyczne i grawitacyjne) zostały połączone w jedno oddziaływanie. Nie można uznać momentu Plancka za jakiś długi okres, ponieważ współczesna fizyka nie działa z parametrami mniejszymi niż moment Plancka.
Scena. Kolejnym etapem w historii Wszechświata był etap inflacyjny. W pierwszym momencie inflacji oddziaływanie grawitacyjne zostało oddzielone od pojedynczego pola supersymetrycznego (wcześniej obejmującego pola oddziaływań fundamentalnych). W tym okresie w materii panuje podciśnienie, które powoduje wykładniczy wzrost energii kinetycznej Wszechświata. Mówiąc najprościej, w tym okresie Wszechświat zaczął bardzo szybko się rozszerzać, a pod koniec energia pól fizycznych zamieniła się w energię zwykłych cząstek. Pod koniec tego etapu temperatura substancji i promieniowania znacznie wzrasta. Wraz z zakończeniem fazy inflacyjnej pojawia się także silna interakcja. Również w tym momencie powstaje.
Etap dominacji radiacyjnej. Kolejny etap rozwoju Wszechświata, który obejmuje kilka etapów. Na tym etapie temperatura Wszechświata zaczyna spadać, powstają kwarki, następnie hadrony i leptony. W dobie nukleosyntezy następuje powstawanie początkowych pierwiastków chemicznych i synteza helu. Jednak w materii nadal dominuje promieniowanie.
Era dominacji substancji. Po 10 000 latach energia substancji stopniowo przewyższa energię promieniowania i następuje ich rozdzielenie. W promieniowaniu zaczyna dominować materia i pojawia się reliktowe tło. Również oddzielenie materii za pomocą promieniowania znacznie wzmogło początkowe niejednorodności w rozkładzie materii, w wyniku czego zaczęły powstawać galaktyki i supergalaktyki. Prawa Wszechświata przybrały taką formę, w jakiej je dzisiaj obserwujemy.

Powyższy obraz składa się z kilku podstawowych teorii i daje ogólne pojęcie o powstaniu Wszechświata we wczesnych stadiach jego istnienia.

Skąd wziął się Wszechświat?

Jeśli Wszechświat powstał z kosmologicznej osobliwości, to skąd wzięła się sama osobliwość? Nie da się obecnie udzielić dokładnej odpowiedzi na to pytanie. Rozważmy kilka modeli kosmologicznych wpływających na „narodziny Wszechświata”.

Modele cykliczne

Modele te opierają się na założeniu, że Wszechświat istniał zawsze i z biegiem czasu jego stan jedynie się zmienia, przechodząc od ekspansji do kompresji i z powrotem.

Model Steinhardta-Turoka. Model ten opiera się na teorii strun (M-teorii), ponieważ wykorzystuje obiekt taki jak „brana”. Według tego modelu widzialny Wszechświat znajduje się wewnątrz 3-brany, która okresowo, raz na kilka bilionów lat, zderza się z inną 3-braną, co powoduje coś w rodzaju Wielkiego Wybuchu. Następnie nasza 3-brana zaczyna oddalać się od drugiej i rozszerzać. W pewnym momencie udział ciemnej energii bierze górę i tempo ekspansji 3-brany wzrasta. Kolosalna ekspansja tak bardzo rozprasza materię i promieniowanie, że świat staje się niemal jednorodny i pusty. W końcu 3-brany zderzają się ponownie, powodując powrót naszej do początkowej fazy cyklu, ponownie dając początek naszemu „Wszechświatowi”.

Teoria Lorisa Bauma i Paula Framptona również stwierdza, że Wszechświat ma charakter cykliczny. Według ich teorii ta ostatnia po Wielkim Wybuchu będzie się rozszerzać pod wpływem ciemnej energii, aż zbliży się do momentu „rozpadu” samej czasoprzestrzeni – Wielkiego Rozdarcia. Jak wiadomo, w „układzie zamkniętym entropia nie maleje” (druga zasada termodynamiki). Z tego stwierdzenia wynika, że Wszechświat nie może powrócić do swojego pierwotnego stanu, gdyż podczas takiego procesu entropia musi się zmniejszyć. Jednak problem ten został rozwiązany w ramach tej teorii. Według teorii Bauma i Framptona na chwilę przed Wielkim Rozdarciem Wszechświat rozpada się na wiele „strzępków”, z których każda ma raczej niewielką wartość entropii. Przeżywając serię przejść fazowych, te „klapy” dawnego Wszechświata generują materię i rozwijają się podobnie do pierwotnego Wszechświata. Te nowe światy nie oddziałują ze sobą, ponieważ oddalają się od siebie z prędkością większą niż prędkość światła. W ten sposób naukowcy uniknęli także kosmologicznej osobliwości, od której według większości teorii kosmologicznych rozpoczynają się narodziny Wszechświata. Oznacza to, że w momencie zakończenia swojego cyklu Wszechświat rozpada się na wiele innych, nie oddziałujących ze sobą światów, które staną się nowymi wszechświatami.
Konformalna kosmologia cykliczna – model cykliczny Rogera Penrose'a i Vahagna Gurzadyana. Według tego modelu Wszechświat może wejść w nowy cykl bez naruszania drugiej zasady termodynamiki. Teoria ta opiera się na założeniu, że czarne dziury niszczą zaabsorbowaną informację, co w jakiś sposób „legalnie” zmniejsza entropię Wszechświata. Wtedy każdy taki cykl istnienia Wszechświata zaczyna się od czegoś na wzór Wielkiego Wybuchu, a kończy osobliwością.

Inne modele powstania Wszechświata

Spośród innych hipotez wyjaśniających wygląd widzialnego Wszechświata, najpopularniejsze są dwie:

Chaotyczna teoria inflacji – teoria Andrieja Linde. Zgodnie z tą teorią istnieje pewne pole skalarne, które jest niejednorodne w całej swojej objętości. Oznacza to, że w różnych obszarach wszechświata pole skalarne ma różne znaczenia. Wtedy na obszarach, gdzie pole jest słabe, nic się nie dzieje, natomiast obszary o silnym polu zaczynają się rozszerzać (inflację) pod wpływem swojej energii, tworząc nowe wszechświaty. Scenariusz ten zakłada istnienie wielu światów, które powstały niejednocześnie i mają swój własny zestaw cząstek elementarnych, a co za tym idzie, prawa natury.
Teoria Lee Smolina sugeruje, że Wielki Wybuch nie jest początkiem istnienia Wszechświata, a jedynie przejściem fazowym pomiędzy jego dwoma stanami. Ponieważ przed Wielkim Wybuchem Wszechświat istniał w postaci kosmologicznej osobliwości, zbliżonej w naturze do osobliwości czarnej dziury, Smolin sugeruje, że Wszechświat mógł powstać z czarnej dziury.

Wyniki

Pomimo tego, że modele cykliczne i inne odpowiadają na szereg pytań, na które teoria Wielkiego Wybuchu nie może odpowiedzieć, w tym na problem osobliwości kosmologicznej. Jednak w połączeniu z teorią inflacyjną Wielki Wybuch pełniej wyjaśnia pochodzenie Wszechświata, a także zgadza się z wieloma obserwacjami.

Dziś badacze w dalszym ciągu intensywnie badają możliwe scenariusze powstania Wszechświata, jednak nie da się dać jednoznacznej odpowiedzi na pytanie „Jak pojawił się Wszechświat?” – raczej nie odniesie sukcesu w najbliższej przyszłości. Są ku temu dwa powody: bezpośredni dowód teorii kosmologicznych jest praktycznie niemożliwy, a jedynie pośredni; Nawet teoretycznie nie jest możliwe uzyskanie dokładnych informacji o świecie przed Wielkim Wybuchem. Z tych dwóch powodów naukowcy mogą jedynie stawiać hipotezy i budować modele kosmologiczne, które najdokładniej opisują naturę obserwowanego przez nas Wszechświata.

Symulacje wielkoskalowej struktury Wszechświata pokazują złożone, niepowtarzalne gromady. Ale z naszego punktu widzenia możemy zobaczyć skończoną objętość Wszechświata. Co kryje się dalej?

13,8 miliarda lat temu wszechświat, jaki znamy, rozpoczął się wraz z Wielkim Wybuchem. W tym czasie przestrzeń się rozszerzyła, materia doświadczyła przyciągania grawitacyjnego, w wyniku czego powstał Wszechświat, który widzimy dzisiaj. Ale mimo że jest ogromny, istnieją granice naszych obserwacji. W pewnej odległości galaktyki znikają, gwiazdy przygasają, a my nie otrzymujemy żadnych sygnałów z odległych części Wszechświata. Co jest poza tym limitem? W tym tygodniu czytelnik pyta:

Jeśli Wszechświat ma skończoną objętość, gdzie jest jego granica? Czy można się do niej zbliżyć? Jak ona będzie wyglądać?

Zacznijmy od naszej obecnej lokalizacji i spójrzmy tak daleko, jak to możliwe.

Gwiazdy, które widzimy i pobliskie galaktyki wyglądają dokładnie tak samo jak nasze. Ale im dalej patrzymy, tym głębiej patrzymy w przeszłość Wszechświata: tam jest on mniej zorganizowany, młodszy i nie tak wysoko rozwinięty

W naszym bezpośrednim sąsiedztwie Wszechświat jest pełen gwiazd. Jeśli odlecisz 100 000 lat świetlnych stąd, możesz zostawić Drogę Mleczną za sobą. Za nim rozciąga się morze galaktyk – być może dwa biliony w obserwowalnym Wszechświecie. Istnieje ogromna liczba ich odmian, kształtów, rozmiarów i mas. Jednak patrząc na bardziej odległe galaktyki, można dostrzec coś niezwykłego: im dalej znajduje się galaktyka, tym większe jest prawdopodobieństwo, że będzie miała mniejszy rozmiar i masę, a jej gwiazdy będą bardziej skłaniać się ku niebieskiemu kolorowi niż gwiazdy pobliskich galaktyk.

Czym różnią się galaktyki w różnych momentach historii Wszechświata?

Miałoby to sens, gdyby wszechświat miał początek: urodziny. Taki właśnie był Wielki Wybuch, dzień, w którym narodził się Wszechświat, jaki znamy. Wiek galaktyki położonej stosunkowo blisko naszej pokrywa się z naszym wiekiem. Kiedy jednak patrzymy na galaktykę odległą o miliardy lat świetlnych, widzimy światło, które musiało przebyć miliardy lat, zanim dotarło do naszych oczu. Wiek galaktyki, której światło docierało do nas po 13 miliardach lat, musi wynosić mniej niż miliard lat, a patrząc dalej w przestrzeń kosmiczną, tak naprawdę spoglądamy w przeszłość.

Kompozyt światła ultrafioletowego, widzialnego i podczerwonego uchwycony przez Ekstremalne Głębokie Pole Hubble'a to najwspanialszy obraz odległego Wszechświata, jaki kiedykolwiek opublikowano.

Powyżej znajduje się zdjęcie z Ekstremalnie Głębokiego Pola Hubble'a (XDF), najgłębszego obrazu odległego Wszechświata. Pokazuje tysiące galaktyk znajdujących się w bardzo różnych odległościach od nas i od siebie. Ale w prostym kolorze nie da się zobaczyć, że każda galaktyka jest powiązana z pewnym widmem, w którym chmury gazu pochłaniają światło o bardzo określonych długościach fal, dzięki prostej fizyce atomu. W miarę rozszerzania się Wszechświata długość ta się wydłuża, przez co bardziej odległe galaktyki wydają się nam bardziej czerwone. Fizyka ta pozwala nam zgadywać, co do ich odległości, a gdy zestawimy te odległości, okazuje się, że najbardziej odległe galaktyki są najmłodsze i najmniejsze.

Za galaktykami musiały znajdować się pierwsze gwiazdy, a potem już tylko gaz obojętny – kiedy Wszechświat nie miał czasu na wciągnięcie materii w struktury wystarczająco gęste, aby uformować gwiazdy. Cofając się kilka milionów lat, widzimy, że promieniowanie we Wszechświecie było tak gorące, że nie mogły tam powstać neutralne atomy, co oznacza, że fotony nieustannie odbijały się od naładowanych cząstek. Kiedy już uformowały się neutralne atomy, światło to powinno po prostu przejść po linii prostej i trwać wiecznie, ponieważ nie miało na nie wpływu nic poza ekspansją Wszechświata. Odkrycie tego szczątkowego blasku – kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła – ponad 50 lat temu było ostatecznym potwierdzeniem Wielkiego Wybuchu.

Systematyczny diagram historii Wszechświata opisujący rejonizację. Przed powstaniem gwiazd i galaktyk Wszechświat był wypełniony neutralnymi atomami, które blokowały światło. I chociaż większość Wszechświata uległa rejonizacji dopiero po 550 milionach lat, niektóre szczęśliwsze obszary niemal zjonizowały się przed tym czasem.

Z naszej obecnej lokalizacji możemy spojrzeć w dowolnym kierunku i zobaczyć ten sam przebieg kosmicznej historii. Dzisiaj, 13,8 miliarda lat po Wielkim Wybuchu, mamy galaktyki i gwiazdy, które znamy. Wcześniej galaktyki były mniejsze, bardziej niebieskie, młodsze i mniej rozwinięte. Wcześniej były pierwsze gwiazdy, a wcześniej były tylko neutralne atomy. Przed neutralnymi atomami była zjonizowana plazma, a przed nią wolne protony i neutrony, spontaniczne pojawienie się materii i antymaterii, wolne kwarki i gluony, wszystkie niestabilne cząstki Modelu Standardowego i wreszcie moment Wielkiego Wybuchu samo. Patrzenie coraz dalej i dalej jest jak patrzenie w przeszłość.

Artystyczna reprezentacja logarytmicznej koncepcji obserwowalnego wszechświata. Za galaktykami podążają wielkoskalowe struktury, a w tle gorąca, gęsta plazma Wielkiego Wybuchu. Krawędź jest granicą tylko w czasie.

Chociaż definiuje to nasz obserwowalny Wszechświat – przy teoretycznej granicy Wielkiego Wybuchu – nie byłaby to żadna rzeczywista granica przestrzeni. To tylko granica w czasie; istnieją granice tego, co widzimy, ponieważ prędkość światła umożliwiała przepływ informacji jedynie przez 13,8 miliarda lat od gorącego Wielkiego Wybuchu. Odległość ta wynosi ponad 13,8 miliarda lat świetlnych w miarę rozszerzania się tkanki Wszechświata (i nadal się rozszerza), ale nadal jest skończona. Ale co z czasem przed Wielkim Wybuchem? Co byś zobaczył, gdybyś w jakiś sposób dotarł tam na ułamek sekundy przed tym, jak Wszechświat miał najwyższą energię, był gęsty, gorący, pełen materii, antymaterii i promieniowania?

Inflacja umożliwiła gorący Wielki Wybuch i dała początek rozwojowi obserwowalnego Wszechświata, do którego mamy dostęp. Wahania inflacji zasiały nasiona, z których wyrosła dzisiejsza struktura

Można znaleźć stan kosmicznej inflacji, w którym wszechświat rozszerza się niezwykle szybko i w którym dominuje energia właściwa samej przestrzeni. Przestrzeń w tym czasie rozszerzyła się wykładniczo, została rozciągnięta do stanu płaskiego, uzyskała te same właściwości we wszystkich miejscach, istniejące wówczas cząstki zostały rozproszone w różnych kierunkach, a fluktuacje właściwe polom kwantowym rozciągnęły się po całym Wszechświecie. Kiedy inflacja zakończyła się tam, gdzie jesteśmy, gorący Wielki Wybuch wypełnił Wszechświat materią i promieniowaniem i stworzył część Wszechświata – obserwowalny Wszechświat – którą widzimy dzisiaj. A teraz, 13,8 miliarda lat później, mamy to, co mamy.

Z naszego punktu widzenia obserwowalny wszechświat może rozciągać się na 46 miliardów lat świetlnych we wszystkich kierunkach, ale z pewnością istnieje więcej nieobserwowalnych części wszechświata, być może nawet nieskończona liczba, podobnych do tego, w którym się znajdujemy

Nasze położenie nie różni się ani w przestrzeni, ani w czasie. Fakt, że widzimy odległość 46 miliardów lat świetlnych, nie nadaje szczególnego znaczenia tej granicy ani temu miejscu. To po prostu ograniczenie naszego pola widzenia. Gdybyśmy w jakiś sposób mogli sfotografować cały Wszechświat wykraczający poza obserwowalną granicę, jaką wyglądał 13,8 miliarda lat po Wielkim Wybuchu, wyglądałby on jak nasza najbliższa część. Posiadałaby wielką kosmiczną sieć galaktyk, gromad, włókien galaktycznych i kosmicznych pustek, rozciągającą się poza stosunkowo niewielki obszar widoczny dla nas. Każdy obserwator w dowolnym miejscu zobaczyłby Wszechświat bardzo podobny do tego, który widzimy z naszego punktu widzenia.

Jedna z najodleglejszych obserwacji Wszechświata pokazuje pobliskie gwiazdy i galaktyki, ale galaktyki z zewnętrznych obszarów po prostu wydają się młodsze i mniej rozwinięte. Z ich punktu widzenia mają 13,8 miliarda lat, są bardziej rozwinięci, a my wydajemy im się tacy sami, jak miliardy lat temu

Poszczególne szczegóły będą się różnić, tak jak różnią się szczegóły naszego Układu Słonecznego, Galaktyki, grupy lokalnej itp. na podstawie szczegółów innego obserwatora. Ale Wszechświat nie jest ograniczony pod względem objętości - ograniczona jest tylko jego obserwowalna część. Powodem tego jest granica czasowa – Wielki Wybuch – oddzielająca nas od reszty. Możemy się do niego zbliżyć jedynie w teorii, korzystając z teleskopów obserwujących początki Wszechświata. Dopóki nie wymyślimy, jak oszukać czas jednokierunkowy, będzie to nasze jedyne podejście do zrozumienia „granicy” Wszechświata. Ale w kosmosie nie ma granic. Z tego, co wiemy, ktoś na skraju naszego obserwowalnego Wszechświata po prostu zobaczyłby nas na skraju swojego obserwowalnego Wszechświata!

Po raz pierwszy naukowcy otrzymali poważne dowody na to, że w pobliżu naszego świata jest ich jeszcze kilka.

Sekrety niebiańskiej mapy

Do sensacyjnych wniosków skłoniły dane uzyskane za pomocą teleskopu kosmicznego Planck (satelita Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej). Naukowcy stworzyli najdokładniejszą mapę mikrofalowego tła – tzw. kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, zachowanego od czasów narodzin Wszechświata widziałem więcej niż tylko dziwne ślady.

Uważa się, że to bardzo reliktowe promieniowanie wypełniające przestrzeń jest echem Wielkiego Wybuchu - kiedy 13,8 miliarda lat temu coś niewyobrażalnie małego i niesamowicie gęstego nagle „eksplodowało”, rozszerzyło się i zamieniło w otaczający nas świat. To znaczy do naszego Wszechświata.

Nie da się zrozumieć, jak doszło do „aktu stworzenia”, nawet jeśli się spróbuje. Tylko za pomocą bardzo odległej analogii można sobie wyobrazić, że coś zagrzmiało, płonęło i odleciało. Ale albo „echo”, albo „odbicie”, albo jakieś skrawki pozostały. Utworzyły one mozaikę, która jest przedstawiona na mapie, gdzie jasne („gorące”) obszary odpowiadają silniejszemu promieniowaniu elektromagnetycznemu. I wzajemnie.

„Gorące” i „zimne” punkty tła mikrofalowego powinny występować naprzemiennie. Ale mapa pokazuje: nie ma uporządkowanej dystrybucji. Znacznie silniejsze promieniowanie reliktowe pochodzi z południowej części nieba niż z północnej. I co jest absolutnie zaskakujące: mozaika jest pełna ciemnych szczelin - niektórych dziur i rozszerzonych szczelin, których pojawienia się nie da się wytłumaczyć z punktu widzenia współczesnej fizyki.

Sąsiedzi dają o sobie znać

Już w 2005 roku fizyk teoretyczny Laura Mersini-Houghton z Uniwersytetu Karoliny Północnej w Chapel Hill i jej kolega Richard Holman, profesor na Uniwersytecie Carnegie Mellon) przewidzieli istnienie mikrofalowych anomalii tła. I założyli, że powstały z powodu wpływu na nasz Wszechświat innych Wszechświatów znajdujących się w pobliżu. W podobny sposób na suficie Twojego mieszkania pojawiają się plamy od „nieszczelnych” sąsiadów, którzy dali się odczuć takim wizualnym anomaliom „tynkowego tła”.

Na poprzedniej – mniej przejrzystej – mapie, sporządzonej na podstawie danych z sondy NASA WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), która latała od 2001 roku, nie widać było nic zupełnie niezwykłego. Tylko wskazówki. A teraz obraz jest wyraźny. I sensacyjne. Zdaniem naukowców zaobserwowane anomalie oznaczają, że nasz Wszechświat nie jest sam. Jest niezliczona ilość innych.

Laura i Richard też nie są osamotnieni w swoich poglądach. Na przykład Stephen Feeney z University College London zauważył na zdjęciu mikrofalowego tła co najmniej cztery nienormalnie „zimne” okrągłe punkty, które nazwał „siniakami”. A teraz udowadnia, że te „siniaki” powstały w wyniku bezpośredniego oddziaływania sąsiadujących ze sobą Wszechświatów na nasz.

Jego zdaniem, Stefanna, Wszechświaty powstają i znikają jak pęcherzyki pary we wrzącej cieczy. A powstałszy, zderzają się. I odbijają się od siebie, zostawiając ślady.

Dokąd ich zabiera?

Kilka lat temu grupa specjalistów NASA pod przewodnictwem astrofizyka Aleksandra Kashlinsky'ego odkryła dziwne zachowanie w około 800 odległych gromadach galaktyk. Okazało się, że wszystkie leciały w tym samym kierunku – w stronę pewnego fragmentu przestrzeni – z prędkością 1000 kilometrów na sekundę. Ten uniwersalny ruch nazwano „Mrocznym Strumieniem”.

Niedawno odkryto, że Ciemny Strumień obejmuje aż 1400 gromad galaktyk. I przenosi je do obszaru położonego gdzieś w pobliżu granic naszego Wszechświata. Dlaczego to się stało? Albo tam – poza granicami niedostępnymi dla obserwacji – znajduje się jakaś niesamowicie ogromna masa, która przyciąga materię. Co jest mało prawdopodobne. Albo galaktyka zostaje wessana do innego Wszechświata.

Latanie ze świata do świata

Czy można przedostać się z naszego Wszechświata do innego? A może sąsiadów oddziela jakaś bariera nie do pokonania?

Przeszkoda jest nie do pokonania, twierdzą profesor Thibault Damour z Francuskiego Instytutu Zaawansowanych Badań Naukowych (Institut des Hautes E"tudes Scientifiques - IHE"S) i jego kolega, doktor nauk fizycznych i matematycznych Siergiej Solodukhin z moskiewskiego Instytutu Fizycznego im. Lebiediewa Rosji Akademii Nauk (FIAN), który obecnie pracuje na Niemieckim Międzynarodowym Uniwersytecie w Bremie. Według naukowców istnieją przejścia prowadzące do innych światów. Z zewnątrz one – te przejścia – wyglądają dokładnie jak „czarne dziury”. Ale w rzeczywistości tak nie jest.

Tunele łączące odległe części naszego Wszechświata niektórzy astrofizycy nazywają „tunelami czasoprzestrzennymi”, a przez innych „tunelami czasoprzestrzennymi”. Rzecz w tym, że nurkując w taką dziurę, można niemal natychmiast wynurzyć się gdzieś w innej galaktyce, miliony, a nawet miliardy lat świetlnych stąd. Przynajmniej teoretycznie taka podróż jest możliwa w obrębie naszego Wszechświata. A jeśli wierzysz Damurowi i Solodukhinowi, możesz zanurkować jeszcze dalej - w zupełnie innym Wszechświecie. Wygląda na to, że droga powrotna też nie jest zamknięta.

Naukowcy poprzez obliczenia wyobrażali sobie, jak powinny wyglądać „tunele czasoprzestrzenne” prowadzące do sąsiednich Wszechświatów. I okazało się, że takie obiekty nie różnią się szczególnie od znanych już „czarnych dziur”. I zachowują się tak samo – pochłaniają materię, deformują strukturę czasoprzestrzeni.

Jedyna znacząca różnica: można przejść przez „dziurę”. I pozostań cały. A „czarna dziura” swoim potwornym polem grawitacyjnym rozerwie zbliżający się statek na atomy.

Niestety Thibault i Solodukhin nie wiedzą, jak dokładnie odróżnić „czarną dziurę” od „tunelu czasoprzestrzennego” z dużej odległości. Podobnie stanie się to jasne dopiero podczas zanurzenia w obiekcie.

Jednakże promieniowanie pochodzi z „czarnych dziur” – tak zwanego promieniowania Hawkinga. A „tunele czasoprzestrzenne” niczego nie emitują. Ale promieniowanie jest tak małe, że niezwykle trudno jest je uchwycić na tle innych źródeł.

Nie jest jeszcze jasne, ile czasu zajmie skok do innego Wszechświata. Może ułamek sekundy, a może miliardy lat.

I co najbardziej zdumiewającego: według naukowców „tunele czasoprzestrzenne” można tworzyć sztucznie – w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), zderzając cząstki o energii wielokrotnie większej niż obecnie osiągany poziom. Oznacza to, że nie powstaną „czarne dziury”, którymi straszono nas jeszcze przed rozpoczęciem eksperymentów z symulacją Wielkiego Wybuchu, ale otworzą się „tunele czasoprzestrzenne”. Fizycy nie wyjaśnili jeszcze, jak przerażający jest ten szczególny rozwój wydarzeń. Ale sama perspektywa – stworzenia wejścia do innego Wszechświata – wygląda kusząco.

PRZY OKAZJI

Żyjemy wewnątrz piłki nożnej

Do niedawna naukowcy proponowali wiele opcji kształtu naszego świata: od banalnej bańki, przez torus-pączek, po paraboloidę. A nawet... kubki z rączką. Cóż, z Ziemi nie można zobaczyć, jak Wszechświat wygląda z zewnątrz. Jednak teraz, po bliższym przyjrzeniu się rozkładowi kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, astrofizycy doszli do wniosku: Wszechświat jest jak piłka nożna, „zszyta” z pięciokątów - dwunastościanów, z naukowego punktu widzenia.

„Kula jest oczywiście ogromna” – mówi Douglas Scott z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej (Kanada), „ale nie tak ogromna, aby można ją było uznać za nieskończoną”.

Naukowcy ponownie nawiązują do dziwnego porządku rozmieszczenia obszarów „zimnych” i „gorących”. Wierzą też, że „wzór” na taką skalę mógłby powstać jedynie we Wszechświecie o ograniczonych rozmiarach. Z obliczeń wynika: od krawędzi do krawędzi jest tylko 70 miliardów lat świetlnych.

Co jest poza krawędzią? Wolą o tym nie myśleć. Wyjaśniają: przestrzeń sprawia wrażenie zamkniętej w sobie. A „kula”, w której żyjemy, od środka wydaje się „lustrzana”. A jeśli wyślesz wiązkę z Ziemi w jakimkolwiek kierunku, na pewno kiedyś powróci. A część promieni podobno już wróciła, odbita od „lustrzanej krawędzi”. I więcej niż raz. Właśnie dlatego astronomowie widzą niektóre (te same) galaktyki w różnych częściach nieba. Tak, i to z różnych stron.