Астрономија

Да ли је читав Универзум у близини Великог праска био врло мален или само врло густ?

Да ли је читав Универзум у близини Великог праска био врло мален или само врло густ?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Жао ми је што је ово питање вероватно глупо за професионалне астрономе, међу којима нисам ни ја.

На предавањима често чујем да је свемир одмах после Великог праска био мален, рецимо, величине грејпа или слично. Али због инфлације која је простирала простор супер-светлошћу (али коначном), брзина, сада свемир који се може видети можда није цео универзум, а читав универзум може бити бесконачан. Ако је бесконачно, онда би се чинило да је морало бити бесконачно и у детињству, само врло густо. У ствари, чини се „у границама“, чак и у Великом праску морало је бити бесконачно.

Дакле, питања:

Да ли је рани свемир био мали, или само густ, али још увек бесконачан?

Шта кажете на Велики прасак, да ли је био бесконачан?

Када астрономи кажу да је рани свемир био мали, да ли они једноставно значе „део свемира који одговара нашем посматраном универзуму био је мали“?


Жао ми је што је ово питање вероватно глупо за професионалне астрономе, међу којима нисам ни ја.

Ово питање никако није глупо. Ваше питање је уобичајено о космологији (проучавање одакле је свемир, како се развија и каква ће бити његова судбина). Медији често страшно кољу те концепте, што резултира великом забуном (од свих научних информација, чини се да им је најтеже да тачно извештавају о космологији). Ваша инквизиција је дефинитивно добра ствар.

Када астрономи кажу да је рани свемир био мали, да ли они једноставно значе „део свемира који одговара нашем посматраном универзуму био је мали“?

Па, они се обично односе на цео Универзум. У свом последњем пасусу објашњавам шта ово значи за посматрани универзум.

Ако је бесконачно, онда би се чинило да је морало бити бесконачно и у детињству, само врло густо. У ствари, чини се „у границама“, чак и у Великом праску морало је бити бесконачно.

Ближи сте истини. Када говоримо о ширењу Универзума, заиста кажемо да се ствара простор између све материје.

Као што сте споменули, Универзум је можда бесконачан. Није попут лопте, већ као равна мрежа, а њено „ширење“ само значи да су растојања између објеката на мрежи све већа. У суштини, ствара се више простора између предмета. На то мислимо под експанзијом - да се предмети удаљавају један од другог, јер се између њих ствара више простора. Испод је гиф који сам направио да то демонстрирам:

Кориснији начин да се то опише је да се мрежа шири - да сам простор као координатни систем расте. Као аналогију, замислите да шетате свог пса. Одједном, тло почиње да се шири између вас. Ви и ваш пас ћете се одвојити и даље се удаљавати једни од других.

Дакле, иста ствар се дешава са нашим универзумом. Мрежа у ствари расте, а предмети се помећу са њом.

У реду, сада када смо стекли основне концепте, увешћу још један део терминологије. „Фактор скале универзума“ односи се на то колико се свемир проширио у поређењу са садашњим. На пример, ако је за милијарду година фактор скале 3, то значи да је сваки објекат у Универзуму 3 пута удаљенији један од другог у поређењу са садашњим. Ако је фактор размере пре 700 милиона година био 0,8, тада је све било ближе за фактор 0,8 у то време. По дефиницији, фактор скале је тренутно 1.

Дакле, ако се Универзум сада шири, очекивали бисмо да ће бити мањи како гледамо даље у прошлост - тј. Фактор скале би био мањи. Општа релативност предвиђа да је фактор размере нула пре 13,8 милијарди година. То би значило да би сваки објекат био нула пута већи од тренутне удаљености од нас - другим речима, не би било простора.

Ако мислите да је Универзум без свемира немогућ, у праву сте. Очигледно имамо контрадикцију. У ГР не можете имати простор-време са нула простора.

Наше модерне физичке теорије делују неколико делова секунде након тренутка контрадикције, а наша запажања се слажу са идејом изузетно густог раног универзума. Међутим, наше теорије се распадају док покушавамо да моделирамо Универзум раније и раније, све док се више не покажу тачним, спречавајући нас да објаснимо најзанимљивији тренутак.

Због тога је тренутак Великог праска једна од највећих мистерија у космологији. Појавиле су се теорије попут квантне гравитације да би се објаснили услови у близини Великог праска, али ниједна није довољна за сада.


На предавањима често чујем да је свемир одмах после Великог праска био мален, рецимо, величине грејпа или слично.

Заправо, проблем потиче из двосмислености када се каже „универзум“. У овом случају, они се односе на посматрани универзум, који је заправо сферичан. Свемир који је могао да се посматра је заиста био много мањи у време Великог праска, у поређењу са његовим радијусом сада.

То је зато што његов радијус заправо зависи од фактора скале нашег Универзума *, што значи да у тренутку када ГР предвиђа фактор скале нула, он такође предвиђа величину посматраног универзума нула.

Очигледно то не може бити случај, јер као што смо горе објаснили, не би требало бити могуће да фактор скале буде нула. Међутим, ми моћи са разумним уверењем кажите да је уочљиви универзум у једном тренутку вероватно био величине грејпа, ако не и мањи (иако се „грејпфрут“ чини произвољним избором за поређење. Не могу заправо да пронађем рад који први користи ову аналогију, па шта првобитно су мислили да је помало нејасно).

* Мерење даљина је заправо помало незгодно у космологији; у неким случајевима желимо да разговарамо о растојањима или кретању објеката, занемарујући ширење Универзума. Да бих вам уштедео потребу да научите пуно терминологије, тренутно узимам у обзир ширење Универзума када говорим о величини видљивог универзума. Свемир који се може видети такође расте услед фактора који се шире поред универзума, тј. Светлости из даљих и даљих галаксија које долазе до нас.


Сазнајте о погледу Георгеса Лемаитреа на порекло свемира и теорији Великог праска у вези са ширењем свемира

Физичари су некада мислили да је универзум постојао заувек, непроменљиво, јер су то сугерисала њихова запажања о ноћном небу. Непотребно је рећи да се ово гледиште косило са пореклом или причама о стварању већине главних религија, које сматрају да је свемир имао почетак.

Стога не чуди да је управо католички свештеник Георгес Лемаитре био један од првих главних заговорника новог научног гледишта да је свемир имао почетак. Лемаитре је, наравно, такође био изврстан математичар и научник и засновао је ово уверење не само на својим верским уверењима, већ и на новим експерименталним доказима Едвина Хуббле-а који су показали да се свемир шири. Ови докази, у комбинацији са математиком опште релативности, омогућили су Лемаитреу да премота космичку историју и израчуна да што даље у прошлост, свемир мора бити мањи.

Природан закључак је да је све што тренутно можемо видети у свемиру било у једном временском тренутку више-мање у једној тачки свемира. Лемаитре је ову идеју назвао исконским атомом, али наравно, данас је знамо као теорију Великог праска, осим што је Велики прасак ужасно име. Било би много тачније назвати га свуда, јер се једна од најчешћих заблуда о Великом праску односи на то да подразумева да је читав универзум стиснут у једну тачку, из које се затим некако проширио у околно ништавило.

Тачно је да је посматрани универзум - то јест део целог универзума који можемо видети са Земље - заиста смањен на врло, врло мали делић свемира, али тај делић свемира није био ни једна тачка, нити се остатак свемира такође налазио у том истом делу простора.

Објашњење за то је магична снага бесконачности. Читав универзум је заиста велик. Тренутни подаци показују да је најмање 20 пута већи од посматраног универзума, али то је само доња граница. Можда је бесконачно. А ако имате бесконачну количину простора, можете да смањите простор, све смањите на мале размере, а да и даље имате бесконачну количину простора, отприлике као што можете да смањите са бројевне линије колико год желите, али то ће и даље бити бесконачна бројевна линија.

У основи, свемиру не треба нигде да се прошири, јер се може проширити сам по себи и још увек има довољно простора. У ствари, ово је могуће чак и ако се испостави да простор нема бесконачне величине, мада су разлози сложени и имају везе са бесконачном диференцијабилношћу метрике простора-времена.

Али у сваком случају, догађај нажалост познат као Велики прасак у основи је био давно када је свемир био много више стиснут, а посматрани свемир, што је све што са Земље можемо видети, стрпан је у врло, врло мали комадић тога свемир. Будући да је читав рани универзум свуда био густ и врућ, свемир је време био закривљен свуда, и ова закривљеност се манифестовала као брзо ширење простора кроз универзум.

И иако људи ово називају великим праском, није био само велики. Било је свуда, и заправо није била експлозија. Простор се протезао. Заправо је прилично жалосно што свуда протежући се нису ни толико привлачни као Велики прасак, што нас доводи до сингуларности Великог праска, што је чак и ужасније име, јер свака појединачна реч обмањује. Чини се да сингуларност подразумева нешто што се догодило у једном тренутку, а то уопште није оно на шта се односи. Требало би то назвати делом свуда где се не зна о чему говоримо.

У основи, наши тренутни физички модели свемира нису у стању да правилно објасне и предвиде шта се дешавало на самом, самом почетку, када је свемир био супер, супер умањен. Али уместо да то називамо временом када немамо појма шта се било где дешавало, из неког разлога то називамо сингуларношћу.

Међутим, ово незнање згодно одговара на питање шта се догодило пре Великог праска, јер нам говори да питање није добро дефинисано. Када је свемир био тако невероватно компримован и када је све било смешно вруће и густо, наши математички модели свемира толико су се распадали да време чак и нема смисла.

То је као да се на Северном полу концепт севера распада. Шта је северно од Северног пола? Једино што можете рећи је да је свуда на Земљи јужно од Северног пола, или слично, сваки пут када је у свемиру то било након почетка. Али кад је време почело, кад год је то било, простор се на неко време невероватно брзо ширио по читавом универзуму. Тада се ширење успорило. Свемир се охладио. Ствари су се догодиле, и после неколико милијарди година, ево нас.

Још увек не знамо зашто се ово свуда дешавало истезање. Односно, зашто је свемир започео у тако смешном стиснутом стању и зашто је следио наизглед произвољне законе физике који од тада управљају његовим ширењем и развојем?

За Георгеса Лемаитреа, Бог ту можда коначно долази на сцену, да објасни ствар коју наука не може, осим што експериментални докази заправо не искључују могућност да заиста постоји време пре почетка, претходног доба универзума који се завршио кад се простор срушио на себе, постајући прилично стиснут и густ и врућ, али недовољно да уништи наше идеје о времену. Тада би се одбио, протежући се на начин сличан ономе што називамо великим праском, али без дела не знамо о чему говоримо.

Дакле, физика нас можда заправо враћа на становиште да је универзум вечан и да ипак није започео, у том случају ће професор Лемаитре можда морати да преиспита своје тумачење речи „на почетку“.


Да ли је читав Универзум у близини Великог праска био врло мален или само врло густ? - Астрономија

Моје питање је "шта је на крају свемира ако се заиста завршава?" јер ако је теорија Великог праска тачна, онда када је цео универзум био један атом или врло мали, у шта се ширио, јер да тамо није било ничега, не би могао да се прошири. на пример, ако имате собу и кажете да су зидови крај свемира, онда надоградите собу да би је учинили већом (свемир се шири), на другој страни зида мора бити места за вас. уградити у.

Не постоји ништа што се назива крај Универзума. Постоје три могућности облика универзума.

Прво, Универзум би могао имати оно што називамо позитивном кривином попут сфере. У овом случају, Универзум се назива „затворен“ и има коначну величину, али без граница, баш попут балона. У затвореном Универзуму могли бисте, у принципу, летети свемирским бродом довољно далеко у једном правцу и вратити се тамо одакле сте кренули.

Друга могућност је да је Универзум раван. Овакав Универзум можете замислити тако што ћете исећи комад балонског материјала и испружити га рукама. Површина материјала је равна и није закривљена. Можете га проширити и уговарати повлачењем било ког краја. Равни свемири су бесконачног обима и немају границе.

Коначно, Универзум је можда „отворен“ или има негативну закривљеност. Такви свемири су такође бескрајно у просторном опсегу и немају границе.

Дакле, какав год облик Универзума био, не постоји ништа што се назива границом, а тиме и ништа што се назива ивица или крај Универзума.

Што се тиче другог питања ширења, имајте на уму да простор постоји само У Универзуму и да нема значење израза „изван Универзума“. У експанзији се дешава да се сам простор шири. Што се тиче аналогије ваше собе, није да зидови ваше собе притискају нешто, већ да се простор у соби шири, нема шта да се притисне. Дакле, када говоримо о галаксијама које се удаљавају од нас због ширења, није да се галаксије крећу, већ се простор између нас и галаксија шири.

Изменио Мицхаел Лам, 10. фебруара 2016: Недавна запажања сугеришу да је Универзум врло близу стана. Мисија ВМАП утврдила је да је тачна са границом грешке од 0,4%.

О аутору

Јагадхееп Д. Пандиан

Јагадхееп је направио нови пријемник за радио телескоп Арецибо који ради између 6 и 8 ГХз. Проучава метанолске мазере од 6,7 ГХз у нашој Галаксији. Ови мазери се јављају на местима где се рађају масивне звезде. Докторирао је на Цорнелл-у у јануару 2007. године и био је постдокторанд на Институту за радио-астрономију Мак Планцк у Немачкој. Након тога радио је на Институту за астрономију на Хавајском универзитету као субмилиметарски постдокторанд. Јагадхееп је тренутно на Индијском институту за свемирски призор и технологију.


Нови докази

Посматрања удаљених ултра-сјајних галаксија током 1950-их сугерисала су да се свемир мењао, а мерења садржаја хелијума у ​​универзуму нису се подударала са предвиђањима модела стабилног стања. 1964. године, монументално откриће космичког микроталасног позадинског зрачења - директни доказ младог, врелог универзума - задало би последњи ударац моделу стабилног стања.

"Чини се да заиста сугерише ... да је свемир имао врло различите услове у раним временима него данас", каже Каисер. „А то једноставно није оно што сугерише модел стабилног стања.“

У ироничном преокрету, Хоиле је користио термин „Велики прасак“ покушавајући да одбаци теорију у интервјуу за ББЦ. Иако би његова сопствена теорија у великој мери била изгубљена за историју, непоштовани назив би се држао.

До своје смрти, Хоиле се никада не би потчинио теорији Великог праска. Мали део космолога још увек ради на васкрсавању модела стабилног стања, али, у целини, заједница великом већином подржава теорију Великог праска.

„Постоји још неколико загонетки, па космолози не мисле да смо готови, али они сада некако поправљају или попуњавају рупе у оригиналним моделима Великог праска - сигурно не замењујући их“, каже Каисер.


Свемир који одскаче

Ако је наш Универзум настао у одскоку, то значи да је постојао други универзум пре нас. Тај универзум је прошао кроз свој живот, можда се проширио и на крају још једном смањио. Како су се сва материја и простор времена овог свемира спојили, завршило се спектакуларном ватреном куглом. Тада се у џиновском „одскоку“ родио наш Универзум, попут феникса који се дизао из пепела старог универзума.

Ово није сасвим нова идеја. Физичари су се неколико деценија бацали око идеје Великог одскока. Још даље уназад, циклично време је присутно у хиндуистичкој космологији.

Универзум се тренутно шири, попут балона на надувавање. Уговарање је попут испухивања. [+] балон. Модел одскочног универзума каже да би се, када се претходни универзум „испуше“, нови „надувао“ још једном.


Садржај

Теорија Великог праска нуди свеобухватно објашњење за широк спектар посматраних појава, укључујући обиље светлосних елемената, ЦМБ, структуру великих размера и Хаблов закон. [10] Теорија зависи од две главне претпоставке: универзалности физичких закона и космолошког принципа. Универзалност физичких закона један је од основних принципа теорије релативности. Космолошки принцип каже да је универзум у великим размерама хомоген и изотропан - изгледа исти у свим правцима, без обзира на локацију. [11]

Ове идеје су у почетку узимане као постулати, али касније су учињени напори да се свака од њих тестира. На пример, прва претпоставка је тестирана посматрањима која показују да је највеће могуће одступање константе фине структуре током већег дела старости универзума реда 10 −5. [12] Такође, општа релативност је прошла строге тестове на скали Сунчевог система и бинарних звезда. [13] [14] [белешке 1]

Свемир великих размера изгледа изотропно гледано са Земље. Ако је заиста изотропан, космолошки принцип може се извести из једноставнијег Коперниковог принципа, који каже да не постоји жељени (или посебан) посматрач или тачка гледишта. У том циљу, космолошки принцип је потврђен на ниво од 10 −5 посматрањем температуре ЦМБ.На скали ЦМБ хоризонта, од 1995. године измерен је универзум хомоген са горњом границом реда 10% нехомогености. [15]

Проширење простора

Ширење Универзума закључено је из астрономских посматрања с почетка двадесетог века и важан је састојак теорије Великог праска. Математички, општа релативност описује простор-време метриком, која одређује удаљености које раздвајају оближње тачке. Тачке, које могу бити галаксије, звезде или други објекти, одређују се помоћу координатне карте или „мреже“ која је постављена током целог свемирског времена. Космолошки принцип подразумева да метрика треба да буде хомогена и изотропна на великим размерама, што јединствено издваја метрику Фриедманн-Лемаитре-Робертсон-Валкер (ФЛРВ). Ова метрика садржи фактор скале, који описује како се величина свемира мења с временом. То омогућава прикладан избор координатног система који се назива комбиноване координате. У овом координатном систему, мрежа се шири заједно са универзумом, а објекти који се крећу само због ширења универзума остају на фиксним тачкама мреже. Док су њихови координирати удаљеност (комовинг дистанце) остаје константна, тхе физички растојање између две такве покретне тачке се пропорционално шири са фактором размере свемира. [16]

Велики прасак није експлозија материје која се креће према вани да би испунила празан универзум. Уместо тога, сам простор се временом шири свуда и повећава физичку удаљеност између тачака суђења. Другим речима, Велики прасак није експлозија у свемиру, већ пре ширење простора. [4] Будући да метрика ФЛРВ претпоставља равномерну расподелу масе и енергије, примењује се на наш универзум само на великим размерама - локалне концентрације материје као што је наша галаксија не морају се нужно ширити истом брзином као и цео Универзум. [17]

Хоризонти

Важна карактеристика свемирског времена Великог праска је присуство хоризоната честица. Будући да свемир има ограничено доба, а светлост путује коначном брзином, у прошлости могу бити догађаји чија светлост још није стигла да нас досегне. Ово поставља ограничење или а прошли хоризонт на најудаљенијим објектима који се могу посматрати. Супротно томе, јер се свемир шири, а удаљенији објекти све брже повлаче, светлост коју данас емитујемо можда никада неће „сустићи“ врло удаљене објекте. Ово дефинише а хоризонт будућности, што ограничава догађаје у будућности на које ћемо моћи да утичемо. Присуство било које врсте хоризонта зависи од детаља модела ФЛРВ који описује наш универзум. [18]

Наше разумевање универзума у ​​врло рано доба сугерише да постоји прошли хоризонт, мада је у пракси наш поглед такође ограничен непрозирношћу свемира у раним временима. Дакле, наш поглед се не може проширити уназад у времену, иако се хоризонт повлачи у свемиру. Ако се ширење свемира настави убрзати, постоји и хоризонт будућности. [18]

Термизација

Неки процеси у раном универзуму су се одвијали преспоро, у поређењу са брзином ширења универзума, да би достигли приближну термодинамичку равнотежу. Други су били довољно брзи да досегну термизацију. Параметар који се обично користи за откривање да ли је процес у врло раном свемиру достигао топлотну равнотежу је однос између брзине процеса (обично брзине судара између честица) и Хабловог параметра. Што је већи однос, то је више времена требало да се честице термирају пре него што су биле предалеко једна од друге. [19]

Према теорији Великог праска, свемир је на почетку био врло врућ и врло компактан, а од тада се шири и хлади.

Сингуларност

Екстраполација ширења универзума уназад у времену користећи општу релативност даје бесконачну густину и температуру у коначном времену у прошлости. [20] Ово неправилно понашање, познато као гравитациона сингуларност, указује на то да општа релативност није адекватан опис закона физике у овом режиму. Модели засновани само на општој релативности не могу екстраполирати према сингуларности - пре краја такозване Планцкове епохе. [5]

Ова примордијална сингуларност се понекад назива и „Велики прасак“, [21], али термин се такође може односити на генеричкију рану врућу, густу фазу [22] [белешке 2] универзума. У оба случаја, „Велики прасак“ се као колоквијални назив назива и „рођењем“ нашег универзума, јер представља тачку историје у којој се може потврдити да је универзум ушао у режим у коме закони физике као ми их разумемо (конкретно општа релативност и стандардни модел физике честица) раде. На основу мерења ширења применом супернова типа Иа и мерења температурних флуктуација у космичкој микроталасној позадини, време које је прошло од тог догађаја - познатог као „старост свемира“ - износи 13,799 ± 0,021 милијарде година. [23]

Иако је у ово доба изузетно густ - далеко гушћи него што је обично потребно за формирање црне рупе - свемир се није поново срушио у сингуларност. Уобичајено коришћени прорачуни и ограничења за објашњење гравитационог колапса обично се заснивају на објектима релативно константне величине, попут звезда, и не односе се на простор који се брзо шири, попут Великог праска. Будући да се рани свемир није одмах срушио у мноштво црних рупа, материја је у то време морала бити врло равномерно распоређена са занемарљивим градијентом густине. [24]

Инфлација и бариогенеза

Најраније фазе Великог праска предмет су многих нагађања, јер астрономски подаци о њима нису доступни. У најчешћим моделима свемир је био испуњен хомогено и изотропно са врло великом густином енергије и огромним температурама и притисцима, и врло брзо се ширио и хладио. Период од 0 до 10 −43 секунди након ширења, Планцкова епоха, био је фаза у којој су четири основне силе - електромагнетна сила, јака нуклеарна сила, слаба нуклеарна сила и гравитациона сила обједињене као једна . [25] У овој фази, карактеристична дужина свемира била је Планкова дужина, 1,6 × 10 −35 м, и следствено томе имала је температуру од приближно 10 32 степени Целзијуса. Чак се и сам појам честице распада у овим условима. Правилно разумевање овог периода чека развој теорије квантне гравитације. [26] [27] Планцкову епоху наследила је велика епоха уједињења која је започела у 10-43 секунде, где се гравитација одвајала од осталих сила како је температура свемира падала. [25]

Приближно на 10 −37 секунди након ширења, фазни прелаз изазвао је космичку инфлацију, током које је свемир експоненцијално растао, неспутан непроменљивошћу брзине светлости, а температуре су пале за фактор од 100 000. Микроскопске квантне флуктуације до којих је дошло због Хајзенберговог принципа несигурности појачане су у семенкама које ће касније формирати структуру свемира великих размера. [28] У време око 10 −36 секунди, електрослаба епоха започиње када се јака нуклеарна сила одвоји од осталих сила, с тим што су сједињене само електромагнетна сила и слаба нуклеарна сила. [29]

Инфлација се зауставила на око 10 - 33 до 10 - 32 секунде, при чему се запремина свемира повећала за фактор од најмање 10 78. До подгревања је долазило док свемир није постигао температуре потребне за производњу кварк-глуонске плазме, као и свих осталих елементарних честица. [30] [31] Температуре су биле толико високе да су насумична кретања честица била релативистичком брзином, а парови честица-античестице свих врста непрекидно су се стварали и уништавали у сударима. [4] У неком тренутку, непозната реакција названа бариогенеза нарушила је очување барионског броја, што је довело до врло малог вишка кваркова и лептона над антикварковима и антилептонима - реда једног дела у 30 милиона. То је резултирало превлашћу материје над антиматеријом у садашњем универзуму. [32]

Хлађење

Универзум је и даље смањивао густину и падао температуру, па се типична енергија сваке честице смањивала. Фазни прелази који прекидају симетрију стављају основне физичке силе и параметре елементарних честица у њихов данашњи облик, при чему се електромагнетна сила и слаба нуклеарна сила раздвајају за око 10-12 секунди. [29] [33] После око 10 −11 секунди, слика постаје мање спекулативна, јер енергије честица падају на вредности које се могу постићи у акцелераторима честица. За отприлике 10-6 секунди, кваркови и глуони се комбинују и формирају барионе попут протона и неутрона. Мали вишак кваркова над антикварковима довео је до малог вишка бариона над антибарионима. Температура сада више није била довољно висока да би се створили нови парови протон-антипротон (слично за неутроне-антинеутроне), па је одмах уследило масовно уништавање, остављајући само једну од 10 8 оригиналних честица материје и ниједну од њихових античестица. [34] Сличан процес се догодио за око 1 секунду за електроне и позитроне. После ових уништења, преостали протони, неутрони и електрони више се нису релативистички кретали, а густином енергије свемира доминирали су фотони (уз мањи допринос неутрина).

Неколико минута ширења, када је температура износила око милијарду келвина, а густина материје у свемиру била је упоредива са тренутном густином Земљине атмосфере, неутрони су се у комбинацији са протонима формирали у језгрима деутерија и хелијума у ​​свемиру у процесу названом Биг Банг нуклеосинтеза (ББН). [35] Већина протона је остала некомбинована као језгра водоника. [36]

Како се свемир хладио, густина енергије остатка материје је гравитационо доминирала над зоном зрачења фотона. После око 379.000 година, електрони и језгра су се удружили у атоме (углавном водоник), који су могли да емитују зрачење. Ово реликтно зрачење, које се наставило кроз свемир углавном несметано, познато је као космичка микроталасна позадина. [36]

Формирање структуре

Током дужег временског периода, мало гушћи региони равномерно распоређене материје гравитационо су привлачили оближњу материју и тако постајали још гушћи, формирајући облаке гаса, звезде, галаксије и друге данас уочљиве астрономске структуре. [4] Детаљи овог процеса зависе од количине и врсте материје у свемиру. Четири могуће врсте материје су познате као хладна тамна материја, топла тамна материја, врућа тамна материја и барионска материја. Најбоља доступна мерења из Вилкинсон микроталасне сонде за анизотропију (ВМАП) показују да подаци добро одговарају Ламбда-ЦДМ моделу у којем се претпоставља да је тамна материја хладна (рана рејонизација искључује топлу тамну материју), [38] и процењује се да чини око 23% материје / енергије свемира, док барионска материја чини око 4,6%. [39] У „проширеном моделу“ који укључује врућу тамну материју у облику неутрина, [40] онда ако је „физичка густина бариона“ Ω б х 2 < дисплаистиле Омега _ < тект> х ^ <2>> процењује се на око 0,023 (ово се разликује од „густине бариона“ Ω б < дисплаистиле Омега _ < тект>> изражен као део укупне густине материје / енергије, што је око 0,046), и одговарајуће густине густине тамне материје Ω ц х 2 < дисплаистиле Омега _ < тект> х ^ <2>> је око 0,11, одговарајућа густина неутрина Ω в х 2 < дисплаистиле Омега _ < тект> х ^ <2>> процењује се да је мањи од 0,0062. [39]

Космичко убрзање

Независни докази из супернова типа Иа и ЦМБ-а подразумевају да данас универзумом доминира мистериозни облик енергије познат као тамна енергија, која очигледно прожима читав свемир. Посматрања сугеришу да је 73% укупне густине енергије данашњег свемира у овом облику. Када је свемир био врло млад, вероватно му је била натопљена тамна енергија, али са мање простора и свега ближег, гравитација је доминирала и полако је кочила ширење. Али на крају, након бројних милијарди година ширења, опадајућа густина материје у односу на густину тамне енергије довела је до тога да је ширење свемира полако почело да се убрзава. [7]

Тамна енергија у својој најједноставнијој формулацији има облик космолошког константног члана у Ајнштајновим једначинама опште релативности поља, али њен састав и механизам су непознати и, уопштеније, детаљи њене једначине стања и везе са Стандардним моделом физике честица и даље се истражују и посматрањем и теоретски. [7]

Сва ова космичка еволуција након инфлаторне епохе може се ригорозно описати и моделирати помоћу ΛЦДМ модела космологије, који користи независне оквире квантне механике и опште релативности. Не постоје лако проверљиви модели који би описали ситуацију пре отприлике 10-15 секунди. [41] Разумевање ове најраније ере у историји универзума тренутно је један од највећих нерешених проблема у физици.

Етимологија

Енглески астроном Фред Хоиле заслужан је за сковање израза „Велики прасак“ током разговора за емисију ББЦ Радио марта 1949. године, [42] рекавши: „Ове теорије су се заснивале на хипотези да је сва материја у универзуму створена у једној великој прасак у одређено време у далекој прошлости “. [43] [44]

Популарно се извештава да је Хоиле, који је фаворизовао алтернативни космолошки модел „стабилног стања“, намеравао да ово буде пејоративно [45], али Хоиле је то изричито порекао и рекао да је то само упечатљива слика која треба да нагласи разлику између ова два модела. . [46] [47]

Развој

Теорија Великог праска развила се из посматрања структуре универзума и из теоријских разматрања. 1912. године Весто Слипхер је измерио прво доплерово померање „спиралне маглине“ (спирална маглина је застарели израз за спиралне галаксије), а убрзо је открио да се готово све такве маглине повлаче са Земље. Није схватио космолошке импликације ове чињенице, и заиста је у то време било врло контроверзно да ли су ове маглине били „острвски универзуми“ изван нашег Млечног пута. [49] [50] Десет година касније, Александар Фриедманн, руски космолог и математичар, извео је Фриедманнове једначине из Ајнштајнових једначина поља, показујући да се универзум можда шири за разлику од статичког модела универзума који је у то време заговарао Алберт Ајнштајн. [51]

Мерење велике удаљености до најближих спиралних маглина америчког астронома Едвина Хабла 1924. године показало је да су ови системи заиста друге галаксије. Почевши од те исте године, Хуббле је мукотрпно развио серију индикатора даљине, претече космичке лествице растојања, користећи 100-инчни (2,5 м) Хоокер телескоп на опсерваторији Моунт Вилсон. То му је омогућило да процени удаљености до галаксија чији су црвени помаци већ били измерени, углавном од стране Слипхера. 1929. Хуббле је открио корелацију између удаљености и рецесионе брзине - која је данас позната као Хубблеов закон. [52] [53] Тада је Лематр већ показао да се то очекује с обзиром на космолошки принцип. [7]

Неовисно изводећи Фриедманнове једначине 1927. године, Георгес Лемаитре, белгијски физичар и римокатолички свештеник, предложио је да је изведена рецесија маглина настала због ширења свемира. [54] 1931. Лематр је отишао даље и сугерисао да очигледно ширење универзума, ако се пројектује уназад, значи да је што је универзум био даљи у прошлости, све док у неко коначно време у прошлости сва маса универзум је био концентрисан у једну тачку, „исконски атом“ где и када је постојало ткиво времена и простора. [55]

Двадесетих и тридесетих година 20. века, скоро сваки већи космолог преферирао је вечни универзум у равнотежном стању, а неколицина се жалила да је почетак времена који је подразумевао Велики прасак увезао верске концепте у физику, овај приговор су касније поновили присталице теорије стабилног стања. [56] Ова перцепција је појачана чињеницом да је зачетник теорије Великог праска, Лематр, био римокатолички свештеник. [57] Артхур Еддингтон се сложио са Аристотелом да свемир није имао почетак у времену, наиме., та материја је вечна. Почетак у времену био му је „одвратан“. [58] [59] Лематр се, међутим, није сложио:

Ако је свет започео једним квантом, појмови простора и времена уопште не би имали никакво значење на почетку, почели би да имају разумно значење тек када је изворни квант подељен на довољан број кванта. Ако је овај предлог тачан, почетак света догодио се мало пре почетка простора и времена. [60]

Током 1930-их друге идеје су предложене као нестандардне космологије да би се објасниле Хубблеова запажања, укључујући Милнеов модел, [61] осцилаторни универзум (првобитно га је предложио Фриедманн, али заговарали Алберт Ајнштајн и Рицхард Ц. Толман) [62] и Уморна хипотеза Фритза Звицкија. [63]

После Другог светског рата појавиле су се две различите могућности. Један је био модел стабилног стања Фреда Хојла, при чему ће се стварати нова материја како се чинило да се свемир шири. У овом моделу универзум је приближно исти у било ком тренутку. [64] Друга је била Лематреова теорија Великог праска, коју је заговарао и развијао Џорџ Гамов, који је увео ББН [65] и чији су сарадници, Ралпх Алпхер и Роберт Херман, предвидели ЦМБ. [66] Иронично, Хоиле је тај који је сковао фразу која се применила на Лемаитреову теорију, називајући је „ово Велики прасак идеја "током емитовања ББЦ радија у марту 1949. године. [47] [44] [белешке 3] Неко време је подршка била подељена између ове две теорије. На крају, докази посматрања, нарочито из броја радио извора, почели су да фаворизују Великог Банг преко стабилног стања. Откриће и потврда ЦМБ-а 1964. године обезбедили су Велики прасак као најбољу теорију о пореклу и еволуцији универзума. [67] Велики део садашњег рада у космологији укључује разумевање како галаксије настају у контексту Велики прасак, разумевање физике универзума у ​​ранијим и ранијим временима и помирење запажања са основном теоријом. [ потребан навод ]

1968. и 1970. Рогер Пенросе, Степхен Хавкинг и Георге Ф. Р. Еллис објавили су радове у којима су показали да су математичке сингуларности неизбежни почетни услов релативистичких модела Великог праска.[68] [69] Затим, од 1970-их до 1990-их, космолози су радили на карактеризацији карактеристика свемира Великог праска и решавању нерешених проблема. Алан Гутх је 1981. године направио искорак у теоријском раду на решавању одређених теоријских проблема у теорији Великог праска увођењем епохе брзог ширења у рани универзум који је назвао „инфлација“. [70] У међувремену, током ових деценија, два питања у опсервационој космологији која су изазвала много расправа и неслагања односила су се на прецизне вредности константе Хуббле-а [71] и густину материје свемира (пре открића тамне енергије, мислило се да бити кључни предиктор за евентуалну судбину универзума). [72]

Средином деведесетих година, чини се да су посматрања одређених глобуларних јата указивала на то да су стара око 15 милијарди година, што се косило са већином тада актуелних процена старости универзума (и заиста са годинама измереним данас). Ово питање је касније решено када су нове рачунарске симулације, које су укључивале ефекте губитка масе услед звезданих ветрова, указивале на много млађе доба глобуларних јата. [73] Иако још увек постоје нека питања о томе колико се тачно мери старост јата, глобуларна јата су од интереса за космологију као неки од најстаријих објеката у свемиру. [ потребан навод ]

Значајан напредак у космологији Великог праска постигнут је од касних 1990-их као резултат напретка технологије телескопа, као и анализе података са сателита попут Цосмиц Бацкгроунд Екплорер (ЦОБЕ), [74] свемирског телескопа Хуббле и ВМАП. [75] Козмолози сада имају прилично прецизна и тачна мерења многих параметара модела Великог праска и направили су неочекивано откриће да се чини да се ширење универзума убрзава. [76] [77]

Најранији и најдиректнији опсервацијски докази о ваљаности теорије су ширење свемира према Хубблеовом закону (на шта указују црвени помаци галаксија), откривање и мерење космичке микроталасне позадине и релативна количина светлосних елемената које производи Нуклеосинтеза Великог праска (ББН). Новији докази укључују запажања о стварању и еволуцији галаксија и дистрибуцији космичких структура великих размера, [79] Они се понекад називају „четири стуба“ теорије Великог праска. [80]

Прецизни модерни модели Великог праска апелују на различите егзотичне физичке појаве које нису примећене у земаљским лабораторијским експериментима нити су уграђене у стандардни модел физике честица. Од ових карактеристика, тамна материја је тренутно предмет најактивнијих лабораторијских испитивања. [81] Преостали проблеми укључују проблем оштрог ореола [82] и проблем патуљастих галаксија [83] хладне тамне материје. Тамна енергија је такође подручје од великог интереса за научнике, али није јасно да ли ће бити могуће директно откривање тамне енергије. [84] Инфлација и бариогенеза остају спекулативне карактеристике садашњих модела Великог праска. Још увек се траже одржива квантитативна објашњења за такве појаве. То су тренутно нерешени проблеми у физици.

Хаблов закон и ширење свемира

Посматрања удаљених галаксија и квазара показују да су ови објекти црвено померени: светлост која се емитује из њих померена је на дуже таласне дужине. То се може видети узимањем фреквенцијског спектра објекта и подударањем спектроскопског обрасца емисионих или апсорпционих линија који одговарају атомима хемијских елемената у интеракцији са светлошћу. Ови црвени помаци су једнолико изотропни, равномерно распоређени међу посматраним објектима у свим правцима. Ако се црвени помак протумачи као Доплеров помак, може се израчунати рецесијска брзина објекта. За неке галаксије могуће је проценити растојања преко космичке лествице растојања. Када се рецесијске брзине нацртају на ове удаљености, примећује се линеарни однос познат као Хуббле-ов закон: [52] в = Х 0 Д < дисплаистиле в = Х_ <0> Д> где

Хаблов закон има два могућа објашњења. Или смо у центру експлозије галаксија - која је неодржива под претпоставком Коперниковог принципа - или се универзум свуда равномерно шири. Ову универзалну експанзију предвидели су из опште релативности Фриедманн 1922. [51] и Лемаитре 1927. [54], много пре него што је Хуббле извршио своје анализе и запажања 1929. године, и она остаје камен темељац теорије Великог праска развијене од Фриедманн, Лемаитре, Робертсон и Валкер.

Да је простор под метричком експанзијом показују директни посматрачки докази о космолошком принципу и Коперниковом принципу, који заједно са Хабловим законом немају друго објашњење. Астрономски црвени помаци су изузетно изотропни и хомогени [52], подржавајући космолошки принцип да универзум изгледа исто у свим правцима, заједно са многим другим доказима. Да су црвени помаци резултат експлозије из центра удаљеног од нас, не би били толико слични у различитим правцима.

Мерења ефеката космичког микроталасног позадинског зрачења на динамику удаљених астрофизичких система 2000. године доказала су Коперников принцип, да, у космолошким размерама, Земља није у централном положају. [86] Зрачење Великог праска било је очигледно топлије у ранијим временима широм универзума. Равномерно хлађење ЦМБ током милијарди година је објашњиво само ако свемир доживљава метричко ширење и искључује могућност да смо у близини јединственог центра експлозије.

Космичко микроталасно позадинско зрачење

Арно Пензиас и Роберт Вилсон су 1964. године случајно открили космичко позадинско зрачење, свесмерни сигнал у микроталасном појасу. [67] Њихово откриће пружило је суштинску потврду предвиђања Великог праска од стране Алпхера, Хермана и Гамова око 1950. године. Током 1970-их утврђено је да је зрачење приближно у складу са спектром црних тела у свим смеровима овај спектар је помакнут експанзијом свемира и данас одговара приближно 2.725 К. То је преокренуло равнотежу доказа у корист модела Великог праска, а Пензиас и Вилсон су 1978. године добили Нобелову награду за физику.

Тхе површина последњег расипања што одговара емисији ЦМБ-а настаје недуго затим рекомбинација, епоха када неутрални водоник постаје стабилан. Пре тога, свемир се састојао од врућег густог мора плазме фотона-бариона, где су се фотони брзо расејали из слободних наелектрисаних честица. Врхунац око 372 ± 14 кир, [38] средњи слободни пут за фотон постаје довољно дуг да достигне данашњи дан и универзум постаје прозиран.

1989. НАСА је лансирала ЦОБЕ, који је постигао два велика напретка: 1990. године, прецизна мерења спектра показала су да је спектар фреквенција ЦМБ готово савршено црно тело без одступања на нивоу од 1 дела у 104, и измерила заосталу температуру од 2,726 К (новија мерења су ову цифру мало поправила на 2,7255 К), а затим су 1992. године даљња мерења ЦОБЕ открила мале флуктуације (анизотропије) температуре ЦМБ по небу, на нивоу од око једног дела у 105. [74] Јохн Ц. Матхер и Георге Смоот су 2006. године добили Нобелову награду за физику због свог вођства у овим резултатима.

Током наредне деценије, ЦМБ анизотропије су даље истраживане великим бројем земаљских и балонских експеримената. У 2000–2001, неколико експеримената, нарочито БООМЕРанГ, утврдило је да је облик свемира просторно готово раван мерењем типичне угаоне величине (величине на небу) анизотропија. [91] [92] [93]

Почетком 2003. године објављени су први резултати сонде Вилкинсон Мицроваве Анисотропи, дајући тада најтачније вредности за неке космолошке параметре. Резултати су оповргли неколико специфичних модела космичке инфлације, али су у складу са теоријом инфлације уопште. [75] Тхе Планцк свемирска сонда је лансирана у мају 2009. Остали експерименти са космичком микроталасном позадином на бази и балону су у току.

Обиље исконских елемената

Коришћењем модела Великог праска могуће је израчунати концентрацију хелијума-4, хелијума-3, деутерија и литијума-7 у универзуму као односе према количини обичног водоника. [35] Релативна заступљеност зависи од једног параметра, односа фотона према барионима. Ова вредност се може израчунати независно од детаљне структуре ЦМБ флуктуација. Предвиђени односи (масе, а не броја) су око 0,25 за Хе 4 / Х < дисплаистиле < це <^ 4Хе / Х >>>, око 10 −3 за Х 2 / Х < дисплаистиле < це < ^ 2Х / Х >>>, око 10 −4 за Хе 3 / Х < дисплаистиле < це <^ 3Хе / Х >>> и око 10 −9 за Ли 7 / Х < дисплаистиле < це <^ 7Ли / Х >>>. [35]

Све измерене количине се барем приближно слажу са онима предвиђеним из једне вредности односа барион-фотон. Споразум је одличан за деутеријум, близак, али формално нескладан за Хе 4 < дисплаистиле < це <^ 4Хе >>>, и два пута фактор за Ли 7 < дисплаистиле < це <^ 7Ли >>> ( ова аномалија је позната као космолошки литијумски проблем) у последња два случаја постоје значајне систематске неизвесности. Без обзира на то, општа конзистентност са обиљем које је ББН предвидео снажан је доказ за Велики прасак, јер је теорија једино познато објашњење за релативно обиље светлосних елемената, а практично је немогуће "подесити" Велики прасак да произведе много више или мање од 20–30% хелијума. [94] Заиста, нема очигледног разлога изван Великог праска да, на пример, млади свемир (тј. Пре формирања звезда, како је утврђено проучавањем материје која је наводно ослобођена звезданих производа нуклеосинтезе) треба да има више хелијума од деутерија или више деутериј од Хе 3 < дисплаистиле < це <^ 3Хе >>>, и у константним односима. [95]: 182–185

Галактичка еволуција и дистрибуција

Детаљна посматрања морфологије и дистрибуције галаксија и квазара у складу су са тренутним стањем теорије Великог праска. Комбинација посматрања и теорије сугеришу да су први квазари и галаксије настали око милијарду година након Великог праска и од тада се формирају веће структуре, попут јата галаксија и супер јата. [96]

Популације звезда су стареле и еволуирале, тако да се удаљене галаксије (које се посматрају какве су биле у раном свемиру) чине веома различитим од оближњих галаксија (забележене у новијем стању). Штавише, галаксије настале релативно недавно изгледају знатно другачије од галаксија насталих на сличној удаљености, али недуго након Великог праска. Ова запажања су снажни аргументи против модела стабилног стања. Посматрања формирања звезда, расподеле галаксија и квазара и већих структура добро се слажу са симулацијама Великог праска формирања структуре у свемиру и помажу у комплетирању детаља теорије. [96] [97]

Примордијални облаци гаса

2011. године астрономи су анализирајући апсорпционе линије у спектрима удаљених квазара пронашли нетакнуте облаке праисконског гаса. Пре овог открића примећено је да сви остали астрономски објекти садрже тешке елементе који су формирани у звездама. Ова два облака гаса не садрже елементе теже од водоника и деутерија. [102] [103] С обзиром да облаци гаса немају тешке елементе, вероватно су настали у првих неколико минута након Великог праска, током ББН-а.

Остале линије доказа

Старост свемира процењена из ширења Хабла и ЦМБ сада се добро слаже са другим проценама које користе старости најстаријих звезда, како мерено применом теорије еволуције звезда на глобуларна јата, тако и путем радиометријског датирања појединачне популације ИИ звезде. [104] Такође се добро слаже са проценама старости заснованим на мерењима ширења помоћу супернова типа Иа и мерењима температурних флуктуација у космичкој микроталасној позадини. [23] Споразум о независним мерењима овог узраста подржава Ламбда-ЦДМ (ΛЦДМ) модел, с обзиром да се модел користи за повезивање неких мерења са проценом старости, а све процене се поклапају. Ипак, нека запажања објеката из релативно раног универзума (посебно квазар АПМ 08279 + 5255) изазивају забринутост да ли су ти објекти имали довољно времена да се формирају тако рано у ΛЦДМ моделу. [105] [106]

Предвиђање да је температура ЦМБ у прошлости била виша, експериментално је поткрепљено запажањима линија апсорпције веома ниских температура у облацима гаса при великом црвеном померању. [107] Ово предвиђање такође имплицира да амплитуда ефекта Суњајев-Зел'дович у јатима галаксија не зависи директно од црвеног померања. Посматрања су открила да је ово приближно тачно, али овај ефекат зависи од својстава кластера која се мењају са космичким временом, што отежава прецизна мерења. [108] [109]

Будућа запажања

Будуће опсерваторије гравитационих таласа могле би да открију исконске гравитационе таласе, реликвије раног универзума, и мање од секунде после Великог праска. [110] [111]

Као и код сваке теорије, низ мистерија и проблема појавило се као резултат развоја теорије Великог праска. Неке од ових мистерија и проблема су решене, док су друге још увек нерешене. Предложена решења неких проблема у моделу Великог праска открила су нове сопствене мистерије. На пример, проблем хоризонта, проблем магнетног монопола и проблем равности најчешће се решавају инфлаторном теоријом, али детаљи инфлационог универзума и даље остају нерешени и многи, укључујући и неке од оснивача теорије, кажу да је то оповргнуто . [112] [113] [114] [115] Следи списак мистериозних аспеката теорије Великог праска који су још увек под интензивним истраживањем космолога и астрофизичара.

Барионова асиметрија

Још увек није разумљиво зашто свемир има више материје него антиматерије. [32] Генерално се претпоставља да је, док је свемир био млад и веома врућ, био у статистичкој равнотежи и садржао је једнак број бариона и антибариона. Међутим, запажања сугеришу да је свемир, укључујући и његове најудаљеније делове, готово у потпуности направљен од материје. Претпостављено је да се процес који се зове бариогенеза објашњава асиметријом. Да би се догодила бариогенеза, морају бити задовољени услови Сахарова. Они захтевају да се барионски број не сачува, да се наруше Ц-симетрија и ЦП-симетрија и да универзум одступи од термодинамичке равнотеже. [116] Сви ови услови се јављају у Стандардном моделу, али ефекти нису довољно јаки да објасне садашњу асиметрију бариона.

Тамна енергија

Мерења релације црвени помак – величина за супернове типа Иа указују на то да се ширење универзума убрзавало откад је свемир био отприлике половине свог данашњег доба. Да би се објаснило ово убрзање, општа релативност захтева да се већи део енергије у универзуму састоји од компоненте са великим негативним притиском, назване „тамна енергија“. [7]

Тамна енергија, иако спекулативна, решава бројне проблеме. Мерења космичке микроталасне позадине указују на то да је универзум врло скоро просторно раван, те стога према општој релативности универзум мора имати готово тачно критичну густину масе / енергије. Али густина масе свемира може се мерити на основу његовог гравитационог кластера и утврђено је да има само око 30% критичне густине. [7] Будући да теорија сугерише да се тамна енергија не скупља на уобичајени начин, то је најбоље објашњење за „недостајућу“ густину енергије. Тамна енергија такође помаже у објашњавању две геометријске мере целокупне закривљености универзума, једна која користи фреквенцију гравитационих сочива [117], а друга користећи карактеристични образац структуре великих размера као космички владар.

Верује се да је негативни притисак својство енергије вакуума, али тачна природа и постојање тамне енергије остаје једна од великих мистерија Великог праска. Резултати ВМАП тима из 2008. године у складу су са универзумом који се састоји од 73% тамне енергије, 23% тамне материје, 4,6% правилне материје и мање од 1% неутрина. [39] Према теорији, густина енергије у материји опада са ширењем универзума, али густина тамне енергије остаје константна (или скоро таква) како се свемир шири. Према томе, материја је у прошлости чинила већи удео укупне енергије универзума него данас, али њен делимични допринос ће пасти у далекој будућности како тамна енергија постаје још доминантнија.

Компоненту тамне енергије свемира објаснили су теоретичари користећи разне конкурентске теорије, укључујући Ајнштајнову космолошку константу, али такође се ширећи на егзотичније облике квинтесенције или друге модификоване гравитационе шеме. [118] Космолошки константни проблем, који се понекад назива и „најсрамотнији проблем у физици“, резултат је очигледног неслагања између измерене густине енергије тамне енергије и наивно прогнозираног из Планцкових јединица. [119]

Тамна материја

Током 1970-их и 1980-их, различита запажања су показала да у свемиру нема довољно видљиве материје која би објаснила привидну снагу гравитационих сила унутар и између галаксија. То је довело до идеје да је до 90% материје у свемиру тамна материја која не емитује светлост нити ступа у интеракцију са нормалном барионском материјом. Поред тога, претпоставка да је универзум углавном нормална материја довела је до предвиђања која су била у супротности са запажањима. Конкретно, свемир је данас много грудвији и садржи много мање деутерија него што се може рачунати без тамне материје. Иако је тамна материја увек била контроверзна, на њу се могу закључити разна запажања: анизотропије у ЦМБ-у, дисперзије брзине галактичког кластера, велике структурне расподеле, студије гравитационог сочива и рендгенска мерења кластера галаксија. [120]

Индиректни докази за тамну материју потичу од њеног гравитационог утицаја на другу материју, јер у лабораторијама нису примећене честице тамне материје. Предложени су многи кандидати за физику честица за тамну материју, а у току је неколико пројеката за њихово директно откривање. [121]

Поред тога, постоје нерешени проблеми повезани са тренутно преферираним моделом хладне тамне материје који укључују проблем патуљасте галаксије [83] и проблем оштрог ореола.[82] Предложене су алтернативне теорије које не захтевају велику количину неоткривене материје, већ модификују законе гравитације које су успоставили Њутн и Ајнштајн, али ниједна алтернативна теорија није била толико успешна као предлог хладне тамне материје у објашњавању свих постојећих запажања . [122]

Проблем хоризонта

Проблем хоризонта произлази из претпоставке да информације не могу путовати брже од светлости. У универзуму ограниченог доба ово поставља ограничење - хоризонт честица - раздвајању било које две регије простора које су у узрочном контакту. [123] Уочена изотропија ЦМБ-а је у том погледу проблематична: да је свемиром све време доминирало зрачење или материја до епохе последњег расејања, хоризонт честица у то време одговарао би око 2 степена на небо. Тада не би постојао механизам који би узроковао да шира подручја имају исту температуру. [95]: 191–202

Решење ове очигледне недоследности нуди инфлаторна теорија у којој хомогено и изотропно скаларно енергетско поље доминира свемиром у врло раном периоду (пре бариогенезе). Током инфлације, универзум се експоненцијално шири, а хоризонт честица шири се много брже него што се раније претпостављало, тако да су региони који се тренутно налазе на супротним странама посматраног универзума добро унутар хоризонта честица. Тада уочена изотропија ЦМБ следи из чињенице да је овај већи регион био у узрочном контакту пре почетка инфлације. [28]: 180–186

Хеисенбергов принцип несигурности предвиђа да ће током инфлаторне фазе доћи до квантних топлотних флуктуација, које ће бити увећане до космичке скале. Ова колебања су послужила као семе за све тренутне структуре у универзуму. [95]: 207 Инфлација предвиђа да су исконске флуктуације готово непроменљиве и гаусовске, што је тачно потврђено мерењем ЦМБ-а. [75]: сек 6

Ако би се инфлација догодила, експоненцијална експанзија гурнула би велике регионе свемира далеко изван нашег видљивог хоризонта. [28]: 180–186

Појављује се питање повезано са класичним хоризонтом, јер у већини стандардних космолошких модела инфлације инфлација престаје знатно пре него што дође до слабљења електрослабе симетрије, па инфлација не би требало да буде у стању да спречи велике дисконтинуитете у електрослабом вакууму јер су удаљени делови посматраног свемира узрочно одвојено када се завршила електрослаба епоха. [124]

Магнетни монополи

Приговор на магнетни монопол поднет је крајем 1970-их. Велике обједињене теорије (ГУТ) предвиђале су тополошке дефекте у свемиру који ће се манифестовати као магнетни монополи. Ови предмети би се ефикасно производили у врелом раном универзуму, што би резултирало густином много већом него што је у складу са запажањима, с обзиром да нису пронађени монополи. Овај проблем се решава космичком инфлацијом, која уклања све тачкасте недостатке из видљивог универзума, на исти начин на који доводи геометрију до равности. [123]

Проблем равности

Проблем равности (такође познат и као проблем старости) је проблем посматрања повезан са ФЛРВ-ом. [123] Свемир може имати позитивну, негативну или нулту просторну закривљеност у зависности од његове укупне густине енергије. Закривљеност је негативна ако је њена густина мања од позитивне критичне густине ако је већа и нула при критичној густини, у ком случају се каже да је простор раван. Посматрања указују на то да је универзум у складу са раван. [125] [126]

Проблем је у томе што свако мало одступање од критичне густине расте с временом, а опет свемир је данас врло близу стана. [напомене 4] С обзиром на то да би природни временски оквир за одступање од заравњености могао бити Планцково време, 10-43 секунде, [4] чињеница да свемир није достигао ни топлотну смрт ни велику кризу након милијарди година захтева објашњење. На пример, чак и у релативно касном добу од неколико минута (време нуклеосинтезе), густина свемира морала је бити унутар једног дела у 10 14 од његове критичне вредности, или не би постојала као данас. [127]

Пре посматрања тамне енергије, космолози су разматрали два сценарија за будућност свемира. Ако би густина масе свемира била већа од критичне, тада би свемир достигао максималну величину и тада почео да се руши. Поново би постало гушће и врелије, завршавајући се стањем сличним ономе у којем је и почело - великом стиском. [18]

Алтернативно, ако би густина у универзуму била једнака или испод критичне густине, ширење би успорило, али никада не би престало. Формирање звезда престало би са потрошњом међузвезданог гаса у свакој галаксији, звезде би изгореле, остављајући беле патуљке, неутронске звезде и црне рупе. Сукоби између њих довели би до накупљања масе у све веће и веће црне рупе. Просечна температура свемира би се врло постепено асимптотски приближавала апсолутној нули - великом смрзавању. [128] Штавише, ако су протони нестабилни, тада би барионска материја нестала, остављајући само зрачење и црне рупе. На крају, црне рупе би испариле емитујући Хокингово зрачење. Ентропија свемира повећала би се до тачке када из њега не би могао да се извуче организовани облик енергије, сценарио познат као топлотна смрт. [129]

Савремена запажања убрзаног ширења подразумевају да ће све више и више тренутно видљивог универзума проћи даље од нашег хоризонта догађаја и ван контакта са нама. Евентуални резултат није познат. ΛЦДМ модел универзума садржи тамну енергију у облику космолошке константе. Ова теорија сугерише да ће само гравитационо везани системи, попут галаксија, остати заједно и они ће такође бити изложени топлотној смрти док се свемир шири и хлади. Друга објашњења тамне енергије, која се називају теоријама фантомске енергије, сугеришу да ће се на крају накупине галаксија, звезде, планете, атоми, језгра и сама материја растргати све већим ширењем у такозваном Великом расцепу. [130]

Једна од уобичајених заблуда о моделу Великог праска је да у потпуности објашњава порекло универзума. Међутим, модел Великог праска не описује како су узроковани енергија, време и простор, већ описује настанак садашњег свемира из почетног стања ултра густог и високотемпературног стања. [131] Обмањујуће је визуализовати Велики прасак упоређивањем његове величине са свакодневним објектима. Када се описује величина свемира у Великом праску, то се односи на величину свемира који се може посматрати, а не на цео универзум. [17]

Хуббле-ов закон предвиђа да се галаксије које се налазе изван Хаблове удаљености повлаче брже од брзине светлости. Међутим, посебна релативност се не примењује даље од кретања кроз простор. Хаблов закон описује брзину која је резултат ширења од простора, пре него кроз свемир. [17]

Астрономи космолошки црвени помак често називају Доплеровим помаком који може довести до заблуде. [17] Иако сличан, космолошки црвени помак није идентичан класично изведеном доплеровом црвеном померању, јер већина елементарних извода доплерског црвеног померања не уклапа се у ширење простора. Прецизно извођење космолошког црвеног померања захтева употребу опште релативности, и док третман који користи једноставније аргументе Допплер ефекта даје готово идентичне резултате за оближње галаксије, тумачење црвеног померања удаљенијих галаксија због најједноставнијих третмана Допплер црвеног померања може изазвати забуну. [17]

Велики прасак објашњава еволуцију свемира од почетне густине и температуре која је далеко изнад способности човечанства да се реплицира, тако да су екстраполације у најекстремније услове и најранија времена нужно спекулативније. Леметр је ово почетно стање назвао „исконски атом"док је Гамов назвао материјал"илем". Како је настало почетно стање свемира и даље је отворено питање, али модел Великог праска ограничава неке његове карактеристике. На пример, специфични закони природе највероватније су постојали случајним путем, али како показују модели инфлације , неке њихове комбинације су далеко вероватније. [132] Тополошки равни универзум подразумева равнотежу између гравитационе потенцијалне енергије и других облика енергије, не захтевајући стварање додатне енергије. [125] [126]

Теорија Великог праска, изграђена на једначинама класичне опште релативности, указује на сингуларност у пореклу космичког времена, а таква бесконачна густина енергије може бити физичка немогућност. Међутим, физичке теорије опште релативности и квантне механике како су тренутно реализоване нису примењиве пре Планцкове епохе, а за њихово исправљање биће потребан развој исправног третмана квантне гравитације. [20] Одређени третмани квантне гравитације, као што је Вхеелер-ДеВиттова једначина, имплицирају да би само време могло бити новонастало својство. [133] Као таква, физика може закључити да време није постојало пре Великог праска. [134] [135]

Иако није познато шта је могло претходити врућем густом стању раног универзума нити како и зашто је настало, па чак ни да ли су таква питања разумна, нагађања на тему „космогоније“ обилују.

Неки шпекулативни предлози у овом погледу, од којих сваки подразумева неиспитане хипотезе, су:

  • Најједноставнији модели, у којима је Велики прасак изазван квантним флуктуацијама. Тај сценарио је имао врло мале шансе да се догоди, али, према тоталитарном принципу, на крају ће се догодити и најневероватнији догађај. Одржало се тренутно, у нашој перспективи, због одсуства перцептивног времена пре Великог праска. [136] [137] [138] [139]
  • Модели који укључују Хартле-Хавкингов безгранични услов, у којима је цело време просторно време коначно, Велики прасак представља временску границу, али без икакве сингуларности. [140] У таквом случају, свемир је сам себи довољан. [141] модели, у којима је инфлација последица кретања брана у теорији струна, модел пре Великог праска екпиротични модел, у којем је Велики прасак резултат судара брана и цикличног модела, варијанта екпиротични модел у коме се периодично јављају судари. У последњем моделу Великом праску претходило је Велико крчење и свемир се креће од једног до другог процеса. [142] [143] [144] [145], у којима се универзална инфлација ту и тамо завршава случајно локално, а свака крајња тачка доводи до мехур универзум, ширећи се из сопственог великог праска. [146] [147]

Предлози у последње две категорије Велики прасак виде као догађај у много већем и старијем универзуму или у мултиверзуму.

Као опис порекла свемира, Велики прасак има значајан утицај на религију и филозофију. [148] [149] Као резултат, постало је једно од најживљих подручја у дискурсу између науке и религије. [150] Неки верују да Велики прасак подразумева творца, [151] [152] док други тврде да космологија Великог праска чини појам ствараоца сувишним. [149] [153]


Како би експлозивни Велики прасак могао бити рођење нашег универзума?

Правите се да сте савршено равна шаховска фигура у партији шаха на савршено равној и хумоној шаховској табли. Једног дана погледаш око себе и питаш: Како сам доспео овде? Како је шаховска табла доспела овде? Како је све почело? Извучете телескоп и почнете да истражујете свој свемир, шаховску таблу ....

Шта сте нашли Ваш универзум, шаховска табла, постаје све већи. А с временом и веће! Табла се шири у свим правцима које можете видети. Чини се да ништа не узрокује ово проширење колико видите - то је само природа шаховске табле.

Али чекај мало. Ако постаје све веће, а постајало је све веће и веће, то значи да је у прошлости морало бити све мање и мање и мање. Некада, давно, давно, на самом почетку, мора да је била толико мала да је била бескрајно мала.

Хајде да радимо даље од онога што се тада догодило. На почетку вашег универзума, шаховска табла је била бескрајно сићушна, а затим се проширивала, све већа и већа до дана када сте одлучили да направите нека запажања о природи свог шаховског универзума. Све ствари у универзуму - мале честице које чине вас и све остало - почеле су врло близу, а затим су се шириле све даље како је време пролазило.

Наш универзум делује потпуно на исти начин. Када астрономи попут мене посматрају удаљене галаксије, видимо да се све раздвајају. Изгледа да је наш универзум почео врло мало и од тада се шири. У ствари, научници сада знају да се не само да се свемир шири, већ и брзина којом се шири. Овај мистериозни ефекат узрокован је нечим што физичари називају тамном енергијом, мада о томе знамо врло мало.

Астрономи такође примећују нешто што се назива космичко микроталасно зрачење у позадини. То је врло низак ниво енергије који постоји у целом свемиру. Из тих мерења знамо да је наш свемир стар 13,8 милијарди година - пут, пут старији од људи и отприлике три пута старији од Земље.

Ако се астрономи осврну све до догађаја који су покренули наш свемир, то ћемо назвати Велики прасак.

Многи људи чују име „Велики прасак“ и размишљају о џиновској експлозији ствари, попут експлозије бомбе. Али Велики прасак није био експлозија која је уништила ствари. То је био почетак нашег свемира, почетак и простора и времена. Уместо експлозије, била је то врло брза експанзија, догађај који је покренуо свемир да постаје све већи и већи.

Ово ширење се разликује од експлозије, коју могу изазвати ствари попут хемијских реакција или великих удара. Експлозије резултирају енергијом која прелази са једног места на друго, и обично много тога. Уместо тога, током Великог праска, енергија се кретала заједно са свемиром док се ширио, дивље се кретао, али временом се све више ширио, јер је простор временом растао.

У свемиру шаховске табле, „Велики прасак“ био би почетак свега. То је почетак плоче који постаје све већи.

Важно је схватити да „пре“ Великог праска није било простора и времена. Враћајући се на аналогију шаховске табле, можете рачунати количину времена на играћем сату након почетка, али нема времена пре почетка - сат није радио. И, пре него што је игра започела, универзум шаховске табле није постојао, а није било ни простора за шаховску таблу. Морате бити опрезни када у овом контексту кажете „пре“, јер време није ни постојало до Великог праска.

Такође сте се умотали око идеје да се универзум не шири ни у шта, јер је, колико знамо, Велики прасак био почетак и простора и времена. Збуњујуће, знам!

Астрономи нису сигурни шта је изазвало Велики прасак. Само погледамо запажања и видимо да је тако свемир почео. Знамо да је био изузетно мали и да је постао већи, и знамо да је то започело пре 13,8 милијарди година.

Шта је започело нашу сопствену партију шаха? То је једно од најдубљих питања које свако може да постави.

Здраво, радознала деца! Да ли имате питање на које желите да одговори стручњак? Замолите одраслу особу да ваше питање пошаље на ЦуриоусКидсУС@тхецонверсатион.цом. Молимо вас да нам кажете своје име, године и град у којем живите.

А пошто радозналост нема старосну границу - одрасли, обавестите нас и о томе што се питате. Нећемо моћи одговорити на свако питање, али потрудићемо се.

Овај чланак је поново објављен на Тхе Цонверсатион, непрофитној веб локацији са вестима посвећеној размени идеја академских стручњака.

Мицхаел Лам не ради за било коју компанију или организацију која би имала користи од овог члана, не консултује се, не поседује акције и не прима средства од ње, нити је открио релевантне везе са својим академским именовањем.


Позната знања

Почнимо са општим оквиром. Пре 13,77 милијарди година, наш универзум је био невероватно врућ (температура од преко квадрилион степени) и невероватно мален (отприлике величине брескве). Астрономи сумњају да је, када је наш космос био стар мање од секунде, прошао кроз период невероватно брзог ширења, познат као инфлација.

Овај догађај инфлације био је можда најтрансформативнија епоха која се икада догодила у историји нашег универзума. За мање од трептаја, наш универзум је постао невероватно већи (увећао се за фактор од најмање 10 ^ 52). Када се ова брза фаза ширења зауставила, шта год да је у првом реду узроковало инфлацију (нисмо сигурни шта) пропало је, преплавивши свемир материјом и зрачењем (нисмо сигурни како).

Неколико минута касније (буквално) појавили су се први елементи. Пре овог времена, свемир је био превише врућ и превише густ да би се ишта стабилно могло формирати & мдасх, био је само џиновска мешавина кваркова (основних градивних елемената атомских језгара) и глуона (носача јаке нуклеарне силе). Али једном када је свемир био здрав десетак минута, проширио се и охладио довољно да се кваркови могу повезати, формирајући прве протоне и неутроне. Ти протони и неутрони створили су први водоник и хелијум (и мало литијума), који су настајали стотинама милиона година касније градећи прве звезде и галаксије.

Од формирања првих елемената, свемир се само проширио и охладио, да би на крају постао плазма, а затим и неутрални гас.

Иако знамо да је ова прича са широким кистом тачна, такође знамо да нам недостаје много детаља, посебно у времену пре формирања првих елемената. Нека забавна физика је можда била у функцији када је свемир био стар само неколико секунди и тренутно је ван нашег теоријског разумевања & мдасх, али то нас не спречава да покушамо.


Откриће космичког позадинског зрачења

Ако је модел универзума описан у претходном одељку тачан, тада - како ми гледамо далеко према универзуму, а тиме и уназад у прошлост - први & # 8220афтерглов & # 8221 врелог, раног универзума и даље треба да буде откривен. Његова запажања била би врло снажан доказ да су наше теоријске калкулације о томе како се свемир развијао тачне. Као што ћемо видети, заиста смо детектовали зрачење које се овде емитује време одвајања фотона, када је зрачење почело слободно да струји кроз универзум без интеракције са материјом (слика 1).

Слика 1. Поређење космичке микроталасне пећине и облака: (а) На почетку свемира, фотони (електромагнетна енергија) расипали су се из препуних, врућих, наелектрисаних честица и нису могли да дођу далеко без судара са другом честицом. Али након што су се електрони и фотони населили у неутралне атоме, било је далеко мање расејања и фотони су могли да путују на велике даљине. Универзум је постао прозиран. Док гледамо у простор и уназад, не можемо да видимо даље од овог времена. (б) Ово је слично ономе што се дешава када видимо облаке у Земљиној атмосфери. Капљице воде у облаку врло ефикасно расипају светлост, али чист ваздух омогућава светлости да путује на велике даљине. Па док гледамо у атмосферу, нашу визију блокирају слојеви облака и не можемо да видимо даље од њих. (заслуга: модификација рада НАСА-е)

Откривање овог накнадног сјаја у почетку је било случајно. Крајем 1940-их, Ралпх Алпхер и Роберт Херман, радећи са Џорџом Гамов, схватио је да је непосредно пре него што је универзум постао провидан, морао зрачити попут црног тела на температури од око 3000 К - температури на којој су атоми водоника могли да почну да настају. Да смо могли видети то зрачење непосредно након стварања неутралних атома, оно би подсећало на зрачење црвенкасте звезде. Било је то као да је џиновска ватрена кугла испунила читав свемир.

Али то је било пре скоро 14 милијарди година, а у међувремену се размера свемира повећала хиљаду пута. Ова експанзија повећала је таласну дужину зрачења за фактор 1000 (видети одељак А Модел универзума). Према Виен-овом закону, који повезује таласну дужину и температуру, експанзија је сходно томе снизила температуру за фактор 1000 (види поглавље О зрачењу и спектрима).

Алпхер и Херман су предвидели да би сјај ватрене кугле сада требао бити на таласним дужинама радио и да подсећа на зрачење црног тела на температури од само неколико степени изнад апсолутне нуле. Будући да је ватрена кугла била свуда у свемиру, зрачење које је остало од ње такође би требало да буде свуда. Да су наше очи осетљиве на радиоталасне дужине, чинило би се да цело небо сјаји врло слабо. Међутим, наше очи не могу да виде на овим таласним дужинама, а у време када су Алпхер и Херман прогнозирали, није било инструмената који би могли да открију сјај. Током година њихово предвиђање је заборављено.

Средином 1960-их, у Холмделу у држави Нев Јерсеи, Арно Пензиас и Роберт Вилсон из АТ & ампТ-ове Белл Лабораториес изградили су осетљиву микроталасну антену (слика 2) за мерење астрономских извора, укључујући остатке супернова попут Касиопеје А (види поглавље Смрт Звездице). Мучио их је неки неочекивани позадински шум, баш попут слабе статике на радију, које се нису могли решити. Збуњујуће у вези са овим зрачењем било је то што се чинило да долази из свих праваца одједном. Ово је врло необично у астрономији: уосталом, већина зрачења има одређени правац тамо где је најјача - смер Сунца, остатка супернове или диска Млечног пута, на пример.

Слика 2. Роберт Вилсон (лево) и Арно Пензиас (десно): Ова двојица научника стоје испред антене у облику рога којом су открили космичко позадинско зрачење. Фотографија је снимљена 1978. године, непосредно након што су добили Нобелову награду за физику.

Пензиас и Вилсон су у почетку помислили да свако зрачење које се појављује из свих праваца мора потицати из њиховог телескопа, па су све раздвојили да би потражили извор буке. Открили су чак да су се неки голубови запели унутар велике антене у облику рога и оставили (како је Пензиас деликатно рекао) слој беле, лепљиве, диелектричне супстанце која прекрива унутрашњост антене. & # 8221 Међутим, ништа од тога научници су могли да смање позадинско зрачење на нулу и невољко су прихватили да оно мора бити стварно и да мора долазити из свемира.

Пензиас и Вилсон су утврдили да расподела интензитета на различитим радио таласним дужинама одговара температури од 3,5 К. Ово је врло хладно - ближе апсолутној нули од већине других астрономских мерења - и сведочи о томе колико простора (и таласа у њему) се протегао. Њихова мерења су поновљена са бољим инструментима, који нам дају очитавање од 2,73 К. Дакле, Пензиас и Вилсон су се врло приближили. Заокружујући ову вредност, научници се често позивају на & # 8220 микроталасну позадину од 3 степена. & # 8221

Многи други експерименти на Земљи и у свемиру убрзо су потврдили Пензиасово и Вилсоново откриће: Зрачење је заиста долазило из свих праваца (било је изотропно) и подударало се са предвиђањима теорије Великог праска са изузетном прецизношћу. Пензиас и Вилсон су нехотице приметили сјај исконске ватрене кугле. За свој рад добили су Нобелову награду 1978. И непосредно пре његове смрти 1966, Леметр је сазнао да је његов & # 8220пожарни сјај & # 8221 откривен и потврђен.


Да ли смо управо пронашли највећу ротирајућу ‘ствар’ у свемиру?

Нити, стотине милиона светлосних година, управо су ухваћени како се врте.

У нашем космичком дворишту све што видимо врти се, ротира и врти на неки начин. Наша планета (и све на њој) врти се око своје осе, баш као и свака планета и месец у Сунчевом систему. Месеци (укључујући и наш) врте се око своје родитељске планете, док се планетарно-месечни системи врте око Сунца. Сунце заузврат, попут свих стотина милијарди звезда у галаксији, кружи око галактичког центра, док се цела галаксија окреће око централног испупчења.

На највећој космичкој скали, међутим, није примећена глобална ротација. Чини се да Универзум, из било ког разлога, нема целокупан обрт или ротацију и не врти се око било чега другог. Слично томе, изгледа да се највеће посматране космичке структуре не врте, не ротирају или не окрећу око било којих других структура. Али недавно се чини да то изазива нова студија, тврдећи да се огромни космички филаменти - нити космичке мреже - ротирају око саме филаментарне осе. Ово је сигурно чудно, али можемо ли то објаснити? Хајде да сазнамо.

Данас радијус 46 милијарди светлосних година. (НАСА / ЦКСЦ / М.ВЕИСС)

Да бисмо могли да направимо предвиђање, прво морамо да поставимо сценарио који очекујемо, затим да уградимо законе физике и да еволуирамо систем на време да видимо шта предвиђамо. Теоретски се можемо вратити све до најранијих стадија Универзума. На почетку врућег Великог праска, непосредно након завршетка космичке инфлације, Универзум је:

  • испуњен материјом, антиматеријом, тамном материјом и зрачењем,
  • једнообразна и иста у свим правцима,
  • са изузетком благих несавршености густине на скали од 1 дела у 30 000,
  • и са додатним ситним несавршеностима у усмерености ових флуктуација, линеарним и ротационим кретањима ових претјераних и недовољно густих подручја, и сличним несавршеностима у позадини гравитационих таласа са којима се рађа Универзум.

Како се Универзум шири, хлади и гравитира, јавља се низ важних корака, посебно на великим космичким размерама.

Неке ствари временом расту, друге временом пропадају, а друге ствари временом остају исте.

На пример, несавршености густине расту на одређени начин: сразмерно односу густине материје и густине зрачења. Како се Универзум шири и хлади, и материја и зрачење - састављени од појединачних кванта - постају мање густи, број честица остаје исти док се запремина повећава, што доводи до пада густине обе. Они не падају подједнако, међутим количина масе у свакој честици материје остаје иста, али количина енергије у сваком кванту зрачења опада. Како се Универзум шири, таласна дужина светлости која путује кроз свемир се протеже, доводећи је до све нижих и нижих енергија.

Како зрачење постаје мање енергично, густина материје расте у односу на густину зрачења, што доводи до раста ових несавршености густине. Временом, првобитно прекомерни региони преференцијално привлаче околну материју, увлачећи је, док се првобитно негуштени региони преферирају својој материји гушћим регионима у близини. Током довољно дугог временског оквира, ово доводи до стварања облака молекуларних гасова, звезда, галаксија, па чак и читаве космичке мреже.

Слично томе, можете пратити еволуцију било ког почетног ротационог начина у Универзуму који је у почетку изотропан и хомоген. За разлику од несавршености густине, које расту, сваки почетни спин или ротација ће пропадати како се Универзум шири. Конкретно, он пропада како скала Универзума расте: што се Универзум више шири, то угаони замах постаје мање важан. Стога би требало имати смисла предвидети да на највећим космичким скалама неће бити никаквог угаоног момента - а самим тим ни ротације ни ротације.

То је бар тачно, али само до одређеног тренутка. Све док се ваш Универзум и структуре у њему настављају ширити, ови ротациони или окретајући модови ће пропадати. Али постоји правило које је још темељније: закон очувања момента кретања. Баш као што се окрећући уметнички клизач може повећати брзину ротације довођењем руку и ногу (или је може смањити померањем руку и ногу), ротација великих структура ће се смањивати све док се структуре шире, али кад се једном повуку под сопственом гравитацијом, та ротација се поново убрзава.

Угаони замах је, видите, комбинација два различита фактора помножена заједно.

  1. Момент инерције, о којем можете размишљати као о томе како је ваша маса распоређена: близу осе ротације је мали тренутак инерције, далеко од осе ротације је велики тренутак инерције.
  2. Угаона брзина, за коју можете замислити колико брзо направите потпуну револуцију, нешто попут броја окретаја у минути је мера угаоне брзине.

Чак и у Универзуму у којем се ваше несавршености густине рађају само са врло малом количином угаоне количине, гравитациони раст се неће моћи ослободити, док гравитациони колапс, због чега се ваша расподела масе концентрише према центру, осигурава да ће се ваш тренутак инерције на крају драматично смањити. Ако ваш угаони момент остане исти док ваш момент инерције опада, ваша угаона брзина мора да порасте као одговор. Као резултат тога, што је већа количина гравитационог колапса подвргнута структури, то је већа количина коју очекујемо да видимо како се врти, ротира или на други начин показује свој угаони замах.

Али чак и то је само половина приче. Свакако, у потпуности очекујемо да се Универзум роди са неким угаоним замахом, а када ове несавршености густине нарасту, привуку материју и коначно се сруше под сопственом гравитацијом, очекујемо да ћемо их на крају ротирати - можда чак и прилично значајне. Међутим, чак и ако се Универзум родио без икаквог угаоног момента, неизбежно је да ће структуре које се формирају на свим космичким скалама (осим, ​​можда, екстремно највећих од свих) почети да се врте, ротирају, па чак и врте око једно другог.

Разлог за ово је физички феномен који нам је свима познат, али у другом контексту: плима и осека. Разлог због којег планета Земља доживљава плиму и осеку је зато што објекти у њеној близини, попут Сунца и Месеца, гравитационо привлаче Земљу. Конкретно, међутим, они привлаче све тачке на Земљи и то неједнако. На пример, тачке на Земљи које су ближе Месецу привлаче се мало више од тачака које су удаљеније. Слично томе, тачке које су „северно“ или „јужније“ од замишљене линије која повезује Земљин центар са Месечевим центром биће привучене одговарајуће „надоле“ или „горе“.

Упркос томе колико је то лако визуализовати за округло тело попут Земље, исти процес се одвија између сваке две масе у Универзуму које заузимају било који волумен већи од једне тачке. Ове плиме и осеке, док се предмети крећу кроз простор у односу један на други, врше оно што је познато као обртни моменат: сила која узрокује да предмети искуси веће убрзање на једном његовом делу него на другим деловима. У свим, осим у савршено усаглашеним случајевима - где се сви обртни моменти поништавају, што је огромна и случајна реткост - ови обални моменти плиме и осеке изазваће угаоно убрзање, што доводи до повећања угаоног момента.

„Држи се“, чујем како се противите. „Мислио сам да сте рекли да се угаони момент увек сачувао? Па како можете створити угаоно убрзање, које повећава ваш угаони импулс, ако је угаони импулс нешто што никада не може бити створено или уништено? “

То је добар приговор. Међутим, оно чега морате да се сетите је да су обртни моменти попут сила у смислу да се покоравају сопственим верзијама Њутнових закона. Конкретно, баш као што силе имају смер, тако и обртни моменти: они могу проузроковати да се нешто окреће у смеру кретања казаљке на сату или у смеру супротном од казаљке на сату око сваке од тродимензионалних оса које постоје у нашем Универзуму. И баш као што свака радња има једнаку супротну реакцију, кад год један предмет повуче другог да створи обртни моменат, та једнака и супротна сила створиће обртни моменат и на том првом објекту.

То није нешто о чему често размишљате, али ово се стално поиграва у нашој стварности. Када убрзате аутомобил из мртвог места чим светло упали зелено, гуме почињу да се окрећу и гурају на путу. Због тога пут делује на дно ваших гума, због чега се ваше вртеће гуме хватају за пут, убрзавају и гурају аутомобил напред. Будући да сила није директно на центру точкова - тамо где су осовине - већ је ван центра, ваше гуме се окрећу, захваћајући пут и стварајући обртни моменат.

Али и овде постоји једнака и супротна реакција. Пут и гуме морају се међусобно гурати једнаким и супротним силама. Ако сила пута на гумама узрокује да се ваш аутомобил убрзава, а затим креће, рецимо, у смеру казаљке на сату у односу на центар планете Земље, тада ће сила гума на путу узроковати убрзање и ротацију планете Земље мало, мало више у смеру супротном од кретања казаљке на сату у односу на то како се кретало раније. Мада:

  • аутомобил сада има већи угаони замах него раније,
  • а Земља сада има већи угаони замах него што је имала раније,

збир система аутомобил + Земља има једнаку количину угаоног момента као и у почетку. Замах угла, попут силе, је вектор: величине и правца.

Па шта се онда дешава када се формира структура великих размера у Универзуму?

Све док нисте превелики да би дошло до гравитационог колапса - где се материја у Универзуму може стиснути све доле у ​​једној или више димензија до размера у којем ће ствари због судара "прскати" - ови плимни обртни моменти ће проузроковати накупине материје да се повуку једна за другу, изазивајући ротацију. То значи да би планете, звезде, соларни системи, галаксије, па чак и, у теорији, читави космички филаменти са космичке мреже требали, бар понекад, да доживљавају ротационе покрете. На већим скалама, међутим, не би требало да постоји укупна ротација, јер у Свемиру не постоје веће повезане структуре.

Управо је то оно што је најновија студија покушала да измери и управо оно што су открили. За појединачне филаменте нису могли ништа да виде, али када су заједно узели хиљаде филамената, ротациони ефекти су се јасно показали.

„Слагањем на хиљаде филамената заједно и испитивањем брзине галаксија окомитих на осу филамента (преко њиховог црвеног померања и блуесхифт-а), откривамо да и ови објекти показују вртложно кретање у складу са ротацијом, чинећи их највећим објектима за које се зна да имају угаони замах. Јачина ротационог сигнала директно зависи од угла гледања и динамичког стања нити. Ротација фила се јасније открива када се гледа на ивицу. “

Већ смо видели „ротацију филамента“: у нитима која су створена у регионима који формирају звезде унутар појединих галаксија. Али као изненађење за неке, чак и највеће нити у Универзуму, оне које прате космичку мрежу, изгледа да се такође ротирају, бар у просеку. Њихове брзине су упоредиве са брзинама којима се галаксије крећу и звезде круже унутар Млечног пута: до

стотине километара у секунди. Иако нам је још много тога остало да распакујемо о овом феномену, ови космички филаменти великих размера, који се обично протежу стотинама милиона светлосних година, сада су највеће познате ротирајуће структуре у Универзуму.

Зашто се, међутим, ротирају? Да ли је то нешто што се заиста може објаснити плимним моментима и ничим другим? Рани докази указују на „да“, јер присуство великих маса у близини нити - што космолози идентификују као „ореоли“ - чини се да појачава ротацију. Као што аутори примећују, „што су масовнији ореоли који седе на оба краја нити, то се више детектује ротација“, у складу са гравитационим обртним моментима који изазивају ова кретања. Ипак, потребно је више проучавања, јер температура и друга физика такође могу играти улогу.

Велико откриће је што смо коначно открили ротацију на овим невиђено великим размерама. Ако све буде у реду, не само да ћемо открити зашто, већ ћемо моћи да предвидимо колико брзо треба да се врти свака нит која видимо и из ког разлога. Док не будемо могли предвидети како се свака структура у Универзуму формира, понаша и еволуира, теоријским астрофизичарима никада неће недостајати посла.


Погледајте видео: Как выбрать утюг ТОП 5 САМЫХ популярных утюгов в 2021 году (Децембар 2022).