Модель гарячого Всесвіту

Ще Ісак Ньютон запропонував модель Всесвіту, яка містила в собі три основні постулати: стаціонарність, незмінність Всесвіту в часі; однорідність і ізотропності, відсутність привілейованих напрямків; евклідовому просторі.

Стаціонарності Всесвіту суперечить парадокс Ольберса: якщо Всесвіт нескінченний і вічна (тобто стационарна), то в ній міститься нескінченна кількість зірок. Куди б ми не подивилися, наш погляд неодмінно упреться в зірку. Нехай окремі зірки будуть невиразні, але небо все одно має сяяти суцільним загравою. І, тим не менш, вночі небо темне. Модель розширюється Всесвіту, запропонована А. Фрідманом в 1922 р, дає можливість вирішити цей парадокс.

Простір в нашому Всесвіті не є евклідовим. Загальна теорія відносності Ейнштейна стверджує, що присутність тел великої маси викривляє простір. Справедливість загальної теорії відносності підтверджується багатьма наглядовими даними: відхиленням променя світла в гравітаційному полі масивних тіл (наприклад, Сонця), зміною частоти світла в гравітаційному полі, зміщенням перигелію орбіти Меркурія.

Факт розширення Всесвіту підтверджується наявністю червоних зсувів в спектрах далеких галактик і їх скупчень. Червоне зміщення тим більше, чим далі від нас знаходяться досліджувані об’єкти. Швидкість джерела пов’язана з відстанню до нього законом Хаббла (12.1), який ще іноді називають «законом розбігання». Природно, що Галактика не є центром цього розбігання – точно таку ж картину розбігання повинен бачити спостерігач з будь-якої іншої галактики (властивість ізотропності Всесвіту). Наочною моделлю такого розбігання може служити надувається повітряна кулька з намальованими безладно на його поверхню точками – «галактиками»: при надування всі ці точки будуть віддалятися один від одного в точній відповідності з законом Хаббла. З пропорційності швидкості розбігання V і постійної Хаббла H випливає, що десь у минулому був момент, в який будь-яка з спостережуваних зараз галактик була нескінченно близька до нашої і до будь-якої іншої, причому щільність речовини у Всесвіті в «початковий момент» повинна була бути нескінченною. Величина, зворотна постійної Хаббла, має розмірність часу (час розширення Хаббла), і по ній можна оцінити вік Всесвіту: T = 1 / H ≈ 14 млрд. Років.

Отже, приблизно 14 млрд. Років тому вся речовина Всесвіту було сконцентровано в одній точці з нульовим обсягом і нескінченно великою щільністю – в сингулярності.

Момент народження Всесвіту – це момент народження класичного простору-часу з сингулярності (іноді кажуть, з просторово-часової піни) в результаті Великого Вибуху, коли почалося розширення Всесвіту. Фізичну теорію початкового етапу розширення Всесвіту розробили американські вчені на чолі з Георгієм Гамовим в 1946 р У початковий момент розширення (а точніше, в момент 10-43 с) температура речовини і його щільність досягали величезних значень: ρ ≈ 1093 г / см3, T = 1,3 · 1032 К.

Протягом перших 10-36 с, коли температура Всесвіту була більше 1028 К, енергія в одиниці об’єму залишалася постійною, а Всесвіт розширювався зі швидкістю, значно перевищує швидкість світла. Цей факт не суперечить теорії відносності, так як з такою швидкістю розширювалося неречовина, а сам простір. Ця стадія еволюції називається інфляційної. Із закінченням інфляційної фази розвитку Всесвіту настає стадія народження речовини – народжується звичайна матерія. У цей час сильне ядерне взаємодія відділяється від електромагнітного й слабкого. Всесвіт всього за 10-33 с збільшується від розмірів атома до розмірів Сонячної системи. З’являються звичайні елементарні частинки (протони) і античастинки. Виникає баріонна асиметрія: античастинок народжується трохи менше, ніж звичайних частинок.

Аж до 10-4 с речовина і випромінювання знаходяться в термодинамічній рівновазі, а «гарячі» фотони повністю визначають характер випромінювання Всесвіту. Ця епоха називається радіаційної стадією еволюції.

Слідом за радіаційною стадією настає стадія рекомбінації – анігіляції частинок і античастинок (перетворення їх у фотони), яка закінчується при температурі 5 ∙ 1012 К. До моменту 1 з від Великого Вибуху майже всі протони і нейтрони аннигилировали, перетворившись на фотони; залишилися тільки ті, для яких не вистачило античастинок. Як показали спостереження, на один баріон припадає майже мільярд фотонів – продуктів анігіляції. Значить, початковий надлишок частинок в порівнянні з античастинками становить одну мільярдну від їх числа. Саме з цього «надлишкового» речовини і складається в основному речовина спостережуваного Всесвіту. Через кілька секунд після Великого Вибуху в гарячій і щільною Всесвіту почалася стадія первинного нуклеосинтезу, що тривала близько трьох хвилин. В результаті термоядерних реакцій утворилися водень і гелій в пропорції 3/1 плюс незначна домішка інших легких елементів, зокрема, літію Li, і ізотопів водню – дейтерію D і тритію T. Потім почалося спокійне розширення і остигання Всесвіту.

Приблизно через мільйон років після Великого Вибуху рівновага між речовиною і випромінюванням порушилося, з вільних протонів і електронів почали утворюватися атоми, а випромінювання стало проходити через речовину як через прозоре середовище. Саме це випромінювання назвали реліктовим, його температура була близько 3000 К. Гіпотезу про існування такого випромінювання висловив Георгій Гамов. При розширенні Всесвіт остигає, тому довжина хвилі реліктових фотонів повинна зростати і до теперішнього часу температура реліктового випромінювання повинна була впасти приблизно до 3 кельвінів. У 1964 р американські вчені Арно Пензиас і Роберт Вільсон абсолютно випадково виявили космічне випромінювання, інтенсивність якого була постійна в часі і не залежала від напрямку, причому його температура якраз дорівнювала приблизно 3 К. Відкриття реліктового випромінювання послужило підтвердженням теорії гарячого Всесвіту. Більш точні вимірювання температури реліктового випромінювання дають значення 2,725 К, причому в останні десятиліття була виявлена ​​слабка його анізотропія (незначне відхилення температури від середнього значення). Анізотропія порядку 10-3 від основної величини викликана ефектом Доплера внаслідок руху Землі відносно фону реліктового випромінювання. Крім цієї «удаваній» анізотропії в експериментах виявлена ​​і справжня (не пов’язана з рухом Землі) анізотропія реліктового випромінювання. Вона дуже мала (порядку 10-5 від основної величини), тому з високим ступенем точності реліктове випромінювання можна вважати однорідним і ізотропним. Але сам факт наявності хоча б дуже слабкою анізотропії принципово важливий для різних теорій, які намагаються пояснити і описати математично походження галактик. Після рекомбінації речовина початок еволюціонувати самостійно. Через відмінності в щільності речовини, що з’явилися під час інфляційної стадії, утворилися протогалактики. Там, де щільність була трохи більше середньої, утворилися вогнища тяжіння. Області зі зниженою щільністю робилися все розріджені, так як речовина йшло з них в більш щільні області. Саме так практично однорідна середовище розділилося на окремі галактики і їх скупчення, а через сотні мільйонів років з’явилися перші зірки.

Іншою причиною утворення галактик могли бути гіпотетичні космічні струни – надтонкі (порядку декількох радіусів атома водню) і надважкі (десятки тонн на сантиметр довжини) об’єкти, що протягуються через весь Всесвіт і збереглися з часів Великого Вибуху. Гравітаційна взаємодія космічних струн могло сприяти формуванню зоряних систем.

Залишається додати, що у вигляді галактик і їх скупчень зосереджено всього кілька відсотків маси, що знаходиться у всій спостерігається нами Всесвіту. Інакше важко пояснити, чому скупчення галактик ще не «розвалилися»: швидкості руху кожної галактики занадто великі і сумарна кінетична енергія системи виявляється набагато більше потенційної енергії їх взаємодії. Доводиться припускати, що в скупченнях міститься «прихована маса», про природу якої серед астрономів зараз ведуться жваві дискусії.

Чому ми ніколи не бачили початок Всесвіту

Ми думали, що все почалося з Великого вибуху. Але потім ми зрозуміли, що раніше було щось інше, і воно стерло все, що існувало до цього.

• В оригінальній теорії Великого вибуху можна було екстраполювати Всесвіт, що розширюється, назад до єдиної точки, сингулярності, яка ознаменувала народження простору і часу.
• Але ця теорія виявилася помилковою, і з тих пір було показано, що гарячому Великому вибуху передує інфляційний Всесвіт, який залишає свої відбитки на нашому космосі.
• На жаль, лише в останні секунди крихітні частки інфляції залишаються видимими, а все, що відбувалося раніше, «здувається», що позбавляє нас будь-якої надії на відкриття первісного початку нашого Всесвіту.

З усіх питань, над якими людство коли-небудь замислювалося, мабуть, найглибшим є питання: «Звідки все це взялося?» Поколіннями ми розповідали одне одному вигадані нами казки і обирали ту розповідь, яка звучала для нас найкраще. Ідея про те, що ми можемо знайти відповіді, досліджуючи сам Всесвіт, була чужою до недавнього часу, коли наукові вимірювання почали вирішувати загадки, які ставили в глухий кут філософів, богословів і мислителів.

XX століття принесло нам загальну теорію відносності, квантову фізику і Великий вибух, які супроводжувалися вражаючими спостережними й експериментальними успіхами. Ці рамки дозволили нам зробити теоретичні передбачення, які ми потім змогли перевірити, і вони пройшли з блискучим успіхом, у той час як альтернативи відпали. Але – принаймні для Великого вибуху – це залишило деякі непояснені проблеми, які вимагали від нас іти далі. Коли ми закінчили, то прийшли до незручного висновку, з яким ми рахуємось і досі: будь-яка інформація про початок Всесвіту більше не міститься в межах нашого спостережуваного космосу. Ось така бентежна історія.

Зірки і галактики, які ми бачимо сьогодні, існували не завжди, і чим далі в минуле, тим ближче до видимої сингулярності наближається Всесвіт, оскільки ми переходимо до більш гарячих, щільних і однорідних станів. Проте існує межа цієї екстраполяції, оскільки повернення до сингулярності створює загадки, на які ми не можемо дати відповідь.

У 1920-х роках, трохи менше століття тому, наше уявлення про Всесвіт назавжди змінилося, коли дві групи спостережень зійшлися в ідеальній гармонії. Протягом останніх кількох років вчені на чолі з Весто Сліфером почали вимірювати спектральні лінії – особливості випромінювання і поглинання – різноманітних зірок і туманностей. Оскільки атоми скрізь у Всесвіті однакові, електрони в них здійснюють однакові переходи: вони мають однакові спектри поглинання та випромінювання. Але деякі з цих туманностей, зокрема спіралі й еліптичні, мали надзвичайно великі червоні зміщення, які відповідали високим швидкостям рецесії: швидше, ніж будь-що інше в нашій галактиці.

Починаючи з 1923 року, Едвін Хаббл і Мілтон Юмасон почали вимірювати окремі зірки в цих туманностях, визначаючи відстані до них. Вони були далеко за межами нашого Чумацького Шляху – мільйони світлових років у більшості випадків. Коли ви об’єднали вимірювання відстані та червоного зміщення разом, все це вказувало на один неминучий висновок, який також був теоретично підтриманий загальною теорією відносності Ейнштейна, – Всесвіт розширюється. Чим далі знаходиться галактика, тим швидше вона віддаляється від нас.

Початкові спостереження Хаббла 1929 року за розширенням Всесвіту, за якими послідували більш детальні, але також невизначені спостереження. Графік Хаббла чітко показує залежність червоного зміщення від відстані з вищими даними, ніж у його попередників і конкурентів; сучасні еквіваленти йдуть набагато далі. Зауважте, що особливі швидкості завжди залишаються присутніми, навіть на великих відстанях, але важлива загальна тенденція.

Якщо Всесвіт сьогодні розширюється, то це означає, що все наступне повинно бути правдою.

1. Всесвіт стає менш щільним, оскільки фіксована кількість матерії в ньому займає все більші і більші об’єми.
2. Всесвіт остигає, оскільки світло в ньому розтягується до більшої довжини хвиль.
3. І галактики, які не пов’язані між собою гравітаційно, з часом віддаляються одна від одної.

Це дивовижні факти, які вражають уяву, оскільки вони дозволяють нам екстраполювати те, що відбуватиметься зі Всесвітом, коли час невблаганно просуватиметься вперед. Але ті ж самі закони фізики, які говорять нам, що станеться в майбутньому, можуть також сказати нам, що сталося в минулому, і сам Всесвіт не є винятком. Якщо Всесвіт розширюється, остигає і стає менш щільним сьогодні, це означає, що в далекому минулому він був меншим, гарячішим і щільнішим.

У той час як матерія (як звичайна, так і темна) і випромінювання стають менш щільними в міру розширення Всесвіту через збільшення його об’єму, темна енергія, а також енергія поля при інфляції, є формою енергії, притаманною самому простору. Оскільки у Всесвіті, що розширюється, створюється новий простір, густина темної енергії залишається постійною.

Основна ідея теорії Великого вибуху полягала в тому, щоб екстраполювати це якомога далі назад – до все більш гарячих, щільних та однорідних станів, коли ми йдемо все раніше і раніше. Це призвело до низки чудових передбачень, включаючи таке:

• більш віддалені галактики повинні бути меншими, численнішими, меншими за масою та багатшими на гарячі блакитні зорі, ніж їхні сучасні аналоги,
• важких елементів повинно бути все менше і менше, коли ми дивимося назад у часі,
• має настати час, коли Всесвіт був занадто гарячим, щоб сформувати нейтральні атоми (і залишкову ванну нині холодного випромінювання, яка існує з того часу),
• повинен навіть настати час, коли атомні ядра були розірвані на частини ультраенергетичним випромінюванням (залишивши реліктову суміш ізотопів водню і гелію).

Всі ці чотири передбачення були підтверджені спостереженнями, а залишкова ванна випромінювання – спочатку відома як «первісна вогняна куля», а тепер називається космічним мікрохвильовим фоном – виявлена в середині 1960-х років, часто називається «димлячим пістолетом» Великого вибуху.

На цьому зображенні Арно Пензіас і Роберт Вілсон, співвідкривачі космічного мікрохвильового фону, з рупорною антеною Гольмделя, яка була використана для його виявлення. Їхнє абсолютно випадкове відкриття було інтерпретоване як найсильніший доказ походження нашого Всесвіту від Великого вибуху, оскільки інші джерела низькоенергетичного випромінювання не можуть пояснити спостережувані властивості КХБ.

Ви можете подумати, що це означає, що ми можемо екстраполювати Великий вибух назад (як завгодно далеко в минуле), поки вся матерія та енергія у Всесвіті не сконцентрується в одній точці. Всесвіт досягне нескінченно високих температур і густини, створюючи фізичний стан, відомий як сингулярність: коли закони фізики, як ми їх знаємо, дають передбачення, які більше не мають сенсу і більше не можуть бути дійсними.

Нарешті! Після тисячоліть пошуків ми знайшли його – початок Всесвіту! Всесвіт почався з Великого вибуху деякий кінцевий час тому, що відповідає народженню простору і часу; і що все, що ми коли-небудь спостерігали, є продуктом його наслідків. Вперше ми отримали наукову відповідь, яка дійсно вказує не тільки на те, що Всесвіт мав початок, але й на те, коли цей початок відбувся. За словами Жоржа Леметра, першої людини, котра зібрала воєдино фізику Всесвіту, що розширюється, це був «день без вчорашнього дня».

Візуальна історія Всесвіту, що розширюється, включає гарячий, щільний стан, відомий як теорія Великого вибуху, а також подальше зростання і формування структури. Повний набір даних, включаючи спостереження за легкими елементами та космічним мікрохвильовим фоном, залишає лише Великий вибух як достовірне пояснення всього, що ми бачимо. Коли Всесвіт розширюється, він також охолоджується, дозволяючи іонам, нейтральним атомам і, зрештою, молекулам, газовим хмарам, зіркам і, нарешті, галактикам сформуватися.

Ось тільки залишилася низка нерозв’язаних загадок, які теорія Великого вибуху поставила, але не дала на них відповідей.

Чому області, які були роз’єднані, тобто не встигали обмінюватися інформацією навіть зі швидкістю світла, мали однакову температуру одна з одною?

Чому початкова швидкість розширення Всесвіту (яка працює на розширення речей) і загальна кількість енергії у Всесвіті (яка тяжіє і бореться з розширенням) були ідеально збалансовані на початку – з точністю до більш ніж 50 знаків після коми?

І чому, якщо ми досягли цих надвисоких температур і густин на ранньому етапі, сьогодні у Всесвіті не залишилося жодних реліктових залишків з тих часів?

Протягом 1970-х років провідні фізики й астрофізики світу переймалися цими проблемами, теоретично розмірковуючи над можливими відповідями на ці загадки. Потім, наприкінці 1979 року, молодий теоретик на ім’я Алан Гут зробив вражаюче відкриття, яке змінило історію.

На верхній панелі наш сучасний Всесвіт має однакові властивості (включаючи температуру) скрізь, тому що вони виникли з регіону, що володіє такими ж властивостями. На середній панелі простір, який міг мати будь-яку довільну кривизну, роздутий до такої міри, що ми не можемо спостерігати ніякої кривизни сьогодні, вирішивши проблему пласкості. А в нижній панелі роздуваються вже існуючі високоенергетичні релікти, забезпечуючи вирішення проблеми високоенергетичних реліктів. Ось так інфляція вирішує три великі загадки, які теорія Великого вибуху не може пояснити самостійно.

Нова теорія була відома як космічна інфляція і постулювала, що, можливо, ідея теорії Великого вибуху була лише гарною екстраполяцією в минулому до певного моменту часу, де йому передував (і був створений) цей інфляційний стан. Замість того, щоб досягти довільних високих температур, густини та енергій, інфляція стверджує, що

• Всесвіт більше не був заповнений матерією та випромінюванням,
• а натомість володів великою кількістю енергії, притаманної самій тканині простору,
• що змусило всесвіт розширюватися експоненціально (де швидкість розширення не змінюється з часом),
• що приводить Всесвіт до плаского, порожнього, однорідного стану,

поки не закінчиться інфляція. Коли вона закінчується, енергія, яка була притаманна самому простору, енергія, яка скрізь однакова, за винятком квантових флуктуацій, закарбованих на ній, перетворюється на матерію та енергію, що призводить до гарячого Великого вибуху.

Квантові флуктуації, що виникають під час інфляції, розтягуються по всьому Всесвіту, і коли інфляція закінчується, вони стають флуктуаціями густини. Це призводить з часом до великомасштабної структури у Всесвіті сьогодні, а також до коливань температури, які спостерігаються в CMB. Нові передбачення, подібні до цих, мають важливе значення для демонстрації достовірності запропонованого механізму тонкого налаштування.

Теоретично це був блискучий стрибок, оскільки він запропонував правдоподібне фізичне пояснення спостережуваних властивостей, які не міг пояснити лише Великий вибух. Причинно роз’єднані регіони мають однакову температуру, тому що всі вони виникли з однієї і тієї ж інфляційної «латки» простору. Швидкість розширення і густина енергії були ідеально збалансовані, тому що інфляція надала таку ж швидкість розширення і густину енергії Всесвіту до Великого вибуху. І не залишилося ніяких високоенергетичних залишків, тому що Всесвіт досяг кінцевої температури тільки після того, як інфляція закінчилася.

Насправді інфляція також зробила ряд нових прогнозів, які відрізнялися від прогнозів неінфляційного Великого вибуху, що означає, що ми можемо вийти і перевірити цю ідею. Станом на сьогодні, у 2020 році, ми зібрали дані, які перевіряють чотири з цих прогнозів:

1. Всесвіт повинен мати максимальну, нескінченну верхню межу температур, досягнутих під час гарячого Великого вибуху.
2. Інфляція повинна мати квантові флуктуації, які стають недосконалостями густини у Всесвіті, які є 100% адіабатичними (з постійною ентропією).
3. Деякі флуктуації повинні бути на надгоризонтних масштабах: флуктуації на масштабах більших, ніж світло могло подорожувати з моменту гарячого Великого вибуху.
4. Ці флуктуації повинні бути майже, але не ідеально, масштабно-інваріантними, з трохи більшими величинами на великих масштабах, ніж на малих.

Флуктуації в CMB базуються на первинних флуктуаціях, спричинених інфляцією. Зокрема, «пласка частина» на великих масштабах (ліворуч) не має пояснення без інфляції. Ця плоска лінія являє собою насіння, з якого протягом перших 380 000 років існування Всесвіту з’являться піки і долини, і є лише на кілька відсотків нижчою з правого (дрібномасштабного) боку, ніж з лівого (крупномасштабного) боку.

За допомогою даних із супутників, таких як COBE, WMAP і Planck, ми перевірили всі чотири теорії, і тільки інфляція (а не неінфляційний гарячий Великий вибух) дає прогнози, які відповідають тому, що ми спостерігали. Але це означає, що Великий вибух не був початком усього, а лише початком Всесвіту, яким ми його знаємо. До гарячого Великого вибуху існував стан, відомий як космічна інфляція, який врешті-решт закінчився і призвів до гарячого Великого вибуху, і ми можемо спостерігати відбитки космічної інфляції у Всесвіті сьогодні.

Але тільки на останню крихітну, мізерну частку секунди інфляції. Лише, можливо, протягом останніх ~10^-32 її секунд (або близько того) ми можемо спостерігати відбитки, які інфляція залишила на нашому Всесвіті. Можливо, що інфляція тривала тільки цей час, або набагато довше. Можливо, що інфляційний стан був вічним, а можливо, що він був тимчасовим, таким, що виник внаслідок чогось іншого. Можливо, що Всесвіт дійсно почався з сингулярності або виник як частина циклу, або існував завжди. Але цієї інформації в нашому Всесвіті немає. Інфляція – за своєю природою – стирає все, що існувало в доінфляційному Всесвіті.

Квантові флуктуації, які відбуваються під час інфляції, дійсно розтягуються по всьому Всесвіту, але вони також викликають флуктуації загальної щільності енергії. Ці флуктуації поля викликають недосконалості густини в ранньому Всесвіті, які потім призводять до температурних флуктуацій, які ми спостерігаємо в космічному мікрохвильовому фоні. Ці коливання, згідно з інфляцією, повинні мати адіабатичний характер.

Квантові флуктуації, які відбуваються під час інфляції, дійсно розтягуються по всьому Всесвіту, але вони також викликають флуктуації загальної густини енергії. Ці флуктуації поля викликають недосконалості щільності в ранньому Всесвіті, які потім призводять до температурних флуктуацій, які ми спостерігаємо в космічному мікрохвильовому фоні. Ці коливання, згідно з інфляцією, повинні мати адіабатичний характер.

Багато в чому інфляція схожа на натискання космічної кнопки «перезавантаження». Все, що існувало до інфляційного стану, якщо воно взагалі існувало, стирається настільки швидко і ґрунтовно, що залишається лише порожній, однорідний простір, на який накладаються квантові флуктуації, що створюються інфляцією. Коли інфляція закінчиться, лише крихітний об’єм цього простору – десь між розміром людини і міським кварталом – стане нашим спостережуваним Всесвітом. Все інше, включаючи будь-яку інформацію, яка дозволила б нам реконструювати те, що відбувалося раніше в минулому нашого Всесвіту, тепер лежить назавжди поза межами нашої досяжності.

Це одне з найвидатніших досягнень науки: те, що ми можемо повернутися на мільярди років назад у часі і зрозуміти, коли і як наш Всесвіт, яким ми його знаємо, став таким, яким ми його знаємо. Але, як і в багатьох пригодах, відкриття цих відповідей викликало лише більше запитань. Головоломки, які виникли цього разу, однак, можуть дійсно ніколи не бути вирішеними. Якщо ця інформація більше не буде присутня в нашому Всесвіті, знадобиться революція, щоб вирішити найбільшу загадку з усіх – звідки все це спочатку взялося?

Стаття раніше була опублікована англійською мовою під назвою «Why we’ll never see back to the beginning of the Universe» в журналі Bigthink 7 грудня 2022 року.

Переклала Кузьменко Аліна