Дата публікацыі: 11.06.23 18:09; Катэгорыя: ; Тэгі: , , ;

Як выглядае край Сусвету?

Нягледзячы на ўсё, што мы даведаліся пра наш Сусвет, многія экзістэнцыйныя пытанні да гэтага часу застаюцца без адказу. Мы не ведаем, канечны ці бясконцы наш Сусвет. Мы ведаем толькі, што яе фізічны памер павінен быць большы за тую частку, якую мы можам назіраць. Мы не ведаем, ці ахоплівае наш Сусвет усё існуючае, ці гэта толькі адна з многіх Сусветаў, якія складаюць мультысусвет. І мы застаемся ў няведанні адносна таго, што адбылося на самых ранніх стадыях усяго: у першую малюсенькую долю секунды гарачага Вялікага выбуху, паколькі ў нас няма доказаў, неабходных для надзейных і пацверджаных высноў.

Як выглядае край Сусвету?

Але ў адным мы ўпэўненыя сапраўды: у Сусвеце ёсць край. Толькі не ў прасторы, а ў часе. Паколькі гарачы Вялікі выбух адбыўся ў вядомы, канчатковы час у мінулым — 13,8 мільярда гадоў таму, з нявызначанасцю менш за 1% — існуе "край" таго, як далёка мы можам бачыць. Нават пры хуткасці святла, лімітавай касмічнай хуткасці, існуе фундаментальная мяжа таго, як далёка назад мы можам зазірнуць. Чым далей мы глядзім, тым далей ў часе мы зазіраем. І вось што мы бачым, набліжаючыся да краю Сусвету.

Сёння мы бачым Сусвет у тым выглядзе, у якім ён існуе праз 13,8 мільярда гадоў пасля гарачага Вялікага выбуху. Большасць галактык, якія мы бачым, згрупаваны ў галактычныя групы (напрыклад, Мясцовая група) і шчыльныя навалы (напрыклад, навала Панны), падзеленыя велізарнымі абласцямі пераважна пустой прасторы, вядомымі як войды. Галактыкі ўнутры гэтых груп бываюць як спіральнымі, так і эліптычнымі; тыповая галактыка, падобная Млечнаму Шляху, утворыць у сярэднім каля 1 новай зоркі, падобнай Сонцу, у год.

Акрамя таго, звычайная матэрыя ў Сусвеце складаецца ў асноўным з вадароду і гелія, але каля 1-2% гэтай матэрыі складаюцца з цяжэйшых элементаў табліцы Мендзялеева, што дазваляе Сусвету фармаваць камяністыя планеты, такія як Зямля, і складаную, нават арганічную, хімію. Хоць у галактыках існуе вялікая разнастайнасць — некаторыя з іх актыўна фармуюць зоркі, у некаторых ёсць актыўныя чорныя дзіры, некаторыя не ўтваралі новых зорак на працягу мільярдаў гадоў і г.д. — галактыкі, якія мы бачым, у сярэднім вялікія, якія эвалюцыянавалі і згрупаваліся разам.

Але па меры таго, як мы зазіраем усё далей і далей, мы пачынаем бачыць, як Сусвет развіваўся, каб стаць такім. Па меры выдалення ад нас мы выяўляем, што Сусвет крыху менш камякаваты і крыху больш аднастайная, асабліва на вялікіх маштабах. Мы бачым, што ў галактык менш маса і ступень развіцця; сярод іх больш спіральных і менш эліптычных. У сярэднім у іх больш блакітных зорак, а хуткасць зоркаўтварэння ў мінулым была вышэй. Паміж галактыкамі ў сярэднім менш прасторы, але агульная маса груп і навал у больш раннія часы была менш.

Лагарыфмічная карта Сусвету

Гэтая вертыкальна арыентаваная лагарыфмічная карта Сусвету (адкрыць у новай укладцы) ахоплівае амаль 20 парадкаў велічыні, пераносячы нас з планеты Зямля на край бачнага Сусвету. Кожная вялікая адзнака на маштабнай лінейцы справа адпавядае павелічэнню маштабу адлегласці ў 10 разоў.

Гэта малюе карціну Сусвету, у якой сучасныя галактыкі з'явіліся з драбнейшых галактык з меншай масай, якія нетаропка зліваюцца разам і ператвараюцца ў сучасныя гіганты, якія мы бачым вакол сябе. У больш раннія часы Сусвет складаўся з галактык, якія былі:

  • фізічна менш,
  • меншай масы,
  • бліжэй адна да адной,
  • больш па колькасці,
  • больш блакітныя па колеры,
  • багацей газам,
  • з больш высокімі тэмпамі зоркаўтварэння,
  • і з меншым зместам больш цяжкіх элементаў...

… у параўнанні з сучаснымі галактыкамі.

Але па меры таго, як мы выдаляемся ўсё далей і далей — ва ўсё больш раннія часы — гэтая паступова зменлівая карціна пачынае рэзка трансфармавацца. Калі мы азіраемся назад на адлегласць, якая ў цяперашні час складае 19 мільярдаў светлавых гадоў, што адпавядае часу, калі пасля гарачага Вялікага выбуху прайшло ўсяго ~3 мільярды гадоў, мы бачым, што зоркаўтварэнне ў Сусвеце дасягае свайго максімуму: гэта прыкладна ў 20-30. разоў больш, чым хуткасць стварэння новых зорак сёння. Тым часам актыўная велізарная дзель звышмасіўных чорных дзірак, якія выпускаюць велізарную колькасць часціц і выпраменьванні з-за паглынанні навакольнай матэрыі.

На працягу апошніх ~11 мільярдаў гадоў ці каля таго эвалюцыя Сусвету запавольваецца. Вядома, гравітацыя працягвае перарабляць структуры, але цёмная энергія пачынае працаваць супраць яе, стаўшы дамінуючай у пашырэнні Сусвету больш за 6 мільярдаў гадоў таму. Новыя зоркі працягваюць фармавацца, але пік зоркаўтварэння застаўся ў далёкім мінулым. Звышмасіўныя чорныя дзіркі працягваюць расці, але ярчэй за ўсё яны свяцілі раней (за кошт разгону акрэцыйнай матэрыі), і сёння большая іх частка больш цьмяная і менш актыўная, чым на ранніх стадыях.

Па меры выдалення на ўсе вялікія адлегласці, бліжэй да «краю», вызначаным пачаткам гарачага Вялікага выбуху, мы пачынаем бачыць яшчэ значнейшыя змены. Калі мы азіраемся назад на адлегласць 19 мільярдаў светлавых гадоў, гэта адпавядае часу, калі ўзрост Сусвету складаў усяго 3 мільярды гадоў, зоркаўтварэнне было на піку, і Сусвет, магчыма, утрымоўваў 0,3-0,5% цяжкіх элементаў.

Эвалюцыя буйнамаштабнай структуры ў Сусвеце, ад ранняга аднастайнага стану да кластарнага Сусвету, якую мы ведаем сёння. Звярніце ўвагу, што ва ўсіх выпадках дробнамаштабная структура ўзнікае раней, чым структура на буйнейшых маштабах, і што нават вобласці самай нізкай шчыльнасці ўсё яшчэ ўтрымоўваюць ненулявое колькасць матэрыі.

Але калі мы набліжаемся да 27 мільярдаў светлавых гадоў па адлегласці, узрост Сусвету складае ўсяго 1 мільярд гадоў. Зоркаўтварэнне ішло значна павольней, новыя зоркі фармаваліся разы ў чатыры павольней, чым на піку развіцця Сусвету. Доля звычайнай матэрыі, якая складаецца з цяжкіх элементаў, імкліва падае: да 0, 1% ва ўзросце 1 мільярда гадоў і ўсяго да 0, 01% ва ўзросце каля 500 мільёнаў гадоў. Скалістыя планеты ў гэтых ранніх умовах, хутчэй за ўсё, не маглі з'явіцца.

Не толькі рэліктавае выпраменьванне было значна гарачэй — у інфрачырвоным, а не мікрахвалевым дыяпазоне хваль — але і кожная галактыка ў Сусвеце павінна была быць маладой і поўнай маладых зорак; эліптычных галактык на такім раннім этапе, хутчэй за ўсё, не існавала.

Такія далёкія адлегласці ўжо знаходзяцца на мяжы магчымасцей нашых сучасных прыбораў, але тэлескопы, такія як Кек, Спітцэр і Хабл, пачалі дастаўляць нас туды, пачынаючы з 1990-х гадоў. Як толькі мы вяртаемся ў мінулае на адлегласць прыкладна 29 мільярдаў светлавых гадоў ці далей — што адпавядае часам, калі ўзрост Сусвету складаў 700-800 мільёнаў гадоў — мы пачынаем сутыкацца з першым "краем" Сусвету: краем празрыстасці.

Сёння мы лічым само сабой якія разумеюцца, што касмічная прастора празрыста для бачнага святла, але гэта дакладна толькі таму, што яно не запоўненае блакавальным святло матэрыялам, такім як пыл ці нейтральны газ. Але ў раннія часы, да ўтварэння дастатковай колькасці зорак, Сусвет быў поўны нейтральнага газу, які не быў цалкам іянізаваны ультрафіялетавым выпраменьваннем зорак. У выніку большая частка святла, які мы бачым, засланяецца гэтымі нейтральнымі атамамі, і толькі пасля ўтварэння дастатковай колькасці зорак Сусвет становіцца цалкам рэіянізаваным.

Збольшага менавіта таму інфрачырвоныя тэлескопы, такія як найноўшы флагман НАСА JWST, так важныя для вывучэння ранняга Сусвету: існуе "мяжа", за якой мы не можам бачыць на звыклых нам даўжынях хваль.

На адлегласці 31 мільярда светлавых гадоў, што адпавядае часу ўсяго 550 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху, мы дасягаем боку таго, што мы завем рэіянізацыяй: калі вялікая частка Сусвету становіцца ў асноўным празрыстай для аптычнага святла. Рэіянізацыя - працэс паступовы і адбываўся нераўнамерна; шмат у чым яна падобная на няроўную, порыстую сцяну. У некаторых месцах рэіянізацыя адбывалася раней, менавіта так Хабл выявіў самую аддаленую галактыку (на адлегласці 32 мільярды светлавых гадоў, усяго праз 407 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху), але іншыя рэгіёны застануцца запоўненымі часткова нейтральным газам, пакуль не пройдзе амаль мільярд гадоў.

Цяпер JWST пайшоў яшчэ далей, паказаўшы нам галактыкі ўжо праз 330 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху, дзе яны ўсё яшчэ выглядаюць вялікімі, развітымі і не зусім "цнатлівымі" з пункту гледжання элементаў, якія ў іх прысутнічаюць. Напэўна, зоркі і галактыкі ўсё яшчэ існуюць за межамі нават таго, што JWST паказаў нам да гэтага часу.

Галактыкі, параўнальныя з сучасным Млечным Шляхам, часта сустракаюцца на працягу ўсёй гісторыі космасу. Маладзейшыя галактыкі ў масе сваёй менш, блакітней, хаатычны, багацей газам і маюць ніжэйшую шчыльнасць цяжкіх элементаў, чым іх сучасныя аналогі, а тэмпы зоркаўтварэння змяняюцца з цягам часу.

Аднак за межамі магчымасцяў нашых сучасных тэлескопаў мы ўсё яшчэ можам засекчы ўскосныя прыкметы фармавання зорак: праз выпраменьванне святла самімі атамамі вадароду, якое здараецца толькі пры фармаванні зорак — калі адбываецца іянізацыя, а затым вольныя электроны рэкамбінуюцца з іянізаванымі ядрамі, выпраменьваючы ў выніку святло.

Вяртаючыся яшчэ далей назад, мы цалкам чакаем знайсці там дадатковыя "краю" Сусвету, якія ўяўляюць цікавасць. На адлегласці 44 мільярдаў светлавых гадоў выпраменьванне ад Вялікага выбуху было настолькі гарачым, што стала бачным: калі б тады існавала чалавечае вока, ён змог бы ўбачыць, як гэтае выпраменьванне пачынае свяціцца чырвоным колерам, падобна распаленай паверхні. Гэта адпавядае часу ўсяго толькі 3 мільёны гадоў пасля Вялікага выбуху.

Калі мы вернемся на адлегласць 45400000000 светлавых гадоў, то апынемся ў часе, калі пасля Вялікага выбуху прайшло ўсяго 380 000 гадоў. У гэты момант становіцца занадта горача для стабільнага існавання нават нейтральных атамаў. Менавіта адсюль бярэ пачатак пакінутае пасля Вялікага выбуху свячэнне - рэліктавае выпраменьванне. Калі вы калі-небудзь бачылі знакамітую фатаграфію гарачых (чырвоных) і халодных (сініх) плям са спадарожніка «Планк» (гл. ніжэй), тое гэта менавіта тое месца, адкуль бярэ свой пачатак гэтае выпраменьванне.

А да гэтага, на адлегласці 46 мільярдаў светлавых гадоў, мы падыходзім да самых ранніх стадый: ультраэнергетычнага стану гарачага Вялікага выбуху, дзе былі створаны першыя атамныя ядры, пратоны і нейтроны, і нават першыя стабільныя формы матэрыі. На гэтых стадыях усё ўяўляе сабой "першабытны касмічны суп", дзе кожная існуючая часціца і антычасцінка маглі быць створаны толькі з чыстай энергіі.

Аднак тое, што знаходзіцца за мяжой гэтага высокаэнергетычнага "супу", застаецца загадкай. У нас няма прамых сведчанняў таго, што адбывалася на гэтых ранніх стадыях, хаця многія прадказанні тэорыі касмічнай інфляцыі атрымалі ўскоснае пацверджанне. Край Сусвету, якім ён уяўляецца нам, унікальны для нашай перспектывы; мы можам бачыць на 13,8 мільярда гадоў таму ва ўсіх кірунках, і гэтая карцінка залежыць ад прасторава-часавага становішча назіральніка, які глядзіць на яе.

У Сусвеце шмат краёў: край празрыстасці, край зорак і галактык, край нейтральных атамаў і край нашага касмічнага гарызонту ад самага Вялікага выбуху. Мы можам зазірнуць так далёка, як толькі дазваляюць нашы тэлескопы, але заўсёды будзе існаваць фундаментальную мяжу. Нават калі сама прастора бясконца, колькасць часу, які прайшоў з моманту гарачага Вялікага выбуху, не бясконца. Колькі б мы ні стараліся, заўсёды будзе існаваць "край", за які мы ніколі не зможам зазірнуць.

Першапачаткова апублікавана habr.com.

Падзяліцеся публікацыяй у сацсетках?

Спадабаўся сайт? Падпішыся на нас у сацсетках!

Мы в Google NewsМы в TelegramМы в VkМы в FacebookМы в одноклассникахМы Всети

Объявление

Уважаемые посетители, сайту требуются авторы текстов. Возможно без опыта. Все подробности на этой странице.

Каментары да публікацыі...

load...
Слухайце аўдыё версію публікацыі!

X

Цитата | Ошибка