Насколько велика вселенная? можно ли вообще ответить на этот вопрос?

Различные теории возникновения Вселенной

Все модели, объясняющие образование Вселенной, условно делятся на религиозные (подразумевающие участие Божества в этом процессе) и теории без участия этого фактора. Согласно общепринятым научным представлениям старт Мирозданию дал Большой взрыв, от которого нас отделяет 13,7 млрд. лет. Благодаря этому потрясению из состояния космологической сингулярности и возникла Вселенная. С того ничтожного мига она не прекращает расти в пространстве и становится все холоднее.

По другой, альтернативной версии мироздание – это некая константа. Оно никогда не появлялось, поэтому не может и пропасть. Вселенная рождается и угасает бесчисленное количество раз (пульсирует). По ненаучным концепциям появления всего существующего мира предполагается присутствие Творца, руководящего этим процессом и ставшего его причиной. В 1990-х гг. возникли теории, описывающие Разумный замысел. Они подвели научное обоснование под религиозное учение о сотворении мира. Правда, современная наука их отвергают, так как они противоречат принципам объективности, фальсифицируемости.

Граница безграничного

Первый вопрос, который приходит в голову обычному человеку – как Вселенная вообще не может быть бесконечной? Казалось бы, бесспорным является то, что вместилище всего сущего вокруг нас не должно иметь границ. Если эти границы и существуют, то что они вообще собой представляют?

Допустим, какой-нибудь астронавт долетел до границ Вселенной. Что он увидит перед собой? Твёрдую стену? Огненный барьер? А что за ней – пустота? Другая Вселенная? Но разве пустота или другая Вселенная могут означать, что мы на границе мироздания? Ведь это не означает, что там находится «ничего». Пустота и другая Вселенная – это тоже «что-то». А ведь Вселенная – это то, что содержит абсолютно всё «что-то».

Мы приходим к абсолютному противоречию. Получается, граница Вселенной должна скрывать от нас что-то, чего не должно быть. Или граница Вселенной должна отгораживать «всё» от «чего-то», но ведь это «что-то» должно быть также частью «всего». В общем, полный абсурд. Тогда как учёные могут заявлять о граничном размере, массе и даже возрасте нашей Вселенной? Эти значения хоть и невообразимо велики, но всё же конечны. Наука спорит с очевидным? Чтобы разобраться с этим, давайте для начала проследим, как люди пришли к современному понимаю Вселенной.

Возраст Вселенной

Попробуем немного подробнее, с использованием определенных упрощений, разобрать эту проблему.

Итак, возраст нашей Вселенной оценивается, с учетом погрешностей, в 13,7 миллиарда лет. Самый дальний объект, который разглядели астрономы, находится на расстоянии 13,1 миллиарда световых лет от нас. Это означает, что этот объект излучал свет 13,1 миллиарда лет назад.

Однако поскольку Вселенная все время расширяется, этот источник света находится теперь намного дальше от нас. И на данный момент расстояние до него составляет гораздо больше 13,1 миллиарда световых лет.

Давайте рассмотрим этот процесс на доступном примере.

Представьте себе сырую булочку с изюминками, которые находятся внутри теста на каких-то определенных расстояниях друг от друга. Большую такую булочку. И у одной изюминки (назовем ее изюм №1) есть специальный фонарик. Который способен светить сквозь тесто. Изюм №1 проинструктирован следующим образом – по определенной команде он должен включить фонарик. И светить им в направлении другой изюминки (изюм №2). Теперь предположим, что свет внутри булочки по каким-то необъяснимым причинам может двигаться лишь со скоростью 1 см в секунду.

Итак, приступим к эксперименту. В момент времени T0 изюм №1, находящийся на расстоянии 10 см от изюма №2 включает фонарик. В этот же самый момент мы включаем духовку. И, о чудо, тесто вдруг начинает расширяться. И, таким образом, изюминки начинают отдаляться друг от друга.

Свет, который испустил фонарик изюма №1 в момент времени T0, будет продолжать двигаться в направлении изюма №2. Однако тесто, повторимся, начало расширяться. И фотонам, чтобы добраться до изюма №2, нужно преодолеть расстояние уже не 10 сантиметров. А плюс еще то, что добавило расширение. И поэтому, несмотря на то, что первоначально на все путешествие потребовалось бы 10 секунд, в итоге оно продлиться дольше. Насколько дольше, зависит от скорости расширения теста.

Точно так же, по мере расширения Вселенной, источник света, удаленный от нас на 13,1 миллиарда световых лет, за то время, которое свет преодолевал расстояние до нас, мог улететь от нас очень и очень далеко. Однако из-за ограничений, накладываемых скоростью света, мы не можем видеть текущую ситуацию напрямую.

Ученые, используя разнообразные по-настоящему крутые методики, вычислили, что радиус наблюдаемой Вселенной составляет около 46,6 миллиарда световых лет.

Рассказать всей Вселенной!

• 4
  Поделились

Причины возникновения крупномасштабной структуры Вселенной

Несмотря на наличие таких масштабных конструкций, как галактические стены и нити, самыми крупными устойчивыми структурами все же считаются скопления галактик. Дело в том, что известное расширение Вселенной постепенно растягивает структуру любых объектов, и бороться с этой силой может лишь гравитация. В результате наблюдений за скоплениями и сверхскоплениями был обнаружен такой потрясающий эффект как «гравитационное линзирование». То есть лучи, проходящие через межзвездное пространство, искривляются, что указывает на наличие в нем огромной невидимой, скрытой массы. Она может принадлежать различным ненаблюдаемым космическим телам, однако в таких масштабах вероятнее всего принадлежит темной материи

Крест Эйнштейна — гравитационно-линзированный квазар

Опираясь на почти однородное реликтовое излучение, ученые убеждены в том, что и вещество во Вселенной должно распределяться равномерно. Но особенность гравитации в том, что она склонна стягивать любые физические частицы в плотные структуры, тем самым нарушая однородность. Таким образом, спустя какое-то время после Большого Взрыва незначительные неоднородности в распределении вещества в пространстве стали все более стягиваться в некоторые структуры. Их возрастающая гравитация (в силу возрастания массы на объем) постепенно замедляла расширение, пока не остановила его вовсе. Мало того, в некоторых частях расширение обернулось в сжатие, что и стало причиной образования галактик и галактических скоплений.

Подобная модель проверялась при помощи компьютерных расчетов. Учитывая совсем незначительные флуктуации (колебания, отклонения) в однородности реликтового излучения, компьютер просчитал, что такие же мелкие флуктуации в распределении вещества после Большого Взрыва при помощи гравитации вполне могли породить скопления галактик и ячеистую крупномасштабную структуру Вселенной.

Внутри вселенского пузыря

Однако нам мало понять сам масштаб

Важно осознать Вселенную в динамике. Представим себя гигантами, для которых Млечный Путь имеет сантиметровый диаметр

Как отмечалось только что, мы окажемся внутри шара радиусом 4,57 и диаметром 9,24 километров. Представим, что мы способны парить внутри этого шара, путешествовать, преодолевая за секунду целые мегапарсеки. Что мы увидим в том случае, если наша Вселенная будет бесконечна?

Разумеется, пред нами предстанет бесчисленное множество всевозможных галактик. Эллиптические, спиральные, иррегулярные. Некоторые области будут кишить ими, другие – пустовать. Главная особенность будет в том, что визуально все они будут неподвижны, пока неподвижными будем мы. Но стоит нам сделать шаг, как и сами галактики придут в движение. К примеру, если мы будем способны разглядеть в сантиметровом Млечном Пути микроскопическую Солнечную Систему, то сможем пронаблюдать её развитие. Отдалившись от нашей галактики на 600 метров, мы увидим протозвезду Солнце и протопланетный диск в момент формирования. Приближаясь к ней, мы увидим, как появляется Земля, зарождается жизнь и появляется человек. Точно также мы будем видеть, как видоизменяются и перемещаются галактики по мере того, как мы будем удаляться или приближаться к ним.

Следовательно, чем в более далёкие галактики мы будем вглядываться, тем более древними они будут для нас. Так самые далёкие галактики будут расположены от нас дальше 1300 метров, а на рубеже 1380 метров мы будем видеть уже реликтовое излучение. Правда, это расстояние для нас будет мнимым. Однако, по мере того, как будем приближаться к реликтовому излучению, мы будем видеть интересную картину. Естественно, мы будем наблюдать то, как из первоначального облака водорода будут образовываться и развиваться галактики. Когда же мы достигнем одну из этих образовавшихся галактик, то поймем, что преодолели вовсе не 1,375 километров, а все 4,57.

Уменьшая масштабы

В качестве итога мы ещё больше увеличимся в размерах. Теперь мы можем разместить в кулаке целые войды и стены. Так мы окажемся в довольно небольшом пузыре, из которого невозможно выбраться. Мало того, что расстояние до объектов на краю пузыря будет увеличиваться по мере их приближения, так ещё и сам край будет бесконечно смещаться. В этом и заключается вся суть размера наблюдаемой Вселенной.

Какой бы Вселенная не была большой, для наблюдателя она всегда останется ограниченным пузырём. Наблюдатель всегда будет в центре этого пузыря, фактически он и есть его центр. Пытаясь добраться до какого-либо объекта на краю пузыря, наблюдатель будет смещать его центр. По мере приближения к объекту, этот объект всё дальше будет отходить от края пузыря и в тоже время видоизменяться. К примеру – от бесформенного водородного облачка он превратится в полноценную галактику или дальше галактическое скопление. Ко всему прочему, путь до этого объекта будет увеличиваться по мере приближения к нему, так как будет меняться само окружающее пространство. Добравшись до этого объекта, мы лишь сместим его с края пузыря в центр. На краю Вселенной всё также будет мерцать реликтовое излучение.

Если предположить, что Вселенная и дальше будет расширяться ускоренно, то находясь в центре пузыря и мотая время на миллиарды, триллионы и даже более высокие порядки лет вперёд, мы заметим ещё более интересную картину. Хотя наш пузырь будет также увеличиваться в размерах, его видоизменяющиеся составляющие будут отдаляться от нас ещё быстрее, покидая край этого пузыря, пока каждая частица Вселенной не будет разрозненно блуждать в своём одиноком пузыре без возможности взаимодействовать с другими частицами.

Итак, современная наука не располагает сведениями о том, каковы реальные размеры Вселенной и имеет ли она границы. Но мы точно знаем о том, что наблюдаемая Вселенная имеет видимую и истинную границу, называемую соответственно радиусом Хаббла (13,75 млрд св. лет) и радиусом частиц (45,7 млрд. световых лет). Эти границы полностью зависят от положения наблюдателя в пространстве и расширяются со временем. Если радиус Хаббла расширяется строго со скоростью света, то расширение горизонта частиц носит ускоренный характер. Вопрос о том, будет ли его ускорение горизонта частиц продолжаться дальше и не сменится ли на сжатие, остаётся открытым.

Эта таинственная, необъятная Вселенная

Думаю, все понимают, что на многие фундаментальные вопросы человечество не знает ответов. И это нормально. Как минимум, неизвестность, которую у нас есть возможность познать, разжигает в каждом человеке искреннее любопытство и желание хотя бы одним глазком посмотреть, что же находится там — за пределами нашей планеты. Технологический и научный прогресс позволил нам запустить в космос телескопы, космические аппараты и возвести Международную космическую станцию. Так, постепенно, с течением времени человечество познакомилось не только с обитателями Солнечной системы, но и с теми объектами, что находятся за ее пределами. Особенно выдающимся в этом свете выглядит Нобелевская премия по физике, которую в этом году вручили за открытие экзопланет — небесных тел, которые вращаются вокруг других звезд и на поверхности которых, возможно, есть жизнь. Миллиарды звезд и триллионы галактик — разве может человеческий разум так легко представить себе эти масштабы? Исследователи сомневаются в этом. Но попытаться посмотреть на Вселенную и понять реальные размеры небесных объектов определенно стоит. Так что почему бы не сделать это прямо сейчас?

Кадр сайта The Size of Space, который показывает насколько большие все объекты во Вселенной

Спектральная зависимость

Как уже говорилось ранее, звездная величина может быть измерена для различных видов электромагнитного излучения, а потому имеет разные значения для каждого диапазона спектра. Для получения картинки какого-либо космического объекта астрономы могут использовать фотопластинки, которые более чувствительны к высокочастотной части видимого света, и на изображении звезды получаются голубыми. Такая звездная величина называется «фотографической», m_Pv. Чтобы получилось значение близкое к визуальному («фотовизуальное», m_P), фотопластинку покрывают специальной ортохроматической эмульсией и используют желтый светофильтр.

Снимок Солнца через темный светофильтр

Учеными была составлена так называемая фотометрическая система диапазонов, благодаря которой можно определять основные характеристики космических тел, такие как: температура поверхности, степень отражения света (альбедо, не для звезд), степень межзвездного поглощения света и прочие. Для этого производится фотографирование светила в разных спектрах электромагнитного излучения и последующие сравнение результатов. Для фотографии наиболее популярны следующие фильтры: ультрафиолетовый, синий (фотографическая звездная величина) и желтый (близкий к фотовизуальному диапазону).

Фотография с запечатленными энергиями всех диапазонов электромагнитных волн определяет так называемую болометрическую звездную величину (m_b). С ее помощью, зная расстояние и степень межзвездного поглощения, астрономы вычисляют светимость космического тела.

Масштабы Вселенной

Чтобы хотя бы немного приблизиться к ответу на вопрос, каковы размеры Вселенной, необходимо оценить масштабы отдельных ее частей. Для человека обогнуть земной шар задача сложная, но вполне выполнимая. А теперь представьте, что наша планета по сравнению с Сатурном, как монетка в сравнении с баскетбольным мячом. А по отношению к Солнцу Земля вообще выглядит как маленькое зернышко.

Вся Солнечная система также не обладает значительной протяженностью в масштабе Вселенной. Если рассматривать пределом системы границу гелиосферы, ее протяженность составляет около 120 астрономических единиц. При этом за одну а.е. принимают расстояние, равное ~ 150 млрд. км. А теперь представьте, что диаметр всей галактики Млечный путь, частью которой является Солнце с окружающими его планетами, равен 1 квинтиллиону километров. Это число в 18 нулями.  А само скопление разных небесных тел содержит, по разным подсчетам, от 2*1011 до 4*1011 звезд, большинство из которых превосходят по размерам наше небесное светило.

И ведь Млечный путь – не единственная галактика во всем космическом пространстве. На звездном небе Земли невооруженным глазом можно рассмотреть соседние звездные скопления: Андромеду, Большое и Малое Магеллановы облака. Расстояния до них измеряется в мегапарсеках — в миллионах световых лет. И каждая из них также простирается на немыслимые для человеческого разума расстояния.

Все скопления звезд группируются в крупномасштабные объединения – группы галактик. К примеру, Млечный путь и соседние формирования входят в Местную группу диаметром около 1 мегапарсека. Представьте, для того, чтобы лучу света пройти ее из одного конца в другой, понадобится 3,2 млн. лет.

Но и эта величина не является самой большой. Группы галактик, в свою очередь, объединены в сверхскопления или суперкластер. Эти крупномасштабные вселенские  структуры содержат сотни и тысячи галактических групп и миллионы звездных формирований. Так, в Суперкластере Девы, куда входит Млечный путь, расположено более 100 групп галактик. Протяженность этой структуры составляет более 200 млн. световых лет и эта лишь часть гигантского формирования Ланиакея.

Центр тяжести Ланиакеи – сверхскопление Великий аттрактор, притягивает к себе все остальные структуры этой части космического пространства. Его можно смело назвать центром Вселенной, с оговоркой, что это лишь сердцевина познанного нами космоса. Вся же Ланиакея имеет диаметр более 500 млн. световых лет. И, чтобы в окончательно осознали масштабы Вселенной, представьте, что это гигантское образование – всего лишь  та малая часть космоса, которую смог обозреть и представить человек.