Темные века вселенной кратко

Обновлено: 05.07.2024

История и развитие Вселенной по общепринятым понятиям начинаются от Большого взрыва (хотя многие конечно могут не согласиться). Теория гласит, что невероятно плотная и горячая точка примерной 13,7 млрд лет назад расширилась из области в несколько миллиметров до того чем является сегодня.

И все этапы становления нашего мира можно условно разбить на 10 шагов.

Шаг 1. В начале было.

Большой взрыв не был взрывом по своей природе. Вместо этого было что-то типа расширения пространства повсюду во Вселенной. Согласно теории БВ , Вселенная родилась как очень горячая и очень плотная точка в пространстве.

Космологи не уверены, что происходило до этого момента, но с помощью сложных космических миссий, наземных телескопов и сложных вычислений ученые работают над тем, чтобы нарисовать более четкую картину ранней Вселенной и ее формирования.

Шаг 2. Первый всплеск роста

Когда Вселенная была очень молода, что-то вроде сотой миллиардной триллионной триллионной доли секунды , она испытала невероятный всплеск роста. Во время этого всплеска расширения, известного как инфляция, Вселенная росла в геометрической прогрессии и удваивалась по крайней мере 90 раз.

Вселенная расширялась, и по мере расширения она становилась более холодной и менее плотной. Начинала формироваться материя.

Шаг 3. Слишком жарко, чтобы сиять

Легкие химические элементы были созданы в течение первых трех минут образования Вселенной. По мере расширения Вселенной температура снижалась, а протоны и нейтроны сталкивались, образуя дейтерий, изотоп водорода. Большая часть этого дейтерия объединилась в гелий.

Однако в течение первых 380 000 лет после Большого взрыва сильное тепло от сотворения Вселенной делало ее слишком горячей для того, чтобы излучался свет. Атомы столкнулись друг с другом с достаточной силой, чтобы разбиться на плотную непрозрачную плазму протонов, нейтронов и электронов, которая рассеивала свет, как туман.

Шаг 4. Да будет свет

Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва материя достаточно остыла, чтобы электроны соединились с ядрами и образовали нейтральные атомы. Эта фаза известна как "рекомбинация" , таким образом поглощение свободных электронов сделало Вселенную прозрачной. Свет, высвобожденный в то время, можно обнаружить сегодня в виде излучения космического микроволнового фона.
Тем не менее, за эрой рекомбинации последовал период тьмы, прежде чем образовались звезды и другие яркие объекты.

Шаг 5. Конец темной эпохи

Примерно через 400 миллионов лет после Большого взрыва Вселенная начала выходить из своих темных веков. Этот период эволюции Вселенной называется эпохой реионизации .

Считалось, что эта динамическая фаза длилась более полумиллиарда лет, но, основываясь на новых наблюдениях, ученые считают, что реионизация могла происходить быстрее, чем считалось ранее.

За это время сгустков газа схлопнулось достаточно, чтобы образовались самые первые звезды и галактики. Испускаемый ультрафиолетовый свет этих энергетических событий очистил и уничтожил большую часть окружающего нейтрального газообразного водорода. Процесс повторной ионизации, а также очистка туманного газообразного водорода привели к тому, что Вселенная впервые стала прозрачной для ультрафиолетового света.

Шаг 6. Больше звезд и больше галактик

Изображение, полученное космическим телескопом НАСА "Хаббл", показывает скопление галактик, находящихся на расстоянии 10 миллиардов световых лет от нас.

Астрономы прочесывают Вселенную в поисках самых отдаленных и самых старых галактик, чтобы попытаться понять свойства ранней Вселенной. Все это помогает ученым разгадывать самые каверзные загадки и отвечать на самые спорные вопросы космологии.

Шаг 7. Рождение нашей Солнечной системы

По оценкам, наша Солнечная система родилась спустя 9 миллиардов лет после Большого взрыва, то есть ей около 4,6 миллиарда лет. Согласно текущим оценкам, Солнце является одной из более чем 100 миллиардов звезд только в нашей галактике Млечный Путь и вращается примерно в 25 000 световых лет от галактического ядра.

Инфракрасный снимок развивающейся звезды, сделанный космическим телескопом NASA Spitzer. Он иллюстрирует, как могла выглядеть наша Солнечная система миллиарды лет назад.

Шаг 8. То что нельзя увидеть

В 1960-х и 1970-х астрономы начали думать, что во Вселенной может быть больше массы, чем видно. Вера Рубин, астроном Института Карнеги в Вашингтоне, наблюдала за скоростью звезд в различных местах галактик.

Основы ньютоновской физики подразумевают, что звезды на окраинах галактики вращаются медленнее, чем звезды в центре, но Рубин не обнаружил разницы в скоростях звезд, расположенных дальше. На самом деле она обнаружила, что все звезды в галактике вращаются вокруг центра с более или менее одинаковой скоростью.

Эта загадочная и невидимая масса стала известна как темная материя . Вывод о темной материи основан на гравитационном притяжении, которое она оказывает на обычную материю. Одна из гипотез гласит, что таинственный материал может быть образован экзотическими частицами, которые не взаимодействуют со светом или обычным веществом, поэтому его так трудно обнаружить.

Шаг 9. Расширение с ускорением

В 1920-х годах астроном Эдвин Хаббл сделал революционное открытие о Вселенной. С помощью недавно построенного телескопа в обсерватории Маунт-Вилсон в Лос-Анджелесе Хаббл заметил, что Вселенная не статична, а расширяется.

Спустя десятилетия, в 1998 году, космический телескоп Хаббла, названный в честь знаменитого астронома, изучил очень далекие сверхновые звезды и обнаружил, что давным-давно Вселенная расширялась медленнее, чем сегодня. Это открытие было неожиданным, потому что долгое время считалось, что гравитация материи во Вселенной замедляет ее расширение или даже заставляет ее сжиматься.

Темная энергия считается странной силой, которая разрывает космос на части со все возрастающей скоростью, но она остается незамеченной и окутана тайной. Существование этой неуловимой энергии, которая, как считается, составляет 80% Вселенной, является одной из самых горячо обсуждаемых тем в космологии.

Хотя многое было открыто о сотворении и эволюции Вселенной, остаются нерешенными вопросы. Темная материя и темная энергия остаются двумя самыми большими загадками, но космологи продолжают исследовать Вселенную в надежде лучше понять, как все началось.

Космический телескоп Джеймса Уэбба , запущенный в 2021 году, продолжит охоту за неуловимой темной материей, а также заглянет в начало времен и эволюцию Вселенной с помощью своих инфракрасных инструментов.

В начале и в настоящее время существует изобилие света с высокими энергиями: света, видимого нашими глазами. Но были времена — тёмные времена — когда света не было.

Сегодня, конечно, во Вселенной полно разных структур, включая тяжёлые элементы, органические молекулы, луны, планеты и жизнь. На больших и светящихся масштабах имеются звёзды, скопления, галактики, скопления галактик, сверхновые, квазары и огромная космическая сеть. Практически в любом направлении в любом месте космоса найдётся довольно светящихся объектов. Мы, видимо, ограничены лишь размером телескопов и количеством времени, проводимого за наблюдением.

Если посмотреть на самый удалённый объект, который мы можем увидеть, мы обнаружим во всех направлениях КМФИ.

На ранних стадиях Вселенной — во время горячего Большого взрыва — Вселенная была наполнена всем, что было доступно энергетически: фотоны, материя, антиматерия, и, возможно, огромное количество частиц, о существовании которых нам до сих пор неизвестно. С течением времени Вселенная расширялась, что продолжается и сегодня. Во время расширения Вселенная охлаждается, поскольку количество энергии фотона обратно пропорционально длине его волны: растяните волну фотона при расширении Вселенной, и он охладится.

Это охлаждение значит, что в какой-то момент она становится достаточно холодной, чтобы:
• прекратилось спонтанное появление пар материи/антиматерии, и вся лишняя антиматерия могла аннигилировать,
• атомные ядра, состоящие из протонов и нейтронов, могли формироваться и не быть сразу же разбитыми на части,
• могли формироваться нейтральные атомы, электроны которых не будут выбиты с орбит.

Последний шаг крайне важен, поскольку после этого преобразования Вселенная переходит от непрозрачной ионизированной плазмы, где фотоны постоянно рассеиваются на электронах, к прозрачному состоянию, где фотоны беспрепятственно распространяются. В этом им не мешают нейтральные атомы, оставаясь при этом сами практически невидимыми.

Только после формирования первых звёзд появились и первые чёрные дыры (после смерти звёзд), первые сверхмассивные чёрные дыры (от объединений звёзд), первые галактики (от объединений звёздных скоплений), и более крупные структуры. Но что было в то время, между КМФИ и первыми звёздами? Было ли что-нибудь интересное?

На этот вопрос есть два положительных ответа, один из которых наиболее интересен.

Холодные участки притягивают всё больше материи — они со временем вырастают — при этом скорость роста увеличивается по мере того, как материя становится всё более важной, а излучение — всё менее важным. К моменту, когда Вселенной исполнилось 16 миллионов лет, типичные участки повышенной плотности увеличились в 10 раз по сравнению с поверхностью последнего рассеяния. Те, плотность которых была 1 часть на 30000, достигли плотности в 1 часть на 3000; участки плотностью в 1 часть на 10000 превратились в участки плотностью 1 часть на 1000, и сверхредкие большие флюктуации, плотность которых во времена КМФИ составляла 1 часть на 500, демонстрируют плотность в 1 часть на 50, или на 2% большую плотность, чем в среднем. Со временем эти участки повышенной плотности растут. Существует пороговое значение, кардинально меняющее картину. Когда регион повышенной плотности становится на 68% плотнее среднего, его рост становится нелинейным, то есть, гравитационное накопление материи быстро ускоряется.

Перейдя этот порог, вы оказываетесь на пути к созданию звёзд; от перехода до появления первых звёзд пройдёт, скорее всего, не более 10 миллионов лет. Поэтому до момента существенного увеличения плотности могут пройти десятки и сотни миллионов лет, но по достижению этого значения освещение космических глубин становится вопросом уже не такого долгого ожидания. Наступает эра второго света, а тёмные века, единственный период, когда во Вселенной не было видимого света, заканчивается.

Но тёмные века Вселенной на самом деле темны не на 100%. Конечно, видимого света не наблюдается, но немножко света появляется даже до формирования первой звезды — всё благодаря простейшим структурам Вселенной, скромным и простым нейтральным атомам.

2) Эти самые нейтральные атомы, 92% из которых были атомами водорода, медленно испускают свет на идеально точной радиоволне в 21 см. Атом водорода обычно представляют как протон с электроном, вращающимся вокруг него по орбите. Это очень точная картинка, которая верна как сегодня, так и 100 лет назад, когда Нильс Бор впервые разработал эту модель для атома водорода. Но одно из свойств протонов и электронов часто игнорируется, при том, что в тёмные века оно обладает особой важностью: у них есть спин, или присущий им угловой момент.

Только в результате крайне редкого процесса, перехода, занимающего в среднем 3,4 × 10 15 секунд (11 миллионов лет) атом может перейти от одинаково ориентированного состояния к противоположному, испуская при этом фотон с длиной волны 21 см.

Этот переход с переворотом спина никогда не наблюдался в лаборатории из-за этих временных промежутков, но был открыт астрономически в 1951 году. Это очень важное явление, используемое для разметки таких свойств, для которых свет не подходит. Именно так мы впервые разметили спиральную структуру нашей Галактики, поскольку из-за пыли видимый свет сквозь неё не проходит. Точно так же мы измерили кривые вращения галактик на больших расстояниях; линия 21 см – очень мощный астрономический инструмент.

Одна из целей астрономии будущего – постройка телескопа, сверхчувствительного к линии 21 см, что даст нам возможность построить карту Вселенной в тёмные века; такого ещё никто не делал. Это позволит нам заглянуть за горизонт видимого, за эру реионизации, и в то время, когда ещё не сформировались первые звёзды, которые надеется увидеть телескоп Джеймса Уэбба.

Тёмные века – хорошее название, но у нас есть шанс осветить их, используя самую слабую энергию света, света, длина волны которого должна составлять уже десятки метров из-за красного смещения – а значит, нам потребуется телескоп не меньшего размера. В идеале нам нужен телескоп типа Аресибо, но в космосе, подальше от земных радиопомех.

Есть и другие возможности, одну из которых описывает Аманда Йохо. Вот и вся история космических тёмных веков! Спасибо за прекрасный вопрос, Стив. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.

Ученые продолжают интересоваться процессом перехода нашей Вселенной из эпохи "Темных Веков" к эпохе "Реионизации".

Астрономы продолжают изучать вечно актуальных для них вопрос, связанный с тем, как после "Большого Взрыва" наша Вселенная перешла от эпохи "Темных Веков" до эпохи "Реионизации".

По общепринятой хронологии, эпоха "Темных Веков" длилась приблизительно от 380 000 до 150 миллионов лет 13,55 миллиардов лет тому назад. Затем она сменилась эпохой "Реионизации", которая могла длиться от 150 миллионов до 1 миллиарда лет 12,7 миллиардов лет тому назад.

Как предполагают ученые, в период "Темных Веков", Вселенная была заполнена водородом и гелием, реликтовым излучением и излучением атомарного водорода на волне 21 см. Звёзды, квазары и другие яркие источники в этот период отсутствовали, поэтому эта эпоха и получила название "Темных Веков" (Dark Ages). Свет первых звезд, которые только начали появляться в этот период, абсорбировался густым водородным туманом. Этот водородный туман начал концентрироваться в некоторых регионах нашей Вселенной, порождая формирование новых звезд. Так постепенно начал осуществляться процесс реионизации водорода светом звезд и квазаров. Эпоха "Реионизации" характеризуется появлением новых звезд, галактик, квазаров и галактических скоплений.

К тому выводу пришли ученые, исследовав ближайшие к нам галактики (в том числе галактики "Сомбреро") с помощью телескопа Субару.

"Несмотря на то,что возможности телескопов ограничены, они все же нам во много помогают и проливают свет на формирование нашей Вселенной и различных ее объектов" - говорят астрономы.

Происхождение Вселенной остается одной из главных загадок науки. С начала наблюдений за звездным небом человечество пыталось понять, как возникло все, что его окружает, и что там за пределами нашего мира. С развитием технологий ему покорились многие природные явления и даже просторы космоса, но никто так до сих пор и не установил, как зародилась Вселенная. Однако, астрономы выдвинули множество теорий на этот счет, некоторые из них вполне логичны и правдоподобны.

Теория большого взрыва

Основной теорией возникновения Вселенной в ее нынешнем состоянии является теория большого взрыва. Впервые этот термин был применен британским астрономом Ф. Хойлом в 1949 году. При этом сам ученый считал данное предположение о происхождении и эволюции Вселенной ошибочным.

Сами же идеи о расширении Вселенной и ее развитии в результате взрывного процесса возникли в начале 20 века. Способствовал этому Альберт Эйнштейн, опубликовавший свою теорию относительности. Нестационарное решение его гравитационного уравнения натолкнуло советского физика Фридмана на гипотезу о том, что Универсум – постоянно расширяющийся объект. По его версии, вначале она представляла собой очень плотное, однородное вещество. Оно в результате большого взрыва начало распространяться, образуя привычные нам элементы космоса – галактики, туманности, звезды, планеты и другие тела.

Теория происхождения Вселенной по Фридману неоднократно подвергалась дополнениям и улучшениям. В 1948 году астрофизик Георгий Гамов опубликовал работу, в которой описывал первичное вещество до Большого взрыва не только как очень плотное, но и как очень горячее. В нем постоянно происходили реакции термоядерного синтеза, в результате которых образовались ядра легких химических элементов. Выделяемое при этом электромагнитное излучение сохранилось до сих пор, но в остывающем виде. Теория была подтверждена почти через 20 лет после того, как ученым удалось открыть и измерить температуру космического фона. Изучение реликтового излучения также помогла установить возраст мироздания и распределение в нем вещества.

Современное представление о возникновении Вселенной

Теория Большого взрыва – описывает то, что стало пусковым механизмом расширения первичной материи.
Инфляционная теория – рассматривает причины расширения вещества.
Модель расширения Фридмана – описывает процессы распределения материи в пространстве.
Иерархическая теория – описывает возникновение всех структур космоса.

Хронология событий в теории Большого взрыва

Теория эволюции Вселенной подразумевает, что до Большого взрыва все мироздание находилось в принципиально другом состоянии. А после – проходило стадии развития, благодаря которым заполнилось частицами, химическими элементами и другими структурами. Они же послужили строительным материалом для всех космических тел и объектов. Каждый эпоха развития имеет свою продолжительность от незначительных долей секунды до миллиардов лет. Попробуем изложить теорию происхождения Вселенной кратко и простым языком.

Эпоха сингулярности

Большому взрыву и происхождению Вселенной в современном ее виде предшествовала стадия космологической сингулярности. Это состояние Универсума, при котором вещество имеет почти бесконечные значения плотности и температуры, а само оно стремится к нулю.

Космологическая сингулярность – один из самых трудных вопросов современной науки. Невозможно точно установить, что именно было до Большого взрыва. Но бесконечная плотность раннего вселенского вещества не может сопровождаться его бесконечной температурой. Следовательно, сингулярная Вселенная противоречит современным законам физики.

Планковская эпоха

Итак, в первичном мироздании произошел катастрофический процесс, в результате которого вещество начало стремительно расширяться и охлаждаться. При чем для формирования всех структур космического пространства взрыв должен был произойти повсюду. Это и является точкой отчета возникновения мироздания в его нынешнем виде.

В период от нуля до 10 -43 секунд вещество Универсума имело физические параметры (температура, энергия, плотность) соответствующие постоянным Планка. В таких условиях планковской эпохи произошло рождение частиц.

Эпоха великого объединения

В период с 10 -43 по 10 -35 секунд после Большого взрыва в относительно устойчивой системе возникли силы гравитации. Они впоследствии способствовали возникновению звезд и планет. Первичная материя перестала быть однородно плотной. Но электромагнитное и ядерное взаимодействия в ней были еще объединены, поэтому любые физико-химические параметры для этого вещества не имеют смысла.

Эпоха инфляции

При переходе в эту стадию эволюции Вселенная начала ускоренно расширяться. Это позволило перераспределиться высокоплотному изотропному первичному веществу. Эпоха заняла промежуток времени с 10 -35 по 10 -32 секунды от взрывного процесса.

Электрослабая эпоха

К этому моменту сильное ядерное взаимодействие, как и гравитация, отделено от первичной материи. Период с 10 -32 по 10 -12 секунд – момент рождения таких элементарных частиц, как хиггсовский бозон и W-, Z-частицы. Симметрия до вселенского вещества окончательно разрушена.

Кварковая эпоха

Андронная эпоха

Из фундаментальных частиц начали образовываться андроны – частицы с сильным ядерным взаимодействием. Именно из них образуются нуклоны, формирующее атомные ядра, протоны и нейтроны. Весь процесс андронизации занял порядка ста секунд после Большого взрыва.

Лептонная эпоха

Первые три минуты существования Универсума происходит формирование лептонов, в том числе и их подвида – нейтрино. Это еще одни фундаментальные структуры вселенского вещества, из которых в дальнейшем было построено все в мироздании.

Протонная эпоха

Более 300 тысяч лет ушло на первичный процесс нуклеосинтеза легких химических элементов и перераспределения вещества Универсума. Оно стало доминировать над излучением, что замедлило расширение космического пространства. Конец данной стадии ознаменовался возможностью передвижения тепловых фотонов.

Темные века

Ни одной привычной нам космической структуры в первые 500 млн. лет после возникновения Вселенной не существовало. Она была заполнена водородно-гелиевой массой и реликтовым тепловым излучением, распространяющимся по всему ее пространству.

Реионизация

Постепенно облака водорода и гелия под воздействием гравитации начали сжиматься, в них стали зарождаться процессы термоядерного синтеза. Появились первые звезды. Они стали собираться в скопления, называемые галактиками. В центре формирующихся галактик возникал источник мощнейшего излучения и гравитационного притяжения – квазар. Этот процесс занял более 300 млн. лет.

Эра вещества

Молодые звезды формируют вокруг себя протопланетные диски, из которых впоследствии образовываются целые планетарные системы. В эту эру 4,6 млрд. лет назад возникла и Солнечная система со всеми окружающими ее планетами. Вся же история Вселенной продолжается более 13,7 млрд.лет.

Будущее Вселенной

Теория возникновения Вселенной путем Большого взрыва официально признана в научном мире. Согласно ее основным утверждениям, космическое пространство все еще продолжает эволюционировать и на смену одним структурам приходят абсолютно новые. Существуют две противоположные версии дальнейшего развития событий:

Большой разрыв. Если Универсум и дальше продолжит расширяться, то в дальнейшем гравитационное взаимодействие между его элементами начнет стремительно ослабевать. Произойдет распад галактик и их скоплений. После этого распадутся отдельные звездные системы, где гравитация звезды не в силах будет удержать планеты вокруг себя. Постепенно все элементы Вселенной разрушаться вновь до элементарных частиц, законы физики перестанут иметь смысл. Что произойдет дальше – предсказать невозможно.
Большое сжатие. В этом сценарии описывается предположение, что космическое пространство постепенно замедлит свое расширение и начнет обратно сжиматься. Все его элементы образуют единое мега скопление, в котором будет продолжаться процессы рождения, эволюции и смерти галактик. Однако, вещество будет сжиматься и далее, что приведет к образованию одной гигантской галактики. Космическое пространство вновь начнет нагреваться, реликтовое излучение разрушит планеты и звезды. Все структуры перейдут в состояние элементарных частиц. Вселенная приобретет свой первоначальный вид до Большого взрыва.

Любой из основных сценариев смерти Вселенной в нынешнем ее состоянии предполагает распад всех ее структур до фундаментальных частиц и прекращения любых сил взаимодействия. Так ли оно будет на самом деле, предсказать современной науке невозможно.

Основные теории происхождения Вселенной

Большой взрыв не единственное современное представление о происхождении и эволюции Вселенной. Научный мир знает множество теорий возникновения мира, основными из которых являются:

Теория струн. Ее основное утверждение заключается в том, что все существующее состоит из мельчающих энергетических нитей. Такие квантовые струны могут растягиваться, искривляться и располагаться в любых направлениях, что делает космическое пространство многомерным. И каждое из этих измерений имеет свою эволюционную стадийность.
Теория стационарной Вселенной. По этой версии, в расширяющемся пространстве космоса постоянно возникает новая материя, что делают всю систему стабильной. Идея была популярна в середине 20-го века, но после открытия и изучения реликтового излучения у нее практически не осталось сторонников.

Читайте также: