Тайны Вселенной: откуда все взялось, как началось и чем закончится
Мир из точки
В научном мире сегодня существуют разные теории о происхождении Вселенной, но основной считается одна — теория Большого взрыва. 13,8 миллиардов лет назад произошло событие, запустившее хронометр вселенской истории. Все, что сегодня существует во Вселенной, тогда было сосредоточено в крошечной точке — космологической сингулярности.
— Она была крошечного размера, много-много меньше атома и раздулась до гигантских размеров, больше, чем видимая сегодня часть Вселенной. Скорость расширения у нее была гигантская, — говорит Валерий Рубаков, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, профессор, доктор ф.м.н.
Наша новорожденная Вселенная стала невероятно быстро расти подобно воздушному шару во всех направлениях сразу. Эту стадию молниеносного роста ученые называют «инфляцией». Произошло практически мгновенное расширение пространства.
Одна ли Вселенная
Нам сложно даже представить, как буквально из ничего получилось все, но ученые утверждают — все случилось именно так. Главное, что было — это огромная энергия, она-то и дала начало всему сущему: нашей вселенной, а возможно, и параллельным мирам.
— Представьте себе бутылку с шампанским. Она закупорена, там ничего мы не видим. Мы открываем пробку, и вдруг в ней рождаются миллионы пузырьков, потому что в этом шампанском есть энергия — закачанный туда газ. И рождение Вселенной — это рождение одного из пузырьков, который появился в какой-то точечке этой бутылки. Так и наша Вселенная — она по виду является одной из множества миллиардов других Вселенных, которые рождаются в вакууме, якобы из ничего, — говорит Юрий Балега, астроном, руководитель Специальной астрофизической обсерватории РАН.
В любом случае, наука до сих пор не может дать ответа на вопрос, что именно было до Большого взрыва и есть ли что-то за пределами нашей Вселенной.
Рождение частиц
Так или иначе, мир вступил на путь долгой эволюции. Большинство ученых считают, что процессы образования вещества запустились в момент расширения Вселенной.
— На самом деле ядро водорода — это протон, то есть одна одиночная элементарная частица. И вот эти частицы, протоны и нейтроны, во Вселенной присутствовали действительно с самого раннего времени. То есть начало химической эволюции Вселенной в первые пары десятков минут — это водород и гелий, — объясняет Дмитрий Вибе, доктор физико-математических наук, заведующий отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН.
Это была так называемая горячая стадия, которая длилась примерно 380 тысяч лет. Вселенная в то время представляла собой раскаленную плазму, частицы носились в ней с невероятной скоростью, сталкивались, но не соединялись, выделяя при этом большое количество энергии. Благодаря экспериментальным исследованиям в ускорителях ученые смогли найти самые малые единицы вещества, которые легли в основу будущих атомов и молекул.
— На сегодня это лептоны и кварки — кирпичики мироздания, из которых все состоит. Они появились в момент Большого взрыва и были в очень горячем состоянии. В дальнейшем, остывая, они сформировали тот вид вещества, из которого мы с вами состоим. Из кварков образовались протоны и нейтроны. Из протонов и нейтронов — ядра. Из ядер — атомы. Из атомов — молекулы. И так далее, — рассказывает Владимир Кекелидзе, директор лаборатории физики высоких энергий Объединенного института ядерных исследований.
Да будет первый свет
Итак, в возрасте примерно 380 тысяч лет молодая Вселенная стала значительно холоднее, горячая стадия ее развития завершилась. Из состояния плазмы она начала переходить в состояние горячего газа. Фотоны, частицы света, которые до этого были в плену горячей плазмы, вырвались на свободу.
По мере того, как газ остывал, Вселенная становилась все более прозрачной. Очень медленно она превращалась в ту, какой мы знаем ее сегодня, наполненную звездами и галактиками.
Звезды и галактики: принцип манной каши
Но почему звезды и галактики распределились по Вселенной не равномерно? На самом деле, после Большого взрыва содержимое Вселенной — та самая раскаленная плазма — вовсе не была однородной. И после завершения горячей стадии, когда Вселенная стала прозрачной, эти неоднородности остались — едва различимые, будто крошечные узелки на ткани.
Похоже на то, как если бы вы варили кашу, но не перемешивали ее, а предоставили высокой температуре. В остывшей каше, скорее всего, появятся комочки. Похожий процесс протекал и во вселенском котле: именно из неоднородностей вещества, из сгустков материи в остывающей Вселенной сформировались звезды и галактики.
Открытое в XX веке радиоволновое реликтовое излучение сегодня считается одним из главных доказательств инфляционной модели формирования Вселенной. Астрономы составили карту, на которой видно, как распределено это реликтовое излучение.
— Там, где есть синие пятна — меньше радиоизлучение, там, где красные — больше. Но разница между ними — примерно одна миллионная. В чем смысл вот этой замечательной карты реликтового радиоизлучения? Мы поймали, сфотографировали момент, когда вещество и свет отклеиваются друг от друга. И, соответственно, свет несет в себе отпечаток более плотных областей вещества. Там где света, радиоизлучения, больше, там плотнее вещество, — объясняет Владимир Самодуров старший научный сотрудник Пущинской радиоастрономической обсерватории.
Первые звезды
Судя по всему, первыми родились звезды-гиганты, которые стали прародителями других звезд, в том числе и нашего Солнца.
— Это были очень массивные светила, которые жили очень быстро, быстро сжигали запас топлива: чем массивнее звезда, тем быстрее она сгорает, тем интенсивнее происходят реакции. И вот в этих очень массивных звездах начали синтезироваться первые тяжелые элементы, начиная с углерода. Звезды быстро взрывались, разбрасывали вещество, обогащали Вселенную, а из этого обогащенного вещества уже формировались те звезды и галактики, которые мы сейчас наблюдаем, — говорит Дмитрий Вибе.
В недрах первых звезд под воздействием колоссальной температуры на уровне атомных ядер происходили сложные реакции. Так, из трех ядер гелия образовался углерод, из двух атомов углерода — магний, из магния — неон и так далее, пока из кремния не получилось железо. Этот процесс преобразования химических элементов продолжается в раскаленных ядрах звезд и сейчас, называется он «термоядерный синтез». Так что появление планет, и в частности нашей с вами Земли, стало возможным именно благодаря звездам.
Параллельно с процессом зарождения звезд формировались и их скопления, которые объединялись в галактики.
— По-видимому, самые массивные звезды или группы звезд становились ядрами протогалактик. Потом массы звезд поменьше начинали динамически концентрироваться вокруг этого ядра, — рассказывает Юрий Балега.
Появление планет
Так, спустя примерно миллиард лет, Вселенная уже была населена звездами и галактиками, в которых позже начали формироваться планеты. Они рождались из пыли и газа, из остатков вещества, невостребованного после большого взрыва, а также из элементов, рожденных в недрах звезд.
— Эпоха массового образования планет началась, вероятно, через несколько миллиардов лет после Большого взрыва, когда процессы термоядерного синтеза позволили накопить нужное вещество в достаточной мере, чтобы у него появилась возможность объединяться в планеты, — объясняет Дмитрий Вибе.
В процессе зарождения звезды сгусток пыли и газа похож на волчок, который вращается все быстрее и быстрее, уплотняясь в центре. Так внутри появляется звезда, а вокруг нее образуется диск.
— В этом диске вещество плотное, пылинки начинают часто сталкиваться друг с другом и просто слипаться. В какой-то момент, когда эти сгустки вырастают до многокилометровых размеров, вступает в действие гравитация, которая притягивает их друг к другу и «обкатывает» в шар, — говорит Дмитрий Вибе.
То, что перед глазами — лишь малая часть
Однако звезды, планеты, космические тела — все то, что сегодня ученые называют барионной материей — лишь небольшой компонент во вселенском супе. Это блюдо из разных ингредиентов, и барионная материя здесь, скорее, приправа, ведь в общем составе Вселенной ее не более 5%.
Примерно ¼ составляет темная материя. Она не излучает и не поглощает свет, со светом вообще практически не взаимодействует. Однако она собирается в сгустки, ее особенно много в галактиках. К ней нельзя прикоснуться: она повсюду, но мы ее никак не ощущаем. Установить факт существования этой материи удалось в ХХ веке лишь благодаря наблюдениям за вращением галактик и расчетам. Однако пока ученые не знают, из каких именно частиц состоит эта материя.
Темная материя вместе с барионной — это лишь треть от всей массы Вселенной. Основную ее часть составляет нечто и вовсе непонятное — ученые называют это темной энергией.
— С помощью наблюдений астрономы установили, что примерно в середине возраста, примерно 5 миллиардов лет назад, Вселенная вдруг начинает расширяться с ускорением. Значит, на это какая-то действует сила. Эту силу назвали темной энергией, — говорит Юрий Балега.
На нашей планете и на нашем Солнце расширение Вселенной не сказывается, мы его просто не ощущаем. А вот удаленные галактики, которые друг с другом связаны уже слабо, разъезжаются, расстояния между ними увеличивается. Предполагается, что оно будет расширяться и дальше, по крайней мере, в обозримой перспективе.
Как закончится история Вселенной?
Есть разные взгляды. Возможно, однажды расширение остановится, и начнется обратный процесс — Вселенная схлопнется в крошечную точку, вроде той, с которой все и началось. Есть и другой вариант: Вселенная расширится настолько, что вся материя в ней просто растворится и исчезнет — темная энергия просто растащит ее на атомы, обратно к великому ничто. А потом, быть может, даст начало новой Вселенной. Но это уже будет другой космос и другая история.
Подготовлено по материалам программы «Эволюция. Начало отсчета» телеканала «Наука».
