Строение и эволюция Вселенной

• Галактики

Вселенная — это всё, что существует: время, пространство, материя, энергия, галактики, звёзды, планеты, а также физические законы, управляющие ими. Её возраст оценивается в 13,7 миллиардов лет, и с тех пор она непрерывно расширяется.

Изучая строение и историю Вселенной, мы пытаемся понять:

• Как возникли звёзды и галактики;
• Что будет с ней в будущем;
• И даже: не одна ли она во множестве других вселенных?

Основные этапы формирования Вселенной

1. Планковская эра (0 – 10⁻⁴³ секунд)

Самый ранний известный период, когда вся материя и энергия были сосредоточены в одной точке. В этот момент четыре основных взаимодействия — гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое — были объединены в одно.

Эта эпоха остаётся вне досягаемости современной науки — слишком велика плотность и температура.

2. Эпоха Великого объединения (10⁻⁴³ – 10⁻³⁶ секунд)

Гравитация отделяется от других сил. Начинают формироваться первые элементарные частицы.

3. Эпоха инфляции (10⁻³⁶ – 10⁻³² секунд)

Вселенная расширяется экспоненциально, быстрее скорости света. Это приводит к её выравниванию и охлаждению.

Этот процесс объясняет, почему Вселенная так однородна по структуре и температуре.

4. Эпоха кварков и глюонов (10⁻³² – 10⁻⁶ секунд)

Материя начинает формироваться из элементарных частиц, таких как кварки и лептоны. Температура всё ещё невероятно высока — триллионы градусов.

5. Эпоха рождения первых ядер (через несколько минут после Большого взрыва)

Когда температура падает ниже миллиарда градусов, начинается синтез водорода и гелия — основных элементов, из которых потом будут рождаться звёзды.

6. Тёмные века (380 000 – 550 миллионов лет)

После образования атомов наступает время молчания: нет звёзд, нет галактик. Пространство заполнено водородом и гелием, но света почти нет.

7. Эра звёзд и галактик (с 550 млн лет)

Первые звёзды образуются из газовых облаков под действием гравитации. Они быстро рождаются и умирают, выбрасывая в космос тяжёлые элементы, такие как углерод, железо и кислород.

8. Эра вещества (после 800 млн лет)

Формируются первые звёздные системы и протопланетные диски, появляются планеты, в том числе те, где может зарождаться жизнь.

Современное состояние Вселенной

Сегодня Вселенная:

• Содержит около 2 триллионов галактик
• Расширяется с ускорением, благодаря тёмной энергии
• Имеет температуру реликтового излучения ~2,7 Кельвин
• Плотность материи составляет примерно 5 частиц на кубический метр
• Средняя концентрация тёмной материи намного выше, чем видимой

Уровни организации Вселенной

Самая большая известная структура — Стена Шепелева, протяжённостью более 1,4 миллиарда световых лет.

Теории происхождения Вселенной

1. Теория Большого взрыва

Самая распространённая модель:

• Вселенная родилась из сингулярности;
• После начального расширения началось формирование звёзд и галактик;
• Подтверждается наблюдением за реликтовым излучением и красным смещением далёких галактик.

2. Теория стационарной Вселенной

• Предполагала, что Вселенная не имеет начала и конца;
• Материя постоянно рождалась в новых участках пространства;
• Опровергнута из-за космического микроволневого фона и изменений в распределении галактик.

3. Циклическая Вселенная

• Вселенная проходит через вечные циклы сжатия и расширения;
• Не объясняет, что было до первого «Большого взрыва»;
• Противоречит закону увеличения энтропии.

4. Теория струн и бран

• Вселенная могла родиться при столкновении многомерных бран;
• Это предполагает существование множества вселенных;
• Часто называется теорией «больших» (Big Bounce) вместо «взрыва» (Big Bang).

5. Чёрные дыры как источники новых вселенных

• Ли Смолин выдвинул идею, что все Вселенные рождаются внутри чёрных дыр;
• Наши законы физики могут быть локальными правилами, а не универсальными.

Роль тёмной материи и тёмной энергии

Мы знаем о них только по их косвенным эффектам, но природа этих явлений остаётся загадкой.

Как Вселенная менялась со временем?

1. Расширение

• Вселенная увеличивается в размерах, и это подтверждено движением галактик.
• Измерения показывают, что скорость удаления галактик зависит от их расстояния от нас — чем дальше, тем быстрее они улетают.

2. Охлаждение

• С момента рождения температура упала с миллиардов градусов до 2,7 Кельвин.
• Это связано с расширением пространства и потерей плотности.

3. Формирование структур

• Сначала появились звёзды и скопления
• Затем — галактики и сверхскопления
• Сегодня мы можем наблюдать пузыри, стенки и войды — крупнейшие структуры Вселенной

Современные модели расширения Вселенной

Будущее Вселенной

Интересные факты о Вселенной

• Вы — прах древних звёзд: все элементы тяжелее гелия были созданы внутри умирающих звёзд.
• Свет от Солнца доходит за 8 минут, но от ближайшей звезды Проксима Центавра — за 4,24 года.
• Наша Галактика — часть местной группы галактик, которая, в свою очередь, входит в Сверхскопление Ланиакея.
• Скорость расширения Вселенной — 70 км/с на мегапарсек.
• Реликтовое излучение — это самый старый свет во Вселенной, который можно зарегистрировать даже в вашем телевизоре как «снег» на экране.

Современные исследования

• Космологи изучают реликтовое излучение и его флуктуации, чтобы понять, как формировались первые галактики.
• Астрофизики исследуют темную материю через её гравитационное воздействие на звёзды.
• Телескоп Джеймса Уэбба помогает учёным видеть самые ранние галактики, рождённые через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.
• LHC (Большой адронный коллайдер) воссоздаёт условия, близкие к моменту рождения Вселенной.