Близько 13,7 млрд років тому весь Всесвіті був сконцентрований у сингулярності, точці нескінченної щільності та тепла. Раптом почалося вибухове розширення, що роздуло наш Всесвіт зі швидкістю, що перевищує швидкість світла. Це був період космічної інфляції, який тривав лише 10-32 секунди, згідно з теорією фізика Алана Гута 1980 року.
Інфографіка, що показує еволюцію Всесвіту від Великого вибуху. Фото: Astrosprint
Коли космічна інфляція підійшла до раптового і все ще загадкового завершення, закріпився класичний опис Великого вибуху. Потік матерії та випромінювання, відомий як «повторний нагрів», почав заселяти наш Всесвіт матерією.
За даними NASA, все це сталося всього за першу секунду після виникнення Всесвіту, коли температура була ще неймовірно високою — приблизно 5,5 млрд градусів за Цельсієм. Космос містив величезну кількість фундаментальних частинок, таких як нейтрони, електрони та протони — «сировина», яка стане будівельним матеріалом для всієї речовини у Всесвіті.
«Післясвічення» Великого вибуху
Цей ранній «суп» неможливо побачити, бо він не міг утримувати видиме світло. «Вільні електрони змусили б світло (фотони) розсіюватися так само, як сонячне світло розсіюється краплями води в хмарах», — пояснює NASA. Однак згодом ці вільні електрони зустрілися з ядрами та створили нейтральні атоми або атоми з рівними позитивними та негативними електричними зарядами. Це дозволило світлу зародитися через 380 тис. років після Великого вибуху.
Реліктове випромінювання. Фото: Wikipedia
Це світло, яке іноді називають «післясвіченням» Великого вибуху, правильніше назвати космічним мікрохвильовим фоном (КМФ). Уперше він був передбачений Ральфом Альфером та іншими вченими в 1948 році, але його виявили випадково, майже через 20 років.
Це відкриття сталося, коли Арно Пензіас і Роберт Вілсон (обидва з Bell Telephone Laboratories в Нью-Джерсі) будували радіоприймач у 1965 році. За даними NASA, вони отримали більш високі температури, ніж очікувалося. Спочатку вони думали, що аномалія виникла через те, що заважали екскременти голубів в антені. Після прибирання аномалія не зникла. Одночасно команда Принстонського університету під керівництвом Роберта Діке намагалася знайти свідчення реліктового випромінювання і зрозуміла, що Пензіас та Вілсон натрапили на нього завдяки своїм дивним спостереженням.
Вік Всесвіту
Наразі реліктове випромінювання спостерігається багатьма дослідниками та у багатьох місіях космічних апаратів. Однією з найвідоміших із них був супутник NASA Cosmic Background Explorer (COBE), за даними якого була створена карта неба в 1990-х роках. Потім було кілька інших місій, таких як експеримент BOOMERanG, зонд NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) та супутник Planck Європейського космічного агентства. За спостереженнями останнього нанесли на карту реліктове випромінювання з безпрецедентною деталізацією у 2013 році. Вони показали, що Всесвіт старший, ніж уважалося раніше: 13,82 млрд років, а не 13,7 млрд. Місія дослідницької обсерваторії продовжується, і періодично випускаються нові карти реліктового випромінювання.
Порівняння роздільної здатності різних місій — COME, WMAP, Planck — для однієї ділянки неба
Проте карта породила нові загадки. Наприклад, чому Південна півкуля виявилася більш червоною (теплішою), ніж Північна. Теорія Великого вибуху каже, що реліктове випромінювання має бути переважно однаковим, куди б ви не подивилися. Але на практиці це виявилося не так.
Анізотропія реліктового випромінювання за даними супутника «Планк». Фото: Wikipedia
Вивчення реліктового випромінювання також дає астрономам підказки щодо складу Всесвіту. Дослідники вважають, що більшість космосу складається з матерії та енергії, які неможливо зафіксувати за допомогою звичайних земних інструментів, що призвело до виникнення назв «темна матерія» та «темна енергія». Вважається, що лише 5% Всесвіту складається з матерії, такої як планети, зорі та галактики.
Розширення проти вибуху
Хоча Великий вибух часто називають «вибухом», це неправильне його уявлення. Під час вибуху осколки викидаються з центральної точки у простір, що вже існував. Якби ви були у центральній точці, ви побачили б, що всі фрагменти віддаляються від вас приблизно з однаковою швидкістю. Але Великий вибух був не такий. Це було швидше розширення простору — концепція, що випливає з рівнянь загальної теорії відносності Ейнштейна, але не має аналогу в класичній фізиці.
Це означає, що всі відстані у Всесвіті розтягуються з однаковою швидкістю. Будь-які дві галактики, розділені відстанню X, віддаляються одна від одної з однаковою швидкістю. Тоді як галактика на відстані 2X віддаляється з подвійною швидкістю.
Розширення Всесвіту, що триває
Всесвіт не лише розширюється, але робить це з прискоренням. Це означає, що в далекому майбутньому всі галактики настільки віддалятимуться одна від одної, що для спостерігачів здаватиметься, що інших галактик у Всесвіті немає зовсім.
«Якщо ви зачекаєте досить довго, далека галактика досягне швидкості світла. Це означає, що навіть світло не зможе подолати розрив, який відкривається між цією галактикою та нами», — пояснює астроном Гарвардського університету Аві Леб.
Деякі фізики також припускають, що Всесвіт, з яким ми стикаємось, лише один із багатьох. У моделі «мультивсесвіту» різні Всесвіти співіснуватимуть один з одним, як бульбашки, що літають поруч. Теорія передбачає, що під час першого великого поштовху інфляції різні частини простору-часу зростали з різною швидкістю. Це могло б породити різні Всесвіти з потенційно різними законами фізики.
Можливо, що Великий вибух не був першим інфляційним періодом, який пережив Всесвіт. Деякі вчені вважають, що ми живемо у космосі, який проходить через регулярні цикли інфляції та дефляції. Ймовірно, зараз ми просто живемо в одній із таких фаз.
JWST та Великий вибух
Телескоп — це майже машина часу, що дозволяє зазирнути в далеке минуле. Hubble показав нам галактики такими, якими вони були багато мільярдів років тому. А наступник Hubble — космічний телескоп James Webb — може ще глибше зазирнути у минуле. NASA сподівається, що телескоп зможе побачити час, коли сформувалися перші галактики, майже 13,6 млрд років тому.
Космічний телескоп James Webb. Джерело: NASA
На відміну від Hubble, який працює в основному в оптичному діапазоні хвиль, JWST — інфрачервоний телескоп — має велику перевагу при спостереженні за дуже далекими галактиками. Розширення Всесвіту означає, що хвилі, які випромінюються нею, розтягуються, тому випромінюване світло насправді досягає нас в інфрачервоному діапазоні. Цілком імовірно, завдяки James Webb ми побачимо ранній Всесвіт зовсім іншим, ніж той, який розкривався нам у теоретичних розрахунках.
