Ночное небо являет нам статичную картину спокойной и недвижимой вселенной. Именно поэтому открытие, сделанное Эдвином Хабблом в 1929 году, было настоящей революцией в астрономии. Его суть состояла в том, что вселенная на самом деле расширяется с невероятной скоростью. Так родилась знаменитая теория «Большого взрыва» - версия рождения нашей вселенной...

Хаббл заметил, что все галактики, находящиеся за пределами нашего млечного пути, отдаляются от нас, при этом скорость движения каждой из них пропорциональна расстоянию от неё до нас. Он сразу понял: это означает, что когда-то (как считается теперь, около 14 миллиардов лет назад), вся вселенная помещалась в одной точке пространства. Должно быть, вселенная родилась в результате грандиозного события, которое позже получило название «Большой взрыв».

Для того, чтобы разработать жизнеспособные теории возникновения вселенной, астрономы сопоставляют математические модели с наблюдениями в обсерватории. Математическое обоснование теории Большого взрыва включает в себя общую теорию относительности Альберта Эйнштейна и материалы фундаментальных наук.

Сегодня космические корабли НАСА, такие как Hubble Space Telescope и Spitzer Space Telescope, продолжают работу по исследованию законов расширения вселенной. Долгое время основной целью было понять, будет вселенная расширяться бесконечно, или планеты однажды остановятся, развернутся назад, столкнутся, и вселенная благополучно разрушится во втором «Большом взрыве».

Реликтовое излучение

Если бы мы смогли посмотреть на вселенную спустя секунду после Большого взрыва, мы бы увидели море нейтронов, протонов, электронов, позитронов, фотонов и нейтрино – общей температурой 10 млрд. градусов. Потом, по прошествии некоторого времени, вселенная бы остыла, нейтрино либо превратились бы в протоны и электроны, либо соединились бы с протонами, образовав дейтерий (изотоп водорода). Остывая, вселенная достигла бы такой температуры, при которой электроны соединились бы с ядрами и образовали атомы.

Перед тем, как случилась бы эта перестановка, вселенная стала бы непрозрачной - свободные электроны излучали бы свет и рассеивали его, подобно тому, как капельки воды рассеивают солнечный свет в облаках. Но когда свободные электроны полностью превратятся в атомы, вселенная тот час же станет прозрачной. Те же самые фотоны мы можем наблюдать сейчас, их свечение - это и есть реликтовое излучение.

Нобелевская премия для НАСА

Специалисты НАСА провели два исследования реликтового излучения, делая снимки вселенной спустя 400 тысяч лет после её образования. Первое из этих исследований проводилось с помощью команды «Cosmic Background Explorer» (COBE). В 1992 году команда COBE объявила об обнаружении изначально холодных и горячих точек в космическом излучении. Эти точки можно было отнести к гравитационному полю ранней вселенной. Они образуют гигантские секторы галактик, которые простираются на сотни миллионов световых лет по всей вселенной. В 2006 году эта работа принесла Джону Матеру и Джорджу Смуту - насовским ученым из Калифорнийского Университета, - нобелевскую премию по физике.

Следующее исследование реликтового излучения носило название Wilkinson Microware Anisotropy Probe (WMAP). Техническая база значительно расширилась по сравнению с командой СОВЕ, и WMAP провели исследование всего неба, измеряя разницы температур микроволновой радиации, которая неуловимо распространилась по вселенной. На карте звездного неба горячие регионы помечены красным цветом, холодные - синим.

Сопоставляя эти наблюдения с теоретическими моделями вселенной, ученые сделали вывод, что вселенная - «плоская». То есть геометрия космического пространства соответствует евклидовой геометрии (параллельные прямые не пересекаются, соотношение окружности круга и его диаметра соответствует числу Пи и т.д.).

«Вздутие вселенной»

Проблема, имевшая место как в первом, так и во втором исследованиях, заключалась в том, что вселенная является слишком однородной. Как могли части вселенной, которые никогда не соприкасались друг с другом, прийти в равновесие по температурным показателям? Эти и другие проблемы можно решить, если предположить, что сразу после Большого взрыва вселенная одним скачком расширилась до невероятно больших размеров. Этот скачок получил название «вздутие вселенной».

Чтобы это вздутие могло произойти, вселенная на момент Большого взрыва должна была быть наполнена некой энергией, природа которой ещё не известна. Но независимо от её природы, модель «вздутия» показывает, что эта энергия должна была неравномерно распределиться в пространстве благодаря квантовому шуму, поднявшемуся, когда вселенная была ещё крайне мала. Эта модель в переложении на реальность становится видна благодаря фотонам, которые начали свободно двигаться в момент перераспределения на атомы. В результате, мы видим эту модель на снимках звездного неба, сделанных COBE и WMAP.

Но все это не дает ответа на вопрос о том, откуда берется энергия для вздутия. Трудность заключается в том, что вздутие уже прекратилось на момент образования атомов, и непрозрачность вселенной до этого момента - это та завеса, которая скрывает от нас эти интересные события. К счастью, у нас есть способ наблюдения вселенной без учета фотонов вообще. Гравитационные волны, информация о них - единственное, что не изменилось со времен Большого взрыва. Возможно, именно исследование этих волн приоткроет завесу тайны в этом вопросе. NASA, LISA и Big Bang Observer организуют ещё две миссии - их команды будут искать гравитационные поля эпохи «вздутия».

Темная энергия

В первые годы после исследования Хаббла и COBE картина Большого взрыва постепенно становилась все яснее. Но в 1996 году наблюдения самой дальней Сверхновой звезды изменили эту картину. Всегда предполагалось, что скорость расширения вселенной будет постепенно падать. Но наблюдения Сверхновой показали, что расширение вселенной не только не замедляется, а наоборот - ускоряется.

Галактики заставляет двигаться какая-то сила неизвестной природы. Эту силу стали называть Темной энергией. Является ли темная энергия видом динамического излучения, пока неизвестного науке, или она - порождение вакуума в пустом пространстве, или же она относится к общей относительности – всё это ещё предстоит узнать.