На гэтым касмічным тэлескопе Хаббл NASA / ESA паказаны масіўны кластар галактык PLCK_G308.3–20.2, які ярка свеціцца ў цемры. Менавіта так выглядаюць вялізныя ўчасткі далёкага Сусвету. Але наколькі далёкая Сусвет, як мы яе ведаем, у тым ліку і нябачная частка, працягваецца? (ESA / HUBBLE & NASA, RELICS; БЕЛАРУСЬ: D. COE ET AL.)

Спытайце ў Ітана: Наколькі вялікі ўвесь Сусвет, які не назіраецца?

Калі мы ведаем, наколькі вялікая назіральная Сусвет, чаму мы не можам зразумець, якая вялікая частка нябачнага назірання?

13,8 мільярда гадоў таму адбыўся Вялікі выбух. Сусвет была напоўнена рэчывам, антыматэрыяй, выпраменьваннем і існавала ў спякотным, ультрагустым, але пашыральным і астуджальным стане. На сённяшні дзень аб'ём, які змяшчае нашу назіральную Сусвет, павялічыўся ў радыусе 46 мільярдаў светлавых гадоў, пры гэтым святло, якое ўпершыню паступае ў нашы вочы, адпавядае мяжы таго, што мы можам вымераць. Але што ляжыць далей? Што наконт непрыкметнай Сусвету? Вось што хоча ведаць Грэй Брайан:

Мы ведаем памеры назіральнай Сусвету, бо ведаем узрост Сусвету (прынамсі, са змены фазы) і ведаем, што выпраменьвае святло. […] Маё пытанне, я думаю, чаму матэматыка, якая ўдзельнічае ў распрацоўцы CMB і іншыя прагнозы, па сутнасці, не распавядае нам пра памер Сусвету? Мы ведаем, як горача было і як цяпер крута. Ці не маштаб ўплывае на гэтыя разлікі?

Ах, калі б усё было так проста.

Гісторыя Сусвету, калі мы бачым з дапамогай розных інструментаў і тэлескопаў, была добра вызначана. Але нашы назіранні могуць толькі таўталагічна даць нам доказы аб назіраных частках. Усё астатняе павінна быць зроблена, і гэтыя высновы такія ж добрыя, як і здагадкі, якія ляжаць у іх аснове (SLOAN DIGITAL SKY ANVVEY)

Сусвет сёння халодны і нязграбны, але ён таксама пашыраецца і гравітацыя. Калі мы глядзім на большыя і вялікія адлегласці, мы бачым рэчы, якія былі не толькі далёка, але і назад у часе, дзякуючы канчатковай хуткасці святла. Больш аддаленая Сусвет менш грудкаватая і больш аднастайная, у яе менш часу для фарміравання больш складаных структур, для запатрабавання якіх гравітацыя патрабуе больш часу.

Ранняя, далёкая Сусвет была таксама гарачая. Сусвет, якая пашыраецца, прымушае усё святло, якое рухаецца па Сусвеце, расцягвацца на даўжыню хвалі. Па меры расцяжэння даўжыні хвалі яна губляе энергію, становячыся халадней. Гэта азначае, што Сусвет быў больш гарачым у далёкім мінулым, што мы пацвердзілі, назіраючы за аддаленымі асаблівасцямі ў Сусвеце.

Даследаванне 2011 года (чырвоныя кропкі) дало лепшае сведчанне на сённяшні дзень, што ў мінулым ЦМБ раней павышала тэмпературу. Спектральныя і тэмпературныя ўласцівасці далёкага святла пацвярджаюць, што мы жывем у пашыранай прасторы. (P. NOTERDAEME, P. PETITJEAN, R. SRIANAND, C. LEDOUX and S. LÓPEZ, (2011). ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 526, L7)

Мы можам вымераць тэмпературу Сусвету, як сёння, праз 13,8 мільярда гадоў пасля Вялікага выбуху, гледзячы на ​​рэшткі радыяцыі гэтага гарачага, шчыльнага, ранняга стану. Сёння гэта выяўляецца ў мікрахвалевай частцы спектру і называецца касмічны мікрахвалевы фон. Прыйшоўшы з спектрам чорных целаў і тэмпературай 2,725 К, лёгка пацвердзіць, што гэтыя назіранні з неверагоднай дакладнасцю адпавядаюць прагнозам, якія вынікаюць з мадэлі Вялікага выбуху нашага Сусвету.

Фактычнае святло Сонца (жоўтая крывая, злева) у параўнанні з дасканалым чорным целам (у шэрым колеры), што паказвае, што Сонца больш серыі чорных целаў з-за таўшчыні яго фотасферы; справа - сапраўдны ідэальны чорны корпус CMB, вымераны спадарожнікам COBE. Звярніце ўвагу, што

Больш за тое, мы ведаем, як гэта выпраменьванне развіваецца ў энергіі па меры пашырэння Сусвету. Энергія фатона прама прапарцыйная зваротнай яго даўжыні хвалі. Калі Сусвет была ўдвая меншай, яе фатоны з Вялікага выбуху ўдвая перавышаюць энергію, а калі Сусвет складае 10% ад свайго цяперашняга памеру, у іх фатоны былі ў дзесяць разоў больш энергіі. Калі мы гатовы вярнуцца да таго, калі Сусвет складае ўсяго 0,09% ад яе цяперашняга памеру, мы знойдзем Сусвет, які ў 1089 разоў гарачы, чым сёння: прыблізна 3000 К. Пры гэтых тэмпературах Сусвет досыць гарачы, каб іянізаваць. усе атамы ў ім. Замест цвёрдага, вадкага або газавага рэчыва ўся Сусвет знаходзілася ў выглядзе іянізаванай плазмы.

Сусвет, дзе электроны і пратоны свабодныя і сутыкаюцца з пераходамі фатонаў у нейтральны, які празрысты для фатонаў, калі Сусвет пашыраецца і астывае. Тут паказана іянізаваная плазма (L) перад тым, як выкідваецца КМБ з наступным пераходам у нейтральную Сусвет (R), празрыстую для фатонаў. (AMANDA YOHO)

Сёння мы даведаемся пра тры рэчы ў тандэме:

  1. Як хутка Сусвет пашыраецца сёння, мы можам вымераць некалькі метадаў,
  2. Наколькі гарачая Сусвет сёння, пра што мы ведаем, гледзячы на ​​выпраменьванне касмічнага мікрахвалевага фону,
  3. і з чаго ствараецца Сусвет, уключаючы матэрыю, выпраменьванне, нейтрына, антыматэрыю, цёмную матэрыю, цёмную энергію і шмат іншага.

Забраўшы Сусвет, які мы маем сёння, мы можам экстрапаляваць назад да самых ранніх этапаў гарачага Вялікага выбуху і разам дасягнуць лічбы як для ўзросту, так і для памеру Сусвету.

Памер Сусвету ў светлавыя гады супраць часу, які прайшоў пасля Вялікага выбуху. Гэта прадстаўлена ў лагарыфмічным маштабе з шэрагам важных падзей, якія адзначаюцца для нагляднасці. Гэта тычыцца толькі назіральнай Сусвету. (Э. SIEGEL)

З поўнага набору назіранняў, уключаючы касмічны мікрахвалевы фон, а таксама з улікам дадзеных звышновых, маштабных абследаванняў структур і акустычных ваганняў барыёна, сярод іншых, мы атрымліваем нашу Сусвет. 13,8 мільярда гадоў пасля Вялікага выбуху, цяпер у радыусе 46,1 мільярда светлавых гадоў. Гэта мяжа таго, што можна назіраць. Любы далей, і нават нешта рухаецца са хуткасцю святла, бо з моманту гарачага Вялікага выбуху не было б дастаткова часу, каб дабрацца да нас. З цягам часу ўзрост і памер Сусвету будуць павялічвацца, але заўсёды будзе мяжа таго, што мы можам назіраць.

Лагарыфмічная канцэпцыя мастака пра назіральную Сусвет. Звярніце ўвагу, што мы абмежаваныя тым, наколькі далёка мы можам бачыць час, які адбыўся пасля гарачага Вялікага выбуху: 13,8 мільярда гадоў або (уключаючы пашырэнне Сусвету) 46 мільярдаў светлавых гадоў. Кожны, хто жыве ў нашым Сусвеце, у любым месцы, убачыў бы практычна тое самае са свайго пункту гледжання. (WIKIPEDIA USER PABLO CARLOS BUDASSI)

Дык што ж можна сказаць пра тую частку Сусвету, якая выходзіць за межы нашых назіранняў? Мы можам рабіць толькі высновы на падставе законаў фізікі, наколькі мы іх ведаем, і рэчаў, якія мы можам вымераць у нашай назіральнай Сусвеце. Напрыклад, мы назіраем, што Сусвет прасторава плоскі на найбуйнейшых маштабах: ён ні станоўча, ні адмоўна выгнуты, з дакладнасцю да 0,25%. Калі выказаць здагадку, што нашы цяперашнія законы фізікі правільныя, мы можам усталяваць абмежаванні ў тым, наколькі вялікі, па меншай меры, павінен быць Сусвет, перш чым ён адкруціць сябе.

Велічыні гарачых і халодных кропак, а таксама іх маштабы паказваюць на крывізну Сусвету. Па меры магчымасцей мы лічым, што ён будзе ідэальна роўным. Акустычныя ваганні Барыёна забяспечваюць іншы метад, каб стрымліваць гэта, але з падобнымі вынікамі (SMOOT COSMOLOGY GROUP / LBL)

Назіранні з апытання лічбавага неба Sloan і спадарожніка Планка - гэта тое, дзе мы атрымліваем лепшыя дадзеныя. Яны кажуць нам, што калі Сусвет сама закручваецца і зачыняецца, то частка, якую мы бачым, настолькі адрозніваецца ад «нязкручанай», што яна можа быць прынамсі ў 250 разоў радыусам назіранай часткі.

Гэта азначае, што Сусвет, які не назіраецца, пры ўмове, што не існуе тапалагічных дзівацтваў, павінен мець дыяметр не менш за 23 трлн светлавых гадоў і ўтрымліваць аб'ём прасторы, які ў 15 мільёнаў разоў большы за аб'ём, які мы можам назіраць. Аднак, калі мы хочам разважаць, мы можам пераканаўча сцвярджаць, што Сусвет, які не назіраецца, павінен быць значна большым за гэта.

З нашага пункту гледжання Сусвет, які можна назіраць, можа мець 46 мільярдаў светлавых гадоў ва ўсіх напрамках, але, безумоўна, ёсць і больш, не назіраецца, магчыма, нават бясконцая колькасць, як і наша. З цягам часу мы зможам убачыць крыху, але не шмат, большага. (FRÉDÉRIC MICHEL AND ANDREW Z. COLVIN, АНОВАЦЫІ Э. СІГЕЛ)

Гарачы Вялікі выбух можа стаць пачаткам назіральнай Сусвету, як мы яго ведаем, але гэта не азначае зараджэння прасторы і часу. Да Вялікага выбуху Сусвет перажыла перыяд касмічнай інфляцыі. Замест таго, каб напоўніцца матэрыяй і выпраменьваннем, а замест таго, каб быць гарачым, Сусвет была:

  • напоўнены энергіяй, уласцівай самой прасторы,
  • пашыраецца з пастаяннай, экспанентнай хуткасцю,
  • і стварыць новую прастору так хутка, што найменшая маштабная даўжыня фізічнай даўжыні, даўжыня Планка, будзе расцягвацца да памераў назіранай Сусвету кожныя 10–32 секунды.
Інфляцыя прыводзіць да таго, што прастора пашыраецца ў геаметрычнай прагрэсіі, што можа вельмі хутка прывесці да таго, што любое раней выгнутае або нягладкае прастору выглядае плоскім. Калі Сусвет выгнутая, ён мае радыус крывізны, як мінімум, у сотні разоў большы, чым тое, што мы можам назіраць. (Э. SIEGEL (L); КУСМАЛОГІЯ НАЦІОНАЛЬНАГА ПРАВА (R))

Гэта праўда, што ў нашым рэгіёне Сусвету інфляцыя скончылася. Але ёсць тры пытанні, на якія мы не ведаем адказу, якія аказваюць велізарнае ўздзеянне на тое, наколькі вялікая Сусвет сапраўды, і бясконца яна, ці не.

  1. Наколькі вялікі быў рэгіён Сусвету, пасля інфляцыі, які стварыў наш гарачы Вялікі выбух?
  2. Ці правільная ідэя "вечнай інфляцыі", калі Сусвет вечна надзімаецца ў будучыню прынамсі ў некаторых рэгіёнах?
  3. І, нарэшце, колькі доўжылася інфляцыя да яе заканчэння і ў выніку гарачага Вялікага выбуху?

Цалкам магчыма, што Сусвет, дзе адбылася інфляцыя, ледзь дасягнула памераў, большых, чым мы можам назіраць. Не выключана, што любы год сведчанні "краю" таго, дзе адбылася інфляцыя, спраўдзяцца. Але таксама магчыма, што Сусвет у разы больш, чым тое, што мы можам назіраць. Пакуль мы не зможам адказаць на гэтыя пытанні, мы ніколі не даведаемся.

Велізарная колькасць асобных рэгіёнаў, дзе адбываюцца Вялікія выбухі, аддзяляюцца пастаянным надзіманнем прасторы ў вечнай інфляцыі. Але мы паняцця не маем, як праверыць, вымераць ці атрымаць доступ да таго, што знаходзіцца па-за межамі нашага назіральнага Сусвету. (ОЗЫТЫВЫ - ГРАМАДСКІ ДАМЕЙН)

Акрамя таго, што мы бачым, мы моцна падазраем, што Сусвет ёсць значна больш, як і наш, з тымі ж законамі фізікі, тымі ж тыпамі фізічных, касмічных структур і тымі ж шанцамі на складанае жыццё. Таксама павінна быць абмежаваны памер і маштаб да "бурбалкі", у якім скончылася інфляцыя, і экспанентна велізарная колькасць такіх бурбалак, якія змяшчаюцца ў большым, надзіманым прасторы-часе. Але як мага неверагодна вялікая, чым уся Сусвет - альбо Мультысвет, калі вам больш падабаецца - гэта можа быць не бясконца. На самай справе, калі інфляцыя не доўжылася па-сапраўднаму бясконца шмат часу, альбо Сусвет нарадзілася бясконца шмат, Сусвет павінна была быць па меры маштабаў.

Як мага большая наша назіральная Сусвет і столькі, колькі мы бачым, гэта толькі маленькая частка таго, што павінна быць там. (NASA, ESA, R. WINDHORST, S. COHEN, M. MECHTLEY (ASU), R. O'CONNELL (UVA), P. MCCARTHY (CARNEGIE OBS), N. HATHI (UC RIVERSIDE), R. RYAN ( UC DAVIS) і H. YAN (TOSU))

Самая вялікая праблема, аднак, у тым, што мы не маем дастатковай інфармацыі, каб канчаткова адказаць на пытанне. Мы ведаем толькі, як атрымаць доступ да інфармацыі, наяўнай у нашым назіральным Сусвеце: тых 46 мільярдаў светлавых гадоў ва ўсіх напрамках. Адказ на самае вялікае з усіх пытанняў, незалежна ад таго, ці ёсць Сусвет канчатковым альбо бясконцым, можа быць закадаваны ў самой Сусвеце, але мы не можам атрымаць да гэтага дастаткова, каб ведаць. Пакуль мы альбо не высвятлім гэта, альбо не прыдумаем разумную схему, каб пашырыць тое, на што мы ведаем, фізіка здольная.

Дасылайце пытанні, якія задаюць Ітана, на startwithabang па адрасе gmail dot com!

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".