Про Всесвіт

Згідно з найвизнанішою на сьогодні космологічною моделлю, Всесвіт виник у результаті так званого Великого вибуху. До Великого вибуху не було простору і часу. Лише після Великого вибуху Всесвіт почав розширюватися, створюючи той простір і час у чотиривимірному вимірі, який і називається «простір — час». Так як з наукової точки зору немає сенсу ставити питання, що було до Всесвіту, в цьому ж сенсі не треба питати, що було за її межами, тому що «меж» не існувало. Всесвіт розширюється не в просторі, він розширюється разом з простором. Періодом Великого вибуху умовно називають інтервал часу від «нуля» до декількох сотень секунд. Сучасні наукові знання не дозволяють проникнути в ту мить, коли почався Великий вибух, і вловити ту частку секунди, яка була до «нуля». Відомі нам закони фізики не в змозі пояснити, що сталося в період між початком Великого вибуху і миттю через 10-43 секунд після його початку (цю неймовірно малу частину секунди, відображену дробом з одиницею в чисельнику і одиницею з 43 нулями в знаменнику, називають часом Планка), як, втім, не в змозі створити й теорію самого початку Великого вибуху. У мить 10-43 секунди Всесвіт був нескінченно малим, гарячим і щільним. У наступну мізерно малу частку секунди він сильно змінився — розширився від нескінченно малих розмірів до розмірів грейпфрута з виділенням енергії і елементарних частинок — кварків і антикварків.

До того моменту, коли Всесвіт прожив десятитисячну частину секунди, з кварків утворилися протони і нейтрони. Через секунду після початку Великого вибуху температура знизилася до 10 мільярдів градусів; у Всесвіті переважали випромінювання і такі легкі частинки, як електрони і їх античастинки (позитрони). Трохи більше ніж через хвилину після початку Великого вибуху протони і нейтрони почали з’єднуватися між собою, утворюючи ядра гелію, що складаються з двох протонів і двох нейтронів. Велика частина ядер гелію, які існують по сьогоднішній день у Всесвіті, утворилася в першу чверть години після початку Великого вибуху. І лише через 300-500 тисяч років, коли Всесвіт, розширившись, охолола до температури 3000 градусів Кельвіна, електрони стали з’єднуватися з ядрами водню і гелію, утворюючи перші атоми, відбулося «розрідження» космічної хмари і Всесвіт вперше став прозорим для світла.

У 2003 році за допомогою запущеного NASA (Національним управлінням США з аеронавтики і дослідженню космічного простору) космічного зонда, оснащеного спеціальною апаратурою, були проведені вимірювання температури фонового мікрохвильового (реліктового) випромінювання з точністю до мільйонної частки градуса. Результати цих вимірювань дозволили встановити, що вік Всесвіту становить 13,7 мільярда років і що формування першого покоління зірок почалося через 200 мільйонів років після Великого вибуху.

Вивчення скупчень і над-скупчень галактик дозволяє створити модель Всесвіту у великому масштабі, тобто визначити, як розподіляється матерія всередині дуже великого простору. У цьому сенсі найбільш значний результат, отриманий космологією за останні 50 років і полягає в тому, що Всесвіт, схоже, складається з великих порожніх бульбашок, що перетинаються одна з одною, в результаті чого вони нагадують губку. У такому контексті скупчення і над-скупчення галактик розподіляються по стінках бульбашок, утворюючи волокнисті структури довжиною в десятки мільйонів світлових років. Ці бульбашки є порожнини, які містять темну матерію. Вивчення динаміки руху галактик (їх взаємного видалення, викликаного розширенням Всесвіту) показало, що в напрямку сузір’я Стрільця, мабуть, існує величезна концентрація матерії, так звана велика точка тяжіння, яка своєю гравітацією притягує навіть Місцеве над-скупчення галактик.

Найбільш поширеними у Всесвіті є найлегші елементи — водень і гелій. Сонце, зірки, міжзоряний газ по числу атомів на 99 відсотків складаються з них. На частку всіх інших, в тому числі найскладніших «важких», елементів припадає менше 1 відсотка. По масі 76,5 відсотка припадає на водень, 21,5 відсотка — на гелій, 0,3 відсотка — на неон, 0,82 відсотка — на кисень, 0,34 відсотка — на вуглець, 0,12 відсотка — на азот, 0,12 відсотка — на залізо, 0,07 відсотка — на кремній, 0,06 відсотка — на магній, 0,04 відсотка — на сірку. Залишок — 0,13 відсотка — припадає на всі інші елементи. Таким чином, найпоширенішим у Всесвіті хімічним елементом є водень. Невидимий неозброєним оком, цей газ може бути виявлений за допомогою радіотелескопів по випущеним радіохвилям довжиною 21 сантиметр. Водень заповнює майже весь міжзоряний простір, проте він неймовірно розріджений: всього один атом на 10 або навіть 100 кубічних сантиметрів. Тим не менш, оскільки міжзоряний простір величезний, великий і загальний обсяг газу. Деякі водневі хмари «гарячі», вони мають температуру до 7500 градусів, в рідкісних випадках температура водню доходить до мільйонів градусів. Існують також водневі хмари більшої щільності, в яких на 1 кубічний сантиметр припадає від 10 до 100 атомів. Ці хмари набагато холодніші: їх температура може опускатися до — 200 градусів Цельсія.

У 1997 році шведські й американські астрономи, вивчаючи туманність Бумеранг за допомогою великого телескопу, встановленого в Чилі, виявили, що околиці цієї туманності — найхолодніше місце у Всесвіті. Температура газу становить тут менш 3 градусів Кельвіна, тобто нижче мінус 270 градусів Цельсія. У земних лабораторіях отримані і більш низькі температури, але в природі більшого холоду не знайдено. Туманність Бумеранг є хмарою газу і пилу, що викидається вмираючою зіркою зі швидкістю більше 150 кілометрів на секунду. Ця хмара охолоджується в результаті того самого процесу, що і в домашніх компресійних холодильниках — в результаті швидкого розширення газу.

Відкритий Ісааком Ньютоном у XVII столітті закон всесвітнього тяжіння є одним з універсальних законів природи. Згідно з цим законом, всі матеріальні тіла притягають одне одного, причому величина сили тяжіння не залежить від фізичних і хімічних властивостей тіл, від стану їх руху, від властивостей середовища, де знаходяться тіла. На Землі тяжіння проявляється насамперед в існуванні сили тяжіння, що є результатом тяжіння всякого матеріального тіла Землею. Формулюється закон всесвітнього тяжіння наступним чином: кожні дві матеріальні частки притягують один одного з силою, прямо пропорційною їх мас і обернено пропорційною квадрату відстані між ними; сила спрямована вздовж прямої, що з’єднує ці частки. Коефіцієнт пропорційності у зазначеному співвідношенні називають універсальною гравітаційною сталою. Під «частинки» маються на увазі тіла, розміри яких пренебрежимо малі в порівнянні з відстанями між ними, тобто матеріальні точки. З відкриттям закону всесвітнього тяжіння емпірично відкриті Кеплером закони руху планет, які досі не мали пояснення, звелися до дії на планети однієї-єдиної сили, спрямованої до Сонця. Дія цього ж закону обумовлює рух всіх інших тіл Сонячної системи (супутників планет, астероїдів, комет, метеоритів), а також взаємне рух будь-якої іншої пари об’єктів у Всесвіті (зірок, галактик, скупчень галактик).

Астрономи здатні безпосередньо спостерігати тільки об’єкти, що випускають електромагнітне випромінювання, у тому числі світло (одне з небагатьох виключень — нейтрино). Однак значна частина космічного речовини може і сама не випромінювати світла і не висвітлюватися близькою зіркою, залишатися цілком непрозорою і не відображати ніякого випромінювання (як, наприклад, це відбувається з вугіллям). Або, навпаки, бути настільки прозорою, що її неможливо помітити і при освітленні (наприклад, якщо вона складається з ряду кристалів, газу або елементарних частинок). В астрономії, а ще частіше в космології таку матерію називають темною. Тим не менш у темній матерії відбуваються якісь процеси, оскільки різні форми матерії та енергії проявляються у взаємозв’язку. Крім того, маса і гравітаційне поле темної матерії впливають на рух спостережуваних небесних об’єктів — зірок, галактик і їхніх скупчень. Спостереження наднових в далеких галактиках привели астрономів до висновку про прискорене характері розширення Всесвіту, що свідчить про наявність у ній також прихованої (темної) енергії. Згідно сучасним уявленням, видима (спостережувана) матерія складає всього близько 4 відсотків загальної маси Всесвіту, а решта її маса проявляється у формі темної матерії (близько 23 відсотків) і темної енергії (близько 73 відсотків).