Космология изучает Вселенную как единую физическую систему: ее происхождение, состав, строение, развитие и возможное будущее. Ученые сопоставляют наблюдения за галактиками, реликтовым излучением и крупномасштабной структурой космоса с математическими моделями, чтобы понять, как менялась Вселенная на протяжении почти 13,8 млрд лет.
Космология находится на пересечении астрономии, физики и математики.
Основная современная модель — ΛCDM, описывающая расширяющуюся Вселенную с холодной темной материей и темной энергией.
Обычное вещество составляет около 5% содержимого Вселенной, темная материя — около 27%, темная энергия — около 68%.
Расширение пространства подтверждают красные смещения галактик и другие независимые наблюдения.
Реликтовое излучение сохранило сведения о Вселенной в возрасте примерно 380 тысяч лет.
Природа темной материи и темной энергии пока неизвестна.
Что такое космология и что изучает эта наука
Космология — раздел астрономии, который рассматривает Вселенную целиком. Астрофизика может изучать свойства отдельной звезды, черной дыры или галактики, а космология работает с другими масштабами. В сфере интересов — общая геометрия пространства, распределение вещества, история расширения и закономерности формирования крупных структур.
Объект космологии нельзя изолировать и повторно исследовать в лаборатории. Вселенная существует в единственном экземпляре, а наблюдатель находится внутри нее. Поэтому ученые восстанавливают ее историю по свету, который дошел до Земли из разных эпох. Чем дальше расположен объект, тем дольше его излучение было в пути и тем более раннее состояние космоса мы видим.
Космология отвечает на несколько групп вопросов:
Когда и при каких условиях началось расширение Вселенной.
Как возникли первые атомные ядра, атомы, звезды и галактики.
Почему галактики образуют нити, стены, скопления и огромные пустоты.
Из чего состоят темная материя и темная энергия.
Как менялась скорость расширения пространства.
Как геометрия Вселенной связана с количеством вещества и энергии.
Будет ли расширение продолжаться вечно.
История развития космологии
Первые представления об устройстве мира были частью мифологии и философии. Люди объясняли происхождение неба и Земли через действия богов, первичные стихии или циклическое рождение мира. Научная космология появилась значительно позже, когда устройство космоса начали описывать с помощью измерений и математических законов.
В античности большинство ученых придерживалось геоцентрической картины: неподвижная Земля находилась в центре мира, а светила обращались вокруг нее. Аристарх Самосский предложил гелиоцентрическую систему, но она не получила широкого признания. В Средние века европейская и арабская астрономия развивала сложные математические модели движения планет, но Земля неизменно оставалась в центре.
Переход к новой картине мира начался в XVI—XVII веках. Николай Коперник поместил в центр планетной системы Солнце, Иоганн Кеплер описал движение планет по эллиптическим орбитам, а наблюдения Галилея показали, что не все небесные тела обращаются вокруг Земли. Исаак Ньютон связал земную и небесную механику единым законом всемирного тяготения.
Однако даже ньютоновская физика еще не позволила составить полноценные представления о модели Вселенной. Современная космология сформировалась в XX веке после появления общей теории относительности. Для наглядности приведем историю развития в таблице.
| Античность | Возникли первые геометрические модели космоса и споры между геоцентризмом и гелиоцентризмом |
| XVI—XVII века | Коперник, Кеплер и Галилей утвердили гелиоцентрическую систему |
| XVII век | Ньютон объяснил движение небесных тел законом тяготения |
| 1917 год | Эйнштейн применил общую теорию относительности к Вселенной |
| 1922—1924 годы | Александр Фридман получил решения для нестационарной, расширяющейся Вселенной |
| 1920-е годы | Жорж Леметр связал расширение с наблюдаемыми скоростями галактик |
| 1929 год | Эдвин Хаббл показал зависимость между расстоянием до галактики и ее красным смещением |
| 1965 год | Арно Пензиас и Роберт Вильсон обнаружили реликтовое излучение |
| Конец 1990-х | Наблюдения сверхновых показали, что расширение Вселенной ускоряется |
| XXI век | COBE, WMAP, Planck, DESI и другие проекты превратили космологию в точную науку |
Основы современной космологии
Современное описание Вселенной опирается на общую теорию относительности, космологический принцип и результаты астрономических наблюдений.
Космологический принцип предполагает, что на достаточно больших масштабах Вселенная однородна и изотропна. Это не означает, что галактики распределены равномерно в каждом участке пространства. На меньших масштабах они образуют группы, скопления и протяженные нити. Но при усреднении по огромным объемам выделенного направления или особой области не обнаруживается.
Основной рабочей моделью считается ΛCDM. Буква Λ обозначает космологическую постоянную, связанную с темной энергией, а CDM — холодную темную материю. Модель сравнительно проста, но хорошо описывает реликтовое излучение, распределение галактик, формирование крупномасштабной структуры и современную скорость расширения.
Из чего состоит Вселенная
Обычные атомы, из которых состоят звезды, планеты, газ, пыль и живые организмы, дают лишь небольшую часть общего баланса массы и энергии. Около 68% приходится на долю темной энергии, 27% — темной материи, еще 5% составляет обычное вещество.
Обычное вещество состоит из частиц, входящих в атомы. При этом большая его часть находится не в звездах и планетах, а в разреженном газе между галактиками и внутри их скоплений.
Темная материя не испускает и не отражает свет, но проявляет себя через гравитацию. Без ее дополнительного притяжения трудно объяснить скорости звезд в галактиках, движение галактик в скоплениях и искривление света при гравитационном линзировании. Темная материя также участвует в формировании космической паутины, создавая гравитационную основу для скопления обычного вещества. Ее состав пока не установлен. Среди возможных кандидатов рассматривают новые элементарные частицы и первичные черные дыры.
Темная энергия — условное название причины ускоренного расширения Вселенной. В стандартной модели ей соответствует космологическая постоянная: неизменная плотность энергии, связанная с самим пространством. Но наблюдения пока не позволяют окончательно исключить другие варианты, включая изменяющееся поле или необходимость скорректировать теорию гравитации на космологических расстояниях.
Расширение Вселенной
Свет удаленных галактик смещен в красную область спектра. Для очень далеких объектов это смещение связано прежде всего не с обычным движением через пространство, а с растяжением длины волны вместе с расширяющимся пространством.
На небольших космологических расстояниях скорость удаления галактики приблизительно пропорциональна расстоянию до нее. Коэффициент в этой зависимости называют постоянной Хаббла. Ее значение показывает современный темп расширения Вселенной.
Расширение не действует одинаково на всех масштабах. Гравитационно связанные системы — атомы, планеты, Солнечная система, отдельные галактики — не растягиваются вместе с космосом. Расширение становится заметным на расстояниях между галактиками и их скоплениями.
Большой взрыв
Большой взрыв — не взрыв вещества в пустом пространстве, а раннее горячее и плотное состояние расширяющейся Вселенной. Современная космология достаточно подробно описывает ее последующее развитие, но не дает проверенного ответа на вопрос о происхождении Вселенной и событиях в самый первый момент.
По мере расширения Вселенная остывала. В первые минуты сформировались ядра преимущественно водорода и гелия. Примерно через 380 тысяч лет электроны смогли соединиться с ядрами, образовав нейтральные атомы. Пространство стало прозрачным для света, который сегодня наблюдается как космическое микроволновое, или реликтовое, излучение. Его современная температура составляет около 2,7 К.
Первые звезды появились через сотни миллионов лет после Большого взрыва. Их излучение вновь ионизировало межгалактический газ. Затем гравитация постепенно собрала вещество в галактики, скопления и космическую паутину.
Реликтовое излучение
Реликтовое излучение приходит почти равномерно со всех направлений, но его температура различается в разных областях на стотысячные доли. Эти слабые неоднородности отражают распределение вещества в молодой Вселенной. Со временем из более плотных участков сформировались галактики и их скопления.
Спутники COBE, WMAP и Planck последовательно уточняли карту микроволнового фона. Planck измерял температуру и поляризацию излучения по всему небу и позволил с высокой точностью определить параметры стандартной космологической модели.
Возраст и размеры Вселенной
Возраст Вселенной оценивается примерно в 13,8 млрд лет. Эта величина получается из модели расширения, параметров реликтового излучения и других наблюдений.
Наблюдаемая Вселенная при этом значительно больше 13,8 млрд световых лет в радиусе. Пока свет летел к Земле, пространство расширялось, поэтому современные расстояния до областей, испустивших самый древний доступный свет, превышают простой результат умножения возраста Вселенной на скорость света.
Наблюдаемая часть не обязательно совпадает со всей Вселенной. Мы ограничены расстоянием, с которого свет успел дойти до нас. За космологическим горизонтом могут находиться другие области, но получить от них сигнал сейчас невозможно.
Актуальные вопросы и проблемы космологии
Несмотря на успехи современной космологии, несколько ключевых вопросов остаются без ответа:
Природа темной материи. Ее существование следует из движения звезд и галактик, гравитационного линзирования и распределения вещества во Вселенной. Однако частицы темной материи пока не обнаружены. Среди возможных кандидатов рассматривают аксионы и слабовзаимодействующие массивные частицы, а альтернативные теории предлагают изменить законы гравитации.
Свойства темной энергии. В модели ΛCDM она описывается космологической постоянной. Данные DESI допускают, что ее влияние могло меняться со временем, но статистической значимости пока недостаточно для признания открытия.
Напряжение Хаббла. Измерения скорости расширения Вселенной по реликтовому излучению дают более низкое значение постоянной Хаббла, чем наблюдения цефеид и сверхновых. Причина расхождения пока не установлена.
Самые ранние этапы эволюции. Общая теория относительности не позволяет надежно описать планковскую эпоху. Для этого нужна квантовая теория гравитации. Инфляция объясняет однородность Вселенной и происхождение первичных неоднородностей, но ее точный механизм неизвестен.
Будущее Вселенной. Если темная энергия постоянна, ускоренное расширение продолжится. Если ее свойства меняются, возможны другие сценарии — от более быстрого расширения до последующего сжатия.
Вопросы и ответы
В разделе ответили на вопросы о космологии.
Чем космология отличается от астрономии?
Астрономия изучает небесные тела и явления во всем их разнообразии. Космология входит в нее как отдельное направление и рассматривает Вселенную целиком: ее возраст, состав, геометрию, расширение, крупномасштабную структуру и эволюцию.
Что является основой современной космологии?
Главную теоретическую основу дает общая теория относительности. Наблюдательной основой служат красные смещения галактик, реликтовое излучение, сверхновые типа Ia, распределение галактик, гравитационное линзирование и другие измерения.
Почему космологи считают, что Вселенная расширяется?
Свет большинства далеких галактик имеет космологическое красное смещение, величина которого связана с расстоянием. Эту картину подтверждают наблюдения сверхновых, реликтового излучения и распределения галактик. Вместе они показывают, что масштаб пространства увеличивается со временем.