Кирпичи мироздания
На карте Вальдземюллера, составленной в 1507 году, все континенты и океаны находятся на своих местах, было уже известно, что Земля круглая. Наше понимание с тех пор мало изменилось, мы знаем, где что находится, но не в курсе многих деталей.
Учение Коперника сместило Землю из центра Вселенной и поставило в среднестатистический ряд одной из планет звезды главной последовательности в спиральной галактике Млечный путь. Возраст Солнца около 5 млрд лет, это примерно половина его жизненного пути, и проживет оно еще столько же, пока не раздуется и превратится в красный гигант. Млечный путь состоит из 300 млрд звезд и имеет форму диска с поперечником в 1000000 км. В центре, вокруг которого происходит вращение, находится черная дыра в 6-10 млн раз массивнее Солнца, сжатая до размера 1 млн км. Наша галактика совершает полный оборот вокруг своего центра примерно каждые 200 млн лет.
Галактики также вращаются вокруг общего центра масс, они бывают различных размеров и форм, двойные, тройные, находящиеся в состоянии слияния. Это постоянно изменяющиеся структуры, в которых происходит процесс создания звезд. Предполагается, что в наблюдаемой Вселенной от одного до трех триллионов галактик.
Искусство картографирования
Получить снимок Вселенной целиком и сразу невозможно, потому что скорость света конечна. Картографирование происходит путем заполнения пустот с помощью отрезков пространства, полученных в обсерваториях и телескопами-спутниками. Отдельные пазлы дополняют друг друга и складываются в общую картину. На фотографиях, сделанных с помощью телескопов Хаббл и Евклид, можно видеть галактики, которые излучали свет более 10 млрд лет назад, задолго до того, как сформировалась солнечная система. На расстоянии, примерно 13.7 млрд лет от нас Вселенная становится однородной, отсутствуют какие-либо образования, остается только равномерное излучение. Это микроволновое фоновое излучение с температурой 2.725 градусов Кельвина, которое обнаруживается в любом направлении космического пространства.
Около 100 лет назад Эдвином Хабблом и Джорджем Лемэтром было установлено, что Вселенная расширяется. Они изучали положения галактик и их скорости, и на основании полученных закономерностей сделали вывод - чем дальше галактики находятся от нас, тем быстрее они от нас удаляются. Таким образом, чем моложе была Вселенная, тем меньше был ее размер, 13.7 миллиардов лет назад ее габариты укладывались примерно в одну тысячную теперешних.
Динамика структуры Вселенной
Как долго Вселенная будет расширяться? Согласно уравнению Эйнштейна это зависит от баланса между искривлением пространства-времени и плотностью материи. Подсчет общей массы вселенского вещества привел к следующим результатам: все элементы тяжелее гелия составляют долю процента - 0.03%, масса звезд в сумме примерно - 0.5%, свободный водород и гелий - 4,5%. Все остальное, это темная материя - 25% и темная энергия - 70%.
То, что большая часть вещества состоит из темной материи и энергии, было установлено на основании математических расчётов. Доказательством существования темной материи является скорость вращения галактик, которая гораздо выше рассчитанной, при условии содержания в них только звездного вещества. Расчёт общей массы в галактических кластерах с помощью эффекта гравитационного линзирования также свидетельствует о наличии большого количества не наблюдаемой материи.
Подтверждением наличия темной энергии является космологический закон однородности и расширение Вселенной с возрастающей скоростью, это динамическое поле, которое растягивает пространство. Сила гравитации, под действием которой процесс постепенно замедлялся бы, здесь не работает.
Этапы эволюции Вселенной
Первые зерна структуры появились в период инфлатона, антигравитационной фазы, сформировавшей импульс для быстрого расширения, «большого взрыва», в классическом понимании теории. В течение 380 000 лет затем доминировала эра радиации. Вселенная представляла собой плазму, состоящую из фотонов, протонов, электронов и частиц темной материи. Температура достигала значений выше 3000 градусов по Кельвину. Атомы еще не существовали, фотоны находились в связанном состоянии внутри плазмы, свет не мог вырваться наружу.
По прошествии 380 000 лет с продолжением расширения температура понижалась, электроны и протоны начали соединяться, образуя атомы водорода, фотоны перешли в свободное состояние и Вселенная осветилась. Это реликтовое свечение, которому около 13.7 миллиард лет, мы наблюдаем до сих пор.
Квантовые флуктуации, которые образовались в период инфлатона и продолжили формироваться во время «большого взрыва», стали основой в последующей эволюции звезд и галактик. Потребовалось еще несколько миллиардов лет для создания многообразия их форм и структур.
Наблюдения телескопов по всему миру совершенствуют и дополняют представление о процессе формирования мироздания. Так телескоп Джеймс Уебб открыл новые галактики и черные дыры, которые на несколько миллиардов лет старше, чем это позволяет классическая космология. Их формирование было завершено уже через 300-400 млн лет после этапа большого взрыва и возраст составляет 13.2-13.5 млрд лет.
В настоящее время не существует общепринятого научного объяснения подобных аномалий. В качестве одного из вариантов предлагается циклическая модель Роджера Пенроуза, согласно которой Вселенная проходит через бесконечное число стадий расширения и коллапсов. Вновь открытые галактики, следовательно, могут быть объектами предыдущего цикла Вселенной, завершение которого стимулировало начало развития современного.