Wszechświat to ogromna przestrzeń wypełniona mgławicami, gromadami gwiazd, pojedynczymi gwiazdami, planetami z ich satelitami, różnymi kometami, asteroidami i ostatecznie próżnią, a także ciemną materią. Jest tak ogromna, że kompletność odpowiedzi na pytanie, jak duża, jest niestety ograniczona przez nasz obecny poziom rozwoju technologii. Jednak zrozumienie wielkości wszechświata wymaga zrozumienia kilku kluczowych czynników. Jednym z tych czynników jest na przykład zrozumienie, jak zachowuje się kosmos, a także zrozumienie, że to, co widzimy, to tak zwany „obserwowalny wszechświat”. Nie możemy poznać prawdziwych wymiarów Wszechświata, ponieważ nasze możliwości nie pozwalają nam dostrzec jego „krawędzi”.
Wszystko poza widzialnym Wszechświatem wciąż pozostaje dla nas tajemnicą i jest przedmiotem niekończących się debat i debat wśród astrofizyków z różnych dziedzin. Dzisiaj spróbujemy w prostych słowach wyjaśnić, do czego nauka doszła w chwili obecnej, jeśli chodzi o zrozumienie wymiarów Wszechświata, i spróbujemy odpowiedzieć na jedno z najbardziej palących i złożonych pytań dotyczących jego natury. Najpierw jednak przyjrzyjmy się podstawowym zasadom określania odległości w przestrzeni przez naukowców.
Połysk
Najprostszą metodą określenia odległości w przestrzeni jest użycie światła. Jeśli jednak weźmiemy pod uwagę sposób, w jaki światło przemieszcza się w kosmosie, to należy rozumieć, że te obiekty, które widzimy z Ziemi w kosmosie, niekoniecznie będą wyglądać tak samo. Rzeczywiście, zanim światło z odległych obiektów dotrze do naszej planety, może minąć dziesiątki, setki, tysiące, a nawet dziesiątki tysięcy lat.
Prędkość światła wynosi 300 000 kilometrów na sekundę, ale w przypadku przestrzeni, dla tak gigantycznej przestrzeni, pojęcie sekundy nie jest idealną wartością do zmierzenia. W astronomii do określenia odległości zwyczajowo używa się terminu rok świetlny. Jeden rok świetlny odpowiada w przybliżeniu odległości 9460730472,580,800 metrów i daje nam nie tylko wyobrażenie o odległości, ale także pozwala określić, ile czasu zajmie nam dotarcie do nas światła z obiektu.
Najprostszym przykładem różnic czasu i odległości jest światło Słońca. Średnia odległość od nas do Słońca wynosi około 150 000 000 kilometrów. Powiedzmy, że masz odpowiedni teleskop i ochronę oczu do obserwacji Słońca. Najważniejsze jest to, że wszystko, co zobaczysz przez teleskop, faktycznie wydarzyło się na Słońcu 8 minut temu (tyle światła potrzeba, aby dostać się na Ziemię). Światło Proximy Centauri? Dotrze do nas dopiero za cztery lata. Albo weźmy przynajmniej tak dużą gwiazdę jak Betelgeuse, która wkrótce stanie się supernową. Nawet gdyby to wydarzenie wydarzyło się teraz, nie wiedzielibyśmy o nim aż do połowy 27 wieku!
Film promocyjny:
Światło i jego właściwości odegrały kluczową rolę w zrozumieniu, jak ogromny jest wszechświat. W tej chwili nasze możliwości pozwalają nam zajrzeć do około 46 miliardów lat świetlnych obserwowalnego Wszechświata. W jaki sposób? Wszystko dzięki skali odległości stosowanej przez fizyków i astronomów w astronomii.
Skala odległości
Teleskopy to tylko jedno z narzędzi do pomiaru odległości kosmicznych i nie zawsze są w stanie sprostać temu zadaniu: im dalej znajduje się obiekt, tym odległość, do której chcemy zmierzyć, tym trudniej to zrobić. Teleskopy radiowe świetnie nadają się do mierzenia odległości i prowadzenia obserwacji tylko w naszym Układzie Słonecznym. Rzeczywiście są w stanie dostarczyć bardzo dokładne dane. Ale wystarczy skierować ich spojrzenie poza Układ Słoneczny, ponieważ ich skuteczność gwałtownie spada. Wobec tych wszystkich problemów astronomowie zdecydowali się na inną metodę pomiaru odległości - paralaksę.
Co to jest paralaksa? Wyjaśnijmy na prostym przykładzie. Najpierw zamknij jedno oko i spójrz na jakiś przedmiot, a następnie zamknij drugie oko i spójrz ponownie na ten sam przedmiot. Zauważyłeś niewielką „zmianę położenia” obiektu? To „przesunięcie” nazywane jest paralaksą, techniką używaną do określania odległości w przestrzeni. Metoda działa świetnie, jeśli chodzi o gwiazdy, które są stosunkowo blisko nas - mniej więcej w promieniu 100 lat świetlnych. Ale kiedy ta metoda również staje się nieskuteczna, naukowcy uciekają się do innych.
Kolejna metoda określania odległości nazywa się „metodą ciągu głównego”. Opiera się na naszej wiedzy o tym, jak gwiazdy o określonej wielkości zmieniają się w czasie. Naukowcy najpierw określają jasność i kolor gwiazdy, a następnie porównują wskaźniki z pobliskimi gwiazdami o podobnych cechach, uzyskując przybliżoną odległość na podstawie tych danych. Ponownie, ta metoda jest bardzo ograniczona i działa tylko w przypadku gwiazd należących do naszej galaktyki lub tych w promieniu 100 000 lat świetlnych.
Astronomowie polegają na metodzie pomiaru cefeid, aby spojrzeć dalej. Opiera się na odkryciu amerykańskiej astronomki Henrietty Swan Leavitt, która odkryła związek między okresem zmiany jasności a jasnością gwiazdy. Dzięki tym metodom wielu astronomów było w stanie obliczyć odległości do gwiazd nie tylko wewnątrz naszej galaktyki, ale także poza nią. W niektórych przypadkach mówimy o odległościach 10 milionów lat świetlnych.
A jednak nie zbliżyliśmy się jeszcze do kwestii rozmiaru wszechświata. Dlatego zwracamy się do ostatecznego narzędzia pomiarowego opartego na zasadzie przesunięcia ku czerwieni (lub przesunięcia ku czerwieni). Istota przesunięcia ku czerwieni jest podobna do zasady efektu Dopplera. Pomyśl o przejeździe kolejowym. Czy zauważyłeś kiedyś, jak dźwięk gwizdka pociągu zmienia się wraz z odległością, staje się silniejszy w miarę zbliżania się i cichszy, gdy się oddalasz?
Światło działa w podobny sposób. Spójrz na powyższy spektrogram, zobacz czarne linie? Wskazują granice pochłaniania koloru przez pierwiastki chemiczne w źródle światła i wokół niego. Im bardziej linie są przesunięte do czerwonej części widma, tym dalej obiekt jest od nas. Naukowcy używają również tych spektrogramów do określenia, jak szybko obiekt oddala się od nas.
Więc bezproblemowo dotarliśmy do naszej odpowiedzi. Większość przesuniętego ku czerwieni światła pochodzi z galaktyk, które mają około 13,8 miliarda lat.
Wiek nie jest najważniejszy
Jeśli po przeczytaniu doszedłeś do wniosku, że promień obserwowanego przez nas wszechświata wynosi tylko 13,8 miliarda lat świetlnych, to pominąłeś jeden ważny szczegół. Faktem jest, że podczas tych 13,8 miliardów lat po Wielkim Wybuchu wszechświat nadal się rozszerzał. Innymi słowy, oznacza to, że rzeczywisty rozmiar naszego Wszechświata jest znacznie większy niż wskazano w naszych oryginalnych pomiarach.
Dlatego, aby poznać rzeczywisty rozmiar Wszechświata, należy wziąć pod uwagę inny wskaźnik, a mianowicie, jak szybko Wszechświat rozszerzył się od czasu Wielkiego Wybuchu. Fizycy twierdzą, że w końcu byli w stanie wyliczyć niezbędne liczby i są przekonani, że promień widzialnego Wszechświata w tej chwili wynosi około 46,5 miliarda lat świetlnych.
To prawda, warto również zauważyć, że obliczenia te opierają się tylko na tym, co my sami widzimy. Dokładniej, potrafią dostrzec w głębi przestrzeni. Te obliczenia nie dają odpowiedzi na pytanie o prawdziwą wielkość wszechświata. Ponadto naukowcy zastanawiają się nad pewną rozbieżnością, zgodnie z którą bardziej odległe galaktyki w naszym Wszechświecie są zbyt dobrze uformowane, aby można było uznać, że pojawiły się one natychmiast po Wielkim Wybuchu. Na tym poziomie rozwoju zajęło to znacznie więcej czasu.
Może po prostu nie widzimy wszystkiego?
Wspomniany wyżej niewytłumaczalny fakt otwiera całą serię nowych problemów. Niektórzy naukowcy próbowali obliczyć, ile czasu zajmie rozwój tych w pełni uformowanych galaktyk. Na przykład naukowcy z Oxfordu doszli do wniosku, że rozmiar całego wszechświata może być 250 razy większy od obserwowanego.
Rzeczywiście jesteśmy w stanie zmierzyć odległości do obiektów w obserwowalnym wszechświecie, ale nie wiemy, co leży poza tą granicą. Oczywiście nikt nie mówi, że naukowcy nie próbują tego rozgryźć, ale, jak wspomniano powyżej, nasze możliwości są ograniczone przez poziom postępu technologicznego. Ponadto nie należy też od razu odrzucać założenia, że naukowcy mogą nigdy nie poznać rzeczywistej wielkości całego wszechświata, biorąc pod uwagę wszystkie czynniki, które stoją na drodze do rozwiązania tego problemu.
NIKOLAY KHIZHNYAK