Всесвіт — найбільша і найзагадковіша лабораторія, яку ми маємо. З кожним роком астрономи, фізики та космологи відкривають все нові таємниці космосу, які змушують нас переглядати наші уявлення про реальність. Від чорних дір до екзопланет, від квантової заплутаності до теорій множинних всесвітів — сучасна наука пропонує вражаючі відкриття, які часом складно осягнути. У цій статті ми розглянемо десять найприголомшливіших фактів про космос, які не лише розширять ваші горизонти, але й, можливо, змінять ваше уявлення про Всесвіт, в якому ми живемо.
1. Всесвіту може бути “лише” 13,77 мільярда років, але його діаметр перевищує 93 мільярди світлових років
Одна з найбільших загадок космології полягає в тому, що спостережуваний Всесвіт значно більший за той розмір, який він мав би мати, виходячи з його віку. Якщо Всесвіту близько 13,77 мільярда років, і ніщо не може рухатися швидше за світло, логічно припустити, що його діаметр мав би становити приблизно 27,5 мільярда світлових років (подвоєний вік). Однак насправді спостережуваний Всесвіт має діаметр понад 93 мільярди світлових років!
Це приголомшливе протиріччя пояснюється концепцією космічного розширення. Згідно з теорією інфляції, в перші моменти після Великого Вибуху Всесвіт розширювався з неймовірною швидкістю — значно швидше за швидкість світла. Важливо розуміти, що це не порушує спеціальної теорії відносності Ейнштейна, оскільки обмеження швидкістю світла стосується руху матерії та інформації в просторі, але не розширення самого простору.
Після періоду інфляції Всесвіт продовжував розширюватися, хоча й повільніше. Світло від найвіддаленіших галактик, яке ми спостерігаємо сьогодні, почало свій шлях, коли ці галактики були значно ближче до нас. За час подорожі цього світла простір між нами і цими галактиками продовжував розширюватися, внаслідок чого вони тепер перебувають на відстанях, які значно перевищують 13,77 мільярда світлових років.
2. Ми спостерігаємо лише 5% Всесвіту — решта складається з темної матерії та темної енергії
Згідно з сучасною космологічною моделлю, видима матерія — все, що ми можемо безпосередньо спостерігати з допомогою наших інструментів, включаючи зорі, планети, галактики, газ і пил — становить лише близько 5% загальної маси-енергії Всесвіту. Решта 95% складається з двох загадкових компонентів: темної матерії (близько 27%) і темної енергії (близько 68%).
Темна матерія не взаємодіє з електромагнітним випромінюванням (світлом), тому ми не можемо її безпосередньо бачити. Її існування було виведено з гравітаційного впливу на видиму матерію, зокрема з аномально високих швидкостей обертання зовнішніх регіонів галактик. Без додаткової гравітації темної матерії, ці галактики мали б розпадатися. Попри численні експерименти, частинки темної матерії досі не вдалося виявити безпосередньо.
Темна енергія ще більш загадкова. Вона проявляється як сила, що прискорює розширення Всесвіту, діючи проти гравітації. Відкриття прискореного розширення Всесвіту в 1998 році було відзначено Нобелівською премією з фізики у 2011 році. Природа темної енергії залишається одною з найбільших загадок сучасної фізики.
Той факт, що переважна більшість Всесвіту складається з речей, природу яких ми ще не розуміємо, є вражаючим нагадуванням про межі нашого знання.
3. У спостережуваному Всесвіті налічується понад 2 трильйони галактик
Довгий час астрономи вважали, що у Всесвіті налічується близько 100-200 мільярдів галактик. Однак у 2016 році дослідники, використовуючи дані з космічного телескопа Габбл та інших інструментів, опублікували нову оцінку: у спостережуваному Всесвіті може бути до 2 трильйонів галактик.
Для розуміння масштабу: у нашому Чумацькому Шляху налічується від 100 до 400 мільярдів зірок. Якщо припустити, що в середньому галактика містить 100 мільярдів зірок (хоча це число може значно варіюватися), загальна кількість зірок у спостережуваному Всесвіті може становити приблизно 200 квінтильйонів (2×10²³) — це цифра з 23 нулями!
Ця оцінка, ймовірно, є консервативною, оскільки:
- Не враховує галактики, які занадто тьмяні для виявлення
- Багато галактик можуть бути закриті від нас пилом і газом
- Частина Всесвіту знаходиться за межею нашого спостережного горизонту
З кожним новим поколінням телескопів ми виявляємо дедалі більше галактик. Космічний телескоп Джеймса Вебба, запущений у грудні 2021 року, вже відкриває нам погляд на раніше невидимі галактики, тому наше розуміння масштабів Всесвіту продовжує розширюватися.
4. Гравітаційні хвилі дозволяють нам “чути” космічні події, які неможливо побачити
У 2015 році детектори LIGO (Лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія) здійснили перше в історії пряме виявлення гравітаційних хвиль — брижів у тканині простору-часу, передбачених Ейнштейном 100 років тому. Ці хвилі були породжені зіткненням двох чорних дір масою 29 і 36 сонячних мас на відстані 1,3 мільярда світлових років від Землі.
Гравітаційні хвилі відкрили для нас абсолютно новий спосіб спостереження за Всесвітом. Якщо традиційна астрономія базується на аналізі електромагнітного випромінювання (світла), то гравітаційні хвилі дозволяють нам “чути” космос, виявляючи події, які не випромінюють світла або відбуваються в регіонах, закритих від нашого погляду.
За допомогою гравітаційних хвиль науковці вже спостерігали:
- Злиття чорних дір
- Зіткнення нейтронних зір
- Можливі сигнали від наднових та інших катастрофічних подій
Найдивовижніше те, що коли вчені перетворюють сигнали гравітаційних хвиль на звук, ми буквально можемо почути “дзвін” космічних об’єктів, що стикаються. Об’єднання цих даних з традиційними спостереженнями створило нову еру “багатоканальної астрономії”, яка дозволяє нам вивчати космічні події з безпрецедентною детальністю.
5. Існують надмасивні чорні діри, що перевищують масу нашого Сонця в мільярди разів
Чорні діри — це регіони простору-часу з настільки сильною гравітацією, що ніщо, навіть світло, не може вирватися за їхні межі, якщо потрапить за горизонт подій. Хоча ідея чорних дір заворожує і лякає багатьох, особливо приголомшливими є надмасивні чорні діри, що знаходяться в центрах більшості великих галактик.
Наша власна галактика, Чумацький Шлях, містить у своєму центрі надмасивну чорну діру Стрілець A*, маса якої становить близько 4 мільйонів сонячних мас. Але вона крихітна порівняно з найбільшими відомими чорними дірами.
Рекордсменами серед надмасивних чорних дір є:
- TON 618 — чорна діра масою приблизно 66 мільярдів сонячних мас
- S5 0014+81 — близько 40 мільярдів сонячних мас
- SDSS J0100+2802 — близько 12 мільярдів сонячних мас
Для розуміння масштабу: якби TON 618 опинилася на місці Сонця, її горизонт подій простягався би майже до орбіти Плутона, поглинувши всю Сонячну систему.
Особливо загадковим є питання формування таких велетенських об’єктів. Деякі з найбільших надмасивних чорних дір існували вже через кілька сотень мільйонів років після Великого Вибуху, що ставить перед науковцями складне питання: як вони змогли набрати таку величезну масу за відносно короткий космічний час?
6. Матерія на квантовому рівні може існувати в кількох місцях одночасно
Квантова механіка — теорія, що описує поведінку матерії на найменших масштабах — пропонує нам картину реальності, яка суперечить нашій інтуїції. Одним із найвражаючих аспектів квантового світу є явище суперпозиції, згідно з яким частинка може існувати одночасно в кількох станах або навіть у кількох місцях одночасно.
Класичний експеримент, що демонструє цей принцип — експеримент з двома щілинами. У ньому окремі частинки (наприклад, електрони або фотони) направляються на екран з двома щілинами. Логічно очікувати, що кожна частинка пройде через одну з щілин. Однак результати показують, що частинки якимось чином проходять через обидві щілини одночасно, створюючи інтерференційну картину на детекторі.
Ще більш приголомшливим є явище квантової заплутаності, яке Ейнштейн назвав “моторошною дією на відстані”. Коли дві частинки стають заплутаними, їхні властивості пов’язуються таким чином, що стан однієї частинки миттєво впливає на стан іншої, незалежно від відстані між ними. Це порушує наше класичне розуміння простору і причинності.
Ці квантові явища не лише захоплюють уяву, але й мають практичні застосування:
- Квантові комп’ютери використовують суперпозицію для виконання обчислень, недоступних класичним комп’ютерам
- Квантова криптографія обіцяє абсолютно безпечний зв’язок
- Квантові сенсори можуть досягати безпрецедентної точності вимірювань
Що особливо цікаво, деякі космологічні теорії припускають, що квантові ефекти могли відіграти вирішальну роль у формуванні Всесвіту після Великого Вибуху, коли весь космос був стиснутий до субатомних масштабів.
7. З моменту відкриття першої екзопланети у 1995 році ми виявили понад 5,000 планет поза Сонячною системою
У жовтні 1995 року астрономи Мішель Майор і Дідьє Кело оголосили про відкриття першої планети, що обертається навколо зорі, подібної до Сонця — 51 Пегаса b. Це відкриття, відзначене Нобелівською премією з фізики у 2019 році, стало початком нової ери в астрономії.
Сьогодні, менш ніж 30 років потому, каталог відомих екзопланет налічує понад 5,000 об’єктів, і їх кількість постійно зростає. Ще більше вражає різноманітність цих світів:
- Гарячі Юпітери — газові гіганти, що обертаються дуже близько до своїх зір, з температурами поверхні, що сягають 1000°C і більше
- Суперземлі — планети з масою більшою за Землю, але меншою за Нептун
- Міні-Нептуни — планети розміром між Землею і Нептуном, можливо, з товстими атмосферами
- Планети-океани — світи, повністю покриті глибокими океанами
- Алмазні планети — екзотичні світи, де умови сприяють формуванню вуглецю у формі алмазів
- Планети-сироти — об’єкти планетарної маси, які дрейфують у космосі, не обертаючись навколо жодної зорі
Особливо захоплюючим є пошук потенційно придатних для життя світів. Наразі виявлено кілька екзопланет в “зонах життя” своїх зір — регіонах, де умови теоретично дозволяють існування рідкої води на поверхні. Серед найперспективніших кандидатів:
- Система TRAPPIST-1 з сімома планетами розміром з Землю, три з яких розташовані у зоні життя
- Проксима Центавра b, що обертається навколо найближчої до нас зорі на відстані 4,2 світлових роки
- Kepler-442b, яка отримує приблизно 70% світла, що отримує Земля від Сонця
З кожним новим поколінням телескопів ми наближаємося до моменту, коли зможемо виявити біомаркери в атмосферах екзопланет, що може стати першим свідченням життя за межами Землі.
8. Космічний телескоп Джеймса Вебба дозволяє нам спостерігати Всесвіт таким, яким він був через 100-250 мільйонів років після Великого Вибуху
Космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST), запущений у грудні 2021 року, є найпотужнішим космічним телескопом із коли-небудь створених. На відміну від свого попередника, телескопа Хаббла, який працює переважно у видимому та ультрафіолетовому діапазонах, Вебб спеціалізується на інфрачервоному випромінюванні, що дозволяє йому “бачити крізь” космічний пил і спостерігати об’єкти на найбільших відстанях від Землі.
Завдяки цій здатності, JWST може спостерігати Всесвіт таким, яким він був менш ніж через 250 мільйонів років після Великого Вибуху — період, коли формувалися перші галактики. Для порівняння: це менше 2% від нинішнього віку Всесвіту.
У перші роки роботи телескоп Вебб вже здійснив кілька приголомшливих відкриттів:
- Виявив найвіддаленіші відомі галактики, які існували коли Всесвіту було менше 400 мільйонів років
- Надав безпрецедентно детальні знімки планет Сонячної системи
- Дослідив атмосфери екзопланет, виявивши молекули води та інші сполуки
- Зафіксував детальні зображення народження нових зір та формування планетних систем
Особливо вражаючим є “Глибоке поле Вебба” — зображення далекого космосу, яке показує тисячі галактик у крихітній ділянці неба. Деякі з цих галактик настільки далекі, що ми бачимо їх такими, якими вони були понад 13 мільярдів років тому. Це майже все одно, що мати машину часу у космос.
Телескоп Вебб продовжує працювати, і науковці очікують, що він зможе досягти ще більших відстаней, можливо, наблизившись до спостереження “космічного світанку” — епохи, коли засвітилися перші зорі після темних віків раннього Всесвіту.
9. Існує теоретична можливість існування мультивсесвіту — множини всесвітів з різними фізичними законами
Ідея про те, що наш Всесвіт може бути лише одним із численних всесвітів у “мультивсесвіті”, звучить як наукова фантастика. Однак кілька серйозних теорій у сучасній фізиці припускають, що це може бути реальністю.
Ось кілька провідних концепцій мультивсесвіту:
Інфляційний мультивсесвіт: Згідно з теорією космічної інфляції, наш Всесвіт виник з крихітної “бульбашки” простору, яка зазнала неймовірно швидкого розширення. Ця теорія передбачає, що процес, який створив нашу “бульбашку”, може постійно створювати інші “бульбашки”, кожна з яких розвивається у окремий всесвіт.
Квантовий мультивсесвіт: Інтерпретація квантової механіки, відома як “багатосвітова інтерпретація”, припускає, що кожного разу, коли відбувається квантова подія, реальність розгалужується на множину паралельних історій, створюючи безліч всесвітів, які відрізняються.
Струнний ландшафт: Теорія струн допускає величезну кількість можливих конфігурацій, кожна з яких відповідає всесвіту з унікальним набором фізичних законів і констант.
Циклічні моделі: Деякі теорії припускають, що наш Всесвіт — лише один з циклів нескінченної послідовності “Великих вибухів” і “Великих стиснень”.
Якщо мультивсесвіт реальний, це має глибокі наслідки для нашого розуміння реальності. Зокрема, це може пояснити так званий “антропний принцип” — дивовижний факт, що фізичні константи нашого Всесвіту здаються ідеально налаштованими для виникнення життя. У мультивсесвіті з безліччю всесвітів з різними фізичними законами, існування всесвіту, придатного для життя, стає не дивом, а статистичною неминучістю.
10. Інформація, яка потрапляє в чорну діру, може не втрачатися назавжди, завдяки випромінюванню Гокінга
Традиційно вважалося, що чорні діри — абсолютні “пастки”, з яких ніщо не може вирватися. Якщо інформація потрапляє за горизонт подій, вона зникає назавжди. Однак у 1974 році фізик Стівен Гокінг здійснив теоретичне відкриття, яке згодом отримало назву “випромінювання Гокінга”.
Гокінг показав, що чорні діри не є повністю “чорними”, а насправді випромінюють частинки через квантові ефекти поблизу горизонту подій. Згідно з теорією, пари віртуальних частинок постійно виникають і зникають у вакуумі. Поблизу горизонту подій чорної діри, одна частинка з пари може впасти в чорну діру, а інша — вирватися назовні, виглядаючи як випромінювання від чорної діри.
Це відкриття призвело до виникнення знаменитого “парадоксу втрати інформації в чорних дірах”. Згідно з квантовою механікою, інформація не може бути знищена. Однак класична теорія чорних дір стверджує, що інформація, яка потрапляє в чорну діру, зникає. Випромінювання Гокінга здавалося лише посилює цей парадокс, оскільки воно є термальним і, здавалося б, не містить інформації про те, що впало в чорну діру.
Останні теоретичні дослідження пропонують можливі розв’язання цього парадоксу:
- Голографічний принцип припускає, що інформація про все, що потрапляє в чорну діру, зберігається на її горизонті подій, подібно до голограми
- Теорія квантової гравітації передбачає, що випромінювання Гокінга не є строго термальним, а несе в собі квантову заплутаність, яка зберігає інформацію
- Теорія “вогняних стін” пропонує, що горизонт подій може бути областю високоенергетичної квантової заплутаності, яка зберігає квантову інформацію
Ця фундаментальна проблема стоїть на перетині загальної теорії відносності та квантової механіки — двох найуспішніших фізичних теорій, які, однак, досі не вдалося об’єднати в єдину “теорію всього”. Розв’язання парадоксу інформації чорних дір може стати ключем до цього об’єднання.
Заключні міркування про нашу роль у Всесвіті
Факти, які ми розглянули, демонструють неймовірну глибину нашого незнання та водночас вражаючий прогрес у розумінні космосу. Від квантового світу до масштабів мультивсесвіту, наука розсуває межі нашого розуміння, часто приголомшуючи нас тим, наскільки дивовижною і незвичною може бути реальність.
Особливо вражає те, що ми, істоти, які живуть на маленькій планеті навколо звичайної зірки в одній з мільярдів галактик, змогли розгадати стільки космічних таємниць. Наш мозок, який еволюціонував для виживання в макроскопічному світі середніх швидкостей і розмірів, виявився здатним осягнути як квантові флуктуації у субатомному світі, так і загадки чорних дір та походження Всесвіту.
Можливо, найбільш приголомшливим фактом про Всесвіт є те, що він породив істот, здатних його досліджувати і розуміти. Як зазначив фізик і космолог Карл Саган: “Ми — спосіб, за допомогою якого космос пізнає себе.”
Незалежно від того, чи існують інші розумні істоти у безмежному космосі, ми знаємо, що на цій маленькій блакитній планеті еволюціонував вид, який прагне зрозуміти природу реальності, від найменших квантових флуктуацій до найбільших космологічних масштабів. І це, можливо, найграндіозніше диво з усіх.