Что такое космология
Космология — раздел астрофизики, изучающий Вселенную как единое целое: её происхождение, структуру, эволюцию и судьбу. Главный вопрос: как из горячего плотного состояния 13,8 миллиарда лет назад возникли галактики, звёзды и планеты, которые мы наблюдаем сегодня.
Если астрономия смотрит на отдельные объекты — звезду, галактику, туманность — то космология изучает Вселенную как систему, задаётся вопросом о её границах, форме и конечной судьбе.
Большой взрыв: рождение Вселенной
Согласно стандартной модели, около 13,8 миллиарда лет назад Вселенная начала расширяться из состояния сверхвысокой температуры и плотности. Это не взрыв в пустоте — само пространство расширялось. В первые секунды температура превышала триллион градусов.
Через 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная остыла достаточно, чтобы электроны объединились с протонами и образовались первые атомы водорода. Вселенная стала прозрачной, и фотоны полетели свободно. Это излучение мы видим сегодня как реликтовое (микроволновое фоновое) — температура около −270°C. Его обнаружили в 1965 году Пензиас и Вилсон случайно, когда настраивали радиоантенну. За это открытие они получили Нобелевскую премию 1978 года.
Расширение Вселенной и тёмная энергия
В 1929 году Эдвин Хаббл установил: галактики удаляются от нас, причём чем дальше — тем быстрее. Вселенная расширяется. В 1998 году два независимых коллектива учёных (Перлматтер, Шмидт, Рисс) обнаружили, что расширение ускоряется. За это открытие они получили Нобелевскую премию 2011 года.
Причину ускорения назвали тёмной энергией. Что это такое — неизвестно. По расчётам, тёмная энергия составляет около 68% от всей энергии Вселенной. Обычная материя — всего 5%. Ещё 27% — тёмная материя, которая не излучает свет, но проявляется через гравитацию.
Тёмная материя
В 1930-х годах Фриц Цвикки заметил, что галактики в скоплении Кома движутся слишком быстро, чтобы скопление удерживалось только видимой материей. Позже, в 1970-х, Вера Рубин измерила скорости звёзд на краях галактик — они не замедлялись, как должны были бы, если бы галактика состояла только из видимого вещества.
Тёмная материя не взаимодействует со светом, но притягивает обычное вещество. Именно она создала «скелет» крупномасштабной структуры Вселенной — гигантские нити из галактик с пустотами (войдами) между ними. Что именно является тёмной материей — один из главных нерешённых вопросов физики.
Крупномасштабная структура и судьба Вселенной
Галактики не распределены случайно — они образуют нити, стены и скопления, разделённые огромными пустотами. Эта структура называется «космической паутиной». Она сформировалась под действием гравитации тёмной материи из крошечных неоднородностей, возникших в первые мгновения после Большого взрыва.
Если тёмная энергия продолжит действовать, Вселенная будет расширяться вечно. Через несколько сотен миллиардов лет галактики разойдутся так далеко, что станут недосягаемы. Звёзды угаснут, останутся только чёрные дыры, которые в конце концов испарятся через излучение Хокинга. Этот сценарий называют «тепловой смертью» Вселенной.
Инфляция и мультивселенная
Теория инфляции (Алан Гут, 1980) предполагает, что в первые 10⁻³⁶ секунд Вселенная расширилась экспоненциально — в 10²⁶ раз. Это объясняет однородность реликтового излучения. Некоторые версии теории инфляции предсказывают мультивселенную — бесконечное число параллельных вселенных с разными физическими константами.