Что такое космология? Определение и история

Космология — это раздел астрономии, связанный с наукой о происхождении Вселенной.

(Изображение предоставлено: Getty Images)

• История космологии и астрономии
• Космологические миссии и инструменты
• Общие космологические вопросы
• Дополнительные ресурсы
• Библиография

Космология — это раздел астрономии, изучающий происхождение и эволюцию Вселенной, от Большого взрыва до сегодняшнего дня и в будущее. Согласно НАСА (opens in new tab), космология определяется как «научное исследование крупномасштабных свойств Вселенной в целом».

Космологи ломают голову над экзотическими понятиями, такими как теория струн, темная материя и темная энергия, а также над тем, существует ли одна вселенная или их много (иногда называемых мультивселенной). В то время как другие аспекты астрономии имеют дело с отдельными объектами и явлениями или коллекциями объектов, космология охватывает всю вселенную от рождения до смерти, с множеством загадок на каждом этапе.

История космологии и астрономии

Понимание человечеством Вселенной значительно изменилось с течением времени. В ранней истории астрономии Земля считалась центром всего сущего, вокруг которого вращались планеты и звезды. По данным Королевского общества (opens in new tab), в 16 веке польский ученый Николай Коперник предположил, что Земля и другие планеты Солнечной системы на самом деле вращаются вокруг Солнца, что привело к глубокому сдвигу в понимании космоса. В конце 17 века Исаак Ньютон рассчитал, как взаимодействуют силы между планетами, в частности силы гравитации.

Начало 20-го века принесло новые открытия в понимании огромной вселенной. Альберт Эйнштейн предложил объединить пространство и время в своей общей теории относительности. В начале 1900-х годов ученые спорили о том, содержит ли Млечный Путь всю вселенную в пределах своего охвата или это просто одно из множества скоплений звезд.

Статьи по Теме

Эдвин Хаббл рассчитал расстояние до нечеткого туманного объекта в небе и определил, что он находится за пределами Млечного Пути, доказав, что наша галактика является маленькой каплей в огромной вселенной, согласно журналу Scientific American (opens in new tab). Используя общую теорию относительности для создания основы, Хаббл измерил другие галактики и определил, что они удаляются от нас, что привело его к выводу, что Вселенная не статична, а расширяется.

В последние десятилетия космолог Стивен Хокинг определил, что сама Вселенная не бесконечна, а имеет определенный размер. Однако четкой границы у него нет. Это похоже на Землю; хотя планета конечна, человек, путешествующий по ней, никогда не найдет «конца», а вместо этого будет постоянно вращаться вокруг земного шара. Хокинг также предположил, что Вселенная не будет существовать вечно, а в конце концов закончится.

Космологические миссии и инструменты

Программа NASA Cosmic Background Explorer (opens in new tab) (COBE), запущенная в ноябре 1989 года, провела точные измерения радиации в небе. Миссия действовала до 1993 года.

Хотя космический телескоп НАСА «Хаббл», вероятно, наиболее известен своими поразительными изображениями, основная миссия (opens in new tab) была космологической. Более точно измерив расстояния до переменных цефеид, звезд с четко определенным соотношением между их яркостью и их пульсацией, Хаббл помог уточнить измерения того, как расширяется Вселенная. С момента его запуска астрономы продолжали использовать Хаббл для проведения космологических измерений и уточнения существующих.

Благодаря Хабблу, «если вы поместите в коробку все способы, которыми темная энергия может отличаться от космологической постоянной, эта коробка теперь будет в три раза меньше», — сказал в своем заявлении космолог Адам Рисс из Научного института космического телескопа (открывается в новая вкладка) . «Это прогресс, но нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы определить природу темной энергии».

Зонд НАСА Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (opens in new tab) (WMAP) был космическим аппаратом, который работал с 2001 по 2010 год. составляют всего 4,6 процента Вселенной, а темная материя составляет 24 процента.

«Затянувшиеся сомнения относительно существования темной энергии и состава Вселенной рассеялись, когда спутник WMAP сделал самую подробную фотографию космического микроволнового фона», — сказал космолог Чарльз Сейф в журнале Science (opens in new tab).

Космическая миссия Европейского космического агентства «Планк» (opens in new tab) выполнялась с 2009 по 2013 год и продолжила изучение космического микроволнового фона.

В настоящее время ЕКА разрабатывает миссию Евклид, которая должна быть запущена в 2023 году, согласно информационному бюллетеню ЕКА (открывается в новой вкладке). Евклид будет изучать темную материю и темную энергию с большей точностью, прослеживая ее распространение и эволюцию во Вселенной.

«В основе миссии лежит один из вопросов физики на миллиард фунтов стерлингов», — говорится в заявлении Дэвида Паркера из ЕКА (opens in new tab).

Общие космологические вопросы

Что было до Большого Взрыва?
Из-за закрытой и конечной природы вселенной мы не можем видеть «вне» нашей собственной вселенной. Пространство и время начались с Большого Взрыва. Хотя существует ряд предположений о существовании других вселенных, нет практического способа наблюдать их, и поэтому никогда не будет никаких доказательств за (или против!) них.

Где произошел Большой взрыв?
Согласно Live Science (opens in new tab), Большой взрыв произошел не в одной точке, а вместо этого возникло одновременное появление пространства и времени во всей Вселенной.

Если кажется, что все другие галактики убегают от нас, разве это не ставит нас в центр Вселенной?
Нет, потому что если бы мы отправились в далекую галактику, то казалось бы, что все окружающие галактики так же устремляются прочь. Думайте о Вселенной как о гигантском воздушном шаре. Если вы отметите несколько точек на воздушном шаре, а затем взорвете его, вы заметите, что каждая точка удаляется от всех остальных, хотя ни одна из них не находится в центре. Расширение Вселенной происходит почти таким же образом.

Сколько лет Вселенной?
Согласно данным, опубликованным командой Планка в 2013 году, Вселенной 13,8 миллиарда лет, плюс-минус сто миллионов лет или около того, по данным Норвежского университета наук о жизни (opens in new tab). Планк определил возраст после картирования крошечных температурных колебаний реликтового излучения.

«Узоры на огромных участках неба рассказывают нам о том, что происходило в мельчайших масштабах сразу после рождения нашей Вселенной», — сказал Чарльз Лоуренс, ученый проекта Planck из США, в заявлении (opens in new tab).

Конец Вселенной? Если да, то как?
Придет ли конец Вселенной или нет, зависит от ее плотности — насколько рассредоточенной может быть материя внутри нее. Ученые рассчитали «критическую плотность» Вселенной. Если ее истинная плотность больше, чем их расчеты, в конечном итоге расширение Вселенной замедлится, а затем, в конечном счете, пойдет вспять, пока она не схлопнется. Однако, если плотность меньше критической, Вселенная будет продолжать расширяться вечно, ранее сообщал Space.com.

Что появилось раньше, галактика или звезды?
По данным НАСА, вселенная после Большого взрыва состояла преимущественно из водорода с добавлением небольшого количества гелия для верности (opens in new tab). Гравитация заставила водород коллапсировать внутрь, образуя структуры. По данным факультета физики и астрономии Упсальского университета (opens in new tab), первые звезды, вероятно, образовались до появления первых галактик, когда Вселенной было около 100 миллионов лет.

Дополнительные ресурсы

Вы можете больше узнать о космологии и основах модели Большого взрыва в книге Wilkinson Microwave Anisotropy Probe's Introduction to Cosmology (opens in new tab) НАСА. Чтобы получить дополнительные ответы на распространенные космологические вопросы, перейдите на страницу НАСА «Спросите астрофизика» (откроется в новой вкладке).

Библиография

«Эдвин Хаббл и расширяющаяся Вселенная». Научный американец (1993). https://www.jstor.org/stable/24941551 (откроется в новой вкладке)

«Время столкновения наблюдаемой Вселенной составляет 13,8 миллиарда лет на планковское время: новое понимание космоса, основанное на пространстве-времени столкновения». Норвежский университет естественных наук (2021 г.). https://www.researchgate.net/publication/350874725 (откроется в новой вкладке)

«Первые звезды и галактики». Факультет физики и астрономии Упсальского университета (2021 г.). https://www.physics.uu.se/research/astronomy-and-space-physics/research (откроется в новой вкладке)

«Творчество Николая Коперника». Труды Королевского общества А (1974). https://royalsocietypublishing.org/doi/abs/10.1098/rspa.1974.0009 (откроется в новой вкладке)

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.com.