Астрономія

Всесвіт почався з Великого вибуху?
А що було до цього? І взагалі, що вибухнуло та де?

Отже, що таке Великий вибух?

Під терміном «Великий вибух» можна розуміти два поняття, які пов’язані між собою — це, власне, подія, що дала початок Всесвіту, а також теорія його ранньої еволюції. Близько 13,8 мільярдів років тому Всесвіт був безкінечно стиснутим, гарячим та щільним. Цей стан називається космологічною сингулярністю. Потім стався Великий вибух, після якого Всесвіт розширився, з’явилися простір та час.

А можна детальніше: що відбувалося під час Великого вибуху?

Ми можемо відслідкувати розвиток Всесвіту з перших секунд його існування, проте майже нічого не знаємо про епоху, яка тривала від самого початку світу до 10−43  секунди після початку. Вона дістала назву планківської епохи. Тоді Всесвіт був нестабільним через високу температуру та велику густину, а чотири фундаментальні взаємодії, що зараз визначають стан світу — гравітація, електромагнетизм, сильна та слабка ядерні взаємодії — були єдиною неподільною силою.


Сильна взаємодія найпотужніша з усіх, вона пов’язує між собою кварки, а також протони і нейтрони у складі атомів. Слабка взаємодія відповідає за термоядерні реакції всередині зірок, а електромагнетизм — за взаємодію між електрично зарядженими частинками. Гравітація змушує тіла притягуватися одне до одного.


Найстарша з епох, про які нам щось відомо, тривала у період з 10−43  по 10−35 секунди. Під час неї температура почала спадати, через що фундаментальні сили почали відокремлюватися одна від одної. Першою відділилася гравітація. Згодом електросильна взаємодія розпалася на сильну та електрослабку. На проміжку часу до 10−32 секунди відбувається стрибкоподібне, різке та значне збільшення розмірів Всесвіту, а також зникає антиматерія. У період з 10−12 по 10−6 секунди усі чотири фундаментальні взаємодії вже існують окремо одна від одної. Світ заповнений кварками, лептонами і фотонами. Згодом кварки зливаються у елементарні частинки. 


Усього через секунду після Великого вибуху Всесвіт виріс до розміру мільярдів кілометрів та охолонув достатньо, щоб елементарні частинки сформували перший атом — водень. Через три хвилини після народження світу починається епоха нуклеосинтезу. Нейтрони і протони продовжують формувати атоми, але до того часу, як з’являться перші зірки, пройде ще близько 500 мільйонів років.

Чи можна вказати точку, у якій стався Великий вибух?

Точкою Великого вибуху може бути, наприклад, точка на вершині Софіївського собору чи кінчик вашого носа — увесь простір, що існує зараз, колись був стиснутий у космологічну сингулярність. Тобто, Великий вибух не був вибухом у прямому розумінні цього слова, а був одночасним розширенням простору в усіх напрямках. У певній мірі Великий вибух і досі продовжується, адже Всесвіт усе ще розширюється та охолоджується.

Але куди він розширюється?

Всесвіт не розширюється «кудись», він розширюється сам по собі. Уся матерія, увесь простір містяться у Всесвіті, немає нічого за його межами, та й самих цих меж немає — так само, як поверхня Землі скінченна, проте не має кордонів. Говорячи «розширення Всесвіту», ми маємо на увазі, що відстань між непов’язаними гравітаційно об’єктами у космосі збільшується. Таким чином, не самі галактики віддаляються одна від одної. Скоріше, вони зафіксовані на тканині просторово-часового континууму, яка розтягується. Можна провести аналогію з повітряною кулькою, на якій намалювали дві крапки — якщо її надути, відстань між крапками збільшиться, хоча вони й не рухалися.

Повернемось до Великого вибуху. Чому він стався?

У космологічній сингулярності не діють жодні з відомих законів фізики. Події до Великого вибуху не лишили жодних свідчень, які можна було б відслідкувати, і вони ніяк не впливають на стан Всесвіту після вибуху. Тим не менш, це не заважає вченим висувати різні гіпотези, які базуються на математичних обчисленнях. Наприклад, циклічна модель, згідно з якою після Великого вибуху станеться Велике стискання, а Всесвіт існує у період між цими двома подіями, або модель Мультиверсу, у рамках якої наш світ — лише один з багатьох паралельних світів. Втім, жодна з цих теорій не є загальноприйнятою.       

Тоді звідки ми знаємо, що Великий вибух дійсно був?

Ми точно знаємо, що Всесвіт розширюється — це стало відомо завдяки астроному Едвіну Габблу, який у 20-х роках минулого століття обчислив швидкість розбігання галактик. Якщо подумки «відмотати» час назад, легко дійти висновку, що в минулому світ мав бути меншим та більш щільним. Окрім того, у нас є прямий доказ — реліктове випромінювання. Це світло від первинної плазми раннього Всесвіту, яке заповнює його майже рівномірним фоном та фіксується в усіх напрямках неба. Через те, що ці старі фотони подорожують вже багато часу, вони перейшли у мікрохвильовий спектр.

А як вдалося вирахувати, що Великий вибух стався 13,8 мільярдів років тому?

Є два способи виміряти вік Всесвіту — вивчаючи найстаріші зірки та досліджуючи розширення Всесвіту. Очевидно, що світ не може бути старшим за об’єкти, які у ньому знаходяться, тому визначення віку зірок допомагає краще визначити межі, коли він виник. Найстаріші зірки знаходяться в кулястих скупченнях, їхній вік оцінюється у межах від 11 до 14 мільярдів років. Між розширенням Всесвіту та його віком існує прямий зв’язок. У законі Габбла є поняття сталої Габбла — це міра швидкості розширення Всесвіту. Якщо вважати, що вона була постійною протягом усієї історії розвитку світу, цей параметр дозволяє визначити момент Великого вибуху. Згідно з обчисленнями, він стався 13,8 мільярдів років тому. Дослідження реліктового випромінювання, а також вимірювання густини та складу Всесвіту допомагають встановити ще більш жорсткі межі для його віку. Згідно з даними апарату WMAP, Великий вибух стався 13,772 мільярдів років тому. Місія Plank оцінює вік Всесвіту в 13.813 мільярдів років.