Астрономия для детей > Ответы на частые вопросы > Что такое Большой взрыв
Большой Взрыв – популярная теория рождения Вселенной: описание для детей с фото, телескопы Хаббл и Спитцер, карта Вселенной, темная энергия, темная материя.
Начать объяснение для детей родители или учителя в школе могут с того, что астрономам нужно создавать математические модели на основе наблюдений, чтобы точно понять, как сформировалась Вселенная. Теория Большого взрыва включает в себя общую теорию относительности Эйнштейна и стандартные теории фундаментальных частиц. Дети должны понять, что в наблюдении за расширением Вселенной также помогают телескопы Хаббл и Спитцер. Важно было осознать, будет ли она расширяться вечно или остановится и вернется к Большому взрыву.
Фоновая радиация
Физика утверждает, что, если бы нам удалось заглянуть во Вселенную через секунду после Большого взрыва, то мы бы увидели 10-миллиардное море нейтронов, протонов, электронов, антиэлектронов (позитроны), фотонов и нейтрино. Для самых маленьких этот процесс покажется интересным, ведь вы наблюдаете за рождением всего! Потом Вселенная остывала, а нейтроны распадались на протоны и электроны или же сливались с протонами для выработки дейтерия (изотоп водорода).
По мере охлаждения, температура стала бы идеальной, чтобы электроны и ядра начали создавать нейтральные атомы. До этого момента («рекомбинация») вы бы наблюдали за непрозрачной Вселенной. Но важно объяснить детям, что с появлением нейтральных атомов, Вселенная стала прозрачной. Эти фотоны (послесвечение Большого взрыва) можно рассмотреть и сейчас как фоновое излучение.
Чтобы исследовать этот фон, НАСА отправили две миссии, сняв изображения Вселенной всего через 400000 лет после формирования. Первым был Космический исследователь фона (COBE). В 1992 году команда объявила, что они нанесли на карту первичные горячие и холодные пятна. Они были связаны с гравитацией ранней Вселенной и формировали семена гигантских галактических скоплений, занимающих сотни миллионы лет. Дети должны понимать, что это важный труд, ведь за него Джон К. Мазер и Джордж Ф. Смут получили Нобелевскую премию по физике.
Вторая миссия – WMAP. У аппарата было лучшее разрешение, поэтому он исследовал небо, измеряя различия в температурах микроволнового излучения (равномерно распределено по Вселенной). На рисунке видна карта с горячими красными участками и более холодными синими. Объединив сведения с теоретическими моделями, ученые поняли, что Вселенная «плоская», то есть удовлетворяет евклидову геометрию.
Картина «детской» Вселенной. На карте отображены WMAP температуры микроволнового фонового излучения. Горячие точки – красные, а холодные – синие.
Третья миссия – Планк, устроенная Европейским космическим агентством в 2009 году. Он создавал наиболее точные карты микроволнового фонового излучения. Ему удалось отобразить небо в 9 диапазонах длин и точно измерить температуры.
Инфляция
Главная проблема наблюдения состояла в том, что Вселенная была чересчур однородной. Как же частицы, которые никогда не контактировали, пришли к равновесию с одинаковой температурой? Эти проблемы можно было бы решить, если после Большого взрыва появился короткий период, когда Вселенная испытала невероятный взрыв расширения – инфляция. Чтобы это произошло, Вселенная должна была быть наполненной неустойчивой формой энергии, о которой еще мало что известно.
Модели показывают, что из-за квантового шума эта энергия была бы распределена неравномерно. Этот образец перенесся бы в материю и проявился в фотонах, что и наблюдается на картах и рисунках COBE и WMAP. Но это все еще не отвечает на вопрос о появлении инфляции. На это тяжело ответить, так как инфляция закончилась задолго до рекомбинации. Но у нас есть способ отслеживать Вселенную, минуя фотоны, – гравитационные волны. Это универсальный метод получить информацию там, где уже ничего не помогает.
Темная энергия
История Большого взрыва все больше прояснялась. Но 1996 году при наблюдении отдаленных сверхновых все изменилось. Важно объяснить детям, что все думали, будто Вселенная замедляется. Масса порождает гравитацию, а та создает напряжение. Но наблюдения явно отображали ускорение. Что-то расширяло Вселенную. Вещество назвали «темной энергией», но до сих пор исследователи так и не понимают, с чем имеют дело. Теперь вы понимаете, что наблюдая теперешнюю Вселенную, у вас есть возможность смотреть теорию Большого Взрыва в действии.