Все́світ — це весь простір і час та усе, що в них міститься, включно з усіма формами речовини й енергії та структурами, які вони утворюють: від субатомних частинок до гігантських скупчень галактик і галактичних ниток. Із початку XX століття космологія встановила, що простір і час виникли одночасно під час Великого вибуху близько тому і що відтоді Всесвіт розширюється. Частина Всесвіту, доступна для спостережень, нині має діаметр приблизно 93 мільярди світлових років, однак загальні розміри Всесвіту залишаються невідомими.
Одні з найдавніших космологічних моделей були геоцентричними і розміщували Землю в центрі Всесвіту. Під час Європейської наукової революції астрономічні спостереження привели до формування геліоцентричної моделі. Подальший розвиток спостережень показав, що Сонце є лише однією з кількох сотень мільярдів зір у Чумацькому Шляху, а сам Чумацький Шлях — однією з кількох сотень мільярдів галактик у спостережуваному Всесвіті. Багато зір у галактиках мають планети. На найбільших масштабах галактики розподілені однорідно й ізотропно, що означає відсутність у Всесвіту краю чи центру. На менших масштабах галактики об’єднуються в скупчення та надскупчення, які формують гігантські нитки й войди у просторі, створюючи грандіозну піноподібну структуру. Відкриття початку XX століття привели до створення теорії Великого вибуху, згідно з якою Всесвіт утворився гарячим і щільним, а з часом охолоджувалася й розріджувалася в процесі розширення, дозволяючи сформуватися першим субатомним частинкам і простим атомам. Гігантські воднево-гелієві хмари поступово стискалися в регіони з найбільшою густиною речовини, утворюючи перші галактики, зорі та всі інші об’єкти, які спостерігають сьогодні.
Дослідження впливу гравітації на речовину й світло показали, що у Всесвіті міститься значно більше матерії, ніж можна пояснити видимими об’єктами — зорями, галактиками, туманностями та міжзоряним газом. Цей невидимий складник назвали темною матерією. У загальноприйнятій космологічній моделі ΛCDM темна матерія становить близько загальної маси та енергії Всесвіту, а ще приблизно припадає на темну енергію — загадкову форму енергії, що відповідає за прискорення розширення Всесвіту. Звичайна («баріонна») матерія, таким чином, становить лише Всесвіту. Зорі, планети та видимі газові хмари утворюють лише близько 6 % цієї звичайної матерії.
Існує багато конкурентних гіпотез щодо остаточної долі Всесвіту, а також щодо того, що могло б передувати Великому вибуху, хоча багато фізиків і філософів відмовляються від таких дискусій, сумніваючись у принциповій можливості отримати інформацію про те, що було до Великого вибуху. Деякі фізики запропонували різні гіпотези мультивсесвіту, відповідно до яких наш Всесвіт може бути лише одним із багатьох всесвітів.
Тлумачення терміна Всесвіт настільки великий, що його розміри важко уявити. Всесвіт, досліджуваний астрономами, — частина матеріального світу, що доступна дослідженню астрономічними засобами, які відповідають досягнутому рівневі розвитку науки (часто цю частину всесвіту називають метагалактикою), простягається на 1,6·1024 км і нікому не відомо, наскільки він великий за межами видимої частини.
У вужчому сенсі під Всесвітом розуміється світ небесних тіл із законами їхнього руху та розвитку, їхній розподіл у часі і просторі. Матерія у Всесвіті розподілена вкрай нерівномірно, значна частина її зосереджена в окремих більш або менш щільних космічних тілах: галактиках, зорях і туманностях. Відстані між окремими об'єктами, як правило, вимірюють у світлових роках, тобто відстанях, які світло проходить за один рік (від Сонця до найближчої до нас зорі воно йде понад 4 роки).
Небесні тіла, з яких складається Всесвіт, вивчає наука астрономія. Астрофізика намагається зрозуміти явища і процеси, що відбуваються у Всесвіті. Теорії еволюції Всесвіту та гіпотези його подальшого розвитку розробляються в рамках космології. Наукове дослідження Всесвіту спирається на так званий космологічний принцип, який стверджує, що закони природи у всьому обсязі Всесвіту однакові. Разом з тим, еволюція раннього Всесвіту зараз викликає сумнів. Численні галактики, виявлені космічним телескопом Джеймса Вебба, не відповідають стандартній моделі космології, в яку зараз вірять астрономиStress testing ΛCDM with high-redshift galaxy candidates. // Michael Boylan-Kolchin. Published: 13 April 2023Нові відкриття NASA суперечать тому, що ми знаємо про еволюцію Всесвіту. 17.04.2023.
Хронологія Великого вибуху
Панівною моделлю еволюції Всесвіту є теорія Великого вибуху. Модель Великого вибуху стверджує, що спочатку Всесвіт був надзвичайно гарячим і щільним, а потім розширювався й охолоджувався. Модель ґрунтується на загальній теорії відносності та на спрощувальних припущеннях, зокрема про однорідність та ізотропність простору. Версія моделі з космологічною сталою (лямбда-членом) та холодною темною матерією, відома як модель ΛCDM, є найпростішою моделлю, яка досить добре пояснює майже всі наявні спостережні дані.
Початковий гарячий і щільний стан називають планківською епохою — коротким періодом від нульового моменту часу до однієї планківської одиниці часу, приблизно 10−43 секунди. Під час планківської епохи всі типи матерії та всі види енергії були зосереджені в надщільному стані, а гравітація — нині найслабша з чотирьох відомих фундаментальних взаємодій — імовірно, мала силу, порівнянну з іншими фундаментальними силами; можливо, всі сили тоді були об'єднані. Фізична теорія, що керувала цим початковим періодом (зокрема квантову гравітацію в планківську епоху), наразі відсутня, тому неможливо сказати, що саме — якщо взагалі щось — відбувалося до нульового моменту часу. Після планківської епохи Всесвіт розширювався до сучасних масштабів. При цьому припускають, що протягом перших 10−32 секунд відбувся дуже короткий, але інтенсивний період космічної інфляції. Цей початковий період інфляції пояснює, чому простір виглядає дуже плоским.
У перші частки секунди існування Всесвіту чотири фундаментальні взаємодії розділилися. У міру подальшого охолодження Всесвіту з його надзвичайно гарячого стану різні типи елементарних частинок поєднувалися в дедалі складніші структури, зокрема у стійкі протони та нейтрони, які згодом у процесі ядерного синтезу утворювали складніші атомні ядра. Цей процес, відомий як нуклеосинтез Великого вибуху, тривав приблизно 17 хвилин і завершився приблизно за 20 хвилин після Великого вибуху, тож устигли відбутися лише найшвидші й найпростіші реакції. Приблизно 25 % протонів і всі нейтрони у Всесвіті перетворилися на гелій, а також утворили невелику кількість дейтерію (ізотопу водню) та літію. Будь-які інші елементи утворилися лише в надзвичайно малих кількостях. Решта 75 % протонів залишилися незмінними у вигляді ядер водню-1 (протію).
Після завершення нуклеосинтезу Всесвіт увійшов у період, відомий як фотонна епоха. У цей час Всесвіт залишався надто гарячим, щоб матерія могла утворювати нейтральні атоми, тому він складався з гарячої, щільної, непрозорої плазми з негативно заряджених електронів, нейтральних нейтрино та позитивних ядер. Приблизно за 377 000 років Всесвіт охолов настільки, що електрони і ядра змогли утворити перші стабільні атоми. Цей процес називають рекомбінацією. На відміну від плазми, нейтральні атоми є прозорими для багатьох довжин хвиль світла, тож уперше Всесвіт став прозорим. Фотони, які вивільнилися () під час утворення цих атомів, тепер спостерігаються як реліктове випромінювання.
У міру розширення Всесвіту густина енергії електромагнітного випромінювання зменшується швидше, ніж густина матерії, оскільки енергія кожного фотона знижується внаслідок космологічного червоного зміщення. Приблизно за 47 000 років від Великого вибуху густина енергії матерії перевищила густину енергії фотонів і нейтрино та почала визначати великомасштабну поведінку Всесвіту. Це ознаменувало кінець епохи домінування випромінювання й початок епохи домінування матерії.
На найраніших стадіях еволюції Всесвіту незначні флуктуації його густини спричинили поступове формування згущень темної матерії. Звичайна матерія, притягувана до них гравітацією, утворювала великі газові хмари, а згодом — зорі та галактики там, де густина темної матерії була найбільшою, і войди там, де вона була найменшою. У віці Всесвіту близько 100–300 мільйонів років з'явилися перші зорі, відомі як зорі населення III. Імовірно, вони були дуже масивними, яскравими, бідними на метали та короткоживучими. Саме вони зумовили поступову реіонізацію Всесвіту між приблизно 200–500 мільйонами років і 1 мільярдом років, а також збагатили Всесвіт елементами, важчими за гелій, у процесі зоряного нуклеосинтезу.
Всесвіт також містить загадкову енергію — можливо, скалярне поле — яку називають темною енергією; її густина не змінюється під час розширення Всесвіту. Приблизно через 9,8 мільярда років Всесвіт розширився настільки, що густина матерії стала меншою за густину темної енергії, що ознаменувало початок сучасної епохи домінування темної енергіїRyden, Barbara, "Introduction to Cosmology", 2006, eqn. 6.33. У цю епоху розширення Всесвіту є прискореним завдяки темній енергії.
Мультивсесвіт «Мультивсесвіт», «Великий Всесвіт», «Мультиверс», «Гіпервсесвіт», «Надвсесвіт», — різні переклади англійського терміна multiverse. З'явився він під час розвитку теорії інфляції.
Ділянки Всесвіту, розділені відстанями більшими за розмір горизонту подій, еволюціонують незалежно один від одного. Будь-який спостерігач бачить тільки ті процеси, які відбуваються в домені, котрий дорівнює за обсягом сфері з радіусом, що становить відстань до горизонту подій. В епоху інфляції дві ділянки розширення, розділені відстанню близько горизонту, не перетинаються.
Такі домени можна розглядати як окремі всесвіти, подібні до нашого: вони точно так же однорідні й ізотропні на великих масштабах. Конгломерат таких утворень і є Мультивсесвітом.
Хаотична теорія інфляції припускає нескінченну різноманітність Всесвітів, кожен з яких може мати відмінні від інших Всесвітів фізичні константи. В іншій теорії Всесвіти розрізняються за квантовим виміром. За визначенням, ці припущення не можна експериментально перевірити.
Фізичні властивості
З чотирьох фундаментальних взаємодій на астрономічних масштабах розмірів домінує гравітація. Гравітаційні ефекти мають кумулятивний характер, натомість вплив додатних і від'ємних електричних зарядів зазвичай взаємно компенсується, через що електромагнетна взаємодія на астрономічних масштабах є відносно незначною. Дві інші взаємодії — слабка та сильна — дуже швидко слабшають із відстанню; їхній вплив переважно обмежується субатомними масштабами.
У Всесвіті, вочевидь, значно більше матерії, ніж антиматерії — так звана баріонна асиметрія, яка, ймовірно, пов'язана з порушення CP-інваріантності. Якби ця асиметрія не виникла, утворені під час Великого вибуху матерія й антиматерія зрештою повністю анігілювали б між собою, залишивши після цього лише фотони.
Розміри та області
Через скінченну швидкість світла існує межа (відома як горизонт частинок), на яку світло могло поширитися за час існування Всесвіту. Область простору, з якої ми можемо отримувати світло, називають спостережуваним Всесвітом. Власна відстань (виміряна в один і той самий момент часу) між Землею та краєм спостережуваного Всесвіту становить близько 46 мільярдів світлових років (14 мільярдів парсеків), тож діаметр спостережуваного Всесвіту становить приблизно 93 мільярди світлових років (28 мільярдів парсеків). Хоча відстань, яку пройшло світло від краю спостережуваного Всесвіту, близька до добутку віку Всесвіту на швидкість світла — , — власна відстань є більшою, оскільки Всесвіт продовжував розширятися під час руху фотона від краю Всесвіту до нас.
Для порівняння, Чумацький Шлях має діаметр близько 87 400 світлових років, а найближча до нього велика галактика, Галактика Андромеди, розташована на відстані приблизно 2,5 мільйона світлових років.