Главная страница
qrcode

Альманах - Космос. C I e n t I f I c a m e r I c a n the в мире науkи moscow 2006 в мирен ау к ик осмос альманахраздел 1 Вселенная Раздел 2 Галактики Раздел 3 Звезды Раздел 4 Планеты москва редакция журнала в мире науки представляет читателям сборник статей


Скачать 11.93 Mb.
НазваниеC I e n t I f I c a m e r I c a n the в мире науkи moscow 2006 в мирен ау к ик осмос альманахраздел 1 Вселенная Раздел 2 Галактики Раздел 3 Звезды Раздел 4 Планеты москва редакция журнала в мире науки представляет читателям сборник статей
АнкорАльманах - Космос.pdf
Дата14.12.2017
Размер11.93 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаAlmanakh_-_Kosmos.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипСборник статей
#51569
страница2 из 36
Каталогid50384802

С этим файлом связано 45 файл(ов). Среди них: и ещё 35 файл(а).
Показать все связанные файлы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   36
Большие структуры
Справедлив ли космологический принцип в масштабах больших, чем скопления галактик?
Благодаря современным телескопам можно определить, какой из объектов мал и близок, а какой удален и велик. Мы живем в расширяющейся
Вселенной, где чем дальше находится галактика,
тем быстрее она удаляется от нас. Мы можем наблюдать за таким движением, изучая красное смещение в спектре галактик. Дело в том, что энергия приходящих из галактики фотонов убывает (длина волны из голубой области спектра сдвигается в красную) на величину, зависящую от расстояния до галактики. Установив эту зависимость для близких галактик, где расстояние известно, астрономы используют ее для изучения более далеких галактик измеряют красное смещение и вычисляют расстояние.
К м гг. усовершенствованные телескопы и приемники света позволили провести обширные обзоры красных смещений галактик. Были созданы трехмерные карты ближнего космоса.
Еще учась в колледже, я прочел в Scientific Ame
rican статью Стивена Грегори (Stephen A. и Лерда Томпсона (Laird A. Thompson), описывающую первую из трехмерных карт (Superclusters
and Voids in the Distribution of Galaxies, March
1982). Авторы намекали, что космологический принцип Эйнштейна может оказаться неверным:
обнаружились уплотнения, значительно превосходящие одиночные скопления галактика также огромные пустоты между ними размером в десятки миллионов световых лет. Открытие этих совершенно новых структур во Вселенной произвело на меня неизгладимое впечатление и определило мой путь в науке.
В 1986 г. Валери де Лаппарен (Valerie de
Lapparent), Маргарет Геллер (Margaret J. Geller) и Джон Хукра (John P. Huchra) из Гарвард(Смит(
14
В СЕЛЕН НА Я
ПЛАН ВСЕЛЕННОЙ
Майкл Стросс
Новейшие космические карты позволили обнаружить самые крупные природные структуры – группы галактик, превосходящие по размеру прочие объекты Вселенной.
ОБЗОР: СТРУКТУРА КОСМОСА

Астрономы, как космические картографы, создают детальные трехмерные карты распределения галактики их скоплений. Крупнейший из этих проектов, «Слоанов*
ский цифровой обзор неба, позволил получить данные о миллионе галактик вплоть до расстояния в 2 млрд. световых лет.

Карты показали, что галактики собраны в гигантские структуры размером в сотни миллионов световых лет,
которые выросли из слабых флуктуаций плотности, существовавших в юной Вселенной.

Карты столь точны, что позволяют оценить космологические параметры независимо от результатов, полученных по реликтовому излучению. Теперь астрономы имеют верное представление об истории космоса (14 млрд. лет
галактик в столь крупных областях пространства незначительны, поэтому малейшие ошибки могут привести к открытию несуществующих скоплений.
Ясной ночью...
Делая обзор красных смещений, астрономы обычно включают в него все галактики ярче определенной звездной величины. Если они ошибутся с оценкой яркости галактик в какой(либо части неба, то из этой области в выборку может попасть большее число галактик, что приведет к появлению якобы обнаруженного скопления.
Поэтому обзор красных смещений должен не только охватывать огромное пространство, но и быть точно откалиброван.
В х гг. Джеймс Ганн (James E. Gunn) из
Принстона, Ричард Крон (Richard G. Kron) и До(
нальд Йорк (Donald G. York) из Чикагского университета постарались выяснить распределение галактик в пространстве максимально большего объема, доступного для наблюдений, и обеспечить при этом точную калибровку их яркости.
Через 10 лет стартовал проект Слоановский цифровой обзор неба (SDSS) стоимостью $80 млн, в котором были задействованы 200 астрономов.
Для него используется специальный метровый телескоп, работающий в двух режимах. В самые ясные ночи широкоугольная камера телескопа получает откалиброванные снимки неба в пяти широких спектральных диапазонах. Приемником света в камере служит ПЗС(матрица,
очень чувствительное электронное устройство,
точность которого равна долям процента.
В лунные ночи или при легкой облачности на телескопе работают два оптоволоконных спектрографа, одновременно регистрирующие спектры 608 объектов для определения их красных смещений. В отличие от других телескопов, которые в течение ночи используются для наблюдений по разным программам, этот телескоп предназначен только для одного вида исследований,
которые проводятся каждую ночь в течение пяти лет. Сейчас наш проект прошел половину пути,
измерив красные смещения миллиона галактики квазаров. В качестве промежуточного этапа недавно был завершен анализ красных смещений первых 200 тыс. галактик.
Австралийские и британские астрономы создали спектрограф для метрового англо(австра(
лийского телескопа, позволяющий одновременно получать спектры 400 объектов в поле размером (поэтому проект назвали «Двухградусное поле –
Two Degree Field, 2dF). Команда 2dF использовала уже существующие каталоги галактик, составленные по тщательно откалиброванными отска(
нированным фотографическим атласам. Длившаяся пять лет работа уже закончена получен обзор красных смещений 221 414 галактик.
Наши обзоры показывают распределение галактик. Но как быть с темным веществом Нет оснований предполагать, что расположение галактик в точности повторяет распределение темного вещества. Например, галактики могли бы формироваться только в областях с избыточной плотностью темного вещества – такой пороговый сценарий астрономы считают наиболее вероятным.
Анализируя предыдущие обзоры красных смещений, мы выяснили, что распределения галактики темного вещества тесно связаны, но сделать однозначный выбор между простыми моделями порогового и «беспорогового» сценариев мы не смогли. Недавно Лисия Верде (Licia из Пенсильванского университета и ее коллеги использовали обзор 2dF для измерения тройных галактик. Оказалось, что число триплетов зависит от общей массы, включая и темное вещество.
Исследователи предположили, что, по(видимому,
реализуется «беспороговый» сценарий галактики распределены в пространстве практически также, как темное вещество. Это означает, что наши обзоры точно отражают организацию вещества в космосе.
Мощь спектра мощности
Наиболее полезным инструментом для анализа распределения галактик в пространстве служит спектр мощности. Представим, что сферы определенного радиуса, скажем, 40 млн. световых лет,
разбросаны во Вселенной случайным образом.
Посчитаем число галактик в каждой из них. Поскольку галактики сгруппированы, их количество в каждой сфере окажется разным. Изменение их числа и есть мера комковатости их распределения при заданном масштабе расстояний (в нашем случае – 40 млн. световых лет. Космологи проводят эти подсчеты для сфер всевозможных размеров, определяя степень комковатости в различных масштабах. Выявление относительного числа структур больших и малых размеров служит для них мощным космологическим тестом.
Спектры мощности были измерены как для обзора 2dF, таки для SDSS и оказались весьма схожими см. рис. на стр. 19). С увеличением масштаба флуктуации уменьшаются. Слабые флуктуации означают, что распределение галактик очень близко к однородному, отвечающему космологическому принципу Эйнштейна.
А ль м ан ах КОСМОС ПЛАН ВСЕЛЕННОЙ
16
В СЕЛЕН НА ЯМ ай кл Стр ос с
Слоановский цифровой обзор неба позволит создать самый совершенный атлас четверти всего небосвода.
Наблюдения с помощью метрового телескопа на вершине Апачи*Пойнт (шт. Нью*Мексико) займут пять лет. КАК СОСТАВИТЬ КОСМИЧЕСКУЮ КАРТУ В ЧЕТЫРЕ ПРИЕМА 0.8 0.6 0.4 0.2 Относительный магнитный поток 2
3 ШАГ В ясные и безлунные ночи телескоп фотографирует небо сквозь 5 цветных фильтров со скоростью квадратных градусов в час, регистрируя миллионы небесных тел за ночь.
ШАГ Галактики и другие объекты автоматически распознаются и отбираются для последующей спектроскопии. Здесь показана спиральная галактика UGC 03214 в созвездии Ориона.
ШАГ В фокус телескопа ставят металлическую пластину с 640 отверстиями по местам расположения галактик. Сквозь каждое отверстие их свет по оптическому волокну попадает в спектрограф, который может работать даже не в самые ясные ночи.
ШАГ Эти спектры позволяют точно классифицировать объекты. По ним же астрономы измеряют и красное смещение линий, а значит, и расстояние до объектов. Длина волны нанометры 600 800
и нечто, названное темной энергией. Фотонами,
энергия которых ослаблена расширением Вселенной, сегодня можно пренебречь. Зато в прошлом,
когда возраст Вселенной был менее 75 тыс. лет,
доминировали именно фотоны. Поэтому в ту эпоху гравитация не могла усиливать флуктуации со временем также, как позже, что и отразилось в спектре мощности на больших масштабах (более млрд. световых лет).
Точное значение масштаба позволило оценить полную плотность вещества во Вселенной она оказалась близкой к критической плотности, равной 2,5.10
–27
кг/м
3
, что подтверждается и другими измерениями. Кроме того, все полученные результаты показывают, что темное вещество является холодным. Будучи горячим, оно бы сгладило флуктуации в распределении галактик на малых масштабах, а этого нет.
Наблюдаемые нами неоднородности в крупномасштабном распределении галактик могут быть просто усиленными неоднородностями плотности в ранней Вселенной, которые видны по реликтовому излучению. Поэтому мы можем сравнить флуктуации реликтового излучения со спектром мощности галактик. Как ни удивительно, из этих двух подходов мы получаем согласованный результат. На масштабах примерно в 1 млрд световых лет флуктуации плотности галактик составляют 1/10. А флуктуации реликтового излучения имеют амплитуду 1/100 000. Именно такой рост предсказывают модели, подтверждая то, что наш космологический сценарий – Большой взрыв,
гравитационная неустойчивость и все остальное действительно верен.
Исследования крупномасштабной
структуры
По обзору галактик SDSS в основном изучают структуру космоса в масштабах от 100 млн. до
1 млрд. световых лет. Для исследования еще более крупных образований вделается вторая выборка предельно ярких галактик, которая расширяет область исследований более чем до
5 млрд. световых лет. Третья выборка должна выявить маломасштабные структуры в ней изучаются линии поглощения в спектрах далеких квазаров, свет которых проходит сквозь плотную сеть облаков водорода, еще не превратившихся в галактики.
Сейчас космологи пытаются связать результаты этих обзоров (показывающие структуру космоса сегодня ив недавнем прошлом) со свойствами реликтового излучения (отражающего космическую структуру на самой ранней стадии. В частности, спектр мощности реликтового излучения имеет ряд характерных горбов, отражающих соотношение темного и обычного вещества. Астрономы надеются найти подобные горбы в современном спектре мощности. Если это удастся, то появится еще одно доказательство того, что наблюдаемые сегодня флуктуации развились из тех, которые были в ранней Все(
ленной.
Другим способом проследить развитие структур во времени служит изучение распределения очень далеких галактик. В те далекие времена темное вещество должно быть более однородным, так как гравитационная неустойчивость действовала недолго. Но обзоры, проведенные
А ль м ан ах КОСМОС ПЛАН ВСЕЛЕННОЙ
18
В СЕЛЕН НА ЯМ ай кл Стр ос с
На этих клиновидных картах показано распределение галактик точки) в пространстве. Третье измерение, охватывающее угол в несколько градусов, спроецировано на плоскость. Видны две Великие Стены, содержащие тысячи галактик каждая, а также уплотнения и пустоты всех масштабов.
КОСМИЧЕСКИЕ КАРТЫ
Миллионы световых лет
Миллионы световых лет галактики галактик
МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ
ВЕЛИКАЯ СТЕНА ВЕЛИКАЯ СТЕНА SDSS
52 561 галактика
В середине х гг. обзор красных смещений
Гарвард*Смитсоновского астрофизического центра) выявил первую Великую Стену, но всю ее проследить не удалось.
Положение на небе
(прямое восхождение, в часах)
Нынешний Слоановский цифровой обзор неба) покрыл значительно больший объем
(здесь показан лишь 1%). Он выявил вторую
Великую Стену длиной более миллиарда св.
лет. Круговая карта справа) показывает враз больший объем на ней отмечено положение верхних карт. Концентрические окружности показывают расстояние в миллионах св. лет.
Все карты распределения галактик можно свести к спектру мощности,
указывающему количество структур
(вертикальная шкала)
различного масштаба горизонтальная шкала)
.
Так же можно отобразить данные о реликтовом излучении, гравитационном линзировании, распределении скоплений галактики облаков межгалактического водорода, поместив все на один график. Сплошная линия – предсказание наилучшей космологической модели. Пунктиром показано, как бы выглядела Вселенная при однородном распределении вещества. Стрелками указаны верхние пределы.
Кроме того, на логарифмическом графике флуктуации не выстраиваются вдоль прямой линии, а их отклонение подтверждает тот факт, что динамика Вселенной изменилась со временем. Из других наблюдений астрономы узнали, что в плотности энергии Вселенной доминирует вещество КОСМИЧЕСКИЕ КАРТЫ
Простейшая и самая популярная космологическая модель предсказывает, что у насесть двойник в галактике, удаленной на расстояние порядка 10 в степени 10 метров. Расстояние столь велико, что находится за пределами досягаемости астрономических наблюдений, но это не делает нашего двойника менее реальным. Предположение основано на теории вероятности без привлечения представлений современной физики.
Принимается лишь допущение, что пространство бесконечно и заполнено материей. Может существовать множество обитаемых планет, в том числе таких, где живут люди с такой же внешностью,
такими же именами и воспоминаниями, прошедшие те же жизненные перипетии, что и мы.
Но нам никогда не будет дано увидеть наши иные жизни. Самое далекое расстояние, на которое мы способны заглянуть, это то, которое может пройти свет за 14 млрд. лет, протекших с момента Большого взрыва. Расстояние между самыми далекими от нас видимыми объектами составляет около 4310 26 м оно и определяет доступную для наблюдения область Вселенной, называемую объемом Хаббла, или объемом космического горизонта, или просто Вселенной. Вселенные наших двойников представляют собой сферы таких же размеров с центрами на их планетах. Это самый простой пример параллельных вселенных, каждая из которых является лишь малой частью сверхвселенной.
Само определение вселенная наводит на мысль, что оно навсегда останется в области метафизики. Однако граница между физикой и метафизикой определяется возможностью экспериментальной проверки теорий, а не существованием неподдающихся наблюдениям объектов.
Границы физики постоянно расширяются, включая все более отвлеченные (и бывшие до того метафизическими) представления, например, о шаровидной Земле, невидимых электромагнитных полях, замедлении времени при больших скоростях, суперпозиции квантовых состояний, искривлении пространства и черных дырах. В последние годы к этому перечню добавилось и представление о сверхвселенной. Оно основано на проверенных теориях – квантовой механике и теории относительности – и отвечает обоим основным критериям эмпирической науки позволяет делать прогнозы и может быть опровергнуто. Ученые рассматривают четыре типа параллельных вселенных. Главный вопрос не в том, существует ли сверхвселенная, а сколько уровней она может иметь.
Уровень I За нашим космическим горизонтом
Параллельные вселенные наших двойников составляют первый уровень сверхвселенной. Это наименее спорный тип. Мы все признаем существование вещей, которых мы невидим, но могли бы увидеть, переместившись в другое место или просто подождав, как ждем появления корабля из(за горизонта. Подобный статус имеют объекты, находящиеся за пределами нашего космического горизонта. Размер доступной наблюдению области Вселенной ежегодно увеличивается на один световой год, поскольку нас достигает свет,
исходящий из все более далеких областей, за которыми скрывается бесконечность, которую еще предстоит увидеть. Мы, вероятно, умрем задолго до того, как наши двойники окажутся в пределах досягаемости для наблюдений, но если расширение Вселенной поможет, наши потомки смогут увидеть их в достаточно мощные телескопы.
Уровень I сверхвселенной представляется до банальности очевидным. Как может пространство не быть бесконечным Разве есть где(нибудь знак Берегись Конец пространства Если существует конец пространства, то что находится за ним Однако теория гравитации Эйнштейна
А ль м ан ах КОСМОС Европейской южной обсерваторией в Чили и Обсерваторией Кека на Гавайях, показали, что очень далекие галактики сгруппированы так же,
как и современные, и собраны в такие же волокнистые и пузырчатые структуры, как и ближние к нам галактики. Нов отличие от современных галактик, которые следуют за темным веществом, те ранние галактики должны быть больше сгруппированы, чем окружающее их темное вещество. Это может дать ключ к решению вопроса формирования галактик.
Ученые приблизились к пониманию путей развития структуры космоса от мелких возмущений в первичном супе до скоплений звездных галактик в современной Вселенной. В ближайшие годы предстоит ответить на важные вопросы какой механизм привел к усилению флуктуаций реликтового излучения как формировались галактики почему они обладают подобными свойствами был ли другой путь можно ли представить Вселенную с начальными флуктуациями большей или меньшей амплитуды В мире науки, №5, ВСЕЛЕН НА ЯМ ай кл Стр ос с

Чтобы связать современное распределение вещества (выявленное Слоановским и другими обзорами) стем, которое было в ранней Вселенной (и проявляется сейчас в наблюдениях реликтового излучения, космологи создают компьютерные модели. Каждая картинка показывает модельную ситуацию через определенное время после Большого взрыва. Поскольку Вселенная расширяется, размеры областей разные поперечник первой картинки около 5 млн. св. лета последней около 140 млн. св. лет. Точками показано вещество. Эта модель рассчитана в Национальном центре применения супер*
компьютеров (полная динамическая версия доступна на cfcp.uchicago.edu/lss/filaments.html).
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   36

перейти в каталог файлов


связь с админом