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
страница7 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   10   ...   36
А ль м ан ах КОСМОС КОСМИЧЕСКАЯ СИМФОНИЯ
В
начале был свет. Назаре истории мироздания ионизованное вещество испускало излучение,
а затем снова захватывало его. Позднее, когда
Вселенная расширилась и остыла, электроны и протоны соединились, образовав нейтральные атомы, и вещество утратило способность захватывать свет. Спустя 14 млрд. лет испущенные вовремя великого освобождения света фотоны образуют космический микроволновый фон (КМФ),
или реликтовое излучение.
Настройте телевизор на любую свободную от телевизионных каналов частоту, и около 1% помех, которые вы увидите на экране, будет обусловлено космическим микроволновым фоном. Астрономы установили, что реликтовое излучение принимается практически одинаково со всех направлений. Его вездесущность и постоянство свидетельствуют о том, что оно возникло задолго до того, как сформировались звезды, планеты и галактики. Простота Вселенной тех времен позволяет с высокой точностью предсказать свойства КМФ и сравнить их с результатами точнейших наблюдений, которые проводятся с помощью радиотелескопов, установленных на аэростатах и космических аппаратах. Изучение реликтового излучения помогает ученым найти ответы на некоторые вечные вопросы из чего состоит Вселенная, каков ее возраст, откуда взялись все существующие в ней объекты?
Впервые КМФ был обнаружен в 1965 г. Арно
Пензиасом (Arno Penzias) и Робертом Уилсоном
(Robert Wilson), которые искали источник таинственного фонового шума, принимаемого радиолокационными антеннами. Их открытие окончательно подтвердило теорию Большого взрыва, согласно которой Вселенная на ранних этапах существования представляла собой плотную горячую плазму, состоящую из заряженных частиц и фотонов. С тех пор в результате расширения Вселенной реликтовое излучение остыло до 2,7 К. Однако в момент, когда оно было испущено, его температура составляла около 3000 К.
Спектр КМФ, измеренный в 1990 г. искусственным спутником Земли COBE (Cosmic Back
ground Explorer), в точности совпал с расчетным.
Однако это впечатляющее достижение затмила настоящая сенсация COBE обнаружил небольшие, порядка 0,001%, различия температуры реликтового излучения, приходящего с разных направлений. Более 20 лет ученые пытались выявить анизотропность КМФ, которая помогла бы понять, как входе эволюции первичной плазмы образовались галактики, звезды и планеты.
В 2001 г. для составления карты КМФ был запущен космический аппарат WMAP (Wilkinson
Microwave Anisotropy Probe), который отошел от
Солнца на 1,5 млн. км дальше Земли и остался на околосолнечной орбите. На основании полученных сего помощью данных был сделан вывод, что пространственное распределение температуры реликтового излучения подчиняется определенной закономерности. Более того, результаты наблюдений позволили точнее оценить возраст, состав и геометрию Вселенной. Ученые словно пытались определить конструкцию музыкального инструмента по характеру его звучания. Однако космическую симфонию исполняют очень странные музыканты под аккомпанемент удивительных совпадений, в которых нам предстоит разобраться. Еще в конце х гг. Джеймс Пиблз (P. James
E. Peebles) и Джер Ю (Jer Yu) из Принстонского университета пришли к выводу, что в молодой
Вселенной должны были распространяться звуковые волны. (Почтив тоже время к очень похожим заключениям пришли Яков Зельдович и Ра(
шид Сюняев из Московского института прикладной математики) Когда излучение еще томилось в веществе, тесно связанные системы фотонов,
электронов и протонов вели себя как газ, в котором любое возмущение плотности порождало продольную звуковую волну, представляющую собой распространяющуюся последовательность сжатий, нагревающих газ, и разрежений, охлаждающих его. Так возникла изменяющаяся картина вселенских температурных флуктуаций.
42
В СЕЛЕН НА Я
КОСМИЧЕСКАЯ СИМФОНИЯ
Уэйн Ху и Мартин Уайт
Звуковые волны, возникшие на ранних стадиях формирования Вселенной, содержат сведения о возрасте, составе и геометрии Космоса.
ОБЗОР: КОСМИЧЕСКАЯ АКУСТИКА Инфляция (быстрое расширение Вселенной впервые мгновения после Большого взрыва) возбудила звуковые волны, которые вызывали поочередные сжатия и расширения областей первичной плазмы Когда Вселенная достаточно охладилась и образовались нейтральные атомы, картина распределения плотности, созданная акустическими волнами, запечатлелась в реликтовом излучении Изучив акустическую модуляцию реликтового излучения, космологи смогли оценить возраст, состав и геометрию Вселенной. Выяснилось, что основным компонентом современной Вселенной является таинственная темная энергия
максимальные смещения, положительные или отрицательные, в меньших областях пространства.
Анализируя результаты наблюдений реликтового излучения, космологи построили график зависимости величины температурных отклонений от размера горячих и холодных областей, т.е.
энергетический спектр см. стр. 48)
. Оказалось,
что угловой размер зон с наибольшими вариациями температуры составляет около одного градуса. Вовремя рекомбинации их средний диаметр не превышал 1 млн. световых летно входе тысячекратного расширения Вселенной увеличился примерно до 1 млрд. световых лет. Наличие в энергетическом спектре нескольких ярко выраженных пиков, из которых первый и самый высокий соответствует основной моде, а все последующие обертонам, подтверждает гипотезу об одновременности возникновения звуковых волн. Если бы возмущения создавались непрерывно во времени, то спектр не был бы столь гармоничен. Согласно теории инфляции амплитуды звуковых волн были примерно одинаковыми при любых пространственных масштабах. Однако после третьего пика наблюдается резкий спад спектра.
Дело в том, что произошло затухание коротких звуковых волн. Акустическая волна не может распространяться, если ее длина меньше средней длины свободного пробега частиц, из которых состоит газ или плазма. При нормальном атмосферном давлении молекулы, из которых состоит воздух, между двумя соударениями успевают пролететь примерно см. В первичной плазме накануне рекомбинации это расстояние составляло примерно 10 тыс. световых лет. (Плотность
Вселенной в те времена была большой только по сравнению с современным значением, которое с тех пор уменьшилось в миллион раз) После того, как Вселенная расширилась враз, оно увеличилось до 10 млн. световых лет. Поэтому амплитуды пиков энергетического спектра, которые соответствуют размерам, не превышающим таких расстояний, быстро убывают.
Как музыканты отличают скрипку мирового класса от обычной по богатству обертонов, таки космологи определяют форму и состав Вселенной, анализируя спектр первичных звуковых волн. Карта КМФ помогает оценить угловые размеры холодных и горячих областей небесной сферы. А поскольку скорость, с которой распространялся звук в первичной плазме, известна,
ученые смогли вычислить длину основной моды акустических колебаний на момент начала рекомбинации. Также стало известно, что фотоны реликтового излучения, достигшие Земли, прошли около 45 млрд. световых лет. (Хотя они двигались в течение 14 млрд. лет, расширение Вселенной удлинило их путь.)
Таким образом, космологи получили полную информацию о треугольнике, образованном волной, и убедились, что сумма его углов равна Значит, пространство нашей Вселенной практически плоское и подчиняется законам Евклидовой геометрии. Отсюда следует, что средняя плотность энергии в нем близка к так называемому критическому значению и составляет около
10
–29
г/см
3
Интересные сведения о разделении вещества и энергии несут в себе амплитуды обертонов. Если поведение обычных звуковых волн определяется исключительно давлением в газе, тов молодой
Вселенной заметное влияние на них оказывала гравитация. Сила тяготения сжимала вещество в более плотных областях ив зависимости от фазы колебаний усиливала или ослабляла сжатия и разрежения. Анализируя модуляцию волн,
можно определить мощность гравитации, которая, в свою очередь, позволяет судить о матери(
ально(энергетическом составе среды.
На заре мироздания, как и ныне, существовало обычное вещество, состоящее в основном из барионов – протонов и нейтронов, и холодная темная материя, которая создает собственное гравитационное полено практически не взаимодействует с обычным веществом. Вклад в массу первичного газа и, следовательно, в тяготение вносило как обычное, таки темное вещество, но сжатию и разрежению в звуковых волнах подвергалось только первое. При рекомбинации основная волна застыла в положении, когда в областях более высокой плотности газа гравитация усиливала сжатие обычного вещества см. стр. 42)
. Однако первый обертон с вдвое меньшей длиной волны был заморожен в противоположной фазе, когда тяготение сжимало плазму, а давление газа расширяло ее. В результате первая гармоника вызвала меньшие отклонения температуры, чем основная волна. Поэтому второй пик энергетического спектра ниже первого. По соотношению их высот можно оценить, как в ранней Вселенной соотносились сила гравитации и давление излучения. По имеющимся данным, ко времени рекомбинации плотности энергий барионов и фотонов были примерно одинаковыми и составляли около 5% современного критического значения. Это в согласуется с результатами расчетов, основанных на изучении ядерных реакций синтеза легких элементов, протекавших в юной
Вселенной.
Однако в общей теории относительности утверждается, что тяготение в равной мере присуще и веществу, и энергии. Усиливались ли отклонения температуры гравитационным полем фотонов Безусловно. Однако его воздействие уравновешивалось другим фактором после рекомбинации кванты реликтового излучения из более плотных областей теряли больше энергии,
чем фотоны из менее плотных, поскольку им приходилось выбираться из более глубоких гравитационных ям. Речь идет об эффекте Сакса(Воль(
фа, который уменьшает амплитуду отклонений температуры КМФ, в точности компенсируя ее усиление полем тяготения света. В областях, которые были слишком велики и потому не подвержены акустическим колебаниям (их современные угловые размеры превышают 10), отклонения температуры обусловлены исключительно эффектом Сакса(Вольфа. Поэтому, как это ни парадоксально, наиболее крупные горячие зоны на карте
КМФ соответствуют менее плотным районам.
Наконец, изучение КМФ позволяет оценить долю темного вещества во Вселенной. Гравитационного поля одних барионов недостаточно, чтобы модулировать отклонения температуры за пределами первого пика энергетического спектра. Чтобы гравитационные потенциальные ямы были достаточно глубокими, необходимо большое количество холодной темной материи. Измерив соотношения трех первых спектральных пиков,
космологи установили, что ее плотность примерно в пять раз превышает плотность барионного вещества и составляет примерно 25% от нынешнего критического значения.
А ль м ан ах КОСМОС КОСМИЧЕСКАЯ СИМФОНИЯ
44
В СЕЛЕН НА Я
Уэйн Ху, Мартин Уайт
В период инфляции Вселенная быстро расширялась,
и плазма, состоящая из фотонов и заряженных частиц,
распространилась далеко за пределы горизонта, ограничивающего область, доступную взору гипотетического наблюдателя. Через 380 тыс. лет началась рекомбинация:
возникли первые атомы и реликтовое излучение. Спустя еще 300 млн. лет свет первых звезд снова ионизировал большую часть водорода и гелия.
Электрон
Протон
Нейтрон
Фотон
Атом гелия
Ядро гелия
Атом водорода
Реликтовое излучение
Первые звезды
Первые галактики
Современные галактики
ВРЕМЕННАЯ ШКАЛА ВСЕЛЕННОЙ
Поразительное созвучие
К сожалению, современное расчетное соотношение вещества и энергии оставляет неопределенной около 70% критической плотности. Для объяснения непонятного расхождения ученые постулировали существование таинственной темной энергии, влияние которой по мере расширения Вселенной росло. Таким образом, мы приходим к невероятному выводу сегодня Вселенная состоит в основном из темной энергии и невидимого темного вещества. Хуже того,
плотность энергии темного вещества в настоящее время почему(то соизмерима с плотностью темной энергии, хотя при рекомбинации первая намного превышала вторую. А на раннем этапе развития Вселенной доминировало еще одно таинственное поле – инфлатон, которое и определило ее структуру. Почему же мы должны полагаться на космологическую модель, основанную на гипотезе о существовании трех загадочных субстанций?
Во(первых, их существование позволяет объяснить множество известных фактов. Гипотеза о темном веществе впервые была выдвинута еще в х гг. для объяснения местной плотности массы в скоплениях галактик. Концепцию темной энергии Альберт Эйнштейн ввел еще в 1917 г.,
включив в свои уравнения так называемую космологическую константу, компенсирующую влияние тяготения. Позднее он отказался от нее, но она была возрождена в х гг., когда при изучении далеких сверхновых выяснилось, что расширение Вселенной ускоряется см. статью «От
замедления к ускорению в этом альманахе).
Оценка плотности энергии темного вещества и темной энергии по характеристикам КМФ удивительно хорошо совпадает с результатами астрономических наблюдений.
Во(вторых, описанная космологическая модель позволяет выдвигать перспективные гипотезы. В 1968 г. Джозеф Силк (Joseph Silk), работающий сегодня в Оксфордском университете, пришел к выводу, что высота акустических пиков в спектре КМФ должна убывать по определенному закону. При этом соответствующее излучение должно характеризоваться небольшой, но точно
А ль м ан ах КОСМОС КОСМИЧЕСКАЯ СИМФОНИЯ
46
В СЕЛЕН НА Я
Уэйн Ху, Мартин Уайт
КОСМИЧЕСКИЕ ОБЕРТОНЫ
АКУСТИЧЕСКИЙ СПЕКТР ранней Вселенной содержал обертоны, свойственные музыкальным инструментам. Если выдуете в трубу, основной тон соответствует волне с наибольшим сжатием воздуха синий цвету мундштука и наибольшим разрежением красный цвету открытого конца.
Но в звуке также присутствуют обертоны, длины волн которых в 2 (первый обертон, 3 (второй обертон, 4 (третий обертон) и т.д. раза меньше длины основной волны.
В МОЛОДОЙ ВСЕЛЕННОЙ звуковые волны колебались во времени, а не в пространстве. После инфляции основная волна вызвала сжатие плазмы в одних областях и расширение в других, в результате чего ко времени рекомбинации температура реликтового излучения в первых достигла максимума синий цвета во вторых – минимума красный цвет. Из*за наличия обертонов температура достигла максимальной и минимальной величины ив меньших областях.
ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ В ТРУБЕ
АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ
В РАННЕЙ ВСЕЛЕННОЙ
ВРЕМЯ
ИНФЛЯЦИЯ
РЕКОМБИНАЦИЯ
Горячая область
Холодная область
Основная волна
Первый обертон
Второй обертон
Третий обертон
Основная волна / Первый пик
Второй пик
Четвертый пик
Третий пик
Максимальное сжатие
Максимальное разрежение
Фотоны реликтового излучения, испущенные через тыс. лет после Большого взрыва, в большинстве своем распространялись по наблюдаемой Вселенной беспрепятственно. Однако некоторые из них все же испытали рассеяние на заряженных частицах, что вызвало поляризацию излучения в обширных областях небесной сферы. Результаты поляризационных наблюдений, выполненных космическим аппаратом WMAP, свидетельствуют о том, что около 17% фотонов рассеялись разреженным ионизованным газом через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.
Столь значительная доля рассеянных фотонов оказалась полной неожиданностью. Прежде космологи предполагали, что большая часть водорода и гелия была ионизована излучением первых звезд, очень массивных и ярких. Но по оценкам теоретиков, повторная ионизация произошла примерно через миллиард лет после Большого взрыва, и поэтому рассеяние должны были претерпеть лишь около 5% фотонов реликтового излучения. Данные, полученные отговорят от том, что повторная ионизация произошла гораздо раньше. Так модель первого этапа формирования звезд была поставлена под сомнение. Не столь очевидным теперь кажется и то, что первоначальные флуктуации плотности в первичной плазме были примерно одинаковыми во всех масштабах. Если амплитуды мелких флуктуаций были больше амплитуд крупных, первые звезды могли сформироваться раньше.
Сведения, добытые WMAP, содержат и другой намек на отклонение от масштабной инвариантности флуктуаций,
установленной спутником COBE. В крупных масштабах,
соответствующих областям неба с угловыми размерами порядка 60
°
, WMAP и COBE обнаружили странный дефицит отклонений температуры реликтового излучения, который, впрочем, может оказаться просто результатом недостаточной статистики поскольку угловой размер всего неба составляет 360
°
, столь крупных областей недостаточно, чтобы составить статистически достоверную выборку. Тем не менее некоторые теоретики считают, что этот дефицит свидетельствует об ошибочности моделей инфляции, темной энергии или топологии Вселенной. ПЕРВЫЕ ЗВЕЗДЫ повторно ионизовали окружающий газ.
ОТЗВУКИ ДИССОНАНСА
Альманах КОСМОС КОСМИЧЕСКАЯ СИМФОНИЯ
48
В СЕЛЕН НА Я
Уэйн Ху, Мартин Уайт
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР
Наблюдения реликтового излучения позволили построить карту отклонений температуры на всей небесной сфере (a). Для анализа ее участков (b) ученые использовали полосовые фильтры, чтобы определить, как изменяется температура излучения при разных пространственных масштабах. В крупном масштабе,
соответствующем областям с угловыми размерами порядка 30
°
(c), ив самом мелком
(участки не больше 0,1
°
, e) отклонения температуры едва заметны. Однако в масштабе порядка 1
°
(d) они вполне отчетливы. Первый пик в энергетическом спектре (график внизу
)
характеризует сжатия и разрежения, вызванные основной волной в ранней Вселенной, а два последующих соответствуют оберто*
нам.
a
b
c
Угловая частота, радиан
–1
Отклонения от средней температуры,
мкК
10 20 40 60 80 100 100 ГРАВИТАЦИОННАЯ МОДУЛЯЦИЯ

ВЛИЯНИЕ ТЕМНОГО ВЕЩЕСТВА модулирует акустические сигналы в реликтовом излучении. После инфляции области более высокой плотности темного вещества
(представленные впадинами на диаграмме гравитационного потенциала, имеющие тот же масштаб, что и основная волна, втягивают барионы и фотоны силами гравитационного притяжения. Впадины показаны красным цветом, так как гравитация понижает также температуру всех вылетающих из этих областей фотонов.)
Ко времени рекомбинации, примерно через 380 тыс.
лет после Большого взрыва, гравитационные силы и звуковое движение действовали совместно, повышая температуру во впадинах (синий цвет) и понижая ее на гребнях (красный цвет
).
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   36

перейти в каталог файлов


связь с админом