пятница, 28 сентября 2018 г.

NASA | Астрофизика | Монитор гамма-вспышек Ферми

четверг, 27 сентября 2018 г.

Насколько велика вся Вселенная?

(перевод статьи с любезного разрешения автора) 


Этот снимок телескопа Хаббл показывает массивное скопление галактик, PLCK_G308.3-20.2, что ярко светит во тьме. Так выглядят огромные волокна далекой Вселенной. Но как велика вся Вселенная, включая те части, которые мы не видим?

ESA/HUBBLE & NASA, RELICS; ACKNOWLEDGEMENT: D. COE ET AL.


13.8 млрд лет назад произошел Большой Взрыв. Вселенная наполнилась материей, антиматерией, излучением и существовала в ультрагорячем, ультраплотном, но, в то же время, расширяющемся и охлаждающемся состоянии. На сегодня объем наблюдаемой нами Вселенной расширился до радиуса в 46 млрд световых лет, а свет, пришедший в наши глаза соответствует пределу измерений. Но что находится за ним? Именно это хочет знать Брайан Грин, когда спрашивает:

"Мы знаем размер наблюдаемой Вселенной, поскольку мы знаем ее возраст (по крайней мере, со времени фазового перехода) и мы знаем, как излучается свет. Вопрос в том, почему математика, которую используют для прогнозов, не говорит нам о размере Вселенной? Мы знаем, насколько она была горяча, и насколько она теперь холодна. Неужели ее размер никак не влияет на эти вычисления?"

О, если бы это было так просто.


История Вселенной - так далеко, как нам сейчас это видно при помощи сочетания всех средств и телескопов - описана довольно хорошо. Но наши наблюдения, простите за тавтологию, показывают нам только наблюдаемую Вселенную. Обо всем остальном мы вынуждены догадываться, а эти догадки хороши лишь настолько, насколько верны допущения, которые мы при этом делаем.

SLOAN DIGITAL SKY SURVEY

Сегодня Вселенная холодна и комковата, одновременно расширяется и притягивается. Если смотреть на все большие и большие расстояния, можно видеть, что все там не только далеко, но и еще отстоит от нас во времени в прошлое благодаря конечности скорости света. И далекая Вселенная более однородна и однообразна потому, что у нее было меньше времени на формирование больших сложных структур при помощи гравитации.

Ранняя Вселенная была также горячее. Расширение Вселенной вызвало растяжение длины волны путешествующего по ней света, а при растягивании волны, она теряет энергию и становится холоднее. Это значит, что в далеком прошлом Вселенная была горячее - и этот факт подтверждается наблюдениями далеких объектов.

Исследование 2011 года  Космического Микроволнового Фона (красные точки) дало лучшее подтверждение, что температура фонового излучения в прошлом была выше. Спектральные и температурные свойства света подтверждают, что мы живем в расширяющемся пространстве.

P. NOTERDAEME, P. PETITJEAN, R. SRIANAND, C. LEDOUX AND S. LÓPEZ, (2011). ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 526, L7

Теперь, 13.8 млрд лет после Большого Взрыва, мы можем измерить температуру Вселенной, исследуя оставшееся после этой горячей, плотной, ранней стадии излучение. Сегодня это излучение проявляет себя в микроволновой части спектра и называется Космическим Микроволновым Фоном (КМФ). Приходящее в виде спектра черного тела температурой 2.725 К, оно легко подтверждает, что наши наблюдения с невероятной точностью соответствуют прогнозам модели Большого Взрыва.

Диаграмма света Солнца (желтая кривая, слева) в сравнении с идеальным черным телом (серым), показывает, что Солнце в действительности представляет собой что-то больше, чем просто совокупность черных тел; справа - диаграмма идеального черного тела КМФ по измерениям спутника СОВЕ. Заметим, что точность измерений достигает удивительного значения в 400 сигма. Согласуемость результатов между теорией и наблюдениями просто историческая.
WIKIMEDIA COMMONS USER SCH (L); COBE/FIRAS, NASA / JPL-CALTECH (R)

Более того, мы знаем, как это менялась энергия этого радиоизлучения по мере расширения Вселенной. Энергия фотона обратна пропорциональна его длине волны. Когда Вселенная была всего лишь вполовину меньше, чем сейчас, энергия фотонов была вдвое больше, а, когда она составляла 10% своего размера, энергия фотонов была вдесятеро больше. Если двинуться еще назад во времени, когда Вселенная была всего 0.092% ее текущего размера, мы обнаружим, что ее температура составляла в 1089 раз больше настоящей: около 3000 К. Этой температуры достаточно для ионизации всех атомов во Вселенной. Вместо твердого, жидкого или газообразного состояния все вещество во Вселенной находилось в форме ионизованной плазмы.


Вселенная, где электроны и протоны свободны и сталкиваются с фотонами, по мере расширения превращается в нейтральную, прозрачную для фотонов. Здесь показана ионизованная плазма (слева) перед тем, как произошло отделение КМФ, что привело к переходу в нейтральную Вселенную.
AMANDA YOHO

Подходя к оценкам текущего размера Вселенной, нужно иметь в виду три пункта:
1. Скорость расширения Вселенной - ее можно измерить целым арсеналом доступных нам методов
2. Температура Вселенной, которую мы знаем по наблюдениям Космического Микроволнового Фона
3. Состав Вселенной - включая материю, излучение, нейтрино, антиматерию, темную материю, темную энергию и т.д.

Наблюдая текущее состояние Вселенной можно экстраполировать ее состояние назад, на ранние стадии горячего Большого Взрыва и в результате придти к оценке ее возраста и размера.

Размер Вселенной в световых годах, в сравнении со временем с момента Большого Взрыва, представленный в логарифмическом масштабе, с серией аннотированных событий. Область приложения: наблюдаемая Вселенная
И.Зигель

Из полного комплекта доступных наблюдений, включая наблюдения микроволнового фонового излучения, сверхновых, обзоров больших космических структур и, среди них, барионных акустических осцилляций, мы понимаем, что радиус наблюдаемой части Вселенной сейчас, спустя 13.8 млрд лет Большого Взрыва, составляет 46.1 млрд световых лет . Это предел того, что мы сейчас наблюдаем. У всего, что находится дальше и даже у того, что двигалось со скоростью света в момент горячего Большого Взрыва, не было достаточно времени, чтобы достичь нас. По ходу времени возраст и размер Вселенной увеличивается, но все равно у того, что мы можем наблюдать, есть определенный предел.

Логарифмический концепт наблюдаемой Вселенной, нарисованный художником. Заметим, что мы ограничены во времени тем, что прошло с момента Большого Взрыва: 13.8 млрд лет, или (включая расширение Вселенной) - 46 млрд световых лет. Любой, кто живет в нашей Вселенной, независимо от места, из своей точки видит примерно то же.
WIKIPEDIA USER PABLO CARLOS BUDASSI

Так что мы можем сказать о части Вселенной, находящейся за пределами наших наблюдений? Мы можем только делать допущения на основе известных нам законов физики, и того, что мы можем измерить в наблюдаемой нами части Вселенной. Например, мы знаем, что Вселенная относительно плоская в больших масштабах: она не искривлена ни положительно, ни отрицательно, с точностью до 0.25%. Если принять, что известные нам законы физики верны, мы можем установить пределы по крайней мере того, какой должна быть Вселенная до того, как начнет искривляться.

Яркость горячих и холодных пятен и их размер в зависимости от кривизны Вселенной. Все, что мы сейчас смогли измерить с наилучшей возможной точностью, показывает, что она идеально плоская. Барионные акустические осцилляции дают другой метод исследования, но с тем же результатом.
SMOOT COSMOLOGY GROUP / LBL

Наблюдения обзора Sloan и спутника Планк - наилучшие комплекты данных, которые говорят о том, что если Вселенная и замкнута на себя, то, чтобы это установить, нам потребуется увидеть ее участок в 250 раз больше, чем мы видим сейчас

Это значит, что невидимая нам Вселенная, в предположении, что там нет никаких топологических странностей, должна быть по крайней мере 23 триллиона световых лет в диаметре, включая в себя объем в 15 миллионов раз больше, чем мы сейчас наблюдаем. Если бы мы хотели порассуждать об этом, можно довольно убедительно поспорить на ту тему, что в действительности невидимая Вселенная должна быть существенно больше и этого размера.

Размер наблюдаемой Вселенной с нашей точки зрения - 46 млрд световых лет во всех направлениях, но на самом деле ее невидимой нами части может быть, конечно, гораздо больше, возможно даже бесконечным. Со временем мы сможем увидеть еще немного больше, чем сейчас.
FRÉDÉRIC MICHEL AND ANDREW Z. COLVIN, ANNOTATED BY E. SIEGEL

Горячий Большой Взрыв мог знаменовать собой начало наблюдаемой нами части Вселенной в том виде, в котором мы ее знаем теперь, но отнюдь не начала пространства и времени самих по себе. До Большого Взрыва был еще период космической инфляции. В этот период Вселенная не была наполнена материей и излучением, она не была горячей. Вместо этого она:
  • была полна энергией присущей самому пространству,
  • расширялась с постоянной экспоненциальной скоростью,
  • создавала новое пространство так быстро, что самая маленькая его мера, длина Планка, растягивалась в размер наблюдаемой нами Вселенной каждые 10 (-32) секунды.
Инфляция вызывает экспоненциальное расширение пространства, что может быстро привести к исчезновению его искривления. Если Вселенная искривлена, то радиус этого искривления минимум в сотни раз больше, чем мы в состоянии сейчас увидеть.
E. SIEGEL (L); NED WRIGHT’S COSMOLOGY TUTORIAL (R)

Да, это правда, что в нашей области Вселенной инфляция подошла к концу. Но есть также три вопроса, на которые мы еще не знаем ответ, но которые могут кардинально влиять на то, насколько же все-таки велика Вселенная и на даже на то, бесконечна она или нет.
  1. Насколько велика была область пост-инфляционной Вселенной, в которой произошел Большой Взрыв?
  2. Является ли правильной идея о "вечной инфляции", где Вселенная расширяется бесконечно в будущем по инфляционной модели - по крайней мере, хотя бы в каких-то своих областях?
  3. И, наконец, сколько длилась инфляция до момента Большого Взрыва?
Вполне возможно, что Вселенная в тех областях, которые подвергались инфляции, достигла размера, гораздо большего чем тот, который мы сейчас можем наблюдать. Вполне возможо, что в любое время мы сможем найти подтверждение существования той грани, где она произошла. Но также возможно и то, что она в гуглы раз больше, чем мы физически в состоянии наблюдать. И пока не ответим на приведенные выше вопросы, мы никогда об этом не узнаем.


Большое количество отдельных областей, где произошел Большой Взрыв, отделены друг от друга постоянно и вечно расширяющимся в процессе инфляции пространством. Но мы совершенно не представляем себе как проверить, измерить или добраться до того, что находится вне границ наблюдаемой нами Вселенной.
OZYTIVE - PUBLIC DOMAIN

Мы вполне можем подозревать, что существует множество вселенных - дальше, чем можно увидеть, - таких, как наша, с теми же законами физики, с теми же типами физических, космических структур и с теми же шансами на образование сложных форм жизни. Они так же могут быть конечного размера в рамках "пузыря", в котором прекратилась инфляция, а в большом инфляционном пространстве может находиться экспоненциально большое количество таких пузырей. В действительности, вне зависимости от того, происходила ли инфляция в течение ограниченного времени или Вселенная родилась бесконечно большой, ее объем должен быть ограничен.

Бескрайность наблюдаемой нами Вселенной может быть всего лишь крошечной частью того, что там есть на самом деле.
NASA, ESA, R. WINDHORST, S. COHEN, AND M. MECHTLEY (ASU), R. O’CONNELL (UVA), P. MCCARTHY (CARNEGIE OBS), N. HATHI (UC RIVERSIDE), R. RYAN (UC DAVIS), & H. YAN (TOSU) 

Самой большой проблемой является та, что у нас нет достаточно информации для ответа на эти вопросы. Мы всего лишь умеем изучать Вселенную в пределах нашей досягаемости: все эти 46 млрд световых лет по всем направлениям. Ответ на самый главный из вопросов - бесконечна или конечна наша Вселенная - должен быть закодирован где-то внутри нее самой, вне пределов нашей досягаемости. И пока мы не поймем, как добыть эту информацию или придумаем какую-то мудреную схему, чтобы расширить наши знания физики, все, на, что мы можем рассчитывать - лишь допущения.

четверг, 13 сентября 2018 г.

И все-таки Большой Взрыв не был Началом

Forbes, 21 сентября 2017 года
с любезного разрешения автора

Вселенная, которая так, как наша сейчас, расширяется и охлаждается, должна была быть значительно горячее и плотнее в прошлом. Изначально к Большому Взрыву относились как сингулярности, из которой появилось такое исключительно горячее и плотное состояние. Но сегодня мы знаем лучше. 
NASA/GSFC

Вселенная началась не с хныканья - она началась со взрыва! По крайней мере, все так говорят - Вселенная началась с момента Большого Взрыва. Пространство, время и вся материя и энергия начались из одной точки, а затем расширялись и охлаждались, давая миллиарды лет жизнь атомам, звездам, галактикам и скоплениям галактик, разлетевшимся на миллиарды световых лет, что составляет сейчас наблюдаемую нами Вселенную. Эта непреодолимо красивая картинка, которая объясняет так много из того, что мы видим, от крупномасштабной структуры Вселенной в два триллиона галактик до остаточного свечения - излучения, пронизывающего все сущее. К сожалению, это не так, и об этом ученые знают уже по крайней мере 40 лет.


Как было впервые отмечено Весто Слифером, в среднем, чем дальше галактика от нас находится, тем быстрее она от нас удаляется. Годами это требовало объяснения пока наблюдения Эдвина Хаббла не позволили нам сложить все кусочки вместе: Вселенная расширяется.
Vesto Slipher (1917): Proc. AMER. PHIL.SOC.,56,403

Идея Большого Взрыва впервые возникла в 1920-1930е. Если посмотреть на далекие галактики, можно заметить нечто необычное - чем они дальше от нас, тем быстрее они удаляются. Согласно предсказаниям Общей Теории Относительности Эйнштейна, статическая Вселенная будет гравитационно нестабильна; все должно или удаляться друг от друга или, наоборот сливаться, если ткань пространства подчиняется его законам. Наблюдение этого видимого движения научило нас тому, что Вселенная расширяется, и, если разные ее части сейчас разлетаются, это значит, что когда-то давно они были значительно ближе друг к другу.

Если смотреть все дальше и дальше, можно видеть все более и более удаленные во времени от нас события. Чем в более раннюю точку мы приходим, тем более плотной и горячей оказывается там наша Вселенная.
NASA/STSCI/A.FELID

Расширяющаяся Вселенная не означает только то, что ее объекты разлетаются с течением времени, это еще также растягивание длины волны света со временем. Поскольку длина волны определяет энергию (чем она короче, тем больше энергия), это значит, что с возрастом Вселенная охлаждается, и в прошлом все было гораздо горячее. Экстраполируйте этот факт назад во времени, и вы придете к тому, что был момент времени, когда все было настолько горячим, что даже нейтральные атомы не могли формироваться. Если такая картина правильна, то мы должны были бы увидеть остаточное излучение по всем направлением, чья температура была бы всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Открытие Космического Микроволнового Излучения Фона в 1964 Арно Пензиасом и Бобом Уилсоном стало замечательным подтверждением Большого Взрыва.

Согласно оригинальным наблюдениям Пензиаса и Уилсона, плоскость Галактики показана скоплением астрофизических источников излучения (в центре), но выше и ниже все покрыто практически идеально однородным фоновым излучением.
NASA/WMAP SCIENCE TEAM

Поэтому весьма соблазнительно продолжить экстраполяцию во времени туда, где Вселенная была еще горячее, плотнее и компактнее. И если начать это делать, можно увидеть:
  • время, когда было слишком горячо для образования атомных ядер, там, где излучение было настолько горячим, что разрушало любые протонно-нейтронные связи,
  • время, когда спонтанно формировались пары частиц материи и антиматерии,
  • время, когда разрушались в кварко-глюонную плазму отдельные протоны и нейтроны - это когда температура и плотность Вселенной были больше, чем в ядрах атомов,
  • и, наконец, время, когда температура и плотность устремились в бесконечность - когда вся Вселенная находилась в одной точке - момент сингулярности.
Эта последняя точка, эта сингулярность, представляет собой момент, когда не работали физические законы - под ней понимается начало пространства и времени. Это - исключительная идея самого Большого Взрыва.

Если экстраполировать время назад, мы получим более горячее и плотное состояние. Но существовала ли кульминация этого процесса - сингулярность, когда не работали никакие физические законы?
NASA/CXS/M/WEISS

Конечно, все исключая эту исходную точку, было подтверждено и доказано! Мы создали в лаборатории кварк-глюонную плазму, мы создали пары частиц материи-антиматерии, мы проделали вычисления, которые показали, как должны были форироваться легкие элементы и в какой концентрации в эти ранние стадии жизни Вселенной, мы проделали измерения и определили, как они соответствуют предсказаниям теории Большого Взрыва. А пройдя еще дальше, мы измерили флуктуации космического фонового микроволнового излучения и увидели, как формировались и росли гравитационно связанные структуры - такие, как звезды и галактики. Везде, куда бы мы ни посмотрели, мы находили исключительное согласие между теорией и наблюдениями. Большой Взрыв выглядел победителем.

Флуктуации плотности космического фонового микроволнового излучения дают возможность увидеть зерна, вокруг которых потом стали формироваться и расти космические структуры - звезды, галактики, скопления галактик, волокна и крупномасштабные космические пустоты.
CHRIS BLAKE and SAM MOORFIELD

Исключая всего лишь некоторые аспекты. Три отдельных вещи, которые вы бы ожидали увидеть от Большого Взрыва, и которые не случились:
  1. У Вселенной нет разных температур по разным направлениям - даже в областях протяжением в миллиарды световых лет на луче зрения, у частей которых не было возможности взаимодействовать или обмениваться информацией в противоположном направлении.
  2. У Вселенной не оказалось измеримой, отличной от нуля кривизны, и даже несмотря на то, что Вселенная идеально пространственно плоская, необходим идеальный баланс между первичным расширением и плотностью материи и излучения.
  3. У Вселенной нет никаких реликтов сверхвысоких энергий от ранних времен, даже несмотря на то, что в горячей Вселенной должны были существовать нужные для этого температуры.
Теоретики, которые занимаются этими задачами, начали думать об альтернативах Большого Взрыва, о чем-то, что могло бы создать такое горячее, плотное, расширяющееся и охлаждающееся состояние и в то же время избежать указанным проблем. В декабре 1979 Алан Гут (Alan Guth) наткнулся на возможное решение.
В инфляционной Вселенной существует энергия, присущая самому пространству, которая вызывает экспоненциальное расширение. Всегда есть отличная от нуля вероятность, что инфляция закончится (что отмечена красной буквой Хе) в любое время, давая жизнь горячему и плотному состоянию, в котором Вселенная наполнена материей и излучением. Но в областях, где инфляция не кончилась, пространство продолжает инфляционно расширяться.
E.SIEGEL/BEYOND THE GALAXY

Вместо сравнительно горячего, плотного состояния, Вселенная могла начаться из состояния, в котором не было ни материи, ни излучения, ни антиматерии, ни нейтрино, и вообще никаких частиц. Вся присутствующая во Вселенной энергия была связана с самой тканью пространства - в форме энергии вакуума, которая и заставила Вселенную расширяться экспоненциально. В этом космическом состоянии по-прежнему существовали бы квантовые флуктуации, а по мере расширения пространства эти флуктуации растягивались бы, создавая области с немного большей или немного меньшей плотностью энергии относительно средней. И, наконец, когда эта фаза Вселенной - период инфляции - подошла бы к концу, энергия сконвертировалась бы в материю и излучение, создав горячее, плотное состояние - синоним Большого Взрыва.

Квантовые флуктуации присущие пространству, при его растяжении во Вселенной во время космической инфляции, породили флуктуации плотности, отпечатавшиеся на космическом фоновом микроволновом излучении, а потом, в свою очередь, дали жизнь звездам, галактикам и другим крупномасштабным структурам Вселенной, о которых мы сейчас знаем.
Изображения от ESA/PLANCK и THE DOE/NASA/NSF INTERAGENCY TASK FORCE ON CMB RESEARCH


К этой идее можно было бы отнестись как к отличной, хотя и несколько спекулятивной, но есть путь ее проверить. Если бы мы смогли измерить флуктуации, оставшиеся от послесвечения Большого Взрыва и они бы показали определенную структуру в соответствие с предсказаниями теории инфляции, это было бы "дымящееся дуло" (прим.перев. - неопровержимая улика) в пользу этой теории. Более того, эти флуктуации должны были быть очень маленькими: достаточно малыми, чтобы Вселенная не смогла бы достичь температур, подходящих для создания реликтов высокой энергии, и значительно меньше, чем значения температуры и плотности, если бы время и пространство родились из сингулярности. В 1990х и 2000х, а затем в 2010х мы подробно измерили эти флуктуации и вот что мы обнаружили.


Флуктуации космического фонового микроволнового излучения по измерениям СОВЕ (в больших масштабах), WMAP (в средних маштабах) и Планка (в малых масштабах) показывают хорошую согласованность не только по комплекту флуктуаций, безразличных к маштабу измерений, но и настолько малы по величине, что, скорее всего, они не могли бы появиться из произвольно горячего и плотного состояния.
NASA/WMAP SCIENCE TEAM

Неизбежен вывод: без сомнений, произошел горячий Большой Взрыв, но его не стоит экстраполировать на всю длину в произвольно горячее и плотное состояние. Вместо этого, ранняя Вселенная прошла период времени, когда вся энергия, которая перейдет потом в материю и излучение, была привязана к самой ткани пространства. Этот период - космическая инфляция, подошел к концу и дал начало горячему Большому Взрыву, но никогда не создавал произвольно горячего, плотного состояния или сингулярности. Что было до инфляции - или была ли инфляция бесконечна в прошлом - по-прежнему открытый вопрос, однако одно можно утверждать совершенно точно: Большой Взрыв не являлся началом Вселенной!

среда, 12 сентября 2018 г.