Новости, статьи, видео - общественно-политический форум Политбюро.

Вернуться   Новости, статьи, видео - общественно-политический форум Политбюро. > В мире науки и техники > Космос далекий и близкий

Космос далекий и близкий Пролетарка! Пролетарий! Заходи к нам планетарий! (С) В.В.Маяковский

Ответ
 
Опции темы
Старый 24.02.2010, 01:24   #1
skroznik
Кот, гуляющий сам по себе
 
Аватар для skroznik
 
Регистрация: 18.02.2010
Адрес: Родом из детства
Сообщений: 9,747
Сказал(а) Фууу!: 1
Сказали Фууу! 4 раз(а) в 4 сообщениях
Сказал(а) спасибо: 349
Поблагодарили 960 раз(а) в 816 сообщениях
skroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордится
Отправить сообщение для skroznik с помощью Skype™
По умолчанию Кратко об устройстве Вселенной

Космический аппарат Kepler нашел свою первую планету и доказал, что ему под силу найти миры, подобные Земле, у других звезд. Астрономы уверенно зафиксировали не только прохождение планеты по звезде, но и момент, когда планета скрылась за своим светилом.

Космический аппарат Kepler выведенна орбиту в марте 2009. Его главная цель – найти планеты, подобные Земле, кружащиеся вокруг звезд, похожих на Солнце. Ищет он их методом транзитов – когда планета проходит по диску звезды, звезда «подмигивает» нам – ее блеск чуть-чуть понижается. Вернее, понижается блеск системы звезда+планета, поскольку по отдельности их на космических расстояниях увидеть пока не удается.

По сути, Kepler ловит тени, которые планеты отбрасывают в далекий космос. А чтобы надежно говорить об обнаружении планеты, надо, чтобы эта тень трижды скользнула по телескопу – всегда с одной и той же амплитудой и с неизменным промежутком между звездными «миганиями». Для Земли таким периодом является один год – если, конечно, кто-то, как Kepler, следит за Солнцем из глубин космоса.

Чувствительные испытания

Космический аппарат непрерывно смотрит на одну и ту же площадку звездного неба на границе созвездий Лебедя и Лиры. Каждые полчаса Kepler записывает данные об общем количестве света, накопленным каждым из 95 миллионов пикселей его ПЗС-матрицы. В поле зрения космического аппарата находятся более 170 тысяч звезд-кандидатов, из которых через первые полгода научной работы будут отобраны 100 тысяч наиболее «надежных», не подверженных внутренним флуктуациям блеска, которые можно было бы принять за транзитные подмигивания.

Первые же 65 суток полета были посвящены «летным испытаниям» –проверке функционирования систем самого космического аппарата, а также тестированию и настройке его научной аппаратуры. Например, чтобы найти планету, подобную земной, аппарат должен измерять блеск с точностью в несколько раз лучшей, чем 0,01% – примерно такую часть поверхности нашего светила затеняет Земля, когда проходит по его диску. Расчетная точность Kepler'а – 0,002% для самых слабых звезд из числа «кандидатов».

термин: Кривая блеска - зависимость яркости небесного объекта от времени; также график такой зависимости.

Чтобы проверить чувствительность аппарата, астрономы под руководством Уильяма Боруцки из Исследовательского центра NASA имени Эймса проанализировали 10−суточную кривую блеска GSC 03547−01402 – одной из более чем 50 тысяч звезд, данные о которых были собраны в ходе летных испытаний. Астрономы сосредоточились на ней по той причине, что у нее гарантированно есть планета – огромный «горячий юпитер», открытый в прошлом году. Он обращается вокруг своего солнца за 2 с небольшим земных дня и является одной и самых горячих планет, известных ученым. Называют эту планету HAT-p-7b – по имени венгерской сети автоматизированных телескопов (англ. Hungarian Automated Telescope Network), с помощью которой небесное тело и обнаружено.

Стандартный алгоритм Kepler'а легко вычислил периодические затмения в данных. Однако чести в этом не много: HAT-p-7b – гигантская планета, которая закрывает почти 0,7% поверхности своей звезды. Чтобы найти ее, не стоило запускать в космос дорогостоящую миссию.

Настоящий успех

По-настоящему порадовал астрономов тот факт, что им удалось разглядеть вторичное затмение – «подмигивание» системы звезда+планета, связанное с покрытием планеты диском звезды. Глубина этого события – всего 0,013%, а зафиксировать его Kepler смог с точностью в 0,0011%. Это значит, что и планеты вроде Земли у солнцеподобных звезд он сможет столь же уверенно обнаруживать даже на расстоянии в тысячу световых лет.

Кроме вторичного затмения в данных очень четко виден и так называемый «эффект фазы» – медленное синусоидальное изменение блеска от прохождения планеты по звезде до покрытия звездой планеты. Планета светится отраженным светом, и если бы у нас был очень мощный телескоп, мы смогли бы разглядеть, как при движении вокруг светила меняются ее фазы. Так меняются фазы Луны при движении вокруг Земли, или Венеры, кружащейся вокруг Солнца.

Ярче всего планета перед покрытием, когда мы видим освещенным почти весь ее диск. Темнее всего – во время прохождения по диску, когда она повернута к нам своей неосвещенной стороной. Измеренная амплитуда эффекта составила около 0,012%, или примерно 93% от глубины вторичного затмения. Иначе говоря, непосредственно перед прохождением планеты по диску звезды мы видим тоненький серпик толщиной в 8% планетного радиуса.

Подробный астрофизический анализ полученных данных еще впереди, но первые выводы астрономы уже сделали в коротком сообщении, опубликованном в последнем номере Science. Судя по всему, атмосфера HAT-p-7b очень эффективно поглощает свет, и в ней не дуют очень сильные ветры. В противном случае раскаленный газ перемещался бы по всему небесному телу, и его ночная сторона светилась бы почти так же ярко, как и дневная, а эффект фазы был бы куда менее заметен.

«Земель» придется подождать

Чтобы выполнить свою основную миссию, Kepler'у потребуется минимум два, а, скорее, даже три года наблюдений. Выводов астрономы не будут делать до тех пор, пока не увидят три одинаковых периодических «подмигивания». Для планет вроде Земли в обитаемой зоне звезд вроде Солнца для этого нужно два-три года. Именно столько нам придется подождать до открытия новых «земель».

Сколько всего Kepler их найдет, пока никто сказать не может. Максимум, на что мы можем рассчитывать – несколько сотен. Если у всех звезд-кандидатов имеются планетные системы вроде нашей, то лишь у нескольких сотен они будут ориентированы так, чтобы тень «земель» проскальзывала по нашей планетной системе.
Ну а минимум, естественно, ноль. Но если такое случится, винить в этом аппаратуру Kepler'а не придется – как показывают данные по HAT-p-7b, найти «земли» ему вполне под силу.

Последний раз редактировалось skroznik; 03.12.2011 в 15:47.
skroznik вне форума   Ответить с цитированием
Пользователь сказал cпасибо:
Ксения (25.02.2010)
Старый 27.03.2010, 20:34   #2
skroznik
Кот, гуляющий сам по себе
 
Аватар для skroznik
 
Регистрация: 18.02.2010
Адрес: Родом из детства
Сообщений: 9,747
Сказал(а) Фууу!: 1
Сказали Фууу! 4 раз(а) в 4 сообщениях
Сказал(а) спасибо: 349
Поблагодарили 960 раз(а) в 816 сообщениях
skroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордится
Отправить сообщение для skroznik с помощью Skype™
По умолчанию Re: Рассказы о Вселенной

В ПОГОНЕ ЗА СКАЧУЩЕЙ ВСЕЛЕННОЙ

Мартин Боджовальд


Возможно, Большой взрыв не был началом нашей Вселенной — она могла образоваться в результате управляемого сложными гравитационно-квантовыми эффектами Большого отскока, стремительного сжатия, породившего взрыв


В современной науке понятие атома — настолько общепринятая концепция, что трудно вспомнить, насколько радикальным оно было когда-то. Когда больше века назад ученые впервые ввели в рассмотрение атомы, далеко не всех обрадовала необходимость наблюдать повсюду нечто столь малое, а многие даже спорили, насколько научной можно считать эту новую парадигму. Тем не менее факты в пользу существования атомов постепенно накапливались, и в 1905 г. после работы А. Эйнштейна, посвященной анализу броуновского движения (произвольно перемещающихся твердых частиц в жидкой среде), наличие в природе атомов стало очевидным. Но затем ученым потребовалось еще 20 лет для развития теории, объясняющей природу и свойства атомов, — квантовой механики. И еще 30 лет понадобилось физику Эрвину Мюллеру (Erwin Muller), чтобы создать с помощью микроскопа первые изображения атомов. В современном обществе мировая индустрия базируется на свойствах материи, состоящей из атомов.

Процесс понимания структуры пространства-времени следует схожим путем, однако остается на несколько шагов позади. Точно так же, как поведение вещества указывает на атомарность его структуры, некоторые свойства пространства-времени предполагают наличие у него своего рода ячеистой структуры — мозаики «атомов» пространства-времени, а быть может, и иного результата не имеющей аналогов филигранной работы. Атомы являются неделимыми «кирпичиками» химических соединений. Аналогично, предполагаемые «атомы» пространства должны быть элементарными единицами длины: их размер должен быть порядка 10–35 метра, что гораздо меньше величины, различаемой на самых мощных современных приборах, — 10–18 м. Следовательно, у ученых возникает вопрос, может ли вообще считаться научной гипотеза об «атомарности» пространства-времени? Раз появившаяся гипотеза требовала проверки, то некоторые исследователи приступили к поиску возможностей обнаружения структуры пространства-времени косвенными методами.

Наиболее перспективные пути такого поиска — с помощью астрономических наблюдений. Если мы представим себе обращение расширения Вселенной обратно во времени, наблюдаемые галактики сожмутся в бесконечно малую область — сингулярность Большого взрыва. В данной точке, как предсказывает общепринятая теория гравитации Эйнштейна, Вселенная обладает бесконечно большими плотностью и температурой. Эту точку считают началом Вселенной — рождением вещества, пространства и времени. Однако такая интерпретация заходит слишком далеко, поскольку расходимость физических характеристик указывает на неприменимость на таких масштабах теории относительности. Для понимания того, что же происходило в эпоху Большого взрыва, необходимо преступить границы теории относительности и создать теорию квантовой гравитации, которая смогла бы выявить структуру пространства-времени на тех масштабах и энергиях, где теория относительности уже бессильна.

Детали рельефа пространства-времени зависят от плотности ранней Вселенной. В современной Вселенной следы такой структуры проявляют себя в расположении материи и излучения. Короче говоря, если и существует «атомарность» пространства-времени, то не потребуется многовековых поисков ее следов, как в случае нахождения структуры вещества. При удачном стечении обстоятельств мы сможем прояснить этот вопрос уже в грядущем десятилетии.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

  • Общая теория относительности Эйнштейна гласит, что началом Вселенной была сингулярность Большого взрыва, когда вся видимая нами материя была сконцентрирована в одной точке бесконечной плотности. Но теория не учитывает возможность существования некой тонкой квантовой структуры пространства-времени, которая ограничивает степень концентрации вещества и указывает, насколько сильной может оказаться гравитация. Для понимания истиной картины необходима квантовая теория гравитации.
  • Согласно предсказаниям одного из претендентов на место такой теории, петлевой квантовой гравитации, пространство-время состоит из «атомов» и обладает ограниченной возможностью вмещать в себя материю и энергию, не давая, таким образом, образовываться сингулярности.
  • Если это так, то время может простираться и дальше Большого взрыва. Вселенная до Большого взрыва могла подвергнуться катастрофическому сжатию, который достиг максимально возможной величины, а затем обратился в расширение. Короче говоря, так называемое Большое схлопывание могло привести к Большому отскоку, а потом к Большому взрыву.

Кусочки пространства

Физики разработали несколько вариантов квантовой теории гравитации, каждый из которых по-своему вводил квантовые принципы в теорию относительности. Работа автора была посвящена теории так называемой петлевой квантовой гравитации (или, для краткости, просто петлевой гравитации), которая была развита в 1990-х гг. в два этапа. Прежде всего, теоретики математически переформулировали теорию относительности с целью сделать ее формализм схожим с классической теорией электромагнетизма; давшие свое имя новой теории петли — аналоги линий электромагнитного поля. Далее, следуя некоторым стандартным процедурам (некоторые из них сродни математическому разделу топологии — теории узлов), ученые применили к петлям квантовые принципы. Полученная таким образом квантовая теория гравитации предсказывает существование «атомов» пространства-времени (см.: Смолин Л. Атомы пространства и времени // ВМН, № 4, 2004).

Другие подходы, например теория струн и так называемые причинно-динамические разбиения, сами по себе не предсказывают существование таких элементарных «кирпичиков» пространства-времени, но предлагают другие способы объяснения неделимости достаточно малых расстояний (см.: Берджесс К., Кеведо Ф. Большое космическое путешествие по американским горкам // ВМН, № 3, 2008, Амбьорн Я, Лолл Р., Юркевич Е. Самоорганизующаяся квантовая вселенная // ВМН, № 10, 2008). Различия в этих теориях породили полемику, но, по мнению автора, теоретики не столько противоречат один другому, сколько дополняют друг друга. Например, теория струн очень полезна для формирования единого взгляда на взаимодействие частиц, включая гравитацию, в том режиме, когда она не слишком сильна. Но если задаться целью различить, что происходит в сингулярности, в области сильной гравитации, то более пригодными становятся атомарные построения петлевой гравитации.

Мощь теории, изучающей пространство-время, измеряется ее способностью выявлять все изгибы такого пространства-времени. Великим прозрением Эйнштейна было осознание того факта, что пространство-время не является застывшей сценой, на которой разворачивается драма Вселенной. Такая сцена тоже актриса — она не только определяет движение тел во Вселенной, но эволюционирует и сама. Материя, пространство и время взаимодействуют между собой, пространство может расти и сжиматься.

Петлевая гравитация распространяет идею Эйнштейна на квантовый мир. Эта теория пользуется нашим представлением о частицах и веществе и применяет его к элементарным структурам пространства-времени, порождая единый взгляд на базовые концепции физики. Так, квантовая теория электромагнетизма описывает вакуум, лишенный частиц, например фотонов. При увеличении энергии вакуума происходит рождение новой частицы. По аналогии, в квантовой теории гравитации «вакуум» есть отсутствие пространства-времени — совершенное «ничто», которое мы вряд ли можем себе представить. Квантовая гравитация описывает, как увеличение энергии, добавленное к такому «вакууму», порождает новый «атом» пространства-времени.

«Атомы» пространства-времени формируют плотную, постоянно меняющуюся ячеистую сеть. На больших масштабах ее динамика подчиняется законам теории относительности, при обычных условиях мы никогда бы не узнали о существовании подобной атомарной структуры — ячейки настолько малы, что пространство-время выглядит непрерывным. Но если пространство-время обладает энергией, сравнимой с энергией Большого взрыва, структура пространства-времени становится дискретной, и предсказания петлевой гравитации отличаются от предсказаний теории относительности.

ПРОБЛЕМА ТЕОРИИ


Гипотеза о существовании Большого взрыва следует из простого наблюдательного факта: галактики во Вселенной разлетаются друг от друга. Если вы повернете направление их движения назад во времени, то все галактики (или их предшественники), с необходимостью должны были бы сжаться в точку 13,7 млрд лет назад. Фактически, согласно общей теории относительности Эйнштейна, все галактики должны сжаться в единую точку бесконечной плотности — сингулярность Большого взрыва. Но бесконечная плотность не является физической, а раз теория относительности ее предсказывает, то это сигнал к тому, что теория не полна.

Влекомый к отталкиванию


Приложение теории к реальному миру — это сверхсложная задача, поэтому автор с коллегами использовали упрощенные версии, в которых были учтены только действительно существенные особенности Вселенной, такие как ее размер, и были проигнорированы менее важные детали. Коллективу авторов пришлось приспособить для собственных нужд многие стандартные математические процедуры, используемые в физике и космологии. Например, физики-теоретики для описания устройства мира, как правило, пользуются аппаратом дифференциальных уравнений. Эти уравнения точно определяют темп изменения физических переменных, таких, например, как плотность, в каждой точке непрерывного пространства-времени. Но если пространство-время обладает ячеистой структурой, то необходимо использовать так называемые разностные уравнения, решения которых разбивают континуум на дискретные интервалы. Такие уравнения дают описание того, как Вселенная, образно выражаясь, «взбирается по лестнице масштабов», т.е. увеличивает свои размеры. Когда автор в 1999 г. собрался проанализировать космологические следствия петлевой гравитации, многие исследователи ожидали, что упомянутые разностные уравнения смогут всего лишь воспроизвести старые результаты. Однако данный математический аппарат сразу же предоставил неожиданные возможности.

Гравитация — это сила притяжения. Сгусток вещества стремится сжаться под воздействием собственного веса, и если его масса достаточно велика, то гравитация доминирует над всеми остальными взаимодействиями и сжимает вещество до состояния сингулярности, подобно той, что находится в центре черной дыры. Однако согласно петлевой гравитации атомарная структура пространства-времени меняет природу силы притяжения в условиях больших плотностей и сверхвысоких энергий, делая ее силой… отталкивания. Прибегнем к аналогии. Представьте себе пространство, подобное губке, а массу и энергию — насыщающей его водой. Пористая структура губки позволяет задерживать влагу, но не больше определенного количества. Полностью мокрая губка не может больше впитывать жидкость, а может только изливать ее обратно. Похожим образом, по мнению автора, обстоит дело и в атомарном квантовом мире, обладающем пористой структурой и могущем принять только некоторое количество энергии. Когда плотность энергии становится слишком большой, начинают работать силы отталкивания. В противоположность такому подходу непрерывное пространство-время в теории относительности может содержать безграничное количество энергии.

За счет гравитационно-квантовых изменений в балансе сил в теории петлевой гравитации никогда не возникают сингулярности, т.е. нет состояний с бесконечно большой плотностью. Согласно такой модели, вещество в ранней Вселенной обладало очень большой, но конечной плотностью, эквивалентной тысяче миллиардов солнц в каждом объеме радиуса протона. При таких условиях гравитация действовала как сила отталкивания, приводя к расширению пространства; с уменьшением же плотности гравитационные силы приобрели хорошо известный нам вид сил притяжения.

В сущности, отталкивающая гравитация послужила причиной ускоренного расширения Вселенной. По всей видимости, космологические наблюдения требуют наличия в ранней Вселенной такого ускорения, известного как космологическая инфляция. С расширением Вселенной силы, управляющие инфляцией, медленно спадают. Когда ускорение заканчивается, избыток энергии преобразуется в обычную материю, которая начинает заполнять Вселенную, — так называемый процесс рехитинга (вторичный разогрев). В современных моделях инфляция постулируется, т.е. добавляется в модель для удовлетворения наблюдениям. В петлевой квантовой космологии инфляция — естественное следствие атомарности пространства-времени. Ускорение появляется, когда Вселенная мала, и ячеистая структура пространства-времени все еще значима.

АТОМЫ ПРОСТРАНСТВА


Теория относительности сталкивается с проблемами, потому что предполагает пространство непрерывным. Более изощренная теория, такая как петлевая квантовая гравитация, полагает, что пространство есть решетка из крошечных «атомов» (сферы). Диаметр таких «атомов» (линии) — так называемая планковская длина, расстояние, на котором гравитационные и квантовые эффекты сравнимы по силе.

Время до начала времен


В отсутствие сингулярности, дающей начало времени, история Вселенной может быть продлена гораздо дальше в прошлое, чем это могут считать возможным космологи. Некоторые специалисты в смежных разделах физики пришли к таким же выводам (см.: Венециано Г. Миф о начале времен // ВМН, № 8, 2004), но только очень немногие создали модели, полностью решающие проблему сингулярности. Большая их часть, включая полученные из струнных теорий, требуют предположений о том, что могло бы случиться в этой тревожащей умы исследователей точке. Петлевая гравитация в противоположность остальным подходам без дополнительных постулатов способна отследить, что происходило в сингулярности. Модели, основанные на этой теории, хотя и упрощенные, по общему признанию, базируются на общих принципах, избегая новых постулируемых сущностей.

Используя разностные уравнения, авторы могут реконструировать далекое прошлое. Один из возможных сценариев развития Вселенной следующий: начальное состояние, обладавшее высокой плотностью, появляется, когда некая существовавшая раньше вселенная коллапсирует под действием гравитационных сил притяжения. Плотность увеличивается до такой степени, что гравитация «переключается», становясь силой отталкивания, и вселенная начинает расширяться снова. Такой процесс получил название отскока. Первая досконально изученная модель отскока — идеализированный случай вселенной высокой степени симметрии и содержащей только один тип материи. Частицы в такой модели предполагаются безмассовыми и не взаимодействующими друг с другом. Хотя эта модель и была крайне упрощенной, она с самого начала потребовала больших объемов численного моделирования, завершенного только к 2006 г. Эбхеем Аштекаром (Abhay Ashtekar), Томашем Павловски (Tomasz Pawlowski) и Парампритом Сингхом (Parampreet Singh) из Университета штата Пенсильвания. Они рассмотрели распространение волн, представляющих вселенную, до и после Большого взрыва. Проведенное моделирование ясно показало, что волны могли бы и не следовать классической траектории, ведущей в пасть сингулярности, но могли бы остановиться и развернуться назад при наличии отталкивающих гравитационно-квантовых сил.

Впечатляющий результат проведенного моделирования — то, что хорошо известный принцип неопределенности квантовой механики, по всей видимости, не давал о себе знать во время отскока. Другими словами, волна оставалась локализованной, а не рассеивалась, как это обычно происходит в квантовой механике. Если принять это за чистую монету, то получается, что вселенная до отскока была похожа на нашу Вселенную. Такая вселенная была управляема теорией относительности и, возможно, наполнена звездами и галактиками. Если так, то мы могли бы экстраполировать нашу Вселенную назад во времени, через отскок, и понять, что же происходило раньше, подобно тому, как мы можем воссоздать траектории двух бильярдных шаров до столкновения, основываясь на их движении после него — нам нет необходимости знать детали столкновения на уровне атомов.

ВЫГЛЯДЯ ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ОТТАЛКИВАЮЩЕЙ


Если вы упакуете энергию в некоторый элемент объема пространства, то длина волны частиц, обладающих этой энергией, уменьшится и в конечном счете приблизится к размеру «атома» пространства-времени



Пространство буквально вываливается изо всех окон — если вы попытаетесь упаковать больше энергии, пространство просто «вытолкнет» ее. Оказывается, что гравитация, генерируемая такой областью, становится уже не силой притяжения, а силой отталкивания



К сожалению, последующий более глубокий анализ этой модели, проделанный автором, развеял появившуюся надежду. Так же, как и используемые в численных расчетах квантовые волны, первая модель оказалась специальным случаем. В общем же автор нашел, что волны все-таки рассеиваются, квантовые эффекты достаточно сильны, и их необходимо принимать во внимание. Таким образом, отскок не был простым толчком силы отталкивания, подобно тому, как это происходит при столкновении двух бильярдных шаров. Вместо этого ситуация может представлять собой появление нашей Вселенной из практически неизмеримого квантового состояния — мира в сильно флуктуирующем беспорядке. Даже если существовавшая ранее вселенная была очень похожа на нашу Вселенную, то она прошла сквозь протяженный период сильной флуктуации плотности энергии и материи, и все оказалось перемешано случайным образом.

Флуктуации до и после Большого взрыва не были сильно связаны друг с другом. Вселенная до Большого взрыва могла флуктуировать совершенно по-другому, чем это происходило после. Детали данных флуктуаций не пережили отскок. Короче говоря, наша Вселенная обладает трагической забывчивостью — она могла существовать до Большого взрыва, но квантовые эффекты во время отскока стерли практически все следы ее предыстории.

ВМЕСТО БОЛЬШОГО ВЗРЫВА


Определяя ограничения на максимальное количество энергии, которое может быть «упаковано» в пространстве, петлевая квантовая гравитация вместо сингулярности Большого взрыва вводит в рассмотрение так называемый Большой отскок — процесс, который выглядит как начало чего-то, но на самом деле отражает переход из некоего предыдущего состояния. Большой отскок может объяснить расширение ранней Вселенной



В одном из сценариев Вселенная вечна. В результате направленного внутрь взрыва она достигает максимально возможной плотности (на границе Большого отскока) и снова начинает расширение



Можно предложить еще одну альтернативную теорию, отличающуюся и от классической гипотезы Большого взрыва, и от теории Большого отскока. До Большого отскока Вселенная могла находиться в практически неизмеримом квантовом состоянии, не являвшимся пространством как таковым, когда что-то послужило толчком к Большому отскоку и к формированию «атомов» пространства-времени. Какая из альтернативных теорий верна — покажет изучение дальнейших деталей эволюции Вселенной, над которыми физики продолжают работать

Остатки памяти

Предъявленная автором картина Большого взрыва более хитроумна, чем классический взгляд на сингулярность: тогда как в теории относительности происходит падение в сингулярность, петлевая квантовая гравитация в состоянии регулировать такие экстремальные состояния. В этой теории Большой взрыв больше не представляет собой физическое начало и математическую сингулярность, но он, тем не менее, ставит практическое ограничение нашему познанию — попрежнему не существует полного понимания картины того, что было до него.

Этот факт может быть огорчительным, но может оказаться и своего рода концептуальным благословением! В физических системах в повседневной жизни беспорядок склонен нарастать. Этот принцип, известный как второй закон термодинамики, является аргументом против модели вечной Вселенной. Так, если бы порядок убывал на бесконечном промежутке времени (в прошлом), то к настоящему моменту Вселенная оказалась бы настолько хаотичной, что упорядоченные структуры, которые мы наблюдаем в галактиках и на Земле, просто не могли бы существовать. Знание точной степени «забывчивости» Вселенной может помочь для описания молодой, растущей Вселенной, обладающей неким «чистым состоянием», безотносительно всего того беспорядка, что был до Большого взрыва.
Вселенная обладает трагической забывчивостью — она могла существовать до Большого взрыва, но квантовые эффекты во время отскока стерли практически все следы ее предыстории
Согласно классической термодинамике, не существует такого понятия, как «чистое состояние» — любая система всегда хранит память о своем прошлом в конфигурации своих атомов (см.: Кэрролл Ш. Космологическое происхождение «стрелы времени» // ВМН, № 9, 2008). Однако давая возможность количеству «атомов» пространства-времени меняться, петлевая квантовая гравитация предоставляет Вселенной больше степеней свободы для упорядочивания, чем в классической физике.

Все сказанное не означает, что космологи отчаялись исследовать гравитационно-квантовый период развития нашей Вселенной. Поиск гравитационных волн и исследование нейтрино — исключительно многообещающие методы, поскольку и те, и другие слабо взаимодействуют с веществом и, следовательно, проникают в первичную плазму с минимальными потерями. Эти «вестники» смогли бы хорошо донести до нас сведения из времен Большого взрыва и, быть может, даже из более далеких эпох.

ЗЕРКАЛО, ЗЕРКАЛО


Несмотря на эффекты, в результате которых Вселенная перемешивается во время Большого отскока, физики могут сформулировать несколько полезных гипотез о том, что было «до». Кое-что действительно оказывается странным. Так, использование разностных уравнений в петлевой квантовой гравитации подразумевает, что область пространства-времени, предшествующая Большому отскоку, была зеркальным отображением пространства-времени нашей Вселенной. Таким образом, например, то, что было предназначено для правой руки, окажется предназначенным для левой и наоборот.

Для визуализации этого эффекта представьте себе сдувающийся воздушный шарик, который вместо того, чтобы превратиться в мягкий кусочек резины, сохраняет свою энергию и момент вращения. Резиновый шарик, вовлеченный в движение, будет оставаться в движении. Так, если он сожмется до минимального размера, то вывернется наизнанку и снова начнет раздуваться — что прежде было внутри шарика, теперь окажется снаружи и наоборот. Схожим образом, когда «атомы» пространства-времени пересекают друг друга во время Большого отскока, Вселенная выворачивается наизнанку.

Несмотря на эффекты, в результате которых Вселенная перемешивается во время Большого отскока, физики могут сформулировать несколько полезных гипотез о том, что было «до». Кое-что действительно оказывается странным. Так, использование разностных уравнений в петлевой квантовой гравитации подразумевает, что область пространства-времени, предшествующая Большому отскоку, была зеркальным отображением пространства-времени нашей Вселенной. Таким образом, например, то, что было предназначено для правой руки, окажется предназначенным для левой и наоборот. Для визуализации этого эффекта представьте себе сдувающийся воздушный шарик, который вместо того, чтобы превратиться в мягкий кусочек резины, сохраняет свою энергию и момент вращения. Резиновый шарик, вовлеченный в движение, будет оставаться в движении. Так, если он сожмется до минимального размера, то вывернется наизнанку и снова начнет раздуваться — что прежде было внутри шарика, теперь окажется снаружи и наоборот. Схожим образом, когда «атомы» пространства-времени пересекают друг друга во время Большого отскока, Вселенная выворачивается наизнанку.

Один из способов поиска гравитационных волн — изучение их «отпечатков» на микроволновом реликтовом излучении. Если космологическая инфляция была порождена квантово-гравитационными силами отталкивания, то с помощью наблюдений анизотропии реликтового излучения можно было бы обнаружить намеки на следствия такой теории. Теоретики обязаны также определить, сможет ли этот новый кандидат на роль источника инфляции воспроизвести другие наблюдательные космологические эффекты, особенно в распределении плотности ранней Вселенной, видимой по данным анизотропии реликтового излучения.

В то же время астрономы могут искать пространственно-временные аналоги случайного броуновского движения. Например, квантовые флуктуации пространства-времени могли бы влиять на распространение света на больших расстояниях. Согласно петлевой гравитации, волна света не может быть непрерывной; она обязана быть «подогнанной» под размеры (кратной размерам) элементарной ячейки пространства-времени. Чем меньше длина волны, тем больше пространственно-временная решетка деформирует ее. Как следствие, свет разных длин волн идет с разной скоростью. Хотя это различие ничтожно, оно может накапливаться, когда свет проходит очень большие расстояния. Удаленные источники, такие как гамма-вспышки — один из лучших способов найти подтверждения подобным теориям. (см.: Атвуд У., Майкельсон П., Ритц С. Окно в экстремальную вселенную // ВМН, № 3, 2008).

В случае атомов вещества 25 веков прошло между спекулятивными предположениями античных философов и анализом броуновского движения Эйнштейном, который сделал атомы реальным субъектом экспериментальной науки. Для «атомов» пространства-времени задержка не должна оказаться такой большой.

ОБ АВТОРЕ

Мартин Боджовальд (Martin Bojowald) — ведущий научный сотрудник Института гравитации и космоса в Университете штата Пенсильвания. Область научных интересов — петлевая квантовая гравитация в космологии. Лауреат премий по гравитации и теории относительности. Увлекается чтением классической литературы и бегом на длинные дистанции.

Последний раз редактировалось skroznik; 30.08.2016 в 19:44.
skroznik вне форума   Ответить с цитированием
Старый 28.03.2010, 16:58   #3
skroznik
Кот, гуляющий сам по себе
 
Аватар для skroznik
 
Регистрация: 18.02.2010
Адрес: Родом из детства
Сообщений: 9,747
Сказал(а) Фууу!: 1
Сказали Фууу! 4 раз(а) в 4 сообщениях
Сказал(а) спасибо: 349
Поблагодарили 960 раз(а) в 816 сообщениях
skroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордится
Отправить сообщение для skroznik с помощью Skype™
По умолчанию Re: Рассказы о Вселенной

БЕСПОКОЙНЫЙ ЭНЦЕЛАД


Каролин Порко

Извергающиеся на пересеченную поверхность шестого по размеру спутника Сатурна фонтаны свидетельствуют о наличии в его недрах воды
Более четверти века назад «Вояджер-2», следуя через систему Сатурна, прошел всего в 90 тыс. км от Энцелада, одного из спутников этой планеты. Тогда зонд передал на Землю снимки, над которыми затем многие годы ломали голову специалисты. Энцелад выглядел «белой вороной» даже среди таких разнообразных космических тел, как спутники Сатурна, На его снежно-белой ледяной поверхности обнаружились обширные области без единого кратера, что указывало на внутреннюю геологическую активность в прошлом. Имея диаметр чуть более 500 км, Энцелад, по-видимому, слишком мал, чтобы выделять собственное тепло. Возможно, с ним произошло что-то необычное, стершее следы падений метеоритов с его поверхности.

Короткий визит «Вояджера» позволил составить лишь общее впечатление об этом небесном теле, да и условия съемки оказались очень неудачными. Было получено несколько снимков северного полушария со средним разрешением и несколько изображений южного полушария с низким разрешением. Но ни одного снимка южного полюса не было. Мы и не догадывались, чего тогда лишились.

Интерес к Энцеладу, возникший после визита «Вояджера», был так велик, что детальное его исследование стало основной задачей полета «Кассини» к Сатурну. Запущенный в 1997 г. и оснащенный сложнейшей аппаратурой, «Кассини» семь лет добирался сквозь межпланетное пространство к внешним областям Солнечной системы. Летом 2004 г. он, наконец, достиг цели (см.: Лунин Д. Вот и Сатурн! // ВМН, № 8, 2004). В декабре того же года он сбросил зонд в атмосферу Титана — крупнейшего спутника Сатурна. Затем приступил к изучению остальных спутников, в том числе и Энцелада, который исследовал в течение нескольких месяцев с особенно близкого расстояния.

Все, о чем мечтали планетологи, обнаружилось на маленьком, тектонически активном небесном теле. Теперь этот крошечный объект, затерянный среди других на краю Солнечной системы, оказался в центре внимания. Энцелад не только обладает достаточной температурой для поддержания геологической активности, которая изменяет вид его поверхности, но он также богат органическими соединениями и, возможно, в его недрах скрыты каналы или даже океан жидкой воды. Как известно, для зарождения жизни нужны три компонента: органическое вещество, энергия и жидкая вода. Исследуя этот далекий и необычный объект, мы обнаружили среду, потенциально пригодную для существования живых организмов. Что может быть интереснее?!

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

  • На спутнике Сатурна Энцеладе фонтаны снега и водяного пара, насыщенные органическими соединениями, вырываются из «тигровых полос» — теплых разломов на поверхности. Как тело размером чуть более 500 км способно поддерживать столь бурную активность?
  • Причиной этого может быть жидкость под грунтом, возможно, океан, усиливающий эффект приливного нагрева. Об этом говорят данные, полученные в ходе недавних пролетов зонда.
  • Если на Энцеладе есть жидкая вода, то он наравне с Марсом и спутником Юпитера Европой становится объектом поиска внеземных форм жизни.

ПАРАМЕТРЫ ЭНЦЕЛАДА
  • Масса: 1,08 х 1020 кг
  • Диаметр: 504 км
  • Плотность: 1,61 г/куб. см
  • Среднее расстояние от Сатурна: 238,037 км
  • Орбитальный период: 1,37 суток
  • Эксцентриситет: 0,0047
  • Наклонение орбиты к экваториальной плоскости Сатурна: 0,0083 °

Намек на то, что мы столкнулись с чем-то очень важным, появился раньше, чем «Кассини» впервые сблизился с Энцеладом. В то время его не все смогли оценить. В январе 2005 г. камеры зонда получили первое изображение спутника в контровом освещении, как говорят астрономы, при большом фазовом угле Солнца. Как пыль на лобовом стекле вашего автомобиля становится заметной, когда вы едете навстречу источнику света, так и мелкие частицы, разбросанные по Солнечной системе, становятся видны, когда вы смотрите сквозь них в сторону Солнца. Такие условия наблюдения оказались очень выгодными при полете «Вояджеров»: они позволили выявить трудно различимые структуры в кольцах и атмосферах внешних планет и их спутников. И они же дали ключ к исследованию Энцелада.

На снимках, полученных в январе 2008 г., были видны яркие выступы над южным полярным лимбом спутника. Нам, ветеранам «Вояджера», все это напомнило вулканические извержения на спутнике Юпитера Ио и призрачные туманы в атмосфере спутника Нептуна Тритона. Некоторые члены нашей группы были уверены, что вспышки свидетельствуют о выбросе вещества из южного полюса. Другие предполагали, что это может быть дефектом, возникшим при съемке в направлении Солнца.

Фонтаны водяного пара и частичек льда, вырывающиеся из глубоких трещин в районе южного полюса, делают Энцелад одним из четырех геологически активных объектов Солнечной системы. Астронавты на этом рисунке изображены для масштаба.

На снимках, полученных в январе 2008 г., были видны яркие выступы над южным полярным лимбом спутника. Нам, ветеранам «Вояджера», все это напомнило вулканические извержения на спутнике Юпитера Ио и призрачные туманы в атмосфере спутника Нептуна Тритона. Некоторые члены нашей группы были уверены, что вспышки свидетельствуют о выбросе вещества из южного полюса. Другие предполагали, что это может быть дефектом, возникшим при съемке в направлении Солнца.

К сожалению, мы были очень заняты планированием будущих наблюдений и подготовкой научных статей, поэтому не предприняли детального анализа, который помог бы разрешить спор. Не имея времени для тщательной проверки, я решила не высказываться публично. Я понимала, насколько ошеломляющим стало бы заявление об открытии струй вещества, вырывающихся из поверхности спутника, считавшегося безжизненным с геологической точки зрения. Особенно если вскоре мы будем вынуждены признать, что это был всего лишь дефект снимка. Но, к счастью, нам не пришлось долго ждать.

Первые два пролета вблизи Энцелада, в феврале и марте 2008 г., произошли вдоль экватора спутника. Оба дали впечатляющий результат: равнины, замеченные «Вояджером», оказались совсем не ровными. Они покрыты многочисленными трещинами шириной менее километра, местами пересеченными множеством прямых или извивающихся желобков. В других местах поверхность прорезана ущельями глубиной в полкилометра. И в более мелком масштабе паутина из почти параллельных узких трещин покрывает рельеф, разделяя его на отдельные области. Эти «шрамы» ясно свидетельствуют о том, что в прошлом Энцелад неоднократно проявлял тектоническую активность.

Февральский пролет мимо Энцелада также пришелся при большом фазовом угле, и на этих снимках выступы оказались видны еще четче, чем прежде. К тому же магнитометр показал, что силовые линии магнитного поля Сатурна искривлялись, когда из-за вращения планеты они проходили мимо Энцелада, а это говорило о том, что они захватывали тяжелые ионы. Источником этих ионов, вероятно, был южный полюс Энцелада. Ситуация начинала проясняться: выступы, зафиксированные на изображениях спутника, наверняка существуют в действительности.



На рисунках слева направо изображены:

На первом: При первом пролете мимо Энцелада в 1981 г. «Вояджер-2» передал не очень четкие изображения ограниченной области. Гладкие области указывают на геологическую активность в недавнем прошлом

На втором: Энцелад (слева от центра) в десять раз меньше крупнейшего спутника Сатурна Титана. Столь мелкие тела быстро теряют внутреннее тепло. Все они, кроме Энцелада, геологически мертвы. Почему же активен Энцелад?

На третьем: это снимок с «Кассини». Энцелад проходит перед Дионой, более крупным и далеким спутником, притяжение которого косвенно способствует активности Энцелада. На переднем плане — внешняя часть кольца Сатурна

__________________________________________________ ____________________

Группа ученых, работавших над проектом «Кассини», представила свои результаты руководителям и попросила уменьшить высоту пролета в июле 2005 г. с 1000 км до 168 км. Руководство согласилось. 14 июля «Кассини» пролетел над южной полярной областью Энцелада и впервые передал четкое изображение южного полюса. Пейзаж оказался не похожим ни на что иное в Солнечной системе.

Район южного полюса — почти круглая область без кратеров, изрезанная глубокими параллельными трещинами, похожими на следы тигриных когтей, поэтому мы назвали их «тигровыми полосами». Почти на равном расстоянии друг от друга они тянутся на 130 км и в конце изгибаются крючком. В своих центральных частях полоски ярче, чем в среднем вся пересеченная поверхность данной области. Сама область резко обрывается на южной широте 55°, упираясь в тесные ряды извивающихся гор и долин, концентрически охватывающих южный полюс. Этот пограничный горный пояс разделен по долготе примерно через 45° длинными трещинами; некоторые из них тянутся до экватора в почти лишенные кратеров районы.

Примкнувший к нашей команде сотрудник Корнельского университета Пол Хельфенстейн (Paul Helfenstein) предположил, что структура гор и долин, окружающих южный полюс, указывает на то, что складчатый пояс образовался в результате изгибов поверхности, сжатой горизонтальным давлением в направлении север-юг, подобно тому, как тектоническое сжатие на Земле создало Гималаи. А ограниченная этим поясом область на Энцеладе подобна нашему Срединно-Атлантическому хребту, где поднимающееся из недр вещество вызывает спрединг океанической земной коры.

Поверхность этого маленького спутника, должно быть, хранит следы драматического прошлого, но и то, что мы видим сейчас, совершенно удивительно. Когда «Кассини» пролетал над южной полярной областью, его пылевой анализатор собрал крошечные частицы, выброс которых, вероятно, произошел в районе «тигровых полос». Два других прибора обнаружили водяной пар, и один из них заметил наличие двуокиси углерода, азота и метана, через разреженное облако которых прошел «Кассини».

Кроме того, инфракрасная камера зафиксировала рост температуры в районе трещин до 180° К, что существенно выше тех 70° К, до которых Солнце способно нагреть эту поверхность.В этих местах выделяется 60 Вт/кв. м тепла, что гораздо больше, чем 2,5 Вт/кв. м, выделяющиеся в Йеллоустонской геотермальной области. А участки поверхности, неразрешимые для инфракрасной камеры, могут быть еще горячее.

До сих пор не верится, что мы обнаружили столь удивительный объект. Мы сразу же запланировали на конец ноября 2005 г. получение специальной серии снимков для осмотра южного полюса с высоким разрешением при очень большом фазовом угле. К этому времени собралось довольно много изображений других спутников при большом фазовом угле. Вместе с аналитиками нашей группы я смогла доказать скептикам, что, поскольку на изображениях других спутников нет никаких вспышек, следовательно, то, что мы видим на Энцеладе, не может быть просто дефектом. Сомнения рассеялись: мы поняли, что видим гигантские струи мельчайших частиц, взметнувшиеся над южным полюсом спутника по крайней мере на несколько сотен километров.

Серия замечательных черно-белых снимков серповидного Энцелада была получена 27 ноября и ясно показала более дюжины узких фонтанов из мелких ледяных частиц, вылетающих в пространство и образующих огромный, похожий на язык пламени, выступ над южным полюсом. Изучив изображения, Джозеф Спитейл (Joseph Spitale) из Космического института и я показали, что источники выбросов совпадают с самими горячими местами «тигровых полос»; это стало надежным доказательством связи между теплом и активными выбросами. Большинство частиц падает обратно на поверхность, но некоторые получают достаточную скорость, чтобы выйти на орбиту вокруг Сатурна. Именно из них сформировалось самое далекое кольцо Е. С любой точки зрения, эти снимки стали бесспорным доказательством внутренней активности маленького холодного спутника, что стало крупным открытием. Мы чувствовали себя как первые зрители феерии гейзеров Йеллоустона.



Южное полушарие Энцелада «Кассини» впервые показал в 2005 г. На этой мозаике поверхность изображена так, как она выглядела бы, если бы наши глаза видели не только оптические, но также инфракрасные и ультрафиолетовые лучи. (Нормальному глазу эта поверхность кажется ровной и белой.) Тигровые полоски, рассекающие южную полярную область, теплые и геологически активные. Их голубоватый цвет вызван тем, что они покрыты льдинками более крупного размера, поглощающими инфракрасные лучи

Повышение температуры


Первые научные статьи об Энцеладе по результатам, полученным с «Кассини», появились в марте 2006 г., и началось. Все говорили только об Энцеладе. С тех пор «Кассини» еще несколько раз пролетел над спутником. Проникая все глубже в плотные области струй, он опустился до высоты 25 км над поверхностью. Во время одного из самых низких пролетов в конце марта 2008 г. «Кассини» уточнил свои измерения водяного пара, азота, двуокиси углерода и метана. К тому же он обнаружил в небольшом количестве другие углеродсодержащие вещества, такие как ацетилен и синильная кислота, а также следы этана, пропана, бензола, формальдегида и другой органики.

Во время другого очень низкого пролета в августе наши камеры были направлены на источники фонтанов на поверхности. Зонд перемещался так быстро, что пришлось разработать специальный алгоритм ведения камеры за объектом, напоминающий стрельбу по тарелочкам, чтобы избежать смазывания изображений. Ряд отлично выполненных снимков позволил выяснить, что глубина «тигровых полос» составляет 300 м, они имеют V-образные стенки и состоят из ледяных блоков размером с дом, разбросанных по склонам и вокруг. Области вдоль склонов выглядят ровнее обычной поверхности, вероятно, из-за свежевыпавшего снега.

Неожиданно обнаружилось, что ближайшие окрестности каждого выходного отверстия не сильно отличаются от других мест вдоль трещин. Мы предполагаем, что ни одно из выходных отверстий не может долго действовать активно. Из-за конденсации пара растут ледяные пробки, которые затыкают отверстие еще до того, как оно успевает заметно изменить окружающую поверхность. В то же время под действием давления где-то в другом месте трещины появляется новое выходное отверстие, которое тоже вскоре закупоривается. Процесс продолжается непрерывно. Длительная киносъемка могла бы доказать миграцию выбросов вдоль трещин.

Полученные снимки не только позволили нам увидеть замечательное геологическое явление, но и помогли точно измерить размер и форму Энцелада. Анализ изображений и данных о массе спутника, измеренной по гравитационным возмущениям траектории «Кассини» во время близкого пролета, показал, что Энцелад — самый каменистый из крупных спутников Сатурна. Его средняя плотность (1,6 г/куб. см) свидетельствует о том, что скальные породы составляют 60% его массы. Вполне вероятно, что у него есть каменистое ядро, окруженное оболочкой из водяного льда толщиной в десятки километров.

На Земле скальные породы содержат радиоактивные вещества, выделяющие тепло. То же самое должно происходить на Энцеладе. Но этого не достаточно, чтобы обеспечить наблюдаемый тепловой поток. Единственным дополнительным источником тепла служит приливный разогрев. Точно так же, как гравитация Солнца и Луны слегка деформирует нашу планету, вызывая приливы и отливы в океане, гравитация Сатурна деформирует Энцелад. Орбита спутника не круговая, его расстояние от Сатурна постоянно меняется. Чем ближе он подходит к планете, тем больше деформируется. Этот ежедневный «массаж» приводит к выделению тепла. Гравитация может вызывать и изменения на поверхности. «Тигровые полосы» расположены под углом 45° к направлению на Сатурн: такая ориентация очень хорошо объясняется приливными силами.

Степень нагрева зависит не только от эксцентриситета орбиты (ее отличия от окружности), но и от внутреннего строения спутника. Очень твердое тело сопротивляется деформации, а очень мягкое деформируется, но не рассеивает энергию в виде тепла. Пластичный спутник, состоящий из вязкого вещества, будет поглощать энергию и нагреваться, равно как и более твердый, но покрытый трещинами, в коре которого куски льда трутся друг о друга и выделяют тепло. Тепло может выделяться не равномерно во всем объеме спутника, а концентрироваться в ледяной оболочке или даже в ограниченных ее областях, например в трещинах.

Обычно приливный разогрев сам себя отключает. Веществу требуется время для деформации, поэтому искажение формы спутника отстает от силы, его вызывающей. В результате возникает момент гравитационной силы, влияющий на орбитальное движение спутника и постепенно превращающий его орбиту в круговую. Приливное напряжение перестает меняться, спутник принимает определенную форму и нагрев прекращается. Однако Энцелад остается на эллиптической орбите из-за орбитального резонанса с более крупным спутником Дионой. За время двух орбитальных оборотов Энцелада последний совершает один оборот. Такая синхронизация вызывает периодические гравитационные толчки от Дионы, поддерживающие Энцелад на его эллиптической орбите.

Но даже этих особых условий не достаточно. Дженнифер Мейер (Jennifer Meyer) и Джек Виздом (Jack Wisdom) из Массачусетсского технологического института, проанализировав орбиту Энцелада, выяснили, что поглощаемая им приливная энергия раз в пять меньше той, которая высвобождается из его южного полюса, причем это совершенно не зависит от того, как именно выделяется приливная энергия в недрах спутника. Энцеладу на его нынешней орбите просто не достаточно энергии для наблюдаемого тепловыделения.



Мало кто из планетологов ожидал, что на Энцеладе будет обнаружено такое разнообразие ландшафтов. На изображениях, переданных «Кассини» (вверху), с разрешением в шесть раз лучшим, чем у снимков «Вояджера-2», видно, что большие участки северного полушария покрыты кратерами, а значит, они значительно старше, чем гладкая область южного полюса. Но трещины, складки, горные хребты и впадины указывают, что в обоих полушариях поверхность подвергалась переработке



Как и наша Луна, Энцелад постоянно обращен к своей планете одной стороной. Направление на Сатурн задает 0° долготы. Области с кратерами расположены на оси Сатурн — Энцелад (0-180°). Области с трещинами перпендикулярны этой оси (90–270°). «Тигровые полосы» покрывают южный полюс и окружены цепью гор. Такая ориентация наводит на мысль, что гравитация Сатурна косвенно повлияла на формирование поверхности спутника



Южное полушарие



Обширные области Энцелада, казавшиеся на снимках «Вояджера» гладкими, на детальных снимках «Кассини» выглядят складчатыми (внизу). Глубокие каньоны тянутся к северу по областям, покрытым трещинами. Даже кратеры перерезаны трещинами и часто разрушены





В близи в области «тигровых полос» видны глыбы льда размером с дом (вверху). Полосы окружены извилистой циркумполярной грядой гор, которая для тектоники Энцелада, возможно, эквивалентна Гималаям (ниже)



Пластилиновый спутник


Парадокс возникает лишь в том случае, если предполагать, что нынешний приливный нагрев Энцелада равен его нынешнему тепловыделению. А что, если отдача тепла сейчас происходит за счет более раннего нагрева? Один из возможных сценариев впервые предложили для Ио в 1986 г. Грег Ойакангас (Greg Ojakangas) и Дэвид Стивенсон (David Stevenson) из Калифорнийского технологического института: орбита спутника и его внутреннее строение могут действовать друг против друга, вызывая циклические изменения эксцентриситета орбиты и выделения тепла.

Представим себе холодный и весьма жесткий Энцелад на почти круговой орбите. Интенсивность приливного нагрева мала. Влияние Дионы вызывает рост орбитального эксцентриситета, что приводит к усилению деформаций и вязкому разогреву в ледяной оболочке. Интенсивность выделения тепла начинает превышать скорость его потери с поверхности. От этого возрастает температура внутри Энцелада, и его вещество становится менее жестким, что, в свою очередь, ведет к повышению приливного нагрева. Возможно также, что спутник становится менее жестким не потому, что уменьшается вязкость его вещества, а потому, что трескается оболочка. Приливное напряжение ломает лед и вызывает сдвиги. Трение между поверхностями трещин рассеивает приливную энергию, и вещество вдоль трещин нагревается.

В любом случае, дополнительное рассеивание энергии приводит к округлению орбиты спутника, и постепенно тенденция становится обратной: приливный нагрев начинает снижаться, а потери тепла с поверхности — уменьшаться. Спутник охлаждается, и либо лед становится менее эластичным, либо трещины затягиваются. Затем вновь начинается цикл продолжительностью в десятки миллионов лет. Эта идея показывает, почему мы можем застать спутник в состоянии, когда скорости нагрева и охлаждения не равны друг другу. При таком колебательном процессе приток и потеря тепла равны только в среднем по полному циклу. А в произвольный момент цикла приток тепла может быть больше или меньше среднего, а также больше или меньше скорости охлаждения.

Ойакаганас и Стивенсон показали, что цикл, вызванный температурной зависимостью вязкости льда, может осуществляться на Ио, где, как и на Энцеладе, имеется дисбаланс между выделением и потерей тепла. Однако на Энцеладе этот механизм не работает: Мейер и Виздом выяснили, что Энцелад недостаточно массивен. Возможен цикл, связанный с трещинами, но пока этот вопрос детально не исследован.

ГОРЯЧИЕ КЛЮЧИ НА ХОЛОДНОЙ ЛУНЕ


Струи вещества, извергающиеся на южном полюсе, образуют над спутником гигантский султан



Крошечные частицы льда, рассеянные в пространстве, легче всего увидеть в направлении на Солнце. Горы и долины видны по краю силуэта спутника




С расстояния 2 млн км «Кассини» увидел, что выброшенным веществом наполняется кольцо Е. Некоторые из длинных витых структур вблизи Энцелада — это продолжения выбросов. Другие образовались из-за гравитационного влияния Энцелада на пролетающие мимо него частицы кольца



Выбросы можно проследить до особых мест на «тигровых полосах». Как ни странно, они не обязательно отличаются от других частей полос

Тепловая карта показывает рост температуры до 180° К вдоль полос, что намного выше, чем было бы только при солнечном нагреве. Струи выбрасываются из самых горячих областей (белые кружочки)

А что там внутри?

Габриель Тоби (Gabriel Tobie) из университета в Нанте (Франция) с коллегами проверили еще одну возможность: а что если слабая зона на южном полюсе фокусирует приливную энергию и тем самым поддерживает себя в этом состоянии? Они смоделировали отклик Энцелада на приливное влияние, предположив, что в секторе под южным полюсом вещество имеет низкую вязкость, что делает эту область спутника более пластичной, чем остальные. Модель воспроизводит наблюдаемый выход тепла, но лишь при двух условиях, которые могут в корне изменить наше представление об Энцеладе.
Первое условие — наличие теплого, близкого к плавлению, льда в этой зоне. Второе условие — наличие жидкого слоя между ледяной оболочкой и каменным ядром. Этот слой должен охватывать почти все южное полушарие. Без него деформация и, следовательно, вязкий нагрев были бы иными и преобладали бы скорее на экваторе, чем на полюсе.

В пользу идеи подповерхностного моря говорит тот факт, что южная полярная шапка Энцелада лежит на полкилометра ниже фигуры спутника. Джеффри Коллинз (Geoffrey Collins) из Колледжа Витона и Джейсон Гудмен (Jason Goodman) из Океанографического института в Вудс-Холе считают, что так может проявлять себя море под грунтом. Жидкая вода плотнее льда, поэтому полный ее объем в этой области меньше. В сущности, вся область южного полюса — гигантский карстовый провал.

Существование моря могло бы объяснить многие геологические особенности Энцелада. Исаму Матсуяма (Isamu Matsuyama) из Института Карнеги в Вашингтоне и Фрэнсис Ниммо (Francis Nimmo) из Калифорнийского университета в Санта-Круз показали, что положение и ориентация основных геологических деталей спутника, в частности, трещин, идущих с севера на юг, и циркумполярных гор, указывает, что ледяная оболочка Энцелада скользила относительно оси вращения. Спутник ведет себя как гигантский гироскоп, оболочка которого не связана с осью вращения.

ЖИЗНЬ НА ЭНЦЕЛАДЕ?


Энцелад удовлетворяет трем основным требованиям для возникновения жизни: жидкая вода, органические соединения и энергия. Существуют ли эти условия достаточно долго? Никто не знает, сколько времени требуется для того, чтобы зародилась жизнь. Судя по геологическим данным, микробы появились на Земле довольно быстро (по геологическим меркам): всего через несколько миллионов лет (или даже меньше) после рождения планеты

Эта теория может объяснить, почему геологически активные области находятся точно на южном полюсе: теплая область с плотностью меньше средней должна смещаться к оси вращения. К тому же теплая зона под южным полюсом должна подниматься из-за конвекции к верхнему хрупкому слою ледяной оболочки и раздвигать ее в стороны, т.е. вызывать спрединг. Чтобы ледяная оболочка раздвигалась, нужен жидкий слой, выносящий лед из более глубоких слоев.

Активность Энцелада может быть результатом всех этих эффектов. Если циклы нагрева обусловлены трением в трещинах, а приливные деформации во внешней ледяной оболочке нарастают достаточно быстро, то трещины могут проникать вглубь до вязкой теплой зоны, а возможно — и до самого моря. Разогрев трением в трещинах будет вносить вклад в общий вязкий нагрев под южным полюсом. Лед может таять в глубоких трещинах, и талая вода будет заметно усиливать нагрев. В этом случае подповерхностное море могло бы самоподдерживаться, поскольку слой воды сверху подпитывает теплом лежащее внизу море. И пока море не замерзает даже в фазе охлаждения, процесс будет продолжаться, если орбита Энцелада синхронизирована с орбитой Дионы.

В заключение заметим, что для объяснения наблюдаемых выбросов нужно помнить о жидкой воде. Майкл Манга (Michael Manga) из Калифорнийского университета в Беркли показал, что частичное замерзание подповерхностного моря увеличивает в нем давление и выталкивает жидкость наверх. Когда в процессе подъема давление в жидкости снижается, растворенный в ней газ (двуокись углерода) выделяется и образует пузырьки, как при вскрытии бутылки шампанского, которые помогают подъему жидкости. Если жидкость ведет себя именно так на пути к поверхности, то мы получаем ответ на вопрос о том, как тепло добирается к поверхности оттуда, где оно возникло, — из глубоких слоев спутника. Текущая вода очень эффективно переносит тепло. Кроме того, становится ясно, что выбросы — это гейзеры, зарождающиеся в жидких резервуарах под поверхностью.

ПОЧЕМУ ЮЖНЫЙ ПОЛЮС?


Почему геологическая активность Энцелада сконцентрировалась на южном полюсе? Не исключено, что это случайность. Возможно, в далеком прошлом, например, произошло столкновение с метеоритом, вроде тех, которые создали огромные кратеры на других спутниках Сатурна, таких как Япет и Тефия. Столкновение могло вначале расколоть или как-то ослабить внешнюю ледяную оболочку, создав в этом месте благоприятные условия для выделения приливной энергии. Затем ледяная оболочка могла начать двигаться: такой процесс называют истинным перемещением полюса. При этом центробежная сила сдвигает слои низкой плотности к полюсу. Пол Хельфенстейн (Paul Helfenstein) из Корнельского университета нашел свидетельства такого перемещения: область Sarandib Planitia вблизи экватора похожа на разрушенную полярную область. В прошлом она могла быть на месте полюса, а затем сдвинулась туда, где находится сейчас

Энцелад как обитель жизни


Мы продолжаем уточнять наши представления о том, как Энцелад стал таким, каков он есть. То, что под поверхностью там жидкая вода, почти не вызывает сомнений. В таком случае налицо волнующая возможность того, что в недрах этого маленького спутника существует среда, где может зародиться жизнь или, по крайней мере, предшествующая ей стадия — жидкая вода, необходимые химические элементы и энергия. Ближайшим аналогом экосистемы Энцелада служат подпочвенные вулканические пласты Земли, где жидкая вода циркулирует между горячих камней при полном отсутствии солнечного света и всего, что ему сопутствует. Там найдены организмы, потребляющие водород и двуокись углерода и выделяющие метан или водород и сульфаты, причем все они питаются не Солнцем, а внутренним теплом Земли.

Современный Энцелад — результат всей его предшествующей истории, и мы только начинаем разбираться в его прошлом по следам, разбросанным на его поверхности. Остается много вопросов, на которые не может ответить даже «Кассини» при всем его техническом оснащении. Эти вопросы останутся без ответов, пока мы не пошлем на орбиту вокруг Энцелада специальный космический аппарат или же не посадим его на поверхность. Орбитальный аппарат сможет изучить гравитационное поле спутника и его топографию. По этим данным можно рассчитать распределение массы внутри Энцелада, включая слой жидкости под поверхностью. Маленький посадочный аппарат, снабженный сейсмометром, может обнаружить журчание жидкости под поверхностью.

СТРОЕНИЕ ЭНЦЕЛАДА




Струи и повышенная температура доказывают, что под поверхностью Энцелада находится жидкая вода. Для интенсивного нагрева, благодаря которому происходит выброс частиц водяного льда и пара, по-видимому, требуется жидкая вода, способствующая выделению приливной энергии под действием Сатурна.

Энцелад может иметь каменное ядро, окруженное толстым слоем водяного льда. Вся южная полярная область опущена на полкилометра относительно фигуры спутника, вероятно, из-за наличия моря под поверхностью. Циркумполярные горы возвышаются на километр над поверхностью этой котловины



Вода под давлением и с помощью растворенных газов может подниматься из моря, находящегося подо льдом, и сквозь трещины просачиваться к поверхности. Трение в трещинах способствует повышению температуры и плавлению льда. Конвективные потоки под южной полярной областью могут быть причиной спрединга (раздвигания поверхности) и образования циркумполярных гор

Большая стоимость и длительность подготовки такой сложной миссии означают, что мы должны тщательно выбрать цель полета. Многие ученые хотели бы вернуться к Европе, так как у этого спутника Юпитера, вероятно, есть океан под поверхностью, который может быть прибежищем жизни. Но, по моему мнению, исследования Энцелада более перспективны. Поскольку нам не известно о наличии хотя бы одной активной трещины на Европе, добыча образцов из ее недр для поиска следов экосистемы потребует бурения на большую глубину, а это вряд ли осуществимо за время нашей жизни. В то же время, чтобы получить образцы из недр Энцелада, вам нужно всего лишь пролететь сквозь струю или, опустившись в районе южного полюса, поднять голову и высунуть язык.

Кроме того, поскольку магнитосфера Сатурна значительно слабее магнитосферы Юпитера, космическому аппарату вблизи Энцелада не придется сражаться с радиацией. И, наконец, путешествие к Энцеладу позволит изучить еще и Титан — второе место в системе Сатурна, где можно исследовать химические зачатки жизни (см.: Атрея С. Метан на Марсе и Титане // ВМН, № 9, 2007).

Сейчас мы наслаждаемся сознанием того, что первое детальное исследование Сатурна и его окружения позволило обнаружить нечто невиданное на южной оконечности маленького загадочного спутника: фантастическое и неспокойное место с ледяными каньонами и взмывающими призрачными фонтанами — редкое зрелище, открытие которого дает пищу и уму, и сердцу. Исследователи планет не смели и мечтать об этом.

ПРИЛИВЫ


Вклад приливной энергии

Своим притяжением Сатурн немного вытягивает фигуру Энцелада (так же возникают приливы в океанах Земли). При обращении Энцелада вокруг Сатурна вытянутость меняется, поскольку орбита спутника не круговая. Эти деформации разогревают недра спутника. К тому же это ведет к округлению орбиты, но притяжение другого спутника Сатурна, Дионы, не позволяет орбите Энцелада стать круговой



Цикл нагрева

Современного приливного нагрева не достаточно для поддержания наблюдаемой геологической активности. Быть может, Энцелад накопил достаточно тепла за прошедшие тысячи или миллионы лет? Нагрев в прошлом мог быть сильнее, если орбита была более вытянутой. Это возможно, если вытянутость орбиты, жесткость вещества и степень нагрева зависят друг от друга, вызывая колебание, в котором все они меняются


__________________________________________________ __________________

Каролин Порко (Carolyn Porco) руководит анализом изображений, полученных «Кассини». Она входила в группу анализа изображений, поступавших с «Вояджеров», а с 2001 по 2003 г. была заместителем председателя комитета по изучению Солнечной системы в Национальной академии наук, который устанавливает приоритеты в исследовании планет. В январе 2008 г. Американское гуманистическое общество наградило ее премией имени Айзека Азимова. В октябре журнал Wired назвал ее в числе 15 специалистов, к которым должен прислушиваться новый президент. В 1997 г. Порко была консультантом фильма «Контакт», а сейчас она консультирует режиссера Дж.Дж. Абрамса, снимающего новые серии «Звездного пути».

Последний раз редактировалось skroznik; 29.08.2016 в 19:26.
skroznik вне форума   Ответить с цитированием
Пользователь сказал cпасибо:
Москвич (28.03.2010)
Старый 29.03.2010, 21:02   #4
skroznik
Кот, гуляющий сам по себе
 
Аватар для skroznik
 
Регистрация: 18.02.2010
Адрес: Родом из детства
Сообщений: 9,747
Сказал(а) Фууу!: 1
Сказали Фууу! 4 раз(а) в 4 сообщениях
Сказал(а) спасибо: 349
Поблагодарили 960 раз(а) в 816 сообщениях
skroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордится
Отправить сообщение для skroznik с помощью Skype™
По умолчанию Re: Рассказы о Вселенной

Ускоряющаяся Вселенная уничтожает следы собственного прошлого

Лоренс Кросс
Роберт Шеррер


Сто лет назад статья в журнале Scientific American об истории Вселенной и ее крупномасштабной структуре была бы расценена как ошибочная. В 1908 г. ученые считали, что наша Галактика — «островная вселенная», изолированное скопление звезд в окружении бесконечной пустоты. Сегодня нам известно, что Галактика — одна из более 400 млрд подобных объектов в наблюдаемой части всей Вселенной. Тогда же, в начале XX в., по принятому научному соглашению, Вселенная полагалась статичной и вечной, и возможность ее рождения в результате Большого взрыва в то время не рассматривалась. Не был изучен и синтез химических элементов — ни в первые минуты после Большого взрыва, ни в недрах звезд. Даже не предполагалось, что пространство может расширяться и искривляться под воздействием наполняющей его материи.

Трудно представить область интеллектуальной деятельности, которая на протяжении прошлого века подверглась бы изменениям, большим, чем космология. Мы кардинально пересмотрели нашу точку зрения на структуру окружающего мира. Но должна ли наука будущего постоянно требовать больше опытных знаний, чем было доступно ранее? Согласно последним исследованиям, на космологических промежутках времени ответ будет: «Нет, не должна». Возможно, мы живем именно в тот период эволюции Вселенной, когда ученые могут достичь полного понимания ее истиной природы.

Одинокая планета: поскольку пространство становится все более разреженным из-за ускоряющегося космологического расширения, наша Галактика, содержащая Солнечную систему, оказывается погруженной в безграничную пустоту

Наши исследования были мотивированы эпохальным открытием, совершенным всего десять лет назад. Две независимые группы астрономов обнаружили, что последние 5 млрд лет наша Вселенная расширяется, причем с ускорением. Источником такой «космологической антигравитации» является новая форма материи, называемая «темной энергией», ассоциированной с вакуумом. Некоторые теоретики, включая одного из нас (Кросс), ожидали подобного результата, основанного на косвенных измерениях, но в физике это оказались прямые количественные наблюдения. Для ускоренного расширения Вселенной необходимо, чтобы пустое пространство содержало по крайней мере в три раза больше энергии, чем все наблюдаемые космические структуры и объекты: галактики, скопления и сверхскопления галактик. По иронии судьбы, Альберт Эйнштейн впервые ввел в рассмотрение такую специальную форму материи, чтобы сохранить статичность Вселенной. Он назвал ее «космологической постоянной». Темная энергия окажет значительное влияние на будущее Вселенной. С космологом Гленом Штаркманом (Glenn Starkman) из университета Кливленда в Огайо Кросс исследовал причастность феномена жизни во Вселенной к этой экзотической материи и сделал прогноз: «Наличие космологической постоянной не сулит жизни ничего хорошего». Такая Вселенная будет постепенно становиться все менее гостеприимной. Присутствие космологической постоянной может привести к образованию фиксированного «горизонта событий» — воображаемой сферы, вне которой ни материя, ни излучение никогда не достигнут наблюдателя. В такой модели Вселенная становится чем-то наподобие «внешней черной дыры», когда материя и излучение оказываются запертыми вне горизонта событий, а не внутри него. Это рассуждение приводит к выводу о том, что видимая Вселенная содержит конечное количество информации, и ее передача (следовательно, и зарождение и развитие жизни) не может продолжаться вечно. Задолго до того, как указанный информационный предел станет критическим, вся материя и излучение расширяющейся Вселенной окажутся за горизонтом событий. Этот процесс был изучен в работах Абрахама Лоеба (Abraham Loeb) и Кентаро Нагамине (Kentaro Nagamine), ученых университета Гарварда, которые обнаружили, что наша так называемая «местная группа» галактик (включающая в себя нашу Галактику, галактику Туманность Андромеды и несколько карликовых галактик-спутников) сольется в единое сверхскопление звезд. Все другие галактики исчезнут из поля зрения наблюдателя. Этот процесс займет 100 млрд лет; по человеческим меркам кажется, что это много, но по сравнению с вечностью — чрезвычайно мало.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

  1. Десять лет назад астрономы совершили революционное открытие ускоренного расширения нашей Вселенной. Ученые продолжают работать над применением этой теории.
  2. Ускоряющееся расширение со временем заставит галактики разлетаться от нас с кажущейся сверхсветовой скоростью, что приведет к их полному исчезновению из поля зрения наблюдателей. Этот процесс исключает существование опорных объектов для измерения степени расширения, а также полностью «размывает» все характерные особенности, оставшиеся с эпохи Большого взрыва. Иначе говоря, постепенно сглаживаются все наблюдаемые проявления Большого взрыва, которые когда-либо существовали.
  3. Для наших далеких потомков Вселенная будет выглядеть как небольшая россыпь звезд среди бесконечной и неизменной пустоты.
  4. Какую информацию Вселенная уже успела стереть к нынешнему моменту времени?

Рушащиеся основы теории


Что смогли бы сказать об истории Вселенной астрономы далекого будущего, живущие в сформировавшемся из нескольких галактик едином сверхскоплении звезд? Чтобы ответить на этот вопрос, напомним ключевые моменты современного понимания теории Большого взрыва.

Первый краеугольный камень — общая теория относительности Эйнштейна. На протяжении примерно трехсот лет теория универсальной гравитации Ньютона служила основой почти всей астрономии. Благодаря теории Ньютона была проделана основательная работа по предсказанию движения объектов в масштабах от земных до галактических. Но эта теория оказалась совершенно не пригодной, в частности, для слишком больших совокупностей массивных объектов. Общая теория относительности преодолела эти ограничения. Вскоре после опубликования Эйнштейном своей теории в 1916 г. датский физик Виллем де Ситтер решил уравнения общей теории относительности для упрощенной модели Вселенной, включающей эйнштейновскую космологическую постоянную. Работа де Ситтера, по-видимому, воспроизвела распространенный в то время взгляд на Вселенную как на изолированную «галактику», погруженную в гигантскую неподвижную пустоту.

Но вскоре космологи поняли, что кажущаяся статичность ошибочна — вселенная де Ситтера бесконечно расширяется. Как позже прояснил бельгийский физик Георг Леметр (George Lemaitre) — один из многих ученых, занимавшихся этой проблемой, — уравнения Эйнштейна предсказывают, что бесконечная, однородная, неподвижная вселенная невозможна. Она должна либо расширяться, либо сжиматься. Из таких рассуждений и родилась так называемая «теория Большого взрыва».
Через 100 млрд лет основополагающее открытие Хабблом расширения Вселенной не удалось бы повторить
В 20-х гг. прошлого века астрономы установили факт расширения Вселенной, что стало следующем краеугольным камнем современной космологии. Первым астрономом, обнаружившим наблюдательные проявления расширения, был американец Весто Слайфер (Vesto Slipher), который использовал спектры звезд для измерения скоростей ближайших галактик. Свет от звезды, движущейся по направлению к Земле, обладает меньшей длиной волны, смещенной в голубую, высокочастотную, область спектра. Свет же от объекта, движущегося от наблюдателя, обладает большей длиной волны, смещенной в красную область спектра. Измеряя растяжение или сжатие световых волн, Слайфер смог определить направление и скорость движения удаленных галактик, их излучивших. Заметим, что в то время астрономы даже не были уверены, являются ли размытые световые пятнышки, которые мы называем «галактиками», действительно состоящими из множества независимых тел (звезд) или это всего лишь облака газа в нашей собственной Галактике. Слайфер нашел, что практически все галактики удаляются от нас так, как будто мы находимся в центре этого разбегания.

Но честь открытия расширения Вселенной принадлежит не Слайферу, а американскому астроному Эдвину Хабблу (Edwin Hubble), который определил не только скорости галактик, но также и расстояния до них. Его измерения привели к двум основным выводам, которые и сделали его знаменитым. Во-первых, Хаббл показал, что галактики находятся так далеко от нас, что действительно являются самостоятельными совокупностями звезд, подобными нашей Галактике. Во-вторых, он вывел простую связь между расстояниями до галактик и их скоростями. Скорость галактики прямо пропорциональна расстоянию до нее: галактика удаляется от нас вдвое дальше и вдвое быстрее. Такая связь между скоростью и расстоянием и означает расширение Вселенной. Со времен Хаббла его открытие было неоднократно проверено различными методами с большой точностью. Недавние наблюдения удаленных сверхновых звезд, подтвердив хаббловское расширение Вселенной, привели к открытию темной энергии.
Наконец, третий краеугольный камень современной космологии — это слабое свечение космического микроволнового реликтового излучения, случайно открытое в 1965 г. двумя физиками из Bell Labs — Арно Пензиасом (Arno Penzias) и Робертом Вильсоном (Robert Wilson), когда они искали источники помех радиоприборов. Найденное излучение было легко опознано как реликт ранних стадий эволюции Вселенной — оно показало, что Вселенная начала расширяться из горячего и плотного состояния, остывая по мере расширения.

Последнее наблюдательное свидетельство Большого взрыва — ядерные реакции в горячей и плотной Вселенной, идеальном месте для таких процессов. Когда температура Вселенной была от 1 млрд до 10 млрд градусов Кельвина, легкие ядра могли объединяться в более тяжелые. Этот высокотемпературный процесс ядерного нуклеосинтеза мог протекать только в первые несколько минут после рождения Вселенной, т.к. по мере расширения она остывала. Таким образом, слиянию успели подвергнуться самые легкие элементы. Основная часть гелия во Вселенной сформировалась именно тогда, так же как и дейтерий («тяжелый водород»). Измеренное изобилие гелия и дейтерия подтверждает нуклеосинтез в ранней Вселенной, впервые предлагая точные оценки количества протонов и нейтронов.

РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ: КРАТКИЙ ВЗГЛЯД


Вселенная может быть бесконечной. Рассмотрим теперь, что происходит с траекторией в пространстве вокруг нас (фиолетовый шар), от которого мы видим только часть (желтый вложенный шар). Если пространство расширяется, то галактики (оранжевые пятна) будут разлетаться в разные стороны. Поскольку свету требуется время для распространения, то на Земле мы (или наши потомки) будем наблюдать постоянный рост объема пространства. Около 5 млрд лет назад расширение Вселенной стало ускоренным. Процесс привел к тому, что все больше и больше далеких галактик увлекаются от нас с кажущейся сверхсветовой скоростью

  1. В начале ускоренного расширения мы видим наибольшее число галактик, которое когда-либо будет существовать
  2. Наблюдаемая область пространства растет, но общий объем Вселенной растет быстрее, поэтому в действительности мы видим все меньшую часть Вселенной
  3. Удаленные галактики, не связанные с нами силами притяжения, уходят из поля зрения. Между тем эта сила объединяет близкие галактики в гравитационно-связанные системы
  4. Со временем все, что мы будем видеть, окажется одной гигантской галактикой, локализованной в пустоте


Темные небеса


Что увидят ученые будущего, взглянув на небо через 100 млрд лет? Без помощи телескопа они смогут рассмотреть то же, что и сейчас: звезды нашей Галактики. Самые крупные и яркие из них сгорят, исчерпав внутреннюю энергию, но множество более мелких останется сиять на небосклоне. Существенное отличие будет заметно, когда будущие исследователи построят мощные телескопы, способные проникнуть в другие галактики. Они не увидят ни одной! Ближайшие давно сольются с Млечным Путем, сформировав одну гигантскую галактику, а все другие уйдут слишком далеко, скрывшись за горизонтом событий Вселенной.

Исчезновение из нашего поля зрения далеких галактик будет не мгновенным, но постепенным. Их красное смещение будет становиться бесконечно большим по мере их приближения к границе доступной нашим наблюдениям области. Краус и Штаркман грубо оценили, что через 100 млрд лет красное смещение галактик превысит z = 5000, достигнув за 10 трлн (10 000 млрд) лет невообразимой величины z = 1053. К этому времени спектры космических лучей сверхвысоких энергий будет смещены в красную область так сильно, что длины их волн окажутся больше размера горизонта событий. Галактики окажутся окончательно и бесповоротно невидимы для нас.

Таким образом, принципиальное для современной космологии открытие Хаббла невозможно совершить в будущем. Вся разлетающаяся материя во Вселенной исчезнет за видимым горизонтом событий, и в распоряжении наблюдателей останется только часть гравитационно-связанного скопления звезд. Для астрономов будущего наблюдаемая Вселенная будет напоминать «островную вселенную» представления 1908 г.: вечно существующее единственное гигантское скопление звезд, окруженное пустым пространством.

Опыт показывает, что даже наличие наблюдательных данных может привести к построению ошибочной космологической модели. Например, с 1940-х по середину 1960-х гг. на фундаменте наблюдательной космологии, основанной только на открытии Хабблом расширения Вселенной, некоторые астрофизики решили возродить к жизни идею о «вечной вселенной»: устойчивой неподвижной Вселенной, в которой материя рождается за счет расширения пространства, таким образом, вселенная в целом не должна изменяться со временем. Эта идея оказалась интеллектуальным тупиком, но она продемонстрировала, что ошибочные предположения могут развиваться при отсутствии адекватных наблюдательных данных.

А где же астрономам будущего искать проявления Большого взрыва? Сможет ли космическое микроволновое излучение привести их к пониманию динамики Вселенной? Увы, нет. По мере расширения Вселенной длины волн фонового излучения растягиваются, и излучение становится более разреженным. Когда Вселенная станет на 100 млрд лет старше, максимум длин волн микроволнового излучения будет порядка нескольких метров, соответствуя радиоволнам, а не микроволнам. Интенсивность излучения будет уменьшена в триллион раз, и оно никогда не сможет быть обнаружено.
Даже в не столь отдаленном будущем космический фон окажется ненаблюдаемым. Межзвездное пространство в нашей Галактике заполнено ионизованным электронным газом. Низкочастотные радиоволны не могут проникнуть сквозь такую среду — они будут поглощены или отражены. Похожий эффект объясняет, каким образом амплитудно-модулированные радиостанции могут находиться далеко от принимающих их пунктов: радиоизлучение отражается от ионосферы и возвращается к поверхности Земли. Пространство в среднем может быть представлено как гигантская ионосфера, заполненная галактиками. Любые радиоволны с частотами меньше одного килогерца (длины волн больше 300 км) не смогут проникнуть в нашу Галактику. Когда Вселенная станет старше в 25 раз, микроволновой фон «растянется» за эту длину волны, и наблюдателям нашей Галактики будет невозможно его детектировать. И даже до этого слабые следы фонового излучения, которые обеспечивают столь полезной информацией современных ученых, уже станут слишком «безгласным».

АПОКАЛИПСИС ПОЗНАНИЯ


Ускоренное космологическое расширение начало подрывать три важнейшие наблюдательные основы теории Большого взрыва: разбегание галактик, космическое микроволновое фоновое излучение и относительный состав легких элементов, таких как гелий и водород

В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ (слева) все три пункта являются важнейшими подтверждениями гипотезы Большого взрыва. Мы видим, что далекие галактики удаляются от нас (красные стрелки), а близкие наоборот движутся к нам (голубые стрелки); фоновое излучение распределено по пространству; межзвездный газ долго сохраняет смесь химических элементов, образовавшихся в ранней Вселенной

МИЛЛИАРДЫ ЛЕТ СПУСТЯ (справа) близкие к нам галактики сольются с Млечным Путем, а далекие исчезнут из поля зрения. Фоновое излучение рассеется, и его станет невозможным зарегистрировать. Многократное звездообразование исказит первоначальный состав химических элементов межзвездного газа


Сожжение


Смогут ли наблюдения избытка химических элементов привести космологов далекого будущего к пониманию механизмов Большого взрыва? Ответ скорее всего будет опять отрицательным. Проблема в том, что наши возможности исследования нуклеосинтеза в эпоху, близкую к Большому взрыву, зависят от того, что избыток дейтерия и гелия не сильно изменился с того времени как сформировался почти 14 млрд лет назад. Гелий, образовавшийся в ранней Вселенной, например, составлял около 24% от всей материи. Несмотря на то что звезды производили гелий в процессе ядерных реакций, они увеличили избыток этого элемента всего на несколько процентов. Астрономы Фред Адамс (Fred Adams) и Грегори Логлин (Gregory Laughlin) из университета Мичигана предположили, что эта часть могла бы увеличиться до 60% после многократного звездообразования. Наблюдатель в далеком будущем обнаружил бы первичный гелий, «потонувший» в гелии, возникшем в результате звездообразования.

В современную эпоху самая достоверная проверка гипотезы первичного нуклеосинтеза — по избытку дейтерия. Наши лучшие измерения этого избытка следуют из наблюдения водородных облаков, подсвеченных квазарами — далекими яркими маяками, предположительно берущими энергию от черных дыр. В далеком будущем Вселенной как водородные облака, так и квазары уйдут за горизонт событий и будут навсегда потеряны для наблюдателей. Только галактический дейтерий может остаться наблюдаемым. Но звезды разрушают дейтерий, которого становится мало. Даже если астрономы будущего его обнаружат, они не смогут однозначно привязать его наличие к Большому взрыву. Ядерные реакции, в которые вовлечены частицы сверхвысоких энергий, изучаемые в настоящее время как возможные источники хотя бы части наблюдаемого дейтерия, могли бы оказаться более подходящими.

Несмотря на то что наблюдаемый избыток легких элементов не дает никаких прямых подтверждений теории Большого взрыва, тем не менее он может обозначить один аспект космологии будущего, отличный от иллюзорной космологии прошлого века. Астрономы и физики, которые развивают понимание ядерной физики, справедливо заключили, что звезды сжигают ядерное топливо. Если далее они сделают вывод (ошибочный), что весь гелий, который они наблюдают, был произведен в процессах в ранних звездах, они смогут оценить максимально возможный возраст Вселенной и сделать соответствующий вывод о том, что их галактика не вечна, и у нее есть конкретный возраст. Происхождение же наблюдаемой материи будет окутано тайной.

Какова же судьба идеи, с которой мы начали статью, сказав, что теория относительности Эйнштейна предсказывает расширение Вселенной и начальный Большой взрыв? Жители далекого будущего могли бы открыть общую теорию относительности с помощью высокоточных измерений гравитации в их собственной Солнечной системе. Но использование этой теории для вывода гипотезы Большого взрыва, возможно, остановится в силу отсутствия крупномасштабной структуры — Вселенная будущего будет напоминать «островную вселенную» де Ситтера, погруженную в глубочайшую пустоту. Мы, Кросс и Шеррер, считаем, что наблюдаемую Вселенную в далеком будущем ожидает коллапс в черную дыру, что вначале произойдет и с нашей Галактикой.

ТЕРЯЯ «ХИМИЧЕСКИЕ КЛЮЧИ» К ТЕОРИИ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА


Вселенная почти полностью состоит из водорода и гелия, образованного в первые три минуты после Большого взрыва. Звезды перерабатывают некоторое количество водорода в гелий, но пока не так много. Наблюдаемые данные об относительном составе этих элементов являлись главным фактором в понимании Большого взрыва. В будущем же, когда звезды продолжат преобразование вещества в своих недрах, эта информация потеряет свою ценность, т.к. перестанет быть характеристикой одного только Большого взрыва

Одни в пустоте


Ускорение Вселенной смогло бы сохранить вещество внутри горизонта событий, по крайней мере, в рамках нашего текущего понимания общей теории относительности. По аналогии с процессом хокинговского излучения вблизи горизонта черной дыры, предполагается, что горизонт Вселенной также может быть подвержен этому излучению. Его температура лежит много ниже порога измеримости — 10—30 градусов Кельвина. Даже если исследователи смогут ее зарегистрировать, они, вероятно, отнесут ее к шумам далеких локальных источников. Астрономы будущего смогли бы посылать зонды, покидающие их «сверхгалактику» и становящиеся точками отсчета для обнаружения возможного космологического расширения. Даже если предполагать удачный исход такого предприятия, потребуются миллиарды лет для того, чтобы зонд достиг той точки пространства, где расширение повлияло бы на его скорость. Кроме того, зонду для возвращения потребовалась бы энергия, сравнимая с той, которая нужна звезде для посылки сообщения назад, к ее создателю, на такое же гигантское расстояние. Таким образом, научные фонды будущего вряд ли поддержали бы такой «выстрел в темноту», по крайней мере, если ориентироваться на современный опыт.

Возможен вариант развития Вселенной, согласно которому она завершит свое существование в локальном Большом хлопке, а не будет вечно расширяться за счет наличия космологической постоянной. Тогда, вопреки прогнозам Т.С. Элиота, мир кончится все-таки не всхлипом, но взрывом.

Наша логика неотвратимо приводит нас к странному выводу. Временной интервал, в течение которого грамотный наблюдатель может выявить истинную природу расширяющейся Вселенной, невелик. Исторические архивы и написанные нашими современниками статьи по космологии могут оказаться единственным источником информации для будущих цивилизаций — если, конечно, эти свидетельства смогут пережить миллиарды лет войн, вспышки сверхновых, черные дыры и другие опасности. Поверят ли они — это другой вопрос. Но даже обладающие этими знаниями люди могут остаться в неведении о Большом взрыве.
Если статьи о космологии переживут свое время, сохраненные в архивах, то они, возможно, окажутся единственным источником информации о Большом взрыве для цивилизаций будущего. Поверят ли они – другой вопрос
Почему современная Вселенная обладает такими особыми свойствами? Многие исследователи близки к мысли о том, что факт существования жизни обеспечивает некий принцип отбора, который может объяснить совпадения, ассоциированные с современным периодом ее истории. Мы получили несколько уроков от нашей работы.
Во-первых, информация о Вселенной могла неоднократно теряться в результате ускоренного расширения пространства-времени. Если в ранней Вселенной был период инфляции, то быстрое расширение в течение той эры разнесло далеко за пределы нашей наблюдаемой Вселенной практически все свидетельства существовавших тогда материи и энергии. Действительно, одной из мотиваций к построению инфляционной модели было избавить Вселенную от докучливых космологических объектов, таких как магнитные монополии, которые иначе должны были существовать в изобилии.

Во-вторых, что еще более важно, — нам повезло жить в ту эпоху, когда существуют наблюдаемые основы Большого взрыва, которые мы можем обнаружить. Мы видим, что другие фундаментальные аспекты Вселенной сегодня принципиально не наблюдаемы. Что мы уже потеряли? Возможно, однажды мы обнаружим, что наше кажущееся таким полным понимание Вселенной оставляет серьезно желать лучшего.



РАССЕЯННАЯ ПОЛОСА, пролегающая по небу, — вид с ребра диска нашей Галактики. Несколько близких галактик-спутников, таких как Туманность Андромеды и Магеллановы Облака, видимы невооруженным глазом. Телескоп обнаружит еще миллиарды галактик
__________________________________________________ _______________



ТУМАННОСТЬ АНДРОМЕДЫ движется по направлению к нам и сейчас почти полностью заполняет собой небо. Солнце превращается в красного гиганта и впоследствии сгорит, оставив Землю безрадостно существовать во тьме
__________________________________________________ _______________

ЧЕРЕЗ 100 МЛРД ЛЕТ




ПРЕЕМНИК Млечного Пути — шарообразная гигантская галактика. Земля поплывет на ее окраине, заброшенная и одинокая. Прочие галактики исчезнут во тьме

ЧЕРЕЗ 100 трлн ЛЕТ




БЕЗ СВЕТА: Последняя звезда погасла. Напротив тускло поблескивающих черных дыр и искусственных источников света, созданных сверхцивилизациями, Вселенная канула во мрак. Галактика сжимается в черную дыру
__________________________________________________ __________________

Об авторах: Лоуренс Кросс (Lawrence M. Krauss) и Роберт Шеррер (Robert J. Scherrer) начали совместную деятельность в 2006 году. Кросс — космолог из Университета Западного резервного района (Кливленд, штат Огайо) и директор его Центра образования и космологических и астрофизических исследований, автор семи книг и активный популяризатор науки. Шеррер — космолог, профессор кафедры физики и астрономии в университете Вандербилта, а также автор научно-фантастических книг.

Последний раз редактировалось skroznik; 29.08.2016 в 19:36.
skroznik вне форума   Ответить с цитированием
Старый 31.05.2010, 13:14   #5
skroznik
Кот, гуляющий сам по себе
 
Аватар для skroznik
 
Регистрация: 18.02.2010
Адрес: Родом из детства
Сообщений: 9,747
Сказал(а) Фууу!: 1
Сказали Фууу! 4 раз(а) в 4 сообщениях
Сказал(а) спасибо: 349
Поблагодарили 960 раз(а) в 816 сообщениях
skroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордится
Отправить сообщение для skroznik с помощью Skype™
По умолчанию Re: Рассказы о Вселенной

Катастрофы в звездных скоплениях


Эти светила именуют по-разному — голубыми бродягами, голубыми дезертирами, голубыми страгглерами. Поскольку во всех этих названиях присутствует вызывающий сомнительные ассоциации цвет, я буду использовать общепринятое англоязычное сокращение BSS — blue straggler stars (см. Голубые отставшие звёзды). Они вовсе не обязательно отличаются голубизной своего света, просто их спектры смещены в сторону более коротких волн по сравнению со спектрами абсолютного большинства звезд, входящих в данное скопление.

Звезды со столь экзотическим титулом известны без малого шесть десятков лет. Впервые их обнаружил в 1953 году американский астроном Аллан Сэндейдж (Allan Sandage), который в следующем десятилетии прославился открытием квазаров, сделанным совместно с Томасом Мэтьюсом (Thomas Matthews). Сэндейдж обратил внимание на эти светила в ходе наблюдений яркого (видимая звездная величина 6,2) и чрезвычайно древнего (предполагаемый возраст 12 миллиардов лет) скопления M3, расположенного в 33 900 световых лет от Солнца в созвездии Гончих Псов. Поначалу их сочли аномалией именно этой звездной ассоциации, однако со временем BSS были выявлены и во многих других звездных кластерах. Сейчас по ним накоплена обширная статистика, согласно которой BSS встречаются практически во всех шаровых звездных скоплениях (Globular cluster), или «шаровиках», расположенных в галактических гало (см. Galactic halo). Они присутствуют и во многих открытых (в другой терминологии, рассеянных) скоплениях, которые наблюдаются в пределах дисковых зон спиральных и неправильных галактик.



В соответствии с теорией звездной эволюции аномально массивные звезды — так называемые «голубые отставшие звёзды» — в звездных скоплениях могут возникать двумя разными путями: a — в результате столкновения звезд, приводящего к их слиянию; b — в результате звездного каннибализма, когда одна из звезд двойной системы перетягивает на себя несгоревший водород из внешних слоев соседки и тем самым пополняет свои запасы термоядерного горючего. Наблюдения звездных скоплений подверждают возможность обоих механизамов. Рис. из обсуждаемой статьи Melvyn B. Davies

Стоит отметить, что название globular cluster весьма старое, его 220 лет назад придумал Уильям Гершель. Астрономы узнали об их существовании во второй половине XVII века, хотя отдельные звезды в их составе были идентифицированы столетием позже. Типичный шаровик состоит из нескольких сотен тысяч или даже миллионов звезд со средним возрастом порядка 10 миллиардов лет. Они сильно связаны между собой гравитационными полями, вследствие чего шаровик на протяжении миллиардов лет обращается вокруг галактического центра как единое целое, сохраняя свою сферическую форму. Гигантские эллиптические галактики имеют многие тысячи шаровиков-спутников; в пределах Млечного Пути их выявлено порядка 150. В центральных областях крупных шаровиков на кубический парсек пространства в среднем приходится от 100 до 1000 звезд, в то время как на периферии кластера этот показатель падает на два-три порядка. Рассеянные звездные скопления (см. Open cluster), напротив, насчитывают всего лишь сотни или тысячи звезд и отличаются более диффузной структурой.

Теперь перейдем к предмету настоящей заметки. Как рассеянные, так и шаровые скопления содержат в своем составе очень яркие звезды, которые выглядят гораздо моложе звездной группировки в целом. На диаграмме Герцшпрунга—Рассела (см. Hertzsprung–Russell diagram) скопления M3, которую я привожу для иллюстрации, они расположены левее и выше точки поворота, по прохождении которой все звезды, за исключением маломассивных красных карликов, начинают эволюцию к образованию красных гигантов либо сверхгигантов и их преемников (чаще всего белых карликов, намного реже нейтронных звезд либо черных дыр — финал зависит от первоначальной звездной массы).

Вот в этом и состоит загвоздка. Посмотрим вновь на диаграмму Герцшпрунга—Рассела шаровика М3. Легко видеть, что слева от «колена» главной последовательности расположены голубые и белые звезды спектральных классов B и A (см. Stellar classification), чей возраст измеряется десятками или сотнями миллионов лет. Встает вопрос: откуда же они взялись в скоплении, которое возникло примерно 12 миллиардов лет назад? То же самое можно сказать и о других скоплениях, где имеются такие светила. Как утверждают общепринятые модели формирования звездных группировок, практически все звезды, составляющие то или иное скопление, являются ровесниками (в принципе, среди них могут быть и звезды-мигранты иного возраста, но их статистический вес очень невелик). Каким же образом там появились светила, которые должны были бы уже давно исчерпать свое водородное топливо? Наверное, можно не уточнять, что именно их и относят к семейству BSS.



Диаграмма Герцшпрунга—Рассела шарового скопления М3

В принципе, ответ ясен. Раз BSS никак не могли возникнуть одновременно с рождением вмещающего их скопления, то, значит, они вспыхнули намного позже. Отсюда следует, что внутри скоплений достаточно часто случаются события, в результате которых частично выгоревшие звезды скачкообразно увеличивают свою массу, разогреваются и, если так можно выразиться, голубеют.

Астрономы уже давно пришли к убеждению, что для таких событий существуют лишь два правдоподобных сценария. Один из них основан на том обстоятельстве, что многие BSS выявлены в центральных областях старых шаровиков, которые, как уже я уже говорил, отличаются особо высокой звездной плотностью. Это означает, что там вполне вероятны лобовые столкновения звезд, приводящие к их слиянию. Во второй половине 80-х годов были просчитаны компьютерные модели, из которых следует, что эти катаклизмы могут сопровождаться сравнительно небольшими выбросами звездного вещества в окружающее пространство. В таких случаях масса родившейся звезды лишь ненамного уступит суммарной массе звезд-предшественниц. В результате на свет родится звезда с большим резервом неистраченного водорода, которая войдет в число BSS.

Однако есть и другая возможность. Некоторые BSS обнаружены в малонаселенных зонах галактических гало, где шансы столкновений очень невелики. Согласно доминирующей точке зрения, они могли родиться только в результате так называемого звездного каннибализма. Их предшественниками были двойные звездные системы, иначе говоря, объединенные силой тяготения пары звезд, обращающиеся вокруг общего центра инерции (нельзя не подчеркнуть, что в космосе такие пары чрезвычайно типичны, в то время как одиночные звезды вроде нашего Солнца встречаются куда реже). Если их массы неодинаковы, более тяжелая звезда раньше сожжет в своем ядре весь водород и станет красным гигантом. Если вторая звезда находится не слишком далеко, она сможет своим притяжением перетянуть несгоревший водород из внешних слоев соседки и тем самым пополнить свои запасы термоядерного горючего. В результате после ряда переходных процессов возникнет BSS, гравитационно связанный с тем, во что превратится красный гигант (как я уже говорил, скорее всего это будет белый карлик). Почти наверняка таким путем возникли если не все, то многие BSS, обнаруженные в сравнительно пустынных участках гало Млечного Пути.

Конечно, звездный каннибализм вполне возможен и в центральных зонах как шаровиков, так и рассеянных скоплений, где тоже вполне хватает двойных систем. Кроме того, наличие звезд-соседей может увеличить нестабильность звездной пары и заставить обе ее компоненты столкнуться и претерпеть слияние. Как показывают опубликованные в начале 2009 года результаты статистического анализа распределения BSS в 56 шаровых скоплениях, каннибалистский сценарий рождения этих звезд скорее всего преобладает даже в центральных областях шаровиков.

Новые публикации в Nature убедительно подтверждают все эти выводы. Авторы первой из названных работ, Ф. Р. Ферраро (F. R. Ferraro) и его коллеги, с помощью орбитального телескопа имени Хаббла провели наблюдения BSS, входящих в состав шарового скопления M30. Они обнаружили, что эти звезды формируют на ГР-диаграмме скопления две близкие, но отдельные ветви. Авторы статьи полагают, что лежащая слева ветвь с более горячими звездами образована в ходе реализации коллизионного сценария, в то время как во второй ветви представлены чуть менее яркие светила, рожденные согласно сценарию звездного каннибализма. Наблюдения также показали, что свыше 80% выявленных BSS локализованы в пределах внутреннего ядра глобуляра. Интересно, что все изученные BSS родились в итоге партнерства довольно легких звезд, поскольку их типичная масса лишь в полтора раза превышает солнечную. Такие звезды светят миллиарды лет до своего превращения в красные гиганты, а затем в белые карлики, так что они могли возникнуть в весьма далеком прошлом. Авторы предполагают, что большинство изученных BSS родилось один-два миллиарда лет назад. По их мнению, кластер M30 мог тогда претерпеть гравитационное сжатие, которое заметно увеличило плотность звезд в его ядре.

Авторы второй работы, Роберт Матье (Robert Mathieu) и Аарон Геллер (Aaron Geller), в течение десяти лет отслеживали BSS удаленного на 5 тысяч световых лет рассеянного скопления NGC 188, который на земном небосводе лежит в созвездии Цефея и соседствует с Полярной звездой, отстоя от нее всего на 4 градуса. В своей работе они использовали 3,5-метровый телескоп WIYN Национальной обсерватории Китт Пик (Kitt Peak National Observatory) в штате Аризона. Скопление NGC 188, которое содержит около 130 звезд, сформировалось около 5 миллиардов лет назад (это древнейшее из всех известных рассеянных скоплений, которые обычно не старше нескольких сотен миллионов лет). Матье и Геллер тоже пришли к заключению, что в процессе рождения BSS задействованы все вышеперечисленные механизмы увеличения звездной массы, причем на первом месте стоит звездный каннибализм (16 из 21 BSS, которые наблюдали Матье и Геллер, с высокой степенью вероятности входят в бинарные системы). Им даже удалось обнаружить две BSS, обращающиеся вокруг друг друга. По мнению авторов, оба члена этой уникальной пары (их массы почти одинаковы, да и температуры разнятся очень незначительно, 6500 К и 6325 К) почти наверняка возникли независимо друг от друга в двух бинарных системах и затем вышли на гравитационно связанные орбиты, каким-то образом избавившись от своих прежних партнеров.

Как мне кажется, обе эти публикации представляют интерес не только в связи с проблемой генезиса BSS. Они, каждая по-своему, вновь продемонстрировали, насколько велика роль великих и малых катаклизмов в динамике Большого Космоса.

Литература:
  1. http://www.nature.com/nature/journal...ture08607.html
  2. http://www.nature.com/nature/journal...ture08568.html
  3. F. R. Ferraro, et al. Two distinct sequences of blue straggler stars in the globular cluster M 30 // Nature. V. 462. P. 1028–1031 (24 December 2009). Doi:10.1038/nature08607.
  4. Robert D. Mathieu, Aaron M. Geller. A binary star fraction of 76 per cent and unusual orbit parameters for the blue stragglers of NGC 188 // Nature. V. 462. P. 1032–1035 (24 December 2009). Doi:10.1038/nature08568.
  5. Melvyn B. Davies. Astrophysics: Stellar revival in old clusters // Nature. V. 462. P. 991–992 (24 December 2009). Doi:10.1038/462991a.
skroznik вне форума   Ответить с цитированием
Старый 02.06.2010, 00:01   #6
skroznik
Кот, гуляющий сам по себе
 
Аватар для skroznik
 
Регистрация: 18.02.2010
Адрес: Родом из детства
Сообщений: 9,747
Сказал(а) Фууу!: 1
Сказали Фууу! 4 раз(а) в 4 сообщениях
Сказал(а) спасибо: 349
Поблагодарили 960 раз(а) в 816 сообщениях
skroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордится
Отправить сообщение для skroznik с помощью Skype™
По умолчанию Re: Рассказы о Вселенной

Многоликая Вселенная


Андрей Дмитриевич Линде,
Стэнфордский университет (США), профессор



Андрей Дмитриевич Линде. 10 июня 2007 года, Москва, ФИАН


Во-первых, я должен сказать, что я немножечко робею. Я в этом зале выступал много раз. Сначала я здесь учился, и когда всё это началось, я был студентом Московского университета, приходил сюда на семинары, в ФИАН. И каждый раз я сидел на этих семинарах, мучительно, мне было жутко интересно, а также невероятно сложно. Всё то, что говорилось, я понимал, ну, примерно на десять процентов. Я думал, что, наверное, я, ну, идиот такой, ничего больше не понимаю, физика из меня не получится... Но уж больно хотелось, продолжал ходить. Эти десять процентов понимания у меня сохранились до сих пор: в основном на семинарах, на которые я хожу, я понимаю примерно десять процентов. А потом я сделал впервые свой доклад здесь. Я поглядел на лица людей, и у меня было впечатление, что они тоже понимают на десять процентов. И тогда у меня исчез комплекс неполноценности, отчасти по крайней мере. Немного, наверное, всё равно остался... Я зачем это говорю? Тематика довольно сложная. И если десять процентов будет понятно, то, значит, вы на правильном пути.

То, о чём я сейчас буду говорить, связано с теорией инфляционной Вселенной. Инфляционная Вселенная, по-русски это называлось «раздувающаяся Вселенная», но стандартное название «инфляционная». В последнее время возник такой термин — «Multi-verse». Это термин, заменяющий слово «Universe». Значит, вместо одной Вселенной — много вселенных сразу в одной. Ну вот по-русски, пожалуй, наиболее адекватный перевод — это «многоликая Вселенная». И про это я сейчас буду говорить.



Но сначала общее введение о космологии вообще. Откуда взялась инфляционная космология (зачем она понадобилась)? Что было до нее (теория Большого взрыва). Сначала такие биографические данные. Возраст Вселенной, согласно последним наблюдаемым данным... Вот когда я говорю про возраст, каждый раз я говорю и где-то в душе ставлю маленькую запятую, что я должен к этому вернуться и потом сказать, что на самом деле Вселенная может быть бесконечно старая. Ну вот то, что люди называют возрастом Вселенной, это примерно 13,7 миллиарда лет с точностью до... пожалуй, лучше, чем 10%. Сейчас люди знают это достаточно хорошо. Размер наблюдаемой части Вселенной... Что значит «наблюдаемой»? Ну вот, свет путешествовал к нам 13,7 миллиарда лет, значит надо умножить это на скорость света и получится расстояние, на котором мы сейчас видим вещи. Говорю я это, а в душе сразу опять ставится запятая: на самом деле это не так. Потому что мы видим в несколько раз дальше, чем это, потому что те объекты, которые послали к нам свет 13,7 миллиарда лет назад, они сейчас от нас находятся дальше. И мы от них видим свет-то, а они дальше, поэтому в действительности мы видим больше, чем скорость света умножить на время существования Вселенной.

Дальше. Средняя плотность вещества — примерно 10–29 г/см3. Очень мало. Но мы живем в том месте, где оно сконденсировалось... Вес наблюдаемой части Вселенной — больше 1050 тонн. Вес в момент рождения... а вот это вот самое интересное. Когда Вселенная родилась, если отсчитывать прямо от момента Большого взрыва, совсем вот во время t = 0, то ее вес должен был быть бесконечным. Если отсчитывать от какого-то другого момента... он называется планковский. Планковский момент — это момент 10 в степени минус... Ну вот, иногда все-таки буду писать на доске... Значит, t планковское — это примерно 10 в минус сорок третьей секунд (tp ~ 10–43 с). Это момент, начиная с которого впервые мы можем Вселенную рассматривать в терминах нормального пространства-времени, потому что если мы возьмем объекты на временах меньше, чем это, или на расстояниях меньше, чем планковское расстояние (это 10–33 см), — если мы возьмем меньшее расстояние, то на меньших расстояниях пространство-время так сильно флуктуирует, что померить их будет нельзя: линейки гнутся, часы вращаются, как-то нехорошо... Поэтому нормальное рассмотрение начинается с этого момента. И в этот момент Вселенная имела вес необычайно большой. Я вам скажу, какой — немножечко погодя. А то, что сделала инфляционная Вселенная: мы научились объяснять, как можно всю Вселенную получить из меньше чем одного миллиграмма вещества. Всё, что мы сейчас видим...



И давайте дальше, предварительные данные. Простейшие модели Вселенной, то, что вошло в учебники, — это три возможных модели Фридмана. Первая — это замкнутая Вселенная, [вторая] — открытая Вселенная, и [третья] — плоская Вселенная. Эти картинки — тоже примерные только картинки. Смысл состоит в следующем.

Вот простейший вариант — плоская Вселенная. Геометрия плоской Вселенной такая же, как геометрия плоского стола, то есть параллельные линии остаются параллельными и нигде не пересекаются. В чём отличие, чем отличается от плоского стола? Тем, что если у меня есть две параллельные линии... например, пошло два луча света, параллельные друг другу... Вселенная расширяется, поэтому, хотя они параллельные, два луча света, они удаляются друг от друга за счет того, что вся Вселенная расширяется. Поэтому сказать так — что геометрия плоского стола, — это не до конца правильно. Вселенная является кривой в четырехмерном смысле. В трехмерном смысле она является плоской.

Замкнутая Вселенная похожа геометрическими свойствами на свойства поверхности сферы. То есть если у меня есть две параллельные линии на экваторе, то они пересекаются на северном и южном полюсе. Параллельные линии могут пересекаться. А мы как бы живем на поверхности сферы, как такая блоха, которая ползет по глобусу. Но тоже аналогия поверхностная — в двух смыслах. Наша Вселенная, она как бы трехмерная сфера в четырехмерном пространстве. Приходится картинки рисовать, а в действительности только аналогии... И, кроме того, она расширяется. Если мы захотим пройти от экватора до северного полюса, то нам времени не хватит — такая Вселенная может сколлапсировать, или мы не дойдем, потому что она слишком быстро расширяется.

Открытая Вселенная похожа по своим свойствам на свойства гиперболоида, то есть если у горловины гиперболоида я пущу две параллельные прямые, то они начнут расходиться и никогда не встретятся.

Вот три основных модели. Их предложил Фридман довольно давно, в 20-е годы прошлого столетия, и Эйнштейн их очень не любил. Не любил, потому что это всё как бы противоречило той идеологии, на которой были воспитаны люди того времени. Идеология состояла в том, что Вселенная — это ведь система координат, ну и координаты-то, они не расширяются, это просто сетка. Люди всегда считали в Европе — сначала считали, — что Вселенная конечна и статична. Конечна, потому что Бог бесконечен, а Вселенная меньше Бога, поэтому она должна быть конечна, а статична... ну, потому что, что же ей делать-то — система координат... Потом они отказались от первого предположения, сказав, что Бог не потеряет много, если он один из своих атрибутов отдаст Вселенной и сделает ее бесконечной, но всё равно считалось, что она статична.



Расширение Вселенной — это было странное такое свойство, против которого долго боролись, до тех пор, пока не увидели, что она на самом деле расширяется. Значит, то, что произошло за последние несколько лет, экспериментально — не в теоретической физике, а в экспериментальной космологии. Выяснилось две вещи. Мы начнем со второго. В 1998 году люди увидели, что Вселенная сейчас расширяется с ускорением. Что означает с ускорением? Ну, вот она расширяется с какой-то скоростью. В действительности, это немножко неправильно...

Значит, вот a — это масштаб Вселенной, a с точкой (å) — это скорость расширения Вселенной, a с точкой разделить на a (å/a) — это... Вот a, например, расстояние от одной галактики до другой, назовем его буквой a. А это (å/a) — скорость, с которой галактики убегают друг от друга. Вот эта вещь (å/a = H) есть хаббловская постоянная, она на самом деле зависит от времени. Если эта вещь убывает со временем, это не означает, что Вселенная перестает расширяться. Расширение означает, что a с точкой больше нуля (å > 0). А вот то, что люди обнаружили сейчас, — что сейчас этот режим асимптотически приближается к константе (å/a = H → const), то есть не только a с точкой положительно, но вот это их отношение, оно устремляется к константе. И если это дифференциальное уравнение разрешить, окажется, что масштабный фактор Вселенной ведет себя асимптотически приблизительно так: a ~ eHt — Вселенная будет экспоненциально расширяться, и этого не очень-то ожидали раньше. То есть это есть ускоренное расширение Вселенной, а раньше, по стандартной теории, выходило, что Вселенная должна расширяться с замедлением.

Вот это открытие последних девяти лет. Сначала люди думали, что, ну, где-нибудь экспериментальная ошибка, еще что-то, потом стали называть их разными словами — космологическая постоянная, энергия вакуума, темная энергия... Значит, вот это то, что произошло недавно. Теория о которой я сейчас буду говорить, — это инфляционная космология. Она предполагает (и сейчас всё больше кажется, что, наверное, это было правильное предположение, мы еще всё равно в точности не знаем — есть конкурирующие теории, хотя они мне там и не нравятся, но, значит, это точки зрения) — но кажется, что это вот правильная вещь, — что в ранней Вселенной, по-видимому, Вселенная тоже расширялась ускоренно. Причем с гораздо большим ускорением, чем то, с каким она расширяется сейчас, — на много десятков порядков большим ускорением. Вот эти два открытия... по-видимому, их надо попытаться интерпретировать как-то.



Значит, картинки, которые при этом часто рисуют... Вот (пока что не смотрите на эту красную картинку) стандартная, из учебника. Если Вселенная замкнутая — то есть геометрия похожа на геометрию сферы, поверхности сферы, — то она возникает из сингулярности и исчезает в сингулярность, у нее конечное время существования. Если она плоская, то она возникает из сингулярности и расширяется до бесконечности. Если она открытая, то она тоже продолжает двигаться с постоянной скоростью.

То, что выяснилось, то, что я сейчас сказал насчет этой темной энергии, космологической постоянной, ускорения Вселенной, — выяснилось, что она ведет себя так. И выяснилось, что она ведет себя так, какая бы она ни была — открытая, закрытая, плоская... Вообще в таких случаях вот такая вот вещь. Сейчас, если мы открываем учебники по астрономии, в основном они всё еще публикуют вот эти вот три картинки, и это то, на чём мы были воспитаны в течение последних лет. Поэтому существование вот этой последней — это было замечательное открытие, и оно связано с тем, что люди поверили, что в вакууме существует ненулевая плотность энергии, в пустоте. Она очень маленькая: она такого же порядка, как плотность энергии вещества во Вселенной, — 10–29 г/см3. И вот когда я иногда представляю этих людей, я говорю: «Посмотрите, вот это люди, которые померили энергию... ничего». Вот так, вот эта вот красная черта.

Общая картина распределения энергии... Когда я говорю «энергия», или говорю «материя», «вещество», я подразумеваю одно и то же, потому что, как мы знаем, E равняется mc квадрат (E = mc2), то есть эти две вещи пропорциональны друг другу... Есть темная энергия...



Полный бюджет энергии и материи во Вселенной представлен таким вот пирогом: 74% примерно составляет темная энергия. Что это такое, никто не знает. Либо это энергия вакуума, либо это энергия медленно меняющегося однородно распределенного специального скалярного поля — об этом дальше. Ну, вот это отдельная часть, она не комкуется. Что я под этим подразумеваю? Она не сбивается в галактики. Темная материя (примерно 22% всего бюджета) — что-то такое, что комкуется, но чего мы не видим. Что-то, что может сбиваться в Галактики, но чего мы не видим, не светится. И примерно 4–5% — это «нормальная» материя. Вот бюджет всей нашей материи.

И есть там мировые загадки. Почему они одного и того же порядка, эти величины, и почему так много все-таки такой энергии сидит в пустоте? Как же это вообще так оказалось, что мы, такие гордые, думали, что всё такого типа, как мы, а нам-то и дали всего четыре процента... Так вот...



Теперь — инфляционная Вселенная. Пока что идет просто справка, чтобы было понятно, о чём я говорю, а уже потом начнется дело. Инфляция — это вот что. Вот то, что было на предыдущих картинках, что Вселенная началась и начала расширяться, и, помните, дуга была выгнута вот в такую сторону... Вот если я вернусь назад, покажу вам вот это всё... вот видите, все дуги — они были выгнуты вот так. Инфляция — это кусок траектории, который существовал как бы до Большого взрыва в некотором смысле, до того, как дуга начала прогибаться так. Это время, когда Вселенная расширялась экспоненциально и Вселенная расширялась с ускорением. Она изначально могла иметь очень маленький размер, а потом была стадия очень быстрого расширения, потом она становилась горячей, и потом происходило всё то, что в учебниках было написано: что Вселенная была горячая, взорвалась, как горячий шар, — вот это всё было после стадии инфляции, а во время инфляции частиц могло не быть вообще. Вот такая справка.



Значит, зачем всё это понадобилось? А затем, что люди смотрели 25 лет назад — немножко больше уже — на теорию Большого взрыва и задавали разные вопросы. Я перечислю вопросы.

Что было, когда ничего не было? Ясно, что вопрос бессмысленный, чего же его задавать... В учебнике Ландау и Лифшица написано, что решения уравнений Эйнштейна нельзя продолжить в области отрицательного времени, поэтому бессмысленно спрашивать, что было до этого. Бессмысленно, но все люди всё равно спрашивали.

Почему Вселенная однородна и изотропна? Вопрос: почему, действительно? Что значит однородна? Ну вот, если мы рядом с нами посмотрим, наша Галактика — она не однородна. Рядом с нами Солнечная система — большие неоднородности. Но если мы посмотрим в масштабах всей наблюдаемой нами сейчас части Вселенной, вот эти 13 миллиардов световых лет, то в среднем справа и слева от нас Вселенная имеет ту же самую плотность, с точностью примерно до одной десятитысячной и даже лучше, чем это. Значит, кто-то ее отполировал, почему она такая однородная? И в начале прошлого века на это отвечали следующим образом. Есть такая вещь, которая называется «космологический принцип»: что Вселенная должна быть однородна.

Я любил шутить, что люди, у которых нет хороших идей, у них иногда есть принципы. Потом я перестал это делать, потому что оказалось, что этот принцип был введен, в частности, Альбертом Эйнштейном. Просто в то время люди не знали, и до сих пор во многих книжках по астрономии люди обсуждают космологический принцип — что Вселенная должна быть однородна, потому что... ну, вот она однородна!

С другой стороны, мы знаем, что принципы — они уж должны быть тогда полностью правильные. Там, не знаю, человек, который берет маленькие взятки, его нельзя назвать человеком принципов. Наша Вселенная была немножко неоднородной — в ней есть галактики, они необходимы для нас, значит откуда-то мы должны понять, откуда, галактики берутся.

Почему все части Вселенной стали расширяться одновременно? Та часть — Вселенная, и та часть — Вселенная, они друг с другом не говорили, когда Вселенная только что начала расширяться. Несмотря на то, что размер Вселенной был маленький, для того чтобы одна часть Вселенной узнала о том, что другая начала расширяться, надо, чтобы человек, который живет здесь, — ну, воображаемый человек — узнал бы о том, что эта часть начала расширяться. А для этого он должен бы был получить сигнал от того человека. А для этого потребовалось бы время, так что люди никак не могли договориться, особенно в бесконечной Вселенной, что, ура, надо начать расширяться, уже позволили... Значит, это почему все части Вселенной начали расширяться одновременно...

Почему Вселенная плоская? То, что сейчас экспериментально известно, — что Вселенная почти плоская, то есть параллельные линии, они не пересекаются в наблюдаемой части Вселенной. Значит, почему Вселенная такая плоская? Нас в школе учат, что параллельные линии не пересекаются, а в университете говорится, что Вселенная может быть замкнутая, и они могут пересекаться. Так почему Эвклид был прав? Не знаю...

Почему во Вселенной такое огромное количество элементарных частиц? В наблюдаемой нами части Вселенной больше чем 1087 элементарных частиц. Стандартный ответ на это состоял в том, что, ну, Вселенная — она же большая, вот поэтому... А почему она такая большая? И я иногда аккумулирую это в таком виде: почему так много людей пришло на лекцию? — а потому, что так много людей в Москве... — а почему так много людей в Москве? — а Москва только часть России, а в России много людей, часть пришла на лекцию... — а почему так много людей в России, вот в Китае еще больше? А вообще говоря, мы только на одной планете живем, а у нас много планет в Солнечной системе, а сейчас еще больше планет отыскивают еще во Вселенной, а вы знаете, что в нашей Галактике 1011 звезд, и поэтому где-то планеты, где-то есть люди, часть из них пришла на лекцию... Почему в нашей Галактике так много звезд? А вы знаете, сколько галактик в нашей части Вселенной? Примерно 1011–1012 галактик, и в каждой из них 1011 звезд, вокруг них вращаются планеты, и часть людей пришла на лекцию. А почему у нас так много галактик? Ну, потому что Вселенная же большая... Значит... и вот здесь мы и кончаем.

А если взять, например, Вселенную — типичную замкнутую Вселенную, у которой был бы единственный типичный размер, который имеется в общей теории относительности вместе с квантовой механикой, — 10–33 см, начальный размер. Значит, сжать вещество до самой предельной плотности, которая только возможна (это так называемая планковская плотность, ρ планковское), — это примерно 1094 г/см3... Почему предельная? Она не в том смысле предельная, что дальше нельзя, а в том смысле, что если сжать материю до такой плотности, то Вселенная начинает так флуктуировать, что ее нормальным способом описать невозможно. Значит, вот если взять и сжать материю до самой большой плотности, засунуть в нее естественного размера замкнутую Вселенную и посчитать количество элементарных частиц там, то окажется, что в ней есть одна элементарная частица. Может быть, деcять элементарных частиц. А нам надо 1087. Поэтому это реальная проблема — откуда, почему так много элементарных частиц?



Дело этим не кончается. Откуда взялась вся энергия во Вселенной? Вот раньше я даже это так для себя не сформулировал, до тех пор, пока меня не пригласили в Швецию на какой-то нобелевский симпозиум, посвященный энергии... то есть туда собрались люди, которые занимаются нефтедобычей, еще чего-то. И мне дали там открывать эту конференцию, и первый доклад... Я никак не мог понять, чего они от меня хотят? Я нефтедобычей не занимаюсь, солнечной энергией и энергией ветра не занимаюсь, что я про энергию вообще скажу? Ну, и начал я тогда доклад с того, что сказал: вы знаете, откуда энергия-то взялась во Вселенной? Знаете, сколько у нас энергии? Давайте посчитаем.

Энергия вещества во Вселенной не сохраняется. Первый парадокс. Вот мы знаем, что энергия сохраняется, — а вот это не правильно. Потому что, если мы возьмем, например, загоним газ в ящик и дадим ящику расширяться... Вот ящик — это наша Вселенная, дадим ящику расширяться. Газ — он давление оказывает на стенки ящика. И когда ящик расширяется, этот газ совершает работу над стенками ящика, и поэтому когда ящик расширяется, газ энергию свою теряет. Потому что он работу совершает, всё правильно, баланс энергии есть. Но только факт-то состоит в том, что во время расширения Вселенной полная энергия газа уменьшается. Потому что есть стандартное уравнение: изменение энергии равняется минус давление умножить на изменение объема (dE = –PdV). Объем-то Вселенной растет, давление-то положительно, поэтому энергия уменьшается.

Вот во всех моделях Вселенной, нормальных, тех, которые были ассоциированы с теорией Большого взрыва, полная энергия Вселенной уменьшалась. Если сейчас 1050 т, то сколько же было в начале? Потому что энергия-то только тратилась. Значит, тогда в начале должно было быть больше. Кто-то должен был сделать эту Вселенную с гораздо большей энергией, чем сейчас. С другой стороны, что-то же должно сохраняться. А куда тратится эта энергия во время расширения Вселенной? Она тратится на то, что размер Вселенной меняется, что Вселенная расширяется с некоторой скоростью. Есть некоторая энергия, которая прячется в геометрии Вселенной. Есть энергия, которая связана с гравитацией. И вот полная сумма энергии вещества и гравитационной энергии, она сохраняется. Но только если посчитать полную сумму. Есть разные способы счета — и опять там запятая некая ставится, — но при некотором способе счета полная сумма энергии вещества и гравитации, она просто равна нулю. То есть энергия материи компенсируется энергией гравитационного взаимодействия, поэтому есть ноль. И поэтому, да, она началась с нуля, она нулем и кончится, всё сохраняется, но только этот закон сохранения, он не очень полезен для нас. Он не объясняет нам, откуда же такая огромная энергия взялась. Значит, сколько?



Вот согласно теории Большого взрыва, полная масса вещества в начале, когда Вселенная родилась, должна была превосходить 1080 т. Это уже много. Это совсем много... А если бы я это всё отчислял даже прямо от сингулярности, то просто во Вселенной должно было быть бесконечное количество вещества. И тогда возникает вопрос: откуда же кто-то нам дал это бесконечное количество вещества, если до момента возникновения Вселенной, ну, ничего не было? Сначала ничего не было, а потом вдруг стало, и так много, что даже как-то немножко странно. То есть кто бы это мог сделать?.. А физики так вопрос формулировать не хотели, ну и сейчас не хотят.



Поэтому, может быть, хорошо, что нашлась теория, которая позволяет, по крайней мере в принципе, объяснить, как можно было сделать всё это, исходя из кусочка Вселенной с изначальным количеством материи меньше одного миллиграмма. Ну вот, когда я про это говорю, я думаю, что бы нормальный человек подумал, если бы такую вещь сказать давно, или если бы не писать уравнений при этом, и так далее...

Я помню, когда меня здесь проводили на старшего научного сотрудника, вызвали меня и начали меня спрашивать: «А чем вы занимаетесь?» А я им начал говорить, что вот, занимаюсь я, в частности, тем, что в разных частях Вселенной может оказаться так, что законы физики могут быть разные: в части есть, там, электромагнитное взаимодействие, в части — нет... Они мне сказали: «Ну, это уж слишком!» Но старшего научного все-таки дали. Вот это и есть та самая теория многоликой Вселенной, о которой я вам буду говорить.



Вот мы переходим к делу, к теории инфляционной космологии. Сначала первая простейшая модель. Простейшая модель выглядит следующим образом. Вот у вас есть некое скалярное поле, у которого энергия пропорциональна квадрату скалярного поля. Первые простейшие слова — и уже здесь возникает вопрос: что такое скалярное поле? Часть людей знает, часть людей не знает. Часть людей знает, что в Швейцарии сейчас строится огромный ускоритель, для того чтобы найти хиггсовскую частицу. Хиггсовская частица — это частица, которая является как бы квантом возбуждения специального типа скалярного поля. То есть люди используют эти поля уже давно, больше тридцати лет. Но смысл интуитивный легче всего понять с помощью аналогии. Вот здесь вот есть 220 вольт в сети. Если бы было просто 220 вольт и не было нуля, всю Вселенную заполнило бы 220 вольт, то никакого тока бы не было, ничего бы никуда не текло, потому что это было бы просто другое вакуумное состояние. В Америке 110 вольт. То же самое — если было бы просто 110 вольт, ничего бы не текло... Если вы возьметесь одной рукой за одну сторону, другой рукой за другую, то вас бы тут же убило, потому что разница потенциалов — это то, что... Я должен перестать...

Хорошо. Значит, так вот, постоянное скалярное поле — это аналог такого же поля. Это не точная аналогия, но примерная аналогия. Что такое векторное поле? Векторное поле — например, электромагнитное. У него имеется величина и направление. Что такое скалярное поле? У него имеется величина, а направления нет. Вот и вся разница, то есть оно гораздо проще, чем электромагнитное поле. У него нет направления, оно является лоренцовским скаляром. Лоренцовский скаляр — это означает следующее. Если вы побежите относительно него, вы не почувствуете, что вы бежите: ничего не изменилось. Если вы повернетесь, ничего не изменится тоже, вы не почувствуете, что вы поворачиваетесь. Выглядит как вакуум, если оно не движется, если оно постоянно. Но только это специальный вакуум, потому что у него может быть потенциальная энергия. Это первое свойство его. И во-вторых, если у вас в разных частях Вселенной разный вакуум, то там также разный вес элементарных частиц, разные свойства, поэтому от того, есть или нет это скалярное поле, а) зависят свойства элементарных частиц и б) зависит плотность энергии вакуума во Вселенной, так что это, в принципе, важная вещь. И вот простейшая теория, у которой энергия этого скалярного поля пропорциональна его квадрату.



Давайте посмотрим на уравнения. Я сейчас никакие уравнения решать не буду, а показывать их буду, так что не надо бояться... Первое — это немного упрощенное уравнение Эйнштейна, которое говорит: вот это скорость расширения Вселенной поделить на размер, это есть Хаббловская постоянная в квадрате, и она пропорциональна плотности энергии вещества во Вселенной. А я сейчас захочу пренебречь всем — там, газом, чем угодно... оставить только скалярное поле. И здесь надо было бы написать гравитационную постоянную, там еще восемь пи на три...

Сейчас забудем про гравитационную постоянную. Люди, которые занимаются этой наукой, они говорят: ну, возьмем гравитационную постоянную равную единице, скорость света, равную единице, постоянную Планка, равную единице, а потом, когда всё решим, мы это обратно вставим в решение, чтобы проще было...

Значит, вот это чуть-чуть упрощенное уравнение Эйнштейна, я оттуда еще выбросил пару членов, которые сами оттуда выбрасываются, после того как Вселенную начнет быстро сдувать. Это уравнение движения для скалярного поля. Не глядите сейчас на этот член. Это есть ускорение скалярного поля, а это показывает ту силу, с которой поле хочет устремиться в свой минимум энергии. И, для того чтобы было понятно, сравните это с уравнением для гармонического осциллятора. Опять, не смотрите на этот член. Это есть ускорение гармонического осциллятора, пропорциональное возвращающей силе. То есть сила, которая тащит поле осциллятора в точку x = 0, а это его ускорение. И мы знаем, чем дело кончается. Осциллятор так вот осциллирует. А если мы добавим такой член, x с точкой. Это скорость движения осциллятора. То есть это, если его перенести вот в эту сторону, будет понятно, что это как бы сила, которая не пускает осциллятор двигаться быстро. Это примерно как если вы засунете маятник в воду, то вода будет препятствовать осцилляции, и он будет осциллировать всё медленнее и медленнее. Как бы сила трения или вязкости.

Вот оказывается, что во Вселенной тоже имеется аналогичный член, который описывает уравнение для скалярного поля. Уравнение-то выглядит точно так же. И этот член похож на этот. Вот оказывается, что во Вселенной эффект трения возникает, если Вселенная быстро расширяется. Вот такой трюк. Теперь давайте вернемся к предыдущей картинке.

Вот когда скалярное поле здесь, то энергии у скалярного поля мало, Вселенная расширяется медленно, трения никакого нету. Если скалярное поле находится здесь, то энергия очень большая. Если энергия очень большая, посмотрим, что получается, на следующей картинке.

Энергия очень большая, Хаббловская постоянная большая, коэффициент трения большой. Если коэффициент трения большой, скалярное поле катится вниз очень медленно. Если скалярное поле катится вниз очень медленно, то в течение большого времени оно остается почти постоянным. Если оно остается почти постоянным, я решаю вот это уравнение: a с точкой на a (å/a) равняется почти постоянной. А я вам уже сказал, какое будет решение. Если a с точкой на a (å/a) является почти постоянной, то это экспоненциальное решение, самое простейшее дифференциальное уравнение. И в таком случае Вселенная начинает расширяться экспоненциально.



Логика такая: если большое значение скалярного поля φ, большая скорость расширения Вселенной, большой коэффициент трения, поле φ катится вниз очень медленно. Решая дифференциальное уравнение с константой, получаем экспоненциальное расширение, это есть инфляция. Всё очень просто.

До этого надо было, в общем, помучиться, чтобы додуматься, чтобы всё свести к простому. В действительности началось всё с гораздо более сложного. Впервые идеи такого типа стал высказывать Алеша Старобинский в 1979 году здесь, в России. Его вариант этой теории основывался на квантовой гравитации с определенными поправками — конформные аномалии, теория была очень сложной, непонятно было, как, с чего начать, но теория, тем не менее, внутри Советского Союза была тогда очень популярной, она называлась «моделью Старобинского». Но немножко сложноватой, не было понятно, какая ее цель. Он хотел решить проблему сингулярности, это не удавалось...

После этого возникло то, что сейчас называется старая инфляционная теория, ее предложил в 1981 году Алан Гус (Alan Guth) из MIT — сейчас он в MIT, а раньше он было в SLAC, рядом со Стэнфордом. Он предложил, что Вселенная с самого начала сидит зажатая по своей энергии в состоянии ложного вакуума, никуда не движется, энергия там постоянная, в это время она расширяется экспоненциально, а потом этот ложный вакуум с треском разваливается, образуются пузырьки, они соударяются... Зачем это было нужно? А его желание состояло в том, чтобы решить тот лист проблем, который я вам написал раньше: почему Вселенная однородная, почему она изотропная, почему такая большая, — его цель была такая. И в этом было достоинство его работы. Не потому, что он предложил модель — его теория не работала, а потому, что он сказал, что вот замечательно было бы сделать что-то такое, и тогда мы решим сразу все эти проблемы. А его модель не работала потому, что после столкновения пузырьков Вселенная становилась такой неоднородной и изотропной, что, как бы, не надо было и стараться...

После этого все мы находились в состоянии душевного кризиса, потому что идея была такая приятная, такая симпатичная, и у меня была язва желудка, может быть от огорчения, что нельзя, никак не получается. А потом я придумал, как сделать то, что я назвал новой инфляционной теорией, а потом я придумал вот эту простую штуку с хаотической инфляцией, которая была проще всего. И тогда стало ясно, что мы говорим не о трюке каком-то, а всё может быть так просто, как теория гармонического осциллятора.



Спойлер:
Но зачем это всё надо, я не сказал. А вот зачем. Во время инфляции, во время вот этой стадии, пока я катился вниз, Вселенная могла расшириться вот в такое количество раз. Это в простейших моделях. Что означает вот эта цифра? Ну вот я сейчас скажу, что это означает. Пример из арифметики. Самый маленький масштаб — 10–33 см. Умножу его на десять, а дальше здесь рисуется вот такое вот количество нулей — не важно, какое количество нулей. Теперь возникает вопрос: чему равняется произведение? И ответ состоит в том, что вот, оно равняется вот этому же — значит, что 10–33 можно уже не писать, это маленькая вещь. Значит, Вселенная оказывается вот такого огромного размера. А сколько мы сейчас видим? Вот эти 13 миллиардов лет, умноженные на скорость света, — это примерно 1028 см. А вот это даже не важно, чего — сантиметров или миллиметров, не важно даже чего. Важно то, что вот это, ну, несопоставимо меньше этого.

То есть наша наблюдаемая часть Вселенной — мы вот где-то вот здесь. (Можно сейчас уже погасить, да?) Вселенная начала расширяться, раздувалась, раздувалась, раздувалась, и мы живем как бы на поверхности этого огромного глобуса. И поэтому параллельные линии кажутся параллельными, поэтому никто и не видел этого северного и южного полюса. Поэтому наша часть Вселенной, где-то здесь, она вот началась где-то вот отсюда, из почти что точечки, и поэтому-то здесь все начальные свойства, ну, они-то рядышком, они были примерно одинаковыми. Поэтому и здесь они одинаковые.

А почему Вселенная такая однородная? Ну а представьте, что вы взяли Гималаи и растащили их вот в такое количество раз. Значит, у вас никто туда с рюкзаком не пойдет, потому что от долины до горы надо будет вот столько идти. Будет плоское место. Поэтому наша Вселенная такая плоская, такая однородная, во всех направлениях одинаковая.

Почему она изотропная? Что называется изотропной? Ну, она похожа как бы на сферу, во всех направлениях одинаковая, но она могла бы быть как огурец. Но если я огурец раздую вот в такое количество раз — а мы живем на его шкурке, — то во всех направлениях он будет одинаковым, поэтому Вселенная во всех направлениях станет одинаковой. То есть таким образом мы решаем большинство тех проблем, которые у нас возникали. Почему Вселенная такая большая? А вот почему! А сколько там элементарных частиц? А вот столько! Поэтому нам и хватает...

То есть мы еще не знаем, откуда всё это взялось, мы не можем так просто решить проблему сингулярности начальной — мы про это еще немножечко дальше скажем, — но вот это то, зачем была нужна эта теория.

С другой стороны, могло бы оказаться, что мы переработали немножко. Потому что если Гималаи полностью выплощить, то вся Вселенная будет настолько плоская и однородная, что действительно будет плохо жить там, мы тогда галактики ниоткуда не возьмем.



Но оказалось, что можно галактики продуцировать за счет квантовых флуктуаций. И это то, что здесь же, в ФИАНе, говорили Чибисов и Муханов. Они изучали модель Старобинского и увидели, что там, если посмотреть на квантовые флуктуации пространства, а потом посмотреть, что происходит во время расширения Вселенной, то они вполне могут породить галактики. И мы на них смотрели и думали: что вы, ребята, тут говорите? Вы говорите о квантовых флуктуациях, а мы говорим о галактиках! Они же реальные... А потом вот что выяснилось. Это уже когда мы перевели всё это на язык скалярного поля и так далее... Молодцы, в общем, люди! Надо же было додуматься до этого!

Вселенная работает как лазер, только вместо лазерного поля она продуцирует галактики. Вот что происходит. Возьмем скалярное поле, сначала высокочастотное, квантовые флуктуации. Квантовые флуктуации существуют всегда. Здесь, в этой аудитории, на маленьких расстояниях есть квантовые флуктуации. Хорошо, что вы мне дали два часа, я бы не закончил... За два часа, наверное, закончу...



Так вот, квантовые флуктуации существуют сейчас, прямо здесь, но они всё время осциллируют, их, если посмотреть в мелкоскоп и быстро так снимать, то тогда мы увидим, что там что-то возникает, что-то исчезает. Так просто не увидишь, они для нас не важны. Но во время быстрого расширения Вселенной, предположим, что была такая квантовая флуктуация. Она растягивалась, с расширением Вселенной. Когда она растянулась достаточно — помните это уравнение для скалярного поля, где стоит этот член 3Hφ с точкой? Уравнение, член с трением. Когда у вас поле было коротковолновое, оно знать ничего не знало о трении, потому что оно билось с такой энергией, что его трением остановить было нельзя. А потом, когда оно растянулось, оно энергию свою потеряло и вдруг почувствовало, что Вселенная расширяется, что трение есть, и вот так и застыло. Застыло и продолжало расширяться, растягивая Вселенную.

После этого, на фоне этой флуктуации, которая нарисована здесь, прежние флуктуации, которые раньше были очень коротковолновыми, энергичными и так далее, они растянулись, увидели, что Вселенная расширяется, почувствовали трение и застыли — на фоне тех флуктуаций, которые раньше застыли.



После этого Вселенная продолжала расширяться, и новые флуктуации замерзали, а Вселенная расширялась-то экспоненциально. И в результате что произошло? Что эти все флуктуации раздулись до большого размера.



Я сейчас поясню, что это такое: это результат вычислений, которые как бы симулируют возникновение флуктуаций и их дальнейшую эволюцию. Я объясню, что это будет, что это такое. Смысл состоит вот в чём. Что мы взяли эти квантовые флуктуации. Они замерзли. Вселенная стала неоднородной на экспоненциально большом масштабе. Эти неоднородности стоят, стоят, стоят... Потом инфляция кончилась. Потом — эта часть Вселенной еще не видит эту часть Вселенной. А потом прошло время, и они друг друга увидели. И когда увидели, эта часть Вселенной сказала: «А, у меня энергии меньше, а у тебя энергии больше; давай, все камни от меня полетят в эту сторону, потому что здесь гравитация сильнее». И эти флуктуации размораживаются. То есть сначала они были заморожены — за счет быстрого расширения Вселенной. А потом, когда две части Вселенной друг друга увидели, то эти флуктуации размерзли, и это буквально... по барону Мюнхгаузену.

Я не знаю, в детстве сейчас вас учат, там, барона Мюнхгаузена читают? Нам читали. Как он путешествовал по России. Хотя он был немецкий лжец, но путешествовал по России, в Сибири. Они охотились. И был такой жуткий мороз, что когда он хотел позвать друзей, чтобы они вместе собрались, то он сказал «ту-туту-туту!», а ничего не получилось, потому что звук замерз в рожке. Ну, потом, было холодно, он в снегу, как опытный человек, отрыл пещеру, зарылся там... Наутро вдруг он слышит: «Ту-туту-туту!». Что произошло? Размерзся звук-то. Потому что утром солнце появилось, всё, снег подтаял, и звук размерзся...

Вот здесь это же самое: сначала квантовые флуктуации замерзли, растащились на большое расстояние, а потом, когда дело уже пришло к тому, чтобы галактики образовывались, они размерзли, и неоднородности собрались вместе и сделались галактикой.

Сначала мы начали с квантовых флуктуаций. Потом мы быстро сделали их огромными. И когда мы сделали их огромными, мы фактически сделали их классическими. Они уже в это время не осциллировали, не исчезали, они замерзли,, были большими. Вот этот трюк — как из чего-то квантового сделать что-то классическое.

Значит, этот фильм показывает вот что. Если мы начнем с чего-то почти однородного, как сейчас, и потом начнем добавлять эти вот синусоиды... Каждый новый кадр показывает экспоненциально большую Вселенную. Но компьютер не мог расширяться, поэтому мы сжимали картинки. На самом деле надо понимать, что каждая картинка соответствует экспоненциально большей и большей Вселенной. И длины волн всех этих значений, они все примерно те же самые в момент, когда они создаются. А потом они растягиваются, но вот здесь не видно, что это здоровая синусоида. Кажется, что это пик, там, башня острая... Это просто потому, что компьютер их сжал.

Не видно также и другое: что в тех местах, где скалярное поле подскочило по случайности очень высоко, в этом месте энергия скалярного поля оказывается такой большой, что в этом месте Вселенная начинает расширяться еще гораздо быстрее, чем она расширялась здесь. И поэтому в действительности, если бы правильно рисовать картинку — ну просто компьютер не умеет это делать, и это не компьютер виноват, это просто физика такая: нельзя кривое пространство представить себе уложенным в наше пространство, просто кривовато, как кривая поверхность, не всегда это удается, поэтому здесь ничего не поделаешь, — надо просто понять, что вот эти вот пики, значит, размер отсюда досюда — он гораздо больше размера отсюда досюда. Здесь на самом деле здоровый пузырь.

Это то, что... — тоже достоинство русского обучения — то, что мы выяснили, когда были на практике военного дела в университете: что расстояние по прямой бывает гораздо длиннее, чем расстояние по кривой, если прямая проходит рядом с офицером... Здесь, если вы пойдете по прямой рядом с этим пиком, то вы никогда не дойдете, потому что расстояние будет всё больше и больше. Кривое пространство можно представить себе двумя способами. Первое — можно говорить про расширение Вселенной, а второе — можно говорить про сжатие человека. Вот человек — это мера всех вещей. Если вы идете отсюда и доходите рядом с пиком, то можно сказать, что ваши шаги становятся всё меньше, и меньше, и меньше, и меньше, и поэтому вам трудно, трудно идти. Это другое понимание того, что это такое за пузырь здесь — это просто место, где вы сами уменьшаетесь по сравнению со Вселенной. Это почти эквивалентные вещи.



Откуда мы всё это знаем? Откуда мы знаем, что это всё правда? Ну, во-первых, честно говоря, мы с самого начала ведь знали, что это — правда. Потому что, ну, такая красивая была теория, так всё запросто объясняла, что после этого как бы даже экспериментальные доказательства были не очень нужны, потому что Вселенная же, ну... большая? — Большая. Параллельные прямые не пересекаются? — Не пересекаются... И так далее. Другого объяснения не было.

Поэтому, как бы, вот есть экспериментальные данные. Но люди, всё равно, они хотят не просто так, а хотят, чтобы и еще что-нибудь предсказать бы, чего мы не знали, и чтобы это подтвердилось. И одно из предсказаний — эти вот квантовые флуктуации... Хорошо было бы их увидеть на небе, а мы их не видели. И один за другим стали запускаться разные системы, спутники, первый замечательный спутник — это был «Кобе» (COBE), запущенный в начале 90-х, и люди как раз в прошлом году получили нобелевские премии за это. Они увидели следующее. Они увидели, что микроволновое излучение, которое приходит к нам с разных сторон Вселенной, оно немножечко анизотропное.

Сейчас я объясню, о чём идет речь. В середине 60-х люди увидели, что на Землю идет излучение с температурой примерно 2,7 K. Чего-то такое, радиоволны, очень малоэнергичные, но со всех сторон. Потом они поняли, что это такое. Вселенная, когда она взорвалась, она была горячей. Потом, когда она расширилась, эти фотоны свою энергию потеряли, и когда они к нам дошли, они дошли вот такими дохленькими, с маленькой-маленькой энергией. И со всех сторон была та же самая энергия — 2,7 K. Температура — мера энергии. Потом начали смотреть более пристально и увидели, что вот в этом направлении температура 2,7 плюс еще примерно 10–3, а вот в этом направлении 2,7 минус еще 10–3. И почему же это такое? А вот почему: потому что Земля движется по отношению ко всей Вселенной. И есть вот это самое красное смещение. В ту сторону, куда мы движемся, там небо становится более голубым, фотоны приходят чуть-чуть более энергичные. А откуда движемся, они идут немножечко более красные. Это был простой эффект. И мы сразу поняли, с какой скоростью мы движемся по отношению к реликтовому излучению, всё было просто.

А потом люди захотели узнать, а нет ли еще какой-нибудь структуры? И вот запустили спутники, один из них «Кобе», а вот здесь, на картинке нарисован WMAP, спутник такой. И картинка, которая показывает как бы эволюцию во времени.

Сначала был Большой взрыв, потом было вот это ускорение Вселенной — инфляция, потом возникли квантовые флуктуации, которые замерзли, потом эти квантовые флуктуации, которые замерзли, привели к возникновению структуры небольшой во Вселенной. В это время Вселенная была очень горячей. Она была такой горячей, что сигналы до нас просто не доходили, так же как Солнце для нас здесь непрозрачно: оно очень горячее, поэтому мы вглубь Солнца можем видеть только на несколько сотен километров. Вот...



А потом вдруг Вселенная стала прозрачной для обычного излучения, потому что электроны объединились с протонами в атомы, и дальше, когда Вселенная стала более или менее нейтральной, свет стал проходить до нас. И вот мы видим то излучение, которое прошло от этого момента. И вот эти спутники, они посмотрели и померили температуру от разных точек во Вселенной с точностью до 10–5 K. Вот представьте себе, что в лаборатории было трудно получить, там, температуру один градус Кельвина. Люди померили температуру Вселенной, 2,7 K плюс еще, там, много знаков после этого, и потом они померили неточности в этой температуре с точностью до 10–5. Ну, научная фантастика! Я никогда не верил вообще, что это возможно, но потом стал доверять друзьям-экспериментаторам, потому что мы-то знаем, что мы, теоретики, а вот экспериментаторы, оказывается...

Значит, вот, они померили такие маленькие пятнышки на небе, эти маленькие пятнышки — они здесь раскрашены. Мы знаем, что там, где энергия больше — это синее смещение, там где энергия меньше — это красное смещение, но здесь всё наоборот. Люди, которые эту карту раскрашивали, они понимали, что психология людей работает не так. Всё равно это не видимый свет, это радиоизлучение, поэтому не красный, не белый, никакой. Поэтому они его раскрасили искусственно. И вот то, что красное, это чтобы понять, что там горячо. А там, где синее, — это чтобы понять, что холодно. Поэтому они раскрасили прямо наоборот. Но не важно. Важно то, что вот эти пятнышки на небе, они с точностью до 10–5.



Если поглядеть повнимательнее на кусочек этого неба, то вот какая картинка здесь получается. Вот такие вот пятнышки. Что это такое? А вот что это. Возникли эти квантовые флуктуации скалярного поля, растащились на всё небо, замерзли там, изменили там немножечко геометрию Вселенной и плотность вещества, изменили за счет этого температуру реликтового излучения, которое к нам приходит, и поэтому эта температура, вот эти неоднородности, являются фотографией тех квантовых флуктуаций, которые возникли на последних стадиях инфляции — возникли и замерзли. То есть мы сейчас видим всё небо, и это всё небо является как фотографическая пластинка, на которой изображены квантовые флуктуации, возникшие на конечной стадии инфляции, примерно в 10–30 с. Мы видим фотографию того, что произошло с 10–30-й секунды после Большого взрыва. Ну вот, чудеса, что тут можно сказать!



Мало того, что мы видим эту фотографию — изучили ее спектральные свойства. То есть эти пятнышки на больших угловых размерах имеют одну интенсивность, на маленьких угловых размерах они имеют другую интенсивность. Посчитали спектр этих флуктуаций и выяснили, что спектр — он вот такой: черные пятнышки — это то, что экспериментально видит этот самый спутник WMAP. С тех пор появились и еще другие результаты, которые вот в эту область простираются, я их сейчас здесь и приводить не стал. Но вот красная линия — это теоретические предсказания простейшей модели инфляционной Вселенной, а черные точки — это то, что экспериментально видно.

Здесь есть какие-то аномалии. При больших углах самые большие расстояния маленькие. Здесь l — то, что здесь, вот, на этой оси, — это количество гармоник. То есть чем больше l, тем больше гармоники, тем меньше угол. На маленьких углах прекрасное совпадение с экспериментальными данными. На больших углах что-то не до конца понятное происходит. Но может быть, это просто потому неточности, потому что нам дан-то один только кусок Вселенной: мы статистику изучаем, а статистика у нас — как вы подбросили монетку один раз, какая вам статистика? Вам надо подбросить ее сто раз, чтобы увидеть, что примерно 50 на 50 произошло. Поэтому на больших углах статистика не очень точная. Всё равно немножечко точки выпадают — есть некая проблема, что здесь происходит. Какие-то есть анизотропии во Вселенной, которые мы не можем объяснить в больших масштабах пока что. Но тем не менее, факт-то состоит в том, что все остальные точки, оказывается, прекрасно ложатся. И поэтому совпадение теории с экспериментом очень впечатляющее.



Я решил для себя, что я должен придумать способ объяснить изменение картины мира на простом языке. А картина мира... Сейчас, я пока что до этой самой теории многоликой Вселенной еще не дошел. Это пока что простая картинка... Так вот. Изменение картины мира, оно выглядит так. Что сидим мы на Земле, смотрим вокруг. И вот окружены этой хрустальной сферой. Дальше ничего мы видеть не можем, а есть там звёзды, планеты... И мы знаем, что мы используем нашу космологию как машину времени.

Если мы возьмем и посмотрим, там, на Солнце, мы видим Солнце, каким оно было несколько минут назад. Посмотрим на дальние звёзды. Мы увидим звёзды такими, какими они были много лет назад, сотни лет назад, тысячи лет назад.



Если мы немножечко дальше пойдем, то мы увидим галактики такими, какими они были, там, миллиарды лет назад.



Если мы еще дальше пойдем, то мы увидим вот это место, где Вселенная только что стала горячей, и в это время пошли к нам фотоны, это вот то, что эти спутники видят, вот мы увидели этот космический огонь. А дальше Вселенная непрозрачна. Дальше, ближе к этому Большому взрыву, который произошел вот эти 13 миллиардов лет назад, мы подойти не можем. Но, конечно, если бы использовать, например, нейтрино, которые в это время излучены, — мы знаем, что мы можем получать нейтрино, которые идут из центра Солнца, — можно было бы получить нейтрино, которые были испущены ближе к этому Большому взрыву. Сейчас мы видим только то, что было примерно 400 000 лет после Большого взрыва. Ну, все-таки... по сравнению с 13 миллиардами четыреста тысяч — довольно хорошо... Но если бы нейтрино, мы могли бы подойти гораздо ближе. Если бы гравитационные волны, мы могли бы подойти совсем близко к Большому взрыву, прямо вот буквально до вот таких вот времен от Большого взрыва.



А что говорит инфляция? А инфляция говорит вот что. Что на самом деле вот этот весь огонь космический, он возник после инфляции, и здесь есть экспоненциально много места, когда вся Вселенная была заполнена только скалярным полем, когда частиц никаких не было, а если бы они даже и были, то плотность их экспоненциально падала бы всё время, потому что Вселенная экспоненциально расширялась.

Поэтому что бы там ни было до инфляции, это совершенно не важно. Вселенная здесь была практически пустой, а энергия сидела в этом скалярном поле. А уж после того, как оно — помните эту картину: скалярное поле шло вниз, вниз, вниз, потом постепенно, когда оно доходило донизу, Хаббловская постоянная становилась маленькой — оно начинало осциллировать, в это время за счет своих осцилляций оно порождало нормальную материю. В это время Вселенная становилась горячей. В это время возник этот огонь. А мы раньше думали, что этот огонь от начала мира. Мы просто были как волки, которые боятся через огонь перепрыгнуть, мы знали, что вот это вот начало мира.

Выясняется сейчас, что для того, чтобы объяснить, почему этот огонь был так однородно распределен, нам надо было, чтобы была стадия, которая всё уравнивала. И это — инфляционная стадия.



И дальше можно по небу идти далеко-далеко за это место, потому что Вселенная вот такая вот большая, вот столько там было. И если мы пойдем дальше, мы увидим эти места, где возникают квантовые флуктуации, которые порождают галактики. И мы увидим те места, где эти флуктуации такие большие, что они порождали новые части Вселенной, которые расширялись быстро и которые порождаются и возникают и сейчас. Вселенная за счет этих квантовых флуктуаций порождает сама себя, не только галактики, но большие части самой себя. И она становится бесконечной и самовоспроизводящейся Вселенной.



Но помимо всего этого возникает еще один эффект. Вот я вам рассказывал про Вселенную, в которой было скалярное поле только одного типа. Скалярное поле с таким простым потенциалом... Мы знаем, что если мы хотим описать теорию элементарных частиц полностью, то нам нужно много скалярных полей. Например, в теории электрослабых взаимодействий имеется хиггсовское поле. И хиггсовское поле делает все частицы нашего тела тяжелыми. То есть электроны приобретают массы, протоны приобретают массы, фотоны не приобретают массы. Другие частицы приобретают массы. В зависимости от того, какое скалярное поле, они приобретают разную массу.

Но этим дело не кончается. Есть еще и теория Великого объединения, в которой возникает скалярное поле другого типа. Это другое поле. Если бы его не было, то не было бы принципиальной разницы между лептонами и барионами, тогда бы протоны могли легко распадаться на позитроны, не было бы разницы между материей и антиматерией. Для того чтобы объяснить, что там произошло, как эти вещи отделились, пришлось ввести еще одно скалярное поле... В принципе, этих скалярных полей может быть много. Если посмотреть на простейшую теорию — суперсимметричную — теорию Великого объединения, то окажется, что потенциальная энергия в ней рисуется вот так...

Ну, это тоже примерная картинка, на самом деле. Это некоторое поле, которое на самом деле является матрицей. И вот, при одном значении этого поля нету никакого нарушения симметрии между слабым и сильным электромагнитным взаимодействием, нет разницы между лептонами и барионами. Есть другое значение поля, в котором специальный тип нарушения симметрии, совсем не то, что мы видим. Есть третий минимум, в котором как раз физика нашего мира. В действительности надо еще написать вот наше скалярное поле, и если всё вместе написать, то будет десяток таких минимумов. У них у всех в первом приближении одинаковая энергия, и мы живем только в одном из этих минимумов.

И тогда возникает вопрос: а как же мы в этот минимум попали? А в самой ранней Вселенной, когда температура была горячей, существовал только вот этот минимум. И возникала проблема: как же мы тогда просочились вот в этот минимум-то, потому что в ранней Вселенной, в согласии с той теорией, которую мы здесь развивали вместе с Давидом Абрамовичем Киржницем, которому пришла эта идея ему в голову, насчет того, что в ранней Вселенной симметрия между всеми взаимодействиями восстанавливается. И вот тогда мы должны были бы сидеть здесь. А как же мы тогда попали вот сюда ? И единственный способ, как мы туда могли попасть, это за счет квантовых флуктуаций, которые генерировались во время инфляции.

Но ведь это скалярное поле тоже скакало и тоже замерзало. И оно могло перескочить в этот минимум, перескочить в этот, перескочить обратно. Потом, если оно перескочило в один из этих минимумов, часть Вселенной, в которую мы попали в этот минимум, она начинала быть экспоненциально большой. Эта начинала быть экспоненциально большой, эта... И Вселенная разбилась на экспоненциально большое количество частей экспоненциально большого размера. Со всеми возможными типами физики в каждой из них.

Что это означает? Что, во-первых, может быть много скалярных полей. Во-вторых, может быть много разных минимумов. И после этого, в зависимости от того, куда мы попали, Вселенная могла стать разбитой на большие, экспоненциально большие области, каждая из которых по всем своим свойствам выглядит — локально — как огромная Вселенная. Каждая из них имеет огромные размеры. Если мы в ней живем, мы не будем знать, что другие части Вселенной существуют. А законы физики, эффективно, там будут разные.

То есть, в действительности, закон физики — он один и тот же может быть, у вас имеется одна и та же теория, — но это так же, как вода, которая может быть жидкой, газообразной, твердой. Но рыба может жить только в жидкой воде. Мы можем жить только вот в этом минимуме. Поэтому мы там и живем. Не потому, что этих частей Вселенной нет, а потому, что мы можем жить только здесь. Вот возникает эта картина, которая и называется «многоликая Вселенная», или «Multiverse» вместо «Universe».



Другим языком. Мы знаем, что наши свойства определяются генетическим кодом — кодом, который нам достался в наследство от наших родителей. Мы знаем также, что существуют мутации. Мутации происходят, когда что-нибудь странное происходит. Когда космические лучи, когда какая-нибудь химия не та — ну, вы лучше меня знаете, что нужно для того, чтобы мутации происходили. А мы знаем также, что всё вот огромное количество видов — необходимо было, чтобы эти мутации были.

Так вот, во время расширения Вселенной тоже были мутации. У вас Вселенная, даже если с самого начала она находилась в одном минимуме, то после этого она начинала прыгать из одного минимума в другой и разбивалась на разные типы Вселенной. И вот этот механизм квантовых флуктуаций, которые перебрасывали Вселенную из одного места, из одного состояния в другое — их можно назвать... это можно назвать механизмом космических мутаций.



К сожалению, здесь, конечно, не видно часть того, что я собирался показывать. Ну, словами, значит...) Ландшафт. Возникла такая терминология, потому что эта терминология, эта картинка оказалась очень важной в контексте теории струн. Люди уже давно говорили про теорию струн как лидирующего кандидата на теорию всех взаимодействий. Я в этом месте, к сожалению, «плаваю»... Хотя я и являюсь одним из соавторов вот этой картинки, которая здесь есть. То есть в течение многих лет люди не знали, как с помощью теории струн описать наше четырехмерное пространство.

Дело в том, что теорию струн легче всего сформулировать в десятимерном пространстве. Но в десятимерном пространстве шесть измерений являются лишними, надо как-нибудь от них отделаться. Идея состоит в том, что их надо как-нибудь сжать в маленький клубочек, чтобы их никто не видел, чтобы в шесть направлений никак никто не мог пойти, а мы видели бы только четыре большие измерения — три пространства и одно время. И вот мы гуляли бы в этих трех пространственных измерениях и думали бы, что наша Вселенная трехмерная плюс одно время, а в действительности где-то в сердце Вселенной хранилась бы информация о том, что она происхождение имеет пролетарское — десятимерное. И хотелось бы ей стать десятимерной тоже. Вот в теории струн так всё время получалось, что она хочет быть десятимерной, и до последнего времени не знали, как сделать ее четырехмерной, оставить ее нормальной. Во всех вариантах получалось, что это состояние неустойчивое.

В 2003 году у нас в Стэнфорде Качру, Рената Каллош, которая также из ФИАНа, я и еще один человек из Индии — мы предложили некий вариант этой теории, в котором можно понять, почему шестимерное пространство не расширяется, застревает, становится стабильным. В действительности, оно не является... Кстати, я в этой работе был консультантом по космологии. Поэтому мое знание теории струн от этого немножечко увеличилось, но не настолько, чтобы я мог комментировать это полностью грамотно, но полуграмотно я уже научился говорить...

Значит, что произошло? Произошло следующее. Есть эти шесть измерений, причем эти шесть измерений, когда они сжимались до маленького размера, они сжимались очень хитро. У этого шестимерного пространства довольно хитрая топология. Кроме того, что там топология, там есть разные браны, там есть разные потоки, которые проходят вокруг всего этого дела... Для нас важно из этого вот что: что Вселенная внутри могла сжаться огромным количеством разных способов. То есть вдобавок к этим скалярным полям, про которые я говорил, имеется еще огромное количество способов сделать наш мир, то есть сжать этот шестимерный мир большим количеством способов.



И получается вот что: вот эта картинка, которая иллюстрирует... (Ох, как жалко! Может быть, можно сейчас задний свет выключить на некоторое время? Может быть, его можно вообще выключить? Потому что картинки красивые...) Значит, это картинка, которая иллюстрирует то, как устроено пространство Калаби—Яу, это один из вариантов того, что там происходит, в шестимерном пространстве. (Да, всё равно плохо видно...) Я покажу еще пару вариантов, может быть тогда вместе станет понятнее, о чём речь идет. Люди пытаются сделать, ну как-нибудь изобразить шестимерное пространство и перевести это на двумерную поверхность. Сделать это очень трудно, они берут разные сечения этой поверхности, проекции и так далее. Что бы они ни делали, как бы они ни делали, получается вот что: что есть поверхности, а есть огромное количество дырок в них.



Вот еще одна картинка, которая иллюстрирует — разные люди пытаются это сделать — иллюстрирует это дырявое пространство.



Вот еще один вариант — здесь даже есть кино, которое, если нам повезет, закрутится, — который показывает пространство такого типа с дырками, а также показывает, что на самом деле у него могут быть свойства разные, оно иногда вот такое сингулярное, а иногда у него есть также скалярные поля, которые описывают размеры перемычек, которые там возникают. И вот вокруг этих самых штук могут существовать еще потоки полей, которые там есть, всё это внутри шестимерного пространства. И вариантов сделать это очень много.



В свое время — это было в 1984 году — Андрей Дмитриевич Сахаров, находясь в то время в Горьком, написал статью, которая содержала много вещей, часть из которых неизвестно зачем была написана, но одно место было написано замечательно. Он сказал, что если у нас Вселенная имеет много измерений, то эти измерения могут быть свернуты в тот тип, который мы сейчас видим, огромным количеством способов. И это огромное количество способов может объяснить, почему плотность энергии вакуума сейчас та, которая она сейчас есть. Почему? Потому что этих вакуумов так много, что один из них — по случайности — имеет энергию вакуума, которая сейчас имеется, а если бы мы жили чуть-чуть повыше или чуть-чуть пониже, то жизнь была бы невозможна.

И вот эта идея, она сейчас находится в основе современного объяснения того, почему космологическая постоянная сейчас такая маленькая. Но в то время мы не знали, как сделать это и стабилизировать все эти вакуумные состояния. А сейчас мы научились это делать — и выяснили, что способов сделать это очень много.

А это те картинки, которыми мы иллюстрировали эти возможности. Когда я впервые приехал в Стэнфорд, я попытался получить какой-нибудь компьютер, на котором бы всё это дело проиллюстрировать, и... Ой, это была драматическая история! Потому что мы туда приехали, я на компьютере вообще работаю плохо, но один из моих сыновей хорошо умеет это делать. И я сказал ему: «Ну, Дима, может быть, ты можешь мне помочь? Потому что, если мы научимся показывать Вселенную так красиво, может, они нам дадут хороший компьютер, тогда мы будем на нём хорошо работать». Он сказал: «Папа, давай попробуем». И мы начали пробовать где-то в подвале Стэнфордского университета, делали какие-то эксперименты с этим делом, научились что-то делать... А потом я стал звонить местным компаниям и говорить: «Вот, если вы нам дадите свой компьютер, самый мощный, то мы, может быть, сможем показать вам Вселенную в масштабах, которые вы никогда в жизни не увидите в телескоп». Они говорят: «О, как интересно!», и никогда мне больше не позвонили. Потом я позвонил еще в одну компанию, еще в одну компанию... Ничего не получалось.

А потом мне позвонили из BBC и сказали: «Мы хотим у вас взять интервью, там, насчет темной материи». А темная материя... Ну что мне темная материя? Меня тогда Вселенная интересовала, а не темная материя. Я говорю: «Ну, хорошо, ладно, я вам дам интервью. Я вам, может быть, еще кое-что покажу, когда вы приедете — через месяц». И я стал звонить местным компаниям и говорить, что, знаете что, вот если вы мне дадите самый ваш мощный компьютер, то ко мне через месяц BBC приезжает, и я им тогда покажу Вселенную на экране вашего компьютера — на BBC. Сказали: «Да, всё очень интересно», — но никто мне больше не перезвонил.

Последняя компания, которая мне позвонила с отказом, была «Silicon Graphics». И они мне сказали, что вот, к сожалению, мы окончательно поняли, что мы не можем вам предоставить тот компьютер, который вы хотели, но я к тому времени уже изнахалился, мне было всё равно, и я им сказал: «Знаете что? Вы проиграли вашу игру, потому что эти люди приезжают ко мне уже через неделю, и даже если бы вы мне дали самый ваш мощный компьютер, который у вас только имеется, я бы всё равно не успел сделать всё, что я хотел, поэтому до свидания». Они сказали: «Знаете что, давайте мы вам завтра позвоним». На следующий день они мне позвонили и сказали: «Вы знаете, мы окончательно выяснили, что такого компьютера, который вы хотели, у нас нет, но вот не рассмотрите ли вы возможность поработать на компьютере, который в четыре раз мощнее?» Я сказал: «Ну, я рассмотрю эту возможность, а как мне за ним заехать? Вот я к вам на своей «Хонде» приеду...» Они говорят: «Нет, в вашу «Хонду» он не войдет».

Ну, тогда я взял университетский такой «трак», залез на него — я никогда его не водил, — ну, он, значит, делал «бип-бип», когда я на нём ехал назад... Я поехал в неизвестное мне место на этом большом самосвале, приехал в «Silicon Graphics», они меня подвели, там стоял такой здоровый сундук на полу, и объяснили мне, как его включить и как его выключить. А я сказал: «Вы знаете что, мне этого, вообще, недостаточно, не могли бы вы показать это моему сыну? Потому что он на нём будет работать, а он еще сейчас пока что не пришел из школы...» Они на меня поглядели и сказали: «Молодой человек, вы знаете, что этот компьютер стоит 120 тысяч долларов? Может быть, мы с вами это отложим?» Я сказал: «Ну ладно, я его возьму».

Вот. Значит, я его взял — как они мне его дали, не знаю, — я его грязными веревками примотал к бортам... Привезли мы его домой, сын пришел, включил компьютер, начал работать. Через неделю... я не понимаю, как это бывает! — через неделю у нас были все вот эти картинки: Вселенная сверкающая, вращающаяся... с помощью «Silicon Graphics» можно было посмотреть на нее, повернуть ее, как хочешь... Мы летали между этими пиками — это было наслаждение!

Приехали эти люди из BBC, они взяли у меня интервью, рядом со Стэнфордским университетом, меня они там фотографировали, я им рассказывал про темную материю. А потом я сказал: «Вы хотите поглядеть на нашу Вселенную в масштабе гораздо большем, тра-та-та... Мне сказали: «Вы знаете, нам, это неинтересно...» Я сказал: «А чаю хотите?» Они говорят: «Чаю хотим». Ну, я их пригласил домой, я угостил их чаем... и включил компьютер. «А это что такое?» И они начали снимать у меня эти фотографии прямо с компьютера, и после этого они у меня продолжали это снимать до тех пор, пока они уже опаздывали в аэропорт... Вот таким образом всё это произошло...

Через неделю — на восьмой день — я должен был вернуть этот компьютер в «Silicon Graphics». И когда я его вернул, компьютер у них... крашнулся, и все эти, значит, изображения Вселенной исчезли. Вселенная была создана в семь дней, а на восьмой день она исчезла... Но они успели записать это всё на магнитную пленку. Я это показал в Стэнфорде, они поняли, что мы к делу относимся серьезно. Они нам купили «Silicon Graphics», который был в четыре раза менее мощным, чем этот, и на нём мы, вот, произвели все эти картинки.



Сейчас давайте я дальше немножко пойду. И вот эти все картинки, которые я показываю, всё эти кино, они были сделаны уже почти семнадцать лет назад, всё продолжают быть такими же красивыми... Значит, начали мы с красного состояния. Это означает: мы сидели в одном из этих минимумов, и по традиции мой начальный минимум я рисую красным цветом. Мой сын занимался компьютерными вещами, а я был как художник... Значит, начали с красного состояния, после этого всё стало флуктуировать.

Вот то, что рисуется наверх, это плотность энергии Вселенной. То, что здесь цвета, показывает вам, что мы можем быть в красном минимуме, в зеленом минимуме, в синем минимуме — и во время, когда Вселенная раздувается, происходит перескакивание из одного состояния в другое. А вот здесь плотность энергии большая, и всё из нее стабилизировано. Скалярные поля легко перескакивают из одного состояния в другое. Всё еще законы физики меняются постоянно. А там, где мы уже рядом с минимумом, там они более-менее стационарны.



И если это дело продолжить, то получаются картинки такого типа. Вот уже здесь всё стационарно, в красном минимуме. Вот здесь всё стационарно, в синем минимуме. Вот здесь близко к стационарности — в зеленом. Здесь плотность энергии огромная, и поэтому там всё время еще всё продолжает перескакивать. Каждый из этих пиков на самом деле является экспоненциально большой Вселенной, и в каждой из них свои законы физики, и всё еще продолжают меняться.

Если мы живем в красном минимуме и хотим попасть в синий, то по дороге мы наткнемся на барьер. Это будет доменная стенка, энергетически очень большой величины. Мы, когда к ней подлетим... подлететь будет очень трудно, потому что расстояние — 10 в миллионной степени, поэтому надо быть долгожителем, чтобы долететь туда... Потом, когда мы приедем сюда, для того чтобы пересечь границу, нам надо иметь очень много энергии, потому что не пускает нас доменная стенка. Но если мы, тем не менее, разгонимся хорошо и перескочим, то тут же и умрем, потому что частицы нашего типа, они распадаются, они не могут существовать или меняют свои свойства во Вселенной другого типа. Поэтому, вот есть разные вселенные, но воспользоваться этим может оказаться небезопасно.



Если мы пойдем немножечко дальше, то вот это иллюстрация того, как мы в то время рисовали себе, как устроена Вселенная. Вот это — начало. Например, Большой взрыв — то, что мы всегда представляли себе, как Большой взрыв, как начало всего мира — что Вселенная начала расширяться, и она становилась экспоненциально большой и локально однородной, то есть локально получалось то, чего мы хотели. Мы объясняли, почему на расстоянии, на которое мы сейчас видим, всё одинаковое, всё всюду то же самое, что и здесь. Но с другой стороны, та же самая теория — и в этом ирония ее: мы объяснили, почему всё так хорошо рядом, — но та же самая теория, которая объясняла, почему всё так хорошо рядом, она предсказала, что на сверхбольших расстояниях Вселенная имеет совершенно другие свойства.

Здесь разные цвета показывают разные типы физики в разных частях Вселенной. Это возникновение пузырей происходит постоянно, оно будет происходить вечно, у Вселенной никогда не будет конца. В разных ее частях возникают разные куски Вселенной, разного типа. Мы находимся где-то здесь или, может быть, здесь. Мы смотрим на этот кусок, мы смотрим на этот кусок и говорим: это был Большой взрыв. Но на самом деле это был... ну, в общем, достаточно большой взрыв, порядочный взрыв, но — не Большой взрыв. А был ли Большой взрыв, мы в действительности не знаем. Наверное, да. Может быть, да.

Почему? Потому что, если брать отсюда вот и пытаться пойти назад, то всегда возникнет место, где каждая из таких траекторий утыкается в сингулярность. Поэтому надо всё равно думать о том, как вся наша Вселенная родилась, мы от этого вопроса не отвертелись. Но мы этот вопрос отодвинули в довольно неопределенное прошлое, потому что в действительности мы можем жить здесь, а мы, может быть, живем где-нибудь еще там. И если мы возьмем типичную красную Вселенную, то она, вообще говоря, бесконечно далеко от этого самого Большого взрыва. Или, там, очень далеко. И поэтому сам-то Большой взрыв, он, может быть, где-нибудь и был, но только вот то, что мы видим сейчас — наверное, мы видим только его вот этих... представителей. И вот это вот то, что является мутацией Вселенной во время ее эволюции.

Это то, как мы рисовали эту картинку в простейших теориях — тех, которые были популярны раньше.



В теориях типа теории струн эта картинка приобретает немножко другие очертания. Вот такие плавные переходы и изгибы, вот эта Вселенная Кандинского — они были характеристикой теории, в которых поле медленно катилось, здесь такие пологие горки... В теории струн часто возникает ландшафт такой, что там довольно крутые минимумы, которые отделены друг от друга иногда барьерами, плохо проходимыми. И когда вы туннелируете и переходите из одного состояния в другое, этот переход происходит за счет рождения пузырей другой фазы. И эти пузыри — они расширяются, каждая стенка движется со скоростью, равной скорости света. Между этими пузырями — старое возбужденное вакуумное состояние огромной энергии.

Поэтому картинка такая. Возникают два пузыря, например. Каждый из них расширяется очень быстро, но Вселенная между ними продолжает раздуваться — и поэтому расстояние между пузырями остается очень большим, они не сталкиваются. Возникают еще — и расширяются. Изредка некоторые из них сталкиваются, но в среднем — не сталкиваются. Иногда скалярное поле внутри этих пузырей подскакивает назад. То есть, вот, мы были раньше в красном, и вдруг из новых пузырей оно обратно подскочило в красное. Эта часть Вселенной начала снова экспоненциально расширяться, возникают области экспоненциально большие — красные пузыри.

В части из этих пузырей нету никакой структуры — не образовалось. В части из этих пузырей была та стадия медленного скатывания инфляции, во время которой возникали и замерзали эти квантовые флуктуации, там возникала структура, там возникали галактики, там мы могли жить. Вот поэтому мы можем жить здесь, можем жить здесь. Может быть, мы можем жить здесь... Здесь разные свойства, надо сравнить. В части Вселенной мы можем жить, в части нет. И таких типов Вселенной, таких красок, согласно теории струн, где-то 10 в тысячной степени (101000). В действительности мы не знаем в точности — 10 в тысячной или 10 в сотой (10100), люди еще продолжают считать. Иногда они говорят: ну, вообще-то, может быть, даже и бесконечное количество разных возможностей... Поэтому мы не знаем в точности, мы знаем только, что довольно много разных возможных состояний.



Это картинка, которая показывает повернутую картинку — то, что я раньше говорил, — это можно найти на странице WMAP Satellite. Вот это стадия инфляции, это те штучки, которые они фотографируют — квантовые флуктуации, а вот это тот самый венец творения — WMAP.



И сейчас это иллюстрировалось художником, которому говорили следующее: что вот одна такая вселенная, другая такая вселенная, еще такие — много WMAP надо было бы запускать в разных частях Вселенной. И интересное свойство этой картины состоит в том, что во время, когда всё это происходит —эти процессы происходят неограниченно долго, — возникает этот круг событий неограниченно много раз, ну, считайте, бесконечное количество раз. Рассмотрим нашу часть Вселенной. Она конечна — то, что мы сейчас видим, — она конечна. В ней 1087 элементарных частиц, может быть 1088. Эти частицы можно переставить ограниченным количеством способов. Что бы мы ни комбинировали в нашей части Вселенной, существует ограниченное количество комбинаций.

На это внимание обратил Саша Виленкин, который сейчас живет... в Бостоне. И вот недавно вышла его книжка, хорошая книжка, которая тоже посвящена многоликой Вселенной, и утверждение состоит в следующем. У вас имеется бесконечное количество кусков Вселенной, а способов организовать материю в них, хотя у вас и имеется 10, там, в тысячной степени чего-то, но всё равно конечное количество, частиц там конечное количество, их организовать можно конечным количеством способов. Это означает, что обязательно где-нибудь во Вселенной сидит вот такой же в точности зал, заполненный такими же в точности людьми, я в это время делаю такой же в точности доклад... я его кончаю вовремя...



И это последняя картинка, о которой я хочу сказать. Значит, что происходит в этих многих копиях одной и той же Вселенной? Вселенная рядом с нами собирается распасться. Почему мы это знаем? Ну, на самом деле мы не точно это знаем, потому что это всё основано сейчас на наших лучших вариантах той теории, которая у нас есть. Если бы мы просто знали то, что нам сказали экспериментаторы в 1998 году, — то, что Вселенная экспоненциально расширяется, — если просто учесть то, что мы узнали в 1998 году — мы узнали, что Вселенная сейчас вот вышла на новую стадию раздувания Вселенной, только малоэнергичную — это просто то, с чего я сейчас начал.

Ускоренное расширение Вселенной, вот оно было раньше, на начальной стадии Вселенной, вот оно начинается сейчас — новая стадия раздувания Вселенной. К чему это приведет? Нашу Галактику это не тронет. Стадия раздувания Вселенной, которая сейчас идет, она очень медленная, материя внутри нашей Галактики гравитационно так сильно друг к другу притянута, что где-то там галактики будут от нас улетать, но мы-то в нашей Галактике уцелеем. На нее, скорее всего, в это время еще упадет галактика Андромеды, а все остальные галактики, однако, от нас улетят. И мы их больше не увидим.

Интересное свойство теории такого типа, теории ускоряющейся Вселенной — она напоминает свойства черной дыры. Вот в каком смысле. Значит, вот, как устроена черная дыра? Если вы летаете где-то рядом с черной дырой, вы видите, что она далеко от вас, и ее свойства асимптотически не меняются. Ну, я не буду говорить о том, что материя на нее падает, там что-то рядом с ней происходит, они светятся, но не сами по себе, а только за счет того, что материя туда падает. А так вот идеальная черная дыра стоит и не меняется.

После этого вы решили узнать, что происходит с черной дырой. Но вы сами немножечко боязливы, кроме того, вы теоретик, а ваш друг-экспериментатор хочет узнать, что происходит. Вы тогда говорите: «Ну так ты туда слетай, потом расскажешь». Он туда летит, и когда он падает в черную дыру, он падает туда реально, но вы никогда не увидите, что он туда падает. Он будет как бы потихонечку прилипать к сфере Шварцшильда, то есть он будет туда подходить всё ближе, ближе и ближе, сначала он вам будет передавать сигнал и вы будете слышать, как он с вами говорит нормальным голосом, потом его голос будет становиться всё более сиплым за счет доплеровского эффекта, он сам станет всё более красным, потом инфракрасным, потом радиодиапазон... В результате он будет прилипать, и он будет становиться всё более плоским. Он распластается по черной дыре и как бы истончится и иссякнет, и больше вы из него ничего не получите. Это способ сохранить спящую царевну в неприкосновенности, потому что для нее время остановится. Единственное, если вы хотите к этой царевне пойти и ее поцеловать, то вы туда полетите и вместе с ней туда упадете... Ну, это, наверное, плохой вариант...

Значит, зачем я про это говорю? Мы сейчас находимся в экспоненциально расширяющейся Вселенной. И все ее части, далекие от нас, все галактики от нас улетают. Так же, как этот друг, который улетает в черную дыру, так же все эти части улетают к некоторой другой поверхности, которая называется горизонтом для мира де Ситтера, для этого ускоряющегося мира сейчас. И все эти галактики будут прилипать к горизонту, который от нас находится на расстоянии примерно эти самые 13,7 — ну, немножечко больше, чем это, — миллиардов световых лет. И все эти галактики прилипнут к горизонту и истают для нас, станут плоскими, сигнал от них перестанет приходить, и останется одна наша Галактика. Энергетические ресурсы в нашей Галактике потихонечку иссякнут, и такова печальная наша судьба...

И это то, что люди думали, когда они занимались простой такой теорией, которая говорит: вот, мы вели наблюдения, всё от нас улетит. Сейчас, когда мы поняли... немножечко разобрались с тем, как стабилизировать эти шесть внутренних измерений в теории струн, мы также узнали, что эта картинка сама по себе невозможна. Мы не сумели сделать теорию струн вариантом этой теории, в которой удавалось бы получить это состояние, в котором это ускоренное состояние Вселенной продолжалось бы вечно. Единственное, что удавалось сделать, — это построить метастабильное вакуумное состояние, в котором временно Вселенная будет экспоненциально расширяться. Это метастабильное состояние в конце концов распадется. Простейшие оценки в простейших теориях показали, что время распада может быть так велико как 10 в степени 10 в степени 120. Лет или секунд — это уже не важно. Много времени. Так что не сразу мы распадемся.

Но, когда распадемся — как мы распадемся? — возникнет пузырек новой фазы. В этом пузырьке есть два варианта. Первый вариант — что внутри него будет десятимерное пространство Минковского. Мы не можем жить в десятимерном пространстве. Про это сказал Эренфест в 1917 году, когда произошло много разных событий. Например, мир де Ситтера, решение мира де Ситтера было получено в 1917 году. В 1917 году Эренфест объяснил, почему Вселенная трехмерная. Потому что в четырехмерном мире (пространстве), пятимерном не может существовать планетных систем. По теории относительности, в двумерном, одномерном пространстве тоже не может существовать планетных систем, там просто нету никакого гравитационного притяжения на большом расстоянии между телами. Только в трехмерном пространстве могут быть планеты, атомные системы, поэтому как только мир станет десятимерным, so sorry, значит в этом мире жить мы не можем... Значит, возникнет такой пузырек, начнет расширяться, стенки его будут двигаться на нас со скоростью равной скорости света; в момент, когда мы увидим эту стенку, в этот момент мы перестанем что-то видеть. Так что никому об этом больше не расскажем. Один вариант. Но все-таки это будет нормальное стабильное пустое состояние, мир Минковского, десятимерный. Если бы там остался кто-нибудь, то он мог бы гулять в девяти разных направлениях.

Второй вариант состоит в том, что распад может произойти в так называемый мир анти-де Ситтера — это мир, в котором плотность энергии вакуума отрицательна. Возникает пузырек, внутри которого плотность энергии вакуума отрицательна. Мир, который возник таким образом... Математики, которые описывают мир анти-де Ситтера, они обычно говорят про бесконечно существующий мир анти-де Ситтера. Но мир с отрицательной космологической постоянной, возникший внутри пузыря, он представляет из себя вселенную, которая будет коллапсировать довольно быстро, — просто всё уйдет в сингулярность.

Поэтому у нас есть два невеселых варианта. Первый вариант — это то, что мы все перейдем в десятимерное пространство и умрем там, таким образом. Второй вариант — это то, что мы перейдем в этот мир анти-де Ситтера, в некотором смысле, и сколлапсируем довольно быстро. Веселых вариантов у нас никогда не было. В открытой Вселенной Вселенная становилась бесконечно пустой, и мы там замерзали, умирали. В закрытой Вселенной мы все умирали в пламени. Нам не привыкать... Мы, наверное, исчезнем — каждый из нас исчезнет персонально — гораздо раньше, но все-таки хорошо бы подумать о будущем Вселенной в целом. И вот это единственный кусок, ну... хороший. Благодаря тому, что Вселенная является самовосстанавливающейся, благодаря тому, что она производит всё новые и новые части Вселенной во всех ее возможных комбинациях, Вселенная в целом и жизнь в целом никогда не исчезнет — согласно тому, что мы думаем сейчас.

Поскольку этой теории не существовало 25 лет назад, то надо понимать, что ко всему тому, о чём я говорил, надо относиться с некоторым чувством юмора. Но не ко всему, потому что за часть из этого люди уже получили Нобелевские премии, и они не захотели бы, чтобы вы относились с чувством юмора к этим вещам... Поэтому есть часть вещей, которые мы знаем наверняка. Наверное, что-то типа инфляции происходило. Наверное. Очень маловероятно, что мы можем объяснить все вещи, которые мы видим, без этого дела.

Что касается всей этой многоликой Вселенной... Есть ли у нас вообще какие-нибудь экспериментальные свидетельства того, что это происходит? Учтем, что мы никогда в жизни не увидим те части Вселенной, где физика другая. А если мы увидим, то мы тут же умрем. Ну, я объяснил: потому что стенка нас накроет, мы перейдем в другой мир, после этого нас никто не спросит... Поэтому прогнозы экспериментального обнаружения частей Вселенной с другими свойствами — они не очень большие. Есть ли у нас какие-нибудь экспериментальные свидетельства тому, что эти части существуют?

Но ведь для того, чтобы ответить на этот вопрос, — а сейчас, как вы уже видите, начался сезон вопросов и ответов — я задаю вопросы и я отвечаю... — так вот, был вопрос, который в свое время сформулировал Яков Борисович Зельдович. Вообще приятно подумать... Он был гигант науки, без которого всей картины не было бы. И вот он сказал следующее: есть ли какие-нибудь свидетельства — экспериментальные свидетельства — нестабильности протона? Нестабильность протона — это часть теории великого объединения. Что действительно не полностью есть разница между лептонами и барионами, она возникла за счет того, что возникло некое тяжелое скалярное поле, но в принципе протон мог распадаться. И люди сделали, там, пещеру, налили туда воду — воду, потому что она протоны создает, — поставили детекторы и стали смотреть, не распадается ли протон. Никто никакого распада не увидел, тем не менее, люди верили, что эта теория правильная. И вот Зельдович, как я сказал, спрашивал: есть ли какие-нибудь экспериментальные свидетельства распада протона? И тут же любил отвечать... Ну, я переформулирую его ответ немножко в более характерной форме, чем он сам обычно это говорил: «Да, есть экспериментальные свидетельства распада протона — это то, что параллельные линии не пересекаются». Вот примерно такая же реакция... «Что за ерунда? Тут протон, а тут параллельные линии...»

А вот. Зачем нам понадобилась инфляционная Вселенная? Нам надо было объяснить, почему параллельные линии не пересекаются. Единственный способ это объяснить — это сделать эту стадию инфляции, за счет которой наша Вселенная становилась такой огромной. Но эта же стадия инфляции приводила к нулю исходный избыток протонов над антипротонами. До работы Сахарова 1967 года все нормальные люди верили, что Вселенная с самого начала имела больше протонов, чем антипротонов. После работы Сахарова 1967 года все нормальные люди, за исключением Сахарова, продолжали в это же верить. Это изменилось примерно в семьдесят шестом, седьмом, восьмом, девятом году, после того как возникла теория великого объединения и люди стали относиться к таким возможностям более серьезно, выяснили, что да, действительно, это можно сделать, можно образовать избыток материи над антиматерией, начиная со Вселенной, где всё будет симметрично, где не было избытка протонов над антипротонами. Так вот, для того чтобы это сделать, надо было бы, чтобы барионное число не сохранялось. А если барионное число не сохраняется, то ничто не мешает протону распадаться.

Так вот, цепочка рассуждения такая: если вы хотите объяснить, почему параллельные линии не пересекаются, вы должны иметь инфляцию. Если вы имеете инфляцию, то прежнее объяснение того, почему у вас есть материя и нет антиматерии, — объяснение такое: а она с самого начала была, материя, — это объяснение не работает. Потому что даже если сначала была материя, после инфляции ее уже больше не было, и ее надо было создать. Единственный способ создать ее опирается на возможность, что барионы не сохраняются, барионное число не сохраняется. Таким образом, свидетельство несохранения барионного числа — это тот факт, что параллельные линии не пересекаются, потому что единственное объяснение этому делу — инфляция... Понятно, да? Так, общая логика...

Это парадоксальный способ задавать вопросы и отвечать на них. Многие вопросы, которые инфляция пыталась решать, — их никто и не считал серьезными долгое время. Сейчас, когда мы говорим про эту «мульти-Вселенную», откуда мы знаем, что эта картина имеет смысл, помимо того, что она естественно возникает в теориях такого типа? В теории струн, в теории инфляции... Есть ли экспериментальное свидетельство? А посмотрите: масса электрона в 2000 раз меньше, чем масса протона. Почему? Масса протона в 100 раз меньше, чем масса дабл-ю-бозона (w-бозона) — примерно. Почему это так? Масса протона и масса нейтрона примерно одинаковы, не дай Бог нарушить этот баланс. Если мы изменим массу электрона в 2 раза, жизнь нашего типа станет невозможной. Если мы изменим заряд электрона в 2 раза, жизнь нашего типа станет невозможной. Если мы изменим энергию вакуума в 100 раз, жизнь нашего типа станет невозможной. Если мы изменим, рассогласуем соотношение между массой протона и массой нейтрона в несколько раз, чуть-чуть, жизнь нашего типа станет невозможной.

Выглядит так, что наша Вселенная специально сделана для нас — и это называлось антропным принципом. И ни один уважающий себя физик никогда в течение долгого времени не рассматривал такие вопросы всерьез. До некоторого времени, то есть всю историю Советского Союза; я знаю одного человека, который в Советском Союзе занимался антропным принципом, — Иосиф Леонидович Розенталь. И ходил я на его доклады так, из вежливости, и слушал, что он такое говорит, и понимал, что это нелепо. А потом, когда инфляция возникла, выяснилось, что можно сделать эту вещь. А почему это нелепо? Потому что никто нам не дал много вселенных, Вселенная нам дана вот одна, и всё. Вот ты в ней живешь, значит, не задавай много вопросов.

Выяснилось, что инфляционная космология дает возможность создать много разных типов Вселенной. И тогда в одной из них электроны, может быть, тяжелее, и электромагнитная константа связи, может быть, тяжелее — это вот то, с чем я и пришел на этот самый ученый совет, когда меня утверждали на старшего научного, и утвердили. Так вот, оказывается, возможно обсуждать вопрос о том, в какой Вселенной мы живем: мы живем в той Вселенной, где мы можем жить, а их 10 в тысячной (101000) типов, и в одном из них существовали электроны такие как нужно, протоны такие как нужно... То есть для того, чтобы мы могли задавать эти вопросы, для того чтобы нам не говорить, что кто-то специально сделал Вселенную, которая создана для нашего удобства, для того чтобы избежать давать такой ответ на этот вопрос, мы тогда должны сказать, что у нас было много возможностей выбора. И вот эта Вселенная, этот вариант теории, в котором есть много возможностей, он позволяет ответить на вопросы такого типа. То есть это экспериментальное свидетельство — космологическая постоянная, энергия вакуума ничтожно мала. Единственный способ, который мы сейчас знаем, объяснить это — предположить, что эта теория многоликой Вселенной справедлива. Я лучше на этом закончу, и дальше вопросы будете задавать вы.

Последний раз редактировалось skroznik; 30.08.2016 в 20:17.
skroznik вне форума   Ответить с цитированием
Старый 16.07.2010, 22:43   #7
skroznik
Кот, гуляющий сам по себе
 
Аватар для skroznik
 
Регистрация: 18.02.2010
Адрес: Родом из детства
Сообщений: 9,747
Сказал(а) Фууу!: 1
Сказали Фууу! 4 раз(а) в 4 сообщениях
Сказал(а) спасибо: 349
Поблагодарили 960 раз(а) в 816 сообщениях
skroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордится
Отправить сообщение для skroznik с помощью Skype™
По умолчанию Re: Рассказы о Вселенной

Разная скорость разлета облаков сверхновых типа Ia объясняется асимметричностью взрыва




Взрыв сверхновой со смещенным центром. В модели видно, что очаг взрыва белого карлика изначально несколько смещен от центра. Это смещение приводит к тому, что с одной стороны звезды пламя и пепел от термоядерного горения улетают быстрее. Длина масштабной линейки 1000 км. Рис. из обсуждаемой статьи Daniel Kasen в Nature

Астрономы используют сверхновые типа Ia, благодаря их одинаковой оптической светимости, для определения расстояний до далеких галактик. Однако в последние годы выяснилось, что некоторые сверхновые выбрасывают свое вещество со скоростями, в полтора раза превышающими средние показатели. Японец Кеичи Маэда с соавторами предложил объяснение этому феномену, не требующее пересмотра устоявшейся теории.

Сверхновые типа Ia (supernovae Ia, SN Ia) часто называют стандартными свечами Вселенной. И вполне по заслугам. Каждая такая звезда на пике своей оптической светимости излучает примерно 1033 киловатт (полное излучение Солнца в миллиарды раз слабее!). Поэтому измерение яркости этих сверхновых позволяет вполне надежно оценивать их расстояние до Солнечной системы. Современная астрофотометрическая аппаратура обеспечивает регистрацию взрывов сверхновых этого типа на дистанциях, превышающих половину поперечника видимой Вселенной. Астрономы используют эту информацию для определения расстояний до очень далеких галактик, что позволяет получить сведения о динамике эволюции космического пространства. Именно анализ спектров излучения таких сверхновых 12 лет назад дал возможность обнаружить ускорение расширения Вселенной, которое чаще всего объясняют наличием темной энергии.

Правда, абсолютная пиковая яркость SN Ia постоянна лишь в первом приближении. На самом деле она варьирует, отклоняясь от среднего значения на 20–30%. Однако эти колебания можно принять в расчет посредством анализа световых кривых этих сверхновых (иначе говоря, изменений их блеска с течением времени), которые очень похожи друг на друга. В течение двух-трех недель после вспышки блеск звезды возрастает в несколько раз, проходит через кратковременный максимум и пару недель снижается в таком же темпе. Затем видимая яркость падает по плавной экспоненте, так что в конце концов звезда полностью исчезает из виду. Темпы снижения блеска хорошо коррелируют с пиковой светимостью — более яркие сверхновые затухают несколько медленней. Учет этого обстоятельства позволяет оценивать космологические расстояния с погрешностью не более 10%.

Еще лет десять назад такая точность считалась вполне достаточной, но сейчас космологи говорят о желательности ее повышения. Это и понятно: более прецизионные промеры космических расстояний порядка миллиардов световых лет позволят лучше оценить динамику изменения параметра Хаббла, определяющего темпы расширения Вселенной.

Здесь, однако, имеется трудность, ставшая очевидной в последние годы. Сверхновые типа Ia после взрыва превращаются в радиоактивные облака, которые разлетаются со скоростями порядка 10 тысяч км/с (значения этих скоростей определяются на базе измерения доплеровских сдвигов спектральных линий). Однако некоторые сверхновые выбрасывают свое вещество с куда большими скоростями, в полтора раза превышающими средние показатели. Их яркость тоже больше нормы, хотя разница и не особенно велика. Поэтому астрофизики заподозрили, что световые кривые сверхновых с особо быстрыми выбросами могут обладать систематическими аномалиями, которые ставят под сомнение возможность их использования для точной калибровки космологических расстояний.

Только что интернациональная группа астрофизиков выступила с результатами многолетнего исследования, которые представляют эту проблему в неожиданном свете. Трое сотрудников Института физики и математики Токийского университета вместе с коллегами из Чили, Италии, Дании, Швеции, ФРГ и США проанализировали как свежие, так и архивные данные о световых кривых десятков сверхновых типа Ia, описывающие поведение этих кривых на длительных промежутках времени, доходящих до нескольких лет (видимая яркость сверхновых при этом падала в сто с лишним раз по сравнению с максимумом). На этой стадии вещество сверхновых успевало разлететься на огромные расстояния и потому делалось сильно разреженным и вполне прозрачным. В результате ученые смогли восстановить геометрию первоначальных фронтов ударных волн, образовавшихся сразу после взрыва.

Кеичи Маэда (Keiichi Maeda) и его соавторы пришли к заключению, что различия в скоростях выбросов сверхновых объясняются просто вариациями угла зрения, под которым наблюдаются продукты взрыва. Они разлетаются в разные стороны с неодинаковыми скоростями, так что большая часть плазмы уходит в одном определенном направлении. Если мы наблюдаем такой асимметричный взрыв «в лоб», наши приборы регистрируют аномально высокую скорость взрывных выбросов. В альтернативной ситуации основная масса разлетевшегося вещества уходит в противоположном направлении, а земные приборы фиксируют взрывные потоки, движущиеся со сниженными скоростями. Так что сверхновые с «быстрыми» и «медленными» послевзрывными выбросами на самом деле ничем не отличаются друг от друга, просто мы видим их в разных перспективах. Судя по всему, это правило соблюдается для абсолютного большинства сверхновых типа Ia (исключения есть, но их немного). Это означает, что астрономы по-прежнему могут полагаться на них для калибровки космологических расстояний.

Выводы Маэды и его коллег хорошо согласуются с новыми теоретическими моделями рождения сверхновых типа Ia. Предшественники этих сверхновых — кислородно-углеродные белые карлики, масса которых лишь ненамного меньше предела Чандрасекара (1,38 солнечной массы). Чтобы превратиться в сверхновую, такой карлик должен иметь в соседях обычную звезду с сильно раздутой водородной атмосферой. Аккреция этого водорода на поверхность карлика может привести к тому, что масса карлика превзойдет эту границу, и он станет быстро сжиматься, разогревая свое ядро. Там начнутся высокотемпературные ядерные реакции, приводящие к синтезу элементов группы железа. Этот процесс ядерного горения порождает волны давления, направленные к поверхности белого карлика. В результате он теряет устойчивость и взрывается, превращаясь в расширяющееся плазменное облако, нагретое до миллиардов градусов.

Раньше считалось, что этот процесс начинается строго в центре карлика и порождает радиально симметричный взрыв. Однако новейшие модели утверждают, что очаг взрыва может быть несколько смещен от центра, в результате чего продукты взрыва уходят в одном преимущественном направлении. Именно этот эффект и обнаружили Маэда и его соавторы.
  1. K. Maeda, S. Benetti, M. Stritzinger, F. K. Röpke, G. Folatelli, J. Sollerman, S. Taubenberger, K. Nomoto, G. Leloudas, M. Hamuy, M. Tanaka, P. A. Mazzali, N. Elias-Rosa. An asymmetric explosion as the origin of spectral evolution diversity in type Ia supernovae // Nature. V. 466. P. 82–85. 01 July 2010. Doi:10.1038/nature09122.
  2. Daniel Kasen. Astrophysics: The supernova has two faces // Nature. V. 466. P. 37–38. 01 July 2010. Doi:10.1038/466037a (популярный пересказ статьи).
skroznik вне форума   Ответить с цитированием
Старый 16.08.2010, 17:39   #8
skroznik
Кот, гуляющий сам по себе
 
Аватар для skroznik
 
Регистрация: 18.02.2010
Адрес: Родом из детства
Сообщений: 9,747
Сказал(а) Фууу!: 1
Сказали Фууу! 4 раз(а) в 4 сообщениях
Сказал(а) спасибо: 349
Поблагодарили 960 раз(а) в 816 сообщениях
skroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордится
Отправить сообщение для skroznik с помощью Skype™
По умолчанию Re: О звездах и человеке

Телескоп имени Э. Хаббла: 20 лет на орбите



Эдвин Пауэлл Хаббл (1889–1953) — выдающийся американский астроном, чьим именем назван космический телескоп, работающий на околоземной орбите с 1990 года

О космическом телескопе имени Э. Хаббла мир узнал 20 лет назад. С тех пор летающая вокруг Земли обсерватория остаётся одним из главных источников уникальной информации о дальних звёздах и галактиках. Вначале планировалось, что телескоп проработает на околоземной орбите 15 лет, но, по-видимому, он доживёт в рабочем состоянии до 30-летия, а может и больше, и поможет разгадать ещё не одну тайну Вселенной.

25 апреля 1990 года многоразовый космический корабль «Дискавери» вывел на околоземную орбиту высотой около 610 км уникальный аппарат — космический телескоп имени Э. Хаббла (КТХ). Его могли запустить в космос несколькими годами раньше. Однако катастрофа космического челнока «Челленджер» с семью астронавтами на борту, случившаяся 28 января 1986 года, остановила на время полёты американских многоразовых транспортных космических кораблей.

Телескоп получил имя великого американского астронома Эдвина Хаббла (1889–1953). Хаббл доказал, что во Вселенной кроме нашей Галактики — Млечного Пути существует множество других (ближайшая из них — Туманность Андромеды) и что все они удаляются друг от друга. Открыв разбегание галактик, учёный вывел знаменитый закон, утверждающий, что галактики разбегаются со скоростью, пропорциональной расстоянию между ними.

По своей первой профессии Хаббл был юристом, но любовь к астрономии, привитая ему дедушкой в детстве, затмила все другие интересы и сделала его одним из выдающихся открывателей Вселенной.

Телескоп имени Э. Хаббла — весьма внушительное сооружение: длина — 13,1 м, диаметр — 4,2 м, размах солнечных батарей — 12 м, масса — 11,3 т, диаметр главного зеркала телескопа-рефлектора — 2,4 м.




Ремонтные работы по модернизации телескопа имени Э. Хаббла завершены. На снимке запечатлён момент, когда телескоп после ремонта извлекли из грузового отсека и подготовили к возвращению на околоземную орбиту. 20 мая 2009 года. Фото: NASA

Главное зеркало КТХ массой 816 кг и диаметром 2,4 м изготовлено из плавленого кварцевого стекла, не подверженного тепловым деформациям. На его шлифовку и полировку ушло два года и четыре месяца. Если с такой же точностью «отшлифовать» поверхность земного шара, то высочайшие горные вершины будут выступать над поверхностью не более чем на 130 мм. Особые меры были приняты, чтобы не допустить искажения формы зеркала в условиях невесомости.

Несмотря на тщательность изготовления деталей и сборки, телескоп пришлось пять раз ремонтировать на орбите. Серьёзные дефекты главного зеркала обнаружились уже в самом начале работы. Оказалось, что оно обладает большой сферической аберрацией*, а это не позволяло получать снимки космических объектов высокого качества. Их можно было сравнить со снимками с наземного телескопа. Учёным удалось решить эту непростую проблему. Они придумали новый способ обработки снимков, при котором качество не страдало.

Однако дефекты главного зеркала и неполадки, возникавшие в блоках и системах космической обсерватории, надо было устранять. К КТХ полетели шаттлы с ремонтными бригадами: в декабре 1993 года — «Индевор»; в феврале 1997-го — «Дискавери»; в декабре 1999-го — «Дискавери»; в марте 2002-го — «Колумбия»; в мае 2009-го — «Атлантис»). В экипаж каждой экспедиции входили семь астронавтов. «Ремонтникам» приходилось по несколько часов работать в открытом космосе. Во время ремонта телескоп ставили на платформу в грузовом отсеке прилетевшего шаттла. Астронавты буквально охотились за КТХ, чтобы поймать и осторожнейшим образом поставить эту громадину высотой с четырёхэтажный дом на «рабочий стол».

Уже в ходе первой экспедиции в декабре 1993 года астронавты «Индевора» установили на главном зеркале КТХ корректирующий прибор COSTAR, который позволил улучшить «зрение» телескопа. Следующим экспедициям приходилось ремонтировать или даже заменять некоторые научные приборы, электронные блоки, гироскопы и солнечные батареи. Все ремонтные работы завершились в мае 2009 года.


Спиральная галактика М100 в созвездии Волосы Вероники (слева — фотография, сделанная КТХ до установки прибора COSTAR, справа — после его установки). Фото: NASA


Космический телескоп имени Э. Хаббла — один из самых успешных орбитальных космических аппаратов научного назначения. В нём заинтересованы исследователи планет Солнечной системы, нашей и других галактик, специалисты в области звёздной астрономии, космологи. Они постоянно обращаются к КТХ при решении множества проблем — от поиска замёрзшей воды на Луне до исследования загадочной тёмной материи во Вселенной.

КТХ передал на Землю огромное число фотографий самых разных космических объектов. Исследуя Солнечную систему, он фотографировал, например, Марс, Юпитер и Сатурн, полярные сияния на Юпитере, Сатурне и Ганимеде, падение на Юпитер в июле 1994 года кометы Шумейкеров — Леви. КТХ сфотографировал Плутон, который ещё недавно считался девятой планетой Солнечной системы, а сейчас возглавляет семейство карликовых планет, и открыл два его новых маленьких спутника — Никту и Гидру. Теперь семейство Плутона насчитывает три спутника (крупный спутник — Харон был открыт ещё в 1978 году). В 2015-м к Плутону приблизится американская межпланетная станция «Новые горизонты», которая наверняка откроет ещё какие-нибудь тайны этой далёкой планеты.


Полярные сияния над северным и южным полюсами Сатурна. Снимок сделан КТХ в январе 1998 года. Сияние имеет вид кольцевого занавеса вокруг обоих магнитных полюсов планеты, поднимающегося более чем на 1500 км над облаками. Фото: NASA


Исследуя Галактику, КТХ помог уточнить сведения о такой важнейшей характеристике звёзд, как их масса (с его помощью удалось измерить массу звёзд, превосходящих массу Солнца в 100–150 раз). На фотографиях некоторых туманностей обнаружены звёзды, находящиеся в эмбриональной стадии эволюции и завершающие жизненный путь, такие как белые карлики. Есть фотографии, позволившие уточнить детали строения и эволюции протопланетных дисков**, из которых формируются планеты. Кроме того, с помощью КТХ астрономы открыли несколько экзопланет (см. «Наука и жизнь» № 9, 2009 г., с. 81).

Фотографии диффузных и планетарных туманностей содержат уникальную научную информацию о происходящих в них физических процессах. А ещё мы наконец увидели, как красивы эти туманности.

В портретной галерее КТХ есть фотографии галактик всех типов и возрастов — от самых юных до самых старых, возраст которых сравним с возрастом самой Вселенной. Среди них можно увидеть и одиночные галактики, и двойные, включая взаимодействующие, а также группы галактик и их скопления. В некоторых далёких звёздных системах КТХ открыл сверхмассивные чёрные дыры.


Туманность NGC 6302 (Бабочка) в созвездии Скорпиона. Возраст этой планетарной туманности более 2200 лет, а размер превышает два световых года. Снимок сделан в сентябре 2009 года с помощью широкоугольной камеры, установленной астронавтами во время ремонта КТХ. Фото: NASA



Один из проектов космического телескопа имени Джеймса Э. Уэбба (JWST). Иллюстрация: NASA

Телескоп имени Э. Хаббла помог уточнить возраст Вселенной, отсчитываемый от Большого взрыва. По закону, открытому Эдвином Хабблом в 1929 году, v = Hr, где v — скорость галактики (так называемая лучевая скорость), r — расстояние до неё, H — постоянная Хаббла. По величине этой постоянной оценивают возраст Вселенной. Закон Хаббла справедлив для большинства галактик, за исключением очень близких к нам и очень далёких от нас.

КТХ удаётся регистрировать удалённые объекты, недоступные наблюдениям с Земли, в том числе цефеиды и пульсирующие звёзды, которые часто называют «маяками Вселенной». Благодаря этим маякам учёные с точностью до нескольких процентов рассчитали, что постоянная Хаббла Н = 72 км/(с·Мпк). Эта цифра хорошо согласуется с другими данными современной космологии. Если она верна, то возраст Вселенной составляет 13,7 млрд лет.

Благодаря КТХ сделано ещё одно из самых замечательных открытий последних лет: разлёт галактик происходит не замедленно, как думали раньше, а ускоренно. Получается, что во Вселенной кроме вселенского тяготения действует и вселенское отталкивание. Причём если первое вызвано привычной нам гравитацией звёзд и галактик, то второе — загадочной тёмной материей, заполняющей Вселенную.

В последние годы появились космические телескопы более внушительных размеров, чем телескоп имени Э. Хаббла. 14 мая 2009 года запущена космическая обсерватория «Гершель» Европейского космического агентства с главным зеркалом диаметром 3,5 м. В 2014 году планируется отправить в космос телескоп нового поколения, носящий имя Джеймса Э. Уэбба (в честь второго руководителя NASA — Джеймса Э. Уэбба, возглавлявшего агентство в 1960-е годы). Новая космическая обсерватория будет исследовать Вселенную в инфракрасном диапазоне. Её главный инструмент — телескоп с зеркалом диаметром 6,5 м. До сих пор такие огромные зеркала делали лишь для наземных обсерваторий, а телескоп Джеймса Э. Уэбба готов поселиться на околоземной орбите. С его запуском астрономов несомненно ждут новые открытия.

Последний раз редактировалось skroznik; 29.08.2016 в 17:50.
skroznik вне форума   Ответить с цитированием
Старый 13.09.2010, 16:25   #9
skroznik
Кот, гуляющий сам по себе
 
Аватар для skroznik
 
Регистрация: 18.02.2010
Адрес: Родом из детства
Сообщений: 9,747
Сказал(а) Фууу!: 1
Сказали Фууу! 4 раз(а) в 4 сообщениях
Сказал(а) спасибо: 349
Поблагодарили 960 раз(а) в 816 сообщениях
skroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордится
Отправить сообщение для skroznik с помощью Skype™
По умолчанию Re: О звездах и человеке

У природы был свой ядерный реактор


Многое предложенное нам природой само по себе пока совершеннее и проще того, что планирует изготовить человек, поэтому исследователи изучают, в первую очередь, то, что предлагает нам природа.

2 декабря 1942 года команда ученых Чикагского университета под руководством нобелевского лауреата Энрико Ферми создала первый рукотворный ядерный реактор. Это достижение держалось в секрете в период Второй мировой войны, как часть так называемого "Манхэттенского проекта" по созданию атомной бомбы.

Спустя 15 лет после создания человеком реактора расщепления учёные задумались о возможности существования атомного реактора, созданного самой природой. Первая официальная публикация на тему принадлежит перу японского профессора Пола Куроды (1956 год), который установил подробные требования для любых вероятных естественных реакторов, если таковые существуют в природе.

Ученый в деталях обрисовал это явление, и его описание до сих пор считается лучшим (классическим) в ядерной физике:
  • Приближенный возрастной диапазон образования естественного реактора
  • Необходимая концентрация урана в нем
  • Требуемое соотношение в нем изотопов урана - 235U/238U
Несмотря на тщательно проведенное исследование, Пол Курода не смог подыскать для своей модели пример естественного реактора среди имеющихся на планете месторождений урановой руды.

Маленькая, но критическая деталь, которую упустил из вида ученый - это возможность участия воды в качестве замедлителя цепной реакции. Он также не догадался о том, что определенные руды могут быть настолько пористы, что удерживают в себе необходимое количество воды, чтобы замедлить скорость нейтронов и поддержать реакцию.

Ученые утверждали, что только человек способен создать ядерный реактор, однако природа оказалась изощреннее.

Естественный ядерный реактор был обнаружен 2 июня 1972 года французским аналитиком Бужигесом на юго-востоке Габона в западной Африке, прямо в теле уранового месторождения.

А произошло открытие так.

Во время проведения рутинных спектрометрических исследований коэффициента содержания изотопов 235U/238U в руде с месторождения Окло в лаборатории французского уранообогатительного завода Пьеррлатт ученый-химик обнаружил небольшое отклонение (в 0,00717, по сравнению с нормой в 0,00720).

Для природы характерна стабильность изотопного состава различных элементов. Он неизменен на всей планете. В природе, конечно, протекают процессы распада изотопов, но тяжелым элементам это не свойственно, потому что разница в их массах недостаточна, для того чтобы данные изотопы делились в ходе каких-либо геохимических процессов. Но в месторождении Окло изотопный состав урана был нехарактерным. Этого маленького различия было достаточно, для того чтобы заинтересовать ученых.

Сразу появились различные гипотезы о причинах странного явления. Одни утверждали, что месторождение было заражено отработанным топливом инопланетных космических аппаратов, другие считали его местом захоронения ядерных отходов, доставшихся нам в "наследство" от древних высокоразвитых цивилизаций. Тем не менее, детальные исследования показали, что столь необычное соотношение изотопов урана образовалось естественным путем.

Вот какова смоделированная история этого "чуда природы".

Заработал реактор около двух миллиардов лет назад во времена протерозоя. Протерозой щедр на открытия. Именно в протерозое были разработаны основные принципы существования живой материи и развития жизни на Земле. Появились первые многоклеточные организмы и начали осваивать прибрежные воды, количество свободного кислорода в атмосфере Земли достигло 1%, и появились препосылки для бурного расцвета жизни, произошел переход от простого деления к половому размножению.

И вот, в столь важное для Земли время появляется и наш "ядерный природный феномен".

Все-таки удивительно, что в мире не найдено больше ни одного аналогичного реактора. Правда, по некоторым сведениям, следы похожего реактора найдены в Австралии. Объяснить это можно только тем, что в далекий кембрийский период Африка и Австралия представляли собой единое целое. Еще одна окаменелая реакторная зона также была обнаружена в Габоне, но в другом месторождении урана - в Бангомбе, в 35 километрах к юго-востоку от Окло.

На Земле известны урановые месторождения того же возраста, в которых, однако, ничего похожего не происходило. Вот только самые известные из них: Девилз-Хоул и Рэйниер-Мейса в штате Невада, Пенья-Бланка в Мексике, Бокс-Кэньон в Айдахо, Каймакли в Турции, Шове-Кав во Франции, Сигар-Лейк в Канаде и Оуэнс-Лейк в Калифорнии.

По-видимому, в протерозое в Африке возникли ряд уникальных условий, необходимых для запуска естественного реактора.

Каков же механизм столь удивительного процесса?

Вероятно, сначала в некой впадине, возможно, в дельте древней реки, образовался богатый урановый рудой слой песчаника, который покоился на крепком базальтовом ложе. После очередного землетрясения, обычного в ту эпоху, базальтовый фундамент будущего реактора опустился на несколько километров, потянув за собой урановую жилу. Жила растрескалась, в трещины проникла грунтовая вода. При этом уран охотно мигрирует с водой, содержащей большое количество кислорода, то есть в окислительной обстановке.

Насыщенная кислородом вода пробирается сквозь толщу горной породы, вымывает из нее уран, увлекает его за собой и постепенно расходует содержащийся в ней кислород на окисление органики и двухвалентного железа. Когда запас кислорода исчерпан, химическая обстановка в земных глубинах из окислительной становится восстановительной. "Странствие" урана после этого завершается: он отлагается в горных породах, накапливаясь на протяжении многих тысячелетий. Затем очередной катаклизм поднял фундамент до современного уровня. Такой схемы придерживаются многие ученые, в том числе и предложившие ее.

Как только масса и толщина слоев, обогащённых ураном, достигла критических размеров, в них возникла цепная реакция, и "агрегат" заработал.

Несколько слов следует сказать и о самой цепной реакции, которая является следствием сложных химических процессов, проходящих в "природном реакторе". Легче всего расщепляются ядра 235U, которые, поглощая нейтрон, делятся на два фрагмента расщепления и испускают при этом два-три нейтрона. Изгнанные нейтроны могут, в свою очередь, быть поглощены другими урановыми ядрами, провоцируя нарастание распада.

Такая самоподдерживающаяся реакция управляема, чем и воспользовались люди, создавшие ядерный реактор расщепления. В нем контроль осуществляется при помощи управляющих стержней (произведенных из хорошо поглощающих нейтроны материалов, например, из кадмия), спускаемых в "горячую зону". В своем реакторе Энрико Ферми использовал именно такие кадмиевые пластины для регуляции ядерной реакции. Реактор же в Окло никем не управлялся в обычном понимании этого термина.

Цепная реакция сопровождается выделением большого количества тепла, поэтому до сих пор было неясно, почему природные реакторы в Габоне не взрывались, а реакции саморегулировались.

Ныне ученые уверены, что знают ответ. Исследователи из Вашингтонского университета считают, что взрывов не случалось благодаря присутствию горных водных источников. В различных реакторах, созданных человеком, в качестве замедлителя используется графит, необходимый для поглощения испускаемых нейтронов и поддержания цепной реакции, а в Окло роль замедлителя реакции исполняла вода. Когда в природный реактор попадала вода, она закипала и испарялась, в результате чего цепная реакция на время приостанавливалась. На охлаждение реактора и накопление воды требовались примерно два с половиной часа, а длительность активного периода составляла порядка 30 минут, сообщает Nature.

Когда порода остывала, вода вновь просачивалась и запускала ядерную реакцию. И так, то вспыхивая, то угасая, реактор, мощность которого составляла порядка 25 кВт (что в 200 раз меньше, чем у самой первой атомной электростанции), проработал приблизительно 500 тысяч лет.

В Окло, как и на всей остальной Земле и в Солнечной системе в целом, два миллиарда лет назад относительное содержание изотопа 235U в урановой руде составляло 3000 на миллион атомов. В настоящее же время образование на Земле ядерного реактора естественным путём уже невозможно, поскольку в природном уране ощущается нехватка 235U.

Есть и еще целый ряд условий, выполнение которых обязательно для запуска природной реакции расщепления:
  1. Высокая общая концентрация урана
  2. Низкая концентрация поглотителей нейтронов
  3. Высокая концентрация замедлителя
  4. Минимальная или критическая масса для запуска реакции расщепления
Кроме того, что природой был запущен сам механизм естественного реактора, не может не волновать и следующий, пожалуй, самый "насущный" для мировой экологии вопрос: что же произошло с отходами естественной ядерной "энергостанции"?

В результате работы природного реактора образовалось около шести тонн продуктов деления и 2,5 тонны плутония. Основная масса радиоактивных отходов "захоронена" внутри кристаллической структуры минерала уранита, который обнаружен в теле руд Окло.

Неподходящие по размерам ионного радиуса элементы, которые не могут проникнуть сквозь решетку уранита, либо взаимопроникают, либо выщелачиваются.

Оклинский реактор "поведал" человечеству о том, как можно захоронить ядерные отходы так, чтобы это могильник был безвреден для окружающей среды. Есть свидетельства того, что на глубине свыше ста метров при отсутствии несвязанного кислорода практически все продукты ядерных захоронений не вышли за границы рудных тел. Зарегистрированы перемещения только таких элементов, как йод или цезий. Это дает возможность провести аналогию между природными процессами и технологическими.

Самое пристальное внимание защитников окружающей среды привлекает проблема миграции плутония. Известно, что плутоний практически целиком распадается до 235U, поэтому его неизменное количество может говорить о том, что избытка урана нет не только вне реактора, но также и вне гранул уранита, где образовывался плутоний во время активности реактора.

Плутоний - достаточно чужеродный элемент для биосферы, и встречается он в мизерной концентрации. Наряду с некоторым количеством в руде урановых месторождений, где он впоследствии распадается, немного плутония образуется из урана при взаимодействии с нейтронами космического происхождения. В малых количествах уран может встречаться в природе в различных концентрациях в абсолютно различных естественных средах - в гранитах, фосфоритах, апатитах, морской воде, почве и др.

В данный момент Окло - действующее урановое месторождение. Те рудные тела, которые располагаются у поверхности, добывают карьерным методом, а те, что на глубине, горными выработками.

Из семнадцати известных ныне ископаемых реакторов девять полностью засыпаны (недоступны). Реакторная зона 15 - единственный реактор, который доступен через тоннель в шахте реактора. Остатки ископаемого реактора 15 ясно различимы как легкая серо-желтая цветастая скала, которая сложена, главным образом, из окиси урана.

Светлые цветные полоски в скалах выше реактора - это кварц, который выкристализовался из горячих подземных водных источников, циркулировавших в период активности реактора и после его угасания.

Однако как об альтернативной оценке событий того далекого времени можно упомянуть и о следующем мнении, связанном с последствиями работы природного реактора. Предполагается, что природный ядерный реактор мог привести к многочисленным мутациям живых организмов в том регионе, подавляющее большинство которых вымерли как нежизнеспособные. Некоторые палеоантропологи считают, что именно высокая радиация вызвала неожиданные мутации у бродивших как раз неподалеку африканских предков человека и сделала их людьми (!).
skroznik вне форума   Ответить с цитированием
Старый 21.09.2010, 23:18   #10
skroznik
Кот, гуляющий сам по себе
 
Аватар для skroznik
 
Регистрация: 18.02.2010
Адрес: Родом из детства
Сообщений: 9,747
Сказал(а) Фууу!: 1
Сказали Фууу! 4 раз(а) в 4 сообщениях
Сказал(а) спасибо: 349
Поблагодарили 960 раз(а) в 816 сообщениях
skroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордится
Отправить сообщение для skroznik с помощью Skype™
По умолчанию Re: Рассказы о Вселенной

За триллион лет до Большого взрыва


Алексей Левин


У теории Большого взрыва в нынешнем десятилетии появился сильный конкурент — циклическая теория.

Название этой статьи может показаться не слишком умной шуткой. Согласно общепринятой космологической концепции, теории Большого взрыва, наша Вселенная возникла из экстремального состояния физического вакуума, порожденного квантовой флуктуацией. В этом состоянии не существовало ни времени, ни пространства (или они были спутаны в пространственно-временную пену), а все фундаментальные физические взаимодействия были слиты воедино. Позже они разделились и обрели самостоятельное бытие — сначала гравитация, затем сильное взаимодействие, а уже потом — слабое и электромагнитное.

Момент, предшествовавший этим переменам, принято обозначать как нулевое время, t = 0, однако это чистая условность, дань математическому формализму. Согласно стандартной теории, непрерывное течение времени началось лишь после того, как сила тяготения обрела независимость. Этому моменту обычно приписывают величину t = 10–43с (точнее, 5,4 × 10–44с), которую называют планковским временем. Современные физические теории просто не в состоянии осмысленно работать с более короткими промежутками времени (считается, что для этого нужна квантовая теория гравитации, которая пока не создана). В контексте традиционной космологии нет смысла рассуждать о том, что происходило до начального момента времени, поскольку времени в нашем понимании тогда просто не существовало.

Непременной частью стандартной космологической теории служит концепция инфляции (см. врезку). После окончания инфляции в свои права вступило тяготение, и Вселенная продолжила расширяться, но уже с уменьшающейся скоростью. Такая эволюция растянулась на 9 млрд лет, после чего в дело вступило еще одно антигравитационное поле неизвестной природы, которое именуют темной энергией. Оно опять вывело Вселенную в режим экспоненциального расширения, который вроде бы должен сохраниться и в будущие времена. Следует отметить, что эти выводы базируются на астрофизических открытиях, сделанных в конце прошлого века, почти через 20 лет после появления инфляционной космологии.

Впервые инфляционная интерпретация Большого взрыва была предложена около 30 лет назад и с тех пор многократно шлифовалась. Эта теория позволила разрешить несколько фундаментальных проблем, с которыми не справилась предшествующая космология. Например, она объяснила, почему мы живем во Вселенной с плоской евклидовой геометрией — в соответствии с классическими уравнениями Фридмана, именно такой она и должна сделаться при экспоненциальном расширении. Инфляционная теория объяснила, почему космическая материя обладает зернистостью в масштабах, не превышающих сотен миллионов световых лет, а на больших дистанциях распределена равномерно. Она также дала истолкование неудачи любых попыток обнаружить магнитные монополи, очень массивные частицы с одиночным магнитным полюсом, которые, как считается, в изобилии рождались перед началом инфляции (инфляция так растянула космическое пространство, что первоначально высокая плотность монополей сократилась почти до нуля, и поэтому наши приборы не могут их обнаружить).

Космологическая инфляция



Согласно инфляционной модели, Вселенная вскоре после своего рождения очень короткое время экспоненциально расширялась, многократно удваивая свои линейные размеры. Ученые полагают, что начало этого процесса совпало по времени с отделением сильного взаимодействия и произошло на временной отметке в 10–36 с. Такое расширение (с легкой руки американского физика-теоретика Сидни Коулмена его стали называть космологической инфляцией) было крайне непродолжительным (до 10^–34 с), однако увеличило линейные размеры Вселенной как минимум в 1030–1050 раз, а возможно, что и много больше.




В соответствии с большинством конкретных сценариев, инфляцию запустило антигравитационное квантовое скалярное поле, плотность энергии которого постепенно уменьшалась и, в конце концов, дошла до минимума. Перед тем как это случилось, поле стало быстро осциллировать, порождая элементарные частицы. В результате к окончанию инфляционной фазы Вселенная заполнилась сверхгорячей плазмой, состоящей из свободных кварков, глюонов, лептонов и высокоэнергетичных квантов электромагнитного излучения.


Вскоре после появления инфляционной модели несколько теоретиков поняли, что ее внутренняя логика не противоречит идее перманентного множественного рождения все новых и новых вселенных. В самом деле, квантовые флуктуации, подобные тем, которым мы обязаны существованием нашего мира, могут возникать в любом количестве, если для этого имеются подходящие условия. Не исключено, что наше мироздание вышло из флуктуационной зоны, сформировавшейся в мире-предшественнике. Точно так же можно допустить, что когда-нибудь и где-нибудь в нашей собственной Вселенной образуется флуктуация, которая «выдует» юную вселенную совершенно другого рода, также способную к космологическому «деторождению». Существуют модели, в которых такие дочерние вселенные возникают непрерывно, отпочковываются от своих родительниц и находят свое собственное место. При этом вовсе не обязательно, что в таких мирах устанавливаются одни и те же физические законы. Все эти миры «вложены» в единый пространственно-временной континуум, но разнесены в нем настолько, что никак не ощущают присутствия друг друга. В общем, концепция инфляции позволяет — более того, вынуждает!– считать, что в исполинском мегакосмосе существует множество изолированных друг от друга вселенных с различным устройством.



Множественные вселенные
Инфляционная теория допускает образование множественных дочерних вселенных, которые непрерывно отпочковываются от существующих.


Физики-теоретики любят придумывать альтернативы даже самым общепринятым теориям. Появились конкуренты и у инфляционной модели Большого взрыва. Они не получили широкой поддержки, но имели и имеют своих последователей. Теория Стейнхардта и Тьюрока среди них не первая и наверняка не последняя. Однако на сегодняшний день она разработана детальней остальных и лучше объясняет наблюдаемые свойства нашего мира. Она имеет несколько версий, из которых одни базируются на теории квантовых струн и многомерных пространств, а другие полагаются на традиционную квантовую теорию поля. Первый подход дает более наглядные картинки космологических процессов, так что на нем и остановимся.

Самый продвинутый вариант теории струн известен как М-теория. Она утверждает, что физический мир имеет 11 измерений — десять пространственных и одно временное. В нем плавают пространства меньших размерностей, так называемые браны. Наша Вселенная — просто одна из таких бран, обладающая тремя пространственными измерениями. Ее заполняют различные квантовые частицы (электроны, кварки, фотоны и т. д.), которые на самом деле являются разомкнутыми вибрирующими струнами с единственным пространственным измерением — длиной. Концы каждой струны намертво закреплены внутри трехмерной браны, и покинуть брану струна не может. Но есть и замкнутые струны, которые могут мигрировать за пределы бран — это гравитоны, кванты поля тяготения.

Как же циклическая теория объясняет прошлое и будущее мироздания? Начнем с нынешней эпохи. Первое место сейчас принадлежит темной энергии, которая заставляет нашу Вселенную расширяться по экспоненте, периодически удваивая размеры. В результате плотность материи и излучения постоянно падает, гравитационное искривление пространства слабеет, а его геометрия становится все более плоской. В течение следующего триллиона лет размеры Вселенной удвоятся около ста раз, и она превратится в практически пустой мир, полностью лишенный материальных структур. Рядом с нами находится еще одна трехмерная брана, отделенная от нас на ничтожное расстояние в четвертом измерении, и она тоже претерпевает аналогичное экспоненциальное растяжение и уплощение. Все это время дистанция между бранами практически не меняется.

А потом эти параллельные браны начинают сближаться. Их толкает друг к другу силовое поле, энергия которого зависит от расстояния между бранами. Сейчас плотность энергии такого поля положительна, поэтому пространство обеих бран расширяется по экспоненте, — следовательно, именно это поле и обеспечивает эффект, который объясняют наличием темной энергии! Однако этот параметр постепенно уменьшается и через триллион лет упадет до нуля. Обе браны все равно продолжат расширяться, но уже не по экспоненте, а в очень медленном темпе. Следовательно, в нашем мире плотность частиц и излучения так и останется почти что нулевой, а геометрия — плоской.


Циклическое мироздание
Момент Большого взрыва — это столкновение бран. Выделяется огромное количество энергии, браны разлетаются, происходит замедляющееся расширение, вещество и излучение остывают, образуются галактики. Расширение вновь ускоряется за счет положительной плотности межбрановой энергии, а затем замедляется, геометрия становится плоской. Браны притягиваются друг к другу, перед столкновением квантовые флуктуации усиливаются и преобразуются в деформации пространственной геометрии, которые в будущем станут зародышами галактик. Происходит столкновение, и цикл начинается сначала.


Но окончание старой истории — лишь прелюдия к очередному циклу. Браны перемещаются навстречу друг другу и, в конце концов, сталкиваются. На этой стадии плотность энергии межбранового поля опускается ниже нуля, и оно начинает действовать наподобие гравитации (напомню, что у тяготения потенциальная энергия отрицательна!). Когда браны оказываются совсем близко, межбрановое поле начинает усиливать квантовые флуктуации в каждой точке нашего мира и преобразует их в макроскопические деформации пространственной геометрии (например, за миллионную долю секунды до столкновения расчетный размер таких деформаций достигает нескольких метров). После столкновения именно в этих зонах выделяется львиная доля высвобождаемой при ударе кинетической энергии. В итоге именно там возникает больше всего горячей плазмы с температурой порядка 1023 градусов. Именно эти области становятся локальными узлами тяготения и превращаются в зародыши будущих галактик.

Такое столкновение заменяет Большой взрыв инфляционной космологии. Очень важно, что вся возникшая заново материя с положительной энергией появляется за счет накопленной отрицательной энергии межбранового поля, поэтому закон сохранения энергии не нарушается.

А как ведет себя такое поле в этот решающий момент? До столкновения плотность его энергии достигает минимума (причем отрицательного), затем начинает возрастать, а при столкновении становится нулевой. Затем браны отталкиваются друг от друга и начинают расходиться. Плотность межбрановой энергии проходит обратную эволюцию — опять делается отрицательной, нулевой, положительной. Обогащенная материей и излучением брана сначала расширяется с падающей скоростью под тормозящим воздействием собственного тяготения, а потом вновь переходит к экспоненциальному расширению. Новый цикл заканчивается подобно прежнему — и так до бесконечности. Циклы, предшествующие нашему, происходили и в прошлом — в этой модели время непрерывно, поэтому прошлое существует и за пределами 13,7 млрд лет, прошедших после последнего обогащения нашей браны материей и излучением! Было ли у них вообще какое-то начало, теория умалчивает.

Циклическая теория по-новому объясняет свойства нашего мира. Он обладает плоской геометрией, поскольку к концу каждого цикла непомерно растягивается и лишь немного деформируется перед началом нового цикла. Квантовые флуктуации, которые становятся предшественниками галактик, возникают хаотически, но в среднем равномерно — поэтому космическое пространство заполнено сгустками материи, но на очень больших дистанциях вполне однородно. Мы не можем обнаружить магнитные монополи просто потому, что максимальная температура новорожденной плазмы не превышала 10^23К, а для возникновения таких частиц потребны много большие энергии — порядка 10^27К.
Радикальная альтернатива

1980-х годах профессор Стейнхардт внес немалый вклад в разработку стандартной теории Большого взрыва. Однако это ничуть не помешало ему искать радикальную альтернативу теории, в которую вложено столько труда. Как рассказал «Популярной механике» сам Пол Стейнхардт, гипотеза инфляции действительно раскрывает много космологических загадок, но это не означает, что нет смысла искать и другие объяснения: «Сначала мне было просто интересно попробовать разобраться в основных свойствах нашего мира, не прибегая к инфляции. Позднее, когда я углубился в эту проблематику, я убедился, что инфляционная теория совсем не так совершенна, как утверждают ее сторонники. Когда инфляционная космология только создавалась, мы надеялись, что она объяснит переход от первоначального хаотического состояния материи к нынешней упорядоченной Вселенной. Она это и сделала — но пошла много дальше. Внутренняя логика теории потребовала признать, что инфляция постоянно творит бесконечное число миров. В этом не было бы ничего страшного, если бы их физическое устройство копировало наше собственное, но этого как раз и не получается. Вот, скажем, с помощью инфляционной гипотезы удалось объяснить, почему мы живем в плоском евклидовом мире, но ведь большинство других вселенных заведомо не будет обладать такой же геометрией. Короче говоря, мы строили теорию для объяснения своего собственного мира, а она вышла из-под контроля и породила бесконечное разнообразие экзотических миров. Такое положение дел перестало меня устраивать. К тому же стандартная теория не способна объяснить природу более раннего состояния, предшествовавшего экспоненциальному расширению. В этом смысле она так же неполна, как и доинфляционная космология. Наконец, она не в состоянии ничего сказать о природе темной энергии, которая уже 5 млрд. лет управляет расширением нашей Вселенной».
Циклическая теория существует в нескольких версиях, как и теория инфляции. Однако, по словам Пола Стейнхардта, различия между ними чисто технические и интересны лишь специалистам, общая концепция же остается неизменной: «Во-первых, в нашей теории нет никакого момента начала мира, никакой сингулярности. Есть периодические фазы интенсивного рождения вещества и излучения, каждую из которых при желании можно называть Большим взрывом. Но любая из этих фаз знаменует не возникновение новой вселенной, а лишь переход от одного цикла к другому. И пространство, и время существуют и до, и после любого из этих катаклизмов. Поэтому вполне закономерно спросить, каким было положение дел за 10 млрд лет до последнего Большого взрыва, от которого отсчитывают историю мироздания.

Второе ключевое отличие — природа и роль темной энергии. Инфляционная космология не предсказывала перехода замедляющегося расширения Вселенной в ускоренное. А когда астрофизики открыли это явление, наблюдая за вспышками далеких сверхновых звезд, стандартная космология даже не знала, что с этим делать. Гипотезу темной энергии выдвинули просто для того, чтобы как-то привязать к теории парадоксальные результаты этих наблюдений. А наш подход гораздо лучше скреплен внутренней логикой, поскольку темная энергия у нас присутствует изначально и именно она обеспечивает чередование космологических циклов». Впрочем, как отмечает Пол Стейнхардт, есть у циклической теории и слабые места: «Нам пока не удалось убедительно описать процесс столкновения и отскока параллельных бран, имеющий место в начале каждого цикла. Прочие аспекты циклической теории разработаны куда лучше, а здесь предстоит устранить еще немало неясностей».

Но даже самые красивые теоретические модели нуждаются в опытной проверке. Можно ли подтвердить или опровергнуть циклическую космологию с помощью наблюдений? «Обе теории, и инфляционная, и циклическая, предсказывают существование реликтовых гравитационных волн, — объясняет Пол Стейнхардт.– В первом случае они возникают из первичных квантовых флуктуаций, которые в ходе инфляции размазываются по пространству и порождают периодические колебания его геометрии, — а это, согласно общей теории относительности, и есть волны тяготения. В нашем сценарии первопричиной таких волн также служат квантовые флуктуации — те самые, что усиливаются при столкновении бран. Вычисления показали, что каждый механизм порождает волны, обладающие специфическим спектром и специфической поляризацией. Эти волны обязаны были оставить отпечатки на космическом микроволновом излучении, которое служит бесценным источником сведений о раннем космосе. Пока такие следы обнаружить не удалось, но, скорее всего, это будет сделано в течение ближайшего десятилетия. Кроме того, физики уже думают о прямой регистрации реликтовых гравитационных волн с помощью космических аппаратов, которые появятся через два-три десятка лет».

Еще одно различие, по словам профессора Стейнхардта, состоит в распределении температур фонового микроволнового излучения: «Это излучение, приходящее из разных участков небосвода, не вполне однородно по температуре, в нем есть более и менее нагретые зоны. На том уровне точности измерений, который обеспечивает современная аппаратура, количество горячих и холодных зон примерно одинаково, что совпадает с выводами обеих теорий — и инфляционной, и циклической. Однако эти теории предсказывают более тонкие различия между зонами. В принципе, их сможет выявить запущенная в прошлом году европейская космическая обсерватория "Планк" и другие новейшие космические аппараты. Я надеюсь, что результаты этих экспериментов помогут сделать выбор между инфляционной и циклической теориями. Но может случиться и так, что ситуация останется неопределенной и ни одна из теорий не получит однозначной экспериментальной поддержки. Ну что ж, тогда придется придумать что-нибудь новое».
Монопольная бомба

Отец американской водородной бомбы Эдвард Теллер постоянно размышлял о создании сверхмощного оружия. Как-то он обедал с известным физиком-теоретиком и космологом Нилом Тьюроком, и тот рассказал, что занимается магнитными монополями — гипотетическими частицами, обладающими не электрическим, а магнитным зарядом. К ужасу собеседника, Теллер немедленно начал прикидывать, как использовать монополи в роли начинки для супербомбы.


Что же это за частица? Согласно классической и квантовой электродинамике, источником электромагнитного поля служат электрические заряды и электрические токи. В принципе, можно предположить, что существуют и магнитные заряды, которые переносят особого рода частицы, проявляющие себя как одиночные магнитные полюса. Поток таких магнитных монополей может сформировать специфический ток — опять-таки, не электрический, а магнитный. Магнитные заряды и магнитные токи легко вводятся в уравнения Максвелла, отчего те только делаются более симметричными. В 1894 году эта идея пришла в голову Пьеру Кюри, который не только работал с радиоактивными элементами, но также много занимался магнитными явлениями. Кюри ограничился тем, что изложил ее в короткой заметке, поскольку такие заряды и токи никто и никогда не наблюдал.


Заряд для супербомбы
Вакуумное поле в центре монополя сохраняет экзотические свойства, которое имело до автономизации сильного взаимодействия. Как объяснил «Популярной механике» профессор теоретической физики Стэнфордского университета Леонард Сасскинд, такое поле должно катализировать распад протона. Поэтому протон при столкновении с монополем обязан превращаться в более легкие частицы, такие как нейтральный пион и позитрон. Это будет настоящей аннигиляцией, причем для нее не нужна никакая антиматерия. Идеальная начинка для супербомбы! Изображение: «Популярная механика»


Следующий шаг сделал Поль Дирак в 1931 году. Он обнаружил, что гипотеза магнитного монополя не только не противоречит принципам квантовой физики, но даже ведет к весьма интересным следствиям. Его вычисления показали, что произведение любого электрического заряда на заряд монополя равно половине произведения постоянной Планка на скорость света, помноженной на целое число или ноль (последнее означает отсутствие монополей в природе, поскольку электрические заряды заведомо существуют). Из формулы Дирака вытекает, что в системе СГС минимальный заряд монополя почти в 70 раз превышает заряд электрона. Поэтому монополь очень сильно отклоняется магнитными полями и может быть легко обнаружен — на фотоэмульсии или же в камере Вильсона. С 1951 года эти частицы искали в космических лучах, а позднее и на ускорителях, но неизменно без всякого успеха. Все говорило за то, что либо монополей не существует вообще, либо они не появляются в окрестностях Солнечной системы.

В своей статье о монополях Дирак отметил, что, поскольку они разрешены квантовой механикой, «было бы удивительно, если бы природа не воспользовалась такой возможностью». А в 1974 году Александр Поляков и Герард Хоофт показали, что при определенных условиях в юной Вселенной монополи просто обязаны были появиться на свет. Этот вывод следует из целого класса теорий, описывающих отношения между фундаментальными взаимодействиями вскоре после Большого взрыва. Когда возраст Вселенной составлял 10–36 секунды, сильное взаимодействие отделилось от электрослабого и обрело самостоятельное существование. При этом в вакууме образовались точечные топологические дефекты, своего рода узлы, несущие в своих центральных ядрах гигантскую энергию и потому обладающие огромной массой, как минимум в 1015 раз превышающей массу протона. Это и были магнитные монополи — вернее, их зародыши. В монополи они превратились после того, как электрослабое взаимодействие тоже разделилось надвое и появился настоящий электромагнетизм. И тогда-то протомономоли предстали в завершенном обличье частиц с одиночными магнитными полюсами.
Замороженные монополи



Осенью 2009 года в журнале Science были опубликованы работы двух научных групп — германо-британской под руководством ученых из немецкого Центра Гельмгольца (Helmholtz-Zentrum Berlin, HZB) и французско-британской под руководством исследователей из Института Лауэ-Ланжевена в Гренобле, — которые продемонстрировали твердотельные модели магнитных монополей, реализованные на титанате диспрозия (Dy2Ti2O7). У этого материала в каждом узле кристаллической решетки имеются четыре свободных магнитных спина, допускающих различную ориентацию. Это похоже на конфигурацию молекул воды во льду, поэтому такие материалы носят общее название «спиновый лед».



Спиновое спагетти
В спиновом льду при низких температурах в магнитном поле возникает сеть из переплетенных спиновых цепочек («спиновое спагетти»), которые выглядят на расстояниях много больше атомных подобно струнам Дирака — гипотетическим одномерным объектам, на концах которых находятся монополи и антимонополи. Струны Дирака в оригинальной модели ненаблюдаемы, их концы считаются свободными частицами. Изображение: «Популярная механика»


Если эта теория верна, почему монополи не удается обнаружить? Частицы со столь гигантской массой невозможно создать ни на одном ускорителе, но нет их и в космических лучах. Согласно стандартной космологической теории, монополи возникли перед началом инфляционного расширения Вселенной, которое так растянуло пространство, что их плотность снизилась до ненаблюдаемых значений. Если верить циклической космологии, Вселенная никогда не нагревалась до температур, при которых возможно рождение монополей. Так что либо плотность этих частиц чересчур мала, либо они просто не существуют.

А как насчет монопольной бомбы? Оказывается, у Теллера были основания на нее надеяться. Дело за малым — где добыть монополи?

Последний раз редактировалось skroznik; 29.08.2016 в 17:37.
skroznik вне форума   Ответить с цитированием
Старый 13.02.2011, 22:21   #11
skroznik
Кот, гуляющий сам по себе
 
Аватар для skroznik
 
Регистрация: 18.02.2010
Адрес: Родом из детства
Сообщений: 9,747
Сказал(а) Фууу!: 1
Сказали Фууу! 4 раз(а) в 4 сообщениях
Сказал(а) спасибо: 349
Поблагодарили 960 раз(а) в 816 сообщениях
skroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордится
Отправить сообщение для skroznik с помощью Skype™
По умолчанию Re: Рассказы о Вселенной

Последние новости из мира галактик


Алексей Левин


Галактика UDFj-39546284. Снимок сделан с помощью уникальной фотосистемы Wide Field Camera 3.

Во второй половине января журнал Nature опубликовал три статьи с весьма нетривиальной информацией о процессах формирования галактик.

Публикация астрономов из Нидерландов, США и Швейцарии (см.: R. J. Bouwens, et al. A candidate redshift z ≈ 10 galaxy and rapid changes in that population at an age of 500 Myr // Nature 469, 504–507). Они сообщили о возможной — и даже весьма вероятной — идентификации первого космического объекта с красным смещением, превышающим символический десятикратный порог (достижение этого порога в последние годы считалось весьма вероятным событием). Авторы полагают, что им удалось обнаружить галактику с красным смещением z = 10,3, возникшую не позже, чем через 480 млн. лет после Большого взрыва, который, согласно Стандартной космологической модели, положил начало нашей Вселенной. Вероятность справедливости своей заявки они оценивают примерно в 80%.

Кандидат на роль древнейшего из всех известных на сегодняшний день скоплений звезд первого поколения (их также называют звездами популяции III), содержащих в своем составе практически только водород и гелий, пока известен под индексом UDFj-39546284. Его фотография была сделана в ходе двухлетнего сканирования сверхглубокого космоса с помощью уникальной фотосистемы Wide Field Camera 3, установленной на орбитальном телескопе имени Хаббла в мае 2009 года. Эта исследовательская программа, начатая осенью того же года, известна как НUDF09 (аббревиатура расшифровывается как Hubble Ultra Deep Field), отсюда и название объекта.

В настоящее время известно свыше 6 тысяч галактик с красными смещениями 3 < z < 6 — эти галактики родились в диапазоне 900–2000 млн. лет после Большого взрыва. 23 апреля 2009 года космическая обсерватория Swift зарегистрировала гамма-всплеск с рекордным красным смещением z = 8,2, выброшенный в космос через 630 миллионов лет после Большого взрыва. В прошлом году появились сообщения о первой достоверной регистрации в ходе реализации программы НUDF09 без малого пятидесяти (47 для любителей точности) галактик или протогалактик с примерно таким же красным смещением. Средний возраст этих звездных ассоциаций, состоящих из очень ярких голубых звезд, всего на 650 миллионов лет уступает возрасту Вселенной.

Для идентификации объекта UDFj-39546284 была использована весьма эффективная методика поиска исчезновения спектральной зоны его излучения, которое было изначально испущено в ультрафиолетовом диапазоне, однако из-за расширения Вселенной до Земли дошло в виде инфракрасных фотонов. Этот спектральный «провал» объясняется тем, что свет звезд первого поколения затухал при прохождении через космические облака нейтрального водорода. Фотоны с энергией 10,2 эВ и частотой 2,47 × 10^{15} Гц, соответствующей длине волны 121,6 нм, инициировали квантовый скачок электронов с основного уровня атома водорода 1s на первый возбужденный уровень 2p (обратный переход с уровня 2p на уровень 1s генерирует излучение, известное как альфа-линия серии Лаймана). Фотоны с меньшими длинами волн терялись вблизи юных звезд при забросе электронов из основного состояния на еще более высокие энергетические уровни, а также претерпевали аналогичное поглощение при последующем прохождении через далекие газовые облака, когда эти длины подрастали благодаря красному смещению до тех же 121,6 нм. В результате излучение очень древних объектов вблизи Земли практически не содержит фотонов с длинами волн внутри определенного спектрального интервала. Его верхняя граница соответствует изначальной длине волны лаймановского альфа-перехода, сдвинутой космологическим красным смещением в ближнюю инфракрасную зону.

Этот эффект был теоретически вычислен в 1965 году Джеймсом Ганном и Брюсом Петерсоном (см.: James E. Gunn, Bruce A. Peterson. On the Density of Neutral Hydrogen in Intergalactic Space // Astrophysical Journal. V. 142. P. 1633–1641). Предсказанное исчезновение определенного спектрального участка излучения объектов с очень высокими красными смещениями называют впадиной (или желобом) Ганна–Петерсона (Gunn-Peterson trough). Эффект Ганна–Петерсона позволяет судить о плотности водорода в ту эпоху, когда излучение первых звезд еще не успело его полностью ионизовать. Позднее поглощение на частоте линии Лайман-альфа (Lyman-alpha line) прекратилось, поскольку практически весь нейтральный водород превратился в плазму из-за облучения звездным ультрафиолетом (этот процесс принято называть вторичной ионизацией, поскольку космический водород уже был полностью ионизирован со времени его возникновения вскоре после Большого взрыва до эпохи рекомбинации, которая примерно через 380 тысяч лет привела к появлению нейтральных атомов). По этой причине эффект Ганна–Петерсона наблюдается лишь при спектральном анализе звездного света, испущенного до завершения этой ионизации. Фактически его удается обнаружить в ходе изучения космических объектов с красным смещением выше 6 (впервые он был зарегистрирован 10 лет назад на примере квазара с красным смещением z = 6,28). Это как раз и показывает, что на отметке z ≈ 6, соответствующей возрасту Вселенной в 900–950 миллионов лет, процесс вторичной ионизации закончился, и в космическом пространстве практически не осталось нейтрального водорода.

Снимки галактики UDFj-39546284 (кандидата на красное смещение z ≈ 10) в оптическом и околоинфракрасном диапазоне, полученные в ходе сканирования сверхглубокого космоса (HUDF).

Авторы статьи в Nature пришли к заключению, что на вселенской возрастной отметке примерно в 500 млн лет темпы звездообразования десятикратно уступали показателям, достигнутым еще через 200 млн лет (то есть для объектов с красным смещением порядка восьми). По их мнению, это означает, что через 500 млн лет после Большого взрыва процесс рождения звезд быстро набирал силу и, следовательно, начался гораздо раньше. Они предсказывают, что самые ранние примеры возникновения звезд и протогалактик будут выявлены в ходе наблюдений, способных обнаружить объекты с 15-кратным красным смещением, которое соответствует возрасту Вселенной в 300 миллионов лет. Однако для проведения столь глубокого сканирования Большого Космоса опять-таки придется ждать запуска телескопа имени Уэбба.

Перейдем к сообщениям астрономов из США и ФРГ, опубликованным 20 января (John Kormendy. R. Bender, M. E. Cornell. Supermassive black holes do not correlate with galaxy disks or pseudobulges // Nature 469, 374–376; John Kormendy, Ralf Bender. Supermassive black holes do not correlate with dark matter haloes of galaxies // Nature 469, 377–380). Они проливают свет на процессы, отвечающие за рост черных дыр, расположенных в центральных зонах абсолютного большинства галактик.

Существование таких дыр давно уже не вызывает сомнений. Их массы варьируют от нижнего предела в десятки тысяч масс Солнца до абсолютного на сегодняшний день максимума в 6,6 млрд солнечных масс, которого удалось достичь черной дыре в ядре эллиптической галактики М87, расположенной за 53,5 млн световых лет от Солнца (эта оценка была доложена 12 января на последней сессии Американского астрономического общества). Благодаря своей гравитации они поглощают газ из окружающего пространства (вероятно, подчас даже заглатывают целые звезды) и потому постепенно толстеют. Вопрос в том, как именно они это делают.

Как известно, галактики сильно различаются по структуре, которая влияет и на окружение черных дыр. Дыры в центрах эллиптических галактик, как правило, окружены сфероидальными облаками старых звезд — так называемыми балджами. Спиральные галактики, напротив, могут вовсе не иметь балджей или же обладать их сильно уплощенными версиями — псевдобалджами (стоит отметить, что этот термин в свое время ввел в обращение первый автор обоих статей Джон Корменди). Масса черной дыры практически всегда составляет несколько процентов массы окружающего ее балджа — конечно, если таковой имеется. Эта закономерность подтверждена наблюдениями, охватывающими дыры массой от миллиона до миллиарда солнечных масс. Согласно общепринятой интерпретации, она свидетельствует о том, что внутригалактические дыры растут совместно с окружающими их балджами. Однако проблема роста черных дыр в безбалджевых спиральных галактиках и галактиках с псевдобалджами (и те, и другие в литературе проходят под общим названием pure-disk galaxies) до сих пор оставалась открытой. Стоит отметить, что массы таких дыр обычно лежат в диапазоне 10^4–10^6 солнечных масс, то есть весьма скромны по галактическим масштабам. Именно такова масса дыры в центре нашей собственной безбалджевой Галактики, Млечного Пути.

Проблеме роста черных дыр в безбалджевых спиральных галактиках и галактиках с псевдобалджами и посвящена совместная работа Корменди, Бендера и Корнелла. Они пришли к заключению, что массы черных дыр, расположенных в центрах таких галактик, никак не коррелируют с общей массой галактических дисков и в лучшем случае очень слабо коррелируют с массой псевдобалджей. Это наблюдение позволило им выдвинуть гипотезу, согласно которой галактические черные дыры набирают массу двумя принципиально разными путями. Дыры, окруженные полноценными балджами, растут за счет стабильного поглощения падающего газа, которое резко усиливается при слиянии галактик и обычно запускает рождение квазаров. Такое слияние стимулирует миграцию газа к центру галактики, что приводит к расширению балджа и, соответственно, разрастанию черной дыры. Благодаря этому механизму балджи и дыры претерпевают совместную эволюцию, которая и объясняет корреляцию между их массами.

Иное дело безбалджевые галактики и галактики с псевдобалджами. Корменди, Бендер и Корнелл полагают, что принадлежащие им дыры питаются за счет местных стохастических процессов, вызывающих аккрецию холодного газа на черную дыру. Эти процессы, природа которых еще не ясна, разворачиваются в близком окружении дыры и не простираются на всю галактику. В результате дыра эволюционирует независимо от эволюции галактики или ее псведобалджа, что и объясняет отсутствие корреляции между их массами.



Спиральная галактика без балджа NGC 3621. Снимок сделан камерой Wide Field Imager, установленной на 2,2-метровом телескопе ESO в обсерватории Ла-Силья в Чили.

Вторая статья, подписанная только Корменди и Бендером, ставит под сомнение гипотезу, согласно которой внутригалактические черные дыры растут под прямым воздействием темной материи, содержащейся в галактических гало. Авторы утверждают, что эта гипотеза никак не подкрепляется статистическим анализом свойств множества известных галактик. В частности, безбалджевые галактики содержат черные дыры минимальной массы, хотя они нередко окружены очень массивными облаками темной материи. В общем, заключают Корменди и Бендер, «нет никаких оснований ожидать, что экзотические физические свойства небарионной темной материи, которые до сих нам еще неизвестны, непосредственно влияют на рост внутригалактических черных дыр». Так что кесарю кесарево, а богу богово.

Источники:
  1. R. J. Bouwens, et al. A candidate redshift z ≈ 10 galaxy and rapid changes in that population at an age of 500 Myr // Nature. 27 January 2011. V. 469. P. 504–507. Doi: 10.1038/nature09717.
  2. John Kormendy. R. Bender, M. E. Cornell. Supermassive black holes do not correlate with galaxy disks or pseudobulges // Nature. 20 January 2011. V. 469. P. 374–376. Doi:10.1038/nature09694.
  3. John Kormendy, Ralf Bender. Supermassive black holes do not correlate with dark matter haloes of galaxies // Nature. 20 January 2011. V. 469. P. 377–380. Doi:10.1038/nature09695.

См. также:
NASA's Hubble Finds Most Distant Galaxy Candidate Ever Seen in Universe — пресс-релиз NASA, 26.01.2011.
skroznik вне форума   Ответить с цитированием
Старый 10.04.2011, 19:35   #12
skroznik
Кот, гуляющий сам по себе
 
Аватар для skroznik
 
Регистрация: 18.02.2010
Адрес: Родом из детства
Сообщений: 9,747
Сказал(а) Фууу!: 1
Сказали Фууу! 4 раз(а) в 4 сообщениях
Сказал(а) спасибо: 349
Поблагодарили 960 раз(а) в 816 сообщениях
skroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордится
Отправить сообщение для skroznik с помощью Skype™
По умолчанию Re: О звездах и человеке


07.04.11



Рис. 1. GRB 110328A. Комбинированный снимок, полученный ультрафиолетовым/оптическим (белый и пурпурный цвет) и рентгеновским (желтый и красный) телескопами космической обсерватории «Свифт». Всплеск был зарегистрирован 28 марта 2011 года только в рентгеновских лучах (с экспозицией более 3 часов). Изображение из пресс-релиза НАСА: NASA/Swift/Stefan Immler

28 марта 2011 года американская космическая обсерватория «Свифт» зарегистрировала в созвездии Дракона весьма необычный источник рентгеновского излучения (см. рис. 1). Он был отнесен к категории гамма-всплесков (gamma-ray bursts) и получил каталожный номер GRB 110328A. К его исследованию без промедления подключились космический телескоп «Хаббл» и рентгеновская орбитальная обсерватория «Чандра». НАСА сообщило об этом открытии 7 апреля.

GRB 110328A выделяется на фоне других гамма-всплесков сразу по нескольким параметрам. Во-первых, он оказался чрезвычайно продолжительным. Как правило, максимальная протяженность так называемых длинных гамма-всплесков измеряется десятками секунд, иногда — минутами или десятками минут и чрезвычайно редко — часами (есть также короткие гамма-всплески со средней протяженностью 300 миллисекунд, которые составляют отдельное семейство). Новый всплеск наблюдается уже дольше недели и не проявляет склонности к угасанию (более того, есть все основания считать, что его излучение впервые дошло до Земли как минимум за двое суток до того, как его заметил «Свифт»). Правда, максимальная энергия фотонов всплеска GRB 110328A на третьи сутки наблюдений заметно снизилась, однако на протяжении седьмых и восьмых суток вновь поднялась, хотя и не до прежнего уровня (эти колебания хорошо просматриваются на рис. 2). Во-вторых, этот всплеск чрезвычайно ярок и крайне изменчив — как видно на том же графике, его интенсивность резко подскакивает и столь же быстро падает по несколько раз за сутки. До сих пор подобные гамма-всплески ни разу не наблюдались.



Рис. 2. Колебания интенсивности всплеска GRB 110328A после его обнаружения.

Астрофизики по-разному объясняют рождение гамма-всплесков различной протяженности. Самая популярная модель происхождения коротких всплесков утверждает, что они возникают при столкновении намагниченных нейтронных звезд, которые обращаются вокруг общего центра инерции и постепенно сближаются из-за потери кинетической энергии, уносимой гравитационными волнами. Согласно только что опубликованным результатам компьютерного моделирования этого процесса, такое столкновение рождает быстро вращающуюся черную дыру, окруженную сверхгорячей плазмой, нагретой примерно до 10 миллиардов градусов. Плазменные частицы движутся вокруг горизонта дыры с околосветовыми скоростями и тем самым генерируют сверхсильные магнитные поля, ориентированные вдоль ее оси вращения. Эти поля создают в околодырном пространстве расширяющиеся горловины, через которые вырываются мощные потоки заряженных частиц, порождающие короткие всплески гамма-излучения. Правда, авторы новой работы не довели свою модель до стадии формирования таких потоков — так называемых релятивистских струй, или, что то же самое, релятивистских джетов. Однако ранее теоретики показали, что рождению джетов благоприятствуют магнитные поля именно с той конфигурацией, которая была смоделирована в новой работе.

Длинные гамма-всплески принято объяснять опять-таки генерацией высокоэнергетичных квантов внутри релятивистских джетов. Сами джеты в этом случае возникают на последней стадии гравитационного коллапса очень массивных звезд, полностью израсходовавших свое термоядерное топливо. Эта модель в целом хорошо объясняет характер абсолютного большинства длинных всплесков, однако ее трудно согласовать с данными, полученными при наблюдении GRB 110328A.



Рис. 3. Небольшая галактика (отмечена стрелкой) в 3,8 миллиардах световых лет от Солнца — предполагаемый источник всплеска GRB 110328A. Снимок сделан в видимом свете 4 апреля 2011 года широкоугольной камерой телескопа «Хаббл».

Тем не менее новооткрытый всплеск уже получил интерпретацию — пока, конечно, только предварительную. Как показали наблюдения с помощью оптических телескопов, направление на источник всплеска практически точно указывает на небольшую галактику, расположенную в 3,8 миллиардах световых лет от Солнца. Фотографию этой галактики, сделанную 4 апреля широкоугольной камерой телескопа «Хаббл», можно видеть на рис. 3. Аппаратура обсерватории «Чандра»не только подтвердила этот результат, но также показала, что загадочный гамма-всплеск возник в самом центре галактики (см. рис 4). Эти наблюдения и легли в основу гипотезы, объясняющую происхождение всплеска.



Рис. 4. Аппаратура обсерватории «Чандра» показала, что загадочный гамма-всплеск возник в самом центре (отмечен красным крестиком) галактики. Снимок далекой галактики сделан телескопом «Хаббл».

И вот как она выглядит. Галактика, о которой идет речь, почти наверняка имеет в своем ядре вращающуюся черную дыру (это допущение вполне обосновано, поскольку такими дырами обладает абсолютное большинство галактик). Поскольку сама галактика невелика, масса ее дыры, скорее всего, уступает массе дыры, расположенной в центре нашей собственной Галактики.

Астрономы предполагают, что всплеск GRB 110328A возник из-за того, что одна из звезд этой галактики слишком приблизилась к черной дыре и была разорвана приливными силами на отдельные плазменные сгустки. Потоки этой плазмы были захвачены тяготением дыры и образовали вокруг нее вращающийся диск, который и породил релятивистские джеты. Один из таких джетов выстрелил в сторону Солнечной системы, послав к ней многочисленные импульсы электромагнитных квантов высоких энергий. Видимая яркость всплеска оказалась столь высока именно потому, что породившие его заряженные частицы двигались в направлении Земли почти что со световой скоростью — это чисто релятивистский эффект (см. Relativistic_beaming), вытекающий из теории относительности.

Эта модель пока что наиболее правдоподобно объясняет как аномальную продолжительность всплеска, так и многократные колебания его яркости. Однако наблюдения продолжаются, так что в будущем возможны сюрпризы.
skroznik вне форума   Ответить с цитированием
Старый 11.04.2011, 21:56   #13
skroznik
Кот, гуляющий сам по себе
 
Аватар для skroznik
 
Регистрация: 18.02.2010
Адрес: Родом из детства
Сообщений: 9,747
Сказал(а) Фууу!: 1
Сказали Фууу! 4 раз(а) в 4 сообщениях
Сказал(а) спасибо: 349
Поблагодарили 960 раз(а) в 816 сообщениях
skroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордится
Отправить сообщение для skroznik с помощью Skype™
По умолчанию Re: О звездах и человеке

Источником энергии коричневых карликов может оказаться холодный термояд




Коричневые карлики CFBDS J1458+10B и наш герой, еще более холодный WD-0806-661B, могут оказаться представителями давно предсказанного, но до сих пор не открытого класса объектов, промежуточного между звездами и планетами. Изображение из статьи Cold Almost-Stars May Herald Hordes of Unseen Lurkers // Science. 18 March 2011. V. 331. P. 1377

Американские астрономы обнаружили весьма необычный космический объект. Он входит в состав двойной звездной системы, имея в качестве партнера белый карлик WD-0806-661, удаленный от Земли на 63 световых года. Дистанция между телами составляет 2 500 астрономических единиц и, следовательно, на порядок превосходит размеры Солнечной системы. Предполагаемая масса второго члена пары — WD-0806-661B — составляет всего 7 масс Юпитера, а температура его атмосферы не превышает 300 кельвинов (около 30 градусов Цельсия). Авторы статьи, появившейся 20 марта в The Astrophysical Journal Letters, в качестве основной версии относят этот объект к коричневым карликам. А недавно появилась теория, которая значительно повышает шансы WD-0806-661B принадлежать к этому классу «несостоявшихся звезд».

Кевин Луман и его коллеги воздерживаются от точной классификации новооткрытого объекта. Они отмечают, что звезда-предшественница белого карлика WD-0806-661 в юности (где-то полтора миллиарда лет назад) вдвое превосходила Солнце по массе. Поэтому она вполне могла родиться в окружении газо-пылевого диска, который и дал начало гигантской газовой планете массой в семь Юпитеров. Правда, эта планета не могла возникнуть на столь гигантском расстоянии от звезды, однако она была в состоянии мигрировать на орбиту куда большего радиуса по сравнению с первоначальным.

Однако авторы статьи рассматривают и другую возможность, которую они считают куда более интересной. По их мнению, WD-0806-661B может быть не планетой, а несостоявшейся звездой из семейства коричневых карликов, возникшей одновременно со своим партнером WD-0806-661, нынешним белым карликом. Именно эта версия отражена в заголовке статьи.

Эта альтернатива вызвала любопытную дискуссию в астрономическом сообществе. Дело в том, что коричневыми карликами принято считать звезды, которые в силу малости своей массы не способны стабильно поддерживать реакцию термоядерного горения основного изотопа водорода. Правда, в их недрах может зажигаться дейтерий, однако его запасов хватает ненадолго. Как показывают вычисления, верхний предел масс коричневых карликов составляет 75, а нижний — 13 масс Юпитера. Газовые сгустки с меньшими массами при нормальном гравитационном коллапсе не достигают даже температуры поджога дейтерия. Поэтому они не могут получать энергию от каких-либо термоядерных реакций и, таким образом, не имеют права называться звездами. А объект WD-0806-661B вообще тянет всего на семь юпитерианских масс, что почти вдвое меньше нижней границы масс коричневых карликов. Откуда же он черпает энергию?

Только что в астрономической блогосфере появилась гипотеза, объясняющая эту загадку. Ее выдвинули профессор физики университета Северного Мэриленда (Northern Maryland University) Джеймс Фулхарди (James Foolhardy) и астроном из того же университета Роберт А. Симплтон (Robert A. Simpleton). Они апеллируют к работе, которая 8 марта 2002 года появилась в журнале Science и сразу же вызвала ожесточенные споры в научной среде. Ее авторы утверждали, что им удалось осуществить реакцию термоядерного синтеза на несложной установке, построенной в Окриджской национальной лаборатории. Давно известно, что под воздействием ультразвука в жидкости образуются мельчайшие пузырьки, которые мгновенно схлопываются, сильно разогреваются и испускают очень короткие световые вспышки. Этот физический эффект называется сонолюминесценцией. Инженер-ядерщик Рузи Талеярхан и его коллеги решили использовать его для запуска термоядерной реакции. Они пропускали ультразвук через цилиндрический сосуд с охлажденным жидким ацетоном, в молекулах которого водород был заменен на его тяжелый изотоп — дейтерий. Формула обычного ацетона C3H6O, следовательно его «тяжелый» аналог — это C3D6O. Новизна эксперимента заключалась в том, что контейнер с ацетоном обрабатывали пучками быстрых нейтронов. В статье Талеярхана и соавторов утверждалось, что в облученной жидкости возникло вторичное нейтронное излучение, а также появилось некоторое количество ядер трития, сверхтяжелого нестабильного изотопа водорода.

Такой результат в принципе можно объяснить тем, что пары внутри пузырьков нагрелись примерно до десяти миллионов градусов. При подобной температуре возможен термоядерный синтез трития из ядер дейтерия, причем этот процесс как раз и должен сопровождаться испусканием нейтронов. Физики из Ок-Риджа именно так и истолковали свои результаты. Однако их работа подверглась весьма жесткой критике и сочтена, мягко говоря, неубедительной.

Теперь эту идею возродили Фулхарди и Симплтон — уже на космическом уровне. Они считают, что при гравитационном коллапсе межзвездного газа с содержанием дейтерия выше среднего уровня при определенных условиях могут возникать самофокусирующиеся ударные волны, вызывающие в зонах схождения волновых фронтов резкий локальный нагрев среды. Ссылаясь на свои (неопубликованные) расчеты, они утверждают, что этот механизм может обеспечить в недрах объекта, подобного WD-0806-661B, нагрев газа до 600–700 тысяч кельвинов, что уже достаточно для термоядерного поджога дейтерия. Если это объяснение справедливо, то WD-0806-661B вполне может считаться полноправным коричневым карликом, несмотря на малую массу.

Источник:
  1. K.L. Luhman, A.J. Burgasser, J.J. Bochanski. Discovery Of A Candidate For The Coolest Known Brown Dwarf // The Astrophysical Journal Letters. 2011. V. 730.
  2. R.P. Taleyarkhan, C.D. West, J.S. Cho, R.T. Lahey Jr., R.I. Nigmatulin, R.C. Block. Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation // Science. 2002. V. 295. P. 1868–1873.
skroznik вне форума   Ответить с цитированием
Старый 25.09.2011, 08:26   #14
skroznik
Кот, гуляющий сам по себе
 
Аватар для skroznik
 
Регистрация: 18.02.2010
Адрес: Родом из детства
Сообщений: 9,747
Сказал(а) Фууу!: 1
Сказали Фууу! 4 раз(а) в 4 сообщениях
Сказал(а) спасибо: 349
Поблагодарили 960 раз(а) в 816 сообщениях
skroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордится
Отправить сообщение для skroznik с помощью Skype™
По умолчанию Re: О звездах и человеке

Как взорвать звезду


Эвальд Мюллер, Вольфганг Хилльбранд, Ханс-Томас Янка


Об авторах
Эвальд Мюллер (Ewald Müller), Вольфганг Хилльбранд (Wolfgang Hillebrandt) и Ханс-Томас Янка (Hans-Thomas Janka) работают в Институте астрофизики Общества им. Макса Планка (Гарчинг, Германия) и преподают в Мюнхенском техническом университете. Мюллер руководит группой численной и релятивистской астрофизики. В 1993 г. вместе с Янка он получил премию Хейнца Биллинга за использование компьютеров в науке. Хиллебрант — один из директоров Института астрофизики, занимается ядерной астрофизикой, эволюцией звезд и взрывами сверхновых. В 1982 г. он получил премию Германского физического общества за работы по нуклеосинтезу путем быстрого захвата нейтронов. Янка интересуется нейтрино в астрономии, эволюцией нейтронных звезд, вспышками сверхновых и гамма-всплесками. Через месяц после того, как он начал работать над диссертацией, была открыта сверхновая 1987А, изменившая его судьбу (а также всю Вселенную).

Моделирование ситуации рождения сверхновой — нелегкое дело. По крайней мере, до недавнего времени все эксперименты терпели крах. Но астрофизикам все-таки удалось взорвать звезду.



Через десять секунд после вспышки термоядерное пламя почти полностью сжигает белый карлик в этой компьютерной модели. Стремительно распространяясь из глубины наружу, цепная ядерная реакция превращает углерод и кислород (сиреневый и красный) в кремний (оранжевый) и железо (желтый). Более ранние модели, не способные проследить турбулентные движения, не могли объяснить, почему звезды не тихо умирают, а взрываются

11 ноября 1572 г. астроном Тихо Браге (Tycho Brahe) заметил в созвездии Кассиопеи новую звезду, сияющую так же ярко, как Юпитер. Пожалуй, именно тогда рухнула уверенность в том, что небеса вечны и неизменны, и родилась современная астрономия. Спустя четыре века астрономы поняли, что некоторые звезды, вдруг становясь в миллиарды раз ярче обычных, взрываются. В 1934 г. Фриц Цвикки (Fritz Zwicky) из Калифорнийского технологического института назвал их «сверхновыми». Они снабжают космическое пространство во Вселенной тяжелыми элементами, управляющими формированием и эволюцией галактик, и помогают изучать расширение пространства.

Цвикки и его коллега Вальтер Бааде (Walter Baade) предположили, что энергию для взрыва дает звезде гравитация. По их мнению, звезда сжимается, пока ее центральная часть не достигнет плотности атомного ядра. Коллапсирующее вещество может выделить гравитационную потенциальную энергию, достаточную чтобы выбросить наружу ее остатки. В 1960 г. Фред Хойл (Fred Hoyle) из Кембриджского университета и Вилли Фаулер (Willy Fowler) из Калтеха считали, что сверхновые похожи на гигантскую ядерную бомбу. Когда звезда типа Солнца сжигает свое водородное, а затем и гелиевое топливо, наступает очередь кислорода и углерода. Синтез этих элементов не только обеспечивает гигантский выброс энергии, но и производит радиоактивный никель-56, распад которого может объяснить послесвечение взрыва, длящееся несколько месяцев.

Обе идеи оказались правильными. В спектрах некоторых сверхновых нет следов водорода (обозначаются как тип I); по-видимому, у большинства из них произошел термоядерный взрыв (тип Iа), а у остальных (типы Ib и Ic) — коллапс звезды, сбросившей свой внешний водородный слой. Сверхновые, в спектрах которых обнаружен водород (тип II), также возникают в результате коллапса. Оба явления превращают звезду в разлетающееся газовое облако, а гравитационный коллапс приводит к образованию сверхплотной нейтронной звезды или даже черной дыры. Наблюдения, в особенности сверхновой 1987А (тип II), подтверждают предложенную теорию.

Однако до сих пор взрыв сверхновой остается одной из главных проблем астрофизики. Компьютерные модели воспроизводят его с трудом. Очень сложно заставить звезду взорваться (что само по себе приятно). Звезды — саморегулирующиеся объекты, которые остаются стабильными в течение миллионов и миллиардов лет. Даже умирающие светила имеют механизмы затухания, но не взрыва. Чтобы воспроизвести последний, потребовались многомерные модели, расчет которых был вне возможностей компьютеров.

Обзор: сверхновые
  • По всем правилам, звезды должны быть спокойными и умирать тихо. Но почему некоторые из них в конце жизни взрываются как сверхновые? Это одно из сложнейших явлений в астрофизике.
  • Теоретики постепенно улучшали свои модели и недавно смогли объяснить два основных типа сверхновых. Задача состояла в том, чтобы учесть все три пространственных измерения для воспроизведения динамики турбулентных потоков.
  • Оказалось, что взрыв может быть очень несимметричным, разбрасывающим в разные стороны остатки звезды (включая и вновь синтезированные химические элементы). Если в результате образуется нейтронная звезда, то она может получить ускорение и стремительно понесется по галактике.
Взрыв — дело нелегкое


Белые карлики — это неактивные остатки звезд, похожих на Солнце, которые постепенно остывают и затухают. Они могут взрываться как сверхновые типа Ia. Однако, по мнению Хойла и Фаулера, если белый карлик вращается вокруг другой звезды на близкой орбите, он может аккретировать (отсасывать) вещество со своего компаньона, увеличивая тем самым свою массу, центральную плотность и температуру до такой степени, что возможен взрывной синтез из углерода и кислорода.



Сверхновая Тихо: термоядерный взрыв, наблюдавшийся знаменитым датским астрономом Тихо Браге в 1572 г., оставил после себя облака кремния, железа и других тяжелых элементов, светящихся в рентгеновском диапазоне (зеленый, красный). Ударная волна (тонкая голубая оболочка) расширяется со скоростью 7500 км/с

Термоядерные реакции должны вести себя как обычный огонь. Фронт горения может распространяться через звезду, оставляя за собой «ядерный пепел» (в основном — никель). В каждый момент времени реакции синтеза должны идти в небольшом объеме, в основном — в тонком слое на поверхности пузырей, заполненных «пеплом» и плавающих в глубине белого карлика. Из-за своей низкой плотности пузыри могут всплывать к поверхности звезды.

Но термоядерное пламя будет гаснуть, поскольку выделение энергии приводит к расширению и охлаждению звезды, гася ее горение. В отличие от обычной бомбы, у звезды нет оболочки, ограничивающей ее объем.

Кроме того, в лаборатории невозможно воссоздать взрыв сверхновой, его можно только наблюдать в космосе. Наша группа провела тщательное моделирование, используя суперкомпьютер IBM p690. Численная модель звезды была представлена расчетной сеткой, имевшей 1024 элемента по каждой из сторон, что позволило разрешить детали размером в несколько километров. Каждый вычислительный сет потребовал более чем 1020 арифметических операций; с такой задачей мог справиться лишь суперкомпьютер, проделывающий более 1011 операций в секунду. В итоге все это заняло почти 60 процессоро-лет. Различные вычислительные ухищрения, упрощающие модель и используемые в других областях науки, неприменимы к сверхновым с их асимметричными течениями, экстремальными условиями и гигантским пространственным и температурным диапазоном. Физика частиц, ядерная физика, гидродинамика и теория относительности очень сложны, а модели сверхновых должны оперировать ими одновременно.

Термоядерная сверхновая
  • Один из видов сверхновых типа Ia — результат внезапной ядерной детонации звезды
  • Более массивная из двух звезд солнечного типа, исчерпав свое топливо, превращается в белый карлик
  • Белый карлик захватывает газ, теряемый соседкой, и приближается к критической массе
  • «Пламя» неуправляемых ядерных реакций возгорается в турбулентном ядре карлика
  • Пламя устремляется наружу, превращая углерод и кислород в никель
  • За несколько секунд карлик полностью разрушается. Затем еще несколько недель радиоактивный никель распадается, вызывая свечение остатков звезды


Прорыв в моделировании сверхновых позволил исследовать турбулентность. Здесь показано, что произойдет через 0,6 с после воспламенения. Фронт ядерного горения имеет турбулентную, пузырчатую структуру (голубой). Турбулентность служит причиной быстрого продвижения фронта и подавления стабилизирующих механизмов звезды

Под капотом


Решение пришло с неожиданной стороны — при изучении работы автомобильного двигателя. Перемешивание бензина и кислорода и их воспламенение создают турбулентность, которая, в свою очередь, увеличивает поверхность горения, интенсивно деформируя ее. При этом скорость сжигания топлива, пропорциональная площади горения, возрастает. Но и звезда тоже турбулентна. Потоки газа проходят в ней огромные расстояния с большой скоростью, поэтому малейшие возмущения быстро превращают спокойное течение в турбулентный поток. В сверхновой всплывающие горячие пузыри должны перемешивать вещество, заставляя ядерное горение распространяться так быстро, что звезда не успеет перестроиться и «затушить» пламя.



Крабовидная туманность — газовый остаток сверхновой с коллапсом ядра, взрыв которой наблюдался в 1054 г. В центре — нейтронная звезда (указана стрелкой), выбрасывающая частицы, заставляющие газ светиться (голубой). Внешние волокна в основном состоят из водорода и гелия разрушенной массивной звезды

В исправно работающем двигателе внутреннего сгорания пламя распространяется с дозвуковой скоростью, ограниченной скоростью диффузии тепла сквозь вещество — такой процесс называют дефлаграцией, или быстрым горением. В «стреляющем» двигателе пламя распространяется со сверхзвуковой скоростью в виде ударной волны, проносящейся по кислородно-топливной смеси и сжимающей ее (детонация). Термоядерное пламя может распространяться тоже двумя путями. Детонация способна полностью сжечь звезду, оставив только самые «негорючие» элементы, такие как никель и железо. Однако в продуктах этих взрывов астрономы обнаруживают большое разнообразие элементов, включая кремний, серу и кальций. Следовательно, ядерное горение распространяется, по крайней мере, в начале, как дефлаграция.

В последние годы были созданы надежные модели термоядерной дефлаграции. Исследователи из Калифорнийского (г. Санта-Круз), Чикагского университетов и наша группа опирались при этом на программы, созданные для исследования химического горения и даже для прогноза погоды. Турбулентность — принципиально трехмерный процесс. В турбулентном каскаде кинетическая энергия перераспределяется от больших масштабов к малым и, в конце концов, рассеивается в виде тепла. Исходный поток дробится на все более и более мелкие части. Поэтому моделирование непременно должно быть трехмерным.

Модель сверхновой имеет грибообразный вид: горячие пузыри поднимаются в слоеной среде, сморщиваясь и растягиваясь турбулентностью. Усиленный ею рост скорости ядерных реакций за несколько секунд приводит к разрушению белого карлика, остатки которого разлетаются со скоростью около 10 тыс. км/с, что соответствует наблюдаемой картине.

Но до сих пор не ясно, отчего воспламеняется белый карлик. Кроме того, дефлаграция должна выбрасывать большую часть вещества карлика неизмененной, а наблюдения показывают, что лишь малая часть звезды не изменяется. Вероятно, взрыв обусловлен не только быстрым горением, но и детонацией, а причина сверхновых типа Ia — не только аккреция вещества на белый карлик, но и слияние двух белых карликов.

Гравитационная могила


Другой тип сверхновых, вызванный коллапсом звездного ядра, объяснить труднее. С наблюдательной точки зрения эти сверхновые более разнообразны, чем термоядерные: одни из них имеют водород, другие нет; одни взрываются в плотной межзвездной среде, другие — в почти пустом пространстве; одни выбрасывают огромное количество радиоактивного никеля, другие нет. Энергия выброса и скорость расширения также различаются. Самые мощные из них производят не только классический взрыв сверхновой, но и продолжительный гамма-всплеск (см.: Герелс Н., Леонард П. и Пиро Л. Ярчайшие взрывы во Вселенной // ВМН, № 4, 2003). Эта неоднородность свойств — одна из многих загадок. Сверхновые с коллапсом ядра — основные кандидаты для формирования самых тяжелых элементов, таких как золото, свинец, торий и уран, которые могут образоваться только в особых условиях. Но никто не знает, действительно ли такие предпосылки возникают в звезде, когда ее ядро взрывается.

Несмотря на то, что идея коллапса кажется простой (при сжатии ядра выделяется энергия гравитационной связи, за счет которой выбрасываются внешние слои вещества), трудно понять процесс в деталях. В конце жизни у звезды с массой более 10 масс Солнца образуется слоеная структура, с глубиной появляются слои все более тяжелых элементов. Ядро состоит в основном из железа, а равновесие звезды поддерживается квантовым отталкиванием электронов. Но в конце концов масса звезды подавляет электроны, которые вжимаются в атомные ядра, где начинают реагировать с протонами и образовывать нейтроны и электронные нейтрино. В свою очередь, нейтроны и оставшиеся протоны прижимаются друг к другу все сильнее, пока их собственная сила отталкивания не начнет действовать и не остановит коллапс.

В этот момент сжатие останавливается и сменяется расширением. Вещество, втянутое вглубь гравитацией, начинает частично вытекать наружу. В классической теории данная задача решается с помощью ударной волны, которая возникает, когда внешние слои звезды со сверхзвуковой скоростью налетают на ядро, внезапно замедлившее свое сжатие. Ударная волна движется наружу, сжимая и нагревая вещество, с которым она сталкивается, и в то же время теряет свою энергию, в конце концов затухая. Моделирование показывает, что энергия сжатия быстро рассеивается. Как же в таком случае звезда взрывает себя?

Первой попыткой разрешить задачу стала работа Стирлинга Колгейта (Stirling Colgate) и Ричарда Уайта (Richard White) 1966 г., а позже — компьютерные модели Джима Вильсона (Jim Wilson), созданные им в начале 1980-х гг., когда все трое работали в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса. Они предположили, что ударная волна — не единственный переносчик энергии от ядра к внешним слоям звезды. Возможно, вспомогательную роль играют нейтрино, рожденные во время коллапса. На первый взгляд, идея выглядит странной: как известно, нейтрино чрезвычайно неактивны, они так слабо взаимодействуют с другими частицами, что их даже трудно зарегистрировать. Но в сжимающейся звезде они обладают более чем достаточной энергией, чтобы вызвать взрыв, а в условиях предельно высокой плотности неплохо взаимодействуют с веществом. Нейтрино нагревают слой вокруг коллапсирующего ядра сверхновой, поддерживая давление в тормозящейся ударной волне.

Сверхновая с коллапсом ядра
  • Сверхновые другого рода образуются при сжатии звезд с массами более 8 масс Солнца. Они относятся к типам Ib, Ic или II, в зависимости от наблюдаемых особенностей
  • Массивная звезда в конце жизни имеет слоистую структуру из разных химических элементов
  • Железо не участвует в ядерном синтезе, поэтому в ядре не выделяется тепло. Газовое давление падает, и лежащее выше вещество устремляется вниз
  • За секунду ядро сжимается и превращается в нейтронную звезду. Падающее вещество отскакивает от нейтронной звезды и создает ударную волну
  • Нейтрино вырывается из новорожденной нейтронной звезды, неравномерно подталкивая наружу ударную волну
  • Ударная волна проносится по звезде, разрывая ее на части



Современные модели способны детально проследить хаотические движения в процессе взрыва. Здесь показана внутренность звезды через 5,5 ч после начала взрыва. Движущиеся вверх крупные пузыри поддерживают ударную волну до расстояния 300 млн км. Нейтрино, вообще-то очень слабо взаимодействующие частицы, устремляются наружу в таком количестве и с такой энергией, что начинают играть главную роль. Турбулентность перемешивает углерод, кислород, кремний и железо из глубоких слоев (голубой, бирюзовый) с лежащими выше гелием (зеленый) и водородом (красный)

Как ракета


Но достаточно ли такого дополнительного толчка для поддержания волны и завершения взрыва? Компьютерное моделирование показывало, что недостаточно. Несмотря на то, что газ и поглощает нейтрино, и излучает их; модели показывали, что потери доминируют, и поэтому взрыв не получается. Но в этих моделях было одно упрощение: звезда в них считалась сферически симметричной. Поэтому игнорировались многомерные явления, такие как конвекция и вращение, которые очень важны, поскольку наблюдаемые сверхновые порождают весьма несферичный, «лохматый» остаток.



Туманность Гитара — это ударная волна, расходящаяся за нейтронной звездой (у стрелки), которая несется сквозь газ со скоростью 1600 км/с. Чтобы сообщить звезде такую скорость, взрыв должен быть весьма несимметричным

Многомерное моделирование показывает, что вокруг ядра сверхновой нейтрино нагревают плазму и создают в ней всплывающие пузыри и грибообразные потоки. Конвекция переносит энергию к ударным волнам, толкая их вверх и вызывая взрыв.

Когда взрывная волна немного замедляется, пузыри горячей расширяющейся плазмы, разделенные текущим вниз холодным веществом, сливаются. Постепенно образуются один или несколько пузырей в окружении нисходящих потоков. В результате взрыв становится асимметричным. Кроме того, заторможенная ударная волна может деформироваться, и тогда коллапс принимает форму песочных часов. Дополнительная неустойчивость возникает, когда ударная волна вырывается наружу и проходит через неоднородные слои предка сверхновой. При этом химические элементы, синтезированные на протяжении жизни звезды и во время взрыва, перемешиваются.

Поскольку остатки звезды в основном вылетают в одну сторону, находящаяся в центре нейтронная звезда отскакивает в другую, как скейтборд, откатывающийся назад, когда вы спрыгиваете с него. Наша компьютерная модель показывает скорость отскока более 1000 км/с, что соответствует наблюдаемому движению многих нейтронных звезд. Но некоторые из них движутся медленнее, вероятно, потому, что пузыри во время образовавшего их взрыва не успели слиться. Возникает единая картина, в которой различные варианты становятся результатом одного основного эффекта.

Несмотря на значительные достижения последних лет, ни одна из существующих моделей не воспроизводит весь комплекс явлений, связанных со взрывом сверхновой, и содержит упрощения. Полная версия должна использовать семь измерений: пространство (три координаты), время, энергия нейтрино и скорость нейтрино (описанную двумя угловыми координатами). Более того, это нужно сделать для всех трех типов, или ароматов нейтрино.

Но может ли взрыв быть спровоцирован различными механизмами? Ведь магнитное поле может перехватить вращательную энергию только что сформировавшейся нейтронной звезды и дать новый толчок ударной волне. Кроме того, оно будет выдавливать вещество наружу вдоль оси вращения в виде двух полярных джетов. Эти эффекты позволят объяснить наиболее мощные взрывы. В частности, гамма-всплески могут быть связаны с джетами, движущимися с околосветовой скоростью. Возможно, ядра таких сверхновых коллапсируют не в нейтронную звезду, а в черную дыру.

Пока теоретики улучшают свои модели, наблюдатели пытаются использовать не только электромагнитное излучение, но также нейтрино и гравитационные волны. Коллапс ядра звезды, его бурление в начале взрыва и его возможное превращение в черную дыру приводят не только к интенсивному выбросу нейтрино, но и сотрясают структуру пространства-времени. В отличие от света, который не может пробиться сквозь вышележащие слои, эти сигналы исходят прямо из бурлящего ада в центре взрыва. Созданные недавно детекторы нейтрино и гравитационных волн могут приоткрыть завесу над тайной смерти звезд.

Реактивный эффект сверхновой


Наблюдатели гадали, почему нейтронные звезды несутся по Галактике с огромной скоростью. Новые модели сверхновой с коллапсом ядра предлагают объяснение, основанное на внутренней асимметрии этих взрывов



Новорожденная нейтронная звезда в центре зарождающегося взрыва почти спокойна (слева)
Гравитация несимметричного выброса тянет нейтронную звезду в определенном направлении, а падающее на звезду вещество дает ей дополнительный толчок (в центре)
Эти силы выбрасывают нейтронную звезду. (По закону сохранения импульса нейтронная звезда улетает в ту сторону, откуда на нее падает вещество.)


Моделирование показывает, что асимметрия развивается уже в начале взрыва. Малые различия в начале коллапса звезды приводят к большим различиям в степени асимметрии



Эти различия, в свою очередь, проявляются в разных скоростях нейтронных звезд. Сравнивая предсказанные скорости с наблюдаемыми, можно тестировать модели



Дополнительная литература
  1. Бисноватый-Коган Г.С. Физические вопросы теории звездной эволюции. М.: Наука, 1989.
  2. Гоффмейстер К., Рихтер Г., Венцель В. Переменные звезды. М.: Наука, 1990.
  3. Де Ягер К. Звезды наибольшей светимости. М.: Мир, 1984.
  4. Каплан С.А. Физика звезд. М.: Наука, 1977.
  5. Псковский Ю.П. Новые и сверхновые звезды. М.: Наука, 1985.
  6. Шкловский И.С. Сверхновые звезды и связанные с ними проблемы. М.: Наука, 1976.
  7. Supernova Explosions in the Universe. A. Burrows in Nature, Vol. 403, pages 727–733; February 17, 2000.
  8. Full-Star Type Ia Supernova Explosion Models. F.K. Röpke and W. Hillebrandt in Astronomy and Astrophysics, Vol. 431, No. 2, pages 635–645; February 2005. Preprint available at arxiv.org/abs/astro-ph/0409286
  9. The Physics of Core-Collapse Supernovae. S. Woosley and H.-Th. Janka in Nature Physics, Vol. 1, No. 3, pages 147–154; December 2005. Preprint available at arxiv.org/abs/astro-ph/0601261
  10. Multidimensional Supernova Simulations with Approximative Neutrino Transport. L. Scheck, K. Kifonidis, H.-Th. Janka and E. Müller in Astronomy and Astrophysics (in press). Preprint available at arxiv.org/abs/astro-ph/0601302

Последний раз редактировалось skroznik; 29.08.2016 в 17:13.
skroznik вне форума   Ответить с цитированием
Старый 06.12.2011, 12:44   #15
skroznik
Кот, гуляющий сам по себе
 
Аватар для skroznik
 
Регистрация: 18.02.2010
Адрес: Родом из детства
Сообщений: 9,747
Сказал(а) Фууу!: 1
Сказали Фууу! 4 раз(а) в 4 сообщениях
Сказал(а) спасибо: 349
Поблагодарили 960 раз(а) в 816 сообщениях
skroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордится
Отправить сообщение для skroznik с помощью Skype™
По умолчанию Re: Кратко об устройстве Вселенной

Пыль и газ во Вселенной

Межзвездная среда

Пространство между звездами, за исключением отдельных туманностей, выглядит пустым. На самом же деле все межзвездное пространство заполнено веществом. К такому заключению ученые пришли после того, как в начале XX в. швейцарский астроном Роберт Трюмплер открыл поглощение (ослабление) света звезд на пути к земному наблюдателю. Причем степень его ослабления зависит от цвета звезды. Свет от голубых звезд поглощается более интенсивно, чем от красных. Таким образом, если звезда излучает в голубых и красных лучах одинаковое количество энергии, то в результате поглощения света голубые лучи ослабляются сильнее красных и с Земли звезда кажется красноватой. Вещество, поглощающее свет, распределено в пространстве не равномерно, а имеет клочковатую структуру и концентрируется к Млечному Пути. Темные туманности, такие, как Угольный Мешок и Конская Голова, являются местом повышенной плотности поглощающего межзвездного вещества. А состоит оно из мельчайших частиц - пылинок. Физические свойства пылинок к настоящему времени изучены достаточно хорошо. Помимо пыли между звездами имеется большое количество невидимого холодного газа. Масса его почти в сто раз превосходит массу пыли. Как же стало известно о существовании этого газа?



Откуда берет энергию туманность Сердце? Огромная эмиссионная туманность, обозначенная в каталоге как IC 1805, своими очертаниями напоминает человеческое сердце. Излучение самого распространенного элемента - водорода - обеспечивает яркое красное свечение туманности. Свечение и форма туманности создаются небольшой группой звезд около ее центра. На показанном здесь изображении, можно увидеть крупным планом область размером около 30 световых лет, в которой находится большая часть этих звезд.

Туманности

Оказалось что атомы водорода излучают радиоволны с длинной волны 21 см. Большую часть информации о межзвездном веществе получают с помощью радиотелескопов. Так были открыты облака атомарного нейтрального водорода. Типичное облако атомарного нейтрального водорода имеет температуру около 70К (-200 С) и невысокую плотность (несколько десятков атомов в кубическом сантиметре пространства). Хотя такая среда и считается облаком, для землянина это глубокий вакуум, в миллиард раз разреженнее, чем вакуум, создаваемый, например, в кинескопе телевизора. Размеры облаков водорода - от 10 до 100 пк (для сравнения: звезды в среднем находятся друг от друга на расстоянии 1 пк). Впоследствии были обнаружены еще более холодные и плотные области молекулярного водорода, совершенно непрозрачные для видимого света. Именно в них сосредоточена большая часть холодного межзвездного газа и пыли. По размерам эти облака примерно такие же, как и области атомарного водорода, но плотность их в сотни и тысячи раз выше. Поэтому в больших молекулярных облаках может содержаться огромная масса вещества, достигающая сотен тысяч и даже миллионов масс Солнца. В молекулярных облаках, состоящих в основном из водорода, присутствуют и многие более сложные молекулы, в том числе простейшие органические соединения. Некоторая часть межзвездного вещества нагрета до очень высоких температур и "светится" в ультрафиолетовых и рентгеновских лучах. В рентгеновском диапазоне излучает самый горячий газ, имеющий температуру около миллиона градусов. Это - корональный газ, названный так по аналогии с разогретым газом в солнечной короне. Корональный газ отличается очень низкой плотностью: примерно один атом на кубический дециметр пространства. Горячий разреженный газ образуется в результате мощных взрывов - вспышек сверхновых звезд. От места взрыва в межзвездном газе распространяется ударная волна и нагревает газ до высокой температуры, при которой он становится источником рентгеновского излучения. Корональный газ обнаружен также в пространстве между галактиками. Итак, основным компонентом межзвездной среды является газ, состоящий из атомов и молекул. Он перемешан с пылью, содержащей около 1% массы межзвездного вещества, и пронизывается быстрыми потоками элементарных частиц - космическими лучами - и электромагнитным излучением, которые также можно считать составляющими межзвездной среды. Кроме того, межзвездная среда оказалась слегка намагниченной. Магнитные поля связаны с облаками межзвездного газа и движутся вместе с ними. Эти поля примерно в 100 тыс. раз слабее магнитного поля Земли. Межзвездные магнитные поля способствуют образованию наиболее плотных и холодных облаков газа, из которых конденсируются звезды. Частицы космических лучей также реагируют на межзвездное магнитное поле: они перемещаются вдоль его силовых линий по спиральным траекториям, как бы навиваясь на них. При этом электроны, входящие в состав космических лучей, излучают радиоволны. Это так называемое синхротронное излучение рождается в межзвездном пространстве и уверенно наблюдается в радиодиапазоне.

Газовые туманности

Наблюдения с помощью телескопов позволили обнаружить на небе большое количество слабосветящихся пятен - светлых туманностей. Систематическое изучение туманностей начал в XVIII в. Уильям Гершель. Он разделял их на белые и зеленоватые. Подавляющее большинство белых туманностей образовано множеством звезд - это звездные скопления и галактики, а некоторые оказались связанными с межзвездной пылью, которая отражает свет близко расположенных звезд, - это отражательные туманности. Как правило, в центре такой туманности видна яркая звезда. А вот зеленоватые туманности - не что иное, как свечение межзвездного газа. Самая яркая на небе газовая туманность - Большая туманность Ориона. Она видна в бинокль, а при хорошем зрении ее можно заметить и невооруженным глазом - чуть ниже трех звезд, расположенных в одну линию, которые образуют Пояс Ориона. Расстояние до этой туманности около 1000 световых лет. Что заставляет светиться межзвездный газ? В межзвездном газе происходят процессы, приводящие к излучению света, однако они не всегда связаны с бомбардировкой газа быстрыми частицами. Объяснить, как возникает свечение межзвездного газа, можно на примере атомарного водорода. Атом водорода состоит из ядра, имеющего положительный электрический Большая Туманность Ориона представляет собой весьма живописное зрелище. Невооруженным глазом она видна в созвездии Ориона как туманное пятнышко. На изображениях, подобных этому, полученных с помощью длительных экспозиций и обработанных цифровым методом, туманность Ориона представляется скоплением молодых звезд, горячего газа и темной пыли.



Большая Туманность Ориона представляет собой весьма живописное зрелище. Невооруженным глазом она видна в созвездии Ориона как туманное пятнышко. На изображениях, подобных этому, полученных с помощью длительных экспозиций и обработанных цифровым методом, туманность Ориона представляется скоплением молодых звезд, горячего газа и темной пыли. Такое разделение приводит к ионизации атома. Но электроны и ядра могут вновь соединиться друг с другом. При каждом объединении частиц будет выделяться энергия. Она излучается в виде порции (кванта) света определенного цвета, соответствующего данной энергии. Итак, для того чтобы газ излучал, необходимо ионизировать атомы, из которых он состоит. Это может произойти в результате столкновения с другими атомами, но чаще ионизация возникает, когда атомы газа поглощают кванты ультрафиолетового излучения, например от ближайшей звезды. Если вблизи облака нейтрального водорода вспыхнет голубая горячая звезда, то при условии, что облако достаточно большое и массивное, почти все ультрафиолетовые кванты от звезды поглотятся атомами облака. Вокруг звезды складывается область ионизированного водорода. Освободившиеся электроны образуют электронный газ температурой около 10 тыс. градусов. Обратный процесс рекомбинации, когда свободный электрон захватывается протоном, сопровождается переизлучением освободившейся энергии в виде квантов света. Свет излучается не только водородом. Как считалось в XIX в., цвет зеленоватых туманностей определяется излучением некоего "небесного" химического элемента, который назвали небулием ("туманность"). Но впоследствии выяснилось, что зеленым цветом светится кислород. Часть энергии движения частиц электронного газа расходуется на возбуждение атомов кислорода, т.е. на перевод электрона в атоме на более далекую от ядра орбиту. При возвращении электрона на устойчивую орбиту атом кислорода должен испустить квант зеленого света. В земных условиях он не успевает этого сделать: плотность газа слишком высока и частые столкновения "разряжают" возбужденный атом. А в крайне разреженной межзвездной среде от одного столкновения до другого проходит достаточно много времени, чтобы электрон успел совершить этот запрещенный переход и атом кислорода послал в пространство квант зеленого света. Аналогичным образом возникает излучение азота, серы и некоторых других элементов. Таким образом, область ионизированного газа вокруг горячих звезд можно представить в виде "машины", которая перерабатывает ультрафиолетовое излучение звезды в очень интенсивное излучение, спектр которого содержит линии различных химических элементов. И цвет газовых туманностей, как выяснилось позднее, различен: они бывают зеленоватые, розовые и других цветов и оттенков - в зависимости от температуры, плотности и химического состава газа. Газовые туманности бывают разной формы. Одни имеют форму кольца, в центре которого видна звездочка, - это планетарные туманности. Другие состоят из отдельных светящихся волокон газа. Многие туманности неправильной формы: они напоминают обыкновенную кляксу. Некоторые из них при наблюдении через светофильтр оказываются состоящими из отдельных волокн. Такова известная Крабовидная туманность. Это - наиболее широко изученный пример остатка взорвавшейся звезды (сверхновая).

Межзвездная пыль

Если взглянуть на Млечный Путь в ясную безлунную ночь, то даже невооруженным глазом видно, что эта светлая полоса, пересекающая все небо, не является сплошной. На ее фоне выделяются многочисленные темные пятна и полосы. Одно из самых заметных таких пятен в созвездии Стрельца издавна известно под названием Угольный Мешок. Уже два столетия назад выдвигались гипотезы, что "дырки" в небе представляют собой облака поглощающей свет материи. Развитие наблюдательной астрономической техники подкрепило эти предположения вескими доказательствами. О природе поглощающей материи первоначально не было единого мнения. Считалось, например, что это маленькие метеоритные частицы, образующиеся при разрушении крупных астероидов. Исследование свойств межзвездного поглощения света позволило установить, что оно вызывается мельчайшими пылинками, которые заполняют космическое пространство. Размеры этих пылинок - порядка одной стотысячной доли сантиметра. Пылевые частицы в нашей Галактике сильно концентрируются к плоскости галактического диска, поэтому большая часть темных пятен сосредоточена именно на фоне Млечного Пути. Межзвездная пыль полностью закрывает от нас ядро нашей Галактики. Межзвездная пыль предстает перед наблюдателями не только в виде темных туманностей. Если вблизи пылевого облака находится звезда, которая его освещает, то это облако будет видно уже как светлая туманность. В таком случает ее называют отражательной туманностью. В первое время после того, как было обнаружено существование межзвездной пыли, она рассматривалась лишь как досадная помеха астрономическим исследованиям. Пыль задерживает почти половину суммарного излучения всех звезд Галактики. В некоторых более плотных областях доля поглощенного света превышает 90%, а в молекулярных облаках, где образуются молодые звезды, достигает практически 100%. Плотность пыли в космосе ничтожно мала даже по сравнению с разреженным межзвездным газом. Так, в окрестностях Солнца в кубическом сантиметре пространства содержится в среднем один атом газа и на каждые сто миллиардов атомов приходится всего одна пылинка! Иными словами, расстояние между пылинками измеряется десятками метров. Масса же пыли в Галактике составляет приблизительно одну сотую от массы газа и одну десятитысячную от полной массы Галактики. Однако этого количества пыли достаточно для того, чтобы значительно ослаблять свет. Сильнее всего поглощаются синие лучи. При переходе к красным и инфракрасным лучам поглощение постепенно ослабевает. Но свет некоторых избранных цветов поглощается сильнее других. Это связано с тем, что отдельные вещества особенно эффективно поглощают излучение с определенными длинами волн. Исследование свойств поглощения света на различных длинах волн показало, что в состав межзвездных пылинок входят соединения углерода, кремния, замерзшие газы, водяной лед, а также различные органические вещества. Изучать свойства космической пыли помогает поляризация света. В обычном излучении звезд имеются волны, колеблющиеся во всех направлениях. Когда поток света встречает на своем пути сферическую пылинку, все эти волны поглощаются одинаково. Но если пылинка вытянута вдоль одной оси, то колебания, параллельные этой оси, поглощаются сильнее, чем перпендикулярные. В потоке света, прошедшем через облако вытянутых, одинаково ориентированных пылинок, присутствуют уже не все направления колебаний, т.е. излучение становится поляризованным. Измерение степени поляризации света звезд позволяет судить о форме и размерах пылевых частиц. А иногда по пути поляризации можно определить и электрические свойства межзвездной пыли. Сопоставление наблюдательных данных показало, что межзвездная пыль состоит из двух видов частиц: графитовых (углеродных) и силикатных (т.е. содержащих соединения кремния). Размеры пылинок неодинаковы, причем мелких частиц значительно больше, чем крупных. В целом размер пылинок колеблется от одной миллионной до одной десятитысячной доли сантиметра. Графитовые и силикатные частицы образуются во внешних оболочках старых холодных звезд. Понятие "холодная звезда", конечно, весьма условно. Вблизи звезды температура оболочки еще достаточно высока и все вещества находятся в газообразном состоянии. По мере старения звезда теряет массу. Вещество, истекающее из ее оболочки, удаляется от звезды и остывает. Когда температура газа опускается ниже температуры плавления вещества пылинки, составляющие газ молекулы начинают слипаться в группы, образуя зародыши пылинок. Сначала они растут медленно, но с уменьшением температуры их рост ускоряется. Этот процесс продолжается несколько десятков лет. При дальнейшем расширении вещества, теряемого звездой, постепенно падает не только его температура, но и плотность. Когда газ становится сильно разреженным, рост пылинок прекращается. На скорость образования и разрушения пылевых частиц во многом влияют температура и плотность того вещества, в котором они находятся. Но межзвездное пространство крайне неоднородно. Газ и пыль конденсируются в облака, плотность которых может в миллионы раз превышать плотность межоблачного пространства. Давление излучения звезд и течение газа в Галактике могут переместить пылинку в области, где создаются благоприятные условия для ее роста или разрушения. Химический состав пылинок зависит от того, какого элемента больше содержится в оболочке звезды - кислорода или углерода. Дело в том, что при охлаждении вещества оболочки углерод и кислород образуют очень прочные молекулы окиси углерода (угарный газ). Если после этого остался избыток углерода, в звезде будут формироваться графитовые частицы. В противном случае весь углерод войдет в состав окиси углерода, а избыточный кислород начнет соединяться с кремнием, образуя молекулы окиси кремния, из которых затем возникают силикатные пылинки. Структура "новорожденной" пылинки довольно проста. Она однородна по химическому составу и строению. Условия в межоблачной среде таковы, что структура пылинки не может существенно измениться. Иначе обстоит дело в областях межзвездного газа, плотность которого достигает тысяч атомов на кубический сантиметр. Низкая температура и высокая плотность обеспечивают необходимые условия для образования на поверхности графитовой или силикатной пылинки мантии из более легкоплавких веществ, таких, как замерзшая вода, формальдегид и аммиак. Смесь этих соединений часто обозначают одним словом "лед". Молекулы льда неустойчивы. Воздействие внешнего излучения и столкновения пылинок друг с другом приводят к преобразованию его в более устойчивые органические соединения, которые обволакивают поверхность пылинки своеобразной пленкой.



В очень плотных молекулярных облаках, куда не проникает излучение звезд, лед на поверхности пылевых частиц уже не разрушается. Таким образом, в недрах этих облаков пылинки могут иметь трехслойную структуру: тугоплавкое ядро, оболочка из органических соединений и ледяная мантия. Предполагается, что из таких пылинок, слипшихся в большие комья, состоят ядра комет - реликты, сохранившиеся от тех времен, когда наша Солнечная система сама была плотным непрозрачным облаком. С помощью больших радиотелескопов ученые обнаружили, что в молекулярных облаках помимо обычных для межзвездного газа одиночных атомов водорода, гелия и некоторых других химических элементов содержится большое количество достаточно сложных молекул. Молекулы в космическом пространстве образуются в ходе бесчисленных химических реакций. Но главная среди них, без которой все другие были бы невозможны, - образование молекул водорода - эффективно протекает только на поверхности пылинок. Без участия межзвездной пыли процесс формирования молекулярных облаков и звезд шел бы по-иному. Благодаря совершенствованию наблюдательной техники и активному использованию космических телескопов теперь можно наблюдать пыль не только в нашей Галактике, но и в ее ближних и дальних соседях, и прежде всего в спиральных галактиках, галактиках с активными ядрами и квазарах. Наблюдения показывают, что свойства пыли во Вселенной мало чем отличаются от свойств пылинок Млечного Пути. В спиральных галактиках, как и у нас, концентрируются вблизи плоскости симметрии этих звездных систем, перечеркивая яркие изображения галактик узкими темными полосами. Ушли в прошлое представления о пыли как только о занавесе, скрывающем многие тайны Вселенной. Теперь ясно, что пыль играет активную роль и участвует как существенный компонент в протекающих во Вселенной физических процессах.

Круговорот газа и пыли во Вселенной

В межзвездном пространстве газ и вместе с ним пыль распределены крайне неравномерно, концентрируясь в облака и сверхоблака. Размеры сверхоблаков - несколько сот парсек, а типичная масса - несколько миллионов масс Солнца. В основном это протяженные области атомарного нейтрального водорода. В них вкраплены более плотные гигантские молекулярные облака, где сосредоточен практически весь молекулярный газ, т.е. около половины всего межзвездного газа в Галактике (2 млрд масс Солнца). Межзвездный газ служит материалом, из которого формируются новые звезды. В газовом облаке под действием сил тяготения образуются плотные сгустки - зародыши будущих звезд. Сгусток продолжает сжиматься до тех пор, пока в его центре температура и плотность не повысятся до такой степени, что начинаются термоядерные реакции превращения водорода в гелий. С этого момента сгусток газа становится звездой. Межзвездная пыль также принимает активное участие в процессе образования звезд. Пыль способствует более быстрому остыванию газа. Она поглощает энергию, выделяющуюся при коллапсе (сжатии) протозвездного облака, переизлучает ее в других спектральных диапазонах, существенно влияя на обмен энергией между рождающейся звездой и окружающим пространством. От характера такого обмена, т.е. от свойств и количества пыли в облаке, зависит, образуется ли из него одна звезда или несколько и какова их масса. Если в какой-либо части плотного молекулярного облака образовались звезды, то их воздействие на газ может ускорить конденсацию соседних газовых облаков и вызвать формирование звезд в них, - протекает цепная реакция звездообразования. Звездообразование в молекулярных облаках можно сравнить с пожаром. Оно начинается в одной части облака и постепенно перекидывается на другие его части, на примыкающие облака, пожирая межзвездный газ и превращая его в звезды. Рано или поздно весь водород в центре звезды "сгорает", превращаясь в гелий. Как только ядерные реакции горения водорода затухают, ядро звезды начинает сжиматься, а внешние слои - расширяться. На определенной стадии эволюции звезда сбрасывает свою внешнюю оболочку или даже взрывается как сверхновая, возвращая в межзвездную среду газ, затраченный на ее формирование. Разлетающаяся оболочка сгребает межзвездный газ и повышает его температуру до сотен тысяч градусов. Охлаждаясь, этот газ образует волокнистые туманности, которые расширяются со скоростью сотни километров в секунду. Через сотни тысяч лет остаток этого вещества тормозится и рассеивается в межзвездной среде, а со временем опять может войти в состав какой-либо молодой звезды. В результате термоядерных реакций в недрах массивной звезды образуется не только гелий, но и другие химические элементы. Вместе с разлетающейся оболочкой они попадают в межзвездный газ. Поэтому газ, прошедший через ядерный котел звезды, обогащен химическими элементами. В Галактике звезды рождались и умирали на протяжении многих миллиардов лет. И практически весь газ, который сейчас наблюдается в межзвездной среде, уже не раз прошел через ядерный котел. Первоначальный газ не содержал пыли. Она появилась по мере старения массивных звезд с холодной оболочкой - красных гигантов. Температура поверхности таких звезд всего 2 - 4 тыс. градусов. При этой температуре в атмосфере звезды образуются пылинки. Излучение звезды оказывает на них давление и выдувает пылинки в межзвездное пространство, где они смешиваются с межзвездным газом. Красный гигант "чадит", подобно пламени свечи, и "загрязняет" космос пылью. Так происходит круговорот газа и пыли в пределах одной галактики.

Последний раз редактировалось skroznik; 29.08.2016 в 17:10.
skroznik вне форума   Ответить с цитированием
Старый 06.12.2011, 12:54   #16
skroznik
Кот, гуляющий сам по себе
 
Аватар для skroznik
 
Регистрация: 18.02.2010
Адрес: Родом из детства
Сообщений: 9,747
Сказал(а) Фууу!: 1
Сказали Фууу! 4 раз(а) в 4 сообщениях
Сказал(а) спасибо: 349
Поблагодарили 960 раз(а) в 816 сообщениях
skroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордится
Отправить сообщение для skroznik с помощью Skype™
По умолчанию Re: Кратко об устройстве Вселенной

Галактика в сумеречной зоне



Один из главных результатов работы Космического телескопа имени Хаббла изучение далеких галактик. Нашей вселенной сейчас примерно 13.6 миллиарда лет. Т.е., все, что мы видим, когда-то возникло. В том числе и галактики. Данные Космического телескопа позволили узнать много нового, но удалось, скажем так, увидеть юность галактик, а не их раннее детство, и уж тем более не галактики в утробе. Самые далекие из изученных до недавнего времени галактик находятся на красном смещении около 6. Вселенной тогда было уже около миллиарда лет. Но дело не в возрасте. Важно, что уже закончилась важная эпоха реионизации.

В совсем молодой вселенной вещество было горячее и ионизованное. Потом в ходе расширения все остыло, и произошла рекомбинация вещество в основном стало нейтральным. Образовались первые звезды, начали складываться галактики, засветили первые квазары И вещество опять ионизовалось. Это называют эпохой реионизации. Это очень важный момент в истории вселенной, а знаем мы о нем очень мало, даже не понимаем точно, что же ионизовало своим ультрафиолетовым излучением межгалактический газ. Планировалось, что будущие инструменты (такие как космический телескоп Джеймса Вебба, или EELT-European Extremely Large Telescope) смогут прояснить ситуацию. Но теперь не исключено, что важные результаты будут получены раньше.



Глубокий инфракрасный снимок Космического телескопа, полученный в 2009 году. Выделена галактика UDFy-38135539, красное смещение которой оказалось равным z=8.6.

В 2009 году на Космическом телескопе был получен в инфракрасном диапазоне очень глубокий снимок. На нем можно было начать искать далекие галактики. Не просто еще чуть дальше, а галактики, видимые в эпоху реионизации. Но Хаббла тут мало. Нужно с помощью больших наземных инструментов (у Космического телескопа диаметр зеркала лишь примерно два с половиной метра, а у наземных гигантов - 8-10 метров, т.е. они собирают в 10-15 раз больше света) построить спектр, чтобы по нему определить красное смещение галактики. До настоящего времени не удавалось доказать, что какая-нибудь странная слабая галактика на хаббловском снимке действительно очень далека. И вот . . .

С помощью телескопов Европейской Южной Обсерватории и спектрографа SINFONI (здесь уместно напомнить, что важен не только размер телескопа, но и его начинка - приборы. Используемые на телескопах детекторы по суммарной стоимости часто сопоставимы с самим инструментом-гигантом) команде Матта Ленера (Matt Lehnert) из Парижской обсерватории удалось показать, что галактика UDFy-38135539 (название объясняется тем, что ее обнаружили в Ultra Deep Field Космического телескопа) находится на z=8.6. Некоторые детали этого открытия можно найти в пресс-релизе ESO и оригинальной статье.



Галактика UDFy-38135539 в линии лайман-альфа

В спектре была отождествлена линия лайман-альфа (см. основной рисунок), что и позволило точно определить красное смещение. Для получения хорошего спектра понадобилось накапливать сигнал в течение 16 часов! Как далеко находится эта галактика? В космологии ответ нетривиален. Лучше воспользоваться космологическим калькулятором. В стандартной модели мы получаем, что свет шел к нам более 13 миллиардов лет. Но это не значит, что сейчас расстояние от нас до галактики 13 миллиардов световых лет. Пока свет шел, вселенная расширялась. Сейчас т.н. сопутствующее расстояние составляет уже более 30 миллиардов лет. Но не это важно. Существенно, насколько молодой была вселенная в тот момент, когда был испущен приходящий к нам сейчас свет. Так вот, вселенной было менее 600 миллионов лет от начала расширения.

Т.о., впервые обнаружен стационарный (не гамма-всплеск, до этого державший рекорд самого большого красного смещения) объект, который заведомо виден еще в эпоху реионизации (она началась где-то на z=20 и полностью закончилась к z около 6). Это очень важно и для изучения эволюции галактик, и для всей космологии вцелом.
skroznik вне форума   Ответить с цитированием
Старый 06.12.2011, 13:06   #17
skroznik
Кот, гуляющий сам по себе
 
Аватар для skroznik
 
Регистрация: 18.02.2010
Адрес: Родом из детства
Сообщений: 9,747
Сказал(а) Фууу!: 1
Сказали Фууу! 4 раз(а) в 4 сообщениях
Сказал(а) спасибо: 349
Поблагодарили 960 раз(а) в 816 сообщениях
skroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордится
Отправить сообщение для skroznik с помощью Skype™
По умолчанию Re: Кратко об устройстве Вселенной

Нейтронная звезда в углеродной дымке



Среди молодых нейтронных звезд есть небольшая группа т.н. центральных компактных источников в остатках сверхновых. Их меньше десятка. Это очень юные объекты с возрастами менее нескольких десятков тысяч лет. Кассиопея А - самый молодой. Вспышка наблюдалась всего лишь в 1680 году.
Нейтронные звезды, относящиеся к этому классу, выделяются следующей особенностью. Мы видим от них тепловой рентген (нейтронные звезды рождаются горячими, а потом потихоньку остывают), но не видим ни радиопульсарной активности, ни каких-то бы то ни было других проявлений. Т.е., эти нейтронные звезды не похожи ни на радиопульсары, ни на магнитары. По всей видимости, они имеют слабые магнитные поля - в несколько сотен раз меньшие, чем у обычных радиопульсаров.

Тот факт, что известно всего лишь около восьми таких объектов не должен вводить нас в заблуждение. Источники молодые, и оценки темпа их рождения говорят о том, что они могут быть столь же типичны, как обычные радиопульсары или источники типа Великолепной Семерки, и более типичны, чем магнитары.

С источником в Кассиопее А связана одна загадка. Если по данным о расстоянии, рентгеновском потоке, и по спектральным данным мы попробуем определить размер излучающей области, то он получается небольшим - что-то вроде нескольких километров. При том, что размер нейтронной звезды - около 10 км. В этом еще нет проблемы: на поверхности может быть горячее пятно, и есть несколько способов это объяснить. Но если есть пятно, то мы должны видеть пульсации излучения. А в случае Кассиопеи А их нет.

Для описания спектров остывающих нейтронных звезд очень важно учитывать свойства их атмосфер. Это слой толщиной всего лишь в несколько сантиметров, но он сильно влияет на параметры выходящего излучения. Для Кассиопеи А пробовали разные варианты состава атмосфер, но только сейчас, похоже, удалось все удовлетворительно описать. Авторы рассмотрели углеродную атмосферу в слабом магнитном поле. При таких предположениях их удалось описать все, что нужно. Причем радиус нейтронной звезды оказывается равным 8-18 км, т.е. вполне соответствует ожидаемому для этих объектов. Нет нужды в горячем пятне для объяснения отсутствия пульсаций.

На рисунке показана диаграмма масса-радиус для нейтронных звезд. Нарисованы кривые, соответствующие нескольким уравнениям состояния вещества в недрах компактных объектов. Вверху показаны три возможные области параметров для источника в остатке Кассиопея А. Они соответствуют трем значениям расстояния до источника.

Хорошо, но почему это представляется важным результатом? Потому, что углеродная атмосфера - это необычно. Ранее считалось, что атмосфера или железная (кора нейтронной звезды в основном состоит из железа), или водородно-гелиевая (этих элементов много вокруг, и они могли нападать на нейтронную звезду), или же использовалась модель т.н. "кремниевого пепла" (такое вещество должно в основном выпадать на поверхность нейтронной звезды после взрыва сверхновой). Пекулярный состав атмосферы источника в Кассиопее А может быть ключом к объяснению свойств всех источников этого типа. Вот в чем дело! Пока ясности тут нет. Но зато есть хорошие данные, позволяющие строить модели.
skroznik вне форума   Ответить с цитированием
Старый 03.11.2014, 23:52   #18
skroznik
Кот, гуляющий сам по себе
 
Аватар для skroznik
 
Регистрация: 18.02.2010
Адрес: Родом из детства
Сообщений: 9,747
Сказал(а) Фууу!: 1
Сказали Фууу! 4 раз(а) в 4 сообщениях
Сказал(а) спасибо: 349
Поблагодарили 960 раз(а) в 816 сообщениях
skroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордитсяskroznik за этого человека можно гордится
Отправить сообщение для skroznik с помощью Skype™
По умолчанию Re: Кратко об устройстве Вселенной



31 октября 2014



Космический телескоп Хаббл зафиксировал слабое, почти призрачное звездное свечение от древних галактик, которые были разорваны под воздействием сил гравитации несколько миллиардов лет назад. Это случилось на расстоянии 4 млрд световых лет, внутри огромного скопления, содержащего около 500 галактик, которое прозвали скоплением Пандоры, также известное как Abell 2744.

Разрозненные звезды больше не привязаны ни к одной из галактик и свободно дрейфуют между галактиками скопления. Наблюдая за излучением осиротевших звезд, астрономы проекта Хаббл собрали данные, которые указывают на то, что шесть галактик были разорваны на куски внутри скопления за временной интервал, превосходящий 6 млрд лет. Компьютерное моделирование гравитационной динамики между галактиками скопления показывает, что галактики размером с Млечный Путь являются наиболее вероятными кандидатами в источники этих блуждающих звезд. Обреченные галактики могли быть разорванными, когда они прошли через центр галактического скопления, где гравитационные силы наиболее сильны. Астрономы давно предположили, что излучение от разрозненных звезд может быть обнаружено после такого распада галактик, однако детектировать предсказанное слабое свечение было большой проблемой.

Ученые оценили, что совокупность излучения, приблизительно, от 200 млрд бездомных звезд составляет, примерно, 10 процентов от общей яркости скопления.

«Этот результат хорошо согласуется с тем, что было предсказано на основе предполагаемых процессов внутри массивных галактических скоплений», – добавила Мирея Монтес (Mireia Montes), ведущий автор исследования, опубликованного в журнале The Astrophysical Journal.

По причине того, что тусклые звезды являются наиболее яркими в ближнем инфракрасном диапазоне излучения, группа ученых подчеркнула, что подобные наблюдения могли быть выполнены только за счет чувствительности телескопа Хаббл по отношению к чрезвычайно слабому излучению.

Измерения телескопа Хаббл позволили определить, что звезды богаты тяжелыми элементами, такими как кислород, углерод и азот, что говорит о принадлежности звезд ко второму или третьему поколению.

Скопление Abell 2744 изучается в рамках программы Frontier Fields.

Последний раз редактировалось skroznik; 29.08.2016 в 17:00.
skroznik вне форума   Ответить с цитированием
Ответ

Опции темы

Ваши права в разделе
Вы не можете создавать новые темы
Вы не можете отвечать в темах
Вы не можете прикреплять вложения
Вы не можете редактировать свои сообщения

BB коды Вкл.
Смайлы Вкл.
[IMG] код Вкл.
HTML код Выкл.

Быстрый переход


Часовой пояс GMT +4, время: 15:40.


Powered by vBulletin® Version 3.8.4
Copyright ©2000 - 2020, Jelsoft Enterprises Ltd. Перевод: zCarot
Template-Modifications by TMS
Яндекс цитирования