phys ħ
история науки
квантовый мир
космос
нанотехнологии
нейтрино
общество
петаватты
разное
термояд
тёмная материя
частицы
экзопланеты
«Планк» получил самую точную «фотографию» ранней Вселенной
Европейское космическое агентство опубликовало полученную космической обсерваторией “Планк” обновлённую карту реликтового излучения — слабого микроволнового фона, пронизывающего всё окружающее пространство и оставшегося с тех времён, когда Вселенная была совсем молодой. Анализ такой карты позволяет учёным отвечать на самые фундаментальные вопросы о Вселенной: каков её возраст, из чего она состоит и как она стала такой, какой мы её знаем. Согласно новым данным, Вселенная немного — на 100 миллионов лет — старее, чем считалось ранее, а темпы её ускоренного расширения — медленнее. Кроме того, учёные уточнили соотношение масс основных компонентов Вселенной: обычной и имеющей неизвестную природу тёмной материей, а также загадочной тёмной энергией. Оказалось, что предыдущие оценки завышали долю тёмной энергии и занижали доли обоих типов материи. В целом, новые данные за исключением некоторых деталей хорошо укладываются в стандартную космологическую модель, принятую в настоящее время в науке.
Образовавшись около 14 млрд лет назад (по уточнённым данным — 13,82 млрд) наша Вселенная, согласно господствующей космологической модели, была маленькой и очень горячей. Сразу после рождения (так называемого Большого взрыва) она начала стремительно расширяться — то, что называется этапом инфляции — и остывать. Со временем темп ускоренного расширения замедлился, но не остановился.
На ранних этапах своей жизни Вселенная была настолько горяча, что практически всё обычное вещество в ней представляло собой плотную плазму — наподобие нашего Солнца или других звёзд. В таком веществе свет не мог свободно распространяться и находился в своеобразном связанном состоянии. Но вот, где-то через 380 тысяч лет после появления Вселенной её температура из-за расширения упала до 2700 градусов, и плазма начала стремительно рекомбинировать: свободно летавшие до того протоны и электроны начали образовывать нейтральные атомы водорода. Среда стала прозрачной для электромагнитного излучения, и освободившийся свет начал свой полёт сквозь время и пространство.
Этот первый древний свет, известный как реликтовое излучение, дошёл и до наших времён. Однако из-за расширения Вселенной он «состарился», уменьшив свою частоту, и теперь представляет собой слабый микроволновой фон. Однако он сохранил в себе свойства той Вселенной, в которой появился, и представляет собой своеобразную «фотографию» тех древних времён. Изучая её, мы можем больше узнать о происхождении Вселенной, а также о её составе и возрасте.
Для составления наиболее полной и точной карты реликтового микроволнового излучения и был создан и запущен спутник «Планк». Это не первый подобный проект. До этого аналогичным методом, но с меньшей точностью, немало важных сведений о ранней Вселенной принёс спутник WMAP.
Данные, полученные из новой карты, в основном подтверждают стандартную космологическую картину Вселенной, но уточняют некоторые из её параметров. Так, барионного вещества — то есть обычной, привычной нам с вами формы материи, данной нам в ощущениях — в основном в виде излучения светового и других диапазонов — оказалось чуть больше, чем считалось ранее. Его доля в массе видимой Вселенной оценивается в 4,9% против предыдущих 4,5%. Чуть больше оказалось и тёмной материи — вещества загадочной природы, проявляющей себя только через гравитационное взаимодействие на больших — порядка размеров галактик — расстояниях. Если ранее считалась, что её доля составляет около 22,7% общей массы Вселенной, то теперь она выросла до 26,8%. А вот тёмной энергии — гипотетической субстанции, ответственной за наблюдаемое ускоренное расширение нашей Вселенной — видимо, меньше, чем полагалось до сегодняшнего дня. Оценка её доли в общемировом балансе упала с 72,8% до 68,3%.
Таким образом, можно было бы сказать, что новые данные не дают ничего принципиально нового, только уточняют уже известное, если бы не несколько небольших, но очень важных «но». И здесь не лишним будет отметить, что учёные как раз очень любят такие «но». Если результаты наблюдений совпадают с теоретическими предсказаниями, это скучно и неинтересно. Однако если что-то вдруг не так, как ожидалось, то, возможно, мы стоим перед большими открытиями. От возможности сделать такое открытие и отчасти удовлетворить природное любопытство не откажется, пожалуй, ни один из тех, кто посвятил свою жизнь большой науке.
Так вот, в новых данных есть сразу несколько моментов, не укладывающихся в стандартную космологическую модель. Во-первых, оказалось, что угловое распределение микроволнового фона для достаточно больших углов — где-то от 6 до 90 градусов — слишком однородно. Во-вторых, и это может быть связано с первым, на карте реликтового излучения явно выделяется наличие двух полушарий — более «тёплого» и более «холодного». И наконец, в-третьих, в «тёплом» полушарии наблюдается аномально большое «холодное» пятно неизвестного происхождения.
Следует отметить, что два последних обстоятельства были заметны и на предыдущих снимках (полученных спутником WMAP), однако из-за недостаточной точности измерений тогда не было полной уверенности, что этот эффект однозначно связан с космическим излучением, а не вызван шумами более близкого происхождения – например, в нашей Галактике. Сейчас эта возможность, фактически, исключена.
Удовлетворительных объяснений наблюдаемых данных пока нет. И это прекрасно, поскольку открывает возможности для построения каких-то новых теорий. Наиболее простой гипотезой является отказ от предположения изотропности Вселенной на больших масштабах. Изотропность — это свойство пространства, согласно которому все направления равноправны. Если предположить, что на больших расстояниях это не так, то оказывается, что распространяющийся по Вселенной свет претерпевает довольно причудливые искажения, приводящие, в том числе, к наблюдаемым эффектам. Окончательный ответ, так это или нет, учёные смогут получить только с появлением новых уточнённых данных спутника «Планк», которые обещают опубликовать в начале 2014 года.
В целом, с появлением новой карты ситуация с современной космологической картиной стала чем-то напоминать хорошо законспирированного разведчика в захватывающем шпионском детективе. Вроде обычный парень, простой и понятный. Но нет-нет и проскальзывают какие-то едва уловимые — буквально пунктирные — даже не черты, а штрижки характера, по которым чувствуется, что он сложнее и интереснее, чем кажется. Остаётся только надеяться, что, как и в настоящем кино, в конце концов природа откроет нам, на кого же наш разведчик работает на самом деле.
Источник
Опубликована самая подробная карта реликтового излучения Вселенной
Европейское космическое агентство опубликовало подробную карту реликтового излучения (микроволнового фонового излучения), составленную по результатам сбора данных космической обсерваторией «Планк», начиная с 2009 года. Карта реликтового излучения — это карта нашей Вселенной за 30 тыс. лет до того, как из плазмы начали формироваться первые атомы.
Теория Большого взрыва предполагает, что 13,8 миллиарда лет назад произошёл переход Вселенной из сингулярного состояния. В результате космической инфляции в планковскую эпоху Вселенная за 10 -32 секунды расширилась в 100 триллионов раз с переходом энергии поля в энергию частиц. В таких условиях при расширении проявились квантовые эффекты. Они и объясняют вариации плотности вещества в разных районах Вселенной.
увеличенная копия
Другими словами, нынешние звёзды и галактики сформировались в тех районах, где была повышенная плотность вещества из-за квантовых эффектов при инфляции. Сам факт существования реликтового излучения — это одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.
Карта фонового излучения с обсерватории «Планк» даёт понять, как выглядела Вселенная через 370 тыс. лет после Большого взрыва. Сейчас температура излучения составляет 2,7°K и оно поступает со всех сторон практически равномерно.
Информация с обсерватории «Планк» позволила уточнить возраст Вселенной (13,8 млрд лет вместо 13,7 млрд), а также уточнить долю тёмной энергии во Вселенной (68,3% вместо 72,8%).
«Планк» также подтвердил существование двух интересных феноменов. Первый из них — изменение амплитуды температур в двух половинах Вселенной.
Изменение амплитуды температур в двух половинах Вселенной
Второй феномен — необычно большое холодное пятно, хорошо заметное на карте. Раньше думали, что это ошибка измерения, но обсерватория «Планк» предоставила более точную информацию, подтвердив эффект.
Сравнение разрешения астрономических спутников, регистрирующих реликтовое излучение
В то же время данные с «Планка» не предоставили никаких доказательств существования космических струн или других объектов, подтверждающих теорию струн.
Читают сейчас
Редакторский дайджест
Присылаем лучшие статьи раз в месяц
Скоро на этот адрес придет письмо. Подтвердите подписку, если всё в силе.
Похожие публикации
Теория Большого взрыва для детей
Спросите Итана №49: отвергают ли космические неизвестные теорию Большого взрыва?
Илон Маск появится в серии «Теории большого взрыва»
Вакансии
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут
Минуточку внимания
Комментарии 44
И немного копипасты:
Опубликованный в 1998 году в журнале Nature опрос показал, что в США процент верующих минимален среди НАИБОЛЕЕ ВЫДАЮЩИХСЯ УЧЕНЫХ (членов Национальной академии наук) — только 7 % (!) опрошенных. При этом среди РЯДОВЫХ учёных количество верующих сохранилось на том же уровне, как и в предыдущем аналогичном опросе, проводившемся в 1914 году, и составило около 40 %.
www.skeptik.net/ism/sci_god.htm (русская версия)
www.stephenjaygould.org/ctrl/news/file002.html (оригинал)
В 1998 году Frank Sulloway и Michael Shermer провели в США опрос среди профессоров и выпускников ВУЗов. Исследование показало, что 64 % опрошенных верили в бога (то есть промежуточное значение между таковым для академиков — 7% и средним по стране — 90%). Было замечено УМЕНЬШЕНИЕ ЧИСЛА ВЕРУЮЩИХ С ПОВЫШЕНИЕМ УРОВНЯ ОБРАЗОВАНИЯ.
Shermer Michael How We Believe: Science, Skepticism, and the Search for God. — New York: William H Freeman. — P. pp76—79.
Согласно исследованию Mensa Magazine, такая же обратная зависимость между религиозностью и образованностью была установлена в 39 исследованиях (!), проведённых с 1927 по 2002 годы.
Bell, Paul. «Would you believe it?» Mensa Magazine, UK Edition, Feb. 2002, С. 12-13.
Эти результаты соответствуют статистическому мета-анализу профессора Майкла Аргайла (англ. Michael Argyle). Он проанализировал семь исследовательских работ по зависимости между отношением к религии и коэффициентом интеллекта. Была выявлена чёткая обратная зависимость: ЧЕМ ВЫШЕ ИНТЕЛЛЕКТ, ТЕМ НИЖЕ РЕЛИГИОЗНОСТЬ.
Argyle Michael Religious Behaviour. — London: Routledge and Kegan Paul. — P. 93—96.
Источник
Реликтовое излучение, часть 1: улики «Большого взрыва»
Как космическое микроволновое фоновое излучение – остаточное свечение Большого взрыва – продолжает проливать свет на рождение нашей Вселенной
Анонс результатов работы BICEP2, показавший первое свидетельство того, что гравитационные волны могли появиться в ранней Вселенной, подогрел интерес к космологии у учёных и всех остальных. Гравитационные волны могут поляризовать КМФИ, остаточное свечение Большого взрыва, определённым образом, и именно поляризационный сигнал был обнаружен BICEP2, расположенным на Южном полюсе. Но самые последние данные поступили с телескопа Планка, и судя по ним, большая часть результатов BICEP2 может быть объяснена не гравитационными волнами, но близлежащей пылью, закрывающей наблюдаемое нами КМФИ.
Нам нужно ждать получения дополнительных данных, как от совместной работы BICEP2 и Планка, так и от других экспериментов, чтобы определить, какую долю в отнесённых на счёт гравитационных волн данных заняла космическая пыль. Ясно одно: научные блоги и новостные сайты будут следить за новыми открытиями. Этот текст – попытка помочь авторам будущих статей о новых исследованиях в КМФИ-космологии войти в контекст, начиная с основ КМФИ, как оно сформировалось и что оно может нам рассказать. Основной темой статьи будет интенсивность КМФИ (мы называем её температурой), а в следующей статье я подробнее поговорю о поляризации.
История
Первое обнаружение КМФИ в 1964 году произошло случайно. Арно Пензиас и Роберт Уилсон работали над экспериментом в лаборатории Белла, и использовали надувные шары в качестве отражателей для передачи коммуникаций в микроволновом диапазоне между двумя точками. Для этого им нужно было узнать, не повлияет ли на их измерения какой-либо фоновый шум. Они обработали практически все шумы, кроме одного: однородного микроволнового излучения на 2,73 К, которое, как потом оказалось, появилось через 380 000 лет после Большого взрыва.
Со времени обнаружения (за которое учёные получили Нобелевскую премию по физике в 1978), несколько экспериментов на Земле и в космосе измеряли КМФИ со всё возрастающей точностью. В 1992 году эксперимент Cosmic Background Explorer (CoBE) провёл первые наблюдения за неравномерностью излучения – небольшими изменениями температуры, в 100 000 раз меньшими, чем средняя фоновая температура в 2,73 К. Затем Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) расширило наши познания о неравномерностях температур в 2003 году, а в 2013 Планк выдал самое точное измерение на сегодняшний день. Новые эксперименты не только увеличивают точность температурных измерений, но и уменьшают угловые размеры погрешностей.
Что такое КМФИ?
До формирования КМФИ обычными компонентами Вселенной были свет (фотоны), ядра водорода и гелия, и свободные электроны. (Да, были ещё нейтрино и тёмная материя, но о них в другой раз). Поскольку свободные электроны заряжены отрицательно, они взаимодействуют с фотонами в так называемом рассеянии Томсона. Если фотон и электрон пересекаются, они отскакивают друг от друга, как бильярдные шары. В то время у фотонов была очень большая энергия, и средняя температура Вселенной была больше 3000 К. Такая температура держала электроны в свободном состоянии, поскольку энергия фотонов превосходила энергию ионизации атомов: энергию, необходимую для вышибания электрона из атома. Вместо того, чтобы оставаться привязанными к положительно заряженным ядрам водорода и гелия, электроны почти сразу же выбивались фотонами.
Два этих эффекта, фотоны, занимающиеся ионизацией атомов, и фотоны, взаимодействующие с электронами, приводят к важным последствиям. Большая частота взаимодействий означает, что фотон не улетит далеко до того, как снова столкнётся с электроном и поменяет направление. Представьте вождение в густом тумане, когда фары впереди идущей машины не видны, поскольку свет рассеивается на молекулах воды. Именно так было и во Вселенной до появления КМФИ – свет полностью поглощался туманом свободных электронов (часто говорят о непрозрачной Вселенной). Комбинация непрозрачности и рассеяния Томсона и придают КМФИ однородную температуру во всех направлениях.
Также известно, что в районе однородной температуры КМФИ должны быть небольшие флюктуации, поскольку высокая частота взаимодействий говорит о наличии фотонов везде, где присутствует материя. Вы могли слышать, что КМФИ даёт нам информацию о содержании тёмной материи во Вселенной, или что холодные и горячие места КМФИ соответствуют более или менее плотным регионам – и вот почему. Тёмная материя не взаимодействует с обычной, поэтому она способна собираться в плотные сгустки, в то время, как фотоны задерживаются туманом из свободных электронов. Гравитационное притяжение сгустков тёмной материи собирает вместе ядра и электроны, а вместе с ними – и фотоны.
Флюктуации температуры фотонов, наблюдаемые нами в КМФИ, непосредственно говорят нам о том, где была расположена материя 13 миллиардов лет назад. (И если вас не впечатляет, что космологи смогли зарегистрировать КМФИ, знайте, что наблюдаемые флюктуации температуры в 100 000 раз меньше, чем 2,73 К – это уже микрокельвины!)
В то же время пространство расширялось и растягивались волны фотонов. Энергия фотона связана с длиной его волны, и чем длина больше, тем энергия меньше. В конце концов расширение так растягивает фотоны, что их энергия падает ниже энергии ионизации. И в этот момент электроны комбинируются с ядрами и получают нейтральный водород и гелий (и некоторые другие вещи), а фотоны получают возможность беспрепятственного распространения.
Момент формирования нейтральных атомов называется рекомбинацией, и часто описывается, как превращение Вселенной в прозрачную. Фотоны, вырвавшись за пределы электронного тумана, могут путешествовать в направлении, в котором они в конце концов встретят Землю и наши датчики КМФИ! Краткий момент между рассеянием фотонов и формированием нейтральных атомов называется поверхностью последнего рассеяния. Именно его и показывает нам КМФИ. Поскольку Вселенная была непрозрачной до этого момента, мы буквально не сможем ничего увидеть.
Так что с этими картами?
Лучшей способ извлечь информацию из карт распределения КМФИ – подсчитать энергетический спектр, и вы наверняка встречали один из них в научно-популярных статьях. Связь между горячими и холодными участками может сбить с толку, но на самом деле всё очень просто.
Для понимания этой связи обратимся к простой волновой форме. У любой непериодической плавной волны, которую вы можете найти или нарисовать, есть одно важное математическое свойство: её можно записать как сумму множества разных периодических волн с определёнными частотами и амплитудами. Волну можно описать в реальном пространстве, то есть построить на осях x и y. Но её можно описать и через гармоническую функцию, то есть построить зависимость частот, которые нужно суммировать, от амплитуд каждой из них. На гифке доступно показана связь между волной, тем, как её можно разбить на сумму разных частот, и как это всё связано с гармонической функцией. Для людей с математическим образованием можно просто сказать, что это преобразование Фурье.
Если вместо волн на плоскости представить волны на поверхности, это и будет КМФИ – шаблон горячих точек (пиков) и холодных точек (провалов), расположенный на поверхности последнего рассеяния. Вместо одного изображения температурных флюктуаций КМФИ, можно записать их как сумму различных шаблонов, каждый из которых соответствует определённой моде или мультиполю.
Графики спектра мощности КМФИ показывают, насколько сильна каждая мода, и после их суммирования они воспроизводят картинку КМФИ.
Гениальная идея спектра мощностей в космологии в том, что мы можем делать предсказания о его виде на основе наших представлений о Вселенной. Стандартная модель для космологии называется LambdaCDM, то есть Lambda (тёмная энергия) Cold Dark Matter, и для большинства мультиполей она замечательно совпадает с температурным спектром КМФИ. В самых маленьких мультиполях наблюдаются некие странности, многие из которых хорошо описаны тут.
Пока что шло только обсуждение температуры наблюдаемого КМФИ, но у фотонов есть ещё и поляризация. Поскольку свет – это электромагнитная волна, у него есть интенсивность и ориентация относительно базовой системы координат. Направление ориентации – это поляризация, и причина, по которой тёмные очки так хорошо блокируют блики. Они отфильтровывают световые волны, ориентированные в одном и том же направлении, обычно отразившиеся от плоской поверхности. Поляризация КМФИ (которая бывает двух видов, Е-моды и В-моды), раскладывается на спектр мощностей так же, как температурные флюктуации.
Эти спектры добавляют ещё больше информации о нашей ранней Вселенной, возможно даже, смогут найти доказательства существования доисторических гравитационных волн. Но смогут ли? Именно этот конфликт между Планком и BICEP2 учёные пытаются разрешить!
Источник