История времени: суперкомпьютер вычислил начало Вселенной
Профессор Майкл Норман из лаборатории вычислительной астрофизики Университета Калифорнии в Сан-Диего опубликовал обзор компьютерных симуляций эволюции ранней Вселенной, выполненных в суперкомпьютерном центре Сан Диего за последние годы. Эта работа позволяет восстановить один из самых загадочных этапов мироздания — время, когда из облака горячего газа наша Вселенная превратилась в то, что мы видим сейчас.
О том, как начиналась Вселенная, многие знают из замечательной книги Стивена Хокинга «Краткая история времени». После Большого взрыва мир представлял собой плотное и горячее месиво из всевозможных элементарных частиц. Через 380 000 лет эта материя остыла настолько, что электроны соединились с протонами, образовав атомы водорода. Это событие называется «рекомбинацией». Мир, в котором до этого любое электромагнитное излучение тотчас же поглощалось, внезапно стал прозрачным для света. Однако ничего особенно интересного в нем рассмотреть было нельзя — за исключением отсветов того самого горячего газа, испущенных за мгновения до рекомбинации. Астрономы и сейчас могут регистрировать эти отсветы, и они образуют так называемое «реликтовое излучение», несущее информацию о раннем детстве Вселенной.
Однако после рекомбинации мироздание продолжало развиваться. Газ начал собираться в сгустки под действием гравитации, пока наконец из него не сформировались первые звезды — огромные и очень яркие. Стали образовываться первые галактики. Их свет — в основном ультрафиолетовое излучение — вновь начал отрывать электроны от протонов. Этот процесс называется «реионизацией».
Период развития Вселенной от образования самых первых звезд до «реионизации» получил в космологии поэтичное название «космический рассвет» — Cosmic Dawn. К концу этого миллиарда лет звездное небо уже выглядело в целом очень похоже на то, что мы видим сейчас у себя над головами.
К сожалению, наблюдать этот этап развития космоса астрономам пока не под силу. Они могут регистрировать и изучать реликтовое излучение, несущее информацию о Вселенной моложе 380 000 лет, а также излучение самых дальних галактик — космический телескоп Hubble видит их в тот момент времени, когда Вселенная была чуть старше миллиарда лет, то есть в самом конце эры «космического рассвета. Однако о том, что происходило в этом самом интересном промежутке — когда небо впервые озарилось светом звезд — астрономические наблюдения пока ничего сообщить не могут, и космологи полагаются только на компьютерные симуляции.
Взрослеть вместе с компьютерами
Чтобы воссоздать ранние этапы истории Вселенной, в конце 1990-х годов была разработана компьютерная программа Enzo — открытый код, в дальнейшем усовершенствованный тысячами исследователей и любителей-энтузиастов.
Делает она приблизительно вот что: берет кубический объем пространства, заполненный газом, и решает уравнения, определяющие, как этот газ себя поведет. Тогда, в 1990-х годах, быстродействие компьютеров позволяло решить подобные задачи лишь весьма приблизительно. Однако с конца 1990-х годов действовал «Закон Мура для суперкомпьютеров»: быстродействие вычислительных машин удваивалось каждые 18 месяцев. Расчет показывает, что за 18 лет с момента публикации первых программ Enzo расчеты должны были ускориться в 4000 раз. На деле, по оценкам профессора Нормана, развитие шло чуть быстрее, чем предполагает закон Мура, и ускорение составило около 10 000 раз. Тем временем развивалось и само программное обеспечение Enzo. В результате к настоящему моменту удалось рассчитать все события, приведшие к образованию нашей Вселенной, с беспрецедентной точностью.
Профессор Норман демонстрирует возможности метода, предлагая сравнить реальное изображение удаленной галактики, полученное с помощью телескопа Hubble, с компьютерным предсказанием, как должна была бы выглядеть эта галактика — вернее, соответствующий объем газа, на протяжении миллиарда лет эволюционировавший по законам физики. Картинки практически идентичны с единственным исключением: компьютерная симуляция богаче деталями, а полученное с телескопа изображение более размыто (все же речь идет об объекте, имеющим показатель красного смещения z=15, то есть свет его был испущен в тот момент, когда Вселенная была в 15 раз меньше, чем сейчас).
Карликовые галактики и черные дыры
Компьютерная симуляция помогла восстановить многие интересные черты эволюции Вселенной. Первоначально облака водорода сгустились и дали начало одиночным, очень массивным (в сотни раз тяжелее Солнца) и ярким, звездам. Внутри таких звезд сформировались первые тяжелые элементы, литий и бериллий. Однако звезды-гиганты жили недолго, и в момент их смерти родились — и распространились по космосу — все химические элементы вплоть до железа. Эти элементы участвовали в образовании нового поколения звезд.
Профессор Норман поясняет, что сверхмассивные звезды первого поколения могут образовываться до сих пор в небольших галактиках, где есть достаточно темной материи, чтобы охладить облака гелия и водорода. Однако в условиях, когда газы ионизируются светом уже существующих звезд, результатом эволюции такого облака будет не рождение звезд, а гравитационный коллапс в сверхмассивную черную дыру.
Существование металлических примесей позволяет сформировать звезды, которые будут гораздо мельче, но многочисленней, чем звезды первого поколения. На этом этапе возникают объекты, которые уже можно назвать галактиками — сгустки темной материи, звезд и обогащенного металлами газа. Эти галактики меньше тех, что мы наблюдаем сейчас: интенсивное излучение молодых звезд рассеивает газ из районов активного звездообразования. Именно излучение таких галактик и доводит до конца процесс «реионизации» — на этом эру «космического рассвета» можно считать завершенной. О том, что случилось дальше, мы уже можем узнать, просто наблюдая в телескопы далекие окраины Вселенной.
Каков практический смысл подобных исследований? По словам профессора Нормана, главная их цель — утоление научного любопытства. Другая цель — проверка и уточнение законов физики: сравнение результатов компьютерной симуляции и наблюдаемых объектов во Вселенной позволяет делать заключения о том, насколько точны предпосылки, лежащие в основании моделей. Симуляции также позволят объяснить и интерпретировать будущие наблюдения астрономов.
Наконец, есть и третий аргумент: подобные исследования подталкивают как развитие компьютерной техники, так и разработку нового ПО. Вспомним, что развитие интернета началось с создания сети ARPANET, предназначенной исключительно для нужд научного исследования. К каким будущим технологическим прорывам приведут усилия людей, занимающимися компьютерной симуляцией ранней Вселенной, пока предсказать невозможно. Очевидно лишь, что любопытство ученых лежит в основе всего развития технологий, и такая ситуация сохранится в будущем.
Источник
Строение и эволюция Вселенной
Строение Вселенной
Гипотезы о строении и эволюции Вселенной выдвигались еще в античности. Уже когда появилось учение Коперника многим интересующимся данной темой было ясно, что Земля — это лишь песчинка в огромном океане космоса. С развитием астрономии выяснили, что расстояние до максимально удаленных объектов Вселенной составляет приблизительно 45,7 млрд световых лет ($4.3×10^<23>$м). И в таких масштабах Вселенная имеет однородную нитевидную структуру. Вещество во Вселенной распределено в нитевидных сверхскоплениях галактик, области между которыми составляют размеры порядка нескольких миллионов световых лет и не имеют светящегося вещества.
Сверхскопление — это группа скоплений галактик, содержащая от двух до двадцати скоплений. Каждое скопление — это гравитационно-связанная система нескольких галактик, имеющая диаметр порядка десятков миллионов световых лет и массу порядка $10^<14>-10^<15>$ солнечных масс.
Рис. 1. Крупномасштабная структура Вселенной.
Эволюция Вселенной
Изучение Вселенной показывает, что ее размер со временем увеличивается — Вселенная расширяется. Процесс расширения Вселенной начался 14 млрд лет назад из плотного компактного состояния в результате события, называемого Большим взрывом.
Планковская эпоха
Схема эволюции Вселенной такова. В самые ранние моменты жизни (от нуля до $ <10>^ <-43>$с, планковская эпоха) вещество имело плотность порядка $ <10>^ <97>$ кг на м³ и температуру порядка $ <10>^ <32>$К. Квантовые эффекты преобладали над остальными, а все фундаментальные взаимодействия существовали в виде одного общего взаимодействия.
Ранние этапы эволюции Вселенной
Эта эпоха началась с отделения гравитации от общего электроядерного взаимодействия. Плотность вещества в эту эпоху упала до уровня $10^<74>$ кг на м³, а температура — до $10^<27>$К. Отделение гравитации привело к нарушению симметрии в молодой Вселенной и заложило основу для неоднородности в ней. Сама Вселенная в этот момент представляла кварк-глюонную плазму.
Ко времени $10^<-35>$с температура во Вселенной упала настолько, что свободные кварки и глюоны начали объединяться в адроны, в том числе в протоны и нейтроны — основу вещества будущей Вселенной. Сильное взаимодействие отделилось от электрослабого. Адроны обрели стабильность, причем одновременно существовали как частицы, так и античастицы.
Лишь ко времени $10^<-6>$с плазма охлаждается настолько, что частицы и античастицы начинают аннигилировать с образованием большого числа фотонов. Небольшое нарушение симметрии обусловило избыток вещества над антивеществом.
Далее по мере уменьшения плотности и температуры возникает возможность нуклеосинтеза: протоны объединяются в ядра, электроны занимают места в электронных оболочках. Этот процесс начинается примерно через 300 тыс. лет после Большого взрыва.
Рис. 2. Эволюция Вселенной.
Современная эпоха
Нуклеосинтез завершается образованием во Вселенной 75 % водорода, 25 % гелия и следов других элементов. Ко времени 800 млн лет после Большого взрыва начинается эра вещества. Газ, заполняющий Вселенную, начинает образовывать неоднородности и сгустки. Средняя температура в это время во Вселенной опустилась до тысяч кельвинов, что недостаточно для ядерных реакций.
Однако по мере сгущения протозвездных облаков давление и температуры в их ядрах вновь начинают повышаться, что приводит к «зажиганию» термоядерных реакций, и во Вселенной появляются первые звезды. Звезды объединяются гравитацией и движением в галактики, те — в скопления галактик.
Рис. 3. Местная группа галактик.
Что мы узнали?
Вселенная образовалась 14 млрд лет назад в результате Большого взрыва. По мере расширения плотность и температура падали, что привело к образованию вещества, облаков газа, а впоследствии и звезд. В самом крупном масштабе Вселенная имеет волокнистую структуру сверхскоплений и областей без излучающего вещества.
Источник
Естествознание.ру
Вселенная
Появление эффективных инструментов измерения и исследования космоса позволило постепенно приблизиться к ответам на самые глобальные вопросы. Как устроен весь мир? Когда появилась Вселенная? По каким законам она существует и развивается? Изучая законы Вселенной, чужие галактики, звезды и планетные системы, мы изучаем себя. Мы начинаем понимать, как родилась Солнечная система и каково ее будущее, как устроена наша планета и какова ее ближайшая судьба.
Каждая светящаяся точка галактики — звезда. Многие звезды имеют свою систему планет. Все объекты Вселенной взаимодействуют по законам Ньютона и Эйнштейна: спутники вращаются вокруг своих планет, планеты — вокруг звезд, а звезды галактик — вокруг галактических центров.
Кратко о Вселенной
- Описание: астрономическая модель мира, в котором существуют наша планета, звезда, галактика, а также все остальные планеты, звезды и галактики вместе взятые.
- Возраст: примерно 14 млрд лет.
- Размер: бесконечна (по одной из научных теорий).
Структура и объекты Вселенной
Если бы существовала возможность улететь на сверхмощном космическом корабле на достаточное расстояние от нашей Вселенной, что же мы увидели бы в иллюминаторах, оглядываясь назад? Масштабные сгустки космического газа, яркие точки на черном фоне, а также скопления этих точек, где-то редкие, где-то частые, сливающиеся в единое свечение. Разберемся, как ученые представляют себе нашу Вселенную.
Космический наблюдатель и его выводы
В 2009 г. на орбиту Земли был выведен астрономический спутник-обсерватория «Планк» с грандиозной миссией — изучить ни много ни мало строение Вселенной. В 2013 г. ученые озвучили выводы, сделанные на основе наблюдений «Планка». Эти данные очень необычны. В общей структуре массы и энергии Вселенной все звезды и планеты составляют лишь ничтожные 0,4%, еще 3,6% приходится на галактический газ и пыль. Почти полностью, на 95%, Вселенная состоит из того, что называют темной энергией и темной материей.
Такова структура всей Вселенной, как ее видят ученые-физики и астрономы из НАСА. Каждая точка — это отдельная галактика. Цветом показана яркость галактик — от голубого и синего (самые яркие) до алого и бордового (самые тусклые).
Темная энергия
Основой Вселенной является темная энергия, на нее приходится примерно 68,2% массы и энергии всего сущего. Темная энергия никак не связана с темной материей, просто ученые не очень удачно подобрали названия для этих двух субстанций. Темная энергия — это энергия, заполняющая все пространство Вселенной. Она возникла во время Большого взрыва.
Темная материя
Почему космос черного цвета? Ученые говорят, что это благодаря темной (или же черной) материи. Ею заполнено примерно 26,8% Вселенной. А черная она потому, что не испускает ни светового, ни электромагнитного излучения. Она не видна ни в одном из известных нам диапазонов. На фоне темной материи светятся космические туманности.
Созидатель и разрушитель
В чем отличие темной энергии от темной материи? Темная материя обволакивает галактики, скрепляя их своей массой. Темная энергия же постоянно и неуклонно провоцирует расширение Вселенной, то есть ее разрушение. Предполагается, что через многие триллионы лет темная энергия разорвет не только всю темную материю, но и галактики, звезды и даже планеты.
Изучение Вселенной Альбертом Эйнштейном
Величайший физик-теоретик современной науки Альберт Эйнштейн (1879-1955) известен как автор общей теории относительности, которая описывает законы существования Вселенной. Альберт Эйнштейн доказал, что гравитация возникает при деформации пространства и времени массой тела. Если представить себе пространство и время в виде плоской поверхности, то массивные тела типа Земли или Солнца образуют в них «лунки».
Изучение Вселенной Исааком Ньютоном
Исаак Ньютон (1642—1727) — великий английский физик, математик, механик и астроном. Автор закона всемирного тяготения, в котором математическими формулами описал принцип взаимодействия тел. Согласно общеизвестной легенде, закон тяготения Ньютон открыл, наблюдая падение яблока.
Галактики
Одна из точек Вселенной — галактика. Изображенная ниже галактика принадлежит к спиралевидному типу, имеются также эллиптические, неправильные и линзовидные галактики. Такова структура всей Вселенной. Каждая точка — это отдельная галактика. Цветом показана яркость галактик: от голубого и синего (самые яркие) до алого и бордового (самые тусклые).
Галактики объединяются в группы галактик, такие группы образуют скопления и сверхскопления. Последние выстраиваются в нити и цепочки.
Развитие Вселенной
- Космическое событие, согласно общепринятой теории, положившее начало всей материи и времени,— Большой взрыв. С момента этого события прошло примерно 14 млрд лет.
- Через 300 млн лет после Большого взрыва начали формироваться первые звезды, а после миллиарда лет сформировались галактики.
- Через 100 млрд млрд лет соседние галактики разойдутся на такие расстояния, что перестанут быть видимы.
- Через 100 триллионов млрд лет погаснет большая часть звезд, и во Вселенной будут преобладать черные дыры.
- Процесс образования звезд окончательно прекратится через триллион триллионов лет. Вся энергия Большого взрыва исчерпается, и во Вселенной наступит полная темнота.
Скорости и расстояния во Вселенной
Земная система измерения космических расстояний для масштабов Вселенной подходит плохо. Чтобы описать расстояния в космосе в километрах, придется оперировать числами со многими нулями: миллионами, миллиардами, триллионами (соответственно 1 000 000, 1 000 000 000 и 1 000 000 000 000). Это очень неудобно. Поэтому ученые разработали систему астрономических величин. Познакомимся с ними.
Сколько километров проходит свет за год?
Световой год (св. г.) — расстояние, проходимое светом за один земной год. Скорость света составляет немыслимую цифру 299 792 458 м/с, или 1 079 252 849 км/ч. За год свет проходит гигантское расстояние — 9 460 730 472 580 км (примерно 63 200 а. е.). Можно подсчитать, что максимальный радиус области гравитационного влияния Солнца (1) составляет примерно 2 св. г., или 125 000 а. е.
Максимальная единица измерения длины
Самая большая единица космического расстояния — парсек (пк). 1 пк = 206 265 а. е. — 3,26 св. г. К примеру, расстояние от Солнца (2) до ближайшей звезды нашей галактики, Проксима Центавра (3), составляет 1.3 пк, или 4,2 св. г., или 265 000 а. е. Звезда Солнце располагается от центра своей галактики на расстоянии приблизительно 26 000 св. лет, или около 7200 пк (4).
Несколько примеров космических расстояний
Ближайшая к нам галактика — Андромеда — находится на расстоянии 2,5 млн св. лет, или около 770 000 пк (5). Диаметр диска нашей галактики составляет 100 000 св. лет, или около 30 000 пк (6). Диаметр диска галактики Андромеда составляет 260 000 св. лет, или примерно 80 000 пк (7).
Астрономическая единица (а. е.) — это базовая единица измерения расстояний в астрономии, приблизительно равная средней дистанции от Земли до Солнца. 1 а. е. равна в точности 149 597 870 700 м, но чаще всего ее величину округляют до 149,6 млн км (8).
Быстрее пули
Живя своей обычной жизнью, мы даже не представляем, с какими поистине космическими скоростями мы передвигаемся через пространство Вселенной. Планета Земля вращается вокруг Солнца со скоростью 29,78 км/с. Много это или мало? Один километр в секунду — это 3600 км/ч, то есть скорость Земли составляет 107 208 км/ч. Для сравнения: начальная скорость пули автомата Калашникова составляет 715 м/с, что равно 2574 км/ч. То есть Земля и все, что на ней расположено, включая читателя этих строк, несется вокруг звезды примерно в 40 раз быстрее пули!
Куда мы летим?
Солнечная система находится в движении относительно центра нашей галактики. Скорость составляет около 40 а. е. в год, или 200 км/с. Наша галактика также не стоит на месте, а сближается с галактикой Андромеды со скоростью 100-150 км/с. Местная группа галактик, включая Млечный Путь, движется к скоплению Девы (ближайшая к нам группа галактик) со скоростью 400 км/с.
Источник