Почему вселенная заполнена веществом почти однородно

LiveInternetLiveInternet

—Рубрики

Авиация (149)
Астрономические явления (17)
Атмосферные конвективные явления (13)
Атмосферные оптические явления (30)
Атмосферные электрические явления (13)
Бабочки (20)
ВАТИКАН (23)
Владимир Джанибеков (8)
Водолей (20)
Вокруг Солнечной системы (80)
Вопрос-Ответ (2333)
Габсбурги (16)
Гаремы (7)
Далёкий космос (111)
Дальние страны (1207)
ДИНАСТИИ (39)
Дорога — это жизнь (39)
ДОСЬЕ (40)
Животные (534)
Загадки истории (445)
ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЕ ИМЕНА (859)
Замки и Дворцы (27)
ЗАПОВЕДНИКИ (13)
ЗДОРОВЬЕ (263)
Земля (140)
ЗЕРКАЛО (5)
Искусство (674)
Истории любви (183)
ИСТОРИЯ (2344)
История одного стихотворения (2035)
История одной картины (1117)
Книги для детей (256)
Краса ветвей зависит от корней (29)
КУЛЬТУРА (248)
Легенды и мифы (179)
ЛИТЕРАТУРА (274)
ЛИТЕРАТУРНЫЕ ГЕРОИ (201)
ЛИЦА ИСТОРИИ (496)
ЛИЦА РАЗВЕДКИ (159)
ЛЮДИ (528)
Люди-легенды (120)
МАЯКИ (9)
Микеланджело Буонарроти (29)
Микробиология: ВИРУСЫ и БАКТЕРИИ (29)
МИКРОмир (16)
Мода (51)
Москва (74)
Музеи (123)
Наполеон Бонапарт (68)
Насекомые (105)
НАУКА (609)
Облака (14)
Оружие (23)
ОТКРЫТИЯ и ИЗОБРЕТЕНИЯ (250)
ПАРАЗИТЫ (23)
Первые среди равных (195)
ПЛАНЕТАРИЙ (81)
Поэзия (751)
Праздники (52)
Притчи (34)
Проза (475)
Прошлое и настоящее Ташкента (203)
Психология (80)
Птицы (214)
Растения (120)
Рекорды (19)
РОЗА ВЕТРОВ (22)
Романовы (103)
Россия (1214)
Сады и парки (36)
Самарканд — столица Тамерлана (22)
Санкт-Петербург (112)
Символы (161)
Скульпторы (38)
СЛОВАРЬ (76)
Соборы и Мечети (65)
СПИРАЛЬ ВРЕМЕНИ (23)
Судьбы человеческие (1581)
ТАЙНЫ и ЗАГАДКИ (368)
Ташкент (18)
Узбекистан (213)
Фарфор (8)
ФЕНОМЕН (167)
ФИЛАТЕЛИЯ (187)
Фотографии (521)
ФОТОГРАФЫ и их фотографии (187)
Фра Беато Анджелико (13)
ХУДОЖНИКИ (776)
ЦВЕТЫ (48)
ЧАЙ (24)
ЧЕЛОВЕК и ПРИРОДА (44)
ЧТОБЫ ПОМНИЛИ (734)
ЭВОЛЮЦИЯ (19)
ЭКСПЕДИЦИИ и НАХОДКИ (289)
ЭПОХА СССР (413)
ЮСУПОВЫ (21)

—Поиск по дневнику

—Подписка по e-mail

—Интересы

—Постоянные читатели

—Сообщества

—Статистика

ПОЧЕМУ ВСЕЛЕННАЯ ЗАПОЛНЕНА ВЕЩЕСТВОМ ПОЧТИ ОДНОРОДНО?

Вопрос-Ответ

Потому что вещество расширялось вместе с пространством.

Рождение скоплений галактик в области размером 140 млн. световых лет. В более крупных масштабах вещество остается однородным. На кадрах модели указано время: ПБВ — после Большого взрыва, ДНВ — до нашего времени

При обычном взрыве вещество разлетается из одной точки. Однако применительно к рождению Вселенной слово «взрыв» лишь метафора. Вещество не разлеталось из единой точки, а расширялось одновременно с пространством. На первых этапах (строго говоря, еще до Большого взрыва) это расширение шло так быстро, что любая неоднородность в мгновение ока раздувалась до размеров видимой сегодня части Вселенной. Этот процесс называют инфляционной стадией развития Вселенной, или просто инфляцией. Она обеспечила однородное наполнение пространства материей. И уже потом эта материя стала дробиться на облака, из которых рождались галактики и звезды.

Источник фото: Simulations were performed at the National Center for Supercomputer Applications by Andrey Kravtsov (The University of Chicago) and Anatoly Klypin (New Mexico State University), Visualizations by Andrey Kravtsov

Источник

Подозрительно гладко: Вселенная показалась ученым чересчур однородной

Международная команда ученых получила удивительный результат: галактики разбросаны по космосу более равномерно, чем можно было ожидать исходя из господствующих теорий. Изменят ли новые данные наше представление о Вселенной?

Продукты взрыва

Сегодня практически никто из профессионалов не сомневается, что Вселенная в нынешнем ее виде возникла около 13,8 млрд лет назад в результате Большого взрыва. Биография мира реконструирована с младенчества. Мы знаем, когда образовались первые атомные ядра (уже через несколько минут после Большого взрыва), когда они объединились с электронами в первые атомы (через сотни тысячелетий) и когда зажглись первые звезды (через сотни миллионов лет).

Это не беспочвенные фантазии, а строгие теории, из которых следуют проверяемые факты. Причем многие факты, от реликтового излучения до точного химического состава звезд, были сначала открыты космологами на кончике пера, а уже затем подтверждены наблюдателями (с длинным списком таких подтверждений на английском языке можно ознакомиться здесь). Именно такие сбывшиеся прогнозы в науке служат главным признаком того, что теория работает.

При этом слово «теория» не должно вводить в заблуждение. Для ученых оно означает не нечто неподтвержденное, предполагающее возможные альтернативы, а просто модель, увязывающую между собой установленные факты и предсказывающую еще не установленные. Выражение «теория Большого взрыва» не означает, что Большой взрыв — это нечто сомнительное, так же как выражение «теория твердого тела» не означает, что кто-то сомневается в существовании твердых тел (кстати, примерно так же дело обстоит с биологическим термином «теория эволюции»).

Темные тайны

На сегодняшний день в космологии заслужено господствует Стандартная космологическая модель, она же ΛCDM-модель. Эта конструкция объединяет представления о Большом взрыве и расширении Вселенной с данными о таинственных субстанциях — темной материи и темной энергии.

Напомним, что темная материя представляет собой невидимое ни в какие телескопы вещество, которое проявляет себя только своей гравитацией. Сам факт существования темной материи установлен достаточно надежно, но вот ее природа загадочна. Несомненно, некоторую ее часть составляют очень тусклые астрономические объекты (холодный газ, черные дыры и так далее). Однако большинство специалистов считает, что львиная доля темной материи приходится на те или иные экзотические частицы, еще не открытые физиками-экспериментаторами, и вот это уже скорее популярная гипотеза, чем доказанный факт.

Темная энергия — это нечто, что придает расширению Вселенной ускорение. Именно за ее открытие Брайану Шмидту и Адаму Риссу в 2011 году была вручена Нобелевская премия по физике.

Сам факт ускоренного расширения Вселенной надежно установлен несколькими способами. Но о том, что собой представляет обеспечивающая его темная энергия, можно спорить. На данный момент теоретики считают, что это некое свойство вакуума.

Итак, ΛCDM-модель объединяет прекрасно проверенные концепции (Большой взрыв, расширение Вселенной, синтез первых атомных ядер, факт существования темной материи и темной энергии и многое другое) с хорошо аргументированными, но все-таки еще не доказанными гипотезами (например, о природе темной материи и темной энергии). Кое-где в ней есть и просто белые пятна, заполненные наиболее правдоподобными предположениями.

Это нормальная ситуация для научной теории. Только в религии и идеологии встречаются доктрины, в которых каждая буква провозглашается одинаково несомненной.

Все ли гладко во Вселенной?

Одна из важных концепций стандартной космологии — идея затравочных неоднородностей. Специалисты считают, что уже в первые мгновения жизни Вселенной вещество было распределено в пространстве не вполне равномерно. Более плотные скопления материи порождали и более сильную гравитацию. Это тяготение собирало вокруг неоднородности все новые массы вещества. От этого притяжение еще усиливалось, и так далее по замкнутому кругу. В конце концов вокруг крошечной изначальной флуктуации плотности возникала галактика, окруженная пустотой (точнее, чрезвычайно разреженным межгалактическим газом).

Впрочем, галактики — не самые впечатляющие объекты, возникшие из затравочных неоднородностей. «Зведные острова» объединены в скопления, а те — в сверхскопления. Из скоплений галактик состоят самые большие во Вселенной структуры — так называемые волокна (филаменты). Они образуют своего рода паутину или пчелиные соты, заполняющие пространство. Промежутки между волокнами — это пустоты (войды), в которых почти нет галактик.

При этом все достаточно большие (от сотен миллионов до миллиардов световых лет) участки этой паутины похожи друг на друга как две капли воды. Если вы видели один такой регион космоса, вы видели их все. Это свойство называется крупномасштабной однородностью Вселенной.

Но ученые не довольствуются избитыми сравнениями. Они измеряют однородность космоса количественно. Эта величина может многое рассказать о том, как устроен мир.

Дело в том, что у космологов есть два способа восстановить рисунок затравочных неоднородностей. Во-первых, они наблюдают циклопическую паутину волокон и войдов, которая в конце концов образовалась благодаря этим флуктуациям. А во-вторых, к услугам астрономов реликтовое излучение.

Это излучение отделилось от вещества еще в эпоху образования первых атомов. Но оно все еще хранит в себе следы того, как материя была распределена по космосу в те далекие времена. Реликтовое излучение неоднородно, потому что неоднородным было испустившее его вещество. Это привет пытливому человечеству от первых сотен тысяч лет истории Вселенной.

Следует отметить, что за открытие реликтового излучения тоже была присуждена Нобелевская премия по физике (Арно Пензиасу и Роберту Вильсону в 1978 году), и отдельной «нобелевки» в 2006 году удостоились первооткрыватели неоднородностей этого излучения Джон Мазер и Джордж Смут.

Когда у ученых есть два способа измерить одну и ту же величину, самое время сопоставить результаты. ΛCDM-модель предсказывает, как должны быть связаны между собой неоднородности реликтового излучения и степень (не-)однородности нынешней Вселенной с ее волокнами и войдами. Вот здесь и выяснился очень и очень интересный факт.

Ошибка или открытие?

Недавно международная команда исследователей из 18 научных центров направила в престижный журнал Astronomy & Astrophysics научную статью, препринт которой имеется в открытом доступе. В двух словах результат таков: современная Вселенная оказалась на 8% более однородной, чем ей следует быть согласно данным о реликтовом излучении. Это может говорить либо о неточностях измерений, либо о том, что в ΛCDM-модель пора вносить изменения.

Астрономы использовали данные обзора Kilo-Degree Survey (KiDS-1000), охватившего более 31 миллиона галактик на расстояниях до 10 млрд световых лет от Земли. Эти сведения авторы дополнили информацией из обзора 2-degree Field Lensing Survey (2dFLenS), в рамках которого наблюдалось более 70 тысяч объектов на тех же дистанциях. Также ученые обратились к обзору Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), включающему данные о более чем 1,5 млн галактик на удалении до 8 млрд световых лет.

Сопоставив все эти сведения, специалисты вычислили степень однородности Вселенной. И оказалось, что она на 8,3±2,6% больше, чем ожидалось исходя из свойств реликтового излучения.

Насколько надежны эти цифры? Ведь каждый результат измерения теоретически может оказаться ложной тревогой, продуктом небольших, но неизбежных случайных шумов в исходных данных.

Достоверность нового результата составляет 2 или 3 сигмы (в зависимости от способа расчета). Это значит, что вероятность его «шумовой» природы составляет либо 5% (при достоверности 2 сигмы), либо 0,2% (при достоверности 3 сигмы). По строгим научным стандартам такие цифры не позволяют уверенно заявлять об открытии. Есть примеры результатов с достоверностью 2–3 сигмы, которые при более точных измерениях рассеивались как дым.

Таким образом, обнаруженную излишнюю однородность Вселенной еще нельзя считать достоверно установленным фактом. Нужны расчеты, основанные на еще более обширных данных. Тогда, возможно, выяснится, что мы узнали нечто принципиально важное о мире, в котором живем, и космологи будут вынуждены внести коррективы в свои теории.

Источник

Спросите Итана №10: Почему Вселенная повсюду одинакова

Одна из самых трагичных человеческих черт – склонность откладывать жизнь. Мы все мечтаем о волшебном розовом саде за горизонтом, вместо того, чтобы наслаждаться розами, цветущими за нашим окном.

Я не очень разобрался в космической инфляции и проблеме горизонта. Мне кажется, ты уже рассказывал об этом, но я хотел бы услышать побольше деталей.

Вернёмся к началу.

Это – ваша Вселенная. Она простирается настолько далеко, насколько самые мощные телескопы могут заглянуть во всех направлениях. Они видят десятки тысяч галактик, разбросанных на расстояниях в десятки миллиардов световых лет во все стороны, куда бы мы не посмотрели. На крупном масштабе всё примерно такое же – плотности, температуры, типы стар и галактик, металличность звёзд (относительная концентрация элементов тяжелее гелия), и т.д. Всё, что мы видим – это чем дальше мы смотрим, тем более молодые вещи мы видим, и тем быстрее они удаляются от нас.

Всё это связано с расширением и эволюцией Вселенной. Три главных наших доказательства в контексте Общей теории относительности:

хаббловское расширение Вселенной – красное смещение связано с расстоянием до галактики
существование и свойства космического микроволнового фонового излучения (КМФИ) – почти безупречно однородное море излучения абсолютно чёрного тела во всех направлениях, с температурой чуть выше абсолютного нуля
изобилие лёгких элементов – водорода, дейтерия, гелия (гелия 3 и 4) и лития в молодой вселенной, до образования звёзд

говорят нам о том, что Вселенная эволюционировала и расширялась из более горячего и плотного состояния, и что в текущем состоянии она находится уже примерно 13.8 миллиардов лет. Долго, но не бесконечно. Эта парадигма известна как «Большой взрыв».

Но есть одна проблемка. 13.8 миллиардов лет Вселенная расширялась согласно законам ОТО, то есть скорость расширения пространства определялась набором изначальных условий и энергетическим содержанием вселенной (обычная материя, тёмная материя, излучение, нейтрино, тёмная энергия, пространственная кривизна, и т.д.). С этим всё хорошо – проблема состоит в том, что Вселенная однородна и имеет примерно одни и те же свойства во всех направлениях, куда бы мы не посмотрели.

Читайте также: Вселенная инженер с земли

Плотности и свойства кластеров галактик с одной стороны Вселенной идентичны тем, что с другой – как бы вы не делили Вселенную на части. Это должно быть странно, разве нет?

Ведь с момента Большого взрыва информация не могла передаваться быстрее скорости света. Мы можем видеть кусок Вселенной размером в 46 миллиардов световых лет потому, что на это расстояние смог пропутешествовать свет в расширяющейся Вселенной за последние 13,8 млрд. лет. Поэтому, если мы посмотрим в одну сторону на 23 миллиарда световых лет, а потом в другую сторону – мы можем ожидать, что эти два участка не будут связаны друг с другом.

Всё ещё непонятно? Приведу аналогию.

Представьте кипячение воды в кастрюле. Вы греете её снизу, и вода вскипает во всех местах одновременно. Между верхней и нижней частями воды нет разницы температур. Почему так?

Вы греете кастрюлю снизу, но вода нагревается везде. Это оттого, что её молекулы передвигаются, сталкиваются друг с другом и делятся своей энергией. Вода снизу обменивается энергией и информацией с водой сверху, и время, необходимое на этот обмен, гораздо меньше времени, необходимого для закипания.

Но это не всегда так.

На этой фотке лава стекает из действующего вулкана в океан. Когда лава, нагретая выше 1000 °C, соприкасается с водой, та сразу кипит. Но океан велик, а скорость распространения тепла конечна. Не слишком далеко от этого места температура воды уже практически не будет меняться из-за лавы. С практической точки зрения эти регионы разделены друг с другом, они не обмениваются информацией или свойствами.

Было бы странно, если бы разъединённые друг с другом регионы, которые не вступают в контакт друг с другом и не обмениваются информацией, имели одинаковую температуру. Но во Вселенной именно так всё и происходит.

Космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ) излучалось, когда Вселенной было всего 380000 лет, и в то время свет мог переместиться не более, чем на миллион световых лет в любом направлении. Если бы вы заполнили микроволновое небо кругами радиусом в миллион световых лет, вам бы потребовалось более десяти миллиардов независимых регионов, чтобы заполнить всё, что мы видим. И тем не менее, у этих регионов, не связанных друг с другом, температура, спектр и плотность одинаковые с точностью в 99,99%.

Эта проблема, когда регионы, не контактировавшие друг с другом, почему-то имеют идентичные свойства, называется проблемой горизонта.

Её можно решить следующим образом: может, у этих регионов и не было времени для обмена информацией друг с другом, но что, если после Большого взрыва они уже имели одинаковые свойства?

В общем, это и есть расширение: то, что случилось до Большого взрыва, что не только его подготовило, но и подготовило начальные условия, которые есть у нашей Вселенной. Взяли крохотный регион (возможно, бесконечно малый), расширили его экспоненциально, и он растянулся до размеров, больших, чем наблюдаемая Вселенная, при этом установив следующие правила:

любая материя, частицы, энергия или топологические дефекты, существовавшие в этом регионе до расширения, настолько уменьшаются в плотности, что останется не более одной такой частицы во всей Вселенной (решается проблема монополей)
какая бы кривизна у пространства ни была до расширения, расширение так её растягивает, что её становится не отличить от плоского пространства (решается проблема плоской вселенной)
какие бы вариации температуры и плотности в разных регионах космоса не существовали до расширения, наша обозреваемая Вселенная произошла от одного небольшого региона. Поэтому у Вселенной температура и плотность повсюду одинаковы (решается проблема горизонта)
квантовые флуктуации, происходившие во время расширения, привели к чёткому набору предсказаний флуктуации температуры и плотности в обозримой части Вселенной

Если же отбросить инфляционную теорию, то придётся замести три остальные проблемы (монополи, плоскую вселенную и горизонт) и одно предсказание (о спектре флуктуаций температуры и плотности Вселенной) под ковёр, и сказать: «Это просто начальные условия Большого взрыва», чтобы заставить вашу модель работать.

Или можно признать инфляционную модель – как простой, элегантный и непосредственный способ решения всех этих проблем.

Вот почему наша Вселенная, насколько мы знаем, одинаковая везде и во всех направлениях.

Источник