Ускоренное расширение вселенной нобелевская премия

Ускоренное расширение вселенной нобелевская премия

Трое лауреатов, американцы Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс, собрали доказательства того, что Вселенная расширяется с ускорением, наблюдая сверхновые типа Iа и используя их для измерения космологических расстояний.

Нобелевская премия по физике будет вручена космологам Солу Перлмуттеру (Saul Perlmutter), Брайану Шмидту (Brian Schmidt) и Адаму Риссу (Adam Riess), собравшим доказательства того, что Вселенная расширяется с ускорением.

Все лауреаты родились в США и обучались в американских университетах ( Гарвардском и Калифорнийском ). Стоит также отметить, что в 2006 году они уже получали престижную азиатскую Премию Шо с формулировкой, совпавшей с рескриптом Нобелевского комитета.

Гипотеза о том, что Вселенная расширяется, теоретически обоснована Александром Фридманом в начале ХХ века, а наблюдения Эдвина Хаббла, выполненные в конце двадцатых годов, стали её экспериментальным подтверждением. Чтобы оценить скорость расширения, астрономам нужно было найти какой-то класс объектов с известной светимостью («стандартных свечей»), которые можно использовать для измерения космологических расстояний. Самыми удобными и надёжными «свечами» оказались сверхновые типа Iа , вспыхивающие в тот момент, когда масса их предшественника — белого карлика — достигает хорошо известного предела Чандрасекара . Поскольку механизм взрыва универсален, все сверхновые типа Ia, находящиеся на одном расстоянии от нас, должны иметь примерно одинаковую светимость в максимуме, а наблюдаемая яркость вспышек, произошедших в разных галактиках, должна свидетельствовать о том, как сильно эти галактики удалены от Земли.

В конце прошлого века две исследовательские группы попытались составить массив экспериментальных данных по сверхновым типа Ia. Одна из них, Supernova Cosmology Project , приступила к работе в 1988-м, и руководил ею г-н Перлмуттер. Другая, возглавляемая Брайаном Шмидтом High-z Supernova Search Team , подключилась к исследованиям в 1994-м.

При обработке собранной информации учёные надеялись обнаружить замедляющееся расширение Вселенной. В получившей большую известность работе 1998 года, ведущим автором которой стал участник High-z Supernova Search Team Адам Рисс, было, однако, показано, что сверхновые типа Ia в галактиках, удаление которых определялось по закону Хаббла, имеют яркость ниже ожидаемой. Другими словами, расстояние до этих галактик, вычисленное по методу «стандартных свеч», превосходило дистанцию, рассчитанную по ранее установленному значению параметра Хаббла.

Отсюда следовало, что Вселенная расширяется с ускорением.

Этот неожиданный результат заставил космологов пересмотреть имеющиеся модели. Напомним: сейчас для объяснения ускоряющегося расширения Вселенной теоретики вводят понятие тёмной энергии .

Подготовлено по материалам Нобелевского комитета .

Источник

Нобелевская премия по физике 2011 года. Разогнавшие границы вселенной

Представления о том, как развивается Вселенная и какой она станет в будущем, менялись по мере совершенствования и методов наблюдения, и космологических теорий. Долгое время считалось, что Вселенная «необъятна, бесконечна и существует вечно». Об этом рассказывали в советских школах ещё лет 60 назад, хотя в 1916 году Альберт Эйнштейн создал свою теорию гравитации, общую теорию относительности. В 1922 году советский математик А. А. Фридман показал, что уравнения Эйнштейна описывают не стационарную, а эволюционирующую Вселенную. Она должна либо расширяться, либо сжиматься. Но ещё в 1914 году американский астроном Весто М. Слайфер обнаружил, что галактики не просто «висят» в космическом пространстве, а разлетаются с большой скоростью. Туманность Андромеды, например, несётся к нашей Солнечной системе, обнаруживая в своём спектре в силу эффекта Доплера синее смещение. Но подавляющее число далёких галактик убегают от нас, демонстрируя красное смещение спектра (см. «Наука и жизнь» № 4, 2011 г.). Спустя несколько лет астроном Эдвин П. Хаббл вывел зависимость величины красного смещения галактики от расстояния до неё — постоянную Хаббла. Наблюдения, подтверждённые расчётами, свидетельствовали, что Вселенная действительно расширяется. Тут же возникли вопросы: что вызвало это расширение и будет ли оно продолжаться бесконечно или же силы тяготения звёзд затормозят разлёт и стянут Вселенную в точку? Выбор одного из этих двух сценариев зависел от величины тяготения, то есть от массы Вселенной. Подсчитать её можно было, только замерив светимости звёзд, ибо зависимость
масса/светимость хорошо известна. Такой метод оказался слишком груб, с большими ошибками в оценках величины массы, и дальнейшая судьба Вселенной по-прежнему оставалась загадкой.

Но в 1937 году Фриц Цвикки, исследуя движения звёзд в скоплении Волосы Вероники, рассчитал массу скопления. Она оказалась в 500 раз больше той, которую давала светимость. Так была обнаружена тёмная материя, или скрытая масса. Природа её до сих пор непонятна, она не видна и проявляет себя только через тяготение. Но теперь уже стало ясно, что бесконечного расширения не будет.

Ответ на первый вопрос — что заставило Вселенную расширяться? — дал в 1948 году Г. А. Гамов. Он разработал теорию «горячей Вселенной», родившейся примерно 14 миллиардов лет назад из невообразимо малого объёма, сингулярности, в результате Большого взрыва и раздувания (инфляции) с огромной скоростью (см. «Наука и жизнь» №№ 11, 12, 1996 г.). И по всему выходило, что Вселенная развивается циклично. Разбегание галактик сменится их сближением, возникнет сингулярность, взрыв, и всё начнётся сначала.

Но прошло ещё 50 лет, и астрофизики преподнесли мировому сообществу очередной сюрприз. Трое исследователей из разных стран — Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Райс, проводя наблюдения за сверхновыми звёздами, обнаружили, что Вселенная не просто расширяется (об этом стало известно почти 60 лет назад), а расширяется с ускорением (см. «Наука и жизнь» № 3, 2004 г. и № 5, 2005 г.). Эта сенсационная весть была опубликована осенью 1998 года в авторитетном астрономическом журнале, вызвав огромный интерес и некоторый скепсис даже у самих авторов (они пытались обнаружить ошибку в расчётах, но её не было).

Сверхновые, которыми занимались Нобелевские лауреаты, — это старые звёзды, которые заканчивают своё существование мощнейшим взрывом. На некоторое время сверхновая становится ярче целой галактики с её миллионами звёзд, а затем рассеивается в пространстве, образуя туманность. Яркость сверхновых настолько велика, что их можно наблюдать вплоть до самых границ видимой Вселенной. А зная светимость сверхновой, несложно найти расстояние до неё. И вот тут-то и оказалось, что часть этих объектов находится значительно дальше, чем следовало из современной космологической модели. А это значит, что Вселенная всегда расширялась с ускорением. И «распирает» её некая «тёмная энергия», более мощная, чем энергия гравитации. И Вселенную, похоже, ждёт конец не в пламени очередного Большого взрыва, а в непроглядной тьме и космическом холоде.

О природе самóй «тёмной энергии» пока приходится только гадать. Ею может быть некое поле, энергия физического вакуума (который не просто пустота, а сложная квантовая система). Именно это поле 14 миллиардов лет назад вызвало инфляцию новорождённой Вселенной, но и теперь, понизив свою напряжённость в огромном объёме современной Метагалактики, продолжает разгонять её границы.

Источник

Нобелевская премия по физике досталась открывшим ускорение расширения Вселенной

Три исследователя, которые обнаружили, что Вселенная расширяется со все возрастающей скоростью получили Нобелевскую премию.

Премию поделят между собой Сол Перлмуттер и Адам Рисс из США, а также Брайан Шмидт из Австралии.

Наблюдая за сверхновыми типа 1а, они определили, что отдаленные объекты двигаются быстрее.

Их открытие предполагает, что Вселенная не просто расширяется, но делает это со все возрастающей скоростью.

Профессор Шмидт обратился к Нобелевскому комитету из Австралии.

«Ощущения такие, которые я испытывал только когда родились мои дети», — сказал он.

«У меня подламываются коленки, я очень взволнован и изумлен этим событием».

Чтобы объяснить ускоряющееся расширение, космологи выдвинули теорию о существовании так называемой темной энергии. Хотя ее свойства и природа остаются загадкой, согласно доминирующей теории, из темной материи состоит три четверти Вселенной.

«Это было моим излюбленным занятием, ведь нам представился прекрасный шанс найти ответ на нечто абсолютно фундаментальное: какова судьба Вселенной и является ли Вселенная конечной», — сказал профессор Перлмуттер.

Он возглавляет Supernova Cosmology Project с 1988 года, а профессор Шмидт и профессор Рисс начали работу над аналогичным проектом, High-z Supernova Search Team, с 1994 года.

Обе команда обнаружили одно и то же: отдаленные сверхновые ускорялись, что указывало на то, что Вселенная будет расширяться вечно.

«В последние четыре-пять лет работы между командами велась жесткая конкурентная борьба», — сказал профессор Перлмуттер.

«Две команды объявили о полученных результатах с разрывом всего в несколько недель и оба исследования пришли к одинаковым выводам, что явилось одной из причин быстрого принятия этих результатов в научном сообществе».

Это открытие привело к началу новой эпохи в космологии, которая ищет ответ на вопрос о причинах расширения.

Вручение Нобелевской премии проводится ежегодно с 1901 года в таких областях как медицина, физика, химия, литература и мир.

Источник

Общий вид на Вселенную: за что дали Нобелевскую премию по физике

Премия по физике была в этом году разделена на две равные части, доставшиеся ученым, которых объединяют достижения в области исследований Вселенной. Согласно формулировке Нобелевского комитета, премия присуждена «за вклад в наше понимание эволюции Вселенной и места Земли в космосе».

Первую половину премии получил Джеймс Пиблз — физик-теоретик и космолог, предложивший в конце прошлого века теоретическую основу наших современных представлений о бесконечной и расширяющейся Вселенной. Вторую половину разделили между собой два швейцарских астронома, Мишель Майор и Дидье Кело, углубивших человеческие представления о космосе: именно они в середине 1990-х установили, что наша Солнечная система — не исключение, а, как окончательно установлено к настоящему времени, очень типичный космический объект.

Плоский и вечный мир

Космология, сложившаяся к середине ХХ века, рассматривает Вселенную как объект, описываемый эйнштейновской Общей теорией относительности. У этого объекта есть два принципиальных параметра: скорость расширения и геометрические свойства пространства. Скорость расширения Вселенной зависит от плотности материи в ней: если материи слишком мало, Вселенная будет расширяться бесконечно, однако если плотность велика, то расширение неизбежно сменится сжатием.

От плотности материи зависит и геометрия пространства. При некоторой определенной («критической») плотности это пространство будет «эвклидовым», то есть будет иметь ту геометрию, к которой мы привыкли. В нем параллельные прямые никогда не пересекаются, а сумма углов треугольника — как бы далеко в космосе не располагались его вершины — всегда будет равна 180 о . При более высокой плотности пространство будет иметь «положительную кривизну»: в таком пространстве параллельные прямые сближаются, как земные меридианы, а сумма углов треугольника больше 180 о , как если бы он был нарисован на сфере (например, на поверхности Земли). Если плотность меньше критической, кривизна будет отрицательной, и параллельные будут расходиться.

Ко 1980 годам наблюдательные данные астрономии свидетельствовали, что наше пространство с большой точностью являются эвклидовым (его кривизна равна нулю). При этом видимая материя — то есть все галактики и межгалактический газ — никак не могла составлять больше 5% от критической плотности. Это был серьезный вызов для космологии: во Вселенной недоставало 95% плотности, необходимой для того, чтобы пространство было таким, какое наблюдается в реальности. Парадокс пытались разрешить, предположив существование «темной материи», состоящей из нейтрино, однако эта гипотеза имела множество проблем и не выдерживала проверки наблюдательными данными.

В 1982 году Джеймс Пиблз предположил существование иного типа темной материи, состоящей из холодных и тяжелых частиц. Такая материя могла объяснить видимое движение звезд в галактиках. Однако количество обычной и темной материи в сумме все равно составляло бы лишь 31% от критической плотности, необходимой для поддержания «плоской Вселенной» (то есть пространства с нулевой кривизной).

К 1984 году группа теоретиков, включая Пиблза, решила вернуться к идее, которую когда-то предлагал Эйнштейн: ввести в уравнения Общей теории относительности дополнительный параметр. Этот параметр описывает свойство пустого пространства — давление, как бы расталкивающее его изнутри. Параметр получил название «темной энергии». Темная энергия — это свойство вакуума, побуждающее его к расширению. А поскольку в теории Эйнштейна энергия всегда эквивалентна массе, темная энергия прибавляет к плотности те самые недостающие 69%, так что суммарная плотность «всего на свете» становится в точности равна критической. Таким образом, три компонента — обычная видимая материя, «темная материя» и «темная энергия» — вместе создают такую плотность, чтобы пространство, в котором мы живем, оставалось «плоским» и эвклидовым, подчиняющимся законам школьной геометрии.

«Темная энергия» гарантирует, что расширение Вселенной будет продолжаться вечно и «Большой Взрыв» не сменится в конце времен «Большим схлопыванием». Эта теоретическая идея была подтверждена в 1998 году, когда ученые обнаружили, что скорость расширения Вселенной возрастает со временем. За это открытие в 2011 году Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рис были удостоены Нобелевской премии, а восемь лет спустя высокая награда нашла и автора концепции — Джеймса Пиблза.

Множественность миров

Трудно поверить, но еще 40 лет назад существовала гипотеза, что планетная система вокруг нашего Солнца — уникальное для космоса явление, и вокруг других звезд никаких планет быть не может. Из этого следовала бы и уникальность жизни на Земле, и исключительное положение человеческой цивилизации во Вселенной (вопрос об инопланетянах был бы закрыт навсегда).

В конце 1980-х начали появляться первые данные о том, что у других звезд все же могут быть планеты. В 1988-м канадские астрономы получили данные о существовании планеты возле оранжевого гиганта в созвездии Цефея, а в 1991 году польский астроном Александр Вольшчан обнаружил планету у нейтронной звезды в созвездии Девы. Однако только в 1995 году двое швейцарских астрономов — Дидье Кело и Мишель Майор — доложили на конференции о своем открытии планеты возле звезды солнечного типа.

С помощью спектрометра, то есть по сдвигам в частоте света, астрономы обнаружили небольшие колебания звезды 51 в созвездии Пегаса, находящейся в 50 световых годах от Солнца. Колебания были вызваны гравитационным взаимодействием с обращающейся вокруг звезды планетой размером примерно с Юпитер, раскаленной примерно до 1000℃. Несмотря на то, что сама планета совершенно не похожа на нашу, это открытие было окончательным подтверждением, что Солнечная система не уникальна и вокруг подобных Солнцу звезд где-то в космосе обращаются планеты.

Как правило, экзопланеты не имеют собственных имен, однако для планеты 51 Пегаса b, ввиду важности ее в истории астрономии, было сделано исключение: на следующий год после открытия астроном Джеффри Марси предложил назвать ее Беллерофон в честь греческого героя, укротившего Пегаса. В 2015 году Международный астрономический союз официально присвоил планете другое имя — Димидий.

К настоящему времени открыты сотни экзопланет. В 2011 году телескоп «Кеплер» обнаружил у звезды Кеплер-20 две планеты, близкие по размерам к Земле. В 2017 году возле звезды TRAPPIST-1 обнаружено целых семь землеподобных планет.

Открытию новых экзопланет посвящено несколько масштабных проектов. В ходе работы космического телескопа Kepler открыто 132 экзопланеты и более 2000 потенциальных кандидатов. Затраты на проект составили более $0,5 млрд. В 2013 году запущена на орбиту космическая обсерватория Gaia, которая может открыть, согласно некоторым оценкам, до 10 000 экзопланет. Стоимость проекта составляет около €577 млн. В 2018 году запущен космический телескоп TESS, предназначенный для открытия экзопланет транзитным методом. На этот проект NASA выделено около $200 млн.

Источник