*846. Происхождение Вселенной

[MK RU]

http://www.mk.ru/science/space/artic...et-vechno.html
Теория «радужной» гравитации утверждает, что наша Вселенная не имеет начала и существует вечно

Эта идея является следствием теории «радужной» гравитации, которая не получила широкого признания среди физиков, хотя многие считают, что она интересна

Теория радужной гравитации была предложена как одна из моделей, способных примирить квантовую физику и общую теорию относительности — и она опровергает идею Большого Взрыва.

Думать, что возраст нашей вселенной составляет 13,8 миллиарда лет достаточно сложно. Но теперь исследователи предполагают, что Вселенная простирается назад во времени бесконечно, и нет особой точки, где она началась.

Эта идея является следствием теории «радужной» гравитации, которая не получила широкого признания среди физиков, хотя многие считают, что она интересна.

Своё название теория получила из-за предположения, что сила тяжести в космосе по-разному действует на свет с разными длинами волн, которые соответствуют цветам радуги.

Теория была предложена 10 лет назад в попытке примирить различия между теориями общей теории относительности и квантовой механики.

Исследователи утверждают, что она подчёркивает недостатки в теории Большого Взрыва, которая предполагает, что вселенная родилась около 13,8 млрд. лет назад, когда взорвалась бесконечно плотная точка, известная как «сингулярность».

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, объекты огромной массы так деформируют пространство-время, что всё, проходя через него — даже свет (независимо от его частоты) — искривляет свою траекторию.

Теория Большого Взрыва была сформулирована в 1922 году Александром Фридманом.

Фридман работал с уравнениями общей теории относительности Эйнштейна и нашёл решение этих уравнений, исходя из которых, Вселенная началась из состояния с высокой плотностью и температурой.

«В теории «радужной» гравитации, на частицы с разными энергиями будут воздействовать разные гравитационные поля», говорит Адель Авад из центра теоретической физики в технограде Зевайл в Египте. Согласно статье, опубликованной в журнале Scientific American, исследователи обнаружили два возможных истока Вселенной на основе немного различных интерпретаций последствий «радужной» гравитации.

По одной из них, если идти во времени назад, то Вселенная становится более плотной — приближаясь к бесконечной плотности, но никогда не достигая её.

В другом сценарии Вселенная достигает чрезвычайно высокой, но конечной, плотности, а затем становится постоянной.

Профессор Авад утверждает, что в обоих сценариях, отслеживая путь материи и света во Вселенной, мы не придём к бесконечно малой точке происхождения, известной как Большой Взрыв.

В течение следующих нескольких лет учёные планируют найти признаки «радужных» гравитационных эффектов, изучая гамма-всплески и другие космические явления.

Содержание темы:
01 страница
#01. MK RU. Происхождение Вселенной. 13.12.2013, 19:27
#02. Газета.Ru. Мафусаил познал Галактику
#03.
#04.
#05.
#06.
#07.
#08.
#09.
#10.
02 страница
#11. Макс Тегмарк. Точная космология. 21.09.2016, 19:11
#12. Юрий Сухов. Пузыри смерти
#13.
#14.
#15.
#16.
#17.
#18.
#19.
#20.

[Газета.Ru]

http://www.gazeta.ru/science/2014/01/27_a_5821309.shtml

Астрономические открытия 2013 года в «Газете.Ru » представляет ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ Сергей Попов
Звезда Мафусаил позволяет лучше понять эволюцию нашей Галактики

Фотография: NASA
27.12.2013, 08:35 | Сергей Попов

Три загадочные вспышки, тысячи экзопланет и Мафусаил — самая старая звезда: «Газета.Ru» представляет обзор самых значимых событий в астрономии в 2013 году.

В данном тексте мы постараемся наиболее широко охватить спектр астрофизических исследований, используя для этой цели обзоры астрофизической части архива (arXiv.org). Сейчас в этом разделе появляется более 1 тыс. статей в месяц. По сути, все основные результаты проходят через архив. Начнем рассказ с непонятного.

1. Загадочные всплески

В астрономии нередко обнаруживают вспышки, природу которых оказывается очень трудно установить. В этом году было три подобных открытия, заслуживающих подробного рассмотрения.

Все слышали про гамма-всплески, открытые еще в конце 1960-х годов с помощью американских спутников-разведчиков, запущенных для контроля за ядерными испытаниями. Только в конце 1990-х удалось достоверно определить, что они приходят с космологических расстояний. По всей видимости, короткие всплески (длительностью около секунды) связаны со слияниями нейтронных звезд, а длинные — с особым типом сверхновых. Наблюдения показали, что вспышки в гамма-диапазоне могут сопровождаться более долгими всплесками в радио- и видимых лучах. А в 2013 году С. Брэдли Ченко и соавторы обнаружили, что есть всплески, которые в оптике и радио ведут себя подобно источникам гамма-всплесков, вот только самих вспышек на высоких энергиях не видно. Всплеск изначально открыли в видимом диапазоне в рамках проекта «Паломарская фабрика транзиентов» (Palomar Transient Factory). Затем увидели, что и в радиодиапазоне имел место всплеск. Авторы полагают, что они обнаружили первый пример нового типа всплесков.

Возможно, это кузен гамма-всплесков, связанных со сверхновыми, но по какой-то причине жесткое излучение там подавлено.

Другой интересный всплеск был открыт в рентгеновском диапазоне. Питер Йонкер и соавторы изучали архивные данные наблюдений на спутнике Чандра за 2000 год и увидели там вспышку). Расстояние до нее неизвестно, поэтому есть простор для фантазии. Правда, есть одна косвенная улика, которая может навести на след. Вспышка произошла вблизи известной галактики М86. Авторы думают, что дело было так. В небольшом (его не видно) шаровом скоплении галактики М86 белый карлик был разорван приливом, созданным черной дырой промежуточной массы. Речь идет о величине примерно 10 тыс. масс Солнца (гораздо больше тех черных дыр, которые получаются из звезд, и заметно меньше сверхмассивных черных дыр в центрах галактик). Крайне интересная возможность. Правда, не единственная. Может быть, запуск спутника «Спектр-РГ», который будет проводить обзор неба в рентгеновском диапазоне, позволит обнаружить несколько подобных событий и установить их природу.

А теперь — самое главное всплесковое открытие 2013 года.

История началась несколько лет назад. В начале XXI века радиоастрономы научились достаточно хорошо выделять крайне короткие — миллисекунды! — отдельные всплески. Технически это непростая задача, так как в магнитосфере Земли постоянно что-то шумит. Первым открытием с помощью новой методики стало обнаружение нового типа активности нейтронных звезд. Новый тип источников получил название RRATs (Rotating Radio Transients). Но потом подоспело и открытие в области внегалактической астрономии. В 2007 году Дункан Лоример и его коллеги обнаружили миллисекундный радиовсплеск, пришедший с расстояния в миллиарды световых лет. Теоретики бросились придумывать, что же это может быть. И ждали, когда наблюдатели откроют еще что-нибудь в этом роде. Но в радио искать короткие вспышки трудно, так как трудно проводить обзоры большой площади неба. Оценки показывали, что на всем небе такие вспышки могут происходить раз сто в день, но радиоастрономы могут изучать только маленькие участки неба за раз. Новых открытий не было, и постепенно начали набирать силу голоса скептиков, говоривших, что это какое-то новое явление в магнитосфере Земли, а не нечто удивительное на космологических расстояниях.
Существующим физическим теориям понадобится пересмотр: у замагниченных нейтронных звезд выявлена способность резко тормозить

Еще один похожий всплеск открыли в 2012 году (авторы даже предположили, что это может быть последний вскрик испаряющейся черной дыры — именно поиск таких событий привел в радиоастрономию изобретателя Wi-Fi Джона О'Салливана).

Но этот всплеск был открыт в плоскости нашей Галактики, и было неочевидно, что это близнец всплеска Лоримера. Теперь же удалось поставить жирную точку. Дуглас Торнтон и его коллеги представили данные по четырем новым всплескам, похожим на всплеск Лоримера. То есть теперь мы уверены, что существует удивительный класс миллисекундных радиовсплесков, которые приходят к нам из далеких-далеких галактик. Теперь остается понять, что это. То ли это вспышки магнитаров — нейтронных звезд с большими магнитными полями. То ли это массивные нейтронные звезды превращаются в черные дыры. То ли результат слияния нейтронных звезд… Мы не знаем. Пока не знаем.

2. Сверхновые

От всплесков загадочных перейдем к всплескам известным, но еще не до конца понятным. Что такое сверхновые, известно довольно хорошо уже несколько десятилетий. Но вот охватить все многообразие этих явлений и разобраться в важных деталях процессов не удается до сих пор (достаточно сказать, что компьютерные симуляции так и не могут воспроизвести взрыв без дополнительных ухищрений), а ведь без сверхновых не было бы и нас с вами.

2013 год был богат на обнаружение интересных сверхновых. Например, Козимо Инсерра с коллегами обнаружили взрывы, которые получается хорошо объяснить, лишь предположив, что в результате взрыва родился магнитар, который дополнительно подпитывает светимость сверхновой, что позволяет объяснить, почему сверхновая остается яркой дольше обычного. Эран Офек и его коллеги смогли увидеть судороги звезды примерно за месяц до взрыва, в результате которых звезда выбросила оболочку массой около 1% массы Солнца. Но самое интересное, на мой взгляд, открытие связано со сверхновой PS1-10af, открытой проектом Pan-STARRS.

Райан Чорнок и соавторы обнаружили далекую (красное смещение z = 1,4, то есть свет от нее шел до нас 9 млрд лет) мощную сверхновую, параметры которой не получается объяснить ни одной моделью. Вдобавок к большому энерговыделению она выглядит слишком красной и слишком быстро набирала яркость.

Может быть, обнаружение подобной экзотики в конце концов вдохновит теоретиков на создание действительно реалистичной работающей модели, которая взорвется в компьютере?

3. Нейтронные звезды

После взрывов сверхновых чаще всего остаются нейтронные звезды, потому перейдем к ним. Для пульсарщиков, наверное, одним из важных результатов 2013 года является открытие быстрой перестройки работы пульсара PSR B0943+10, обнаруженной Вимом Хермсеном и его соавторами по одновременным наблюдениям в рентгеновском и радиодиапазоне. Потенциально это может пролить свет на работу «машины пульсара», теоретики как раз продолжают активно изучать этот вопрос, и в уходящем году появилось несколько важных новых исследований. Но мы с вами обсудим чуть детальнее две другие работы.

Во-первых, очередной раз побит рекорд массы нейтронных звезд. Правда, совсем чуть-чуть.

Масса пульсара, открытого Джоном Антониадисом и его соавторами, едва-едва переваливает за две солнечные (ранее рекорд составлял «чуть-чуть менее двух масс Солнца»). Но важно не это. Существенно, что массивная нейтронная звезда входит в очень тесную систему с белым карликом. Про эту двойную много что известно (поскольку белый карлик удалось увидеть непосредственно в оптическом диапазоне, измерить спектры и т.д.), поэтому теперь мы имеем очень хороший инструмент для проверки теорий гравитации. Чем астрономы не замедлят воспользоваться.

Во-вторых, астрономы смогли обнаружить сильное магнитное поле у магнитара со слабым полем. «Парадокс», - скажете вы. Почти. Дело тут вот в чем. Нейтронная звезда SGR 0418+5729 проявляет классическую магнитарную активность. От нее были зарегистрированы вспышки в жестком рентгеновском диапазоне. В стандартной модели такое поведение связывают с выделением энергии мощных электрических токов. Они создают сильные магнитные поля, поэтому чаще говорят о выделении энергии магнитного поля, откуда и название всего класса объектов — магнитары. Магнитные поля одиночных нейтронных звезд (например, радиопульсаров) чаще всего оценивают по темпу замедления их вращения. Так вот SGR 0418+5729 замедляется медленно, что вроде бы говорит о слабом поле. Однако … Если мы посмотрим на Солнце, то, с одной стороны, у него довольно слабое крупномасштабное (так называемое дипольное, то самое, которое похоже на бабочку, или восьмерку, или знак бесконечности) поле, но в окрестности солнечных пятен существуют очень мощные поля, которые, кстати сказать, связаны с солнечными вспышками.

Оказалось, что некоторые магнитары в этом смысле похожи на Солнце.

У этих нейтронных звезд слабое дипольное поле (слабое — это все равно в десятки миллиардов раз больше, чем на Солнце или на Земле, такие поля типичны для радиопульсаров). Зато вблизи поверхности существуют колоссальные магнитные поля. Если Андреа Тиенго и его коллеги все измерили точно, то это самое большое магнитное поле, когда-либо измерявшееся человеком. А сделать это удалось благодаря детальному изучению спектра SGR 0418+5729.

4. Звезды

От звезд нейтронных перейдем к обычным и обсудим два сюжета.

Исследована самая старая звезда. Ее назвали Мафусаил. Звезда находится на стадии субгиганта, где проще точно определить возраст, это и делает объект уникальным. Расстояние до Мафусаила — менее 200 световых лет. Это немного, поэтому объект можно довольно детально изучить. Неточности в оценке возраста связаны только с недостаточно точно определенным химсоставом. С учетом неопределенностей возраст превосходит 13,66 млрд лет. То есть это могла бы быть звезда самого первого поколения, но… Химический состав, по оценкам Ховарда Бонда и соавторов, указывает на заметное (пусть и малое) содержание элементов тяжелее гелия. Так что первые звезды еще предстоит открыть.

Зато Мафусаил позволяет лучше понять эволюцию нашей Галактики.

Марек Николаюк и Роланд Вальтер проанализировали вспышку, которую в 2011 году обнаружил спутник Integral в направлении на сейфертовскую галактику NGC 4845. Всплеск достаточно необычный. По всей видимости, центральная сверхмассивная черная дыра, чья масса оценивается в треть миллиона солнечных, разорвала своими приливами какой-то объект. Необычность связана с этим объектом. Это или очень тяжелая планета, или бурый карлик. Масса пострадавшего — примерно 14–30 масс Юпитера.

5. Экзопланеты

Вот мы и добрались до экзопланет. Конечно, астрономы продолжают снимать сливки в этой крайне молодой области исследований. Только в ней можно выделить десятку самых интересных результатов. Кроме открытий есть даже «закрытия». Например, Пол Калас и его коллеги показали, что объект Фомальгаут b, который считали экзопланетой, таковой не является (правда, возможно, это еще интереснее — такая куча строительного мусора в диске вокруг молодой звезды). Есть крайне интересный, но пока не стопроцентно надежный результат — первое открытие свободной, то есть не вращающейся вокруг какой-нибудь звезды, экзопланеты со спутником, это было сделано методами микролинзирования.

Чуть детальнее поговорим о трех темах — точности измерений, необычных планетах и зонах обитаемости.

Современную точность получения данных об экзопланетах хорошо иллюстрируют два результата. Во-первых, Томас Барклай с коллегами смогли обнаружить в данных спутника Кеплер планету (Кеплер-37b) размером меньше, чем у Меркурия. Это рекорд. Значит, Кеплер так может и в его данных еще могут быть подобные маленькие планеты. Во-вторых, две группы авторов — Франческо Пепе и его соавторы и Эндрю Ховард с коллегами — впервые представили данные сразу и по размеру, и по массе для планеты земного типа. Ее название — Кеплер-78b. Масса составляет 1,86 земной, а радиус — на 16% больше, чем у нашей планеты. Плотность примерно в пять с половиной раз больше, чем у воды. То есть это железно-каменная планета. Казалось бы, а в чем важность? Разве так и не должно было бы быть? Оказывается, что бывает по-всякому, а потому крайне важно с высокой точностью подтверждать ожидания.

Например, возьмем планету Кеплер-87c. По данным Кеплера, ее размер в шесть раз больше земного. А вот масса, согласно данным Авиву Офиру с коллегами, больше, чем у Земли, не в десятки, как можно было бы ожидать, а всего лишь … в те же шесть раз. То есть плотность получается в семь раз меньше, чем у воды. Это рекорд для планет в диапазоне масс менее десяти земных. И загадка. Плохо мы еще знаем, какими могут быть экзопланеты.

Знаем, может, и плохо, но статистику наращиваем. В конце декабря команда Кеплера представила новые данные, основанные на обработке 22 месяцев наблюдений.

Число звезд с экзопланетами превосходит теперь 2 тыс.. Возросло и число планет в зонах обитаемости, границы которых, кстати сказать, были слегка пересмотрены. Дело в том, что результаты нового детального моделирования показали, что ранее мы были слишком консервативны, определяя внутреннюю границу области, где на поверхности планеты может существовать жидкая вода. Появилась и новая статистика по планетам типа Земли у звезд типа Солнца на орбитах с периодами около года.

Эти результаты представили Эрик Петигура, Эндрю Ховард и Джоффри Марси. Сложность тут состояла в том, что надо было определить достаточно точно, насколько плохо Кеплер может открывать маленькие планеты с большими периодами. Оценки показывают, что 3,5–7,5% звезд типа Солнца имеют планеты с примерно земным размером и орбитальными периодами 200–400 дней. Это немало!

Наконец, прибавилась интересная система Кеплер-62. В ней пять планет, причем две из них находятся в зоне обитаемости и размеры у них всего лишь 1,4 и 1,6 земных.

6. Галактика

Прежде чем, поговорив о звездах и экзопланетах, покинуть нашу Галактику, бросим на нее еще один взгляд. В этом нам поможет спутник Planck.

На настоящий момент самой цитируемой работой в астрономии является карта галактической пыли по данным спутников IRAS и COBE. Planck — это COBE третьего поколения (вторым был WMAP). Не удивительно, что новая карта пыли в Галактике, теперь уже составленная по данным IRAS и Planck, вскоре сможет стать одной из самых цитируемых статей. Дело в том, что пыль всем мешает, все смотрят сквозь нее и хотят вычистить ее вклад из результатов своих наблюдений. А для этого нужны точные карты.

7. Внегалактическая астрономия

На межгалактических просторах нас ожидает много интересного. Например, установка ALMA, от которой ждут важных данных в первую очередь в области внегалактической астрономии, показала наличие гигантских потоков молекулярного газа с массами, превышающими 10 млрд масс Солнца, в ярких центральных галактиках скоплений Abell 1664 и Abell 1835. Открыта группа из трех квазаров. Это всего лишь второй такой случай. Но нас будут интересовать более далекие объекты.

Начнем с рекорда. С. Финкельштейн и соавторы представили надежное определение красного смещения для самой далекой галактики. Красное смещение z = 7,51 соответствует времени 700 млн лет после начала расширения. Есть кандидаты и в более далекие объекты, но для них нет столь надежного определения красного смещения (по которому и можно определить расстояние). Но важен не только рекорд. Галактика обладает довольно высоким темпом формирования звезд — в сто раз выше, чем сейчас в нашей Галактике. При этом новый объект был обнаружен в небольшом обзоре. То есть эта галактика должна быть довольно типичной.

Таким образом, еще до запуска нового космического телескопа или сверхбольших наземных телескопов мы начинаем узнавать, как выглядели галактики в первые сотни миллионов лет своего существования.

Однако на больших красных смещениях можно обнаружить настоящих монстров звездообразования. Доминик Ришер и его коллеги представили данные наблюдений далекой галактики с темпом образования звезд в 2 тыс. раз больше, чем в нашей Галактике! Объект находится на красном смещении z = 6,34, что соответствует 880 млн лет после Большого взрыва. В галактике много пыли, и наблюдать ее пришлось в инфракрасном диапазоне с помощью космической обсерватории Гершель.

8. Нейтрино сверхвысоких энергий

Как известно, из космоса к нам прилетают частицы высоких энергий. Это космические лучи, в основном протоны, но могут быть и ядра более тяжелых элементов. Энергии превышают энергии частиц в Большом адронном коллайдере в сотни миллионов раз! Но мы не знаем точно, откуда эти частицы летят. Знаем только, что им приходится преодолевать межгалактические расстояния. Почему же мы не можем определить источники? Дело в том, что заряженные частицы отклоняются магнитным полем. И пусть поля в нашей Галактике или вне галактик слабы, зато частицы там находятся долго. Однако, к счастью, есть и нейтральные частицы. Например, нейтрино.

Поиск космических нейтрино сверхвысоких энергий является одной из основных задач установки IceCube в Антарктиде.
Tomson Reuters представляет топ-10 тем в астрофизике и астрономии
«Проспорил бутылку вина за темную материю»

Рассказ о ключевых прорывных направлениях в науке, представленных медиакорпорацией Tomson Reuters в отчете top 100 Research Fronts, «Газета.Ru» при... →

Наконец-то группа исследователей представила первые положительные результаты. Ими зарегистрировано почти три десятка событий с энергиями в 2–20 раз выше, чем на LHC. Немного, но и этого очень долго ждали. Пока статистики мало — рано говорить об отождествлении источников с какими-нибудь активными ядрами галактик или другими объектами. Но начало положено, поэтому будем ждать дальнейших новостей.

9. Космология, реликтовое излучение

Наконец-то мы добрались до космологии. Здесь основные результаты связаны с изучением реликтового излучения. Посмотрим, как много можно узнать, изучая его.

Важно понимать, что основные космологические выводы основаны на большом количестве разнообразных, дополняющих друг друга данных, полученных конкурирующими группами, которые, вообще-то говоря, хотели бы не подтвердить известное, а обнаружить что-то новое. Давайте взглянем на очень красивый результат.

Используя Телескоп на Южном полюсе (South Pole Telescope), авторы сумели измерить, как менялась температура реликтового излучения от z = 1,35 (4,7 млрд лет после Большого взрыва) до z = 0,05 (две трети миллиарда лет назад), то есть покрыт диапазон более 8 млрд лет жизни Вселенной. Были использованы данные по полутора сотням скоплений галактик.
Рашид Сюняев об открытии необычно массивного и яркого скопления галактик с мощным темпом звездообразования
Две звезды в день

С помощью эффекта Сюняева — Зельдовича обнаружено необычно массивное и яркое скопление галактик с темпом звездообразования два наших Солнца... →

Эффект Сюняева-Зельдовича, связанный с взаимодействием фотонов реликтового излучения с электронами горячего газа в скоплениях галактик, позволяет измерить температуру реликта в то время, в котором мы видим скопление.

Полученные результаты прекрасно накладываются на кривую, соответствующую стандартной космологической модели. Что, конечно, является хорошей новостью, но надо двигаться дальше.

Для продвижения вперед ученые осваивают новые методики. На том же South Pole Telescope Д. Хансон с соавторами впервые измерили важную характеристику реликтового излучения. Это так называемая B-мода поляризации. Не будем углубляться в детали. Поясним лишь, насколько эта характеристика важна, что в ней закодировано.

Распространяясь к нам в течение почти 14 млрд лет, свет испытывает влияние всего того, что есть по дороге. В частности, он чувствует гравитацию массивных тел. Самое массивное — это так называемая крупномасштабная структура распределения галактик. Излучение линзируется, пусть и очень слабо, на этой структуре. Информация об этом оказывается спрятанной в B-моде поляризации. Таким образом, потенциально эта характеристика может рассказать нам, как распределено вещество в больших масштабах на всем протяжении пути фотонов к нам, то есть практически во всей видимой части Вселенной. Именно этот сигнал и начали «видеть» на South Pole Telescope. Для восстановления крупномасштабной структуры понадобится еще много работы, много наблюдений, но начало положено.

Однако, мало того, в B-моде поляризации реликта скрыта еще и информация о первичных гравитационных волнах, рожденных в молодой вселенной. Обнаружение этого сигнала позволило бы подтвердить инфляционную модель.

Крайне важно! Но для этого нужно что-то помощнее South Pole Telescope. Например, спутник Planck.

Команда Planck представила свои первые космологические результаты в марте (работа-1 и работа-2). Они вызвали большую дискуссию, продолжающуюся до сих пор (видимо, некоторую ясность внесет новый релиз данных в 2014 году). Дело в том, что, хотя в целом Planck подтвердил стандартную космологическую модель, тем не менее в деталях есть изменения по сравнению с результатами спутника WMAP. Космологическая постоянная стала на несколько процентов меньше, доля темного вещества — на несколько процентов больше (за счет темной энергии). В чем причина этих расхождений, пока неясно. В остальном все стандартно. Вселенная плоская, сортов нейтрино — три. Важно, что появились хорошие, пусть и недостаточно прямые аргументы в пользу инфляционной модели (это удалось понять, изучив спектр первичных возмущений плотности, которые «отпечатались» в реликте). Теперь будем ждать, когда команда Planck сможет уточнить свои данные и дополнить их результатами измерения поляризации.

Автор — доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга (ГАИШ МГУ), выпускает регулярные обзоры препринтов на сайте ArXiv.org более десяти лет.

[MK RU]

http://www.mk.ru/science/space/artic...atastrofa.html
Астрономы раскрыли странное происхождение спутника Андромеды

Международная группа исследователей проанализировала движение звезд в карликовой галактике - спутнике Туманности Андромеды - и пришла к мнению, что данная галактика образовалась путем столкновения двух карликовых галактик. Ранее ученые считали, что такие слияния могут происходить лишь в судьбе больших галактик. Любопытное изыскание опубликовано в авторитетном журнале Nature.

aнд ii астрономия галактика слияние галактик
Andromeda (h-alpha).
фото: en.wikipedia.org

Авторы исследования из Института Нильса Бора при Университете Копенгагена, из Института астрономии при Кембриджском университете, а также из Института астрономии общества Макса Планка в Германии, зафиксировали специфический поток звезд в галактике Андромеда II.

Эта Андромеда II (Aнд II) – маленькая галактика, а ее размер – чуть меньше одного процента от размера нашего с вами Млечного Пути. Вращающийся поток звезд в галактике Андромеда II полностью состоит из старых звезд и, исходя из их свойств ученые решились сделать вывод о случившемся некогда космическом столкновении пары галактик.

Надо сказать, что столкновения галактик – это главный механизм их роста. В нашу эру, когда Вселенная наводнена крупными галактиками наподобие нашего родного Млечного пути, происходят в основном столкновения таких, крупных галактик с карликами, которых притягивает сильное гравитационное поле. Но в молодой Вселенной, когда все галактики только начинали формироваться и были небольшими, видимо сталкивались и малые.

В наши дни по причине огромного небесного расстояния разглядеть всю подноготную такого процесса невозможно. Однако одно такое столкновение на расстоянии всего 2,3 млн световых лет от нас в далеком прошлом имело место. И в этом деле оказался замешан спутник видимой с Земли Туманности Андромеды.

Как и Млечный Путь, галактика Андромеды (NGC 224) относится к спиральным галактикам типа Sb. В неё входит порядка 1 трлн. звезд, что в 3-5 раз больше нежели в Млечном Пути.

NGC 224, которую астрономы часто называют Туманностью Андромеды, окружена роем маленьких галактик-спутников. Астрономы насчитали их более 20 – им присвоены названия Андромеда I, II, III, IV … и т.д. И вот международная группа астрономов взялась проанализировать жизнь звезд в карликовой галактике Андромеда II и сделали при этом интересное открытие.

Как объяснил астрофизик Никола Амориско (Dark Cosmology Centre), звезды в карликовых галактиках частенько перемещаются хаотично. Однако в случае с Андромеда II, это не так. Здесь поток звезд движется структурировано, совсем по-другому нежели в остальных спутниковых галактиках Туманности Андромеда. В случае с Андромеда II, рассказывает Амориско, звезды образуют образ кольца, вращающегося вокруг центра галактики.

Вращающийся звездный поток в карликовой сфероидальной галактике Андромеда II целиком состоит из старых звезд. Исследователи, проанализировав их свойства, пришли к гипотезе о драматическом космическом событии, ставшем причиной образования аномальной кольцевой структуры. Как считает руководитель исследования и его коллеги, мы имеем дело с остатками столкновения двух карликовых галактик, которые имели огромное влияние на динамику нынешнего остатка.

"Звёзды в карликовых галактиках обычно передвигаются хаотично, не имея определённой траектории. Для Андромеды II это утверждение не совсем верно. Тут мы увидели звёздный поток, который двигался иначе — слишком упорядоченно по сравнению с другими телами в системе. Звёзды в этом потоке образуют почти целое кольцо, обращающееся вокруг центра галактики", - поведал ведущий автор исследования Никола Амориско (Nicola Amorisco).

Синим цветом отмечены звезды, двигающиеся в Андромеде II согласованно. Картинка: Nicola Amorisco, N.Ho and M.Geha

К слову, Андромеда II является наименее массивным из известных нынешней науке примером слияния галактик. Сама же Андромеда окружена 20-ю сателлитными звездными скоплениями, из которых Андромеда II находится лишь на втором месте по размеру. «Спутниковые» галактики присутствуют также в окрестностях нашего Млечного пути – это Большое и Малое магеллановы облака. А через четыре миллиарда лет, Андромеда и Млечный вообще должны столкнуться, в результате чего Солнце выбросит на периферию объединенного скопления звезд, предполагают современные ученые.

Андромеда II была обнаружена в 1971 году канадцем Сиднеем Ван ден Бергом при изучении фотопластинок, отснятых на 48-дюймовом (1,2 м) телескопе Шмидта в Паломарской обсерватории в 1970 и 1971 году.

Источники: cosmos-journal.ru, astronews.ru, kosmo-apparaty.ru.

материал: Марк Кайфман

[Макс Тегмарк]

https://postnauka.ru/video/62482
Физик о методах объяснения Вселенной, открытиях звезд и математических свойствах электронов
04 апреля

Почему все вещи в природе имеют математическую основу? Какой научный подход конкурирует с эмпирическим методом? Какие взгляды поддерживал Галилей относительно математического устройства Вселенной? На эти и другие вопросы ответил профессор физики Массачусетского технологического института Макс Тегмарк в рамках проекта Serious Science, созданного командой ПостНауки.

Я думаю, что самая невероятная вещь, которую люди узнали, изучая Вселенную, — это то, что мы должны думать широко, потому что мы постоянно недооценивали не только размер космоса, но и нашу возможность понять его. Почему люди смогли узнать так много о космосе? Сейчас мы знаем гораздо больше, чем тысячу лет назад. Человеческий разум по-настоящему удивителен. Но дело не только в этом. Есть две сильные идеи, которые составляют краеугольный камень современной науки. Одна из них — надо делать эксперименты, добывать данные о природе и использовать эти знания. Другая идея: когда мы проделали эксперименты и получили все данные, нужно преобразовать их в математические модели.

Рекомендуем по этой теме:
Точная космология

Мы так много вещей принимаем как должное, что иногда забываем спросить, почему некоторые вещи так хорошо работают. Я считаю удивительным, что настоящая причина, по которой мы так много узнали о нашей Вселенной, — это то, что Вселенная содержит в себе математические ключи, режимы и закономерности, которые мы можем объединить друг с другом с помощью математических уравнений, точнее предсказывать какие-то явления и в конце концов понимать, как строить те или иные вещи. Это древняя идея. Еще Пифагор говорил о том, что Вселенная в какой-то мере работает за счет цифр. В эпоху Ренессанса Галилей написал, что Вселенная — это большая книга, написанная на языке математики.

Если вы примете идею о том, что и сам космос, и его составляющие не имеют никаких свойств, кроме математических, идея о том, что всё в мире имеет математические свойства, не будет казаться вам такой безумной. Если это правда, то что это значит в действительности? Я думаю, это очень хорошая новость для физики, потому что, если оказывается, что природа имеет свойства, у которых нет математической основы, это значит, что физика обречена. Однажды мы придем в тупик в понимании космоса, через который не сможем прорваться. У нас останутся вещи, которые мы не сможем понять. Без математического подхода к пониманию физических закономерностей мы исчерпаем все свои исследовательские возможности.

Источник видео: serious-science.org

профессор физики в Массачусетском технологическом институте

[Science Lite]

[Центр Архэ]

[Андрей Борисов]

https://lenta.ru/articles/2015/05/10/hologram/
07:25, 10 мая 2015

Черные дыры, теория струн и дуальное описание природы

Изображение: Technische Universität Wien

Недавно физики представили расчеты, согласно которым пространства с плоской метрикой (а это в том числе и наша Вселенная) могут быть голограммами. В своей работе авторы использовали идею AdS/CFT-соответствия (anti-de Sitter / conformal field theory correspondence) между конформной теорией поля и гравитацией. На частном примере такого соответствия ученые показали эквивалентность описания этих двух теорий. Так что же такое голографическая Вселенная и при чем тут черные дыры, дуальность и теория струн?

В основе этой работы лежит так называемый голографический принцип, утверждающий, что для математического описания какого-либо мира достаточно информации, которая содержится на его внешней границе: представление об объекте большей размерности в этом случае можно получить из «голограмм», имеющих меньшую размерность. Предложенный в 1993 году нидерландским физиком Герардом'т Хоофтом принцип применительно к теории струн (называемой также M-теорией или современной математической физикой) воплотился в идее AdS/CFT-соответствия, на которое в 1998 году указал американский физик-теоретик аргентинского происхождения Хуан Малдасена.

Герард ’т Хоофт
Фото: Wammes Waggel / Wikipedia

В этом соответствии описание гравитации в пятимерном пространстве анти-де Ситтера — пространстве отрицательной кривизны (то есть с геометрией Лобачевского) — при помощи теории суперструн оказывается эквивалентным некоторому пределу четырехмерной суперсимметричной теории Янга-Миллса, определенной на четырехмерной границе пятимерия. В несуперсимметричном случае четырехмерная теория Янга Миллса составляет основу Стандартной модели — теории наблюдаемых взаимодействий элементарных частиц. Теория же суперструн, базирующаяся на предположении существования на планковских масштабах гипотетических одномерных объектов — струн — описывает пятимерие. Приставка «супер» при этом означает наличие симметрии, в которой у каждой элементарной частицы имеется свой суперпартнер с противоположной квантовой статистикой.

Эквивалентность описания означает, что между наблюдаемыми теориями существует однозначная связь — дуальность. Математически это проявляется в наличии соотношения, позволяющего рассчитать параметры взаимодействий частиц (или струн) одной из теорий, если известны таковые для другой. При этом никакого другого способа это сделать для первой теории нет. Идею дуальности и голографический принцип иллюстрируют два примера, демонстрирующие удобство таких аналогий при описании явлений в масштабах от элементарных частиц до вселенной. Вероятно, такое удобство имеет фундаментальные основания и является одним из свойств природы.
Согласно голографическому принципу, две вселенные различных размерностей могут иметь эквивалентное описание. Физики показали это на примере AdS/CFT между пятимерным пространством анти де-Ситтера и его четырехмерной границей. В результате оказалось, что пятимерное пространство описывается как четырехмерная голограмма на своей границе. Черная дыра в таком подходе, существуя в пятимерии, в четырехмерии проявляет себя в виде излучения.

Изображение: www.nature.com
Согласно голографическому принципу, две вселенные различных размерностей могут иметь эквивалентное описание. Физики показали это на примере AdS/CFT между пятимерным пространством анти де-Ситтера и его четырехмерной границей. В результате оказалось, что пятимерное пространство описывается как четырехмерная голограмма на своей границе. Черная дыра в таком подходе, существуя в пятимерии, в четырехмерии проявляет себя в виде излучения.

Первый пример — дуальность описания черных дыр и конфайнмента кварков («невылетания» кварков — элементарных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях — адронов). Опыты по рассеиванию на адронах других таких частиц показали, что они состоят из двух (мезоны) или трех (барионы — таких, как например, протоны и нейтроны) кварков, которые не могут находиться, в отличие от других элементарных частиц, в свободном состоянии.

Работа физиков из Индии, Австрии и Японии основана на вычислении энтропии Реньи для соответствия между двумерной конформной теорией поля (описывающей элементарные частицы) и гравитацией в трехмерном пространстве анти-де Ситтера. Ученые на примере квантовой запутанности (которая проявляется тогда, когда свойства объектов, первоначально связанных между собой, оказываются скоррелированными даже при их разнесении на расстояние между собой) показали, что энтропия принимает одинаковые значения в плоской квантовой гравитации и в двумерной теории поля.

Такая ненаблюдаемость кварка видна в компьютерных расчетах, однако теоретического обоснования пока не имеет. Математическая формулировка этой задачи известна как проблема «массовой щели» в калибровочных теориях, и это одна из семи задач тысячелетия, сформулированных институтом Клэя. К настоящему моменту только одну из сформулированных задач (гипотезу Анри Пуанкаре) удалось решить — это сделал более десяти лет назад российский математик Григорий Перельман.

При удалении друг от друга взаимодействие между кварками только усиливается, тогда как при приближении их друг к другу — слабеет. Это свойство, названное асимптотической свободой, предсказали американские физики-теоретики и лауреаты Нобелевской премии Фрэнк Вильчек, Дэвид Гросс и Дэвид Политцер. Теория струн предлагает эффектное описание этого явления с использованием аналогии между «невылетанием» частиц из-под горизонта событий черной дыры и удержанием кварков в адронах. Однако такое описание приводит к ненаблюдаемым эффектам и поэтому применяется лишь в качестве наглядного примера.

Другой пример — соотношение, согласно которому энтропия черной дыры пропорциональна квадрату площади ее горизонта событий — области пространства, откуда попавшее в черную дыру тело (исключая квантовые эффекты и возможное существование червоточин) выбраться никогда не сможет. Израильский физик Яков Бекенштейн показал это в 1972 году, исходя из физических соображений, а его выводы два года спустя уточнил англичанин Стивен Хокинг. Получается, что, зная информацию только о границе черной дыры (площадь горизонта событий), можно определить ее внутреннюю характеристику — энтропию, являющуюся мерой неупорядоченности внутреннего состояния системы.

Дуальности и голографический принцип, реализованные как AdS/CFT-соответствие, пока не нашли точного математического обоснования, а большинство моделей, с которыми работают физики-теоретики, относятся к специфическим пространствам и взаимодействиям. Однако остается надежда, что с течением времени гравитация и Стандартная модель физики частиц получат универсальное описание в реальных пространствах, и, скорее всего, это произойдет именно в теории струн.

[Андрей Борисов]

https://lenta.ru/articles/2016/09/12/naturalness/
00:02, 12 сентября 2016

Проблемы Вселенной получили естественное объяснение

Изображение: Diomedia

В ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАКе) до сих пор не открыты новые фундаментальные частицы, кроме бозона Хиггса. Это сделало особенно актуальным решение проблемы сильного отличия масс элементарных частиц от энергий ранней Вселенной. Важность этой задачи сравнима с проблемой малости космологической постоянной. Все чаще физики видят решение перечисленных вопросов в рамках концепции естественности, которая предполагает, что масса бозона Хиггса и космологическая постоянная зависят от специального параметра. Подробнее — в материале «Ленты.ру».

В сценарии, рассмотренном японскими физиками Хироки Мацуи и Еши Мацумото, наблюдаемые значения массы бозона Хиггса и космологической постоянной возникают естественным образом, то есть не требуют введения новых частиц, в особенности суперсимметричных, когда у каждой появляется как минимум один более тяжелый партнер. Между тем новая модель предполагает введение новых взаимодействий с гравитацией.

Для начала напомним, с чем связаны проблемы иерархии масс и космологической постоянной. Первая проявляется, в широком смысле, в большом разрыве между экспериментально наблюдаемыми массами элементарных частиц и масштабами энергий ранней Вселенной. Масса самой тяжелой частицы Стандартной модели, топ кварка, равна примерно 173,1 гигаэлектронвольта, тогда как планковская масса, являющаяся верхним пределом для масс частиц и характерным масштабом квантовой гравитации и теории струн, — на 16 порядков выше.

Проблема космологической постоянной, иначе — лямбда-члена, проявляется еще острее. Константа фигурирует в уравнениях общей теории относительности и описывает минимально возможную, то есть нулевую энергию физического вакуума. В большинстве моделей эта постоянная остается неизменной в пространстве-времени. Проблема заключается в том, что ее теоретически вычисленное значение оказывается в 10 в 120-й степени раз больше величины, следующей из астрономических наблюдений. Ученые не знают причину такого расхождения, однако ясно, что его природа связана с несовместимостью общей теории относительности и квантовой механики, проявляющей себя на планковских масштабах.

Авторы рассмотрели сценарии космологического механизма релаксации, основанные на эволюции хиггсовского и аксионоподобного поля, которая началась после инфляционной стадии развития Вселенной, когда за ничтожно малое время размеры мира увеличились на 50 порядков.

Если частицей первого поля является бозон Хиггса, то второго — аксион. Последний впервые появился в 1977 году в работах Роберто Печчеи и Хелен Квинн в качестве попытки решения сильной CP-проблемы. Она заключается в том, что в экспериментах по квантовой хромодинамике — теории, описывающей сильные взаимодействия, не наблюдаются нарушения неизменности ее уравнений при одновременном зеркальном отражении и замене частиц на античастицы. Между тем теоретически в квантовой хромодинамике такое нарушение возможно, а экспериментально оно наблюдается в электрослабых взаимодействиях.

Спиральная галактика
Изображение: JPL / NASA

Возможное решение проблемы иерархии масс ученые продемонстрировали на примере электрослабого взаимодействия, характерный масштаб которого имеет порядок массы бозона Хиггса, то есть около 125 гигаэлектронвольт. Действие, описывающее новую теорию, содержит два слагаемых. Первое связано с бозоном Хиггса, второе — с аксионоподобным полем, взаимодействующим на планковском масштабе с гравитацией.

Конформное, иначе — масштабное преобразование вводит в теорию параметр, связанный с аксионным полем, который сильно снижает массу бозона Хиггса и космологическую постоянную. В этом смысле их значения контролируются аксионным полем и определяются параметром конформного преобразования.

В настоящее время существуют три варианта объяснения проблемы иерархии частиц. Первый связан с существованием других, еще не открытых экспериментально тяжелых частиц. На их роль претендуют, в частности, суперсимметричные частицы и темная материя. К сожалению, эксперименты на БАКе пока не подтверждают реалистичность существования первых.

Второе объяснение не предполагает новых частиц и сводится к так называемому антропному принципу: Вселенная такая, какая есть, с заданным набором описывающих ее природу параметров, поскольку иначе не существовало бы человека, задающего подобные вопросы — в частности, об иерархии масс. Третий вариант предполагает существование мультивселенной — множества параллельных миров, характеризуемых уникальными наборами фундаментальных констант, масс частиц и взаимодействий между ними. Набирающие популярность теории естественности, вероятно, можно считать четвертым возможным решением проблемы иерархии частиц.

[Анатолий Засов]

https://postnauka.ru/faq/44957
Астрофизик о далеких галактиках, расширении Вселенной и постоянной Хаббла
27 марта 2015

Астроном Эдвин Хаббл с фотографией галактики Андромеды / AP Archive

Законом Хаббла называется линейное соотношение между скоростью, с которой удаляются от нас далекие галактики, и расстоянием до них. Это означает, что если закон Хаббла применим, то галактика, которая в два раза дальше от нас, удаляется от нас в два раза быстрее.

Этот закон был сформулирован американским астрономом Эдвином Хабблом в 20-х годах XX века на основании очень немногочисленных в то время изменений скоростей галактик. Оценивая расстояния до галактик по блеску наиболее ярких звезд и сопоставляя это расстояние с известными в то время скоростями галактик, он нашел линейное соотношение между ними. При этом коэффициент пропорциональности, связывающий скорость и расстояние, был им получен с очень большой ошибкой из-за систематической недооценки расстояний. Коэффициент пропорциональности в зависимости Хаббла принято называть постоянной Хаббла. Величина постоянной Хаббла продолжает уточняться, и сейчас наиболее точное значение близко к 70 км/с на 1 мегапарсек (1 Мпк составляет около 3 млн световых лет). К примеру, если какая-то галактика находится на расстоянии в 100 Мпк от нас, то можно ожидать, что она удаляется от нашей Галактики со скоростью около 70⋅100 = 7000 км/c.

С физической точки зрения закон Хаббла является естественным отражением расширения Вселенной, происходящего одинаково по всем направлениям, при отсутствии выделенного центра этого расширения (с любой галактики картина расширения будет выглядеть примерно одинаково). Величина, обратная постоянной Хаббла, имеет размерность времени и составляет около 14 миллиардов лет. Эту величину часто условно принимают за возраст Вселенной, так как она представляет собой грубую оценку времени, прошедшего с начала расширения.

Важно отметить, что закон Хаббла — это не всеобщий закон природы. Он выполняется лишь приблизительно, потому что галактики, помимо скоростей, связанных с расширением Вселенной, обладают еще случайными скоростями собственных движений — от нескольких сотен до нескольких тысяч км/с. По этой причине, если галактики находятся сравнительно близко по отношению к нам — скажем, на расстоянии нескольких Мпк, — скорости случайных движений делают закон Хаббла неприменимым; такие галактики могут как удаляться, так и приближаться к нам. Закон Хаббла достаточно точно выполняется только для далеких галактик, и то в определенных пределах — на очень больших расстояниях в миллиарды световых лет (тысячи Мпк) постоянная Хаббла отличается от принятой для более близких галактик.

Тем не менее закон Хаббла в настоящее время используется как наиболее простой и надежный способ определения расстояний до галактик и их скоплений. Это важнейший параметр, описывающий современный темп расширения Вселенной.

доктор физико-математических наук, профессор кафедры астрофизики и звездной астрономии физического факультета МГУ, заведующий отделом Внегалактической астрономии ГАИШ МГУ

[Алексей Старобинский]

https://postnauka.ru/video/41354
Физик о самой ранней стадии развития Вселенной, пространстве де Ситтера и метрике пространства-времени
13 февраля 2015

Как возникла гипотеза космологической инфляции? Какими современными наблюдательными данными она подтверждается? Какими свойствами обладала Вселенная в начале инфляционной стадии? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук.

Космология занимается тем, что изучает структуру и историю всей Вселенной или, если сказать более точно, той части Вселенной, которую мы можем сейчас непосредственно наблюдать. За последние примерно 40 лет, начиная с того уровня, на котором космология была примерно в 1978 году, мы стали существенно больше знать о прошлом Вселенной. Если эту историю представить в самой компактной форме — примерно в такой же степени компактности, как если упростить историю человечества, перечислив только основные общественно-экономические формации: первобытно-общинную, рабовладельческую и так далее, — то если в 1978 году мы говорили о том, что история Вселенной состоит из двух частей, то сейчас мы уже говорим о четырех основных эпохах. История Вселенной за эти 40 лет стала вдвое обширней.

Самая первая стадия — инфляционная, или де-ситтеровская, — самая ранняя из известных нам стадий эволюции вселенных. Я не хочу сказать, что это самая первая стадия. В принципе, что-то было и раньше. Просто сейчас о том, что предшествовало инфляции, мы никаких определенных наблюдательных данных не имеем. Об инфляционной стадии за последние 20 лет, начиная с эксперимента COBE 1992 года, накопилось уже много наблюдательных данных, из них-то мы уверенно говорим о том, что до горячего Большого взрыва, который был известен уже с 50-х годов прошлого века, была предшествующая стадия, которая была холодной, но сверхплотной, с очень большой плотностью.

Согласно Эйнштейну, гравитационное взаимодействие можно описать как движение всего в искаженном пространстве-времени. Характерные радиусы кривизны этого четырехмерного пространства-времени были малыми в смысле характерных длин или очень большими в смысле кривизны (кривизна — обратный радиус). Речь будет идти о характерных временах порядка 10-39 секунды и расстояниях 10-29 сантиметра. Соответствующие энергии будут порядка 1014 ГэВ. В то же время на Большом адронном коллайдере достигается энергия максимум 104 ГэВ, то есть на 10 порядков меньше.

Откуда мы об этом узнали? Была предложена гипотеза о том, что предшествовало стадии горячего Большого взрыва. Фактически одной из первых была моя работа 1979 года о том, что, если бы такая стадия была, то как бы это можно было проверить. Есть второй закон термодинамики: энтропия растет, в не очень четком смысле слова — если не прилагать специальных усилий, то беспорядок растет. Сейчас наша Вселенная достаточно упорядочена, что математически следует из того, что метрика пространства-времени, которая ее сейчас характеризует, может быть описана как очень симметричная, плюс на ней малая рябь, малые неоднородности с относительной безразмерной амплитудой порядка 10-5 — это число следует только из наблюдений. Эти возмущения метрики есть обобщения на случай теории Эйнштейна того самого ньютоновского гравитационного потенциала, который в школе изучается. Из того факта (это можно и более строго показать), что все-таки беспорядок растет, можно, хотя и не совсем обязательно, но естественно выдвинуть гипотезу, что по крайней мере та часть Вселенной, в которой мы находимся, в прошлом была еще более упорядоченной.

Инфляционную гипотезу можно представить в таком виде — это один из способов ее ввести, именно этот способ я использовал в своей работе 1979 года. Давайте вообще примем самую крайнюю гипотезу, что в какой-то момент времени в прошлом Вселенная была максимально симметричной, столь симметричной и красивой, насколько это возможно, насколько допускают законы физики, в частности законы квантовой механики и квантовой теории поля. Причем это утверждение должно относиться ко всему: и к гравитационному взаимодействию в терминах эйнштейновской теории гравитации или даже более сложных модифицированных теорий гравитации, которые я использовал, то есть к метрике пространства-времени; и ко всем физическим полям, которые в ней присутствуют.

Отсюда и возникает инфляционная гипотеза. Ее можно сформулировать так: давайте поищем пространство-время, обладающее столь большой степенью симметрии, сколько возможно, в частности, столь же симметричное, как и плоское пространство-время Минковского, которое, кстати, обладает 10-параметрической группой симметрии.

В смысле квантовых полей это значит, что не было никаких частиц, потому что любая частица нарушает симметрию, она дает выделенную, связанную с ней систему отсчета.

В этом смысле был вакуум по отношению ко всем частицам. Оказывается, такое пространство-время есть. Пространство Минковского для начального состояния не подходит, поскольку у него плотность энергии нулевая, а нам нужно в конце иметь положительную плотность энергии, из которой, в частности, мы состоим и сами. Но есть, оказывается, другое пространство-время, столь же симметричное — это пространство-время де Ситтера, которое является обобщением на четырехмерное пространство двухмерного гиперболоида вращения — того гиперболоида, из кусков которого построена Шуховская башня. Но там это двухмерная поверхность в трехмерном пространстве, а я говорю о четырехмерном. Оказалось, что эта гипотеза работает, и из нее есть наблюдательные следствия, именно эти следствия были измерены в экспериментах последних 20 лет.

Что это за наблюдательные следствия? Хотя частиц не было, но, согласно квантовой механике, это не значит, что не было квантовых полей. Квантовые поля, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, не могут обращаться в ноль даже в вакуумном состоянии, где нет частиц. Эту начальную стадию я называл де-ситтеровской в 1979 году, а в 1981 году Алан Гут предложил ей имя «инфляционная стадия», которое действительно потом стало очень популярным.

Тут важно замечание, что это все-таки не абсолютно точно де-ситтеровская стадия, потому что реальная все-таки неустойчива. Истинно де-ситтеровская стадия была бы устойчивой, и она бы осталась такой, и тогда не было бы места ни для чего, что мы видим сейчас, в частности, для нас самих. Поэтому такая стадия должна быть метастабильной. То есть она должна хотя и медленно, но все-таки распадаться. Поэтому та максимальная симметрия, о которой я сказал, тоже соблюдается с точностью до этой слабой неустойчивости. Но это нестрашно, эта важная оговорка, но она не мешает сделать определенные предсказания.

В пространстве де Ситтера происходит процесс, который не происходит в плоском пространстве-времени. Поскольку это пространство-время кривое, в нем происходит процесс, аналогичный рождению пар «частица — античастица» в сильном поле, в частном случае электрического поля рождаются пары «электрон — позитрон». В метрике де Ситтера рождаются пары «частица — античастица» всех квантовых полей материи, в том числе и пары фотонов, а также пары гравитонов, но это отдельный вопрос.

Специфика состоит в том, что в ускорительных экспериментах действительно имеют дело с частицами, там они регистрируются, а в космологии, оказывается, важна не частица, а уже сами флуктуации полей. В этом причина существования ответа на следующий вопрос: допустим, что выдвинута гипотеза о том, что что-то было с нашей Вселенной очень давно, — это все очень красиво, но как мы сейчас об этом узнаем и почему следы этого не затерлись?

Оказывается, и тут работает принцип причинности. Расширение Вселенной на начальной де-ситтеровской, или инфляционной, стадии происходит по экспоненциальному закону. Это закон очень быстрый. Из-за этого оказывается, что эти самые неоднородности, эти самые квантовые флуктуации (из них нас больше всего интересуют флуктуации метрики пространства-времени, то есть некие неоднородности пространства-времени) забрасываются. Созданный в одном месте, например, обобщенный гравитационный потенциал немножко больше, в другом месте — немножко меньше. Расстояние между этими точками становится настолько большим, что потом световой сигнал от одной точки до другой не успевает дойти за всю последующую эволюцию, вплоть до относительно недавнего момента.

Принцип причинности плюс только естественная гипотеза о том, что принцип причинности работает до этих энергий, по крайней мере до 1014 ГэВ, приводят к тому, что эти самые неоднородности (аналог того, чем для археологов были бы черепки с надписями), созданные на инфляционной стадии, доживают до настоящего момента. А дальше мы знаем, как их искать. Это можно делать и по распределению галактик, и, что самое точное, по особенностям в температуре реликтового излучения.

Практически оказывается, что окружающее нас реликтовое излучение, имеющее температуру примерно 2,73 кельвина, только в первом приближении изотропно.

В первом приближении его температура по разным направлениям на небесной сфере одна и та же. Но только в первом приближении. А на уровне 10-5 от этих примерно 2,7 градуса, то есть на уровне 30 микрокельвинов, она начинает отличаться. И у нас есть четкое предсказание, какие должны быть статистические свойства. Подтверждение наличия таких статистических свойств в более грубом первом приближении, которое только подтверждало общее предсказание всех инфляционных моделей, но еще не давало возможности сказать, какая из них верна, было получено в эксперименте COBE в 1992 году, примерно лет через десять после теоретического предсказания. А более точно это было сделано в экспериментах последних лет — это, во-первых, эксперимент WMAP, а потом эксперимент Planck. Эксперимент WMAP публиковал свои данные в течение нескольких последних лет, но действительно самые последние хорошие данные — это уже 2010–2011 годы, и 2013 год — это данные эксперимента Planck.

Не углубляясь в детали, можно показать, с какой точностью предсказаний мы работаем и как растет экспериментальная точность. Одна из самых важных величин, которые характеризуют и начальную де-ситтеровскую стадию, и флуктуации реликтового излучения, — это так называемый наклон спектра первичных возмущений. Это некая малая величина, общее предсказание инфляционного сценария, что эта величина должна быть малой. Предсказание, полученное в конкретном сценарии, в том, который я впервые предложил в 1980 году, а конкретно это число рассчитали в 1981 году Муханов и Чибисов, что это малое число равняется -0,04. Эксперимент COBE 1992 года дал результат для этого малого числа 0±0,1, то есть общее подтверждение того, что это число должно быть малым, меньше по модулю 0,1, но еще пока точность недостаточна, чтобы судить более точно. Последние данные эксперимента Planck свидетельствуют, что это число равняется -0,04±0,01. Так вы видите и точность теоретических предсказаний, и прогресс в определении уже чисел, конкретных безразмерных чисел, который произошел в экспериментальной космологии.

доктор физико-математических наук, академик РАН, главный научный сотрудник Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН
Полезен ли был материал?