Американским астрономам удалось составить наглядное представление о том, как будет выглядеть часть Вселенной через 10 тысяч лет. Речь идет о компьютерной модели, созданной на основе предполагаемой эволюции более 100 тысяч космических тел в звездном скоплении Омега созвездия Центавр.
Это созвездие расположено в галактике Млечный путь на расстоянии примерно 16 тысяч световых лет от Земли. Нарисовать картину будущего расположения этих объектов позволили сложнейшие компьютерные программы и космический телескоп НАСА "Хаббл".
Первым занес Омегу в каталог александрийский астроном Птолемей. Это произошло почти 2000 лет назад. Он считал, что речь идет об одной единственной звезде. Теперь считается, что скопление Омега насчитывает порядка 10 миллионов звезд, вращающихся вокруг одного центра. Бортовые инструменты "Хаббла" позволили с высокой степенью точности зарегистрировать самые незначительные отклонения 100 тысяч таких объектов от орбит их движения. Наблюдения велись с 2002 по 2006 годы и показали, что во многих случаях такие отклонения происходят лишь раз за четыре земных года.
"Потребовалась высокая скорость вычислительных операций, сложные компьютерные программы, чтобы измерить легкие смещения звезд, случающиеся не чаще раза в четыре года", - подчеркнул астроном Джей Андерсон из Института космических телескопов в Балтиморе (США, штат Мэриленд). Он проводил эти исследования вместе со своим коллегой Руландом ван дер Марелом. По словам Андерсона, главную роль в работе сыграло "острейшее зрение" телескопа "Хаббл". Обработав полученную с телескопа информацию, компьютеры смогли смоделировать скопления звезд такими, какими они будут через 10 тысяч лет, передает ИТАР-ТАСС.
Последний раз редактировалось Chugunka; 14.08.2018 в 22:19.
Валерий Рубаков, Борис Штерн
«Троицкий вариант» №14(83), 19 июля 2011 года
Андрей Дмитриевич Сахаров. Фото: «Троицкий вариант»
В предыдущей статье (ТрВ №79), посвященной вкладу Андрея Дмитриевича Сахарова в космологию, речь шла о барионной асимметрии Вселенной и его пионерской работе на эту тему. Сейчас мы рассказываем о более ранней, тоже пионерской работе, в которой был теоретически предсказан эффект, получивший впоследствии название «Сахаровские осцилляции». Обе работы в какой-то степени опередили время, обе были частично основаны на неправильных предположениях, но тем не менее верны в принципе, обе имели далеко идущее развитие в последующие десятилетия.
Распределение материи в современной Вселенной неоднородно на масштабах до примерно 100 мегапарсек (300 миллионов световых лет). Она выглядит как гигантская застывшая пена типа монтажной, используемой для установки окон: почти пустые пузыри (так называемые войды) и стенки. Откуда взялась эта структура? Ясно, что она — результат гравитационной неустойчивости — той же самой, что заставляет облака космического газа и пыли сгущаться в звезды. Задолго до открытия этой структуры Я. Б. Зельдович теоретически показал, что гравитационная неустойчивость в ранней Вселенной должна дать именно такую пену (пересекающиеся «блины» в терминологии Зельдовича с коллегами) в результате роста первоначальных возмущений плотности, неясен был только ее масштаб. Реальная картина прорисовалась только к концу 80-х, когда «пена» прорисовалась на трехмерных картах скоплений галактик по данным обзоров. Но главный вопрос оставался: из каких начальных возмущений сконденсировалась «пена» крупномасштабной структуры Вселенной?
Работа А. Д. Сахарова, о которой идет речь, делалась в первой половине 60-х годов и была опубликована в 1965 г. Тогда про крупномасштабную структуру ничего не знали. Но все равно стоял вопрос: как возникли скопления галактик и сами галактики, откуда взялись начальные возмущения, из которых они сгустились?
В то время не знали многих других вещей: еще не была сформирована концепция раздувающейся Вселенной, еще не было открыто реликтовое излучение. Последнее обстоятельство делало теорию горячей Вселенной недоказанной гипотезой, что позволяло предполагать, что Вселенная родилась плотной, но холодной. Модель горячей Вселенной была популярной, но Я. Б. Зельдович, чей авторитет в космологии был бесспорен, в то время пропагандировал модель холодной Вселенной.
Изображение: «Троицкий вариант»
Исходные предположения А.Д. в данной работе таковы:
Первоначальные возмущения плотности в ранней Вселенной имеют природу квантовых флуктуаций. Это предположение и поныне лежит в фундаменте космологии.
Возмущения возникли в самом начале Большого взрыва, при планковской плотности, когда сильны эффекты квантовой гравитации, и дальше эволюционировали в соответствии с расширением Вселенной. По наиболее популярным современным представлениям, это не так: возмущения, определившие «лицо» Вселенной, возникли позже — на стадии экспоненциального раздувания (инфляции) Вселенной. Принципиальной разницы здесь нет, однако раздувающаяся Вселенная позволяет решить еще другие проблемы космологии, которые А.Д. в своей статье не рассматривал.
Изначально температура Вселенной равна нулю. Это ошибочное предположение, которое, по признанию самого А.Д., сильно снизило ценность работы. Оно сделано под влиянием Я. Б. Зельдовича, на которого А.Д. ссылается в своей статье по этому поводу. Однако эта ошибка не стала фатальной, поскольку уравнения состояния (связь между плотностью энергии и давлением) в горячей и холодной моделях совпадают до некоторого момента.
Из физики первых мгновений
Что происходит с первичными возмущениями при расширении Вселенной? Они становятся акустическими волнами, двигающимися со скоростью звука, участвуя в общем расширении. Хорошо известно, чему равна скорость звука в самой ранней Вселенной: с/√(3), где с — скорость света. Это результат так называемого ультрарелятивистского уравнения состояния, когда давление в среде равно одной трети плотности энергии, p = ε/3. Последняя включает энергию покоя частиц, поэтому в разреженном газе из холодных, а значит медленных, частиц давление много меньше плотности энергии, а скорость звука много меньше скорости света. Наоборот, ультрарелятивистское уравнение состояния возникает, когда в среде частицы двигаются со скоростью, близкой к скорости света.
В горячей Вселенной ультрарелятивистское уравнение состояния держится довольно долго — около 300 тыс. лет. Первые доли секунды оно поддерживается за счет того, что все частицы двигаются почти со скоростью света из-за высокой температуры. Потом температура падает настолько, что протоны становятся нерелятивистскими (движущимися существенно медленней скорости света). Однако они выгорают, проаннигилировав с антипротонами, их число уменьшается на девять порядков величины (см. предыдущую статью в ТрВ-Н № 79). Дальше в течение секунд во Вселенной доминируют безмассовые фотоны и легкие электроны с позитронами. Последние тоже аннигилируют друг с другом, когда становятся нерелятивистскими, при этом электронов тоже остается одна миллиардная от их прежнего числа. Далее в плотности энергии Вселенной доминируют фотоны. Протоны хоть и тяжелые, но их в миллиард раз меньше — многочисленные фотоны поддерживают ультрарелятивистское состояние еще около 300 тыс. лет. Тогда же, через 370 тыс. лет после Большого взрыва, происходит еще одно важное событие, но об этом — ниже.
В холодной Вселенной работает совсем другая физика, которая тоже обеспечивает ультрарелятивистское уравнение состояния, но только первые доли секунды. Это чисто квантомеханический эффект, в его основе лежит принцип Паули, запрещающий двум протонам или двум электронам находиться в одном квантомеханическом состоянии.
Тот же самый принцип не дает всем электронам в атоме сесть на низший энергетический уровень. В плотном газе принцип Паули тоже заставляет электроны распределяться по разным энергиям (точнее, по импульсам, где направление тоже имеет значение).
Если температура равна нулю, частицы равномерно заполняют объем сферы в пространстве импульсов. Такой газ частиц называют вырожденным Ферми-газом, а максимальную энергию частиц, ниже которой весь фазовый объем заполнен,— энергией Ферми. Чем больше плотность, тем выше энергия Ферми. Если энергия Ферми много больше энергии покоя частицы, имеем p = ε/3 даже при нулевой температуре.
Рис. 1. Карта флуктуаций реликтового излучения, полученная космическим аппаратом WMAP после вычитания фона и дипольной компоненты. Последняя связана главным образом с эффектом Доплера от движения Солнечной системы. Вычтенный фон связан главным образом с галактикой и отдельными внегалактическими источниками. Флуктуации по сравнению со средним уровнем реликтового излучения невелики — всего 10-5 по порядку величины. Изображение: «Троицкий вариант»
Рис. 1. Карта флуктуаций реликтового излучения, полученная космическим аппаратом WMAP после вычитания фона и дипольной компоненты. Последняя связана главным образом с эффектом Доплера от движения Солнечной системы. Вычтенный фон связан главным образом с галактикой и отдельными внегалактическими источниками. Флуктуации по сравнению со средним уровнем реликтового излучения невелики — всего 10–5 по порядку величины. Изображение: «Троицкий вариант»
Через доли секунды после начала расширения холодной Вселенной энергия Ферми становится меньше массы протона, и скорость звука падает практически до нуля.
В общем, с точки зрения акустики, начальные этапы расширения в холодной и горячей Вселенной качественно похожи: уравнение состояния то же самое, скорость звука та же самая, и там и там происходит переход к нерелятивистскому уравнению состояния, только в очень разное время.
Стоячие волны
Итак, вначале были квантовые первичные возмущения плотности. Они стали распространяться по Вселенной, как звуковые волны, со скоростью, сравнимой со скоростью света.
Андрей Дмитриевич Сахаров. Фото: «Троицкий вариант»
Любые колебания, подчиняющиеся линейным дифференциальным уравнениям, будь то звук или свет, можно смело раскладывать на волны разных длин и смотреть по отдельности, что происходит с каждой из них.
Для начала допустим, что некая вселенная внезапно возникла, будучи в целом однородной, но с локальными возмущениями плотности? и не расширяется (это внутренне противоречивая картина, но мы ее используем лишь для иллюстрации). Начальные неоднородности, если они были хаотическими (случайными), превратятся в волны, разных длин складывающиеся в хаотическую картину. Спектр этих волн в произвольный момент времени примерно повторяет спектр начальных возмущений, хаос остается хаосом. Но может быть более интересная ситуация: волны могут оказаться стоячими.
Пример стоячей волны — колебания струны на гитаре. Вся струна в один момент выпрямляется, через четверть периода максимально изгибается, потом снова целиком выпрямляется и т. п. В случае со струной «стоячесть» колебаний обеспечивается закрепленными концами. Другой пример: стоячие волны около бетонной стены причала в порту. Точно так же на одном и том же месте то возникают высокие волны, то поверхность воды разглаживается. Там нет закрепленных концов, но есть отраженная волна, которая, суммируясь с набегающей, дает стоячие волны.
Оказывается, и в целой вселенной можно получить стоячие звуковые волны. Самая простая возможность (хотя и не единственная) — потребовать, чтобы все начальные возмущения во вселенной были статичными, т. е. начальные скорости вещества в них были равны нулю. Тогда все возникшие волны можно будет разбить на противоположно направленные симметричные пары плоских волн — как волны у стены причала, и их сумма даст именно стоячие волны, синхронно исчезающие и вырастающие во всем пространстве. Чтобы проверить это самому, достаточно знаний курса общей физики и умения разлагать косинус суммы двух углов (см. врезку).
Какой будет картина звуковых колебаний плотности во вселенной в случае стоячих волн? На глаз она по-прежнему будет казаться хаотичной, но если построить спектр флуктуаций плотности в пространстве (для этого надо карту плотности среды во вселенной подвергнуть преобразованию Фурье), то выявится удивительная вещь: он периодичен!
Любую карту начальных возмущений можно разложить в ряд Фурье, члены которого будут иметь вид плоских волн: Ck cos(xk + φk), где x — координата, k — волновой вектор φk — фаза. Решение волнового уравнения для звуковых колебаний хорошо известно: каждому члену разложения будут соответствовать плоские волны: Ck cos(xk – t + φk). Здесь v — частота колебаний волны, которая связана с волновым вектором через скорость звука v: v = k v.
Если скорость вещества вначале равна нулю, то начальные возмущения статичны, т. е. они не зависят от времени. В этом случае волны можно сгруппировать по симметричным парам с противоположно направленными волновыми векторами: 0.5 Ck cos (xk – tv + φk) + 0.5 Ck cos (–xk – tv – φk) (т. е. Ck = С–k, φk = – φк).
Действительно, положив t = 0, получаем исходное разложение, а продифференцировав по времени, получаем нуль при t = 0. Наконец, разложив косинус суммы двух углов, получаем стоячие волны вида Ck cos(xk + φk) cos (tv), т. е. амплитуда волн с данной частотой будет синхронно и периодически меняться во всём пространстве.
Спектр неоднородностей в зависимости от их размера L будет пропорционален cos(π T v/L), где Т — возраст вселенной (считаем, что скорость звука v не зависит от времени). Из этой зависимости можно оценить возраст своей вселенной! Однако наше требование о том, чтобы все начальные возмущения плотности были статичными в придуманной нами статичной вселенной, ниоткуда не следует.
Как обстоит дело в расширяющейся вселенной? Основные отличия таковы:
Каждая волна будет участвовать в расширении, и ее длина и частота будут меняться.
Условие статичности начальных возмущений выполнится автоматически! Дело в том, что вначале вселенная расширяется столь быстро, что начальные скорости вещества быстро забываются, тогда как амплитуды волн остаются прежними. Это значит, что все звуковые колебания плотности в ранней вселенной будут иметь вид стоячих волн — при одинаковой частоте синхронно во всем пространстве достигать максимума и обращаться в ноль. Это утверждение прямо следует из работы А. Д. Сахарова. Зависимость амплитуды волн от времени получается несколько более сложной, чем косинус, — она выражается через функции Бесселя, которые тоже осциллируют в зависимости от длин волны.
Волны застывают
Давление среды во Вселенной рано или поздно в некое время T0 становится много меньше плотности энергии, и скорость звука сравнительно быстро падает на порядки. Акустические волны становятся застывшими неоднородностями плотности, причем они застывают практически одновременно — независимо от длины волны. И эту картину застывших волн можно попытаться увидеть, если как-то суметь снять карту неоднородностей и разложить ее в ряд Фурье.
Что мы должны увидеть? «Застывание» всё-таки происходит не мгновенно, поэтому короткие волны успевают усредниться, пока скорость звука падает. Значит, коротковолновая часть спектра будет невыразительной, лишенной каких-то особенностей. А более длинные волны, которые успели совершить ровно одно-два-три-четыре колебания с рождения Вселенной, проявятся в спектре в виде четких максимумов, разделенных провалами. Еще более длинные волны, которые не успели совершить ни одного колебания, опять дадут плавную часть спектра, лишенную особенностей. Именно такая картина получила название «Сахаровские осцилляции». Правда, именной термин используется далеко не всеми, в настоящее время чаще используется его синоним «акустические осцилляции».
Когда происходит застывание, и на каких масштабах оно должно проявиться? В варианте холодной Вселенной, как уже было сказано, скорость звука падает через доли секунды. При этом самый длинноволновый максимум в спектре неоднородностей охватывает массу вещества порядка массы небольших звезд.
В том же 1965 году, когда была опубликована данная работа А. Д. Сахарова, было открыто реликтовое излучение, однозначно свидетельствующее о том, что Вселенная родилась горячей. В связи с этим потребовался новый анализ акустических осцилляций. Это сделали независимо Я. Б. Зельдович с Р. А. Сюняевым (R. Sunyaev, Ya. Zeldovich. Astrophysics and Space Science vol. 7 (1970), p. 3) и Peebles с J.T. Yu (PJ.E. Peebles, J.T. Yu. Astrophysical Journal vol. 7 (1970), p. 815). Как уже сказано выше, в горячей Вселенной скорость звука падает примерно через 300 тыс. лет. При этом в самый длинноволновый пик, соответствующий одному колебанию, оказываются вовлечены массы порядка 1018 масс Солнца: десятки миллионов галактик.
Горячая модель дает еще один сюрприз — фотографию Вселенной возраста 370 тыс. лет — как раз той эпохи, когда уравнение состояния Вселенной менялось и скорость звука падала. Дело в том, что в это время температура Вселенной упала настолько, что электроны с протонами рекомбинировали в атомы водорода и Вселенная стала прозрачна для света. Этот свет из-за расширения Вселенной превратился в радиоволны — знаменитое реликтовое микроволновое излучение.
Улыбка Мироздания
Если бы А. Д. Сахаров увидел спектр мощности угловых гармоник реликтового излучения! (Он изображен на рис. 2.) Я. Б. Зельдовичу тоже не довелось его увидеть, зато многие, принимавшие непосредственное участие в развитии теории, дожили.
Мощь науки ярче всего проявляется не тогда, когда удается объяснить ранее непонятный эффект, а когда кто-то предсказывает нечто неординарное и потом это находят воочию. Крупных примеров подобного рода в истории не так уж много. Хрестоматийный пример — открытие Нептуна «на кончике пера».
Рис. 2. Результат разложения карты реликтового излучения, приведенной на рис. 1, по угловым гармоникам (мультиполям). Сплошная кривая — результат теоретической подгонки, которая чувствительна к таким параметрам Вселенной, как кривизна пространства, средняя плотность вещества и темной материи. Изображение: «Троицкий вариант»
Рис. 2. Результат разложения карты реликтового излучения, приведенной на рис. 1, по угловым гармоникам (мультиполям). Сплошная кривая — результат теоретической подгонки, которая чувствительна к таким параметрам Вселенной, как кривизна пространства, средняя плотность вещества и темной материи. Изображение: «Троицкий вариант»
Сахаровские осцилляции в некотором плане куда «круче», прежде всего своей запредельностью — непредставимостью масштабов, как непредставимо маленьких, так и непредставимо больших. Сидит человек и пишет формулы с невероятными цифрами: возраст Вселенной — 10–43 секунды, плотность —1098 грамм на см3, что-то из них пытается вывести. Откуда убеждение, что на таких масштабах вообще работает наша логика, что к ним применимы законы, выведенные человеком? С точки зрения постороннего, ученый в данном случае занимается полными абстракциями, фантазиями на деньги налогоплательщиков. В результате значительных усилий человек выводит на бумаге, что распределение неких флуктуаций плотности во Вселенной должно описываться некой осциллирующей функцией Бесселя.
Через десятилетия люди запускают космический аппарат с прецизионным приемником микроволнового радиоизлучения, испущенного миллиарды лет назад. И видят из карты этого излучения ту самую осциллирующую функцию Бесселя!
Наблюдение самого факта акустических осцилляций — только начало. Оказывается, они лучше, чем что-нибудь другое, помогают измерить целый ряд параметров нашей Вселенной, включая ее возраст и геометрию. Это примерно то же самое, как если бы на карте ранней Вселенной увидели бы масштабную линейку с делениями в мегапарсеках, да и не только линейку — часы и целую «метеостанцию» с различимыми показаниями на циферблатах.
Например, высота главного пика над подложкой дает оценку плотности вещества во Вселенной, а положения пиков «чувствуют» геометрию пространства. Последнее свойство нетрудно понять: длина акустической волны, попавшей в максимум через 370 тыс. лет после Большого взрыва, фиксирована, а угол, под которым она сегодня видна, зависит от того, евклидово наше трехмерное пространство или нет. Именно из измерений положений пиков следует, что пространство на самом деле евклидово: сумма углов треугольника составляет в нем 180°, даже если речь идет о треугольниках со сторонами в десятки миллиардов световых лет.
Сахаровские осцилляции — не единственная зацепка для космологов — есть еще далекие сверхновые, скопления галактик, гравитационное линзирование. Но это, безусловно, самая надежная опора.
Мы рассказали всего о двух научных работах Андрея Дмитриевича Сахарова. Это лишь небольшая часть из того, что он сделал за свою жизнь. Однако даже по двум работам можно судить о мощи этого человека: в них не просто решены какие-то проблемы. В этих работах поставлены и решены проблемы, которые еще никто не видел в то время.
http://www.mk.ru/science/2014/09/09/...vselennoy.html
Российские ученые считают, что пока можно жить спокойно
Вчера в 16:41,
Наша Вселенная может исчезнуть в один миг, перейдя в совершенно иной вакуум! К такому выводу пришел британский физик-теоретик Стивен Хокинг и изложил свою версию в предисловии к сборнику текстов крупных физиков Starmus. По его мнению, к концу света могут привести высокоэнергетические опыты с недавно открытой частицей - бозоном Хиггса. Эту неожиданную для обывателей точку зрения корреспондент «МК» попросил прокомментировать заведующего лабораторией Института ядерной физики МГУ им. Ломоносова Александра КРЮКОВА.
Хокинг преувеличил опасность Хиггса для Вселенной
фото: AP
- Хоккинг считает теоретически возможным образование туннеля между двумя вакуумными состояниями нашей Вселенной. Каким образом Вселенная может попасть в такой туннель и причем здесь частица бозон Хиггса?
- Бозон Хиггса, как вы уже знаете, это частица, которая существует в природе. Поскольку поймать ее очень сложно (она живет миллионные доли секунды), люди создали Большой адронный коллайдер, с помощью которого она в итоге и была найдена. Есть частица Хиггса, и есть поле Хиггса. И вот от этого поля зависит масса всей материи во Вселенной и состояние вакуума.
- Но как опыты с частицей могут привести к концу света?
- Думаю, никакого конца света в течение 6 миллиардов лет (столько по предварительным подсчетам, отведено еще нашему Солнцу) нам ничего не угрожает. Хоккинг, безусловно, гениальный человек, но, по-моему, он несколько преувеличивает опасность бозона Хиггса. Да, наша Вселенная пребывает в вакууме и теоретически может оказаться в другом вакууме. Представьте ямку в земле, на дне которой лежит шарик. Он, словно наша сегодняшняя Вселенная занимает в этой ямке — вакууме самое удобное для него низкоэнергетическое состояние. Однако рядом может быть другая лунка, более глубокая, в которой нашему шарику-Вселенной было бы еще удобнее и выгоднее (чем глубже, тем ниже энергия). Сложность заключается в том, что со дна одной ямки попасть на дно другой, невозможно. Но если посмотреть на эту проблему с точки зрения квантовой теории (не спрашивайте меня, как, это сложно объяснить в формате этой беседы), то шарик наш теоретически, может пройти сквозь барьер и попасть в другую ямку напрямую, под землей. Согласно нашему первоначальному условию, это и есть переход в иной вакуум.
- Но откуда Хоккинг знает, что есть какой-то другой вакуум?
-Этого я не знаю. Возможность существование множества вакуумов допускается современной наукой. Возможно 14 миллиардов лет назад, когда произошел Большой взрыв, породивший нашу Вселенную, произошел переход Вселенной из одного вакуума в другой.
- А что же надо сделать с бозоном Хиггса, чтобы поле Хиггса могло «перебросить» нас в другое «измерение»?
- Хоккинг говорит о том, что подобное могло бы быть возможным только при увеличении энергии столкновения частиц в коллайдере до ста миллиардов гигаэлектронвольт, то есть, образно выражаясь, шарик в одной лунке понадобилось бы сильно раскатать, чтобы он перепрыгнул в другую. БАК же рассчитан на энергию в 14 тысяч гигаэлектронвольт. Достижение таких энергий в ближайшие сто лет не предвидится, так что живите пока спокойно.
«Тут планета, тут пустота, тут звезда, тут человек. Когда же все раскололось на части?»
http://slon.ru/biz/1017910/
Как расширяется Вселенная, где останавливается время, в чем главный вклад российской астрономии в мировую науку и как любой человек может открывать новые кометы без телескопа и бинокля, рассказали Slon астрофизик Александр Петров и астроном Владимир Сурдин
12 ноября 2013
Популяризаторы науки астрофизик Александр Петров и астроном Владимир Сурдин рассказали Slon, как расширяется Вселенная и где останавливается время, о главном вкладе российской астрономии в мировую науку и о том, как открывать новые кометы невооруженным глазом, без телескопа и бинокля. Петров стал финалистом премии «Просветитель» 2013 года с книгой «Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор». Сурдин, получивший премию в прошлом году за книгу «Разведка далеких планет», в ближайшую субботу прочтет в рамках Дня просветителя публичную лекцию в обсерватории МГУ (в полной темноте) об открытии новых небесных тел и поисках жизни во Вселенной.
– В своей книге вы цитируете афоризм: прогресс – это всего лишь смена одних проблем другими. Какую главную проблему в астрономии и в космологии удалось решить в последнее время и какая пришла ей на смену сейчас?
Александр Петров: В последние 15 лет открыли, что наша Вселенная ускоренно расширяется. Теперь понять бы, почему она расширяется. До этого пытались объяснить, почему космологическая постоянная настолько мала...
Владимир Сурдин: Давай другим языком это скажем? Мы уже сто лет знаем, что Вселенная расширяется, но не знаем, как меняется это расширение. Когда едешь на автомобиле, он ускоряется, тормозит или едет с постоянной скоростью. И мы до сих пор не знали, что Вселенная думает: ускоряет свое расширение или тормозит. В середине 1990-х мы таки узнали. Ответ был неожиданный. Думали, что скорость расширения либо постоянная, либо замедляется. Оказалось, что она ускоряется, но мотора ускорения мы не знаем до сих пор. Вот это проблема вставшая. Как если бы человек в коляске без мотора вдруг начал катиться все быстрее и быстрее.
А. П.: Хороший очень пример.
– А это возможно узнать какими-то инструментальными методами или теоретическими расчетами?
В. С.: Теория может все что угодно. Я думаю, всегда последнее слово за экспериментом, а в астрономии – за наблюдениями. Будем наблюдать.
– Кстати, про теорию. В книге вы упоминаете «теорию всего», которая увязала бы все существующие теории устройства Вселенной. Насколько ученые близки к ее созданию?
А. П.: Ну, насчет «близки» сложно сказать, но попытки ведутся уже несколько десятилетий. И открытие бозона Хиггса – это шаг на пути к ней. Если мы пойдем назад во времени по расширению, про которое сейчас Володя говорил, то температура всего, что нас окружает, начнет увеличиваться. А с увеличением температуры окажется, что там некоторые физические взаимодействия перестанут быть разными. То есть вместо электрического и слабого возникнет единое электрослабое взаимодействие. Останется три: то есть будет электрослабое, сильное и гравитационное. Ближе к Большому взрыву температура еще поднимется, останется единое великое взаимодействие. Но с гравитацией есть проблема: она слишком слаба и всегда остается в стороне. Пока это теория, но космологи говорят, что если удастся зарегистрировать реликтовые гравитационные волны, то можно будет говорить о той самой далекой истории Вселенной.
– А телескоп «Планка», который недавно отправили на пенсию, что-нибудь в этом смысле новое обнаружил?
В. С.: Ничего принципиально нового, но он здорово уточнил известное. Предыдущий летавший до него инструмент почти все открыл, наблюдая реликтовое излучение. Реликт – это тепло, которое приходит к нам из очень далеких эпох, когда Вселенная была меньше и горячее. Еще недавно измерения показывали, что со всех частей неба идет одинаковое тепло, как будто мы в печке сидим, и все стенки нагреты до одинаковой температуры. И стояла проблема: раньше все было одинаковым, а сегодня Вселенная разнородна, тут планета, тут пустота, тут звезда, тут человек, когда же все раскололось на части? Это был серьезный кризис в физике. Надо было найти то место в истории Вселенной, где вещество начало собираться в галактики, в звезды, в отдельные планеты. Предшественник «Планка» надежно показал, что в прошлом не было однородного вещества во Вселенной: здесь чуть поплотнее, здесь разрежено, и со временем, к нашей эпохе, это привело к дикой неоднородности. Теперь мы, по крайней мере, вздохнули спокойнее и понимаем, как оно к нашей эпохе разделилось на части.
– На смену телескопу «Планка» запускается новый?
В.С.: Да, и каждый следующий будет более качественным, но работать тоже будет недолго. Да это и не нужно, с телескопами, как с телефонами: через четыре года сегодняшняя техника устаревает, ей на смену приходит совершенно новая.
– Вы говорите: тепло, которое приходит к нам из древних эпох. Обычно мы представляем, что нечто приходит в пространстве, а не во времени.
В.С.: Это одно и то же. Мы смотрим сегодня на Солнце и видим его не таким, какое оно в эту секунду, а каким оно было восемь минут назад. Смотрим на туманность Андромеды и видим ее такой, какой она была два миллиона лет назад. А реликтовое излучение приходит к нам с расстояния 13 миллиардов лет, когда Вселенная была молодой, в ней не было ни звезд, ни галактик, а только однородная плазма.
– А момент, когда появилось это реликтовое излучение, от момента Большого взрыва…
В. С.: … отстоит примерно на 400 тысяч лет. Первые 380 тысяч лет все остывало, в результате плазма стала прозрачным газом, и как только Вселенная остыла, свет пошел через нее, и вот через 13 миллиардов лет дошел сюда, где мы его наблюдаем. Это как со спичкой: сквозь пламя, то есть плазму, ничего не видно, а сквозь газ, который колышется над пламенем, можно разглядеть свет.
– То есть заглянуть в историю за пределы 400 тысяч лет с Большого взрыва невозможно?
В. С.: Нет, мы упираемся в стену плазмы, и свет оттуда не проходит. Но есть другие носители информации, скажем, частицы нейтрино, которые могут пройти сквозь плазму, и если мы научимся их регистрировать, то увидим эпоху еще глубже. А гравитационные волны – им вообще все нипочем. Наша Вселенная, когда взорвалась, шумела в том числе и гравитационными волнами. Если мы их научимся регистрировать, то увидим самое-самое начало. Но когда мы научимся…
– А есть надежда, что научимся?
В. С.: Не при нашей жизни.
А. П.: Для начала нужно зарегистрировать обычные гравитационные волны.
В. С.: Есть гораздо более сильные источники тут рядом: взрывы звезд, столкновения – это очень слабое гравитационное излучение, на Земле пытаются его зарегистрировать, пока безрезультатно.
– В чем сложность?
В. С.: Гравитационное взаимодействие очень слабое. Мы его чувствуем, когда нас к стулу притягивает, только потому, что под нами огромная Земля. А если приходит гравитационная волна, она так слабо возмущает наши приборы, что они не в состоянии это зарегистрировать. Но к этому тоже уже почти подобрались. В мире работает шесть могучих гравитационных антенн, в Штатах, в Японии, в Европе. Если они все одновременно вздрогнут – это значит, что они зарегистрировали волну. А пока каждая из них вздрагивает, потому что где-то комар чихнул, где-то тетя в ста километрах кастрюлю уронила.
– Что будет делать космический корабль Gaia, который запускает Европейское космическое агентство в ближайшие недели?
В. С.: В техническом смысле Gaia – это чисто европейская игрушка, а в смысле обработки наблюдений, подготовки к запуску – тут все принимают участие: и мы, и американцы, все-все. Это очень точный измеритель положения звезд на небе. Вроде ерунда, но астрономы веками уточняют его, и Gaia будет картировать галактику точнее других в тысячу раз. Это позволит со временем узнать движение и взаимное притяжение звезд и в целом устройство галактики.
– А у России есть похожие «игрушки»?
А. П.: Ну, во-первых, у нас есть «Радиоастрон».
В. С.: Да, лучшее, что мы сделали за последние годы...
А. П.: …если не единственное.
В. С.: …если не единственное. Мы запустили спутник с радиотелескопом. Это действительно для России огромный прорыв, никогда еще в космосе не летал большой радиотелескоп. Два года назад удалось его запустить, и сейчас он бегает от Луны к Земле по вытянутой орбите. Западные организации участвовали в виде кое-какой электроники, но практически это наш проект, которым пользуется весь мир.
Суть в том, что обычные радиотелескопы не дают четкой картинки. Но чем больше антенна телескопа, тем лучше изображение. Можно совместить несколько радиотелескопов, создав один многоглазый, но раздвинуть их дальше, чем на размер земного шара, раньше было некуда. Лет 30 назад родилась идея запустить один радиотелескоп в космос, чтобы увеличить эффективный размер системы и повысить четкость изображения. Летом 2011 года с Байконура запустили «Радиоастрон», он раскрыл, как зонтик, свою параболическую антенну, с ним наладили связь. На Земле другие радиотелескопы – наши, австралийские, американские – работают совместно с ним, четкость радиокартинки очень высокая, можно подробно рассматривать черные дыры и ядра галактик. «Радиоастрон» создала группа академика [Николая] Кардашева в астро-космическом центре Физического института Академии наук. Лет двадцать он с коллегами работал над этим проектом.
А. П.: Теперь, может, действительно удастся открыть кротовые норы с его помощью.
– Что это?
В. С.: Ну, есть такая идея: если рассмотреть детально черные дыры и их окрестности, может, удастся открыть туннели в пространстве-времени…
А. П.: Ну, то есть они окажутся не такими черными дырами, которые просто…
В. С.: …все едят, а такими, через которые можно пробегать из одной точки пространства в другую коротким путем, как в фантастических фильмах. Туннели во времени: зашел – а вышел уже на другой планете через 10 секунд. Это теоретическая возможность, наблюдений, доказывающих их существование, пока нет. Маловероятно, но, может быть, «Радиоастрон» поможет приблизиться к такой находке. Это мечта Кардашёва, для нас это фантастика. Честно говоря, «Радиоастрон» стал неожиданным прорывом. Мы лет 20 уже ничего такого в космосе не делали – и вдруг получилось.
– Почему не делали?
В. С.: Страна болела. Не было денег, умные ребята уехали на Запад, полуумные ушли из науки в коммерцию, остались либо фанаты либо совсем никуда не годные. Сейчас проходит реорганизация Роскосмоса, но чем кончится, непонятно пока.
– Про деньги: на днях была новость, что Японское космическое агентство запустило спутник «Эпсилон» с телескопом, силами команды из восьми человек с двумя ноутбуками. То есть космические технологии становятся все доступнее и проблема денег отходит на второй план?
В. С.: Это так в тех странах, где вообще общий технологический уровень достаточно высокий. Вот в Штатах NASA отказалось делать свои ракетоносители на некоторое время, отдает заказы частным фирмам. Кто бы мог себе представит, что частная, небольшая фирма космическую ракету может сделать? Сегодня может. Но почему? Потому что она может разместить заказы на отдельные ее части в массе своих предприятий. В Штатах столько высокотехнологичных предприятий, что тебе достаточно просто иметь небольшой капитал и раскидать заказы по нужным предприятиям. Все придет, собрал – ракета готова. У нас такой среды нет. В Японии моему другу понадобился суперкомпьютер, чтобы быстро делать преобразование Фурье. Он раскидал заказы по японским фирмам и сам собрал шикарную машину для космических вычислений. Говорит, я один создал такую штуку. Да, ты один, но на тебя еще вся Япония работала.
– Может быть, тогда российскую астрономию спасут краудсорсинг и любительская астрономия?
В. С.: Любители всегда вкладывали в астрономию очень много. Полностью контролировать небо профессионалы не могут, у нас нет инструментов, которые бы каждый час обозревали все небо, мы всегда что-то пропускаем интересное. Тот же Челябинский метеорит. Если хотя бы за полчаса до подлета предупредили, люди хоть к окнам бы не подошли, стекло не получили в лицо. Словом, много чего мы не видим, а любители помогают контролировать небосвод. Особенно для России это актуально, у нас с телескопами сейчас не очень. А у любителей, наоборот, возможности возросли невероятно: электроника, цифровые камеры и хорошие дешевые телескопы, почти та же техника, что у профессионала. За три тысячи долларов можно купить супертелескоп. В итоге за последние десять лет в России любители сделали 60–70 процентов открытий астероидов и комет. В мире любители вкладывают процентов 20 в общее число открытий.
– Как это работает? Если я хочу что-нибудь открыть на небе?
В. С.: Конечно, нужно овладеть техникой наблюдений и купить телескоп, хотя и телескоп необязателен. Сейчас есть общемировые банки данных в сети, и любитель может работать на том же уровне, что и профессионал. Есть ребята, которые живут в деревне, у них нет денег на хороший телескоп, но есть интернет. Они скачивают фотографии, сделанные предыдущей ночью в лучших обсерваториях мира, изучают их и открывают кометы. Потому что у профессионалов просто времени не хватает просмотреть весь материал, который телескоп нащелкал за ночь.
– В книге вы пишете, что время на орбите спутников GPS течет быстрее, чем на Земле. В этом месте я немного сломал голову.
А. П.: Просто там, где гравитационное поле сильнее, часы идут медленнее. Чем ближе к Земле, тем поле сильнее, и тем медленнее идут часы. Спутник находится на орбите, то есть дальше от центра гравитации, чем мы, поэтому для нас время в спутнике на орбите идет быстрее, чем у нас. И поэтому, например, для точного определения координат GPS часы на спутнике настроены идти немного медленней, чтобы синхронизироваться с часами на Земле. Черная дыра – это пример предельного значения замедления. Если мы издалека смотрим на черную дыру и приближаем часы к ее горизонту, из-за которого лучи света уже не выходят, то там часы просто остановятся для нас, то есть для удаленного наблюдателя.
– Честно говоря, я надеялся, что ваш ответ меня спасет, а вы сейчас взломали мне голову еще больше новостью, что на горизонте черной дыры часы останавливаются.
А. П.: Да, но не сами по себе, а именно для нас. Есть так называемые астрофизические черные дыры. Суть в том, что звезда после взрыва начинает схлопываться, и, наблюдая издалека, мы видим, как ее вещество устремляется к горизонту. Однако по мере приближения к линии горизонта, сжатиевещества для удаленного наблюдателя замедляется, и в конце концов мы не увидим реальной черной дыры, а увидим некий объект, который очень плотно сжался близко к горизонту, но не ушел под него. Потому что так геометрия устроена, что для удаленного наблюдателя частица не пройдет через горизонт. Но если мы сядем на один из булыжников, которые падают в черную дыру, то мы пролетим горизонт, а если дыра довольно большая, то можем даже не заметить его, но тогда все равно конец неизбежен, потому что из-под горизонта нельзя выйти.
– И времени там для нас не будет?
А. П.: Нет, реально для нас наши часы будут идти так же, мы не заметим замедления времени. А вот если сравнить время наблюдателей, разнесенных в точки с разным гравитационным потенциалом, то оно будет разным. Так же, как в случае с GPS, но тут поправки очень маленькие, а вот черная дыра – это экстремальный пример. Редактор, Ваксман Владимир Михайлович, задал задачу, чтобы я объяснил немного больше, чем есть обычно в популярной литературе. И я попытался. Обычно как говорят: гравитационная сила настолько большая, что даже луч света из-под горизонта не выходит. Ну, как бы оно так и есть, но это ничего не объясняет фактически, потому что неясно, почему? Это не объяснение, а что-то вроде заклинания. Чтобы объяснить это, нужно хотя бы что-то объяснить о пространстве Минковского, то есть о едином пространстве-времени, о световых конусах. И если человек через этот барьер пройдет и поймет, что природа устроена так, что луч света или любая частица не могут покинуть этот световой конус, то все становится прозрачным. Эти световые конуса наклонены так, что и луч света, и любая частица – она все равно пойдет в центр черной дыры.
– То есть вопрос не в физике, а в геометрии?
А. П.: Очень хорошее замечание. Общая теория относительности и подавляющее число современных теорий гравитации геометрические, и вообще ни о какой силе речи не идет, а речь идет о таком искривлении, что все сваливается в этот световой конус.
В. С.: У Саши книжка оригинальная в том смысле, что обычно автор старается сделать популярную книжку понятной для любого школьника. А у Саши начинается с элементарного, но потом все сложней, сложней – и в какой-то момент останавливаешься и понимаешь: все, дальше не врублюсь.
– Даже у вас такое ощущение было?
В. С.: И у меня такое же было ощущение, я не занимаюсь теориями гравитации. В этом вообще мало специалистов. И книга тебе показывает, мол, видишь, братец, дальше – еще сложней и сложней, и сложней, и то, что вы знаете, – это только первые ступеньки к тому, что на самом деле люди знают, и вам еще до этих вершин, может, никогда не добраться. Может, это плохо, что любой читатель, дойдя до какого уровня, понимает: все, я дурак, дальше не могу.
– Обычному человеку, как я, который не обладает нужным уровнем абстракции мышления, – зачем бы ему было полезно попытаться взойти на вашу книгу?
А. П.: На самом деле мои знакомые, человек десять, прочитали ее, многие, конечно, опускали формулы. Половина из тех, кто прочитал, сказали, что планируют перечесть, чтобы разобраться глубже. То есть в ней действительно есть несколько уровней. И на многих это произвело впечатление, особенно последняя глава, которая затрагивает все, что в гравитации сейчас только зарождается. Это жутко интересно, по-моему.
В. С.: Есть такой анекдот. На конференции к британскому астрофизику Артуру Эддингтону, который написал хорошую книгу по теории относительности Эйнштейна, подходит журналист и спрашивает: «Сэр, правда ли, что в мире всего три человека понимают эту теорию?» – «Да? – удивился тот, – а кто третий?»
В 2002 году, проанализировав свет от 200 тыс. галактик, собранный австралийскими специалистами в рамках проекта «Составление карты галактик с помощью красного смещения», американские ученые из университета Джона Хопкинса пришли к выводу, что цвет Вселенной — бледно-зеленый. Если принять за основу палитру красок «Дьюлакс», то цвет этот окажется где-то между «мексиканской мятой», «нефритовой гроздью» и «шелком Шангри-Ла».
Правда, уже через несколько недель после доклада Американскому астрономическому обществу ученым пришлось признать, что в их расчеты вкралась досадная ошибка и что на самом деле по цвету Вселенная скорее ближе к этаким унылым оттенкам серо-коричневого.
Еще в XVII веке величайшие и наиболее пытливые умы задумывались над вопросом: почему ночью небо темное? Ведь если Вселенная бесконечна и в ее пространстве равномерно рассеяно бесконечное число звезд, то повсюду, куда ни взгляни, обязательно окажется какая-то звезда, а значит, ночное небо должно быть таким же ярким, как днем.
В науке эта загадка известна как «фотометрический парадокс Ольберса» — в честь немецкого астронома Генриха Вильгельма Ольберса, описавшего (но не первым в истории) сей таинственный феномен в 1826 году.
Тем не менее до сегодняшнего дня никто так и не нашел по-настоящему убедительного ответа на этот вопрос. Возможно, число звезд во Вселенной все же конечно, а может, свет от наиболее удаленных звезд просто до нас пока не дошел.
Команда, работающая с орбитальной обсерваторией «Хаббл», опубликовала на сайте телескопа снимок, изображающий столкновение и постепенное слияние двух скоплений галактик. Единый объект, который формируется в результате этого слияния, носит название MACS J0416.1-2403, или, сокращённо, MACS J0416.
фото: spacetelescope.org
Астрономы отмечают, что красивое изображение в синих, фиолетовых и розоватых тонах лишь внешне кажется умиротворяющим. На самом деле перед теми, кто смотрит на фотографию, предстаёт мгновение космического катаклизма, масштаб которого человеку трудно себе представить. Чтобы получить снимок, специалисты скомбинировали данные, полученные с помощью трёх разных телескопов: орбитальной обсерватории «Хаббл», рентгеновской обсерватории «Чандра», наземного радиотелескопа VLA. Получившееся изображение специалисты назвали «космическим калейдоскопом».
Объект MACS J0416 расположен на расстоянии 4,3 миллиардов световых лет от Земли в созвездии Эридана — это значит, что на самом деле то, что мы видим, происходило 4,3 миллиарда лет назад. Масса скопления превышает массу всей нашей галактики в 420 раз. Предполагается, что в MACS J0416 содержится немало тёмной материи — именно она на снимке искажает изображение галактик, расположенных «на заднем плане». Профессионалы по снимку также могут сделать вывод, что тёмная материя на нём перемешана с раскалённым газом. Это означает, что слияние двух скоплений ещё не завершилось, в противном случае газ и тёмная материя разделились бы. Также о том, что MACS J0416 пока лишь формируется как объект, свидетельствует скорость звездообразования в нём.
MACS J0416.1-2403 представляет собой весьма интересный для изучения объект. Его масса столь велика, что он выполняет роль так называемой «гравитационной линзы», усиливающей свет галактик, расположенных дальше от Земли. Это, в свою очередь, помогает астрофизикам увидеть объекты, появившиеся спустя сотни миллионов лет после Большого взрыва — то есть, по космическим меркам, почти сразу.
*3108. Телескоп "Хаббл" позволил астрономам заглянуть в будущее Вселенной
Линейный вид
