Карта реликтового излучения



Карта реликтового излучения

Джон Мазер (р. 1946)

Карта реликтового излучения

Джордж Смут (р. 1945)


Пространство Вселенной заполнено электромагнитным излучением микроволнового диапазона (примерно 400 фотонов на каждый 1 см3 Вселенной), имеющего сплошной спектр с максимумом на длине волны 1,06 мм (А. Пензиас и Р. Вильсон, 1964). При этом форма спектра такого космического микроволнового фонового (или реликтового) излучения в точности (отличие измеренных значений от теоретически предсказанных составляет 1/400) соответствует планковской кривой, отвечающей излучающей способности абсолютно чёрного тела, нагретого до температуры 2,72548 ± 0,00057 К (Джон Мазер и Джордж Смут, 1990-е годы).

Карта реликтового излучения

Спектр реликтового излучения по данным спутника COBE (COsmic Background Explorer)


Поскольку реликтовое излучение возникло на ранних стадиях формирования Вселенной, то неоднородности плотности ранней Вселенной не только привели к формированию наблюдаемой структуры Вселенной, но и должны были оставить след в спектре реликтового излучения. Многочисленные измерения показали, что степень изотропности реликтового фона весьма велика (что является дополнительным аргументом в пользу тезиса об изотропности Вселенной). Тем не менее, наблюдаются небольшие (3,35 мК, или около 0,1%) отклонения от средней температуры в зависимости от того, в каком направлении на небе проводится измерение.

Карта реликтового излучения

Holmdel Horn Antenna (Bell Telephone Laboratories), с помощью которой А. Пензиас и Р. Вильсон открыли реликтовое излучение



Эти отклонения представляют собой дипольную составляющую анизотропии реликтового излучения, и они вызваны движением измеряющего прибора относительно фона. Реликтовое излучение изотропно лишь в системе координат, связанной со всей системой разбегающихся галактик, т.е. в «сопутствующей системе отсчёта», которая расширяется вместе с Вселенной. В любой другой системе координат температура излучения зависит от направления.

Карта реликтового излучения

Карты реликтового излучения, построенные на основе измерений спутника COBE (1989 – 1993)


Таким образом, эффект Доплера приводит к синему сдвигу излучения, распространяющегося навстречу прибору, и к красному – догоняющему его. В результате этого на фоне однородного распределения температуры появляется два «полюса» – тёплый в направлении движения и холодный в противоположном направлении. Измерения с искусственных спутников Земли показали, что Солнечная система движется относительно реликтового фона со скоростью 366 км/с в направлении границы созвездий Льва и Чаши к точке с экваториальными координатами α = 11h12m и δ = –7,1° (эпоха J2000), что соответствует галактическим координатам λ = 264,26° и β = 48,22°. Учёт движения самого Солнца в Галактике показывает, что относительно всех галактик Местной группы Солнце движется со скоростью 316 ± 5 км/с в направлении с координатами λ = 93 ± 2° и β = –4 ± 2°. Движение самой Местной группы относительно реликтового излучения происходит со скоростью 635 км/с в направлении с координатами λ = 269° и β = +29°.

Карта реликтового излучения

Карта реликтового излучения по данным спутника WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)
(2001 – 2009)


Наряду с дипольной составляющей, измерения показали наличие мультипольных компонент анизотропии (пятна с повышенной и пониженной температурой) реликтового излучения. Эта анизотропия является результатом квантовых флуктуаций плотности, которые существовали и до инфляции, но были очень сильно усилены в период инфляции. Среднеквадратичное отклонение температуры для мультипольных составляющих анизотропии составляет примерно 18 мкК (или менее 0,001%). Источники анизотропии реликтового излучения могут быть разделены на две категории: первичные и вторичные. Первичная анизотропия возникла в период рекомбинации и «впечатана» в фон (сохраняется в реликтовом излучении после того, как фотоны покинули поверхность последнего рассеяния). Вторичная анизотропия возникает в процессе рассеяния фотонов на их пути от поверхности последнего рассеяния до наблюдателя.

Карта реликтового излучения

Карта реликтового излучения, построенная на основе измерений спутника Planck (2010 – 2013)



Существует три источника первичной анизотропии: эффект Саша – Вольфа, внутренние (адиабатические) возмущения и эффект Доплера.

Карта реликтового излучения

Сравнение результатов измерений реликтового фона спутниками COBE, WMAP и Planck


Основной вклад в анизотропию в больших угловых масштабах (более 10º) вносит гравитационное красное смещение, заключающееся в том, что свет, исходящий из областей, где плотность материи выше средней, испытывает красное смещение. И наоборот, излучение из более разреженных областей испытывает синее смещение (относительно общего фона).

Карта реликтового излучения

Аномалии в распределении реликтового фона (преувеличены) по данным спутника Planck

На промежуточных масштабах основной эффект обязан адиабатическим возмущениям. Рекомбинация возникает позже в тех областях, где плотность больше, поэтому фотоны, испускаемые областями с повышенной плотностью, испытывают меньшее красное смещение и потому оказываются более «горячими».

Карта реликтового излучения

Несколько процентов «снежных» помех на экране ненастроенного TV-приёмника обусловлены реликтовым излучением

Наконец, на самых маленьких масштабах (около 1º) важным становится эффект Доплера. Он возникает потому, что на поверхности последнего рассеяния фотоны рассеиваются в движущейся плазме.


br>
Конкуренция между гравитацией и давлением излучения приводит к продольным (акустическим) осцилляциям в фотон-барионной жидкости. Когда материя и излучение разделяются в момент рекомбинации, картина акустических колебаний остается запечатлённой в реликтовом фоне. Сегодня доказательство существования звуковых волн (областей пониженной и повышенной плотности) детектируется в форме первичной анизотропии реликтового излучения.

Карта реликтового излучения

Карты реликтового излучения и мультипольные разложения

Известно, что любая звуковая волна, независимо от сложности её формы, может быть представлена в виде суперпозиции мод с различными волновыми векторами k (k ~ 1/λ). Каждой моде с λ (или с k) отвечает определенный угловой размер θ на небе. Следовательно, для того чтобы упростить сравнение теории с наблюдениями, вместо разложения Фурье для акустических колебаний (в терминах функций синусов и косинусов) можно использовать угловое (мультипольное) разложение в терминах полиномов Лежандра Pl(cos θ). При этом порядок полинома l играет ту же роль, что и величина волнового вектора k в разложении Фурье. Для l ≥ 2 полиномы Лежандра – это осциллирующие функции на интервале [–1, 1]. По мере роста l число осцилляций увеличивается. Следовательно, значение l (порядок мультипольного момента) обратно пропорционален характерному угловому размеру моды: l ~ 1/θ.


Источник: physics.bsu.by

Европейское космическое агентство опубликовало полученную космической обсерваторией “Планк” обновлённую карту реликтового излучения — слабого микроволнового фона, пронизывающего всё окружающее пространство и оставшегося с тех времён, когда Вселенная была совсем молодой. Анализ такой карты позволяет учёным отвечать на самые фундаментальные вопросы о Вселенной: каков её возраст, из чего она состоит и как она стала такой, какой мы её знаем. Согласно новым данным, Вселенная немного — на 100 миллионов лет — старее, чем считалось ранее, а темпы её ускоренного расширения — медленнее. Кроме того, учёные уточнили соотношение масс основных компонентов Вселенной: обычной и имеющей неизвестную природу тёмной материей, а также загадочной тёмной энергией. Оказалось, что предыдущие оценки завышали долю тёмной энергии и занижали доли обоих типов материи. В целом, новые данные за исключением некоторых деталей хорошо укладываются в стандартную космологическую модель, принятую в настоящее время в науке.

Карта реликтового микроволнового фона Вселенной, полученная обсерваторией «Планк»

Образовавшись около 14 млрд лет назад (по уточнённым данным — 13,82 млрд) наша Вселенная, согласно господствующей космологической модели, была маленькой и очень горячей. Сразу после рождения (так называемого Большого взрыва) она начала стремительно расширяться — то, что называется этапом инфляции — и остывать. Со временем темп ускоренного расширения замедлился, но не остановился.

На ранних этапах своей жизни Вселенная была настолько горяча, что практически всё обычное вещество в ней представляло собой плотную плазму — наподобие нашего Солнца или других звёзд. В таком веществе свет не мог свободно распространяться и находился в своеобразном связанном состоянии. Но вот, где-то через 380 тысяч лет после появления Вселенной её температура из-за расширения упала до 2700 градусов, и плазма начала стремительно рекомбинировать: свободно летавшие до того протоны и электроны начали образовывать нейтральные атомы водорода. Среда стала прозрачной для электромагнитного излучения, и освободившийся свет начал свой полёт сквозь время и пространство.

Этот первый древний свет, известный как реликтовое излучение, дошёл и до наших времён. Однако из-за расширения Вселенной он «состарился», уменьшив свою частоту, и теперь представляет собой слабый микроволновой фон. Однако он сохранил в себе свойства той Вселенной, в которой появился, и представляет собой своеобразную «фотографию» тех древних времён. Изучая её, мы можем больше узнать о происхождении Вселенной, а также о её составе и возрасте.


Для составления наиболее полной и точной карты реликтового микроволнового излучения и был создан и запущен спутник «Планк». Это не первый подобный проект. До этого аналогичным методом, но с меньшей точностью, немало важных сведений о ранней Вселенной принёс спутник WMAP.

Данные, полученные из новой карты, в основном подтверждают стандартную космологическую картину Вселенной, но уточняют некоторые из её параметров. Так, барионного вещества — то есть обычной, привычной нам с вами формы материи, данной нам в ощущениях — в основном в виде излучения светового и других диапазонов — оказалось чуть больше, чем считалось ранее. Его доля в массе видимой Вселенной оценивается в 4,9% против предыдущих 4,5%. Чуть больше оказалось и тёмной материи — вещества загадочной природы, проявляющей себя только через гравитационное взаимодействие на больших — порядка размеров галактик — расстояниях. Если ранее считалась, что её доля составляет около 22,7% общей массы Вселенной, то теперь она выросла до 26,8%. А вот тёмной энергии — гипотетической субстанции, ответственной за наблюдаемое ускоренное расширение нашей Вселенной — видимо, меньше, чем полагалось до сегодняшнего дня. Оценка её доли в общемировом балансе упала с 72,8% до 68,3%.

Таким образом, можно было бы сказать, что новые данные не дают ничего принципиально нового, только уточняют уже известное, если бы не несколько небольших, но очень важных «но».


здесь не лишним будет отметить, что учёные как раз очень любят такие «но». Если результаты наблюдений совпадают с теоретическими предсказаниями, это скучно и неинтересно. Однако если что-то вдруг не так, как ожидалось, то, возможно, мы стоим перед большими открытиями. От возможности сделать такое открытие и отчасти удовлетворить природное любопытство не откажется, пожалуй, ни один из тех, кто посвятил свою жизнь большой науке.

Так вот, в новых данных есть сразу несколько моментов, не укладывающихся в стандартную космологическую модель. Во-первых, оказалось, что угловое распределение микроволнового фона для достаточно больших углов — где-то от 6 до 90 градусов — слишком однородно. Во-вторых, и это может быть связано с первым, на карте реликтового излучения явно выделяется наличие двух полушарий — более «тёплого» и более «холодного». И наконец, в-третьих, в «тёплом» полушарии наблюдается аномально большое «холодное» пятно неизвестного происхождения.

Аномалии в распределении микроволнового фона

Следует отметить, что два последних обстоятельства были заметны и на предыдущих снимках (полученных спутником WMAP), однако из-за недостаточной точности измерений тогда не было полной уверенности, что этот эффект однозначно связан с космическим излучением, а не вызван шумами более близкого происхождения – например, в нашей Галактике. Сейчас эта возможность, фактически, исключена.


Удовлетворительных объяснений наблюдаемых данных пока нет. И это прекрасно, поскольку открывает возможности для построения каких-то новых теорий. Наиболее простой гипотезой является отказ от предположения изотропности Вселенной на больших масштабах. Изотропность — это свойство пространства, согласно которому все направления равноправны. Если предположить, что на больших расстояниях это не так, то оказывается, что распространяющийся по Вселенной свет претерпевает довольно причудливые искажения, приводящие, в том числе, к наблюдаемым эффектам. Окончательный ответ, так это или нет, учёные смогут получить только с появлением новых уточнённых данных спутника «Планк», которые обещают опубликовать в начале 2014 года.

В целом, с появлением новой карты ситуация с современной космологической картиной стала чем-то напоминать хорошо законспирированного разведчика в захватывающем шпионском детективе. Вроде обычный парень, простой и понятный. Но нет-нет и проскальзывают какие-то едва уловимые — буквально пунктирные — даже не черты, а штрижки характера, по которым чувствуется, что он сложнее и интереснее, чем кажется. Остаётся только надеяться, что, как и в настоящем кино, в конце концов природа откроет нам, на кого же наш разведчик работает на самом деле.


Это авторская версия статьи, опубликованной на сайте “Радио Свобода”.

Источник: physh.ru

    Телескоп «Планк» по изучению микроволнового фонового, или реликтового, излучения Вселенной составил первую полную карту неба. Микроволновое фоновое излучение иногда называют эхом Большого взрыва, так как считается, что оно сохранилось со времен образования Вселенной. Орбитальная обсерватория «Планк» регистрирует это излучение при помощи детекторов, которые охлаждаются жидким гелием до минус 273,05 градуса Цельсия (0,1 кельвина). Экстремально низкая температура («Планк» считается самым холодным объектом во Вселенной) необходима по причине того, что средняя температура реликтового излучения не превышает 2,7 кельвина. В общей сложности за время своей работы «Планк» должен составить четыре полные карты микроволнового фонового излучения.

    Микроволновое (радио) небо глазами Планка. Этот обзор неба был создан по данным телескопа, покрывающих электромагнитный спектр частотой с 30 ГГц до 857 ГГц. Пестрая структура CMBR, с ее крошечными температурными колебаниями отражает изначальные вариации плотности, из которых и возникла в дальнейшем вся сегодняшняя космическая структура, отчетливо видна в высокоширотных областях карты. Центральная зона это плоскость нашей Галактики. На большей части изображения преобладают диффузные выбросы газа и пыли. Изображение составлено по данным собранным Планком в ходе первого сканирования неба в период с августа 2009 года по июнь 2010.

Карта реликтового излучения

Карта реликтового излучения

    Справа от центра изображения, ниже плоскости Галактики, представлено большое облако газа. Светлая дуга это Петля Барнарда, расширяющийся пузырь от взрыва звезды. Планк сумел рассмотреть даже другие галактики. Большая спиральная Галактика в созвездии Андромеды, на расстоянии в 2,2 млн. световых лет от Земли, выглядит на изображении как небольшая световая линия. Другие, более отдаленные, галактики с сверхмассивными черными дырами видны в виде ярких единичных точек.
    Этот обзор неба не только позволил по-новому взглянуть на звезды и форму Галактики, но и рассказал нам, как сама Вселенная развивалась после Большого Взрыва.
    «Для этого и был задуман Планк», сказал директор ESA по науке и робототехническим исследованиям, Дэвид Саутвуд. «Мы не получили ответа. Мы открыли дверь в ‘Эльдорадо’, где ученые смогут найти самородки, которые приведут к более глубокому пониманию того, как наша Вселенная образовалась и как она функционирует сейчас. В настоящее время должен начаться научный урожай.»
    Основной диск нашей Галактики проходит через центр изображения. Сразу же выделяются струйки холодной пыли, идущие сверху и снизу Млечного Пути. Это галактическая сеть — где происходит формирование новых звезд и Планк нашел множество мест, где отдельные звезды готовы к рождению или только начинают свой цикл развития. Не столь заметен, но возможно, более интригующим является пестрый фон вверху и внизу изображения. Это и есть космическое микроволновое фоновое излучение (CMBR). Это самое старое излучение во Вселенной, остатки огненного шара, из которого наша Вселенная возникла 13,7 млрд. лет назад.
    Хотя Млечный путь показывает нам, как Вселенная выглядит сейчас, то микроволновое излучение показывает нам, как Вселенная выглядела во время ее создания, когда еще не было звезд и галактик. И вот тут мы и подходим к цели миссии Планка, расшифровке того, что произошло после Большого Взрыва, во время формирования кластеров и сверхскопления галактик. Различные цвета излучения означают различия в температуре и плотности вещества. Основной вопрос состоит в том как эти небольшие неровности превратились в плотные регионы, которые сформировали галактики.

Карта реликтового излучения

    CMBR охватывает все небо, но большая его часть скрыта в этом обзоре излучением от Млечного Пути, которое будет удалено после компьютерной обработки, что позволит увидеть реликтовое излучение в полном объеме. Когда эта работа будет завершена, Планк покажет нам наиболее точную картину реликтового излучения. Большой вопрос состоит в том, будут ли эти данные свидетельствовать о первичном периоде инфляции. Эта эпоха была сразу после Большого взрыва, в результате которой Вселенная выросла до огромных размеров за очень короткий период времени. К концу миссии в 2012 году будет завершено 4 обзора неба. Первый полный релиз данных CMBR планируется на 2012 год, а каталог, содержащий отдельные объекты в нашей Галактике будет выпущен в январе 2011.

Источник: galspace.spb.ru

Реликтовое излучение

Согласно стандартной космологической модели, когда Вселенная была молодая (начиная от момента в несколько секунд после Большого взрыва и несколько сотен тысяч лет потом), она была заполнена горячей плазмой — «супом» из свободных протонов, электронов и ионизирующего излучения (фотонов) высокой энергии. Если какой-нибудь протон соединялся с электроном, образуя атом водорода, то такой атом мгновенно разбивался фотонами. Время шло, Вселенная расширялась, а плотность и температура излучения падали. В какой-то момент энергии фотонов перестало хватать для поддержания плазмы. Протоны и электроны смогли образовывать нейтральные атомы водорода, а длина свободного пробега фотонов стала больше размеров видимой Вселенной — излучение отделилось от вещества и впервые после Большого взрыва Вселенная стала для него прозрачной. Освободившиеся фотоны мы наблюдаем сегодня в виде реликтового излучения (рис. 2).

За счет расширения Вселенной длина волны реликтового излучения сегодня находится в миллиметровом диапазоне, но в момент, когда оно было испущено, она была примерно в 1100 раз короче (см. Космологическое красное смещение). Соответственно, температура этого излучения сегодня составляет 2,7 К, а в момент излучения — примерно 3000 К. Реликтовое излучение доминирует в современной Вселенной, то есть этих старых фотонов даже сейчас во много раз больше, чем фотонов от всех звезд (рис. 3).

Говоря о температуре реликтового излучения, имеют в виду, что частотный спектр этого излучения является спектром абсолютно черного тела с определенной температурой. Здесь употреблено не совсем научное слово «является» (ведь в науке проверяют, насколько теория соотносится с экспериментом). Но, глядя на измерения спектра реликтового излучения (рис. 4), иначе и не скажешь. Обратите внимание, что показанные ошибки измерений умножены на 400 — иначе их просто не было бы видно. Измерение спектра реликтового излучения — самое точное измерение во всей космологии.

Открытие реликтового излучения в 1964 году американскими радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном стало важнейшим подтверждением верности теории Большого взрыва. Еще бы: мы ведь увидели напрямую плазму молодой Вселенной, которой было всего около 400 тысяч лет (сравните с современным возрастом Вселенной — около 14 миллиардов лет). Сегодня, продолжая наблюдения реликтового излучения, мы узнаем все больше и больше о процессах, проходивших в те ранние эпохи.

Сейчас эксперименты в области наблюдения реликтового излучения сконцентрированы на изучении его анизотропии. Как уже говорилось, свет реликтового излучения приходит к нам со всех сторон. Фотоны реликтового излучения имеют практически одинаковую температуру, вне зависимости от направления их прилета (то есть реликтовое излучение почти изотропно). Однако имеются также небольшие флуктуации температуры по направлениям (анизотропия реликтового излучения). Амплитуда этих флуктуаций очень маленькая: среднее отклонение составляет около 10−5 от средней температуры реликтового излучения (рис. 1).

Флуктуации температуры плазмы в ранней Вселенной определяются случайными процессами, поэтому для их изучения логично применять статистические методы. Для этого смотрят на корреляции флуктуаций по разным угловым расстояниям и строят так называемый угловой спектр мощности. Спектр мощности температурных флуктуаций, измеренный в различных современных экспериментах, показан на рис. 5. На нем показан спектр по так называемым мультиполям — величинам, обратно пропорциональным угловому расстоянию.

Важным результатом этих измерений является сравнение измеренного спектра мощности с ожиданием согласно стандартной космологической модели (которая, напомним в двух словах, заключается в том, что Вселенная, на 70% состоящая из темной энергии и на 25% — из темной материи, разлетается после Большого взрыва, случившегося 13,8 миллиардов лет назад). Совпадение с теоретическим спектром наблюдается с высокой точностью, что подтверждает верность нашей модели Вселенной.

Холодное пятно реликтового излучения

Флуктуации реликтового излучения распределены по небесной сфере очень равномерно: мы не видим, чтобы в какой-то области неба красные (или синие) пятнышки были больше или меньше. Ну, то есть почти не видим. Имеется по крайней мере одна аномалия, называемая «холодным пятном» (см. CMB cold spot). Она находится в созвездии южного полушария Эридан и имеет радиус примерно 5° (рис. 6). Температура реликтового излучения в районе пятна на 70 мкК ниже, чем в среднем (при том, что среднее отклонение по всему небу составляет только 18 мкК), а в его центре температура падает вообще на 150 мкК. Холодное пятно было впервые обнаружено в 2001 году при помощи WMAP — космического микроволнового телескопа второго поколения (первое поколение экспериментов по исследованию флуктуаций реликтового излучения было в 80–90-х годах, сейчас начинается уже четвертое поколение).

Но главная проблема даже не в температуре холодного пятна, а в его размере. Просто глядя на карту реликтового излучения, сложно сказать, что выделенное холодное пятно является чем-то необычным и странным. Казалось бы, имеются и красные (горячие) и синие (холодные) пятна гораздо большего размера. Тут, во-первых нужно помнить, что эта картинка — восстановленная карта флуктуаций реликтового излучения. Всё, что находится на центральной горизонтали, на самом деле скрыто от нас излучением Млечного Пути (см. рис. 3). И требуется непростая процедура комбинирования карт неба на разных частотах, чтобы «вычесть» нашу Галактику. В итоге мы получаем полную карту реликтового излучения, но областям, скрытым за Млечным Путем, особого доверия нет, и в анализе они обычно не используются. Большинство видимых глазом пятен лежит именно в этой ненадежной области карты. Холодное же пятно лежит в «чистой», надежно измеренной области неба, далеко от Млечного Пути. Во-вторых, оно и правда необычайно холодное.

Чтобы объяснить, почему холодное пятно такое странное, введем понятие горизонта. Горизонт — это максимальное расстояние, которое частица может пролететь с момента Большого взрыва, если она движется со скоростью света. Горизонт ограничивает причинно связанные области Вселенной: так как информация (то есть любой вид физических взаимодействий) не может распространяться быстрее скорости света, области Вселенной, отделенные друг от друга на расстояние больше горизонта, не должны иметь ничего общего между собой. В момент отделения реликтового излучения горизонт имел размер, который сегодня виден под углом примерно 1° (вспомните, что первый пик на спектре мощности находится именно на значении 1°). Таким образом, очень странно видеть, что в холодном пятне температура коррелирует на больших расстояниях. Выглядит так, будто в этом месте произошло что-то, что распространялось со скоростью больше скорости света.

На самом деле ученые так и считают, что в ранней Вселенной был процесс, расширявший пространство быстрее скорости света. Этот процесс происходил в эпоху инфляции, закончившуюся примерно через 10−33 с после Большого взрыва. Благодаря инфляции сегодня мы видим реликтовое излучение изотропным на больших угловых расстояниях.

Одно из самых распространенных заблуждений о теории Большого взрыва связано с тем, что Большой взрыв берет начало из сингулярности, которая в простом понимании ассоциируется с точкой. Поэтому возникают вопросы типа: «А где на небе находится точка, где произошел Большой взрыв?» Такой точки нет, и вот почему. Считается, что Вселенная бесконечна, хотя мы и не видим ее всю целиком. И еще мы знаем, что Вселенная расширяется. Если мы посмотрим назад по оси времени, мы, соответственно, увидим, что она сжимается. А теперь вопрос: если мы сжимаем бесконечность, в какой момент она перестанет быть бесконечной и превратится в «нуль»? Правильный ответ: ни в какой! Бесконечность так и останется бесконечной, даже если мы ее бесконечно сожмем. То же самое и со Вселенной: она была бесконечной в каждый момент ее истории, в том числе в момент Большого взрыва.

Но теперь, если Вселенная с самого начала была бесконечной, то почему реликтовое излучение имеет почти одинаковую температуру по всему небосводу? Ведь мы говорили, что размер горизонта составляет всего около 1°! А значит, реликтовое излучение должно состоять из многочисленных причинно не связанных областей. И очень странно видеть, что они такие одинаковые. Это называется проблемой горизонта (см. Horizon problem).

Чтобы справиться с этой проблемой (и несколькими другими связанными задачами), физики Алан Гут, Андрей Линде и Пол Стейнхардт разработали теорию инфляции, согласно которой вся наблюдаемая нами сегодня Вселенная «раздулась» (английское слово «inflate» означает «надувать») из некоторой небольшой причинно связанной области. Теория инфляции, которая нередко рассматривается как часть стандартной модели космологии, предполагает, что в промежуток от 10−36 с до 10−33–10−32 с после Большого взрыва Вселенная расширялась с огромным ускорением (затем она продолжила расширяться, но уже без ускорения). Хотя до сих пор физики не пришли к единому мнению, за счет какого именно процесса Вселенная расширялась с ускорением в период инфляции, имеются многие экспериментальные указания, что это было действительно так. В настоящий момент ведутся поиски последнего доказательства инфляции — B-мод поляризации реликтового излучения.

И благодаря инфляции мы получили неоднородности в распределении плотности Вселенной, из которых позднее сформировались галактики (сначала эти неоднородности были микроскопическими квантовыми флуктуациями, которые затем «раздулись» до больших размеров). Однако, хотя инфляция и предлагает механизм, связывающий области Вселенной на сверхгоризонтных расстояниях, всё равно странно: почему везде неоднородности реликтового излучения имеют размер в 1° и меньше, а в районе холодного пятна — целых 5°?

Итак, подведем промежуточные итоги. На карте реликтового излучения имеется очень странная аномалия — холодное пятно. Она отличается большим размером, около 5°, и низкой температурой — отклонение от средней температуры реликтового излучения почти в 10 раз больше, чем в других областях неба.

Объяснение с помощью пустоты

Появление холодного пятна можно объяснить по крайней мере двумя способами: можно предположить, что оно происходит от какого-то процесса в ранней Вселенной, а можно поискать, что могло отпечататься на реликтовом излучении в более поздние эпохи. Обсудим сперва вторую возможность.

Проще всего можно объяснить появление холодного пятна, предположив наличие пустоты в распределении галактик в данном направлении. Мы знаем, что галактики во Вселенной формируют крупномасштабную структуру, состоящую из скоплений, связывающих их нитей и пустот (войдов) между ними.

Почему пустота может объяснить наличие холодного пятна? Рассмотрим фотон реликтового излучения, проходящий через пустоту. Входя в пустое пространство из области с более высоким гравитационным потенциалом, фотон теряет энергию за счет гравитационного красного смещения. То есть фотону нужно затратить энергию, чтобы выбраться из ямы гравитационного потенциала. Выходя из пустоты, фотон снова набирает потерянную энергию. Однако, в случае расширяющейся Вселенной, к моменту выхода из пустоты гравитационный потенциал будет уже не таким глубоким, и фотон не получит полностью потерянную энергию. Таким образом, пустоты делают фотоны реликтового излучения более холодными. А скопления, наоборот, разогревают их. В среднем оба эффекта компенсируют друг друга. Однако если мы имеем большую пустоту недалеко от нас, то охлаждение фотонов реликтового излучения может оказаться заметным.

Пустота поблизости от нас — более предпочтительное объяснение образования холодного пятна, чем аномалия в ранней Вселенной, потому что сегодня горизонт намного больше, чем был тогда. То есть анизотропия в ближайшем окружении более вероятна, чем в дальнем. В статье «Космические нарушители спокойствия: холодное пятно, супервойд Эридана и великие стены» (A. Kovács, J. García-Bellido, 2016. Cosmic troublemakers: the Cold Spot, the Eridanus Supervoid, and the Great Walls), опубликованной летом 2016 года, ее авторы Андраш Ковач и Хуан Гарсия-Беллидо заявляют, что обнаружили пустоту в направлении холодного пятна (эта статья подводит итоги и дополняет более ранние исследования этого вопроса, см., в частности, статью Иштвана Сапуди, Андраша Ковача и др.: I. Szapudi et al., 2015. Detection of a Supervoid Aligned with the Cold Spot of the Cosmic Microwave Background). Обнаруженная пустота в созвездии Эридан — именно такая, как нужно: узкая и очень длинная, простирающаяся от нас до значения красного смещения z = 0,3 (то есть на дальнем краю этой пустоты мы видим Вселенную, которая в 1,3 раза меньше современной, это около 800 Мпк).

Детально изучив эту пустоту, Ковач и Гарсия-Беллидо заключили, что она состоит из цепочки соединенных между собой пустот меньшего размера. Плотность вещества в ней примерно на 25% меньше, чем в среднем по локальной Вселенной. Длина пустоты вдоль линии взгляда — примерно 500 Мпк, а ширина — около сотни Мпк. Однако всё честно исследовав, ученые пришли к выводу, что пустота Эридана все-таки недостаточно «пустая», чтобы объяснить возникновение холодного пятна. Она может снизить температуру реликтового излучения в данном направлении лишь на 40 мкК из наблюдаемых 150.

Получается противоречивый вывод. С одной стороны пустота Эридана и холодное пятно явно связаны друг с другом, ведь оба они находятся в одном и том же месте на небосводе. Но обнаруженная пустота явно недостаточна, чтобы полностью обосновать эту связь. Возможно ли, что такая связь все-таки существует, но, чтобы ее обнаружить, нам необходим детальный пересмотр всей нашей космологии? Тогда холодное пятно окажется окном в новую захватывающую физику!

Стоп, не так быстро. Может, еще и нет никакой новой физики. В статье за апрель 2017 года «Указание против существования пустоты, связанной с холодным пятном реликтового излучения» (R. Mackenzie et al., 2017. Evidence against a supervoid causing the CMB Cold Spot) уже упоминавшийся Иштван Сапуди с коллегами показывают, что пустота Эридана не такая большая. Согласно их расчетам, она имеет размер всего 100 МПк и на 34% менее плотная, чем окружающая Вселенная. И хотя, по этим расчетам, пустота Эридана оказывается более пустой, она может объяснять понижение температуры реликтового излучения всего на 6 мкК. Вдоль направления на холодное пятно имеются еще пара пустот, но они еще меньше, чем эта и в сумме не дают и близко нужного эффекта.

Нужно пояснить, почему в разных исследованиях получаются разные результаты. Наблюдая галактику в телескоп, мы можем весьма точно измерить ее положение на небосводе, но измерение расстояния до нее — не такая простая задача. То есть для построения трехмерной карты неба имеются две хорошо измеренные координаты и одна — плохо измеренная. Для определения расстояний требуется измерение красного смещения, которое, как уже было сказано выше, указывает на то, насколько меньше была Вселенная в момент, когда свет от удаленной галактики был испущен. Фактически, красное смещение — это измерение расстояний на сверхдалеких дистанциях (начиная от ~100 Мпк). Красное смещение, в свою очередь, измеряется по спектрам звезд: сам термин «красное смещение» означает, что спектры свечения далеких объектов смещены в сторону длинных волн (кажутся более красными). Поэтому для измерения красного смещения необходимо использовать не простой телескоп, а какой-то инструмент, чувствительный к длине волны излучения.

Используются два подхода: фотометрический и спектрометрический. Фотометрический заключается в том, что телескоп обозревает небо по нескольким длинам волн, каждую длину волны отдельно (примерно, как в цифровом фотоаппарате: отдельно снимаются красный, зеленый и синий цвета). Фотометрический подход позволяет изучать все объекты, попавшие в поле зрения телескопа, разом. Но при этом он дает плохую чувствительность по спектру. Спектрометрический подход заключается в использовании спектрометра отдельно для каждого объекта в поле зрения телескопа. При этом получается отличное измерение спектра. Но это измерение трудно провести для всех объектов, которые видны в телескоп (измерение спектра каждого объекта требует времени, пусть и небольшого). Поэтому приходится выбирать, для каких объектов измерять спектр, а для каких — нет. Получается, что оба метода дают погрешности: у фотометрии это погрешность измерения красного смещения, а у спектрометрии — погрешность из-за ограниченной выборки. В первой из обсуждаемых статей использовались и фотометрические, и спектрометрические измерения, при этом спектрометрические данные были сконцентрированы больше на небольших значениях красного смещения (ближняя к нам область). Использованные каталоги содержат почти 100 тысяч галактик, хотя большая их часть расположена на красных смещениях z < 0,1. Во второй статье использовались спектрометрические данные до значения красного смещения z = 0,4, но при этом авторы статьи смогли исследовать лишь 7000 галактик.

Подводя итог. Вопрос с холодным пятном и связанной с ним пустотой в локальной области Вселенной — один из «горячих» в современной космологии. И можно надеяться, что в ближайшее время этот вопрос либо закроется окончательно, либо принесет очень интересные открытия. На данный момент ясно, что в направлении холодного пятна есть более или менее (в зависимости от данных, использованных в исследовании) разреженная область. Но, насколько мы можем заключить, эта разреженная область — пустота Эридана — недостаточно большая и пустая, чтобы объяснить возникновение холодного пятна. Связаны ли эти два явления или нет, неясно. Вообще говоря, сам факт наблюдения пустоты Эридана тоже является интересной темой для исследований: уж очень она большая, эта пустота. Но в связи с холодным пятном пока все как-то неопределенно. И всё же еще раз: две космических необычности — пустота Эридана и холодное пятно реликтового излучения — случились в одном и том же месте небосвода. Совпадение? Может быть — да, может быть — нет. Надо разбираться.

Источник: elementy.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.