Инфлация на Вселената ІІ

В предишния пост за инфлацията споменах, че има още два неразрешими проблема, с които тя се справя успешно. Всеки един такъв проблем я прави все по-необходима и обоснована.

Според стандартния модел на елементарните частици (който е една от най-добре тестваните теории въобще), във Вселената трябва да съществува частица, наречена монопол. Такава обаче все още не е засечена в нито един ускорител и учените дълго време се питат защо. Едно от възможните обяснения е следното: след Големия взрив са се образували определен брой частици-монополи, но шеметното разширение на пространството в период от няколко секунди (инфлация) е довело до увеличаване размера на Вселената с милиарди пъти и така концентрацията на тези частици е спаднала значително. Ето защо не можем да ги засечем.

Другият проблем се счита за най-силното доказателство в подкрепа на инфлацията. Това е самата геометрия на Вселената. Стандартното схващане (което се учи в училище) е, че пространството е плоско (Евклидова геометрия). В такова пространство сумата от ъглите във всеки триъгълник е 180°. Върху повърхността на сфера обаче тази сума е по-голяма от 180°.

Каква е нашата Вселена? Наблюденията на микровълновото фоново лъчение показват, че тя се доближава подозрително до плоската Вселена. Това е удивително, защото би значило, че началните параметри са били "програмирани" с изключително висока точност (от порядъка на няколко атома). Инфлацията дава по-правдоподобно обяснение.

Ако една силно закривена повърхнина (например топче за тенис на маса) бъде увеличена до размера на Земята, кривината би станала доста малка, но забележима (и древните са знаели, че Земята е сфера). Ако обаче Земята бъде "раздута" милиарди милиарди пъти, то кривината би станала толкова малка, че нито един наш експеримент не може да я установи. Инфлацията е направила точно това — направила е една изкривена вселена да прилича на плоска.


Така тези проблеми са решени по един отличен начин, но всичко това е за сметка на въвеждането на абсолютно мистериозното разширение, което трябва да е причинено от тайнствена сила. Това е една от основните загадки в съвремената космология.

Най-странните неща във Вселената: микровълново фоново лъчение

В продължение на 10 седмици ще ви запозная малко по-подробно с всяко едно от явленията и обектите, включени в анкетата на space.com. Можете да гласувате за вашите фаворити тук :)

Тази събота е денят на микровълновото фоново лъчение. То стои в основата на съвременната космология, защото е най-древното нещо, което можем да видим. Според теорията, в началото е бил Големия взрив, след което ранната Вселена започнала да се охлажда. Тогава все още нямало разлика между материя и взаимодействия и Вселената била напълно непрозрачна. Фотоните се лутали между хаотично движещи се електрони и едва 300 хиляди години след Големия взрив температурата паднала достатъчно, че електроните били заловени в атоми и това дало свобода на фотоните да се разпръснат навсякъде. Микровълновото фоново лъчение е фотография на първата светлина във Вселената.

От възникването му до наши дни това лъчение е пътувало към нас, но пространството не е спирало да се разширява. Заедно с това разширение се е увеличавала и дължината на вълната (т.нар. червено отместване) и сега ако погледнем към границата на видимата Вселена ще установим, че лъчението има температура само 2.7 градуса над абсолютната нула!

Микровълновото фоново лъчение е фундаментално откритие, което промени представите ни за Вселената. На снимката горе се вижда цялото небе в микровълновия диапазон. То изглежда еднородно, но се виждат различни концентрации и се смята, че точно тези флуктуации са заченките на струпванията от материя в най-големите структури на Вселената. И все пак тези разлики в температурата са от порядъка на хилядна от градуса. Микровълновото фоново лъчение е едно от най-изучаваните неща във Вселената и се смята, че то може да ни даде още много отговори.

• Това е последната статия от поредицата "Най-странните неща във Вселената" на Space.com. Всичките десет неща можете да откриете тук, а после да гласувате за онези от тях, които изглеждат най-странни и важни за науката. Анкетата е горе в дясно.

________
Изображение: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) @ NASA

Инфлация на Вселената І

В космологията има теория, известна като "инфлация". Най-общо казано това е главоломно разширение на пространството мигове след Големия взрив. Защо е било необходимо да се въведе подобно странно явление?

Вселената, погледната във възможно най-едър мащаб, е сравнително еднородна. Далечните галактики са разпръснати из пространството равномерно. Дори температурата във всяка една посока е почти еднаква. И все пак тя е толкова голяма, че светлината от най-далечния й край все още не е имала достатъчно време да достигне до другия край (ако разстоянието от Земята до две диаметрално противоположни в небето отдалечени галактики е 10 млрд. св. г., то общото разстояние между двете галактики е 10+10 = 20 млрд. св. г., но Вселената е на 13.7 млрд. години!). Това означава, че не е възможно в ранната Вселена да е станало някакво изравняване на температурите по познатите ни закони за топлообмен. Интересно е, че според традиционната теория на Големия взрив в нито един момент от миналото на Вселената тя не е била достатъчно малка, за да се извърши изравняване на температурите.

Едно от най-добрите обяснения е това за инфлацията. Космолозите предполагат, че в интервала между 10^-35 и 10^-32 секунди след Големия взрив Вселената е претърпяла внезапно шеметно разширение на самото пространство. Това разширение е станало със скорост по-висока от тази на светлината. Теорията на относителността на Айнщайн забранява движение на материя със скорост по-висока от светлинната, но не забранява разширение на самото пространство с такава скорост.

Ако приемем теорията на инфлацията за вярна, то ранната Вселена е била много по-малка и топлообмен е бил възможен. След като температурата се е изравнила, настъпило е главоломното разширение, което отдалечило най-крайните региони на Вселената на толкова големи разстояния, че светлината не е успяла да стигне от единия до другия край.

Тъй както двете галактики от примера по-горе са толкова далеч една от друга, че светлината от едната не е стигнала другата, така има и галактики, чиято светлина не е достигнала нашата. Т.е. наблюдаемата вселена е само част от цялата Вселена.

Инфлацията решава още два проблема, но за тях следващия път.

________
Изображения: NASA

The X-Ray Evolving Universe Spectrometer (XEUS)

Това е името на бъдеща космическа рентгенова обсерватория, разработка на ESA. Целта на мисията ще бъде:

• Да изучава най-големите структури на Вселената — купове и групи галактики. Образуването и еволюцията на тези структури зависят от гравитацията (тъмната материя), а разпределението и плътността им — от геометрията на Вселената (тъмната енергия). Близки галактически купове са били изследвани многократно, но все още нищо не се знае за далечните — онези, които са от времето на ранната Вселена.
• Да изучава съвместната еволюция на галактиките и тяхните свръхмасивни черни дупки. Известно е, че има зависимост между големините на масивните черни дупки и скоростта на въртене на звездите, което е възможно единствено ако те имат общо еволюционно минало. XEUS би била идеалната обсерватория за изследване на тези свръхмасивни черни дупки от зората на Космоса.
• Да изучава гравитацията в близост до много масивни тела. Рентгенови лъчи от натрупващата се около черни дупки материя носят информация за поведението на материята в изключително силно гравитационно поле, където общата теория на относителността оказва съществено влияние. Така може да бъдат потвърдени теоретични предвиждания като наличието на хоризонт на събитията например.
• Да изучава материята в близост до много масивни тела (като черни дупки и неутронни звезди). Чрез рентгеновите лъчи от неутронна звезда например може да се разбере размерът и масата на компактния обект, от където пък да научим ядреното уравнение на състоянието и структурата й — дали звездата е изградена от неутрони и протони, или пък от хиперони (частици, съдържащи странни кварки), или дори от свободни кварки.
  

С множество иновативни технологии XEUS ще задмине всички подобни съвременни обсерватории, с което ще стане безспорен шампион в своята категория. Той ще е съставен от две части и ще бъде изведен в орбита с една ракета Ариана V. Едната част ще съдържа огледала, а другата — детектор. Те ще летят на 35 m една от друга (толкова е фокусното разстояние на огледалата). XEUS може би ще бъде изстрелян чак през 2018 г.

________
Източник (текст и изображения): XEUS official page @ ESA
Изображения:
1. Симулация на галактическа група, както ще изглежда от XEUS
2. Рисунка на двата модула на XEUS

Анкета 2

Последната анкета беше доста лесна. На практика се питаше колко далеч са най-далечните наблюдавани галактики и отговорът е 12-14 милиарда светлинни години. Понеже светлинната година е разстоянието, което светлината минава за време една година, то светлината от тези най-далечни галактики е пътувала до нас около 12-14 милиарда години. Това е и приблизителната възраст на Вселената, според астрономите. Това значи, че ние виждаме най-далечните галактики такива, каквито са били в самото начало на живота на Вселената!

Гласуваха много малко хора: 16 човека, но 12 от тях (75%) познаха :)

Черни дупки и Вселена в светлината на Теорията на относителността

С новите познания, които имаме от разглеждането на Специалната и Общата теория на относителността сега можем да се върнем на въпросите за Вселената.

Черните дупки

Немският астроном Шварцшилд придал математическа точност на изкривяването, извършил изчисления и предсказал, че ако отношението между масата и радиуса на сферично тяло е над критична стойност, тогава изкривяването на пространството е толкова голямо, че нищо, което се приближи прекалено много, не може да го напусне. Това е черна дупка, а границата е наречена хоризонт на събитията. Ако човек се доближи на 10 cm от хоризонта на събитията и остане там 1 година, времето ще тече толкова бавно, че когато се той върне на Земята тук ще са минали около 10 000 години.

Вселената

Ако Теорията на относителността се приложи за цялата Вселена ще получим, че тя не е статична, а се променя. Айнщайн въвел космологична константа, с която преработил уравненията и "направил" Вселената неизменна. Хъбъл доказал, че фактически Вселената се разширява, което значи, че ОТО е била вярна преди корекцията. Ако галактиките наистина се раздалечават една от друга, то можем да върнем мислено времето назад и да стигнем до извода, че всичко е започнало от една точка. Но идеята не е, че тази точка е избухнала и се разширява в пространството, а че самото пространство (и време) не са съществували преди Големия взрив и след взрива то започва да се разгръща като океан заедно с всичката материя и енергия вътре в него.

Тестове на теорията на Големия взрив

Разширението

Големият взрив е модел, който произтича по естествен начин от Общата теория на относителността, приложена към хомогенна вселена. През 1917 година обаче идеята за разширяваща се вселена била абсурдна. Затова Айнщайн измислил терминът космологична константа, с която теоретично направил вселената статична. През 1929 година Едуин Хъбъл обявил, че според неговите наблюдения на галактики отвъд нашия Млечен път, те систематично се отдалечават със скорост, пропорционална на квадрата на разстоянието им до нас. Колкото по-далеч е галактиката, толкова по-бързо се отдалечава. В крайна сметка вселената се разширява — точно както в началото предсказвала Общата теория на относителността. Хъбъл установил, че светлината от коя да е галактика се отмества към червения край на светлинния спектър толкова повече, колкото по-далеч е тя от нас.

Ако вселената действително се разширява еднакво във всички посоки, то ние бихме наблюдавали точно гореописаното поведение на галактиките. Освен това никоя галактика няма да е привилегирована и да заема централно място. Откритието на Хъбъл отговаря на хомогенна разширяваща се вселена.

Нуклеосинтез в ранната вселена

Терминът нуклеосинтез означава образуване на по-тежки химични елементи — атомни ядра с много протони и неутрони — от по-леки елементи. Теорията на Големия взрив предсказва, че ранната вселена е била много горещо място. Секунда след него температурата била 10 милиарда градуса и всичко било изпълнено от неутрони, протони, електрони, позитрони, фотони и неутрино. С охлаждането неутроните или се разпадали на протони и електрони, или се комбинирали с протоните и образували деутерий (изотоп на водорода). През първите три минути повечето деутерий се свързал в хелий. Има и следи от литий от това време.

Предсказаното изобилие от деутерий, хелий и литий зависи от плътността на обикновената материя в ранната вселена, както се вижда на графиката. Според резултатие количеството хелий зависи много слабо от изобилието на обикновена материя (над определена граница). Очакванията на учените са, че 24% от материята във вселената е хелий, образуван при Големия взрив. Това съответства много добре на наблюденията.

Общоприетият в момента модел може да се тества още. За да отговарят предсказаните количества други леки елементи на наблюденията трябва плътността на обикновената материя да е 4% от критичната плътност. (защо?) Сателитът WMAP би трябвало да успее директно да измери плътността на обикновената материя и да сравни получените резултати с очакваните от теорията на нуклеосинтеза при Големия взрив. Това ще бъде важен и неоспорим тест на модела. Ако резултатие съвпадат, те ще потвърдят теорията на Големия взрив. Ако не съвпадат, тогава:

1) данните са грешни,
2) не разбираме достатъчно процесите на нуклеосинтез в ранната вселена,
3) погрешно разбираме механизмите, които причиняват флуктуации в микровълновото фоново лъчение, или
4) има фундаментален проблем в теорията на Големия взрив.

Нуклеосинтез в звездите

По-тежките от литий елементи се синтезират в звездите. През късните етапи на звездната еволюция масивните звезди изгарят хелий и образуват въглерод, кислород, силиций, сяра и желязо. По-тежките от желязо елементи се получават по два начина:

• във външните слоеве на свръхгигантски звезди и
• при експлозиите на свръхнови.

Микровълново фоново лъчение

Равномерното разпределение на това много слабо, но доловимо лъчение по целия небосклон е още един много силен аргумент в защита на Големия взрив.

Теория на инфлацията

В началото е нямало нищо — нито галактики, нито звезди, нито планети, нито живот. Въобще не е имало материя — дори миниатюрните частици не са съществували. Как така нещо толкова огромно и сложно като Вселената се е образувало от нищото?

Отговорът се крие в съюза между науката за много малките неща (квантовата теория) и много големите неща (космологията). Удивителното е, че според квантовата теория енергийни мехурчета могат да се появяват временно от нищото! По правило тези мехурчета се пукат веднага щом се образуват. За да оцелее, то трябва да се разшири много интензивно. Само тогава едно такова мехурче може да се превърне във Вселената, която се опитваме да разберем. Теорията на инфлацията е най-добрата до ден днешен, която по някакъв начин може да обясни как това се е случило. Става дума за кратък период на изключително бързо разширяване, при което Вселената е нарастнала около 10⁶⁰ пъти. Тя се разширила от размер, по-малък от този на протон, до размер на грейпфрут, и то за частица от секундата. Това дало старт на Големия взрив и на сътворението на всичко.

Тази теория ни дава и много вълнуващи предположения — включително възможността инфлацията да е протичащ процес, а не само уникално събитие, създало нашата Вселена. Някъде другаде в нашата Вселена подобни мехурчета от чиста енергия може би се материализират и дават началото на нови такива, а и нашата собствена може би е такова мехурче в друга вселена. Може да сме част от много мултивселени, в една еволюция без начало и край.

------

Теорията на инфлацията е измислена от Алан Гът, Андрей Линде, Пол Стайнхарт и Анди Албрехт и тя дава обяснения на въпроси там, където теорията на Големия взрив не успява. Освен това обаче повдига нови въпроси, на които тепърва трябва да търсим отговори.

(превод от ВВС)

Космическото ехо

След Големия взрив Вселената била невероятно гореща огнена топка, която се разширила и от която всичко около нас се създало. В началото обаче, миниатюрни частици препълвали пространството. Светлината никъде не можела да стигне, защото бивала моментално задържана от всичките частици наоколо. Пространството било напълно непроницаемо – концепция, която е много трудно човек да си представи, понеже сме свикнали да виждаме всичко около нас.

Но 300 хиляди години по-късно Вселената се охладила до температурата на повърхността на Слънцето. Тогава частиците започнали да образуват атоми. Атомите не възпрепятстват светлината и й позволяват да се разпространява във всички посоки. Постепенно тя започнала да се лее из цялата Вселена.

Сиянието от това епохално събитие образувало ярко хало, чиято светлина започнала да се филтрира през времето и пространството. Гледайки към Космоса, ние гледаме назад във времето. Дори Слънцето, което виждаме на небосклона е такова, каквото е било преди повече от 8 минути. Ако беше възможно да надзърнем толкова назад, това космическо хало щеше е най-далечното нещо, което някога ще видим. Всичко отвъд тази точка – от раждането на Вселената до появата на светлината – е завинаги невидимо за нас.

Но ако това е така, от къде знаем ние? През 1963 година двама астрономи – Арно Пенсиас и Робърт Уилсън – случайно попаднали на мистериозен радио сигнал, който по-късно бил наречен "космическо микровълново фоново лъчение" или просто фоново лъчение. Този сигнал е остатъкът от енергията от това историческо космическо събитие. Събитие толкова мощно, че ефектът от него е успял да си проправи път през времето и пространството и да бъде засечен от нас днес. Всеки може да го види лично – звездичките, които ги има на ненастроен телевизор, са подписа на ранната Вселена.

Когато астрономите измерили този сигнал в различни посоки се оказало, че силата му е различна. Смята се, че причината е нехомогенното разпределение на първите атоми, поради което светлината се е пръснала из Вселената на неравномерни вълни. Наскоро имаше много проекти, като BOOMERanG, MAXIMA и WMAP, при които с помощта на балони над земната атмосфера или спътници учените измериха тези вълни от космическия фон. След това астрономите направиха карта на ранната Вселена, с която могат не само да проследят как материята е еволюирала в галактики, а и да изчислят формата и размерът й. Това може да помогне да разберем една от най-големите мистерии – а именно каква ще е нейната съдба.

(превод от ВВС)