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

Безкрайна ли е Вселената?

Формата на Вселената се определя от борбата между разширението и гравитацията. Бързината на разширението се измерва с константата на Хъбъл Но, а гравитацията зависи от плътността и налягането на материята (в случая налягането в познатана ни Вселена е сравнително ниско, затова плътността влияе много по-силно). Ако плътността й е по-малка от критичната плътност (пропорционална на Но²), тя ще се разширява вечно. Ако е по-голяма, тогава ще се свие в себе си.

Резултатите от мисията на WMAP и наблюденията на далечни супернови обаче подсказват, че разширението на Вселената се ускорява. Това предполага съществуването на друга форма на материята със силно отрицателно налягане (космологичната константа, или наричана още "тъмна енергия"). Ако тъмната енергия действително играе важна роля в разширението на Вселената, тогава най-вероятно тя ще продължи да се уголемява вечно.

Геометрия на Вселената

Плътността на Вселената определя и нейната геометрия. Ако тя е по-голяма от критичната, тогава геометрията на пространството е затворена, а кривината е положителна (като сфера). Това значи, че два фотона, чиито траектории са били успоредни в началото, постепенно ще се сближават, ще се кръстосат и след много време, ако Вселената все още съществува, ще се върнат в началната си точка. Ако плътността е по-малка от критичната, тогава геометрията е отворена и кривината е отрицателна (седловидна повърхност). Ако плътността е точно равна на критичната, тогава пространството е равно като лист хартия. Има пряка връзка между геометрията на Вселената и съдбата й.

Най-опростената версия на теорията на Инфлацията предсказва, че плътността на Вселената е близка до критичната, следователно тя е плоска. Това се подкрепя и от изследванията на WMAP.

Спътникът WMAP измерва основни параметри на теорията на Големия взрив, включително геометрията на пространството. Ако Вселената беше отворена, най-ярките флуктуации (или петна) във фоновото лъчение щяха да са големи около половин градус. Ако беше затворена, тези петна щяха да са 1.5 градуса. Скорошни изследвания (ок. 2001 г.) с наземни наблюдения или балони (вкл. MAT/TOCO, BOOMERanG, MAXIMA и DASI) показаха, че тези най-ярки флуктуации са с размер около един градус, което съответства на плоска Вселена. И така, беше известно с вероятност за грешка 15%, че Вселената е плоска. WMAP потвърди тези резултати и сведе грешката до 2%.

(от WMAP)

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)