Учёные из Имперского колледжа Лондона (Imperial College London) создали карту реликтового излучения, которую все желающие могут распечатать на 3D-принтере. Статья с описанием процесса её создания и ссылки на CAD-файлы опубликованы в журнале European Journal of Physics.
Космическое микроволновое фоновое излучение (МФИ), которое в России чаще называют реликтовым — это равномерно заполняющее Вселенную тепловое излучение, которое обладает высокой степенью изотропности и температурой около 2,7 кельвинов. Оно возникло через 380 000 лет после Большого Взрыва, когда температура материи снизилась, и горячее вещество Вселенной стало прозрачным для собственного теплового излучения.
Для изучения вариаций МФИ учёные Европейского космического агентства в 2009 году запустили астрономический спутник «Планк» (Planck). За время миссии 2009—2013 гг. он собрал данные, которые позволили создать детальные карты анизотропии, то есть, разницы температур, реликтового излучения. Обычно их печатают на листах бумаги в сферической проекции, а отличие температуры показывают цветом — от голубого в холодных регионах до красного в горячих. Исследователи из Имперского колледжа Лондона решили пойти другим путём и преподнести эту информацию в форме трёхмерного предмета.
В этом варианте разница температур показана только неровностями поверхности.
«Представление карт МФИ в формате 3D-объектов, которые можно подержать в руках и почувствовать, а не только просматривать, имеет множество преимуществ для учебной и просветительской работы и будет особенно актуально для людей с нарушениями зрения, — объясняет член научной группы, доктор Дэйв Клементс (Dave Clements). — Разницы температур реликтового излучения связаны с различиями плотности, именно они способствовали формированию различных структур — включая галактики, их скопления и сверхскопления. Отражение этих различий в форме выпуклостей и углублений на сферической поверхности позволит каждому оценить строение ранней вселенной. Например, знаменитое Реликтовое холодное пятно — область с необычно низкой температурой — можно почувствовать, как небольшую впадину».
Учёные создали CAD-файлы, которые можно распечатать на нескольких типах 3D-принтеров. Карта доступна в двух форматах: в одном варианте разница температур отражена с помощью неровностей поверхности, во втором дополнительно выделена цветом. Исследователи отмечают, что такой способ представления данных можно использовать и для демонстрации других астрономических данных, в частности, при создании карт рельефа планет.
Здесь разница температур дополнительно выделена цветом. Чего только не печатают на 3D-принтере! XX2 ВЕК уже писал про:
- кости
- контактные линзы со встроенными светодиодами
- спортивную обувь
- дома
- беспилотник
Астронет | Картинка дня | Обзоры astro-ph | Новости | Статьи | Книги | Карта неба | Созвездия | Переменные Звезды | A&ATr | Глоссарий
планета Астронет | Физика космоса | Биографии | Словарь | Ключевые слова | Астрономия в России | Форумы | Семинары | Сверхновые
На сайте
Астрометрия
Астрономические инструменты
Астрономическое образование
Астрофизика
История астрономии
Космонавтика, исследование космоса
Любительская астрономия
Планеты и Солнечная система
Солнце
Содержание
Микроволновое фоновое излучение (реликтовое излучение)
— космич. излучение, имеющее спектр, характерный для абсолютно чёрного тела при темп-ре ок. ЗК; определяет интенсивность фонового излучения Вселенной в коротковолновом радиодиапазоне (на сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых волнах). Характеризуется высочайшей степенью изотропии (интенсивность практически одинакова во всех направлениях). Открытие М. ф. и. (А. Пензиас, Р. Вильсон, 1965 г., США) подтвердило т.н. модель горячей Вселенной, дало важнейшее экспериментальное свидетельство в пользу представлений об изотропии расширения Вселенной и её однородности в больших масштабах (см. Космология).
Согласно модели горячей Вселенной, вещество расширяющейся Вселенной имело в прошлом намного более высокую плотность, чем сейчас, и чрезвычайно высокую темп-ру. При Т > 108 К первичная плазма, состоявшая из протонов, ионов гелия и электронов, непрерывно излучающих, рассеивающих и поглощающих фотоны, находилась в полном термодинамическом равновесии с излучением. В ходе последующего расширения Вселенной темп-ра плазмы и излучения падала. Взаимодействие частиц с фотонами уже не успевало за характерное время расширения заметно влиять на спектр излучения (оптическая толща Вселенной по тормозному излучению к этому времени стала много меньше единицы). Однако даже при полном отсутствии взаимодействия излучения с веществом в ходе расширения Вселенной чернотельный спектр излучения остаётся чернотельным, уменьшается лишь темп-ра излучения. Пока темп-ра превышала 4000 К, первичное вещество было полностью ионизовано, пробег фотонов от одного акта рассеяния до др. был много меньше горизонта Вселенной. При 4000 К произошла рекомбинация протонов и электронов, плазма превратилась в смесь нейтральных атомов водорода и гелия, Вселенная стала полностью прозрачной для излучения. В ходе её дальнейшего расширения темп-ра излучения продолжала падать, но чернотельный характер излучения сохранился как реликт, как «память» о раннем периоде эволюции мира. Это излучение обнаружили сначала на волне 7,35 см, а затем и на др. волнах (от 0,6 мм до 50 см).
Темп-ра М. ф. и. с точностью до 10% оказалась равной 2,7 К. Ср. энергия фотонов этого излучения крайне мала — в 3000 раз меньше энергии фотонов видимого света, но число фотонов М. ф. и. очень велико. На каждый атом во Вселенной приходится ~ 109 фотонов М. ф. и. (в среднем 400-500 фотонов в 1 см3).
Рис. 1. Вверху — спектр микроволнового
фонового излучения . Экспериментальные
точки нанесены с указанием погрешностей
измерений (отрезками у точек). Точки
CN, СН соответствуют результатам
определения верхней границы (показана
стрелкой) температуры излучения по
населённости уровней соответствующих
межзвёздных молекул. Внизу — данные
измерений температуры микроволнового
фонового излучения на различных длинах
волн. Отрезки прямых указывают
погрешности измерений.
Наряду с прямым методом определения темп-ры М. ф. и. — по кривой распределения энергии в спектре излучения (см. Планка закон излучения), существует также косвенный метод — по населённости нижних уровней энергии молекул в межзвёздной среде. При поглощении фотона М. ф. и. молекула переходит из осн. состояния в возбуждённое. Чем выше темп-ра излучения, тем выше плотность фотонов с энергией, достаточной для возбуждения молекул, и тем большая их доля находится на возбуждённом уровне. По количеству возбуждённых молекул (населённости уровней) можно судить о темп-ре возбуждающего излучения. Так, наблюдения оптич. линий поглощения межзвёздного циана (CN) показывают, что его нижние уровни энергии населены так, как будто молекулы CN находятся в поле трёхградусного чернотельного излучения. Этот факт был установлен (но не понят в полной мере) ещё в 1941 г., задолго до обнаружения М. ф. и. прямыми наблюдениями.
Ни звёзды и радиогалактики, ни горячий межгалактич. газ, ни переизлучение видимого света межзвёздной пылью не могут дать излучения, приближающегося по св-вам к М. ф. и.: суммарная энергия этого излучения слишком велика, и спектр его не похож ни на спектр звёзд, ни на спектр радиоисточников (рис. 1). Этим, а также практически полным отсутствием флуктуации интенсивности по небесной сфере (мелкомасштабных угловых флуктуации) доказывается космологич., реликтовое происхождение М. ф. и.
Флуктуации М. ф. и.
Обнаружение небольших различии в интенсивности М. ф. и., принимаемого от разных участков небесной сферы, позволило бы сделать ряд выводов о характере первичных возмущении в веществе, приведших в дальнейшем к образованию галактик и скоплений галактик. Современные галактики и их скопления образовались в результате роста незначительных по амплитуде неоднородностей плотности вещества, существовавших до рекомбинации водорода во Вселенной. Для любой космологич. модели можно найти закон роста амплитуды неоднородностей в ходе расширения Вселенной. Если знать, каковы были амплитуды неоднородности вещества в момент рекомбинации, можно установить, за какое время они могли вырасти и стать порядка единицы. После этого области с плотностью, значительно превышающей среднюю, должны были выделиться из общего расширяющегося фона и дать начало галактикам и их скоплениям. «Рассказать» об амплитуде начальных неоднородностей плотности в момент рекомбинации может лишь реликтовое излучение. Поскольку до рекомбинации излучение было жёстко связано с веществом (электроны рассеивали фотоны), то неоднородности в пространственном распределении вещества приводили к неоднородностям плотности энергии излучения, т. е. к различию темп-ры излучения в разных по плотности областях Вселенной. Когда после рекомбинации вещество перестало взаимодействовать с излучением и стало для него прозрачным, М. ф. и. должно было сохранить всю информацию о неоднородпостях плотности во Вселенной в период рекомбинации. Если неоднородности существовали, то темп-ра М. ф. и. должна флуктуировать, зависеть от направления наблюдения. Однако эксперименты по обнаружению ожидаемых флуктуации пока не обладают достаточно высокой точностью. Они дают лишь верхние пределы значений флуктуации. В малых угловых масштабах (от одной угловой минуты до шести градусов дуги) флуктуации не превышают 10-4 К. Поиски флуктуации М. ф. и. осложняются также тем, что вклад во флуктуации фона дают дискретные космич. радиоисточники, флуктуирует излучение атмосферы Земли и т. д. Эксперименты в больших угловых масштабах также показали, что темп-ра М. ф. и. практически не зависит от направления наблюдения: отклонения не превышают К. Полученные данные позволили снизить оценку степени анизотропии расширения Вселенной в 100 раз по сравнению с оценкой по данным прямых наблюдений «разбегающихся» галактик.
М. ф. и. как «новый эфир».
М. ф. и. изотропно лишь в системе координат, связанной с «разбегающимися» галактиками, в т.н. сопутствующей системе отсчёта (эта система расширяется вместе с Вселенной). В любой др. системе координат интенсивность излучения зависит от направления. Этот факт открывает возможность измерения скорости движения Солнца относительно системы координат, связанной с М. ф. и. Действительно, в силу Доплера, эффекта фотоны, распространяющиеся навстречу движущемуся наблюдателю, имеют более высокую энергию, нежели догоняющие его, несмотря на то, что в системе, связанной с М. ф. и., их энергии равны. Поэтому и темп-ра излучения для такого наблюдателя оказывается зависящей от направления: , где T0 — ср. по небу темп-ра излучения, v — скорость наблюдателя,
— угол между вектором скорости и направлением наблюдения.
Дипольная анизотропия реликтового излучения, связанная с движением Солнечной системы относительно поля этого излучения, к настоящему времени твердо установлена (рис. 2): в направлении на созвездие Льва темп-ра М. ф. и. на 3,5 мК превышает среднюю, а в противоположном направлении (созвездие Водолея) на столько же ниже средней. Следовательно, Солнце (вместе с Землёй) движется относительно М. ф. и. со скоростью ок. 400 км/с по направлению к созвездию Льва. Точность наблюдений столь высока, что экспериментаторы фиксируют скорость движения Земли вокруг Солнца, составляющую 30 км/с. Учёт скорости движения Солнца вокруг центра Галактики позволяет определить скорость движения Галактики относительно М. ф. и. Она составляет 600 км/с. В принципе, существует метод, позволяющий определить скорости богатых скоплений галактик относительно реликтового излучения (см. Скопления галактик).
Спектр М. ф. и.
На рис. 1 приведены существующие экспериментальные данные о М. ф. и. и планковская кривая распределения энергии в спектре равновесного излучения абсолютно чёрного тела, имеющего темп-ру 2,7 К. Положения экспериментальных точек хорошо согласуются с теоретич. кривой. Это служит веским подтверждением модели горячей Вселенной.
Отметим, что в диапазоне сантиметровых и дециметровых волн измерения темп-ры М. ф. и. возможны с поверхности Земли при помощи радиотелескопов. В миллиметровом и особенно в субмиллиметровом диапазонах излучение атмосферы препятствует наблюдениям М. ф. и., поэтому измерения проводятся широкополосными болометрами, установленными на воздушных шарах (баллонах) и ракетах. Ценные данные о спектре М. ф. и. в миллиметровой области получены из наблюдений линий поглощения молекул межзвездной среды в спектрах горячих звезд. Выяснилось, что осн. вклад в плотность энергии М. ф. и. даёт излучение с от 6 до 0,6 мм, темп-ра к-рого близка к 3 К. В этом диапазоне длин волн плотность энергии М. ф. и. =0,25 эВ/см3.
Рис. 2. Распределение яркости микроволнового
фонового излучения на небесной сфере. Цифры на
рисунке характеризуют отклонения от средней по
всей сфере температуры микроволнового фона в мК.
Многие из космологич. теорий и теорий образования галактик, к-рые рассматривают процессы аннигиляции вещества и антивещества, диссипацию развитой турбулентности, крупномасштабных потенциальных движений, испарение первичных чёрных дыр малой массы, распад нестабильных элементарных частиц, предсказывают значит. энерговыделение на ранних стадиях расширения Вселенной. В то же время любое выделение энергии на этапе, когда темп-ра М. ф. и. менялась от до 3 К, должно было заметно исказить его чернотельный спектр. Т.о., спектр М. ф. и. несёт информацию о тепловой истории Вселенной. Более того, эта информация оказывается дифференцированной: выделение энергии на каждом из трёх этапов расширения ( K; 3Т 4000 К). Таких энергичных фотонов крайне мало (~10-9 от общего их числа). Поэтому рекомбинационное излучение, возникающее при образовании нейтральных атомов, должно было сильно исказить спектр М. ф. и. на волнах 250 мкм.
Ещё один нагрев вещество могло испытать при образовании галактик. Спектр М. ф. и. при этом также мог измениться, поскольку рассеяние реликтовых фотонов на горячих электронах увеличивает энергию фотонов (см. Комптоновское рассеяние). Особенно сильные изменения происходят в этом случае в коротковолновой области спектра. Одна из кривых, демонстрирующих возможное искажение спектра М. ф. и., приведена на рис. 1 (штриховая кривая). Имеющиеся изменения в спектре М. ф. и. показали, что вторичный разогрев вещества во Вселенной произошел много позже рекомбинации.
М. ф. и. и космические лучи.
Космич. лучи (протоны и ядра высоких энергий; ультрарелятивнстские электроны, определяющие радиоизлучение нашей и др. галактик в метровом диапазоне) несут информацию о гигантских взрывных процессах в звездах и ядрах галактик, при к-рых они рождаются. Как оказалось, время жизни частиц высоких энергий во Вселенной во многом зависит от фотонов М. ф. и., обладающих малой энергией, но чрезвычайно многочисленных — их в миллиард раз больше, чем атомов во Вселенной (это соотношение сохраняется в процессе расширения Вселенной). При столкновении ультрарелятивистских электронов космич. лучей с фотонами М. ф. и. происходит перераспределение энергии и импульса. Энергия фотона возрастает во много раз, и радиофотон превращается в фотон рентг. излучения, энергия же электрона меняется незначительно. Поскольку этот процесс повторяется многократно, электрон постепенно теряет всю энергию. Наблюдаемое со спутников и ракет рентг. фоновое излучение, по-видимому, частично обязано своим происхождением этому процессу.
Протоны и ядра сверхвысоких энергий также подвержены воздействию фотонов М. ф. и.: при столкновениях с ними ядра расщепляются, а соударения с протонами приводят к рождению новых частиц (электрон-позитронных пар, -мезонов и т.д.). В результате энергия протонов быстро уменьшается до пороговой, ниже к-рой рождение частиц становится невозможным по законам сохранения энергии и импульса. Именно с этими процессами связывают практич. отсутствие в космич. лучах частиц с энергией 1020 эВ, а также малое количество тяжёлых ядер.
Лит.:
Зельдович Я.Б., «Горячая» модель Вселенной, УФН, 1966, т. 89, в. 4, с. 647; Вайнберг С., Первые три минуты, пер. с англ., М., 1981.
(Р.А. Сюняев)
Р. А. Сюняев, «Физика Космоса», 1986
Глоссарий Astronet.ru
Нобелевская премия по физике за 2019 год была присуждена за исследования в двух, с первого взгляда, совершенно не связанных областях астрономии. Половина награды достанется Джеймсу Пиблсу за «теоретические открытия в области космологии», а вторую часть поделят поровну Мишель Майор и Дидье Кело за «открытие экзопланеты на орбите вокруг солнцеподобной звезды». Вроде бы космология с ее максимально большими масштабами занимается Вселенной в целом, а экзопланеты связаны с наблюдениями звезд в окрестности Солнца, ближе них только сама Солнечная система… Есть ли какая-то связь между столь разными научными достижениями?
Во-первых, это далеко не первый случай, когда Нобелевскую премию по физике присуждают за разные открытия. Например, в 1978 году половину премии получил Пётр Капица за «фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур», а другую — Арно Пензиас и Роберт Вильсон за «открытие микроволнового реликтового излучения» (о чем мы еще поговорим далее).
Во-вторых, в этом году Нобелевский комитет придумал оригинальную мотивацию для объединения разных работ — они показывают наше место во Вселенной. С этим невозможно поспорить, и давайте разберемся, почему это так.
Уникальность
Космология — это раздел астрономии, изучающий Вселенную в целом. Исторически физическая космология как наука началась после публикации в 1920-х годах работ Александра Фридмана, который вывел первые решения уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, описывающих эволюцию Вселенной.
У этой области исследований сложная судьба. С одной стороны, предмет ее изучения дан в единственном экземпляре, что затрудняет применение стандартной методологии научного исследования, а с другой, на протяжении бóльшей части ее столетней истории она оставалась сугубо теоретической наукой, не опиравшейся на широкую экспериментальную базу.
Космологические концепции, в разное время высказывавшиеся разными учеными, настолько разнообразны и взаимно противоречивы, что это позволило нобелевскому лауреату Льву Ландау обронить известную фразу: «Космологи часто ошибаются, но никогда не сомневаются».
К числу ключевых событий нового этапа развития космологии уже как полноценной науки относятся открытие реликтового излучения (Нобелевская премия по физике за 1978 год) и его свойств, в первую очередь анизотропии (Нобелевская премия по физике за 2006 год).
Фактически лишь с началом регистрации анизотропии реликтового излучения появилась возможность говорить о становлении точной космологии, в рамках которой можно делать детальные и проверяемые предсказания.
Однако ценность этих экспериментальных достижений можно понять только в контексте теории, предсказывающей параметры наблюдаемых явлений и позволяющей их анализировать. Соответствующая теория активно развивалась в течение всего послевоенного времени, причем параллельно как в СССР, так и в США. В становлении этой теории приняло участие множество именитых ученых. Далеко не исчерпывающий список, если говорить только о нашей стране, должен включать Якова Зельдовича и его многочисленных учеников (Андрея Дорошкевича, Игоря Новикова, Рашида Сюняева), а также Андрея Сахарова. Со стороны американцев в него входят Георгий Гамов, Роберт Херман, Ральф Альфер, Роберт Дикке и Джеймс Пиблс.
Первая известная работа Пиблса вышла в мае 1965 года в The Astrophysical Journal Letters. В этом выпуске были опубликованы сразу две важные для развития космологии статьи: одна рассказывала про обнаружение реликтового излучения Пензиасом и Уилсоном, а вторая теоретически объясняла этот феномен. Вторую статью написали Пиблс и его научный руководитель Дикке в соавторстве с коллегами.
Реликтовое излучение, также называемое космическим микроволновым фоном, — это заполняющие всю Вселенную электромагнитные волны небольшой энергии. В современную эпоху они выглядят так, как будто их излучило равномерно нагретое до температуры 2,73 кельвина абсолютно черное тело — физически абстрактный объект, поглощающий все падающее излучение.
Существование реликтового излучения следовало из работ коллектива ученых под руководством Георгия Гамова, который к тому моменту уже перебрался из СССР в США. Гамов и его коллеги заложили фундамент теории горячего Большого взрыва, говорившей об эволюции Вселенной из более плотного и горячего состояния к более разреженному и холодному.
Изначально вещество находилось в состоянии плазмы и было непрозрачно для излучения. Примерно спустя 400 тысяч лет после Большого взрыва его температура упала настолько, что стало возможно образование атомов водорода, которые взаимодействуют с электромагнитными волнами намного хуже свободных зарядов плазмы.
В результате среда стала прозрачной, и излучение отделилось от вещества. Именно эти волны мы сегодня регистрируем в виде реликтового излучения.
Еще со времен работ Фридмана стало понятно, что Вселенная должна либо расширяться, либо схлопываться, и сегодня мы точно знаем, что она увеличивается. Следовательно, реликтовое излучение в прошлом должно было быть намного горячее. Но насколько? Этого в середине XX века ученые не знали, поэтому некоторые считали, что обнаружить его в принципе невозможно.
Здесь необходимо отметить потенциал для возможной критики в адрес Нобелевского комитета: работа Пиблса о свойствах реликтового излучения была не первой — за год до этого, в 1964 году, вышла статья Дорошкевича и Новикова, где также предсказывалась возможность наблюдения реликтового излучения с температурой на уровне нескольких кельвинов.
Также стоит упомянуть, что ведущий космолог того времени в СССР — Яков Зельдович — развивал альтернативную концепцию холодного Большого взрыва, при котором никакого реликтового излучения не возникало. Впрочем, результаты Пензиаса и Уилсона его переубедили.
Нобелевский комитет в пояснительном документе отмечает, что заслуга Пиблса и его соавторов заключается не столько в предсказании наблюдаемости реликтового излучения, сколько в объяснении его связи с количеством возникающего в результате первичного нуклеосинтеза гелия.
Действительно, уже в самостоятельных работах Пиблс описал этот процесс и высказал гипотезу, что практически никакие элементы тяжелее гелия в ранней Вселенной сформироваться не могли. До публикации его работ это считалось возможным.
Еще одна важная заслуга Пиблса связана с акустическими пиками в анизотропии реликтового излучения. Анизотропия, то есть неоднородность микроволнового фона, связана с неоднородностями плотности первичной плазмы, существовавшей спустя 400 тысяч лет после Большого взрыва. Различия в плотности приводят к возникновению акустических волн.
Эти волны впервые подробно рассмотрел Андрей Сахаров, хотя и в ограниченном случае. Пиблс и Цзе-Тай Юй (и независимо от них Зельдович и Сюняев в СССР) изучили акустические волны в ранней Вселенной более глубоко.
Заслуга американского коллектива заключается в использовании численных методов, позволивших сделать конкретное предсказание о наблюдаемом явлении — периодических колебаниях в спектре мощности реликтового излучения. Иными словами, Пиблс и Юй научились предсказывать доли энергии, заключенной в возмущениях определенного масштаба на карте анизотропии. Эти колебания уверенно наблюдаются сегодня.
Акустические пики в спектре мощности реликтового излучения по предсказанию Пиблса и Юй
Peebles and Yu / Astrophys. J., 1970
Поделиться
Реальный спектр мощности реликтового излучения, измеренный аппаратом Planck
Planck Collaboration
Поделиться Другие достижения Пиблса в космологии связаны с темной материей. Этот компонент Вселенной впервые был теоретически описан еще до Второй мировой войны в работах Кнута Эмиля Лундмарка и Фрица Цвикки.
Эти ученые предположили существование неизвестной формы вещества, так как динамика движений галактик не соответствовала наблюдениям: объекты двигались с такой скоростью, что гравитация видимой материи не должна была их удерживать, но, тем не менее, они формировали устойчивое скопление. Однако идея Лундамарка и Цвикки не сразу получила широкое распространение.
К 1980-ым годам в космологии наметился полноценный кризис. Вычисления, сделанные в рамках предположения о бесконечно расширяющейся Вселенной, предсказывали высокий уровень анизотропии реликтового излучения, который уже должен был бы обнаружиться в эксперименте, но на деле никак себя не проявлял.
С другой стороны, если следовало считать верным предположение о том, что расширение Вселенной постоянно замедляется, полностью прекращаясь в будущем, то галактик, подобных Млечному Пути, просто не должно было бы существовать. Теория показывала, что у них не хватило бы времени для образования.
Пиблс предложил концепцию холодной темной материи, которая существенно отличалась от большинства рассматриваемых до него моделей, в которых, как правило, частицей темной материи считалось нейтрино с чрезвычайно малой массой, что делало их совокупность «горячей».
С помощью холодной темной материи Пиблс смог примирить возраст Вселенной и существование галактик, так как такое вещество не препятствовало бы началу группирования обычной материи еще до отделения реликтового излучения. Исходя из этой идеи, в своей важной работе 1982 года ученый предсказал анизотропию реликтового излучения на уровне 5 × 10−6, что в целом согласуется с зарегистрированным спустя 10 лет значением.
Пиблс известен двухточечными корреляционными функциями из кластерного анализа, которые он ввел в космологию. Он использовал этот метод для поиска выделенных расстояний и оценки космологических параметров на основе обзоров галактик и их скоплений. Сегодня все активно пользуются этим математическим аппаратом.
Сама премия дана за теоретические разработки в физической космологии. На мой взгляд, это странная формулировка. Если посмотреть на список Нобелевских премий, то они даются за реально подтвержденные идеи, даже за экспериментальные данные в последнее время. Тема этого года стоит совершенно отдельно.
Я бы сказал, что это почетный Оскар заслуженному человеку. Пиблс был не один, и у него нет отдельного революционного вклада. При этом надо понимать, что права осуждать премию у нас нет, так как это частная награда, которая выдается частными людьми на свое усмотрение.
Олег Верходанов,
доктор физико-математических наук, специалист по анализу реликтового излучения из Специальной астрофизической обсерватории Поделиться
Стоит отметить, что в подробном научном обосновании, сопровождающем решение Нобелевского комитета о присуждении премии по физике в 2019 году, упоминаются заслуги всех вышеназванных ученых. При этом нельзя сказать, что объяснения ключевой роли Пиблса во всех случаях выглядят убедительно.
Заурядность
Человечество с древних времен задавалось вопросом, существуют ли миры, подобные нашему. Уже в самых ранних достоверно дошедших до нас обсуждениях этой темы высказываются диаметрально противоположные точки зрения — от единственности и уникальности до полного отсутствия любой примечательности в бесконечном ряду подобных.
Из относительно недавних мыслителей, повлиявших на становление современной науки, можно назвать философа Джордано Бруно, который постулировал множественность обитаемых миров, сравнивал звезды с Солнцем и размышлял о наличии у них собственных планет. Впрочем, Бруно не был ученым, и к его концепциям стоит относиться скорее как к художественному и философскому предсказанию существования экзопланет.
Подобную роль можно отвести и поэме «Эврика» американского писателя Эдгара По. Здесь в литературной форме изложены многие космологические идеи, в том числе и верные, хотя на тот момент еще и не подтвержденные научно обоснованными фактами.
Строго научной формулировка вопроса о существовании подобных миров стала с тех пор, как была однозначно определена структура Солнечной системы, управляющие движениями планет законы и родство Солнца с другими светилами.
Считается, что астроном XVIII века Уильям Гершель назвал планетарными туманностями уже известные на тот момент тусклые размытые объекты. Он думал, что они состоят из материала, который впоследствии сформирует планетную систему, подобную нашей.
Как выяснилось впоследствии, Гершель ошибался, но это показывает, что ученые всерьез задумывались о возможности существования подобных Земле планет еще несколько сот лет назад.
Впервые научную оценку потенциального непосредственного обнаружения планет у других звезд в 1952 году осуществил Отто Струве. Тогда же стало понятно, что перед астрономией стоят колоссальные технические трудности, на преодоление которых может уйти неясное количество времени.
Серьезные попытки зарегистрировать такие объекты стали предприниматься лишь в 1980-х годах. В статьях того времени фигурируют термины «субзвездные» или «маломассивные компаньоны», что подчеркивает скепсис научного сообщества как по отношению к реализуемости таких проектов, так и к их ценности для астрономии.
Первые исследования использовали способ, предложенный еще Струве. Сегодня его называют методом радиальных скоростей. Он заключается в поиске небольших смещений спектральных линий излучения звезды, вызванных движением вокруг общего с планетой центра масс.
В результате такого движения у светила появится траектория, соответствующая небольшому кругу, и, в случае расположения орбиты не в плоскости неба, в течение половины своего периода оно будет приближаться к наблюдателю, а в течение другой половины — отдаляться.
Из-за этого движения вдоль луча зрения свет звезды будет испытывать то красное, то фиолетовое смещение, которое можно зафиксировать точным спектрографом по движению узких линий. С точки зрения теории это очень простое явление, но проблема заключается в величине эффекта.
Например, если наблюдать Солнечную систему издалека, то для обнаружения Юпитера необходимо будет зафиксировать колебания скорости Солнца на уровне 12 метров в секунду с периодом в 12 лет. Соответствующее смещение линий составит 4 × 10−8, которое надо измерить инструментом, сохраняющим стабильность на протяжении такого немалого отрезка времени.
К 1995 году, спустя более десятилетия активных поисков несколькими коллективами, единственной с уверенностью зарегистрированной планетой был объект у пульсара PSR1257+12.
Однако это чрезвычайно специфическая ситуация, ведь пульсар — это нейтронная звезда, то есть остаток сиявшего прежде крупного светила, которое прошло через взрыв сверхновой. Обнаружить планеты у пульсара гораздо проще, так как стабильное вращение звездного остатка можно использовать в качестве счетчика времени, на темп хода которого сложно повлиять.
В то же время поиск планет у подобных Солнцу обычных звезд подобным методом невозможен. Теперь мы также знаем, что пульсарные планеты весьма редки, ведь подобные компаньоны найдены лишь у нескольких нейтронных звезд из более чем 2000, известных нам.
Прорыв на этом направлении как раз и совершили лауреаты этого года Мишель Майор и Дидье Кело, работавшие в Обсерватории Верхнего Прованса на юге Франции. Вместе с коллегами они построили новый спектрограф ELODIE, позволявший наблюдать сразу множество звезд благодаря использованию передачи света через оптоволокно и отдельный канал для опорного спектра от ториевой лампы.
Это было важное новшество, так как в рамках прежде применявшихся подходов источник с известной длиной волны ставили перед входом в спектрограф, что загораживало часть света и ограничивало возможные наблюдения лишь самыми яркими звездами из непосредственного окружения Солнца.
Майор и Кело запустили наблюдательную программу по изучению 142 звезд, что было намного больше, чем во всех предыдущих попытках. Их усилия были вознаграждены в 1994 году, когда они заметили соответствующие наличию планеты сдвиги в спектре звезды 51 Пегаса.
Правда, параметры обнаруженной планеты оказались крайне необычными: при массе, сравнимой с Юпитером, она делала один оборот вокруг звезды всего за 4 дня, то есть должна была находиться к звезде примерно в 100 раз ближе, чем Юпитер к Солнцу.
Сегодня мы называем такие экзопланеты горячими юпитерами, но в середине 90-х годов ученым был известен только один пример планетной системы — Солнечной. В нашем случае подобных планет нет, а также прослеживается четкий порядок: некрупные каменные планеты внутри, затем газовые гиганты, затем ледяные гиганты.
Многие ученые думали, что нечто подобное должно быть и вокруг других звезд, хотя и существовали модели, предсказывающие миграции гигантов ближе к родительским звездам.
А после того, как Майор и Кело открыли экзопланету 51 Пегаса b, начался взрывной рост новой области наблюдательной астрономии и теоретической астрофизики. Перед учеными впервые возникла необходимость строить новые модели образования планет, а их проверка стала возможна экспериментально.
Измеренные колебания скорости звезды 51 Пегаса
Mayor and Queloz / Nature, 1995
Поделиться
Сегодня известно уже свыше 4000 экзопланет различных типов, формирующие системы у примерно 3000 звезд. Горячие юпитеры, бывшие в начале поисков наиболее многочисленной категорией, уже уступили первенство меньшим объектам: мининептунам или суперземлям.
Помимо метода радиальных скоростей, испытано и несколько других, в том числе методы затмений, микролинзирования и прямого обнаружения. На орбите Земли несколько лет отработал специально созданный для поиска экзопланет спутник «Кеплер», а сейчас собирает данные его сменщик — телескоп TESS.
Имеющаяся статистика показывает, что планеты весьма распространены в нашей Галактике и, видимо, во всей Вселенной. Вместе с тем систем, подобных Солнечной, до сих пор не найдено.
Однако было бы неправильным сразу делать вывод о нашей исключительности, ведь с помощью имеющихся технологий мы пока и не смогли бы найти ничего, что уступало бы в размерах Юпитеру, будь наше Солнце удалено от нас на расстояние в парсеки.
Многообразие известных экзопланет. Оранжевым отмечены планеты Солнечной системы. Все, кроме Юпитера, не попадают в доступную современным приборам область.
Exoplanet Science Strategy, National Academies Press, 2018
Поделиться
Вместе с тем, многие вопросы о формировании планет остаются без ответа. Мы только начали изучать протопланетные диски — предшествующую возникновению компактных тел стадию. Плохо понятен рост зародышей планет в этих образованиях, а без полноценной теории этого процесса мы не сможем ответить на вопрос, насколько Солнечная система необычна по сравеннию с другими.
Поиск своего места
Если говорить с формальной точки зрения, то исследования, отмеченные в этом году Нобелевской премией по физике, очень разные. Если же взглянуть на них философски, то они, напротив, весьма близки.
Космология показывает невероятные масштабы уникальной Вселенной, процессы в которой иногда можно описать парой достаточно простых уравнений.
Поиск экзопланет демонстрирует огромное разнообразие объектов в рамках небольшого кусочка обычной галактики, в то время как мы ожидали найти подтверждение непримечательности собственной звездной системы.
Стоит отметить, что открытие экзопланет не было, по большому счету, неожиданностью для ученых, и пока что исследования в этой области не привели к значимым изменениям в физических парадигмах. Недаром многие специалисты даже сомневались, отметит ли когда-нибудь Нобелевский комитет эти безусловно важные научные работы.
Так что премию по физике в этом году можно смело назвать нестандартной. Она напоминает нам, как много непознанного еще содержит в себе Вселенная, частью которой мы являемся.
Тимур Кешелава
Астронет | Картинка дня | Обзоры astro-ph | Новости | Статьи | Книги | Карта неба | Созвездия | Переменные Звезды | A&ATr | Глоссарий
планета Астронет | Физика космоса | Биографии | Словарь | Ключевые слова | Астрономия в России | Форумы | Семинары | Сверхновые
На сайте
Астрометрия
Астрономические инструменты
Астрономическое образование
Астрофизика
История астрономии
Космонавтика, исследование космоса
Любительская астрономия
Планеты и Солнечная система
Солнце
Реликтовое излучение
23.08.2000 20:34 | С. Б. Попов/ГАИШ, Москва
Основным достоинством любой теории является ее предсказательная сила. В космологии до середины 60-х гг. существовало две конкурирующие теории: модель «горячей» Вселенной и модель «холодной» Вселенной. Первая из них была разработана выдающимся ученым Г.Гамовым (нельзя сказать «выдающимся физиком», т.к., хотя физика была его основной специальностью, он внес большой вклад и в астрофизику, и в биологию) и его сотрудниками.
В этой модели предполагается, что на ранних стадиях эволюции Вселенной была крайне высока не только плотность вещества, но и его температура. Теория разрабатывалась в первую очередь для объяснения химического состава Вселенной, и эта цель была достигнута. Самым важным предсказанием теории было существование излучения с тепловым спектром. Это излучение дошло до нас от той далекой эпохи, когда Вселенная была очень плотной и горячей, правда за долгие миллиарды лет это излучение должно было заметно «остыть». Это остывание связано с расширением Вселенной, в ходе которого температура уменьшалась по адиабатическому закону.
Но, как иногда бывает, этот реликт ранней Вселенной был открыт не в результате планомерных исследований, а практически случайно. Это открытие сделали в 1965 г. А.Пензиас и Р.Вилсон, а в 1978 г. за обнаружение реликтового излучения им была вручена Нобелевская премия по физике.
Реликтовое или микроволновое фоновое излучение имеет тепловой спектр, соответствующий температуре 2.7 К. Это соответствует температуре 4000 К, при которой произошла рекомбинация, с учетом красного смещения z=1500 (электроны и ионы объединились в атомы, т.е. рекомбинировали спустя примерно 100000 лет после начала расширения).
Когда говорят, что реликтовое излучение имеет тепловой спектр, то это означает, что спектр выглядит так, как будто на огромном расстоянии находится непрозрачная стенка, нагретая до температуры 2.7 градусов по шкале Кельвина. Максимум в спектре излучения с такой температурой приходится на миллиметровый диапазон волн, а открыто реликтовое излучение было на волне 7.35 см.
Реликтовые фотоны чрезвычайно многочисленны. В одном кубическом сантиметре содержится примерно 500 таких фотонов. Это в миллиард раз больше концентрации барионов, т.е. «обычного» вещества. Окружающие нас предметы состоят из атомов, основная масса которых сосредоточена в ядре. Атомное ядро состоит из двух типов элементарных частиц: протонов и нейтронов. Такие частицы и называют барионами. Поэтому все окружающее нас вещество, а также вещество планет, звезд называют барионным веществом. Но из-за малой энергии фотонов их вклад в плотность Вселенной сейчас невелик (в 1000 раз меньше вклада «обычного», барионного, вещества. Однако, раньше ситуация была иной. В эпоху, когда температура излучения была гораздо выше, именно излучение играло основную роль во Вселенной.
И сейчас реликтовое излучение влияет на некоторые космические процессы. Например, еще в 1941 г. было обнаружено, что нижние энергетические уровни молекулы CN, наблюдаемой в межзвездной среде, возбуждены так, как будто они находятся в поле излучения с температурой в несколько градусов кельвина. Это обусловлено влиянием микроволнового фонового излучения, и оно могло быть открыто таким образом почти на 25 лет раньше.
Реликтовые фотоны также могут в результате столкновений с частицами космических лучей образовывать новые частицы, «выедая» таким образом частицы с большими энергиями (Е>1020эВ).
Микроволновое фоновое излучение обладает большой изотропией, то есть после учета поправок за счет движения наблюдателя (вращение Земли вокруг Солнца, вращение Солнца вокруг центра Галактики и движение самой Галактики) его температура, измеренная в различных участках неба, с высокой степенью точности одинакова.
Из теории следует, что небольшая анизотропия все-таки должна существовать. Ведь вещество распределено равномерно только в масштабах порядка миллиарда световых лет. Неоднородности, связанные с образованием скоплений и сверхскоплений галактик, не могли не отразиться на реликтовом излучении. Поэтому и в распределении температуры реликтового излучения на небе должна существовать анизотропия, т.е. dT, разность температур, не равна нулю. Ее теоретическая оценка dT/T=10-5. И в 1992 г. такая анизотропия была обнаружена! Это удалось сделать с помощью наблюдений на спутниках COBE (США) и Реликт-1 (Россия).
Небольшие обнаруженные неоднородности (флуктуации), ответственные за образование скоплений галактик с размерами в десятки мегапарсек, пришли к нам из той эпохи, когда Вселенной было всего 10-35 сек и она находилась на стадии инфляции.
Обнаружение и изучение реликтового излучения позволили сделать большой шаг в понимании структуры Вселенной и ее эволюции. Продолжаются новые исследования в этом направлении. Новые спутники (MAP и Planck) будут запущены в начале 21 века.
С.Б.Попов
Публикации с ключевыми словами: анизотропия реликтового излучения — микроволновое фоновое излучение — тепловой спектр — Расширение Вселенной — рекомбинация — Реликтовое излучение — Космология — красное смещение
Публикации со словами: анизотропия реликтового излучения — микроволновое фоновое излучение — тепловой спектр — Расширение Вселенной — рекомбинация — Реликтовое излучение — Космология — красное смещение
См. также: Все публикации на ту же тему >>