2

Мы неправильно измерили Вселенную?

Егор
Ilc 9yr moll4096.png
Космический микроволновый фон (он же реликтовое излучение) появился всего спустя 380 000 лет после Большого взрыва и является самым старым наблюдаемым излучением во вселенной. Изучая закономерности, запечатленные в этом древнем излучении, ученые могут предположить возраст, размер и крупномасштабную структуру Вселенной.

В начале все пространство было заполнено звуком. Это было сразу же после большого взрыва, и вселенная была наполнена горячей плазмой — энергетическим супом из частиц и радиации. Хотя эта плазма была удивительно однородной, в ней все же случались флуктуации. По словам Ллойда Нокса, космолога из Калифорнийского университета в Дэвисе, были небольшие градиенты плотности и давления, которые сминали материал вокруг себя, «а когда происходит движение среды — возникают звуковые волны».

Звуковые колебания были повсюду и настолько сильными, что мы все еще можем почувствовать их 13.8 миллиардов лет спустя. Они был обнаружены непосредственно в космическом микроволновом фоне — послесвечении, оставшемся от затухающего огненного шара большого взрыва, и были тщательно проанализированы с помощью той же базовой физики, которая использовалась для изучения структуры Солнца. Фактически, изначальная реверберация (процесс постепенного уменьшения интенсивности звука при его многократных отражениях — прим. перев.) настолько хорошо измерена и смоделирована, что использовалась для определения точной скорости, с которой расширяется вселенная — числа, известного как постоянная Хаббла. Эта константа, в свою очередь, является краеугольным камнем нашего современного понимания размеров, возраста и структуры вселенной.

Но этот кажущийся триумф недавно привел Нокса и его коллег в противоречие и замешательство. Если преобладающие теории вселенной верны, то все способы вычисления постоянной Хаббла в современную эпоху должны дать один и тот же ответ. Значение, полученное путем экстраполяции древних звуковых волн, должно точно совпадать со значением, полученным в результате независимых исследований света от далеких звезд и галактик. На самом деле, серия исследований показывает, что два подхода приводят к неприятным разногласиям — и чем более старательно исследователи решают проблему, тем более определенным кажется конфликт.

Также не стоит исключать того, что кто-то из космологов глобально ошибается. Однако, по мере накопления доказательств, Нокс пришел к другому выводу: вина лежит не на его коллегах, а на самой вселенной. Если это так, то выяснение того, почему пространство не звучит так, как они ожидали, может привести космологов к ранее неизвестной физике, потенциально раскрывая совершенно новый аспект реальности. Нокс и его соавторы исследуют эту заманчивую возможность в новом исследовании, которое должно появиться в Астрофизическом журнале. «За последние два года, — говорит он, — я перешел от мысли «должно быть, они что-то сделали неправильно», к «ух ты, может, они как раз не ошибались». Может быть, это ключ, которого я так долго ждал!»

В погоне за горизонтом


Эволюция вселенной.

В своей работе Нокс и его коллеги сосредотачивают свое внимание на горизонте звука — неясном, но важном аспекте того, как космологи изучают раннюю вселенную. После большого взрыва звуковые волны, создаваемые смешением света и вещества, свободно распространялись по горячей, заполненной плазмой вселенной. Спустя примерно 380 000 лет вещество достаточно остыло, чтобы образовать атомы, тем самым отделившись от света и прекратив развитие звуковых волн. Поэтому сейчас мы можем наблюдать застывший «узор» звуковых волн в космическом микроволновом фоне.

Звуковой горизонт определяет размер этих финальных волн. «Как далеко могли распространиться звуковые возмущения к моменту исчезновения плазмы? Это расстояние и есть звуковой горизонт», — говорит Нокс.

Подобно тому, как вы можете интуитивно оценить свойства колокола по тому, как он звонит (маленький стеклянный колокол звучит совершенно иначе, чем большой латунный), исследователи могут вывести точные свойства вселенной из ее звуков, записанных в микроволновом фоне. Именно так они могут с уверенностью заявить, что космос состоит на 4.8% из обычной материи, на 26% из невидимого вещества, известного как темная материя, и на целых 69% из темной энергии — загадочной антигравитационной силы, которая растягивает пустое пространство. Более того, для нашей истории это еще один способ, с помощью которого можно получить скорость расширения вселенной с высокой точностью.

В 2015 году команда исследователей во главе с Джорджем Эфстатиу из Кембриджского университета начала анализ микроволновых измерений, полученных космическим кораблем Planck Европейского космического агентства и раскрыла некоторые характеристики вселенной. Их результаты показали, что вселенная расширяется со скоростью 67.8 км/с на мегапарсек (мегапарсек — единица расстояния, равная 3.26 млн. световых лет).

Между тем конкурирующие группы астрономов изучали расширение вселенной совершенно иным способом, отыскивая переменные звезды или взрывы сверхновых на известном расстоянии, а затем непосредственно измеряя, насколько быстро они удаляются от нас. Этот метод «дистанционной лестницы» сложнее, чем кажется. Подсчет расстояний на протяжении многих миллионов световых лет является тонкой и трудоемкой задачей, связанной с возможностью возникновения многих видов систематических ошибок. Неправильно определите местоположение звезды, и весь расчет будет ошибочным.

«Каждый раз, когда вы повышаете точность, вы должны перейти с систематикой на новый уровень. Это то, что не дает мне спать по ночам», — говорит Венди Фридман из Чикагского университета, которая более трех десятилетий занимается измерением постоянной Хаббла. Устойчиво подавляя неопределенности и опираясь на последние наблюдения переменных звезд, ее группа пришла к своему высокоточному значению для константы: 73.2 — и в этом заключается противоречие. «Это впечатляющий прогресс, когда эти два числа согласуются с точностью до 10 процентов», — говорит она, но сейчас такое грубое соответствие уже недостаточно хорошо. «Погрешности, конечно, не перекрываются, и нет ничего очевидного, что могло бы вызвать такую разницу». Чтобы определить любые неочевидные проблемы, она разрабатывает новый тип измерения расстояния, используя красные гигантские звезды в качестве опорных точек. В то же время она проводит двойной слепой эксперимент, чтобы повторно проанализировать все имеющиеся у нее данные на предмет предвзятости и ошибок.


Смещение света от галактик в красную область из-за их удаления от Земли.

Космологи с обеих сторон также обращаются за помощью к внешним группам, и пока что эти «независимые судьи» только углубляют тайну. Исследование Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, в котором рассматривается, как свет изгибается далекими галактиками, дает значение постоянной Хаббла, равное 72.5, что близко к результату Фридман. Между тем, столь же убедительное исследование, в котором рассматривается, как первичные звуковые волны влияют на распределение галактик в современной вселенной, дает значение константы — как вы уже догадались — равное 67. Расчеты постоянной Хаббла, привязанной к звуковому горизонту, последовательно дают меньшее число, чем те, которые основаны на наблюдениях звезд и галактик — и никто не знает почему.

Комплекс темного космоса?

Есть одно возможное решение проблемы: все измерения могут быть правильными, а ошибаются ученые с интерпретацией полученных результатов. Нокс отмечает, что все, что мы знаем о происхождении звукового горизонта, зависит от теоретической модели поведения вселенной в течение ее первых 380 тысяч лет жизни, о которых мы почти ничего не знаем. Так что если модели ошибочны и размер звукового горизонта отличается от прогнозируемого, эта корректировка изменит все полученные из нее числа, включая постоянную Хаббла. «Если есть космологическое решение, оно должно привести к меньшему звуковому горизонту», — говорит Нокс. Сократите его всего на 7 процентов, и все исследования счастливо согласуются друг с другом. Проблема в том, что не совсем понятно, что может быть причиной такого сокращения. Практически во всех отношениях модель и наблюдения тесно связаны друг с другом.

«Было очень сложно придумать решение, которое все прекрасно объясняет. Это должно быть что-то сложное, потому что мы уже испробовали все простые вещи», — говорит Мариус Миллеа, исследователь в Центре космологической физики Беркли и один из соавторов статьи Нокса. Он отмечает, что гораздо проще искать вещи, которые не работают: неоткрытый вид нейтрино? Нету. Новый тип взаимодействия между фотонами? Снова нет — все это конфликтуют с полученными данными.

Наиболее убедительным объяснением, по мнению Нокса, является то, что ранняя вселенная расширялась немного быстрее, чем ожидалось. Если это так, она бы охладилась быстрее и заморозила бы звуковой горизонт чуть раньше. Тогда звуковой горизонт будет меньше, чем тот, который теоретики используют в своих моделях, и — вуаля, проблема решена! Или, скорее, проблема просто видоизменится, потому что теперь вам нужно какое-то объяснение того, что заставило ранний космос расширяться быстрее.


Темная материя объясняет, почему скорость вращения галактик больше, чем получается при расчетах с использованием только видимого вещества.

У Нокса есть предположение. «Потенциально, это ведет нас к новому ингредиенту в «темном секторе», — говорит он, имея в виду универсальный термин космологов для невидимых компонентов вселенной, которые никак не взаимодействуют с излучением. Исследователи уже используют темную материю, чтобы объяснить движение галактик, и темную энергию, чтобы объяснить ускоряющееся расширение вселенной. Нокс утверждает, что расходящиеся измерения постоянной Хаббла могут быть первым признаком существования третьего темного компонента — «темного турбо», которое добавляло энергию ранней вселенной, тем самым ускоряя ее расширение. Связанная с этим возможность — темная энергия имеет более одной формы или изменяется со временем сложными способами. Недавнее исследование 1598 далеких квазаров (очень ярких ядер галактик — прим. перев.), проведенное на рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра», дает интригующие, если не предварительные, доказательства для последней интерпретации.

Может показаться обманом призывать что-то новое и невидимое для объяснения запутанного результата, но Нокс смотрит на ситуацию противоположным образом: конфликт в измерениях постоянной Хаббла может показывать новый аспект вселенной, который до сих пор полностью ускользал от обнаружения. И он не видит ничего странного в том, что существует множество видов темных элементов, и указывает на то, что видимая часть вселенной содержит много различных типов частиц и сил, откуда возникает логичный вопрос: почему темная сторона вселенной не может быть такой же сложной?

Во всяком случае, это не философская дискуссия, а конкретный научный вопрос. Новые наблюдения ранней вселенной с помощью телескопа в Антарктиде и телескопа Атакама в Чили позволят дополнительно исследовать звуковой горизонт. Нокс также участвует в создании нового прибора под названием CMB-S4, который призван отобразить поляризацию микроволнового неба с большой чувствительностью. Далее, Фридман почти закончила свой всесторонний повторный анализ данных. Новые исследования гравитационных волн также предоставят совершенно независимый способ оценить истинное значение постоянной Хаббла.

Достаточно скоро данные установят, преследуют ли ученых ошибки, или же они продвигаются в неизведанной области космоса. «Гораздо интереснее, если это окажется фундаментально новая физика, но мы не хотим, чтобы это было так или иначе», — говорит Фридман. «Вселенной не важно, что мы думаем!»
50

Будь в курсе последних новостей из мира гаджетов и технологий

Мы в соцсетях

Комментарии

Gegham Danghyan
+28
Очень интересно, но начало перевода немного храмает и моментами непонятно...
ПС: пишите плиз на уведомлениях автора статьи, а то постоянно думаю что кузнецов и не хочу открывать
8 февраля 2019 в 19:35
#
–87
Согласен,очень интересно.но половину текста не понял.а так спс.
9 февраля 2019 в 09:10
#
+72
Я уже хотел палец вниз поставить, т.к. думал, что это опять громкая( бесполезная) статья Кузнецова.
10 февраля 2019 в 07:49
#
+33
А зачем все это здесь?
8 февраля 2019 в 19:39
#
+1070
Затем что не одним смартфоном единым...))
8 февраля 2019 в 19:51
#
+304
Очень интересно!
8 февраля 2019 в 19:45
#
+1070
А как они определяют возраст излучения? Хочу статью об этом))
8 февраля 2019 в 19:50
#
Егор Морозов
+1764
Боюсь, если я реально напишу статью на эту тему, то от формул и непонятных терминов с iG убегут все читатели :) . Если очень просто и на пальцах — есть такое понятие, как адиабатическое охлаждения (то есть без обмена теплом с окружающей средой, что логично в данном случае, ибо этой среды нет). Представили, что вселенная отвечает этому понятию и стали смотреть, за какое время после появления она остынет до температуры в 3000 градусов — именно при такой температуре начинают появляться простейшие атомы. У них получился срок около 380 тысяч лет, и проблема в том, что никто не знает, насколько это на самом деле правильно, да и никто и не узнает, ибо с момента Большого взрыва до момента появления первых атомов не сохранилось вообще ничего.
8 февраля 2019 в 20:40
#
+1070
То есть всё очень условно и относительно))
9 февраля 2019 в 17:19
#
Егор Морозов
+1764
Да, это тот раздел физики, где мы не знаем практически ничего. И что самое плохое — непонятно, как узнать, сидя при этом на Земле).
9 февраля 2019 в 18:26
#
+72
Доминирование тёмной энергии.
8 февраля 2019 в 19:51
#
Tigrolik
+662
Может проблема перевода, но как скорость может быть 67 км/с за мегапарсек??? Это же тоже самое, что сказать, например, скорость автомобиля 80 км/ч за 1000 километров. Что блин??!
8 февраля 2019 в 20:56
#
Егор Морозов
+1764
Может, понятие скорости очень широко (вспомните например скорость химической реакции, которое вообще говоря является... изменением количества вещества с течением времени) — https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%A5%D0%B0%D0%B1%D0%B1%D0%BB%D0%B0 . Смысл в том, что галактики, находящиеся на расстоянии одного мегапарсека, разлетаются именно с такой скоростью. Но в одном вы правы — не «за», а «на». Спасибо, поправил.
8 февраля 2019 в 21:02
#
Егор Морозов
+1764
Ага. Уже немного плавлюсь от написанного за сегодня материала).
8 февраля 2019 в 21:10
#
Tigrolik
+662
Опа, ты коммент отредактировал!! А почему смертным не дать такую возможность??!!! Ты сначала написал светового года. А потом на мегапарсек исправил.
8 февраля 2019 в 21:10
#
Егор Морозов
+1764
Очень хороший вопрос, ответ на который — кривой битрикс с кривым разделением прав. Тут я ничем помочь не могу, кроме как по просьбе отредактировать коммент.
8 февраля 2019 в 21:14
#
–10
Биздец проста,зачем ваще это нужно знать???!
С чего вы взяли,что было так,а не иначе? Всё блин какие-то теории,подумайте блин хорошо,что похоже на правду,а что просто сказки.
Просто. Подумайте. Головой.
9 февраля 2019 в 02:41
#
+1070
Кто ты чудовище?))
9 февраля 2019 в 17:21
#
–10
Слышь петух тебя смотрю разговаривать не учили
11 февраля 2019 в 00:47
#
iProJora
+245
бред вселенского масштаба
9 февраля 2019 в 04:31
#
Vasilij Pupkin
–3
А есть видео где звёзды разбегаются и гаснут?
9 февраля 2019 в 13:33
#
+323
Егор, опиши вкратце принцип работы варп-двигателя: очень хочется собрать его и слетать куда-нибудь.
9 февраля 2019 в 13:59
#
Егор Морозов
+1764
Отличная идея статьи на первое апреля :) И есть шанс, что напишу ее раньше. Но это не точно)
9 февраля 2019 в 18:24
#
Oskarr
+367
Вспомнилось, когда в детстве читал, не помню кто автор. Но, там дети посадили ракету в землю и потом её поливали водой и она выросла в большую, они сели в неё и полетели в космос ))))))
10 февраля 2019 в 13:37
#
+215
Если коротко, то варп работает так: у-у-у-и-и-и-вжухх!
9 мая 2019 в 15:40
#
Сергей Александров
0
К дополнению этого материала рекомендую прочитать труды академика Николая Левашова.
9 февраля 2019 в 17:37
#
cuantro
+621
Ученые состоят из молекул. Молекулы состоят на 99% из пустоты. Получается ученые, изучающие молекулы, это пустота изучающая пустоту=)
10 февраля 2019 в 11:10
#
+118
да ну вы что, Ребята какая вселенная?! вселенная этО земля Фактически блинчик! а соЛнце с луной- диски, вращающиеся над ней! (пс смотри на заглавные- думай головой)
12 февраля 2019 в 16:08
#
SithV
+1631
забавно как ученые обзывают неизвестные силы словом "темный" что позволяет оставаться им в рамках своих теорий списывая необъяснимые эффекты на "темную материю, энергию итд"... хотя на деле все их теории могут быть лишь частными случаями более масштабных явлений, также как теория относительности дополняет законы ньютона...

но интересно другое... если все галактики и скопления представляют собой "узоры на фоне пустот", то относительно чего они формировались? и является ли такая неравномерность следствием присутствия дополнительных необъясненных сил?

14 октября 2019 в 01:05
#
–11
4 июля 2020 в 15:43
#