Олег Верходанов (sed.sao.ru/~vo)

Наверное, можно было бы сразу начать заметку с обсуждения двух высказываний: «в наблюдательной космологии есть проблемы согласования современных результатов разных экспериментов» и «в наблюдательной космологии, кроме старых, других проблем нет». Но все-таки я сделаю небольшое вступление, а также введу некоторые термины для читателей, которые впервые окунутся в обсуждаемую тему.

За последние двадцать лет в наших представлениях о Вселенной произошла революция. Особенно сильно это проявляется в исследованиях, где новые прорывные технологии, связанные c электроникой, космическими системами, суперкомпьютерами и программным математическим обеспечением, дали возможность проводить немыслимые ранее наблюдения дальнего космоса. Была построена согласованная стандартная космологическая модель, называемая ΛCDM, которая удовлетворяет практически всем наблюдательным данным и описывает эволюцию Вселенной от момента ее возникновения до десятков миллиардов лет вперед. Модель включает конечное число параметров и имеет расширения (дополнительные параметры), которые также удается измерить с высокой точностью.

ΛCDM-модель

Что такое космологическая модель ΛCDM («Лямбда-СиДиЭм»)? Это модель, в названии которой и заключены две главные проблемы современной космологии: темная энергия (ТЭ), описываемая Λ-членом в уравнении Эйнштейна, действие которой наблюдается на масштабах нескольких десятков миллионов световых лет как ускоренное расширение Вселенной, и темная материя (ТМ), гравитационные проявления которой мы видим на масштабах галактик, скоплений галактик и крупномасштабной структуры Вселенной. Темная материя представляется в стандартном описании как холодная темная материя (Cold Dark Matter — CDM). Хотя мы не знаем, что такое ТЭ и TM, у нас все-таки есть представления об их физических свойствах в настоящую эпоху. ТЭ — это некоторая субстанция с отрицательным давлением, наблюдаемая на очень больших масштабах; ее часто сравнивают с вакуумом. ТМ — это, скорее всего, вещество, состоящее из массивных нейтральных частиц, не входящих в Стандартную модель физики элементарных частиц и не участвующих в электромагнитном взаимодействии. Но, возможно, что кроме гравитационного ТМ может участвовать в слабом либо в другом, неизвестном взаимодействии. А может быть, и нет. Вклад обоих компонентов в энергетический баланс Вселенной хорошо измерен по их проявлениям. В рамках согласованной модели, использующей данные космической миссии Planck 2018 года и барионных (или, по-другому, акустических, или сахаровских) осцилляций, измеренных в оптических наблюдениях Слоановского обзора неба (Sloan Digital Sky Survey — SDSS), вклад составляет ~69% TЭ и ~26% ТМ. При этом за ~5% энергии ответственно видимое (барионное) вещество.

Космологические тесты

Космологическая модель ΛCDM описывается минимальным набором из шести космологических параметров. Их значения ищутся одновременной подгонкой методом максимального правдоподобия к данным различных экспериментов. В результате находится точка в многомерном пространстве, которая дает лучшее соответствие совокупности наблюдений. В последней работе коллаборации Planck 2018 года по определению параметров использовались данные по неоднородностям реликтового фонового микроволнового излучения и его поляризации, а также данные по барионным осцилляциям (Baryon Oscillation Sky Survey — BOSS) , измеренным в оптическом Слоановском обзоре неба. Поиск параметров опирается на неоднородность Вселенной, которая проявляется в разных распределениях. В случае реликтового излучения она проявляется в угловом спектре мощности (обозначается Cl). Он показывает относительную долю энергии, приходящей из Вселенной в проекции на окружающую нас воображаемую сферу, в зависимости от углового масштаба, в котором эта доля энергии измеряется (рис. 1). Для изучения распределения вещества применяют корреляционные функции, которые в классическом астрофизическом подходе позволяют находить выделенные расстояния между объектами в пространстве (рис. 2). Кроме того, одним из наиболее активно применяемых методов определения свойств Вселенной является диаграмма Хаббла, связывающая скорость удаления галактики от нас (или скорость расширения Вселенной) с расстоянием до этой галактики (рис. 3). Расстояние (модуль расстояния) до галактики связывает ее абсолютную звездную величину M и видимую m. В основном в измерениях используют именно разность m – M при построении зависимости. А вместо скорости удаления галактики применяют красное смещение z, определяющее относительный сдвиг спектра в красную сторону, т. е. в сторону меньших частот или бо́льших длин волн электромагнитного спектра.

Рис. 1. Карта РИ Planck с разрешением 5 минут дуги, соответствующий ей угловой спектр мощности Planck до гармоники l=2500

Рис. 2. Корреляционная функция BOSS с локальным пиком на пространственных масштабах 90–120 Мпк, построенная по данным 47 тыс. красных галактик большой светимости (luminous red galaxies) оптического обзора SDSSРис. 3. Диаграмма Хаббла (модуль расстояния — красное смещение), построенная по результатам исследований двух групп, открывших темную энергию. Верхний график — результаты измерений. Нижний график — разность между данными верхнего графика и ожидаемыми измерениями в простом расширяющемся евклидовом мире без темной энергии

В общем, как при эффекте Доплера: при приближении машины частота звука повышается, а при удалении — понижается. С той лишь разницей, что космологическое красное смещение не связано с эффектом Доплера, а определяется расширением Вселенной.

Все эти функции — угловой спектр мощности, корреляционные функции скоплений галактик и диаграмма Хаббла — применяются в процедуре подгонки параметров как самостоятельные зависимости, так и общим набором для построения согласованной модели.

Чтобы быть точным в изложении, надо отметить, что кроме этих трех космологических тестов еще есть линии поглощения квазаров, когда по положению и ширине линий водорода на различных красных смещениях удается восстановить структуру Вселенной; гравитационное линзирование на скоплениях галактик; классические подсчеты источников излучения; стандартная линейка при измерении углового размера объектов с известным физическим размером; стандартные свечи для разных объектов стандартной светимости (они же имелись в виду, когда говорилось о диаграмме Хаббла); стандартные часы для измерения динамики расширения Вселенной по данным возраста галактик с учетом эволюции звезд и темпа звездообразования; и ряд других тестов. Кроме того, измеренные космологические параметры являются входными для построения точных компьютерных симуляций и их статистического сравнения с результатами наблюдений.

Параметры модели

Приведем минимальный «джентльменский набор» космологических параметров действующей согласованной модели на 2018 год , который всегда полезно иметь под рукой. Он включает:

1) угловой размер акустического горизонта эпохи последнего рассеяния, измеряемый по положению пиков в угловом спектре мощности θ* = 0,5965±0,0002°;

2) амплитуда первичных возмущений As (чрезвычайно мала);

3) скалярный спектральный индекс (показывающий относительную скорость роста первичных возмущений плотности на разных масштабах, из которых потом образовались галактики и скопления галактик) ns = 0,9665±0,0038;

4) и 5) плотность барионной и темной материи соответственно (обращаем внимание, что это связанные параметры, а именно домноженные на h2, где h — постоянная Хаббла H0, деленная на 100) Ωbh2 = 0,022 42 ± 0,000 14 (откуда Ωb ≈ 0,049) и ΩCDMh2 = 0,119 33 ± 0,000 91 (ΩCDM ≈ 0,259), а их сумма — плотность материи Ωm = 0,3111 ± 0,0056;

6) шестой параметр — красное смещение zre = 7,82±0,71, на котором произошла вторичная ионизация (реионизация) Вселенной первыми звездами и квазарами, или, что тоже самое — оптическая толща свободных электронов между нами и эпохой реионизации τ = 0,0561±0,0071.

Физическая параметризация описана в работе Planck 2013 года (на русском языке можно посмотреть в ).

Измеренные параметры позволяют зафиксировать космологическую модель и определить остальные производные и дополнительные параметры как с использованием только данных «Планка», так и с применением данных других экспериментов в согласованных оценках. Среди остальных параметров отметим плотность темной энергии ΩΛ= 0,6889±0,0056, величина которой связана и с размером θ*, и с прохождением фотонов РИ сквозь формирующиеся скопления галактик за космологическое время (эффект Сакса — Вольфа). Другим важным параметром является параметр расширения Хаббла в настоящую эпоху — постоянная Хаббла H0 = 67,66±0,42 км/с на мегапарсек (Мпк). С параметром Хаббла связан и возраст Вселенной t0 = 13,787±0,020 млрд лет. Знание оптической толщины, которая определяет свойства среды и связана с плотностью материи, а также применение данных о гравитационном линзировании фиксируют неравномерность распределения вещества. Эта величина описывается параметром σ8= 0,8102±0,0060, характеризующим скучивание материи в кубе со стороной 8 Мпк. Еще один параметр плотности — ΩK = 1 – Ω0, описывающий кривизну Вселенной, связан с суммарной плотностью всех компонент энергии Ω0 объединяющей ΩΛ, Ωc, Ωb, плотности излучения и нейтрино, и с размером характерных пятен РИ на момент рекомбинации θ*. Используя только данные РИ, куда входят и измерения Planck и учитываются линзирование и данные оптических обзоров, имеем оценку кривизны: ΩK = 0,0007±0,0019. Малое значение ΩK является признаком того, что наша Вселенная с высокой точностью плоская (т. е. сумма углов любого треугольника, построенного на больших масштабах — порядка десятков миллионов световых лет — равна 180°). Кроме того, необходимо отметить, что ΛCDM — это все-таки семейство моделей, допускающее различные вариации основных параметров и включающее также различные расширения.

Рис. 4. Изменение формы углового спектра мощности реликтового излучения при вариации величины постоянной Хаббла H0

Обратим внимание на приводимую точность определения параметров — лучше/порядка 1% — точность, недостижимая в настоящее время во многих астрофизических и физических экспериментах. И для постоянной Хаббла она лучше, чем 1%, — 420 ­м/с/Мпк. Даже можно сказать, невероятная. Каким образом она получается? В общем виде параметр Хаббла H(z), описывающий скорость расширения Вселенной в разные космологические эпохи, определяется соотношением H(z)2 = H02 × (ΩR × (1 + z)4 + Ωm × (1 + z)3 + (Ω0 – 1) × (1 + z) + ΩΛ), где H0 — постоянная Хаббла — параметр Хаббла в настоящую эпоху, ΩR, Ωm, Ω0, ΩΛ — соответственно относительные плотности излучения, вещества (видимого + темного), полной плотности энергии и темной энергии в настоящую эпоху. Параметр Хаббла входит в описание скорости роста неоднородностей плотности (в том числе и через эффекты линзирования в разные эпохи), наблюдаемых угловых размеров характерных неоднородностей в распределении реликтового фона (чем быстрее сейчас расширяется Вселенная, тем меньше их наблюдаемый угловой размер) и также связан с температурой космического микроволнового фонового излучения. Изменение параметра H0 приводит к существенному изменению формы углового спектра мощности (см. рис. 4). Набор физических описаний со свободными параметрами включается в общую процедуру совместного определения наиболее правдоподобных величин параметров, в результате выполнения которой и получаются приведенные значения.

Качество данных

Картина с микроволновыми данными Planck и барионными осцилляциями в SDSS в целом понятна. Но имеются еще и данные группы Адама Рисса , нобелевского лауреата, одного из открывателей факта ускоренного расширения Вселенной. Его результаты определения постоянной Хаббла (проект SH0ES — SN, H0, Equation of State of dark energy) отличаются более чем на 3,5σ от величины H0 коллаборации Planck: по Риссу и др. H0 = 73,52±1,62 км/с/Мпк на 2018 год. Команда Рисса использует сверхновые типа Ia (SN Ia) как стандартные свечи. Взрыв белого карлика в двойной звездной системе при перетекании на него вещества со звезды-компаньона и запуске термоядерных реакций приводит к вспышке сверхновой стандартной светимости (из-за фиксированной предельной массы белого карлика) и несложной для опознания затухающей кривой блеска SN Ia. Вспышка по яркости сравнима с родительской галактикой и при известном красном смещении позволяет построить диаграмму Хаббла и далее определить с помощью нее параметры расширения Вселенной. Это можно сделать, если данных по объектам типа SN Ia достаточно много и они перекрывают большой диапазон красных смещений.

Если различие в данных Planck и группы Рисса реально, то придется говорить об изменении физических свойств Вселенной, причем, возможно, с привлечением новой физики. Если это эффект систематики (то есть связанный с трудноучитываемым изменением эволюционных свойств объектов в разные эпохи, неполнотой данных, особенностями наблюдений или методикой обработки данных), то нужно определить, кто неправ: коллаборация Planck и ей сочувствующие (порядка 500–1000 космологов, наблюдателей и теоретиков) или команда Рисса.

И тут самое время поговорить о качестве данных. Данные Planck для определения космологических параметров включают три корреляционных спектра: угловой спектр мощности анизотропии (то есть вариаций) температуры реликтового излучения, угловой спектр мощности поляризации РИ в электрической моде (E-моде), корреляционный спектр между анизотропией температуры и E-модой поляризации. Каждый спектр содержит по 2500 независимо измеренных точек. За спектрами стоят порядка 4 млрд пикселей, полученных по данным десятков тысяч измерений в каждом пикселе на девяти частотах (30, 44, 70, 100, 143, 217, 353, 545, 847 ГГц) и в двух модах поляризации (для первых семи частот). Данные полны на сфере и однородны. Таким образом, удается почти легко и точно провести разделение фоновых компонент нашей Галактики и данных реликтового микроволнового фона и построить соответствующие угловые спектры мощности. Особая «волнистая» форма спектра мощности, определяемая сахаровскими осцилляциями в первичной плазме1, позволяет с предельно высокой степенью точности найти и измерить амплитуды в точках максимума и минимума спектра. Это в свою очередь позволяет получить высокую точность измерения космологических параметров. Следует также отметить, что разделение компонент проводится различными методами, и в результате получаются очень близкие карты РИ и, соответственно, практически совпадающий спектр Cl, рассчитываемый при различных подходах.

Данные Рисса основаны на построении точной «лестницы расстояний» и измерениях кривых блеска сверхновых типа SN Ia. Лестница расстояний включает много различных стандартных по светимости объектов и методов измерений расстояний до них. В классическом варианте ее фундамент строится на измерении тригонометрических параллаксов цефеид Млечного Пути, позволяющих определить расстояния до объектов с помощью простых методов решения треугольника по известной стороне (радиусу орбиты Земли, например) и углам. Угол смещения звезды в проекции на небо за время путешествия наблюдателя по орбите вокруг Солнца позволяет практически прямым измерением определить расстояние до нее, а с учетом опубликованных данных спутника Gaia Европейского космического агентства заявленная точность определения параллаксов достигла 30–40 угловых микросекунд для звезд на расстояниях 2–4 кпк с учетом их собственных движений. Цефеиды — класс переменных звезд, чей период вариации блеска связан с их светимостью, и таким образом их можно использовать как стандартные свечи, если известен период переменности. Если точно откалибровать расстояние до цефеид и далее от цефеид до SN Ia (для этого в близких галактиках, где произошла вспышка SN Ia, ищутся цефеиды), то удается построить надежную лестницу расстояний и проводить космологические измерения.

Сделаем некоторые примечания к этому методу. Список сверхновых типа Ia не очень большой — более-менее надежных объектов этого типа порядка 2000. Результатов измерений кривых блеска SN Ia при красных смещениях z>1 мало, при z>1,5 прямо совсем мало. А при z>2 их, в общем, и нет (при z = 2 возраст Вселенной t~3,3 млрд лет). Хотя, например, зарегистрированные гамма-всплески из тех эпох есть.

Всё еще нет уверенного знания, насколько стандартным является тип SN Ia (см. величину разброса данных на рис. 3). И если для поиска, обнаружения и измерения вклада темной энергии достаточно было порядка десятка сверхновых за z>0,7 (z~0,7 или t~7 млрд лет задают область временно́го интервала, где при движении из прошлого в настоящее происходит переход от пылевой эпохи к эпохе темной энергии), то для точных измерений нескольких десятков объектов уже недостаточно. Неясно, насколько стандартными являются SN Ia при другом химическом составе, который был в более ранние эпохи. Не очень ясно, как себя ведет кривая блеска SN Ia при взрыве компоненты в паре двух белых карликов и сколько таких пар участвует в производстве вспышек. Списки сверхновых Ia неоднородны и неполны по пространственным направлениям и по космологическим эпохам, что ограничивает возможность обобщения результатов даже в случае точного измерения кривых блеска.

Обсуждение

Рис. 5. Диаграмма «постоянная Хаббла H0 — плотность вещества Ωm» показывает различие в определении величины постоянной Хаббла в согласованной модели ΛCDM Planck и в данных группы Рисса. Разными цветами выделены измерения параметров при комбинации данных различных экспериментов, оттенками цветов — доверительные интервалы на уровнях 68% и 95%. Обозначения на картинке: BAO — барионные акустические осцилляции, Pantheon — данные по проекту измерения блеска сверхновых Ia, D/H BBN — данные по измерению дейтерия при первичном нуклеосинтезе, lensing — данные по измерению линзирования CMB Planck, θMC — учет размера акустического горизонта.
Серым цветом показаны результаты, полученные группой Рисса. Из работы

Что активно обсуждается? Данные о SN Ia содержат информацию о близкой Вселенной, в то время как данные по реликтовому излучению — о далекой. Однако в РИ присутствует отражение физических процессов, связывающих его с современной эпохой. Это и скорость расширения Вселенной, которая отражается в характерных размерах пятен, и линзирование на крупномасштабной структуре (что, кстати, нельзя было наблюдать в предыдущей космической миссии WMAP из-за худшего разрешения), и, вообще, скорость формирования структур. Из приведенной выше формулы для H(z) видно, что параметр Хаббла — производный от параметров плотности, а постоянная Хаббла в этом описании может рассматриваться как калибровочный множитель. Однако, когда приводятся результаты измерения H0, часто оговаривается, что данная величина получена в рамках согласованной модели. Например, на рис. 5 приведены результаты совместного определения космологических параметров H0 и Ωm для барионных осцилляций, которые сейчас рассматриваются как независимая стандартная линейка, сверхновым, исследуемым в проекте Pantheon , а также по количеству дейтерия в первичном нуклеосинтезе и параметрам, измеряемым по данным РИ. Следует сказать, что в работе Planck для построения функции правдоподобия используется ~1,3 тыс. объектов типа SN Ia из списка Pantheon, которые дают согласованные величины с данными Planck и барионных осцилляций, показанных на рис. 5.

Особенность работы группы Рисса заключается в том, что они уточнили шкалу расстояний по данным Gaia и, соответственно, привязку стандартных свечей. Но, в принципе, есть работы (см. ), в которых также по данным Gaia уточняется привязка цефеид и получается результат измерения H0, согласованный с данными Planck: H0= 67,6±1,52 км/с/Мпк.

Отдельным пунктом можно было бы обсудить определение космологических параметров с помощью данных по скоплениям галактик, которые также расходятся с основными космологическими результатами Planck (см. например, обсуждение в ). И здесь стоило бы обсудить различие оценок параметров по микроволновым, оптическим и рентгеновским данным и по результатам измерений гравитационного линзирования на скоплениях галактик. Этим результатам посвящена не одна статья. И, тем более, есть статьи коллаборации Planck, посвященные поиску скоплений галактик по эффекту Зельдовича — Сюняева на картах миллиметрового/субмиллиметрового диапазона, оценкам с помощью этих измерений космологических параметров и обсуждению различия величин параметров, определяемых таким образом . Обсуждение результатов исследования скоплений галактик в микроволновом диапазоне, конечно, стоит отдельной статьи. Но здесь отметим лишь некоторые моменты, связанные со свойствами скоплений галактик. Данных по скоплениям галактик (как и самих скоплений) мало, так же, как и сверхновых типа Ia. Сейчас пока можно говорить о нескольких тысячах известных скоплений, а с эффектом Зельдовича — Сюняева — не больше двух тысяч. Наблюдаемых скоплений галактик практически нет при z>2 (хотя есть работы, посвященные исследованию протоскоплений на z~5), не очень ясны их границы в пространстве, и при больших z нет уверенности в точном определении их массы. В настоящее время разные группы разбираются с этими проблемами и, может быть, если число этих объектов возрастет с тысяч до нескольких десятков тысяч и будут надежные оценки их массы, то также возрастет и точность измерений на основе этих данных.

А что если верны измерения H0 и по согласованным данным Planck, и по данным группы Рисса? То есть рассматривается ли случай построения модели с особенностями по разным данным с отличающейся постоянной Хаббла? Да, рассматривается. Есть работы, где изучается возможное изменение плотности темной материи со временем, например ее распад , пространственные вариации темной энергии или даже особые эффекты Мультиверса. Всё это требует новой физики. Закрыть без точных измерений эти гипотезы пока нельзя. Особенно если вспомнить историю с темной энергией, когда новая физика ворвалась в нашу жизнь в 1998 году. И так и остается пока необъясненной.

Часто говорят, что измерения с помощью SN Ia являются прямыми измерениями, а измерения с помощью РИ — модельными. И этим объясняют различие в значениях H0. На мой взгляд, в этом замечании есть доля лукавства. Вообще, любые измерения являются модельными. Причем на разных этапах. При наблюдениях площадок неба моделируется и удаляется фоновая компонента на изображении, моделируется аппаратная функция прибора для определения интегральных характеристик сигнала, для учета собственных движений делаются выводы (тоже модельные) о движении звезд и галактик в родительских системах. И наконец моделируется тип локальной Вселенной — часто это евклидов мир с добавленным расширением, в котором применяется линейный или нелинейный закон Хаббла. С другой стороны, с чем же, как не с моделями, т. е. со стандартными шаблонами, сравнивать проведенные измерения? Они же и являются опорой наших выводов и основой поиска новых закономерностей. В той же работе Planck обосновывается новый стандарт, объединяющий практически все космологические тесты в один, — стандартный угловой спектр мощности анизотропии РИ. Спектр сейчас содержит 2500 независимых измерений энергетических величин — квадратов амплитуд гармоник на различных угловых масштабах. Их значения строго привязаны к физическим процессам, протекавшим в разные эпохи Вселенной, и с помощью этой кривой можно измерять различные космологические параметры, в том числе и постоянную Хаббла. На мой взгляд (но он, в принципе, может и измениться под давлением новых измерений), Planck дал наиболее корректную величину постоянной Хаббла, а данные по SN Ia могут иметь скрытую систематику, связанную с неполнотой данных и нетривиальными процессами во вспышках. В конце приведу одну цитату из работы : «Измерения Planck находятся в отличном согласии с независимыми построениями лестниц расстояний с использованием барионных осцилляций, сверхновых и результатов по распространенности элементов. Однако ни одна из расширенных моделей, которые обсуждались в данной статье, не позволяет по-настоящему справиться с напряжением, возникшим в связи с величиной H0 по данным Рисса и др. (2018)».

Но мир меняется, и каждый год появляются новые данные независимых экспериментов в различных энергетических диапазонах излучения Вселенной. При любом раскладе разрешение загадки расхождения измерений H0 даст новый толчок наблюдательной космологии. И это будет очень интересно. Я надеюсь.

Олег Верходанов,
докт. физ.-мат. наук, Специальная астрофизическая обсерватория РАН

1 См. Рубаков В., Штерн Б. Масштабная линейка Вселенной // ТрВ-Наука № 83 от 19 июля 2011 года, с. 2–3.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

История освоения космоса: первые шаги, великие космонавты, запуск первого искусственного спутника. Космонавтика сегодня и завтра.

История освоения космоса — самый яркий пример торжества человеческого разума над непокорной материей в кратчайший срок. С того момента, как созданный руками человека объект впервые преодолел земное притяжение и развил достаточную скорость, чтобы выйти на орбиту Земли, прошло всего лишь чуть более пятидесяти лет — ничто по меркам истории! Большая часть населения планеты живо помнит времена, когда полёт на Луну считался чем-то из области фантастики, а мечтающих пронзить небесную высь признавали, в лучшем случае, неопасными для общества сумасшедшими. Сегодня же космические корабли не только «бороздят просторы», успешно маневрируя в условиях минимальной гравитации, но и доставляют на земную орбиту грузы, космонавтов и космических туристов. Более того — продолжительность полёта в космос ныне может составлять сколь угодно длительное время: вахта российских космонавтов на МКС, к примеру, длится по 6-7 месяцев. А ещё за прошедшие полвека человек успел походить по Луне и сфотографировать её тёмную сторону, осчастливил искусственными спутниками Марс, Юпитер, Сатурн и Меркурий, «узнал в лицо» отдалённые туманности с помощью телескопа «Хаббл» и всерьёз задумывается о колонизации Марса. И хотя вступить в контакт с инопланетянами и ангелами пока не удалось (во всяком случае, официально), не будем отчаиваться — ведь всё ещё только начинается!

Мечты о космосе и пробы пера

Впервые в реальность полёта к дальним мирам прогрессивное человечество поверило в конце 19 века. Именно тогда стало понятно, что если летательному аппарату придать нужную для преодоления гравитации скорость и сохранять её достаточное время, он сможет выйти за пределы земной атмосферы и закрепиться на орбите, подобно Луне, вращаясь вокруг Земли. Загвоздка была в двигателях. Существующие на тот момент экземпляры либо чрезвычайно мощно, но кратко «плевались» выбросами энергии, либо работали по принципу «ахнет, хряснет и пойдёт себе помаленьку». Первое больше подходило для бомб, второе — для телег. Вдобавок регулировать вектор тяги и тем самым влиять на траекторию движения аппарата было невозможно: вертикальный старт неизбежно вёл к её закруглению, и тело в результате валилось на землю, так и не достигнув космоса; горизонтальный же при таком выделении энергии грозил уничтожить вокруг всё живое (как если бы нынешнюю баллистическую ракету запустили плашмя). Наконец, в начале 20 века исследователи обратили внимание на ракетный двигатель, принцип действия которого был известен человечеству ещё с рубежа нашей эры: топливо сгорает в корпусе ракеты, одновременно облегчая её массу, а выделяемая энергия двигает ракету вперёд. Первую ракету, способную вывести объект за пределы земного притяжения, спроектировал Циолковский в 1903 году.

Первый искусственный спутник

Время шло, и хотя две мировые войны сильно замедлили процесс создания ракет для мирного использования, космический прогресс всё же не стоял на месте. Ключевой момент послевоенного времени — принятие так называемой пакетной схемы расположения ракет, применяемой в космонавтике и поныне. Её суть — в одновременном использовании нескольких ракет, размещённых симметрично по отношению к центру массы тела, которое требуется вывести на орбиту Земли. Таким образом обеспечивается мощная, устойчивая и равномерная тяга, достаточная, чтобы объект двигался с постоянной скоростью 7,9 км/с, необходимой для преодоления земного тяготения. И вот 4 октября 1957 года началась новая, а точнее первая, эра в освоении космоса — запуск первого искусственного спутника Земли, как всё гениальное названного просто «Спутник-1», с помощью ракеты Р-7, спроектированной под руководством Сергея Королёва. Силуэт Р-7, прародительницы всех последующих космических ракет, и сегодня узнаваем в суперсовременной ракете-носителе «Союз», успешно отправляющей на орбиту «грузовики» и «легковушки» с космонавтами и туристами на борту — те же четыре «ноги» пакетной схемы и красные сопла. Первый спутник был микроскопическим, чуть более полуметра в диаметре и весил всего 83 кг. Полный виток вокруг Земли он совершал за 96 минут. «Звёздная жизнь» железного пионера космонавтики продлилась три месяца, но за этот период он прошёл фантастический путь в 60 миллионов км!

Предыдущая фотография 1/1

Первые живые существа на орбите

Успех первого запуска окрылял конструкторов, и перспектива отправить в космос живое существо и вернуть его целым и невредимым уже не казалась неосуществимой. Всего через месяц после запуска «Спутника-1» на борту второго искусственного спутника Земли на орбиту отправилось первое животное — собака Лайка. Цель у неё была почётная, но грустная — проверить выживаемость живых существ в условиях космического полёта. Более того, возвращение собаки не планировалось… Запуск и вывод спутника на орбиту прошли успешно, но после четырёх витков вокруг Земли из-за ошибки в расчётах температура внутри аппарата чрезмерно поднялась, и Лайка погибла. Сам же спутник вращался в космосе ещё 5 месяцев, а затем потерял скорость и сгорел в плотных слоях атмосферы. Первыми лохматыми космонавтами, по возвращении приветствовавшими своих «отправителей» радостным лаем, стали хрестоматийные Белка и Стрелка, отправившиеся покорять небесные просторы на пятом спутнике в августе 1960 г. Их полёт длился чуть более суток, и за это время собаки успели облететь планету 17 раз. Всё это время за ними наблюдали с экранов мониторов в Центре управления полётами — кстати, именно по причине контрастности были выбраны белые собаки — ведь изображение тогда было чёрно-белым. По итогам запуска также был доработан и окончательно утверждён сам космический корабль — всего через 8 месяцев в аналогичном аппарате в космос отправится первый человек.

Помимо собак и до, и после 1961 г в космосе побывали обезьяны (макаки, беличьи обезьяны и шимпанзе), кошки, черепахи, а также всякая мелочь – мухи, жуки и т. д.

В этот же период СССР запустил первый искусственный спутник Солнца, станция «Луна-2» сумела мягко прилуниться на поверхность планеты, а также были получены первые фотографии невидимой с Земли стороны Луны.

День 12 апреля 1961 г. разделил историю освоения космических далей на два периода — «когда человек мечтал о звёздах» и «с тех пор, как человек покорил космос».

Человек в космосе

День 12 апреля 1961 г. разделил историю освоения космических далей на два периода — «когда человек мечтал о звёздах» и «с тех пор, как человек покорил космос». В 9:07 по московскому времени со стартовой площадки № 1 космодрома Байконур был запущен космический корабль «Восток-1» с первым в мире космонавтом на борту — Юрием Гагариным. Совершив один виток вокруг Земли и проделав путь в 41 тыс. км, спустя 90 минут после старта, Гагарин приземлился под Саратовом, став на долгие годы самым знаменитым, почитаемым и любимым человеком планеты. Его «поехали!» и «всё видно очень ясно — космос чёрный — земля голубая» вошли в список наиболее известных фраз человечества, его открытая улыбка, непринуждённость и радушие растопили сердца людей по всему миру. Первый полёт человека в космос управлялся с Земли, сам Гагарин являлся скорее пассажиром, хотя и великолепно подготовленным. Нужно отметить, что условия полёта были далеки от тех, что предлагаются ныне космическим туристам: Гагарин испытывал восьми-десятикратные перегрузки, был период, когда корабль буквально кувыркался, а за иллюминаторами горела обшивка и плавился металл. В течение полёта произошло несколько сбоев в различных системах корабля, но к счастью, космонавт не пострадал.

С тех пор каждое 12 апреля мы отмечаем День космонавтики.

Вслед за полётом Гагарина знаменательные вехи в истории освоения космоса посыпались одна за другой: был совершён первый в мире групповой космический полёт, затем в космос отправилась первая женщина-космонавт Валентина Терешкова (1963 г), состоялся полёт первого многоместного космического корабля, Алексей Леонов стал первым человеком, совершившим выход в открытый космос (1965 г) — и все эти грандиозные события — целиком заслуга отечественной космонавтики. Наконец, 21 июля 1969 г состоялась первая высадка человека на Луну: американец Нил Армстронг сделал тот самый «маленький-большой шаг».

Космонавтика — сегодня, завтра и всегда

Сегодня путешествия в космос воспринимаются как нечто само собой разумеющееся. Над нами летают сотни спутников и тысячи прочих нужных и бесполезных объектов, за секунды до восхода солнца из окна спальни можно увидеть вспыхнувшие в ещё невидимых с земли лучах плоскости солнечных батарей Международной космической станции, космические туристы с завидной регулярностью отправляются «бороздить просторы» (тем самым воплощая в реальность ерническую фразу «если очень захотеть, можно в космос полететь») и вот-вот начнётся эра коммерческих суборбитальных полётов с чуть ли не двумя отправлениями ежедневно. Освоение космоса управляемыми аппаратами и вовсе поражает всякое воображение: тут и снимки давно взорвавшихся звёзд, и HD-изображения дальних галактик, и веские доказательства возможности существования жизни на других планетах. Корпорации-миллиардеры уже согласовывают планы по строительству на орбите Земли космических отелей, да и проекты колонизации соседних нам планет давно не кажутся отрывком из романов Азимова или Кларка. Очевидно одно: однажды преодолев земное тяготение, человечество будет вновь и вновь стремиться ввысь, к бесконечным мирам звёзд, галактик и вселенных. Хочется пожелать только, чтобы нас никогда не покидала красота ночного неба и мириадов мерцающих звёзд, по-прежнему манящих, таинственных и прекрасных, как в первые дни творения.

<strong>МОСКВА, 30 июл — РИА Новости.</strong> Американские ученые с помощью математических инструментов описали неоднородности реликтового космического излучения, возникшего непосредственно после зарождения Вселенной. Авторы считают, что их результаты подтверждают правильность гипотезы Большого отскока, согласно которой возникновение нашей Вселенной стало результатом распада некой «предыдущей» вселенной. Результаты <a href=»https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.051302″ target=»_blank» rel=»nofollow noopener»>опубликованы</a> в журнале Physical Review Letters.В то время как теория общей относительности <a href=»http://ria.ru/person_Albert_EHjjnshtejjn/» target=»_blank» data-auto=»true»>Эйнштейна</a> объясняет широкий спектр астрофизических и космологических явлений, некоторые свойства Вселенной остаются загадкой. В частности, она не может объяснить неравномерность распределения в пространстве галактик и темной материи. Сотрудники Университета штата <a href=»http://ria.ru/location_CommonwealthofPennsylvania/» target=»_blank» data-auto=»true»>Пенсильвания</a> начиная с 1980-х годов разрабатывают космологическую парадигму, основанную на представлении о петлевой квантовой гравитации. Эта парадигма, получившая название петлевой квантовой космологии, описывает все современные крупные структуры во Вселенной как квантовые флуктуации пространства-времени, имевшие место при рождении мира.Согласно общепринятой теории Большого взрыва, все началось с сингулярности — состояния, в котором вся материя и энергия были сжаты в одну точку. Затем, в первые доли секунды, в период, называемый инфляцией, космос раздулся до огромных размеров. Но теория Большого взрыва не объясняет, что было до сингулярности, поэтому это состояние невозможно описать с точки зрения законов физики и математики.Ученые из Университета штата Пенсильвания придерживаются альтернативной гипотезы Большого отскока, согласно которой текущая расширяющаяся Вселенная возникла из сверхсжатой массы вселенной предыдущей фазы. Для описания этого состояния они используют универсальный математический аппарат, объединяющий квантовую механику и теорию относительности. Происхождение структуры Вселенной авторы прослеживают до мельчайших неоднородностей, фиксируемых на фоне сверхвысокочастотного реликтового космического излучения, которое было испущено, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет. Но само это излучение обладает тремя загадочными аномалиями, которые трудно объяснить с помощью классической физики. Эти отклонения настолько серьезные, что многие физики начали говорить о кризисе в космологии. В новом исследовании ученые доказывают, что с точки зрения петлевой квантовой космологии описание инфляции устраняет две основные аномалии в распределении реликтового излучения.»Используя космологию квантовой петли, мы естественным образом разрешили две из этих аномалий, что позволяет избежать потенциального кризиса, — приводятся в пресс-релизе университета слова одного из авторов исследования Чон Дон Хи (Donghui Jeong), доцента кафедры астрономии и астрофизики. — Присутствие этих аномалий говорит о том, что мы живем в исключительной Вселенной».Авторы считают, что неоднородности реликтового излучения являются результатом неизбежных квантовых флуктуаций в ранней Вселенной. Во время ускоренной фазы расширения — инфляции — эти изначально крошечные флуктуации растягивались под воздействием силы тяжести, отражаясь в наблюдаемых неоднородностях.»Стандартная инфляционная парадигма, основанная на общей теории относительности, рассматривает пространство-время как гладкий континуум, — говорит первый автор работы, профессор Абхай Аштекар (Abhay Ashtekar), директор Института гравитации и космоса штата Пенсильвания. — Ткань рубашки тоже выглядит как двухмерная поверхность, но при ближайшем рассмотрении вы можете увидеть, что она соткана из плотно упакованных одномерных нитей. Так и в ткань пространства-времени вплетены квантовые нити. Учитывая эти нити, петлевая квантовая космология позволяет нам выйти за пределы континуума, описываемого общей теорией относительности». Ученые надеются, что новые спутниковые миссии, такие как LiteBIRD и Cosmic Origins Explorer, нацеленные на обнаружение следов первичных гравитационных волн на фоне реликтового излучения, подтвердят их выводы.

Смирнов О.Г., кандидат технических наук

ВСЕЛЕННАЯ РАСШИРЯЕТСЯ И СЖИМАЕТСЯ ОДНОВРЕМЕННО

Современная наука опирается на теорию (1922) расширяющейся Вселенной А.А. Фридмана и на открытие (1929) этого расширения Э. Хабблом. Более того, факт расширения Вселенной является «твердо установленным» . Считается, что в объеме радиусом >100Мпк плотность, давление и температура распределены однородно и изотропно.

В 1929г. Э. Хаббл установил закон, выражающий линейную связь скорости «разбегания» галактик в зависимости от расстояния до них. Именно «разбегание» галактик является основным доводом расширения Вселенной. Следствием из этого явилась гипотеза о «рождении» Вселенной «из ничего» (из точки, неизвестно какой и где расположенной) как результат «Большого взрыва».

Дальнейшие наблюдения привели к противоречиям. Появилась «темная материя» (неизвестная в природе), а открытие ускорения «разбегания» галактик стали объяснять наличием «темной энергии». Совсем недавно ученые из центра космических полетов (США, штат Мэриленд), наблюдая поведение сотен групп галактик, вычислили, что все они движутся с большими скоростями в направлении некоего центра, расположенного между созвездиями Центавра и Паруса за пределами наблюдаемой Вселенной. Но астрофизики США объяснить это не смогли и появилось «темное течение».

Отметим, что «разбегание» еще не означает «расширение». Например, наблюдая за планетами Солнечной системы во время великого противостояния, легко заметить, что расстояние от Земли до всех других планет будет некоторое время увеличиваться, так как орбитальные скорости планет, удаленных от Солнца дальше чем Земля, будут меньше орбитальной скорости Земли, а у планет, расположенных ближе к Солнцу, орбитальные скорости будут больше. Имеет место частный случай «разбегания» планет. Или еще один простой пример. Откройте слегка водопроводный кран. Расстояние между каплями будет увеличиваться (капли будут «разбегаться»). Но ведь это аналог сжатия, а не расширения, если капли рассматривать как галактики, движущиеся в направлении единого центра. Сразу снимается проблема «темного течения» и «темной энергии». Решение проблемы «темной материи» содержится в .

Таким образом, все наблюдательные открытия свидетельствуют о сжатии Вселенной. По крайней мере, если речь идет о движении скоплений галактик (внутри скоплений возможно и удаление, и сближение галактик) .

«Рождение» Вселенной, в соответствии с законом Э. Хаббла, произошло примерно 14 миллиардов лет назад. Но сторонники «рождения» затрудняются решить еще одну проблему. За 14 миллиардов лет галактики не могли успеть образоваться в современном виде(!).

Гипотезу «Большого взрыва» связывают с именем Г. Гамова, который в пятидесятые годы двадцатого столетия предложил идею горячей Вселенной.

В 1965г.радиоинженеры А. Пензиас и Р. Вильсон, работая над настройкой нового радиометра для спутниковой связи, открыли «космическое микроволновое фоновое излучение» (в русскоязычной литературе астрофизик И. С. Шкловский ввел термин «реликтовое излучение» или «остаточное», отделившееся от вещества в ранней Вселенной). В 1978г. А. Пензиас и Р. Вильсон за свое открытие получили Нобелевскую премию. Это открытие трактуется как доказательство «Большого взрыва». Однако имеется другая точка зрения , согласно которой микроволновое фоновое излучение является следствием расслоения потока частиц света идущих от далеких звезд мимо массивных объектов. Большая часть частиц в области инфра-

красного излучения рассеивается и приходит к нам со всех сторон в виде фонового излучения.

Энциклопедические справочники приписывают Вселенной весь материальный мир и с этим можно согласиться. Если хотя бы одна мельчайшая частица (включая частицу света) находится на условной границе Вселенной, то это и есть ее размеры. Включать в состав Вселенной пустое пространство вряд ли есть смысл. Иначе говоря, Вселенная не выпускает ни одну частицу. Такие предпосылки позволяют определить размеры Вселенной в современную эпоху .

Все вещество во Вселенной находится в постоянном движении. Взрывные процессы в районе некоторого центра заставляют двигаться частицы в сторону условной границы Вселенной с замедлением. При любой начальной скорости частицы остановятся через опреде-

_27 3

ленное время . Например, если принять плотность вещества Вселенной кг/м , то

это время окажется равным 93 миллиардам лет. Различие будет только в пройденном расстоянии (в зависимости от начальной скорости). После чего начнется движение обратно.

Уменьшение скорости движения частиц приводит и к снижению абсолютной температуры, а затем к укрупнению частиц и образованию новых космических объектов (в том числе галактик и их скоплений), которые будут двигаться в направлении начала движения, но уже с ускорением.

Взрывные процессы происходят в любой точке Вселенной практически непрерывно. Но и образование новых космических объектов происходит также непрерывно в пределах определенных границ. Движение частиц к условным границам Вселенной можно трактовать как расширение Вселенной, а обратное движение в виде новых космических объектов надо рассматривать как сжатие Вселенной. Таким образом Вселенная расширяется (движение частиц) и сжимается (движение скоплений галактик) одновременно.

В приведены подробные расчеты хорошо согласующиеся с последними наблюдениями за сверхновыми звездами, расстояние до которых достигает 800Мпк. Расчеты очень простые, в рамках классической физики. В рассмотренной модели Вселенной нет необходимости вводить понятия «темной материи», «темной энергии» и «темного течения», которые современная космология была вынуждена ввести в качестве научных (?!) терминов. А все дело в том, что гипотеза «Большого взрыва» зашла в тупик и это понимает все большее количество ученых, стоящих на реальных позициях. Лихорадочные попытки выйти из тупика с помощью «Большого адронного коллайдера» скорее всего обречены на неудачу.

Отметим, что закон Э.Хаббла отражает не расширение Вселенной (движение частиц после взрыва), а сжатие (движение скоплений галактик). Поэтому время ~ 14 миллиардов лет прошло не от «рождения Вселенной», а от начала сжатия.

93+14 миллиардов лет вполне достаточно для образования галактик и звезд. Перечисленное позволяет снять основные проблемы, накопившиеся в науке о Вселенной.

ЛИТЕРАТУРА

1. Астрономия: век XXI / Ред.- сост. В.Г. Сурдин. — Фрязино: «Век-2», 2008. — 2-е изд., испр. и доп.

2. Смирнов О.Г. Вселенная, физика и «глобальная энергия» — М.: Изд. «Спутник +», 2009.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Согласно общепринятой теории Большого взрыва, Вселенная началась с сингулярности — состояния, в котором вся материя и энергия были сжаты в одну точку. Затем космос расширился до огромных размеров. Но теория Большого взрыва не объясняет, что было до сингулярности, поэтому это состояние невозможно описать с точки зрения законов физики и математики.

Ученые из Университета штата Пенсильвания придерживаются другой точки зрения: гипотезы Большого отскока, согласно которой наша расширяющаяся Вселенная возникла из сверхсжатой массы вселенной предыдущей фазы. Для описания этого состояния они используют универсальный математический аппарат, объединяющий квантовую механику и теорию относительности.

В новом исследовании ученые доказывают, что с точки зрения петлевой квантовой космологии описание инфляции устраняет две основные аномалии в распределении реликтового излучения.

Используя космологию квантовой петли, мы естественным образом разрешили две из этих аномалий, что позволяет избежать потенциального кризиса. Присутствие этих аномалий говорит о том, что мы живем в исключительной Вселенной.

Донхуи Чжон, автор исследования

Авторы считают, что неоднородности реликтового излучения являются результатом неизбежных квантовых флуктуаций в ранней Вселенной. Во время ускоренной фазы расширения, про которую мы уже упоминали, эти изначально крошечные флуктуации растягивались под воздействием силы тяжести, отражаясь в наблюдаемых неоднородностях.

Выводы американских ученых могут подтвердить или опровергнуть новые спутниковые миссии, такие как LiteBIRD и Cosmic Origins Explorer: они нацелены на обнаружение следов первичных гравитационных волн на фоне реликтового излучения.

Читать также

Вакцина, учебный год и сезон простуд. Рассказываем главное из совещания президента

Самый важный орган: как обследуют сегодня печень и почему биопсия устарела

Исследование: в квантовой модели эффекта бабочки не существует

[ad01]

Рубрики: Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *