A. Kritsuk et al. / Phys. Rev. Lett.

Физики из США и России численно смоделировали эволюцию межзвездной пыли под действием магнитных полей и рассчитали поляризацию излучаемых ей электромагнитных волн. Как и ожидалось, найденный спектр и отношение амплитуд E-мод и B-мод совпадают с наблюдениями обсерватории «Планк», измерявшей в 2009–2013 годах спектр реликтового излучения. Тем не менее, благодаря проработанности модели ученым удалось заметить новые эффекты — например, увидеть, что отношение амплитуд мод зависит от угла между средним магнитным полем пыли и направлением наблюдений. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Реликтовое микроволновое излучение — это самая далекая наблюдаемая с Земли структура, а потому оно является хорошим источником информации о ранних этапах жизни Вселенной. Это излучение возникло примерно через 400 тысяч лет после Большого взрыва, когда заполнявшие объем Вселенной электроны, протоны и альфа-частицы стали соединяться в атомы водорода и гелия (этот процесс называется рекомбинацией), а фотоны практически перестали поглощаться средой и смогли свободно «путешествовать» по пространству. Из-за неоднородности Вселенной реликтовое излучение получилось неравномерным — фотоны, приходящие из более горячих областей, в среднем имеют чуть большую энергию, чем фотоны из холодных областей. Правда, разница эта сравнительно невелика — порядка 0,02 кельвина при средней температуре излучения около 2,7 кельвинов. В рамках теории инфляции, которая в настоящее время принята большинством космологов, неоднородность Вселенной объясняется «раздутием» квантовых флуктуаций во время ее расширения. Подробнее про этот процесс можно прочитать в нашем материале «Инфляция космических масштабов».

Колебания температуры реликтового излучения, измеренные спутником WMAP

NASA / WMAP Science Team

Поделиться

Кроме того, из-за комптоновского рассеяния фотонов на атомах движущейся среды реликтовое излучение оказалось поляризовано — колебания векторов электрического и магнитного поля приобрели выделенные направления, которые меняются от точки к точке. Получившееся в итоге векторное поле можно схематически представить, отмечая стрелкой направление и величину вектора поляризации в каждой точке неба или рисуя силовые линии — кривые, которые касаются направлений в каждой своей точке.

Наряду с неоднородностями вещества, теория инфляции предсказывает, что в молодой Вселенной должны возникать реликтовые гравитационные волны. Когда эти волны распространяются в среде, они ускоряют и замедляют ее атомы — а в результате комптоновского рассеяния фотоны реликтового излучения «чувствуют» это движение, и поляризационная картина изменяется. Когда гравитационных волн нет, поле поляризации напоминает электрическое — другими словами, его можно представить как результат статического распределения зарядов. Такой тип поля называют E-модой. В противном случае на картину накладываются B-моды — векторные поля, совпадающие с магнитным полем некоторой системы постоянных токов. Сравнивая величину B-мод и E-мод, наблюдаемых в реликтовом излучении, можно проверить этот эффект и подтвердить теорию инфляции. Подробнее про измерение амплитуды B-мод можно прочитать в статье «Реликтовые гравитационные волны: последний штрих в картине происхождения Вселенной?».

Тем не менее, такие измерения надо проводить очень осторожно, поскольку на реликтовое излучение может накладываться излучение, которое рождается в совершенно других процессах и напоминает искомые B-моды. Дополнительно осложняет ситуацию тот факт, что амплитуда B-мод очень мала, и зарегистрировать их сложно. Впервые о регистрации B-мод заявила в 2014 году группа BICEP2 — однако последовавшие наблюдения спутника «Планк», имеющие более высокую точность и выполненные в другом диапазоне частот, показали, что сигнал можно практически полностью списать на излучение межзвездной пыли, которое имеет такую же поляризацию. Несмотря на то, что астрономы выбрали сравнительно «чистый» участок неба, даже небольшого количества хватило для «засветки» данных. Чтобы убрать эту «засветку», надо, во-первых, более точно измерить спектр микроволнового излучения, а во-вторых, разработать теоретическую модель, которая будет давать правильные предсказания для сигнала пыли. И хотя в ближайшее десятилетие чувствительность экспериментов должна вырасти примерно в сто раз, существующие модели не позволяют точно оценить вклад пыли в B-моды.

В новой статье физики Алексей Крицук (Alexei Kritsuk), Рафаэль Флогер (Raphael Flauger), и Сергей Устюгов (Sergey Ustyugov) представили результаты численного моделирования, которые согласуются с результатами наблюдений BICEP2 и «Планк» и позволяют подробно проследить, как спектр излучения пыли меняется со временем. В отличие от предыдущих работ, ученые не использовали феноменологические модели и не делали приближений, касающихся состояния пыли, но работали напрямую с уравнениями магнитной гидродинамики (magnetohydrodynamics, MHD), допускающими существование горячей нестабильной плазмы (на которую приходится более 90 процентов объема) наряду с холодным и молекулярным газом (составляющими около половины массы пыли).

Разработанная физиками программа имитировала состояние межзвездной среды в окрестностях солнечной системы и уже использовалась авторами ранее для исследования межзвездных турбулентностей. На этот раз исследователи смоделировали эволюцию пыли, помещенной в куб со стороной 200 парсек, в течение 30 миллиардов лет, и рассчитали зависимости для плотности, скорости, давления и вектора магнитной индукции. Затем ученые связали найденные параметры с интенсивностью электромагнитных волн, излучаемых пылью, а также рассчитали для них параметры Стокса. Наконец, зная эти параметры, исследователи нашли направление и величину вектора поляризации в каждой точке рассматриваемого объема, построили карту поляризации и вычислили спектр возникающих E-мод и B-мод.

Пример поляризационной картины в плоскости, параллельной средней напряженности магнитного поля

A. Kritsuk et al. / Phys. Rev. Lett.

Поделиться

Пример поляризационной картины в плоскости, перпендикулярной средней напряженности магнитного поля

A. Kritsuk et al. / Phys. Rev. Lett.

Поделиться

В результате ученые обнаружили, что рассчитанный и измеренный обсерваторией «Планк» спектр, а также отношение амплитуд мод совпадают в широком диапазоне частот. В то же время, моделирование выявило некоторые тонкие детали, которые нельзя было заметить напрямую. Например, оказалось, что видимое отношение амплитуд E/B зависит от того, с какой стороны наблюдатель смотрит на газ: в плоскости, перпендикулярной оси среднего магнитного поля E/B ≈ 1,7, а в параллельной плоскости E/B ≈ 1,9. При уменьшении напряженности поля эта разница сглаживается. Измерения спутника «Планк» дают значение E/B ≈ 1,92. Правда, пока еще нельзя с уверенностью сказать, как направлено поле в исследованной области — для надежности нужно собрать данные в более широком диапазоне частот, чтобы заметить, как отношение уменьшается на более широких частотах, и подтвердить, что статистически значимое отклонение действительно есть.

Частотная зависимость амплитуды B-мод (сверху) и отношения E/B (снизу). Случай более сильного магнитного поля. Данные спутника «Планк» отмечены пунктирной линией

A. Kritsuk et al. / Phys. Rev. Lett.

Поделиться

Частотная зависимость амплитуды B-мод (сверху) и отношения E/B (снизу). Случай более слабого магнитного поля. Данные спутника «Планк» отмечены пунктирной линией

A. Kritsuk et al. / Phys. Rev. Lett.

Поделиться

Авторы статьи надеются, что результаты их трехмерного моделирования помогут в будущем построить более точную теоретическую модель, выделяя наиболее важные вклады в поляризацию излучения межзвездной пыли. Кроме того, эта работа показывает, как информацию о состоянии межзвездной пыли, которая практически невидима для телескопов, можно получить с помощью измерений микроволнового фона.

Как и все взаимодействия, теоретически гравитацию можно проквантовать, и тогда распространение гравитационных волн и притяжение тел будет описываться с помощью гравитонов — гипотетических частиц со спином, равном двойке (то есть это тензорные частицы). Число этих частиц, родившихся во время Большого взрыва и заполняющих наблюдаемую Вселенную, можно оценить по величине тензорных возмущений (B-мод) в реликтовом излучении — например, по расчетам физика-теоретика Дона Пейджа в видимой Вселенной может находиться до 10112 гравитонов, что на двадцать порядков больше числа «обычных» частиц. Правда, в своих расчетах физик использовал результаты спутника «Планк», ограничивающие отношение амплитуд тензорных и скалярных возмущений во время инфляции величиной r < 0,1. Эта величина вычисляется по флуктуациям спектра реликтового излучения, а не по его поляризации; тем не менее, результаты новой статьи независимо показывают, что эта оценка, а вместе с ней и число гравитонов, могут быть завышены. Кроме того, нужно помнить, что теорию квантовой гравитации до сих пор так и не построили, а экспериментальное подтверждение существования гравитонов ученые пока не нашли.

Дмитрий Трунин

«CMB» перенаправляется сюда. Для использования в других целях, см CMB (значения) .

Часть серии по

Физическая космология

  • Большой взрыв · Вселенная
  • Возраст вселенной
  • Хронология Вселенной

  • Категория
  • Астрономический портал

Реликтовые ( С, CMBR ), в Большом взрыве космологии, это электромагнитное излучение , как остаток от ранней стадии Вселенной, также известной как «реликтовое излучение». CMB — это слабое космическое фоновое излучение, заполняющее все пространство. Это важный источник данных о ранней Вселенной, потому что это самое древнее электромагнитное излучение во Вселенной, относящееся к эпохе рекомбинации . В традиционном оптическом телескопе пространство между звездами и галактиками ( фон ) полностью темное. Однако достаточно чувствительный радиотелескоп показывает слабый фоновый шум или свечение, почти изотропное , которое не связано с какой-либо звездой, галактикой или другим объектом. Это свечение наиболее сильно в микроволновом диапазоне радиоспектра. Случайное открытие реликтового излучения в 1965 году американскими радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном стало кульминацией работы, начатой ​​в 1940-х годах, и принесло первооткрывателям Нобелевскую премию по физике 1978 года .

CMB — знаковое свидетельство происхождения Вселенной в результате Большого взрыва . Когда Вселенная была молодой, до образования звезд и планет, она была плотнее, намного горячее и наполнялась однородным свечением раскаленного добела тумана водородной плазмы . По мере того как Вселенная расширялась, и плазма, и заполняющее ее излучение становились все холоднее. Когда Вселенная достаточно остыла, протоны и электроны объединились, чтобы сформировать нейтральные атомы водорода. В отличие от несвязанных протонов и электронов, эти недавно задуманные атомы не могли рассеивать тепловое излучение посредством томсоновского рассеяния , и поэтому Вселенная стала прозрачной, а не непрозрачным туманом. Космологи называют период времени, когда нейтральные атомы впервые сформировались, эпохой рекомбинации , а событие, произошедшее вскоре после этого, когда фотоны начали свободно перемещаться в космосе, а не постоянно рассеиваться электронами и протонами в плазме , называется разделением фотонов . Фотоны, которые существовали во время разделения фотонов, с тех пор распространяются, хотя становятся все слабее и менее энергичными , поскольку расширение пространства приводит к увеличению их длины волны со временем (а длина волны обратно пропорциональна энергии согласно соотношению Планка ). Это источник альтернативного термина реликтового излучения . Поверхность последнего рассеяния относится к множеству точек в пространстве на нужном расстоянии от нас , так что мы теперь получаем фотоны первоначально испускаемые от тех точек , в то время фотонной развязки.

Ученые Казанского федерального университета задались целью – создать не имеющий аналогов в мире приемно-измерительный комплекс, который позволит зарегистрировать колебания наномасштаба в спектре реликтового излучения.

Эти колебания получили название реликтовых рекомбинационных линий. Если удастся их зафиксировать, то появится возможность доказать, что первичная рекомбинация действительно была и теория горячего Большого взрыва получит ещё одно подтверждение. Несмотря на то, что эта теория считается общепринятой, неопровержимых «вещественных» доказательств первичной рекомбинации вещества еще никому найти не удавалось.

Изучив форму реликтовых рекомбинационных линий, их частоту, ширину, амплитуду, континуум, ученые смогут ответить на ряд космологических вопросов: сколько весит Вселенная, какая у нее кривизна… (на фото вверху – карта реликтового излучения, составленная по результатам сбора данных космической обсерваторией «Планк». Можно сказать, что это карта нашей Вселенной за 30 тыс. лет до того, как из плазмы начали формироваться первые атомы).

На данный момент в мире не существует радиоастрономических инструментов, которые могли бы быть использованы для поиска реликтовых рекомбинационных линий. Но это не является преградой для ученых. Казанский университет имеет большой опыт в разработке уникальных установок.

Олег Шерстюков, заведующий кафедрой радиофизики КФУ:

– Еще в 60-90-е годы сотрудниками Проблемной радиоастрономической лаборатория (ПРАЛ) Казанского университета были созданы метеорные комплексы для регистрации метеорных частиц. В частности, благодаря исследованиям ПРАЛ, удалось облегчить обшивку космической станции «Мир», так как было доказано, что метеорная опасность несколько преувеличена. В начале 90-х сотрудниками лаборатории был создан первый автоматический комплекс ионосферного зондирования «Циклон» для задач мониторинга ионосферы. Он в автоматическом режиме фиксировал ее параметры, на основе которых определялись частоты радиосвязи и параметры ионосферы, необходимые, например, для загоризонтной радиолокации. Использование метеорного радиоканала особенно важно в высоких широтах, где обычная коротковолновая радиосвязь неустойчивая. Оказалось, что имеется другое практическое применение этого метеорного радиоканала – синхронизация шкалы времени, которая позволяет синхронизировать наблюдения комплексами, разнесенными на тысячи километров, или, например, кораблям точно определять свое местонахождение. Еще 30 лет назад нашим коллективом были созданы системы, позволяющие обеспечивать синхронизацию шкал времени точнее, чем современные спутниковые системы! Удалось создать комплекс, который осуществляет синхронизацию до долей наносекунд теоретически и до единиц наносекунд экспериментально. Для сравнения – у GPS-ГЛОНАСС точность составляет 30-50 наносекунд. Также в качестве высокотехнологической разработки комплекса мониторинга средней атмосферы можно указать фазоугломерный комплекс «Спектр”, позволяющий контролировать волновую активность в ионосфере в области до 4000 километров.

Попробуем разобраться, что собой представляют эти загадочные рекомбинационные линии и почему их так трудно зафиксировать?Дело в том, что реликтовое излучение – это космическое микроволновое фоновое излучение, которое равномерно заполняет Вселенную. Возникло оно в эпоху первичной рекомбинации водорода. Сгусток сверхгорячей плазмы, образовавшейся в результате Большого взрыва, стал, расширяясь, остывать. При определенной температуре протоны и электроны плазмы начали рекомбинировать – объединяться в атомы водорода. В космологии про этот момент говорят, что произошло разделение излучения и вещества. Именно тогда возникло само реликтовое излучение, которое имеет идеальный чернотельный спектр. Кроме того, в процессе рекомбинации образовалась своеобразная «добавка» к реликтовому излучению, которая и должна формировать реликтовые рекомбинационные линии.Открытие в 1965 году реликтового излучения – одно из важнейших достижений естествознания 20 века. Это слабое излучение содержит огромную информацию о первых мгновениях существования Вселенной. А реликтовые рекомбинационные линии – микроскопическая «рябь» на фоне спектра реликтового излучения – самая важная его составляющая.

Владислав Столяров, ведущий научный сотрудник Специальной астрофизической обсерватории РАН, научный сотрудник НИЛ Исследований быстропеременных процессов во Вселенной КФУ и научный сотрудник Кембриджского университета:

– В Казанском университете мы собираемся реализовать проект по наблюдению реликтовой рекомбинации. Идея состоит в том, чтобы создать пилотную установку для спектральных измерений по большой полосе частот без потери мощности. Главная задача, которую необходимо решить на сегодняшний день, – найти способ регистрации реликтовых рекомбинационных линий, амплитуда колебания которых очень маленькая – порядка 10 нанокельвин. Дело в том, что они представляют собой очень слабые широкие спектральные детали на фоне космического излучения различной природы и помех искусственного происхождения в достаточно большом диапазоне частот – от 1,5 до 7 ГГц. К сожалению, частотный диапазон 1 – 10 ГГц активно используется в системах наземной связи, радарах, системах дистанционного зондирования. Даже такие обычные вещи, как сотовые телефоны и СВЧ-печи, создают большие помехи в низкочастотном диапазоне. Нужно будет решать, где разместить измерительный комплекс. Это должна быть отдаленная местность, где количество помех минимально. Рассматривается даже идея установить комплекс в Антарктиде. Принять участие в нашем проекте готовы группы ученых Санкт-Петербургского университета и Института прикладной астрономии РАН. Задача предстоит сложная. До нас еще никто не пробовал сделать подобную установку.

Справка

Реликтовое излучение случайно открыли американские радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон, целью которых было – зарегистрировать излучение нейтрального водорода. Однако ученым все время мешал работать микроволновой шум, источник которого они никак не могли определить. Только когда им удалось пообщаться с американским физиком Робертом Дикке, который занимался поисками реликтового излучения, стало понятно, что именно они обнаружили. В 1978 году Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию за свое открытие.

на фото: антенна, с помощью которой Пензиас и Уилсон открыли реликтовое излучение

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 >>

[ad01]

Рубрики: Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *