про расширение Вселенной или почему сейчас лучшее время, чтобы быть астрономом
Посвящается девушке, которая всегда сбивает меня с толку вопросами типа: "А сколько всего вселенных?"
Люди всегда смотрели в небо и пытались про него что-нибудь понять. Современным астрономам повезло больше всех, с одной стороны благодаря более "умным" телескопам, с другой - благодаря теориям и догадкам ученых прошлых лет. Паззл наконец складывается в красивую картинку. Впрочем, вопрос: "Что мы [люди] тут делаем?" ничего более вразумительного чем ответ: "Ну, так получилось" *и пожимания плечами* не получил.
Однажды темной-темной ночью...
История открытия расширения Вселенной вполне себе мистическая и полна таинственных совпадений.
Как любая уважающая себя мистическая история, она начинается темной ночью.
Ночами в конце 20х годов некто по имени Эдвин Хаббл сидел в Маунт-Вилсон у передового телескопа тех лет.
Позже именем Хаббла назовут другой передовой телескоп, который будет уже не стоять на Земле, а бороздить космические просторы. Но пока даже сам Эдвин об этом не догадывается и вот почему. Хаббл измерял скорость движения галактик в зависимости от расстояния. Его самый монументальный труд, укладывается в один график и выглядит он так:
По оси х, здесь отложено расстояние от нас до галактики, а по оси у - скорость с которой она от нас улетает. Чем дальше галактика, тем быстрее она "убегает".
То есть расстояние между галактиками увеличивается, а вселенная расширяется. Это сенсация, господа! Всем шампанского, а Хабблу - нобелевскую премию.
Пуп Земли Центр Вселенной!
Прежде чем продолжить, давайте отвлечемся на минутку и подумаем вот на какую тему. Все галактики улетают от нас. Получается, что наша галактика - центр Вселенной?
Ответ: "Неа!"
Проиллюстрировать его можно на примере [который любит показывать Lawrence Krauss в своих лекциях]
Представим себе двухмерную Вселенную с галактиками, которые для простоты расположены в решетку с равным расстоянием:
В момент t1 [белые кружочки] расстояние одно, а в момент t2 [синие кружочки] - в два раза больше.
Выберем галактику-наблюдателя и пометим его белым среди синих кружков:
А теперь наложим картинку во время t2 с картинкой во время t1 в том месте, где находится наш наблюдатель и проследим что он видит: [для простоты отслеживания я обвела один ряд]
Он видит, что галактики от него удаляются, причем чем дальше была галактика, тем дальше она "убежала". Но фокус в том, что наблюдателя мы выбрали случайным образом и возьми мы любую другую галактику - она бы "видела" тоже самое. В общем, сорри, на гордое звание центра Вселенной мы претендовать не можем.
Шеф, кажется у нас проблема.
У Хаббла были серьезные проблемы с его графиком. По данным получалось, что возраст Вселенной ~1.5 млрд. лет, а к тому времени было известно, что планете Земля гораздо больше лет и было как-то странно, что Земля старше Вселенной.
Да бы не грузить твой мозг, мой пытливый читатель, сообщу без множества технических подробностей: проблема была в измерении расстояний между галактиками. Что отнюдь не является легкой задачей, ведь летать между галактиками с длиннющей линейкой мы не умеем даже сейчас.
Позднее метод измерения расстояний до таких далеких объектов был улучшен, выяснилось, что данные Хаббла были неточными всего в 10 раз. И Эдвин таки получил свою нобелевскую премию, а человечество - постоянную и телескоп имени Хаббла.
Информация для любителей цифр: возраст Вселенной измерен очень точно и сейчас составляет 13.72 млрд. лет.
Учёные - любопытные зверки и им интересно сколько весит Вселенная, какой она формы и т.д.
И это любопытство всегда приводит к новым проблемам и вопросам еще до того, как будет найдет ответ на первоначальный вопрос.
Например при измерении "веса" Вселенной выяснилось, что материя к которой мы так привыкли, т.е атомы, протоны и пр. - далеко не основное вещество, а составляет всего 5 %. А еще есть какая-то материя, которую мы не видим. Её назвали по-простому Тёмная Материя [её где-то 25%].
Темная Материя способна собираться в сгустки, галактики и скопления галактик. Вот только она не светится, потому и не видна в наши телескопы. Однако она обладает гравитацией и наравне с материей обычной может образовывать интересные штуки, которые называются гравитационными линзами.
В воображаемом эксперименте можно себе это представить так: есть источник света, невидимое массивное тело перед ним и далеко-далеко наблюдатель. Из-за этого массивного тела, свет будет преломляться и наблюдатель будет видеть картинку совсем не похожую на источник. Однако, если наблюдатель достаточно прозорлив и более или менее знаком с источником, по картине, которую он видит, он сможет узнать кое-что о массивном теле.
В реальности картинки от гравитационных линз выглядят так:
Желтым тут светятся галактики из обычного вещества, а синие пятна - это свет от далекой галактики, преломленный гравитационной линзой из темной материи.
Такой вот научный абстракционизм.
Поиски частиц, которые составляют эту самую темную материю сейчас одна из самых бурно развивающихся как в экспериментальном, так и теоретическом плане область физики элементарных частиц\космологии, но об этом как-нибудь в другой раз.
"Взвешивание" Вселенной помогает ответить на более важный вопрос: "А какова геометрия Вселенной?"
Она может быть плоской, выпуклой и вогнутой [всё это в трехмерном смысле, лучше не пытаться представлять].
У плоской формы есть неоспоримый плюс. Только она могла возникнуть из ничего и образоваться благодаря квантовым флуктуациям. [не обращайте внимания на этот аргумент, если вы не понимаете его смысла]
Запомни дорогой читатель, знание геометрии Вселенной автоматически дает ответы на вопросы:
"Как всё это началось?" и "Чем всё это кончится?", т.е о "рождении" и "смерти" Вселенной.
Результаты "взвешивания" материи (как обычной, так и темной) больше свидетельствуют в пользу кривой Вселенной и это выглядит сомнительным. Поэтому был найден другой способ измерения кривизны. И как все хорошие способы, он был найден совершенно случайно.
И спасибо всем тем, кто мигал дальним светом
Теория Большого Взрыва [не сериал!] гласит, что в самом начале Вселенная была горячей плазмой.
Фотоны, электроны и барионы жили дружно [барионы можно представлять себе как протоны, т.е. такие большие шары в модели атома, электроны - шариками поменьше, ну а фотоны эдакими световыми нитками]. Жили они дружно и температура у них была одинаковая. Вселенная тем временем расширялась, плазма, т.е каша из знакомых нам электронов, фотонов и барионов, остывала и где-то через 400 тыс. лет электроны с протонами объединились в атомы и перестали общаться с фотонами.
Эти фотоны с тех пор ни с кем не общаются и летят себе свободно в пространстве. Называются они реликтовым излучением и это самое "старое" излучение из тех, что мы можем видеть с момента Большого Взрыва. Сфера, соответствующая моменту когда образовались атомы и фотоны перестали взаимодействовать с веществом, называется поверхностью последнего рассеяния.
Это очень слабенькое излучение [всё-таки миллиарды лет прошло и Вселенная продолжала расширяться всё это время], но примечательно в нем то, что оно летит буквально со всех сторон поверхности последнего рассеяния.
Хитрые ученные очень быстро придумали как использовать его в своих корыстных целях измерения кривизны Вселенной.
Нужно с одной стороны хорошо померить реликтовое излучение, а с другой - загнать в компьютер возможные модели геометрии Вселенной [благо их всего три]. Дальше - дело техники, проводим моделирование поведения излучения при различных геометриях за последние 14 млрд. лет и смотрим результаты для какой модели больше всего похожи на спектр реликтового излучения, измеренный в наши дни.
Сюрприз, сюрприз, единственный похожий результат дает только модель плоской Вселенной, причем с точностью 1%.
Шеф, у нас опять проблемы.
Если Вселенная плоская, почему же способ с взвешиванием не дал такого же ответа?
Так-так-так, чтобы сделать Вселенную плоской нам не хватает 70% массы или энергии [у чýдных физиков масса и энергия по сути одно и тоже, это еще со времен Эйнштейна так повелось].
Как назовем недостающую энергию? Пусть будет Тёмная Энергия [это действительно официальное название]. Так как это энергия, а не материя, она живет в свободном пространстве между галактиками. И более того, она эти галактики толкает так, что они разлетаются с ускорением.
Чтобы это проверить, нужно по сути повторить измерения Хаббла, но с большей точностью и на более дальние расстояния.
Новый график выглядит так:
Точки - это экспериментальные данные, а кривые - это различные модели: с материей [в кол-ве 24%] и энергией[в кол-ве 76%], с материей [20%] и без энергии, и с материей в количестве 100%. По осям х и у - скорость и расстояние. Внизу тот же график, из которого вычтена постоянная составляющая, чтобы удобнее было сравнивать. Видно, что сплошная кривая [материи 24% и энергии 76%] наиболее близка к экспериментальным точкам.
Додумались до такой скрупулезной проверки Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рис еще в 1998 году.
Этот эксперимент был повторен множество раз с разными объектами, большей точностью и разными группами и всегда оказывается, что никуда не деться - Вселенная расширяется с ускорением, а Темная Энергия необходима, чтобы объяснить это ускорение.
А что потом?
Галактики разлетаются от нас всё дальше и дальше.
Наши потомки через много-много-много лет [через сотни миллиардов лет, честно говоря] будут видеть только нашу галактику и никаких соседних.
И все доказательства Теории Большого Взрыва исчезнут: эксперименты Хаббла не повторить, реликтовое излучение пропадет, не понадобиться вводить Темную Материю и Темную Энергию.
Их картиной мира будет скорее всего одинокая статичная галактика в центре Вселенной.
Ничего не напоминает?)
Люди всегда смотрели в небо и пытались про него что-нибудь понять. Современным астрономам повезло больше всех, с одной стороны благодаря более "умным" телескопам, с другой - благодаря теориям и догадкам ученых прошлых лет. Паззл наконец складывается в красивую картинку. Впрочем, вопрос: "Что мы [люди] тут делаем?" ничего более вразумительного чем ответ: "Ну, так получилось" *и пожимания плечами* не получил.
Однажды темной-темной ночью...
История открытия расширения Вселенной вполне себе мистическая и полна таинственных совпадений.
Как любая уважающая себя мистическая история, она начинается темной ночью.
Ночами в конце 20х годов некто по имени Эдвин Хаббл сидел в Маунт-Вилсон у передового телескопа тех лет.
Позже именем Хаббла назовут другой передовой телескоп, который будет уже не стоять на Земле, а бороздить космические просторы. Но пока даже сам Эдвин об этом не догадывается и вот почему. Хаббл измерял скорость движения галактик в зависимости от расстояния. Его самый монументальный труд, укладывается в один график и выглядит он так:
По оси х, здесь отложено расстояние от нас до галактики, а по оси у - скорость с которой она от нас улетает. Чем дальше галактика, тем быстрее она "убегает".
То есть расстояние между галактиками увеличивается, а вселенная расширяется. Это сенсация, господа! Всем шампанского, а Хабблу - нобелевскую премию.
Пуп Земли Центр Вселенной!
Прежде чем продолжить, давайте отвлечемся на минутку и подумаем вот на какую тему. Все галактики улетают от нас. Получается, что наша галактика - центр Вселенной?
Ответ: "Неа!"
Проиллюстрировать его можно на примере [который любит показывать Lawrence Krauss в своих лекциях]
Представим себе двухмерную Вселенную с галактиками, которые для простоты расположены в решетку с равным расстоянием:
В момент t1 [белые кружочки] расстояние одно, а в момент t2 [синие кружочки] - в два раза больше.
Выберем галактику-наблюдателя и пометим его белым среди синих кружков:
А теперь наложим картинку во время t2 с картинкой во время t1 в том месте, где находится наш наблюдатель и проследим что он видит: [для простоты отслеживания я обвела один ряд]
Он видит, что галактики от него удаляются, причем чем дальше была галактика, тем дальше она "убежала". Но фокус в том, что наблюдателя мы выбрали случайным образом и возьми мы любую другую галактику - она бы "видела" тоже самое. В общем, сорри, на гордое звание центра Вселенной мы претендовать не можем.
Шеф, кажется у нас проблема.
У Хаббла были серьезные проблемы с его графиком. По данным получалось, что возраст Вселенной ~1.5 млрд. лет, а к тому времени было известно, что планете Земля гораздо больше лет и было как-то странно, что Земля старше Вселенной.
Да бы не грузить твой мозг, мой пытливый читатель, сообщу без множества технических подробностей: проблема была в измерении расстояний между галактиками. Что отнюдь не является легкой задачей, ведь летать между галактиками с длиннющей линейкой мы не умеем даже сейчас.
Позднее метод измерения расстояний до таких далеких объектов был улучшен, выяснилось, что данные Хаббла были неточными всего в 10 раз. И Эдвин таки получил свою нобелевскую премию, а человечество - постоянную и телескоп имени Хаббла.
Информация для любителей цифр: возраст Вселенной измерен очень точно и сейчас составляет 13.72 млрд. лет.
Учёные - любопытные зверки и им интересно сколько весит Вселенная, какой она формы и т.д.
И это любопытство всегда приводит к новым проблемам и вопросам еще до того, как будет найдет ответ на первоначальный вопрос.
Например при измерении "веса" Вселенной выяснилось, что материя к которой мы так привыкли, т.е атомы, протоны и пр. - далеко не основное вещество, а составляет всего 5 %. А еще есть какая-то материя, которую мы не видим. Её назвали по-простому Тёмная Материя [её где-то 25%].
Темная Материя способна собираться в сгустки, галактики и скопления галактик. Вот только она не светится, потому и не видна в наши телескопы. Однако она обладает гравитацией и наравне с материей обычной может образовывать интересные штуки, которые называются гравитационными линзами.
В воображаемом эксперименте можно себе это представить так: есть источник света, невидимое массивное тело перед ним и далеко-далеко наблюдатель. Из-за этого массивного тела, свет будет преломляться и наблюдатель будет видеть картинку совсем не похожую на источник. Однако, если наблюдатель достаточно прозорлив и более или менее знаком с источником, по картине, которую он видит, он сможет узнать кое-что о массивном теле.
В реальности картинки от гравитационных линз выглядят так:
Желтым тут светятся галактики из обычного вещества, а синие пятна - это свет от далекой галактики, преломленный гравитационной линзой из темной материи.
Такой вот научный абстракционизм.
Поиски частиц, которые составляют эту самую темную материю сейчас одна из самых бурно развивающихся как в экспериментальном, так и теоретическом плане область физики элементарных частиц\космологии, но об этом как-нибудь в другой раз.
"Взвешивание" Вселенной помогает ответить на более важный вопрос: "А какова геометрия Вселенной?"
Она может быть плоской, выпуклой и вогнутой [всё это в трехмерном смысле, лучше не пытаться представлять].
У плоской формы есть неоспоримый плюс. Только она могла возникнуть из ничего и образоваться благодаря квантовым флуктуациям. [не обращайте внимания на этот аргумент, если вы не понимаете его смысла]
Запомни дорогой читатель, знание геометрии Вселенной автоматически дает ответы на вопросы:
"Как всё это началось?" и "Чем всё это кончится?", т.е о "рождении" и "смерти" Вселенной.
Результаты "взвешивания" материи (как обычной, так и темной) больше свидетельствуют в пользу кривой Вселенной и это выглядит сомнительным. Поэтому был найден другой способ измерения кривизны. И как все хорошие способы, он был найден совершенно случайно.
И спасибо всем тем, кто мигал дальним светом
Теория Большого Взрыва [не сериал!] гласит, что в самом начале Вселенная была горячей плазмой.
Фотоны, электроны и барионы жили дружно [барионы можно представлять себе как протоны, т.е. такие большие шары в модели атома, электроны - шариками поменьше, ну а фотоны эдакими световыми нитками]. Жили они дружно и температура у них была одинаковая. Вселенная тем временем расширялась, плазма, т.е каша из знакомых нам электронов, фотонов и барионов, остывала и где-то через 400 тыс. лет электроны с протонами объединились в атомы и перестали общаться с фотонами.
Эти фотоны с тех пор ни с кем не общаются и летят себе свободно в пространстве. Называются они реликтовым излучением и это самое "старое" излучение из тех, что мы можем видеть с момента Большого Взрыва. Сфера, соответствующая моменту когда образовались атомы и фотоны перестали взаимодействовать с веществом, называется поверхностью последнего рассеяния.
Это очень слабенькое излучение [всё-таки миллиарды лет прошло и Вселенная продолжала расширяться всё это время], но примечательно в нем то, что оно летит буквально со всех сторон поверхности последнего рассеяния.
Хитрые ученные очень быстро придумали как использовать его в своих корыстных целях измерения кривизны Вселенной.
Нужно с одной стороны хорошо померить реликтовое излучение, а с другой - загнать в компьютер возможные модели геометрии Вселенной [благо их всего три]. Дальше - дело техники, проводим моделирование поведения излучения при различных геометриях за последние 14 млрд. лет и смотрим результаты для какой модели больше всего похожи на спектр реликтового излучения, измеренный в наши дни.
Сюрприз, сюрприз, единственный похожий результат дает только модель плоской Вселенной, причем с точностью 1%.
Шеф, у нас опять проблемы.
Если Вселенная плоская, почему же способ с взвешиванием не дал такого же ответа?
Так-так-так, чтобы сделать Вселенную плоской нам не хватает 70% массы или энергии [у чýдных физиков масса и энергия по сути одно и тоже, это еще со времен Эйнштейна так повелось].
Как назовем недостающую энергию? Пусть будет Тёмная Энергия [это действительно официальное название]. Так как это энергия, а не материя, она живет в свободном пространстве между галактиками. И более того, она эти галактики толкает так, что они разлетаются с ускорением.
Чтобы это проверить, нужно по сути повторить измерения Хаббла, но с большей точностью и на более дальние расстояния.
Новый график выглядит так:
Точки - это экспериментальные данные, а кривые - это различные модели: с материей [в кол-ве 24%] и энергией[в кол-ве 76%], с материей [20%] и без энергии, и с материей в количестве 100%. По осям х и у - скорость и расстояние. Внизу тот же график, из которого вычтена постоянная составляющая, чтобы удобнее было сравнивать. Видно, что сплошная кривая [материи 24% и энергии 76%] наиболее близка к экспериментальным точкам.
Додумались до такой скрупулезной проверки Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рис еще в 1998 году.
Этот эксперимент был повторен множество раз с разными объектами, большей точностью и разными группами и всегда оказывается, что никуда не деться - Вселенная расширяется с ускорением, а Темная Энергия необходима, чтобы объяснить это ускорение.
А что потом?
Галактики разлетаются от нас всё дальше и дальше.
Наши потомки через много-много-много лет [через сотни миллиардов лет, честно говоря] будут видеть только нашу галактику и никаких соседних.
И все доказательства Теории Большого Взрыва исчезнут: эксперименты Хаббла не повторить, реликтовое излучение пропадет, не понадобиться вводить Темную Материю и Темную Энергию.
Их картиной мира будет скорее всего одинокая статичная галактика в центре Вселенной.
Ничего не напоминает?)