Пугающая Вселенная: что скрывает от нас непостижимый космос (Фото)
Если бы мы рискнули заглянуть в самые темные закоулки Вселенной, то обнаружили бы, что там скрывается множество увлекательных тайн, которые нам еще предстоит раскрыть.
Странная материя
Из-за ее неприметного названия «странная материя», вы можете подумать, что она не представляет собой ничего особенного. Это похоже на то, что ученые придумали название, когда не могли объяснить само явление, и оставили это на потом. Найдите ее в интернете, и вы поймете, что это, безусловно, одна из самых странных частей теории физики.
В сущности, странная материя (которая может содержать множество типов частиц) не похожа ни на что из того, что мы видели раньше. Видите ли, обычная материя состоит из атомов с ядром, которое в свою очередь состоит из протонов и нейтронов. Они, в свою очередь, состоят из кварков, которые остаются фиксированными и придают всему вокруг нас уникальные свойства.
Однако в странной материи кварки свободно двигаются, без каких-либо границ или правил относительно того, что они должны делать. Это совершенно другой тип материи, и пугает то, что свои свойства она может передать всему, с чем соприкасается. Да, небольшой «кусочек» странной материи где-нибудь во Вселенной может сейчас двигаться к нам, при этом полностью изменяя (и по существу разрушая) саму природу материи вокруг него.
К счастью, странную материю не удалось обнаружить пока нигде во Вселенной, так что пока она существует только на бумаге. К сожалению, совсем недавно ученые обнаружили нечто очень похожее на то, что они считают странной материей.
Самое холодное место во Вселенной
Вселенная-довольно холодное место, так как тепла звезд хватает только на то, чтобы воздействовать на крошечную ее часть. Мы знаем, что она холодна, но не знаем, насколько. По мнению некоторых ученых, самым холодным местом в известной Вселенной является туманность Бумеранг (туманность, представляющая собой гигантскую массу газа и пыли в космосе).
Она такая холодная (в среднем -272 градуса Цельсия), что ученые уже некоторое время пытаются понять, что с ней произошло. И согласно недавнему исследованию, этому есть очень хорошее объяснение. По-видимому, ее звезда бросилась на другую большую звезду, проходящую последние стадии своей жизни, в результате чего большая часть ее материи была выброшена в виде холодного взрыва. Хотя туманность довольно далеко от нас, чтобы представлять какую-либо опасность, это место нам никогда не следует исследовать, если мы откроем для себя межзвездные путешествия.
Загадка самой большой когда-либо обнаруженной черной дыры
Во Вселенной есть много того, чего мы не понимаем, и это здорово, поскольку мы не можем знать все. Самый большой провал случается тогда, когда мы думаем, что что-то выяснили, чтобы позже узнать, что мы этого вообще не поняли. Примером тому является самая яркая и самая большая черная дыра, найденная нами во Вселенной.
Она находится в центре квазара (огромная, яркая штука с черной дырой в центре), который ученый обнаружили недавно. Этот квазар известен как SDSS J0100+2802, он такой же яркий, как 420 триллионов солнц, и на сегодняшний день это самый массивный квазар, который мы когда-либо обнаруживали. Мы не знаем, как он сформировался, поскольку ничто в ранней фазе Вселенной не должно было стать таким большим, что также делает эту черную дыру самой загадочной черной дырой, которую мы знаем.
Тройное столкновение галактик
Какой бы скучной ни была наша жизнь, мы можем утешиться тем, что во Вселенной постоянно происходит что-то интересное. От массивных световых шоу до умирающих звезд, это место вряд ли можно назвать скучным. Однако некоторые из этих событий настолько ошеломляюще огромны, что мы скорее предпочтем лениво скучать в послеобеденный полдень здесь, на Земле, чем оказаться где-нибудь рядом с ними.
Одно из таких событий — редкое столкновение трех галактик, подобное тому, которое мы наблюдали в 2007 году.
В то время как две галактики сталкиваются друг с другом чаще, чем мы думаем, редко можно увидеть, как это делают сразу три галактики. То, что на фотографиях выглядит просто как сгусток света, на самом деле является тремя массивными скоплениями звезд, сливающимися друг с другом и постоянно образующими звезды с сумасшедшей скоростью (около 200 солнечных масс в год).
Галактики без темной материи
Если бы вы провели свою долю времени в интернете и на научных форумах, вы бы знали, что видимая Вселенная — это лишь крошечная часть. Большая часть Вселенной состоит из того, что называется темной материей. Мы могли бы придумать более научное название, но поскольку мы абсолютно ничего о ней не знаем, «темная материя» является наиболее точным описанием того, что мы о ней думаем. Мы знаем, что она проникает через все, и огромные пространства Вселенной состоят из нее, вот, собственно, и все.
Однако еще более загадочной является галактика без темной материи.
Ранее считалось, что чем бы ни была темная материя, она нужна Вселенной для того, чтобы удерживать все в ней вместе. Обнаруженная галактика, наряду с другими подобными ей, доказывает, что темная материя не является существенной для «склеивания» галактик, что еще больше усиливает тайну темной материи.
Звезды-зомби
Все живое в какой-то момент должно умереть, и это относится ко всему во Вселенной. Гибель звезд, как вы, возможно, помните из школьного курса астрономии – одно из самых интересных явлений в известной Вселенной. Каждая звезда, которую мы видим на небе, уже мертва, и ее свет еще не достиг нас, или она умрет в какой-то момент в будущем, включая наше Солнце. Это естественный порядок вещей, за исключением тех случаев, когда звезды решают не умирать.
В редких случаях звезды могут умереть и вернуться к жизни, как будто ничего не произошло, что ставит в тупик нас, а также ученых. Недавно ученые обнаружили зомби — звезды, которые должны были умереть на стадиях сверхновых, но каким-то образом выжили, и теперь мчатся через пространство с обновленной жаждой жизни и приключений.
Мы не совсем понимаем их, поэтому надеемся, что они будут держаться от нас подальше.
Черные дыры – бродяги
Из всех вещей, которые потенциально могут выйти из-под контроля, черная дыра кажется худшим из зол. Черные дыры, как мы все знаем, являются сверхплотными областями пространства с невообразимо высокими гравитационными полями, настолько, что даже свет не может избежать их. Они поглощают все, что находится в их гравитационном поле, поэтому лучше держаться от них подальше.
Однако проблемой они становятся тогда, когда начинают двигаться. Видите ли, как и все остальное во Вселенной, черные дыры могут двигаться по своим собственным траекториям. В некоторых случаях они начинают двигаться с огромной скоростью, поглощая все на своем пути. Это не какой-нибудь далекий феномен: в настоящее время черная дыра размером с Юпитер мчится через Млечный Путь. Ранее предполагалось, что она стационарная, но, согласно некоторым недавним исследованиям, это не так.
Сверхмассивная черная дыра – изгой
Если бы мы знали о том, какие мощные вещи случаются во Вселенной, то наша жизнь на их фоне была бы просто крошечной. Некоторые из этих вещей настолько огромны, что мы можем в полной мере ощутить свое ничтожество. Одна из таких вещей — сверхмассивная черная дыра, выброшенная из своей галактики.
Ученые подсчитали, что для выброса этой черной дыры в космос потребовалось бы такое же количество энергии, как та, что выделяется при взрыве 100 миллионов сверхновых. Это не просто какая-то черная дыра, но самая большая движущаяся черная дыра, которую мы когда-либо зарегистрировали. Всплеск энергии произошел вследствие слияния двух черных дыр в центре галактики, такие вещи в космосе тоже происходят.
Галактический каннибализм
Галактический каннибализм — это последний вид каннибализма, о котором мы хотим слышать, даже если обычный каннибализм тоже не очень приятная вещь.
Сама мысль о том, что есть какие-то большие галактики, поглощающие другие, меньшие, и существует вероятность того, что подобное может случиться с нами, пугает. Однако беспокоиться не о чем, так как это не произойдет в ближайшем будущем. Тем не менее, многие другие галактики во Вселенной поедает более крупная галактика просто потому, что ей нечем заняться.
И это происходит не так далеко от нас. Андромеда — галактика, лучше всего знакомая неспециалистам и входящая в нашу группу, фактически поглотила родственную галактику Млечного Пути около двух миллиардов лет назад. Также ожидается, что это произойдет с Млечным Путем примерно через 4,5 миллиарда лет, но к тому времени люди, как мы надеемся, научатся путешествовать между галактиками, или попросту вымрут. Однако тот, кто решит остаться, испытает на себе всю прелесть этого адского светового шоу.
Судный день бозона Хиггса
У нас есть много сценариев Судного в зависимости от того, где вы находитесь.
Многие культуры считают, что конец света будет эффектным, что обрадует тех, кто любит интересные визуальные эффекты. Однако самые опасные и правдоподобные сценарии конца света озвучивают сами ученые, и одним из них является бозон Хиггса. Многие ученые, включая Стивена Хокинга, считают, что конец света может произойти или уже происходит. Он может начаться с пузыря, заполненного флуктуирующей энергией Хиггса, которая должна оставаться постоянной, чтобы Вселенная оставалась стабильной.
Искривленный мир черной дыры: NASA визуализировало данное небесное тело
Пузырь будет распространяться, как вакуум, фундаментально изменяя (и в некоторых случаях разрушая) атомы по мере своего движения. Некоторые ученые считают, что этот процесс уже начался, и в ближайшее время пузырь может возникнуть на нашем пути, вынырнув из темных глубин Вселенной. Другие же полагают, что подобное случится в далеком будущем, и нас может давно уже не быть к тому моменту.
Что скрывает Вселенная: загадочные фото из космоса
https://ru.sputnik.kz/20180505/vselennaya-foto-kosmos-kosmicheskie-otkrytiya-zagadki-tajny-5511083.html
Что скрывает Вселенная: загадочные фото из космоса
Что скрывает Вселенная: загадочные фото из космоса
Лучшие снимки космоса, сделанные в апреле, смотрите в фотоленте Sputnik Казахстан. 05.05.2018, Sputnik Казахстан
2018-05-05T12:14+0600
2018-05-05T12:14+0600
2022-02-02T11:47+0600
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://sputnik.kz/img/550/89/5508929_0:1255:4781:3958_1920x0_80_0_0_8396827f92c03ed5eda0b6f224f23af8.jpg
Sputnik Казахстан
+74956456601
MIA „Rosiya Segodnya“
2018
Sputnik Казахстан
+74956456601
MIA „Rosiya Segodnya“
Новости
ru_KK
Sputnik Казахстан
media@sputniknews.
com
+74956456601
MIA „Rosiya Segodnya“
1920
1080
true
1920
1440
true
https://sputnik.kz/img/550/89/5508929_0:1104:4781:4109_1920x0_80_0_0_7ec2592df391a82ac38bad2eea432820.jpg
1920
1920
true
Sputnik Казахстан
+74956456601
MIA „Rosiya Segodnya“
Sputnik Казахстан
мультимедиа
мультимедиа
Тайны Вселенной всегда манили человека. Что скрывается там, за космическим горизонтом, где вечная темнота освещается лишь холодным светом далеких звезд? Сможет ли человечество когда-нибудь разгадать все космические загадки?
Предлагаем взглянуть на уникальные фото, сделанные исследователями космоса в апреле.
CC BY 4.0 / NASA, ESA, STScI / Hubble’s 28th birthday picture: The Lagoon NebulaВ честь 28-летней годовщины запуска космического телескопа Hubble Европейское космическое агентство опубликовало фотографию туманности Лагуна.
Туманность Лагуна находится на расстоянии около 4 000 световых лет от Земли. Ее ширина — 55 световых лет, а высота — 22. На фото показана лишь небольшая часть этого огромного межзвездного облака.
1/11
CC BY 4.0 / NASA, ESA, STScI / Hubble’s 28th birthday picture: The Lagoon Nebula
В честь 28-летней годовщины запуска космического телескопа Hubble Европейское космическое агентство опубликовало фотографию туманности Лагуна. Туманность Лагуна находится на расстоянии около 4 000 световых лет от Земли. Ее ширина — 55 световых лет, а высота — 22. На фото показана лишь небольшая часть этого огромного межзвездного облака.
© Photo : ESA/Hubble & NASA, RELICS / Орбитальная обсерватория «Хаббл» получила детальные фотографии скопления галактик PLCK G308.3-20.2 в созвездии Райской Птицы, одного из самых крупных объектов в обозримой Вселенной. Наблюдения за движением этого и прочих крупнейших скоплений галактик уже помогли астрономам найти две самых крупных структуры во Вселенной, влияющие на движение Млечного Пути и всех остальных близлежащих галактик.
2/11
© Photo : ESA/Hubble & NASA, RELICS /
Орбитальная обсерватория «Хаббл» получила детальные фотографии скопления галактик PLCK G308.3-20.2 в созвездии Райской Птицы, одного из самых крупных объектов в обозримой Вселенной. Наблюдения за движением этого и прочих крупнейших скоплений галактик уже помогли астрономам найти две самых крупных структуры во Вселенной, влияющие на движение Млечного Пути и всех остальных близлежащих галактик.
© Photo : Роскосмос/Антон Шкаплеров / Снимок пыльной бури в Казахстане, сделанный российским космонавтом Антоном Шкаплеровым с борта Международной космической станции.
3/11
© Photo : Роскосмос/Антон Шкаплеров /
Снимок пыльной бури в Казахстане, сделанный российским космонавтом Антоном Шкаплеровым с борта Международной космической станции.
© Photo : ESO/H. Avenhaus et al./DARTT-S collaboration / Оптические телескопы VLT получили изображение пыльного диска вокруг молодой звезды IM Lupi в мельчайших деталях.
Инструмент «СФЕРА» (SPHERE), благодаря которому оно было получено, позволяет астрономам подавлять яркий свет близлежащих к объекту исследования звезд, чтобы получить лучший обзор окружающих его областей. В данном случае сама звезда скрыта внутри серого круга в центре – показан только существующий вокруг нее диск.
4/11
© Photo : ESO/H. Avenhaus et al./DARTT-S collaboration /
Оптические телескопы VLT получили изображение пыльного диска вокруг молодой звезды IM Lupi в мельчайших деталях. Инструмент «СФЕРА» (SPHERE), благодаря которому оно было получено, позволяет астрономам подавлять яркий свет близлежащих к объекту исследования звезд, чтобы получить лучший обзор окружающих его областей. В данном случае сама звезда скрыта внутри серого круга в центре – показан только существующий вокруг нее диск.
© Photo : ESA/Roscosmos/CaSSIS / ExoMars images Korolev CraterКамера CaSSIS, установленная на борту российско-европейского зонда «ЭкзоМарс-TGO», получила первые полноцветные фотографии поверхности Марса.
На первых снимках запечатлен кратер Королева — гигантская воронка диаметром в 84 километра, расположенная у северного полюса планеты.
5/11
© Photo : ESA/Roscosmos/CaSSIS / ExoMars images Korolev Crater
Камера CaSSIS, установленная на борту российско-европейского зонда «ЭкзоМарс-TGO», получила первые полноцветные фотографии поверхности Марса. На первых снимках запечатлен кратер Королева — гигантская воронка диаметром в 84 километра, расположенная у северного полюса планеты.
© Photo : ESO/NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)/F. Vogt et al. / Внутри остатков сверхновой звезды 1E 0102.2−7219, расположенной в ближайшей к нам галактике Малое Магелланово Облако, астрономы обнаружили мощный источник радиации. Эти данные позволили астрономам выявить невидимую до сих пор изолированную нейтронную звезду со слабым магнитным полем, которая была погребена во фрагментах углеродных волокон космического газа, образовавшихся после взрыва сверхновой около 2 000 лет назад.
6/11
© Photo : ESO/NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)/F. Vogt et al. /
Внутри остатков сверхновой звезды 1E 0102.2−7219, расположенной в ближайшей к нам галактике Малое Магелланово Облако, астрономы обнаружили мощный источник радиации. Эти данные позволили астрономам выявить невидимую до сих пор изолированную нейтронную звезду со слабым магнитным полем, которая была погребена во фрагментах углеродных волокон космического газа, образовавшихся после взрыва сверхновой около 2 000 лет назад.
© NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/ Gerald Eichstädt /Seán Doran / NASA опубликовало новое изображение Большого красного пятна на Юпитере, сделанное во время двенадцатого сближения автоматической станции Juno с планетой. Фотография была составлена из трех отдельных снимков, полученных аппаратом с расстояния в 25 и 49 тысяч километров от облачного слоя газового гиганта.
7/11
© NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/ Gerald Eichstädt /Seán Doran /
NASA опубликовало новое изображение Большого красного пятна на Юпитере, сделанное во время двенадцатого сближения автоматической станции Juno с планетой.
Фотография была составлена из трех отдельных снимков, полученных аппаратом с расстояния в 25 и 49 тысяч километров от облачного слоя газового гиганта.
© Photo : ESA/Hubble & NASA / NASA опубликовало фотографию спиральной галактики NGC 5714, расположенной в созвездии Волопас на расстоянии около 130 миллионов световых лет от Земли. На снимке галактика запечатлена сбоку и кажется абсолютно плоской. В 2003 году в спиральной галактике зафиксировали вспышку сверхновой звезды SN 2003dr, в спектре которой обнаружено значительное содержание кальция.
8/11
© Photo : ESA/Hubble & NASA /
NASA опубликовало фотографию спиральной галактики NGC 5714, расположенной в созвездии Волопас на расстоянии около 130 миллионов световых лет от Земли. На снимке галактика запечатлена сбоку и кажется абсолютно плоской. В 2003 году в спиральной галактике зафиксировали вспышку сверхновой звезды SN 2003dr, в спектре которой обнаружено значительное содержание кальция.
© Photo : NASA/JPL-Caltech/Univ.
of Arizona / Лаборатория реактивного движения NASA опубликовала новый снимок марсианского ландшафта. В кадр попала местность под названием Lobo Vallis. Как отмечают ученые, под воздействием ветра песчаные дюны постепенно перемещаются в более низкие участки местности.
9/11
© Photo : NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona /
Лаборатория реактивного движения NASA опубликовала новый снимок марсианского ландшафта. В кадр попала местность под названием Lobo Vallis. Как отмечают ученые, под воздействием ветра песчаные дюны постепенно перемещаются в более низкие участки местности.
© Photo : NASA / Астронавт НАСА Рики Арнольд с борта Международной космической станции снял полярное сияние над Южным полушарием Земли.
10/11
© Photo : NASA /
Астронавт НАСА Рики Арнольд с борта Международной космической станции снял полярное сияние над Южным полушарием Земли.
© Photo : Роскосмос/Антон Шкаплеров / Космонавт Роскосмоса Антон Шкаллеров с борта МКС снял остров необычной формы.
«Как думаете, что за остров в виде пони? Ладно, не буду вас мучить, это райский остров Гуам. С пони его роднит не только форма (как мне кажется), но и миниатюрный размер — остров можно объехать всего за несколько часов: с севера на юг он вытянут на 50 км, ширина — 12 км», – написал космонавт на своей странице в Twitter.
11/11
© Photo : Роскосмос/Антон Шкаплеров /
Космонавт Роскосмоса Антон Шкаллеров с борта МКС снял остров необычной формы. «Как думаете, что за остров в виде пони? Ладно, не буду вас мучить, это райский остров Гуам. С пони его роднит не только форма (как мне кажется), но и миниатюрный размер — остров можно объехать всего за несколько часов: с севера на юг он вытянут на 50 км, ширина — 12 км», – написал космонавт на своей странице в Twitter.
Какие тайны скрывает от нас Вселенная? Космолог взвешивает
«Первое, что мы знаем о Вселенной, — это то, что она очень, очень большая», — говорит космолог Майкл Тернер, который размышляет над этой реальностью уже более четырех десятилетий.
«И поскольку Вселенная такая большая, — говорит он, — она часто находится за пределами досягаемости наших инструментов и наших идей».
Конечно, наше нынешнее понимание космической истории оставляет без ответа несколько огромных вопросов, говорит Тернер, почетный профессор Чикагского университета и приглашенный преподаватель Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Возьмем вопрос о происхождении. Теперь мы знаем, что Вселенная расширялась и развивалась в течение примерно 13,8 миллиардов лет, начиная с того момента, когда все сущее вырвалось наружу из исходного состояния почти бесконечной температуры и плотности — известного как Большой взрыв. Однако никто точно не знает, что такое Большой взрыв, говорит Тернер. Никто также не знает, что его вызвало, или что предшествовало, или имеет ли вообще смысл говорить о «времени» до этого начального события.
Кроме того, существует тот факт, что самые далекие звезды и галактики, которые потенциально могут быть обнаружены нашими телескопами, ограничены «наблюдаемой» Вселенной: областью, включающей такие объекты, как галактики и звезды, свет которых успел достичь нас со времен Большого взрыва.
По словам Тернера, это почти невообразимо огромный объем, простирающийся на десятки миллиардов световых лет во всех направлениях. И все же у нас нет возможности узнать, что находится за его пределами. Просто больше того же самого, возможно, простирающегося до бесконечности. Или царства совершенно странные — вплоть до законов физики, сильно отличающихся от наших.
Но тогда, как объясняет Тернер в 2022 Annual Review of Nuclear and Particle Science , загадок следует ожидать. Научному изучению космологии, области, которая фокусируется на происхождении и эволюции Вселенной, едва исполнилось столетие. Его уже не раз преображали новыми идеями, новыми технологиями и сногсшибательными открытиями — и есть все основания ожидать новых сюрпризов.
Журнал Knowable Magazine недавно говорил с Тернером о том, как происходили эти преобразования и каким может быть будущее космологии. Это интервью было отредактировано для увеличения длины и ясности.
В своей статье вы говорите, что современная научная космология возникла примерно в 1920-х годах.
Что случилось потом?
Не то чтобы раньше ничего не происходило. Сколько нам известно, люди размышляют о происхождении и эволюции Вселенной. Но большую часть того, что было сделано около 100 лет назад, мы сейчас назвали бы галактической астрономией, то есть изучением звезд, планет и межзвездных газовых облаков внутри нашего Млечного Пути. В то время многие астрономы утверждали, что Млечный Путь было Вселенной — ничего другого не было.
Но в 1920-х годах произошли два важных события. Одна из них была работой молодого астронома по имени Эдвин Хаббл. Он заинтересовался туманностями, которые представляли собой расплывчатые пятна света на небе, которые астрономы каталогизировали в течение сотен лет. Всегда велись споры об их природе: были ли они просто облаками газа относительно недалеко в Млечном Пути или другими «островными вселенными», такими же большими, как наша?
Никто не мог этого понять. Но у Хаббла был доступ к новому 100-дюймовому телескопу, который в то время был самым большим в мире.
И это дало ему инструмент, достаточно мощный, чтобы посмотреть на некоторые из самых больших и ярких туманностей и показать, что они содержат отдельные звезды, а не только газ. К 1925, он также смог оценить расстояние до самой яркой туманности в созвездии Андромеды. Он находился далеко за пределами Млечного Пути. Это была совсем другая галактика, такая же, как наша.
Таким образом, эта статья сама по себе разрешила загадку туманностей и прославила Хаббла как великого астронома. Говоря современным языком, он определил фундаментальную архитектуру Вселенной, состоящую в том, что она состоит из этих наборов звезд, организованных в галактики, подобные нашему Млечному Пути — около 200 миллиардов из них в той части Вселенной, которую мы можем видеть.
Но на этом он не остановился. В те дни существовало это — ну, «война», наверное, слишком сильно сказано, но разделение между астрономами, которые фотографировали, и астрофизиками, которые использовали спектроскопию, технику, разработанную физиками в 19 веке для анализа длина волны света, излучаемого удаленными объектами.
Как только вы начнете снимать спектры таких вещей, как звезды или планеты, и сравнивать их излучение с излучением известных химических элементов в лаборатории, вы можете сказать: «О, я не только знаю, из чего они сделаны, но я знаю их температуру и скорость он движется к нам или от нас». Таким образом, вы могли бы начать действительно изучать объект.
Однако, как и в других областях науки, самые лучшие люди в астрономии используют все подручные средства, будь то изображения или спектры. В случае с Хабблом он обратил особое внимание на более раннюю статью, в которой использовалась спектроскопия для измерения скорости туманностей. Поразительным в этой статье было то, что некоторые туманности удалялись от нас со скоростью многие сотни километров в секунду. С точки зрения спектроскопии, у них было большое «красное смещение», означающее, что их излучение было смещено в сторону более длинных волн, чем вы могли бы увидеть в лаборатории.
Итак, в 1929 году, когда у Хаббла были достоверные данные о расстоянии для двух десятков галактик и разумные оценки для большего числа галактик, он нанес эти значения на график относительно данных о красном смещении. И он получил поразительную корреляцию: чем дальше была галактика, тем быстрее она удалялась от нас.
Это соотношение, известное теперь как закон Хаббла. Однако потребовалось некоторое время, чтобы понять, что это значит.
Почему? Потребовалось ли это второе большое развитие?
Да. Чуть раньше, в 1915 октября Альберт Эйнштейн выдвинул свою общую теорию относительности, которая полностью изменила парадигму и переформулировала гравитацию. Его ключевым открытием было то, что пространство и время не фиксированы, как всегда предполагали физики, а динамичны. Материя и энергия искривляют пространство и время вокруг себя, а «сила», которую мы называем гравитацией, — всего лишь результат отклонения объектов при их движении в этом искривленном пространстве-времени. Как сказал покойный физик Джон Арчибальд Уилер: «Пространство говорит материи, как двигаться, а материя говорит пространству, как искривляться».
Потребовалось несколько лет, чтобы связать теорию Эйнштейна с наблюдениями. Но к началу или середине 1930-х годов стало ясно, что Хаббл открыл не то, что галактики удаляются от нас в пустое пространство, а то, что само пространство расширяется и увлекает за собой галактики. Вся Вселенная расширяется.
И по крайней мере несколько ученых в 1930-х годах начали понимать, что открытие Хаббла также означало начало Вселенной.
Поворотным моментом, вероятно, стал Георгий Гамов, советский физик, перебежавший в США в 1930 с. Он изучал общую теорию относительности, будучи студентом в Ленинграде, и знал, что уравнения Эйнштейна подразумевают, что Вселенная расширилась из «сингулярности» — математической точки, где начинается время, а радиус Вселенной равен нулю. Это то, что мы сейчас называем Большим взрывом.
Но Гамов также знал ядерную физику, которую он помогал развивать перед Второй мировой войной. И примерно в 1948 году он и его сотрудники начали объединять общую теорию относительности и ядерную физику в модель начала Вселенной, чтобы объяснить, откуда взялись элементы периодической таблицы.
Их ключевая идея заключалась в том, что Вселенная сначала была горячей, а затем охлаждалась по мере расширения, подобно газу из аэрозольного баллончика. В то время это было абсолютно теоретически. Но это было подтверждено в 1965 году, когда радиоастрономы обнаружили космическое микроволновое фоновое излучение. Это излучение состоит из высокоэнергетических фотонов, возникших в результате Большого взрыва и остывших по мере расширения Вселенной, и сегодня их температура всего на 3 градуса Кельвина выше абсолютного нуля, что также является средней температурой Вселенной в целом.
В этом горячем первичном бульоне, названном Гамовым илем, материя не существовала бы в том виде, в каком она существует сегодня. Чрезвычайная жара разварит атомы на составляющие их компоненты — нейтроны, протоны и электроны. Мечта Гамова заключалась в том, что ядерные реакции в охлаждающемся супе должны были произвести все элементы, как нейтроны и протоны, объединившись, образуют ядра различных атомов в периодической таблице.
Но его идея не оправдалась. Потребовалось несколько лет и целая деревня людей, чтобы сделать правильные расчеты. Но к 19В 60-е годы стало ясно, что в результате этих ядерных реакций будет в основном водород плюс много гелия — около 25 процентов по весу, как раз то, что наблюдали астрономы, — плюс немного дейтерия, гелия-3 и лития. Более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород, были получены позже в результате ядерных реакций в звездах и других процессов.
Итак, к началу 1970-х у нас было создание легких элементов в результате горячего Большого взрыва, расширение Вселенной и фоновое микроволновое излучение — три наблюдательных столпа того, что было названо стандартной моделью космологии, и то, что Я называю первую парадигму.
Но вы заметили, что космологи почти сразу начали переходить ко второй парадигме. Почему? Была ли модель Большого взрыва ошибочной?
Не ошиблись — наше нынешнее понимание все еще имеет начало горячего Большого Взрыва — но неполное. К 1970-м идея горячего начала привлекала внимание физиков элементарных частиц, которые видели в Большом взрыве способ изучения столкновений частиц при энергиях, которых нельзя было достичь на ускорителях здесь, на Земле. Таким образом, поле внезапно стало намного больше, и люди начали задавать вопросы, которые предполагали, что в стандартной космологии чего-то не хватает.
Например, почему Вселенная такая гладкая? Интенсивность и температура микроволнового фонового излучения, которое является лучшим показателем всей Вселенной, почти идеально однородны во всех направлениях. В космологических уравнениях Эйнштейна нет ничего, что говорило бы об этом.
С другой стороны, почему эта космическая гладкость всего почти идеальна? В конце концов, наиболее выдающимися элементами Вселенной сегодня являются галактики, которые, должно быть, образовались, когда гравитация усилила крошечные флуктуации плотности материи в ранней Вселенной. Так откуда же взялись эти колебания? Что засеяло галактики?
Самые большие вещи во Вселенной произошли из невообразимо малых.
Примерно в это же время накопились доказательства того, что нейтроны и протоны состоят из более мелких частиц — кварков — а это означало, что нейтронно-протонный суп в конечном итоге тоже закипит, превратившись в кварковый суп в самые ранние времена. Так что, возможно, ответы лежат в той ранней фазе кваркового супа или даже раньше.
Именно эта возможность привела Алана Гута к его блестящей статье о космической инфляции в 1981 г.
Что такое космическая инфляция?
Идея Гута заключалась в том, что в течение мельчайшей доли секунды после начальной сингулярности, согласно новым представлениям в физике элементарных частиц, Вселенная должна подвергнуться вспышке ускоренного расширения. Это было бы экспоненциальное расширение, гораздо более быстрое, чем в стандартной модели Большого взрыва. Размер Вселенной удваивался, удваивался и снова удваивался — достаточное количество раз, чтобы взять субатомный участок пространства и раздуть его до масштабов наблюдаемой Вселенной.
Это сразу объяснило однородность Вселенной, как если бы у вас был воздушный шар, и вы надули бы его, пока он не стал бы размером с Землю или больше: он выглядел бы гладким. Но инфляция также объяснила галактики. В квантовом мире это нормально, когда количество частиц в крошечной области прыгает туда-сюда. Обычно это значение в среднем равно нулю, и мы этого не замечаем. Но когда космическая инфляция произвела это колоссальное расширение, она увеличила эти субатомные флуктуации до астрофизических масштабов и дала семена для образования галактик.
Этот результат является образцом связи между физикой элементарных частиц и космологией: самые большие объекты во Вселенной — галактики и скопления галактик — произошли из невообразимо малых квантовых флуктуаций.
Вы написали, что вторая парадигма имеет три столпа, первым из которых является космическая инфляция. А как насчет двух других?
Когда в начале 1980-х прорабатывались детали инфляции, люди увидели, что чего-то еще не хватает. Экспоненциальное расширение растянуло бы все до тех пор, пока пространство не стало бы «плоским» в определенном математическом смысле. Но, согласно общей теории относительности Эйнштейна, единственный способ, которым Вселенная могла бы быть плоской, — это если бы ее масса и содержание энергии усреднялись до определенной критической плотности. Это значение было действительно небольшим, эквивалентным нескольким атомам водорода на кубический метр.
Но даже это было преувеличением: лучшие астрономические измерения средней плотности всех планет, звезд и газа во Вселенной — всего, что состоит из атомов — не составляли даже 10 процентов от критической плотности. (Современная цифра составляет 4,9 процента.) Значит, что-то еще, не состоящее из атомов, должно было компенсировать разницу.
У этого чего-то оказалось два компонента, один из которых астрономы уже начали обнаруживать по его гравитационным эффектам. Фриц Цвикки нашел первую подсказку еще в 19 веке.30-х годов, когда он смотрел на движение галактик в далеких скоплениях. Каждое из этих галактических скоплений, очевидно, удерживалось вместе гравитацией, потому что все их галактики были близки и не разлетались. Тем не менее скорости, обнаруженные Цвикки, были действительно высокими, и он пришел к выводу, что одни только видимые звезды не могут создать достаточно гравитации, чтобы удерживать галактики связанными. Дополнительная гравитация должна была исходить от какой-то формы «темной материи», которая не светилась, но во много раз превосходила видимые звезды.
Затем, в 1970-х, Вера Рубин и Кент Форд по-настоящему разобрались в этом, изучая вращение в обычных близлежащих галактиках, начиная с Андромеды. Они обнаружили, что скорость вращения слишком высока: не хватало звезд и межзвездного газа, чтобы удерживать эти галактики вместе. Дополнительная гравитация должна была исходить от чего-то невидимого — опять же, от темной материи.
Внимательное изучение этого изображения скопления галактик Abell 370 показывает множество слабых фоновых галактик, многие из которых были искажены прохождением их света через гравитационные поля скопления. Эти искажения позволили астрономам составить карту распределения массы в скоплении (показано синим цветом). Большая часть этой массы оказывается темной материей, которая движется независимо от видимых галактик.
НАСА, Европейское космическое агентство, Д. Харви (Федеральная политехническая школа Лозанны, Швейцария), Р. Мэсси (Даремский университет, Великобритания), команда Hubble SM4 ERO и St-Ecf
Физикам частиц понравилась идея темной материи, потому что их единство Теории поля содержали гипотетические частицы с такими названиями, как нейтралино или аксион, которые должны были появиться в огромном количестве во время Большого взрыва и обладали точно такими же свойствами. Они не излучали свет, потому что не имели электрического заряда и очень слабо взаимодействовали с обычным веществом. Но у них будет достаточно массы, чтобы вызвать гравитационные эффекты темной материи.
Мы еще не обнаружили эти частицы в лаборатории. Но мы знаем о них кое-что. Например, они «холодные», что означает, что они движутся медленно по сравнению со скоростью света. А благодаря компьютерному моделированию мы знаем, что без гравитации холодной темной материи крошечные флуктуации плотности в обычной материи, образовавшиеся в результате Большого взрыва, никогда не превратились бы в галактики. Им просто не хватило гравитации.
Итак, это был второй столп: холодная темная материя. А третий?
По мере совершенствования моделирования и наблюдений космологи начали понимать, что даже темная материя представляет собой лишь часть критической плотности, необходимой для того, чтобы Вселенная стала плоской. (Современная цифра — 26,8 процента.) Недостающая часть была обнаружена в 1998 году, когда две группы астрономов провели очень тщательное измерение красного смещения в далеких галактиках и обнаружили, что космическое расширение постепенно ускоряется.
Итак, что-то — я предложил назвать это «темной энергией», и название прижилось — раздвигает Вселенную на части. Наше лучшее понимание состоит в том, что темная энергия приводит к отталкивающей гравитации, что-то, что встроено в общую теорию относительности Эйнштейна. Важнейшей особенностью темной энергии является ее эластичность или отрицательное давление. И еще, его нельзя разбить на частицы — это скорее чрезвычайно эластичная среда.
Хотя темная энергия остается одной из величайших загадок космологии и физики элементарных частиц, она кажется математически эквивалентной космологической постоянной, предложенной Эйнштейном в 1917 году. Однако в современной интерпретации она соответствует энергии природного квантового вакуума. Это приводит к необычной картине: космическое расширение ускоряется, а не замедляется, и все это вызвано отталкивающей гравитацией очень эластичного, таинственного компонента Вселенной, называемого темной энергией. Столь же экстраординарные доказательства этого экстраординарного заявления накапливались с тех пор, и две команды, которые сделали 1998 открытий были удостоены Нобелевской премии по физике в 2011 году.
Итак, вот где мы находимся: плоская Вселенная с критической плотностью, содержащая около 5 процентов обычной материи, около 25 процентов частиц темной материи и около 70 процентов темной энергии. процент. Космологическая постоянная до сих пор называется лямбда, греческая буква, которую использовал Эйнштейн. И поэтому новую парадигму называют космологической моделью лямбда-холодной темной материи.
Итак, это ваша вторая парадигма — инфляция плюс холодная темная материя плюс темная энергия?
Да. И это удивительная ситуация: стакан наполовину полон, наполовину пуст. Парадигма лямбда-холодной темной материи имеет эти три столпа, которые хорошо подтверждены доказательствами и позволяют нам описать эволюцию Вселенной с крошечной доли секунды до сегодняшнего дня. Но мы знаем, что еще не закончили.
Например, вы говорите: «Вау, космическая инфляция звучит очень важно. Вот почему сегодня у нас плоская Вселенная, и это объясняет происхождение галактик. Расскажи мне подробности». Ну подробностей мы не знаем. Насколько мы понимаем, инфляция была вызвана каким-то до сих пор неизвестным полем, подобным бозону Хиггса, открытому в 2012 году9.0005
Затем вы говорите: «Да, эта темная материя кажется действительно важной. Его гравитация ответственна за формирование всех галактик и скоплений во Вселенной. Что это такое?» Мы не знаем. Вероятно, это какая-то частица, оставшаяся от Большого взрыва, но мы ее не нашли.
«Вы говорите: «Да, эта темная материя кажется действительно важной. Его гравитация ответственна за формирование всех галактик и скоплений во Вселенной. Что это?» Мы не знаем».
И, наконец, вы говорите: «О, темная энергия составляет 70 процентов Вселенной. Это должно быть действительно важно. Расскажи мне больше об этом.» И мы говорим, что это согласуется с космологической постоянной. Но на самом деле мы понятия не имеем, почему космологическая постоянная должна существовать или иметь такое значение.
Итак, теперь космология оставила нам три физических вопроса: темная материя, темная энергия и инфляция — что это такое?
Значит ли это, что нам нужна третья космологическая парадигма, чтобы найти ответы?
Возможно. Может случиться так, что все сделано за 30 лет, потому что мы просто конкретизируем наши текущие идеи. Мы обнаруживаем, что темная материя на самом деле представляет собой некую частицу, подобную аксиону, что темная энергия на самом деле представляет собой просто постоянную квантовую энергию пространства, и что инфляция действительно была вызвана полем Хиггса.
Но, скорее всего, если судить по истории, мы что-то упустили, и на горизонте нас ждет сюрприз.
Некоторые космологи пытаются найти этот сюрприз, следуя действительно важным вопросам. Например: Что такое Большой взрыв? А что было до этого? Теория Большого Взрыва, о которой мы говорили ранее, не является теорией самого Большого Взрыва; это теория того, что произошло потом.
Помните, настоящим Большим взрывом, согласно общей теории относительности Эйнштейна, была эта сингулярность, которая увидела создание материи, энергии, пространства и самого времени. Это большая загадка, о которой мы с трудом говорим даже в научных терминах: существовала ли фаза до этой сингулярности? И если да, то как это было? Или, как думают многие теоретики, сингулярность в уравнениях Эйнштейна представляет собой момент, когда сами пространство и время возникли из чего-то более фундаментального?
Еще одна возможность, которая привлекла внимание как ученых, так и общественности, — мультивселенная. Это вытекает из инфляции, когда мы представляем, как взрываем небольшой кусочек пространства до огромных размеров. Могло ли это произойти более одного раза, в разных местах и в разное время? И ответ — да: у вас могли бы быть разные участки более широкой мультивселенной, расширяющиеся в совершенно разные вселенные, возможно, с разными законами физики в каждой из них. Это может быть величайшей идеей с тех пор, как Коперник переместил нас из центра Вселенной. Но это также очень расстраивает, потому что сейчас это не наука: эти вселенные были бы полностью разъединены, без возможности получить к ним доступ, наблюдать за ними или показать, что они действительно существуют.
Еще одна возможность содержится в названии моей статьи в Ежегодном обзоре : дорога к точной космологии. Раньше считалось, что космология была очень сложной, потому что инструменты не совсем подходили для этой задачи. Еще в 1930-х годах Хаббл и его коллега Милтон Хьюмасон годами пытались собрать данные о красных смещениях для нескольких сотен галактик, отчасти потому, что они записывали по одному спектру за раз на фотопластинки, которые собирали менее 1 процента света. Теперь астрономы используют электронные ПЗС-детекторы — такие же, какие все носят с собой в своих телефонах, — которые собирают почти 100 процентов света. Это как если бы вы увеличили размер своего телескопа без какой-либо конструкции.
У нас есть такие проекты, как спектроскопический прибор темной энергии на Китт-Пик в Аризоне, который может собирать спектры 5000 галактик одновременно — 35 миллионов из них в течение пяти лет.
Итак, раньше космология была наукой с недостаточным объемом данных, в которой было трудно измерять вещи с какой-либо надежной точностью. А сегодня мы занимаемся точной космологией с процентной точностью. Кроме того, иногда мы можем измерять вещи двумя разными способами и смотреть, согласуются ли результаты, создавая пересечения, которые могут подтвердить нашу нынешнюю парадигму или выявить в ней трещины.
Ярким примером этого является скорость расширения Вселенной, так называемый параметр Хаббла — самое важное число в космологии. По крайней мере, он говорит нам о возрасте Вселенной: чем больше параметр, тем моложе Вселенная, и наоборот. Сегодня мы можем измерить его непосредственно по скоростям и расстояниям галактик до нескольких сотен миллионов световых лет, на уровне нескольких процентов.
Но теперь есть еще один способ измерить ее с помощью спутниковых наблюдений за микроволновым фоновым излучением, что дает вам скорость расширения, когда Вселенной было около 380 000 лет, с еще большей точностью. С моделью лямбда-холодной темной материи вы можете экстраполировать эту скорость расширения на сегодняшний день и посмотреть, получите ли вы то же число, что и с красными смещениями. А у вас нет: цифры отличаются почти на 10 процентов — постоянная головоломка, которая называется напряжением Хаббла.
Так что, может быть, это слабая нить — крошечное несоответствие в точных измерениях, которое может привести к еще одному сдвигу парадигмы. Возможно, просто неверны прямые измерения расстояний до галактик или неверны цифры микроволнового фона. Но, возможно, мы находим что-то, чего не хватает в лямбда-холодной темной материи. Это было бы очень интересно.
Эта статья автора М. Митчелл Уолдроп первоначально появилась в Knowable Magazine , независимое журналистское издание Annual Reviews. Подпишитесь на рассылку новостей.
Почему некоторые физики действительно думают, что в пространстве-времени скрывается «зеркальная вселенная»
Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать комиссионные. Вот как это работает.
Космический микроволновый фон, изображенный здесь, является самой древней вещью, которую мы можем видеть в космосе. Но что скрывается за этим?
(Изображение предоставлено ЕКА и коллаборацией Планка)
В серии вирусных статей утверждалось, что НАСА обнаружило частицы из другой параллельной вселенной, в которой время идет вспять. Эти утверждения были неверны. Настоящая история гораздо более захватывающая и странная, она включает в себя путешествие внутрь Большого Взрыва и обратно.
Сенсационные заголовки запутали выводы малоизвестной статьи 2018 года, никогда не публиковавшейся в рецензируемом журнале, в которой утверждалось, что наша Вселенная может иметь зеркальное отражение во времени, вселенная-партнер, простирающаяся за пределы Большого взрыва. Если это так, и ряд других крайне маловероятных и диковинных гипотез окажутся правдой, утверждала газета, то это, в свою очередь, может объяснить загадочный сигнал, намекающий на то, что совершенно новая частица вылетает изо льда Антарктиды.
Связанный: 11 самых больших вопросов о темной материи без ответов американских СМИ, в том числе The New York Post.
Скриншоты показывают ложные заявления о «параллельной вселенной» в нескольких публикациях. (Изображение предоставлено: Иллюстрация Live Science)
«Зеркало» нашей вселенной
Чтобы понять, как The Daily Star пришла к своему странному, вирусному заявлению, необходимо понять утверждения двух отдельных статей 2018 года.
Первая статья Латама Бойла, физика из Института периметра в Онтарио, Канада и его коллеги предложили зеркальную вселенную — отражение нашей вселенной во времени. Он был опубликован в декабре 2018 года в журнале Physical Review Letters (после появления на сервере arXiv в марте того же года).
«Я думаю, что никто другой не понимает всего того, что они сочинили», — сказал Джон Лернед, астрофизик из Гавайского университета и соавтор второй статьи, основанной на теории Бойля.
Работа Бойля представляет собой своего рода пакет расширения, призванный затыкать дыры в теории, рассказывающей основную историю происхождения Вселенной: лямбда-холодная темная материя (ΛCDM).
ΛCDM объясняет космос, используя две ключевые идеи: Неизвестная темная энергия заставляет Вселенную расширяться. Отмотаем это расширение достаточно далеко назад во времени, и вся Вселенная окажется в одной точке пространства. Во-вторых, невидимая темная материя гравитационно притягивает материю во Вселенной, но не излучает света. Эта темная материя, по идее, составляет большую часть массы Вселенной.
«ΛCDM — практически единственная игра в городе», — сказал Лернед. «Во многих случаях это работает, но в моделировании есть несколько неприятных упущений».
Например, измерения расширения не совпадают во времени, так что измерения этого расширения на основе данных из ранней Вселенной не совпадают с измерениями с использованием данных из современной Вселенной. Кроме того, ΛCDM не может объяснить, почему материя вообще существует, поскольку она предсказывает, что материя и антиматерия образовались бы с одинаковой скоростью после Большого взрыва и аннигилировали друг друга, не оставив после себя ничего.
Связанный: Большой взрыв до настоящего времени: снимки нашей вселенной во времени (открывается в новой вкладке)
Новая вселенная Бойла и его коллег разворачивает историю ΛCDM еще дальше во времени, погружаясь в сингулярность в самом начале времени и выходит с другой стороны.
Вот как команда Бойля видит свою теорию: «Представьте сегодняшнюю Вселенную как широкий плоский круг, расположенный поверх вчерашнего чуть меньшего круга, который находится поверх еще меньшего круга, существовавшего накануне», — сказал Бойль.
(Изображение предоставлено Меган МакКартер)
Сложите все круги от сегодняшнего дня до Большого Взрыва, и вы получите конус, стоящий на острие.
(Изображение предоставлено Меган МакКартер)
Когда астрономы смотрят вглубь космоса, они эффективно оглядываются назад во времени. Самая далекая галактика, которую мы можем видеть, GN-z11, кажется нам такой, какой она существовала 13,4 миллиарда лет назад, или 400 миллионов лет после Большого взрыва.
До этого у Вселенной был «темный век», длившийся миллионы лет, когда ничего достаточно яркого, чтобы мы могли видеть, не образовалось. До этого Вселенная произвела самое древнее явление, которое мы можем видеть: космический микроволновый фон (CMB), который сформировался через 370 000 лет после Большого взрыва, когда Вселенная остыла из горячей непрозрачной плазмы.
Телескопы ничего не видят до реликтового излучения.
Взгляд в прошлое таким образом, сказал Бойль, подобен взгляду сквозь космологический конус.
(Изображение предоставлено Меган МакКартер)
(открывается в новой вкладке)
С этой точки зрения история ΛCDM заканчивается тем, что вселенная объединяется в единую точку, скрытую за реликтовым излучением. Теория Бойля рассматривает непрозрачную стену, которую формирует реликтовое излучение с течением времени, и делает другой вывод о том, что скрывает реликтовое излучение.
Стандартная точка зрения, сказал он, состоит в том, что первая крошечная доля секунды после Большого Взрыва была более или менее «большой неразберихой», которую современные физические уравнения с трудом объясняют. Мы не можем видеть, что произошло в тот момент, поскольку оно скрыто ниже реликтового излучения с нашей точки зрения на конусе. В космологии ΛCDM эта первая мгновенная глава в истории вселенной хаотична и трудна для понимания.
Но реликтовое излучение не такое хаотичное. Его простая структура, согласно ΛCDM, возникла после интенсивного процесса выравнивания, который стер этот хаос к концу первой секунды Вселенной. Аккуратная вселенная, которая, как считается, возникла из этого короткого беспорядка, запечатлена в реликтовом излучении.
Связанный: Что это? Ответы на ваши вопросы по физике:
«Нам было интересно исследовать более простую картину, где вы принимаете доказательства за чистую монету», — сказал он. «Вы говорите: «Хорошо, мы не можем видеть весь путь до Взрыва, но мы можем смотреть чертовски близко, и как бы близко мы ни смотрели, все выглядит очень просто. Что, если мы примем эти наблюдения за чистую монету?»
Это видение пространства-времени все еще имеет Большой Взрыв, скрывающийся за реликтовым излучением, сказал он.
Но «это намного проще, чем большинство сингулярностей, возникающих в теории гравитации Эйнштейна», — сказал он. «Это особый тип сверхпростой сингулярности, где вы можете проследить решение [уравнений, управляющих пространством-временем] через сингулярность».
В то время как наблюдения не уходят дальше реликтового излучения, обычные космологические модели уходят немного дальше назад, но все же имеют тенденцию резко останавливаться на Большом взрыве. Не в схеме Бойля.
«Вы обнаружите, что она экстраполируется, она расширяется — она аналитически продолжается, как сказали бы физики, до этого двойного конуса», — сказал он, имея в виду вторую вселенную, простирающуюся от Большого взрыва во времени
(Изображение предоставлено Меган МакКартер)
«Кажется, это естественное и простейшее расширение уравнений, описывающих Вселенную такой, какой мы ее видим», — сказал он.
Эта вселенная, которая находится внутри «второго конуса», находится слишком далеко в пространстве-времени, чтобы мы могли ее увидеть. По словам Лирнед, может показаться, что время там бежит вспять по сравнению с нашей системой отсчета. Но существа в той вселенной все равно увидят причину, предшествующую следствию, как и мы в нашей. Время убегает от Большого Взрыва в этой вселенной, как и в нашей. «Вдали от Большого взрыва» в этой вселенной — это направление, противоположное направлению времени в нашей вселенной. но он не работает «назад», как мы могли бы себе представить.
Связанный: 5 причин, по которым мы можем жить в мультивселенной
Наша вселенная существует по другую сторону древней истории этой вселенной, а та вселенная существует по другую сторону от нашей.
«Состояние нулевой частицы»
У нас нет доказательств того, что эта отраженная вселенная существует, сказал Бойль.
Однако, сказал он, «как только вы это сделаете, окажется, что эта вселенная имеет дополнительную симметрию, которую вы не видели, когда просто смотрели на верхнюю половину конуса».
Симметрии «звонят в колокол» для физиков, сказал Бойль. Они предполагают более глубокую истину.
И эта вселенная с двойным конусом может, в свою очередь, помочь восстановить трещину в симметрии, которая годами беспокоила физиков.
Рассматриваемая симметрия, известная как симметрия Заряда, Четности, Времени (CPT), утверждает, что если вы превратите частицу в ее двойника из антиматерии — скажем, электрон в позитрон — или сделаете ее правовинтовой, а не левовинтовой, или переместите ее назад во времени, а не вперед, эта частица все равно должна вести себя так же и подчиняться тем же законам, что и до того, как ее перевернули. (Правосторонний или левосторонний относится к вращению частицы и направлению движения.)
«Все думали, что это фундаментальные симметрии, от которых невозможно избавиться», — сказал Лернед.
В конце концов, в 1956 году физик из Колумбийского университета Чиен-Шиун Ву провел эксперимент, который установил, что СРТ-симметрия не является абсолютной. (Два коллеги-мужчины, которые предложили Ву основную идею, получили Нобелевскую премию 1957 года за ее открытие, но она была исключена. )
Эксперимент Ву показал, что буква «С» в СРТ-симметрии несовершенна. А дальнейшие эксперименты показали, что некоторые частицы разбивают и «С», и «Р». Но, несмотря на трещину, большинство физиков считают, что симметрия СРТ в целом сохраняется, и не было найдено ни одной частицы, которая нарушала бы все три элемента этой симметрии. На уровне частиц Вселенная кажется СРТ-симметричной.
Но ΛCDM-модели самой Вселенной не хватает СРТ-симметрии, и, как следствие, ее «состояние с нулевыми частицами», природа пространства-времени, очищенного от частиц, неопределенна. Это означает, что в масштабе всего пространства симметрия СРТ нарушается.
Бойль говорит, что его модель сохраняет СРТ-симметрию Вселенной в отличие от космологии ΛCDM. Добавьте второй конус к пространству-времени, и состояние нулевой частицы перестанет быть неопределенным. Асимметрия СРТ Вселенной исправлена.
«Мы подумали: «Подождите минутку. Казалось, что Вселенная нарушила СРТ-симметрию, но на самом деле мы просто не видели всей картины», — сказал он. Если Вселенная действительно СРТ-симметрична, если она действительно состоит из двух пространственно-временных конусов, а не из одного, что это будет означать для остальной физики?
Правда, стоящая за тем, что на самом деле обнаружили эти «ученые НАСА»
Наиболее практическим следствием СРТ-симметричной Вселенной является простое объяснение темной материи.
Один из популярных наборов теорий о невидимых вещах основан на существовании некоего необнаруженного четвертого типа нейтрино, часто называемого стерильным нейтрино. СРТ-симметрия Бойля, по-видимому, указывает в этом направлении. Все три известных вида нейтрино — электронное, мюонное и тау-нейтрино — левые. Это означает, что они летают без подходящего партнера-правши. Стандартная модель предполагает, что, в отличие от других частиц, у нейтрино нет таких партнеров. Но СРТ-симметричная вселенная с этим не согласна, указывая на то, что у них должны быть такие партнеры.
Бойль и его коллеги обнаружили, что их космология предполагает существование правого партнера в нашей Вселенной для каждого левого нейтрино в Стандартной модели. Но, в отличие от левых и правых кварков, эти левые и правые зеркальные частицы не будут слипаться. наш взгляд на очень раннюю Вселенную. Однако третий партнер-правша остался бы здесь — следствие уравнений, определяющих начало времени.
Неясно, с каким из трех известных нейтрино он мог быть партнером, сказал Бойл. Но у него была бы определенная энергетическая характеристика: 480 пикоэлектронвольт (ПэВ), мера массы частицы. И это нейтрино с энергией 480 ПэВ может объяснить всю недостающую темную материю во Вселенной.
Детали того, как СРТ-симметричная Вселенная приводит к нейтрино с энергией 480 ПэВ, сложны — настолько сложны, сказал Лернед, что лишь немногие физики, кроме Бойля и его команды, вообще их понимают.
«Но эти ребята не психи», сказал он. «Они уважаемые члены поля, и они знают, что делают. Верна ли вся эта сложная теория поля или нет, я не могу сказать».
Тем не менее, предсказание о частице с энергией 480 ПэВ выскочило из головы.
Четыре года назад детектор частиц, подвешенный на воздушном шаре над Антарктидой, обнаружил то, что физика не могла объяснить: дважды, как ранее сообщал Live Science, инструмент Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) улавливал сигналы высокоэнергетических частиц, которые, казалось, стрелять прямо из антарктического льда. (Большинство исследователей, участвующих в ANITA, не являются «учеными НАСА», но проект получает финансирование от НАСА.)
Исследователи готовятся к запуску Антарктической Импульсной Переходной Антенны (ANITA), которая уловила сигналы кажущихся невозможными частиц, когда она свисала с шара над Антарктидой. (Изображение предоставлено НАСА)
Таких частиц не должно быть. Ни одна из известных частиц Стандартной модели не должна была быть в состоянии пролететь сквозь Землю и вырваться с другой стороны при таких высоких энергиях, но это то, что ANITA, похоже, обнаружила.
По состоянию на июнь 2020 года наиболее популярным объяснением является то, что ANITA обнаружила стерильные нейтрино. Лернед, который участвовал в первые дни проекта ANITA, понял, что цифра 480 ПэВ прекрасно согласуется с выводами ANITA.
Если частицы действительно пришли из космоса, а затем проникли сквозь Землю, вызвав аномалию, они должны были распасться прямо под поверхностью Антарктики, породив поток более легких частиц, которые обнаружила ANITA, всплывающих изо льда. Нейтрино темной материи Бойля с энергией 480 ПэВ точно вписывается в диапазон масс, который может объяснить распад загадочной частицы ANITA.
Лернед и группа из четырех других исследователей разработали схему, в которой нейтрино из темной материи с энергией 480 ПэВ могли провернуть этот трюк, который они описали в статье 2018 года под названием «Происходящие события ANITA как свидетельство существования симметричной Вселенной СРТ» и публикуется в базе данных arXiv. Это газета, которую The Daily Star превратила в запутанный заголовок.
Если бы частица ANITA действительно соответствовала схеме Бойля, это было бы большим весом на весах в пользу космоса с двумя конусами, сказал Лернед. Но это далеко не так. Важнейшую задачу, которую им предстояло решить: подвести частицу достаточно близко к Антарктиде. Модели показывают, что частицы-кандидаты в темную материю, подобные этому нейтрино с энергией 480 ПэВ, упадут в центр Земли вскоре после того, как столкнутся с нашей планетой, не оставив ни одной частицы достаточно близко, чтобы вызвать аномалию ANITA.
Эти исследователи утверждали, что, возможно, недавнее столкновение с огромным невидимым диском темной материи всколыхнуло земные нейтрино с энергией 480 ПэВ, оставив некоторых блуждать вблизи поверхности нашей планеты.
Поэкспериментировать с этой идеей было интересно, сказал Лернед, но даже его собственная статья не убедила его.
«Это было нашим слабым оправданием, мы не думали о каком-либо другом хорошем способе выполнить работу [подвести нейтрино Бойля достаточно близко к Антарктиде, чтобы сработали датчики ANITA]», — сказал Лернед. он считает, что его выводы, безусловно, ошибочны, сказал он.
«Среди космологов бытует… идея, что вы можете использовать «зубную фею» один раз в своей космологической модели, но дважды, просто неправдоподобна», — сказал он. «И я думаю, что зубная фея нам понадобилась два или три раза, чтобы это сработало, так что ладно».
Бойль согласился. Хотя идея использовать идеи его команды для объяснения ANITA была привлекательной, он сказал, что цифры не совсем сходятся. Но он по-прежнему уверен, что основная идея СРТ-симметричной вселенной верна.
«Моя личная догадка такова, что независимо от того, правильно это или нет, это на правильном пути», — сказал он. «Я очень взволнован этим».
Примечание редактора: эта статья была обновлена 23 июня 2020 г. в 20:40 по восточноевропейскому времени, чтобы исправить местоположение Института периметра, который находится в Онтарио, Канада, а не в Альберте. Кроме того, описания космологии ранней вселенной и «состояния нулевой частицы» были обновлены уточняющими формулировками.
- . 18 самых больших неразрешенных загадок в физике
- 5 Причины, которые мы можем жить в мультиверсельной
- . 11 самых больших вопросов без ответа о темной материи
- Самые крошечные частицы природы. Наука .
(откроется в новой вкладке)
ПРЕДЛОЖЕНИЕ: Сэкономьте 45% на «Все о космосе», «Как это работает» и «Все об истории»! (откроется в новой вкладке)
В течение ограниченного времени вы можете оформить цифровую подписку на любой из наших самых продаваемых научных журналов (откроется в новой вкладке) всего за 2,38 доллара США в месяц или со скидкой 45 % от стандартной цены в течение первых трех месяцев.
