6 главных направлений в современной космологии

Сохранить в закладки
8410
21
Сохранить в закладки

Астрофизик Олег Верходанов о проверке теории инфляции и поиске темной материи и неизвестных скоплений галактик

Загадок во Вселенной много. Теоретики-космологи работают, пожалуй, со всеми из них, а наблюдатели — с тем, что можно проверить. Среди наблюдателей есть астрономы и экспериментаторы-физики в области элементарных частиц. Астрономы занимаются шестью базовыми программами.

I. Теория инфляции и первичные гравитационные волны

Первое — это проверка теории инфляции, экспоненциально ускоренного сверхсветового расширения Вселенной в самую раннюю эпоху, то есть исследование того, что происходило в первые 10–35 секунды существования Вселенной. Ноль, запятая и тридцать пять нулей — такая маленькая часть от секунды, когда Вселенная — раз! — и появилась. Этот «раз!» можно проверить по данным реликтового излучения.

, что неоднородности, которые видны в реликтовом излучении, еще дополнительно порождают неоднородности в так называемой вихревой моде поляризации. Свет имеет различные моды поляризации. Свет — это электромагнитная волна, и волны могут колебаться в определенной плоскости. Долю электромагнитных волн, колеблющихся в определенной плоскости, можно обнаружить — это выделенная плоскость поляризации, и уровень такой поляризации можно измерить. Одна из таких мод поляризаций — вихревая. Она связана с волнами искривления пространства, которые возникли в самый ранний момент времени.

Телескоп Южного полюса (слева) и телескоп BICEP2 (справа)
Телескоп Южного полюса (слева) и телескоп BICEP2 (справа)
И случилось так, что посчитали, будто эти гравитационные волны открыты. По интернету даже прошел ролик, в котором члены коллаборации BICEP2 стучатся к Андрею Линде, одному из создателей теории инфляции, и открывают шампанское. Инфляция найдена, это великое открытие, и мы думаем, что наши соотечественники Андрей Линде и Алексей Старобинский — будущие нобелевские лауреаты.

Но открытие не подтвердилось. Оказывается, компоненты радиоизлучения нашей Галактики мимикрируют под гравитационные волны. Есть гигантские магнитные поля размером с нашу Галактику — именно такие масштабы должны иметь свойства поляризации, подобные искомым в реликтовом излучении, связанные с первичными гравитационными волнами. Ведь то, что было очень маленьким, стало размером со всю Вселенную. Наша Галактика вокруг нас — это тоже проекция на сферу, как будто размером со всю Вселенную. Поляризационные свойства этих объектов разной природы, оказывается, очень похожи.

Это обнаружили с помощью спутника Planck. Стало понятно, куда эксперименту BICEP двигаться дальше. Нужна многочастотность, а сейчас там три частоты. Эксперимент BICEP3 продолжается с лучшими приемниками. Ожидается, что в течение пяти лет будет получен внятный результат. Как предполагают ученые, этот эксперимент либо закроет теорию инфляции, либо подтвердит ее.

Но это не единственный эксперимент. Китайские ученые в Тибете готовят соответствующий эксперимент. Европейцы обсуждали спутник [tooltip word="COrE» text="Cosmic Origins Explorer"], но не смогли найти деньги в Европейском космическом агентстве, поэтому обратились к индийским инвесторам. Если найдется финансирование, эксперимент COrE будет запущен.

II. Изменение влияния темной энергии

Если мы имеем гигантский набор данных по сверхновым на разных красных смещениях, мы можем посмотреть детали изменения влияния темной энергии в различные космологические эпохи. И тогда мы можем что-то сказать об этой силе, действующей на всю Вселенную в целом. Но для этого нам нужно постоянно следить за небом, искать [tooltip word="сверхновые типа 1a» text="подкатегория сверхновых звезд — результат взрыва белого карлика"] — это двойные системы, где есть белый карлик — стандартная звезда — и вторая звезда, с которой перетекает газ, и через некоторое время белый карлик взрывается. Масса стандартная, вспышка практически стандартная — получается стандартная свеча. В этих условиях мы можем оценивать расстояние и скорость расширения Вселенной в соответствующую эпоху. Такие эксперименты идут сейчас и могут пролить свет на природу темной энергии. Проблема состоит только в том, что таких стандартных свеч зафиксировано мало и ничтожно мало их на красных смещениях больше 1,5, когда возраст Вселенной был меньше 4 миллиардов лет.

III. Темная материя

Наряду с темной энергией, представляющей некоторое воздействие на большие масштабы Вселенной (более 200 миллионов световых лет), есть и другая загадочная субстанция, которую исследуют астрофизики и физики, — это темная материя. Темная материя — это, скорее всего, вещество, состоящее из нейтральных частиц. «Скорее всего» — потому что точно мы этого не знаем. Оно не участвует в электромагнитных взаимодействиях, и его влияние наблюдается на масштабах галактик и бо́льших объектов — скоплений галактик и крупномасштабной структуры. Есть несколько эффектов, которые позволяют увидеть распределение темной материи в пространстве — это искривление самого пространства и в результате искажение изображений галактик гигантскими гравитационными линзами — скоплениями галактик. Распределение темной материи можно увидеть и по вращению спиральных галактик — по распределению скоростей звезд. В крупномасштабной структуре Вселенной все видимое вещество следует распределению темной материи, которой примерно в 5–6 раз больше, чем видимой. По данным наблюдений взаимодействия скоплений галактик, в которых облака темной материи прошли сквозь друг друга, а межгалактический газ не провзаимодействовал (как в скоплении Пуля), а также по наблюдениям неодинакового соотношения массы видимого и темного вещества в разных галактиках и скоплениях можно предположить, что темная материя — это не явление поправки к закону притяжения Ньютона, а какой-то вид вещества.

Свойства темной материи изучают астрофизики, например, с помощью карликовых галактик, где возможно проверить, является ли она комбинированной: холодной и теплой, или только холодной, или она многокомпонентна и включает небольшие черные дыры, которые мы почему-то не видим в эффектах микролинзирования. Темную материю ищут и физики: они ставят эксперименты по поиску новых частиц, дополняющих Стандартную модель, например аксионов или стерильных нейтрино. Может быть, лет через десять-двадцать мы узнаем, что это.

IV. Первые звезды

Третий тип наблюдательных экспериментов у астрофизиков — это поиск первых звезд. Оказалось, что можно за маленькие деньги сделать большие открытия. Так открыли вклад первых звезд. Первые звезды были, и это мы независимо знаем из данных реликтового излучения, так как они поляризовали его. Выше мы говорили о вихревой моде поляризации, а есть еще электрическая мода поляризации. Она связана с определенным колебанием электронов и влиянием их на фотоны реликтового излучения. Сами свободные электроны образуются при вторичной ионизации водорода за счет ультрафиолетового излучения первых звезд.

Этот эффект хорошо просчитан, вклад его в реликтовое излучение понятен. По реликтовому излучению решили обратную задачу, определив, что первые звезды образовались спустя 200–400 миллионов лет после Большого взрыва. Но оказалось, что независимо можно посмотреть в других диапазонах, например в метровом диапазоне, где за счет красного смещения удается увидеть излучение нейтрального водорода. Сейчас готовится много подобных экспериментов. Серьезная проблема таких экспериментов — излучение нашей Галактики, которое может привести к путанице при отождествлении источника сигнала. Поэтому результаты измерения излучения в метровом диапазоне, интерпретируемого в рамках модели первых звезд, вызывают широкие дискуссии.

Кроме того, потенциально можно увидеть и взрывы первых звезд в субмиллиметровом диапазоне, куда попадет бо́льшая часть излучения за счет красного смещения. Такие эксперименты обсуждались в программе радиоинтеферометра ALMA (ESO, Чили).

V. Куда делось антивещество?

Есть еще одна серьезная необъяснимая космологическая загадка, тоже уровня Нобелевской премии, — барионная асимметрия. Мы все состоим из вещества. А как образовалось это вещество? И где антивещество? Почему из ожидаемого симметричного состояния инфлатонного поля, из которого родилась Вселенная, получилось асимметричное распределение вещества? Вещество и антивещество проаннигилировали, образовали фотоны реликтового излучения, которые спустя 380 тысяч лет отделились от вещества и стали лететь свободно. А остатки после аннигиляции, одна миллиардная часть исходной материи, — это и есть наше видимое вещество. Куда делось антивещество — неизвестно. Намеки есть в физике элементарных частиц, но они не проверены.

Теорий может быть много, а проверка должна быть только одна — экспериментальная, на ускорителе частиц. Особенность состоит в том, что непонятно, как можно сгенерировать инфлатонное поле и проверить распад на вещество и антивещество — это уже нестандартная физика, то, что находится за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц. Но мы знаем, что стандартная физика элементарных частиц неполна. Она не работает, например, при объяснении [tooltip word="осцилляции нейтрино» text="почему один тип нейтрино превращается в другой"], темной материи, темной энергии и барионной асимметрии. В стандартной физике элементарных частиц еще есть что исследовать.

VI. Поиск скоплений галактик

Мы знаем очень мало скоплений галактик, если сравнивать с ожидаемыми модельными оценками. Их должно быть свыше ста тысяч, а мы сейчас знаем около двух тысяч. Где остальные?

Скопления галактик, их физические свойства и пространственное распределение используются для независимых оценок космологических параметров по нескольким направлениям. Например, для них строится двухточечная корреляционная функция, которая позволяет обнаружить выделенные масштабы, связанные с неоднородностями эволюционирующей плотности вещества в раннюю эпоху (этот механизм называют барионными или сахаровскими осцилляциями). По форме этой функции можно определить космологические параметры. По данным обзора BOSS, проводимого в рамках оптического Слоановского цифрового обзора неба (SDSS), измеренные космологические параметры совпадают с результатами космической миссии Planck с очень хорошей точностью. С другой стороны, по данным рентгеновских измерений параметров скоплений и применения их для космологии получаются значимые расхождения в определении параметров. Конечно, большинство исследователей придерживаются результатов не связанных между собой экспериментов Planck c измерениями реликтового излучения и BOSS с оптическими данными. Но различие с данными по SNIa нужно объяснять. Одно из основных направлений — собрать данные обо всех скоплениях и протоскоплениях галактик в видимой Вселенной.

У меня на компьютере терабайт данных космического эксперимента Planck, измеренных с точностью, которую на Земле не получить. Материала для исследований там хватит на много жизней вперед мне и тем, кто захочет с этими данными работать.

Сейчас я занимаюсь поиском скоплений галактик по эффекту Зельдовича — Сюняева в реликтовом излучении. Это эффект, связанный с изменением энергии фотона, когда он взаимодействует с энергичным электроном в скоплении галактик, отбирает у электрона энергию — это называется обратный Комптон-эффект — и переходит из миллиметрового диапазона в другой диапазон, субмиллиметровый. В одном диапазоне у нас не хватает фотонов в направлении на скопление галактик, а в другом больше.

Фото с космического телескопа «Хаббл»: скопление галактик PLCK G004.5-19.5, открытое по эффекту Зельдовича — Сюняева по данным миссии Planck
Фото с космического телескопа «Хаббл»: скопление галактик PLCK G004.5-19.5, открытое по эффекту Зельдовича — Сюняева по данным миссии Planck
Это позволяет находить скопления галактик по неоднородностям микроволнового фона. Но в каких направлениях? Для этой цели мы используем положение радиогалактик, обнаруженных в радиоастрономических обзорах. Радиогалактики появляются за счет слияний галактик, когда в центре новой галактики зажигается квазар и образуются струи плазмы. Такой объект становится сильным радиоисточником и указывает на повышенную плотность материи в пространстве — потенциальное местоположение скоплений галактик. Остается проверить наличие эффекта Зельдовича — Сюняева в этом месте на многочастотных картах реликтового излучения. Таким образом можно находить кандидатов в скопления галактик.

Над материалом работали

Читайте также

Внеси свой вклад в дело просвещения!
visa
master-card
illustration