A-01 Лекция-03. Структура и масштабы Вселенной. Современные проб. Московский образовательный комплекс запад современные проблемы астрономии (человечества)
 Скачать 2.56 Mb.
|
|
Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ АСТРОНОМИИ (ЧЕЛОВЕЧЕСТВА) Преподаватель Красин И.Г. Гравитация (сила притяжения, обнаружение гравитона). Антигравитация (сила отталкивания, обнаружение антигравитона). Ускоренное расширение Вселенной (теория Большого взрыва, модель расширяющейся Вселенной – модель горячей Вселенной, видимая материя 5%). «Темная» материя (25%, недоступна для наблюдения). «Темная» энергия (70%, участвует в гравитационном взаимодействии, влияет на скорость расширения Вселенной). Поиски жизни и разума: Обнаружение жизни за пределами Земли. Обнаружение экзопланет. Обнаружение внеземной цивилизации. Проблемы контакта с внеземными цивилизациями. Ускорение технологического прогресса (экспоненциальный рост коммуникационных возможностей). Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД Космическая эволюция – падение в сингулярность (сингулярность, как завершение эволюционного периода): Протобиологический период (момент появление живой клетки). Биологический период (сингулярность синтеза). Социальный период (сингулярность адаптации). Постсоциумный период (технологическая сингулярность): возникновение искусственного интеллекта, искусственной жизни, искусственного синтеза. 1. Гравитация (сила притяжения, обнаружение гравитона). В астрофизике произошло событие, которого ждали десятилетия. После полувека поисков наконец-то открыты гравитационные волны, колебания самого пространства-времени, предсказанные Эйнштейном сто лет назад. 14 сентября 2015 года обновленная обсерватория LIGO зарегистрировала гравитационно- волновой всплеск, порожденный слиянием двух черных дыр с массами 29 и 36 солнечных масс в далекой галактике на расстоянии примерно 1,3 млрд световых лет. Гравитационно- волновая астрономия стала полноправным разделом физики; она открыла нам новый способ наблюдать за Вселенной и позволит изучать недоступные ранее эффекты сильной гравитации. Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД Рис. 2. Тесная пара черных дыр за мгновение до слияния. Антигравитация (сила отталкивания, обнаружение антигравитона). Антигравитация — предполагаемое противодействие вплоть до полного гашения или даже превышения гравитационного притяжения гравитационным отталкиванием. Проблема возможности антигравитации напрямую связана с проблемой возможности гравитационного отталкивания как такового. В настоящий момент вопрос существования антигравитации остаѐтся открытым, в том числе и потому, что природа гравитации находится на начальной стадии изучения Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД Рис. 3. Гравитационно-волновой детектор в Ханфорде — один из двух детекторов обсерватории LIGO. Изображение из статьи M. Mitchell Waldrop, 2016 Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД 2. Ускоренное расширение Вселенной (теория Большого взрыва, модель расширяющейся Вселенной – модель горячей Вселенной, видимая материя 5%). Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД Ускорение расширения Вселенной — обнаруженное в конце 1990-х годов уменьшение светимости экстремально удалѐнных «стандартных свечей» ( сверхновых типа Ia), интерпретированное как ускорение расширения Вселенной. Расстояния до других галактик определяются измерением их красного смещения. По закону Хаббла, величина красного смещения света удалѐнных галактик прямо пропорциональна расстоянию до этих галактик. Соотношение между расстоянием и величиной красного смещения называется параметром Хаббла (или, не совсем точно, постоянной Хаббла). Однако, само значение параметра Хаббла требуется сначала каким- нибудь способом установить, а для этого нужно измерить значения красного смещения для галактик, расстояния до которых уже вычислены другими методами. Для этого в астрономии применяются «стандартные свечи», то есть объекты, светимость которых известна. Лучшим типом«стандартной свечи» для космологических наблюдений являются сверхновые звѐзды типа Ia. Они обладают очень высокой яркостью и вспыхивают только тогда, когда масса старой звезды типа «белый карлик» достигает предела Чандрасекара, значение которого известно с высокой точностью. Следовательно, все вспыхивающие сверхновые типа Ia, находящиеся на одинаковом расстоянии, должны иметь почти одинаковую наблюдаемую яркость; при этом желательно делать поправки на вращение и состав исходной звезды. Сравнивая наблюдаемую яркость сверхновых в разных галактиках, можно определить расстояния до этих галактик. Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД «Темная» материя (25%, недоступна для наблюдения). На заре космологии – науки, изучающей Вселенную, – было принято считать, что ученые часто ошибаются в мелочах, но никогда не сомневаются глобально. В наше время ошибки в расчетах удалось свести к минимуму, а вот сомнения разрослись до размеров изучаемого объекта. Десятилетиями космологи строили новые телескопы, придумывали хитроумные детекторы, задействовали суперкомпьютеры и в результате с уверенностью могут утверждать, что Вселенная зародилась 13820 миллионов лет назад из крошечного пузырька в пространстве, по размеру сравнимого с атомом. Впервые ученые с точностью до десятой доли процента Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД создали карту космического микроволнового фона – реликтового излучения, возникшего через 380 тысяч лет после Большого взрыва. До сих пор неизвестно, что такое темная материя. Темная энергия – еще большая загадка. Космологи также пришли к выводу, что видимые нам звезды и галактики составляют всего 5% от состава наблюдаемой Вселенной. Большая часть приходится на невидимые темную материю (27%) и темную энергию (68%). По предположению ученых, темная материя формирует структуру Вселенной, связывая воедино разбросанные по разным ее уголкам сгустки материи, хотя до сих пор неизвестно, что такое эта самая темная материя. Темная энергия – еще б?льшая загадка, этим термином принято обозначать неведомую силу, ответственную за постоянно ускоряющееся расширение Вселенной. Первым намеком на существование всепроникающей темной материи стали исследования швейцарского астронома Фрица Цвикки. В 1930-е годы в обсерватории Маунт-Вилсон на юге Калифорнии Цвикки измерял скорости галактик в скоплении Волосы Вероники, вращающихся относительно центра скопления. Он пришел к выводу, что галактики должны были давно разлететься в космическом пространстве, если бы их не удерживала какая-то невидимая человеческому глазу материя. Скопление Волосы Вероники существует как единое целое уже миллиарды лет, из чего Цвикки заключил, что неведомая «темная материя заполняет Вселенную с плотностью, в разы превосходящей ее видимого собрата». Дальнейшие исследования показали, что гравитационное поле темной материи сыграло решающую роль в образовании галактик на первых этапах существования Вселенной – именно сила притяжения собрала воедино облака «строительного материала», жизненно необходимого для рождения первых звезд. Темная материя – не просто замаскировавшаяся обыкновенная барионная (состоящая из протонов и нейтронов) материя: в космическом пространстве ее попросту слишком мало. Безусловно, есть множество небесных тел, ничего не излучающих: черные дыры, тусклые карликовые звезды, холодные скопления газа и планеты-сироты, по какой-то причине вытолкнутые за пределы родных звездных систем. Однако их суммарная масса никак не может более чем Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД пятикратно превышать массу обычной видимой материи. Это дает ученым основание полагать, что темная материя состоит из каких-то более экзотических частиц, пока не наблюдавшихся в экспериментах. Ученые, занимающиеся построением суперсимметричной квантовой теории, предположили существование различных частиц, которые вполне могут подходить на роль заветной темной материи. Подтверждение того, как слабо темная материя взаимодействует не только с барионной, но и с самой собой, космологи обнаружили в трех миллиардах световых лет от Земли в скоплении Пуля, на самом деле являющемся двумя сталкивающимися друг с другом галактическими скоплениями. Астрономы выявили массивные облака горячего газа в центре скопления, которые обычно образуются при столкновении облаков барионной материи. Для дальнейшего изучения исследователи создали карту гравитационного поля скопления Пуля и идентифицировали две области с высокой концентрацией массы поодаль от зоны столкновения – по одной в каждом из сталкивающихся галактических кластеров. Наблюдения показали: в отличие от барионной материи, бурно реагирующей в момент непосредственного контакта, их более тяжелые грузы из темной материи невозмутимо минуют место катастрофы в целости и сохранности, никак не взаимодействуя с царящим в округе хаосом. Конструируемые учеными детекторы для поиска темной материи невероятно изящны с инженерной точки зрения – тут они чем-то напоминают яйца Фаберже, от одного взгляда на которые даже у мастеров-ювелиров захватывает дух. Один из таких детекторов – магнитный альфа-спектрометр стоимостью два миллиарда долларов, установленный на Международной космической станции, ведет сбор данных о возможных столкновениях частиц темной материи друг с другом. Большинство же детекторов нацелены на поиск следов взаимодействия между частицами темной и барионной материи, и попытки зафиксировать их предпринимаются уже на Земле, а точнее, под землей: для минимизации помех, вносимых прилетающими из космического пространства высокоэнергетическими частицами космических лучей, размещать исследовательские комплексы приходится глубоко под земной поверхностью. Детекторы представляют собой массивы кристаллов, охлажденных до сверхнизких температур, другие выглядят как огромные емкости, заполненные жидким ксеноном или аргоном, окруженные датчиками и упакованные в многослойную «луковицу» – обертку из самых разных (от полиэтилена до свинца и меди) экранирующих материалов. Интересный факт: недавно выплавленный свинец обладает небольшой радиоактивностью, Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД что недопустимо при строительстве высокочувствительных детекторов. В экспериментах используется переплавленный свинцовый балласт, который подняли с затонувших кораблей времен Римской империи. За два тысячелетия, которые металл пролежал на дне моря, его радиоактивность заметно снизилась. Вам кажется, что по поводу темной материи полно вопросов? Сущие пустяки по сравнению с нашими представлениями о загадочной темной энергии! Лауреат Нобелевской премии по физике 1979 года Стивен Вайнберг считает ее «центральной проблемой современной физики». Астрофизик Майкл Тѐрнер ввел в обиход термин «темная энергия», после того как две группы астрономов в 1998 году объявили об открытии ускоряющегося расширения Вселенной. Они пришли к такому выводу в процессе изучения сверхновых звезд типа Ia, обладающих одинаковой максимальной светимостью, благодаря чему их можно использовать для измерения расстояний до удаленных галактик. Гравитационное взаимодействие между галактиками в их скоплениях должно ограничивать расширение Вселенной, и астрономы ожидали увидеть замедление скорости изменения расстояний между звездными кластерами. Представьте их удивление, когда они выяснили, что все как раз наоборот: Вселенная расширяется, и скорость расширения со временем возрастает. А начался этот процесс, как предполагают ученые, пять-шесть миллиардов лет назад. В последние годы астрономы заняты тщательным картированием Вселенной с беспрецедентно ысокой точностью. Это поможет получить больше информации о точном моменте возникновения темной энергии и определить, остается ли она постоянной или изменяется со временем. Но возможности телескопов и цифровых детекторов небезграничны, а значит, чтобы вывести более точную космологическую теорию, необходимо разработать и построить новые инструменты – принцип остается неизменным с момента зарождения астрономии. Для построения такой карты запущено несколько проектов вроде «Спектроскопического обзора барионных осцилляций» (BOSS, Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), в рамках которого при помощи 2,5-метрового телескопа в американской обсерватории Апачи-Пойнт ведется измерение расстояний в космосе со сверхвысокой (до процента) точностью. Проект «Обзор темной энергии» (DES, Dark Energy Survey) занимается сбором и изучением информации о 300 миллионах (!) галактик, наблюдения ведутся на 4-метровом телескопе имени Виктора Бланко, расположенном в чилийских Андах. Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД Европейское космическое агентство ESA на 2020 год планирует запуск орбитального телескопа «Евклид», который позволит заглянуть в прошлое и понять, как менялась динамика расширения Вселенной на протяжении нескольких миллиардов лет. А с запуском Большого обзорного телескопа (LSST, Large Synoptic Survey Telescope), строящегося в нескольких километрах от телескопа Бланко, у космологов появятся огромные массивы уникальных данных. Относительно небольшой (диаметр зеркала – 8,4 метра), но достаточно быстрый при съемке, LSST будет оснащен сверхсовременной цифровой камерой в 3,2 гигапикселя, позволяющей разом охватить изрядную часть неба. С помощью такого арсенала технически сложных инструментов ученые надеются измерить скорость расширения Вселенной, выяснить, изменилась ли она с момента возникновения темной энергии, и понять, каково место последней в устройстве мироздания. Это позволит сделать выводы ни много, ни мало о том, что ждет Вселенную в будущем и о том, Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД как нам продолжить ее изучение. Если она будет расширяться со все возрастающей скоростью, всецело находясь во власти темной энергии, большинство галактик окажутся отброшенными из поля зрения друг друга, не оставив астрономам будущего ни одного объекта для наблюдения, кроме ближайших соседей и зияющей космической бездны. Фото: Роберт Кларк Сделать невозможное. В чистой максимально изолированной лаборатории Стэнфордского университета помощник профессора Джон Марк Крейкебаум проводит осмотр кремниевых дисков, с помощью которых, возможно, удастся засечь доселе неуловимый след частиц темной материи. По предположениям ученых, эти частицы окружают нас повсюду, однако доказать их существование с помощью эксперимента пока не удалось. Для исключения помех от высокоэнергетических космических лучей детекторы размещают в специальных шахтах глубоко под землей. «Чем выше чувствительность Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД конструируемого детектора, тем больше с его помощью можно увидеть», — говорит сотрудник Стэнфордского университета Мэтт Черри. Фото: Роберт Кларк Первые в гонке за темной материей. DEAP-3600 (Dark Matter Experiment Using Argon Pulse-Shape Discrimination — «Эксперимент по обнаружению темной материи при помощи измерения пульсации аргона») — один из самых чувствительных инструментов, созданных для обнаружения частиц темнойматерии. Сферическую конструкцию, состоящую из детекторов света, направленных на заполненную жидким Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД аргоном емкость, установили в прошлом году глубоко под землей в полуторакилометровой никелевой шахте в Онтарио. Ученые надеются засечь взаимодействие частиц темной материи с атомами аргона, в результате чего должны образоваться слабые вспышки света. Их-то и зафиксирует окружающая аргоновую емкость. Фото: Компьютерное моделирование:Стефан Хесс и Франциско-Шу Китаура, Потсдамский астрофизический институт. Графическое изображение: Том Эйбл и Ральф Кейлер Фото Невидимые нити мироздания. Мы не можем наблюдать темную материю, однако создаваемая ею гравитация формирует облик нашей Вселенной — и ее мы видим. Суперкомпьютер создал изображение на основе данных о гравитационном поле: «паутина» темной материи с развешанными на ней гроздьями из галактических скоплений в местах пересечения гигантских темных нитей. Одно только созвездие Девы стало пристанищем для тысяч галактик. «Темная» энергия (70%, участвует в |