Космическая инфляция: загадка первых мгновений Вселенной – Мир Знаний
Loading Posts...

Космическая инфляция: загадка первых мгновений Вселенной

В самом начале существования нашего мира с ним происходило нечто невероятное…

Наиболее удачная идея, описывающая начальные мгновения нашей Вселенной, исходит из того, что в первую триллионную долю секунды ее существования имела место так называемая инфляция (раздувание). Этот период можно вкратце охарактеризовать как рост Вселенной со скоростью, намного большей, чем скорость света, сопровождавшийся появлением неоднородностей, позже приведших к возникновению звезд и галактик. Сейчас ученые занимаются поиском доказательств инфляции, оставшихся в виде «ряби» пространства-времени, которую можно обнаружить в тусклом микроволновом излучении фона, путешествовавшем по Вселенной миллиарды лет. В прошлом году появилась надежда, что эту «рябь» удалось найти, но пока она все еще остается гипотезой. Возможность разрешения этих проблем и перспективы дальнейших поисков связываются с использованием космических телескопов, а также обсерваторий в Чили и на Южном полюсе.

Основы космологии

…Принято считать, что мы живем в расширяющейся Вселенной. Все галактики, которые мы видим (за исключением нескольких ближайших), удаляются друг от друга, и это означает, что у нашего мира было начало.

Все, что мы видим во Вселенной, мы видим таким, каким оно было в прошлом: например, Солнце мы наблюдаем спустя восемь с небольшим минут, многие звезды — такими, какими они были годы, десятки и даже сотни лет назад. Можно «отступить» еще дальше в прошлое и увидеть галактики, которые были такими сотни тысяч лет, а также миллионы и сотни миллионов лет назад.

Реликтовое микроволновое излучение — самое раннее изображение Вселенной, которое мы можем видеть. Его исследованиями занимался космический телескоп Planck — огромный спутник размером с автобус, запущенный в 2009 г.

Реликтовое излучение путешествовало по Вселенной почти 14 млрд лет, оно очень тусклое, очень холодное, зарегистрировать его можно только в радиодиапазоне. На заглавном изображении показано распределение температуры в этом излучении. Красный цвет соответствует более горячим областям, синий — более холодным. Здесь не видно ни звезд, ни галактик: в те времена они даже не начали формироваться. Зато мы видим неравномерности, которые были в ранней Вселенной и позже стали «зародышами» галактик и их скоплений. Тогда эти неравномерности представляли собой крошечные отклонения от среднего значения, «рябь» в первичном пространстве-времени.

Читать:  Карта темной материи поможет раскрыть загадки молодой Вселенной

Но что было еще раньше? Вселенная была настолько горяча, что представляла собой смесь протонов и электронов, свет еще не мог свободно проходить сквозь такую среду. Только в определенный момент — после того, как достаточно расширилась и охладилась — она стала прозрачной.

Если бросить камень в пруд, он вызовет волны на водной поверхности. Изучая эти волны, можно понять породившую их причину. Наблюдая картину микроволнового фона Вселенной, можно представить, что происходило спустя небольшое время после момента Большого Взрыва. И вот что удалось обнаружить.

В первую триллионную долю секунды Вселенная претерпела невероятную метаморфозу — она подверглась инфляции. Хоть инфляция и является самой популярной гипотезой того, что тогда происходило (и лучше всего согласуется с данными наблюдений), она по-прежнему остается загадкой: мы не понимаем, как работала эта безумная физика. На протяжении кратчайшего мгновения произошло совершенно невообразимое расширение пространства — невероятно быстро, быстрее скорости света. Представьте, что пространство размером в несколько пассажирских вагонов выросло до размеров наблюдаемой нами Вселенной… в одну триллионную секунды!

Мы не можем измерить параметры инфляции: все, что мы видим — это реликтовое микроволновое излучение, возникшее значительно позже ее завершения. Тем не менее, космологи очень надеются, что она имела место в истории нашего мира, поскольку именно тогда могла возникнуть та самая «рябь» пространства-времени, которую они ищут.

В период инфляции квантовая механика и Общая теория относительности были одним целым в условиях совершенно экстремальной плотности, которую мы можем представить себе сейчас с большим трудом.

Квантовая механика говорит: в любой точке пустого пространства могут рождаться и аннигилировать пары элементарных частиц. Что же происходило во время инфляции? Квантово-механическая «рябь» из пар элементарных частиц очень быстро росла, при этом частицы в какой-то момент оказались разделенными настолько большими расстояниями, что уже не смогли аннигилировать снова. И эта картина замерла в макроскопических масштабах навсегда. Современные галактики и их скопления, как считают космологи, являются наилучшими отпечатками той самой «ряби» пространства-времени.

Читать:  Наша Вселенная и другие Земли

Согласно предсказаниям теории, инфляция после Большого Взрыва должна была быть настолько сильной, что вызвала в пространстве-времени возмущения, которые теперь называют гравитационными волнами.

Поиски гравитационных волн

Мы считаем, что пространство каким-то образом фиксировано, стационарно. Об этом нам постоянно говорит наш повседневный опыт здесь, на Земле. Но когда гравитация достаточно сильна, пространство перестает быть стабильным: гравитационные волны, которые распространяются прямо через него, вызывают его искривление. Оно растягивается и сжимается. Если бы мы наблюдали достаточно мощные гравиволны в своей комнате, мы бы видели, как она постоянно меняет свой размер.

Теперь для подтверждения гипотезы космической инфляции нужно обнаружить эти волны. Между группами ученых существует определенная конкуренция за первенство в этом открытии — будут ли это космологи, которые вглядываются в дальний космос и изучают реликтовый фон, или же физики, которые занимаются черными дырами и другими высокоэнергетическими событиями во Вселенной, порождающими гравитационные волны…

Если эти волны проходили через Вселенную, когда ее возраст был порядка 300 тыс. лет, они должны были вызвать определенный эффект — поляризацию фонового излучения, которое и было обнаружено в ходе миссии Planck. Поляризация света — это выделение одного направления колебаний электромагнитного излучения из всех возможных направлений, присутствующих в неполяризованном свете. Большая часть излучения, приходящего к нам со всех концов Вселенной, поляризовано взаимодействием с атомами углерода. Таким же образом поляризовано микроволновое фоновое излучение.

В конце 2014 г. ученые, работающие на телескопе BICEP2, расположенном на Южном полюсе, сообщили, что они обнаружили гравитационные волны — точнее, некоторые закономерности в поляризации фонового излучения, которые должны были в нем остаться после их прохождения. Но этот поляризованный сигнал настолько слаб, что потребуются телескопы нового поколения, чтобы подтвердить или опровергнуть полученные измерения. Planck, который до недавнего времени использовали для решения этих вопросов, был разработан 20 лет назад, но с тех пор технологии ушли далеко вперед.

Читать:  Исследование эпохи реионизации

Мы живем в Галактике — гигантском диске из звезд, пыли и газа диаметром в 100 тыс. световых лет, примерно на полпути от его ядра к далеким окраинам. Самая большая проблема для астрономов — как мы можем отделить свет, идущий к нам с расстояний почти 14 млрд световых лет, от света, который испускают гораздо более близкие галактические источники?

Еще совсем недавно не было достоверных сведений о том, на что похож свет нашей собственной Галактики. Однако к настоящему моменту ученые уже имеют общую картину теплового фона от нагретой звездами пыли вместе с газом, который закручивается галактическим магнитным полем. У продолговатых пылинок есть интересное свойство: они ориентируют свою большую полуось перпендикулярно плоскости Млечного Пути, и в такой ориентации отправляют нам сигнал с той же длиной волны, что и Большой Взрыв. И поэтому иногда очень трудно определить, видим ли мы излучение пыли или же все-таки реликтовое излучение. Но если измерить интенсивность свечения в разных диапазонах длин волн, можно попробовать все-таки выделить пыль из общего сигнала. Planck смог вычесть излучение пылевой материи из микроволнового фона, благодаря чему удалось построить карту собственного свечения нашей Галактики. Тем не менее, это не стало для ученых большим сюрпризом, к тому же пока никак не получается решить проблему наложения обоих сигналов.

Что нас ждет?

Новые телескопы будут работать в различных спектральных диапазонах, что даст им возможность функционировать эффективнее, чем Planck. Мы не можем предвидеть, насколько мощным окажется сигнал от гравитационных волн, нам просто нужно идти вглубь в поисках излучения очень низкой интенсивности.

И напоследок — несколько слов о проектах в области изучения микроволнового фона. Один проект — Spider — представляет собой телескоп на стратосферном аэростате, который запустили в Антарктиде. Второй телескоп ACT строится сейчас в пустыне Атакама, на высоте 5 тыс. метров. Сложно сказать, что удастся увидеть благодаря им, но каждый шаг в этом направлении обещает быть исключительно интересным.

Оставайтесь с нами!

Подписаться
Уведомление о
guest
1 Комментарий
старее
новее большинство голосов
Inline Feedbacks
View all comments
Александр Р.
Александр Р.
7 месяцев назад

У любой волны есть центр распространения. Откуда исходят гравитационные волны?