Эволюция вселенной: от начала до наших времен

Галактика с двойным галактическим кольцом

Двойное кольцо это очень необычно.

Галактика PGC 1000714 является, возможно, самой уникальной среди когда-либо обнаруженных. Она относится к так называемому Хоговскому типу и имеет окружающее ее кольцо, как планета Сатурн, только, разумеется, галактического масштаба.

Среди всех известных нам галактик только 0,1 процента обладают кольцами. Уникальной же PGC 1000714 делает то, что она одна в своем роде обладает не одним, а сразу двумя галактическими кольцами.

Кольца окружают сердцевину галактики, возраст которой, по подсчетам исследователей, составляет 5,5 миллиарда лет. Она изобилует стареющими звездами, чей свет уходит в красный диапазон спектра. Вокруг основного кольца имеется гораздо более молодое внешнее, возрастом 0,13 миллиарда лет. Его заполняют более горячие молодые синие звезды.

Когда ученые провели наблюдение за галактикой в разных диапазонах спектра, то обнаружили совсем неожиданный отпечаток второго, внутреннего кольца, расположенного ближе к галактическому ядру, сопоставимого с ним по возрасту и совсем не связанного с внешним кольцом. Учитывая факт, что подавляющее большинство галактик относятся к классам эллиптических и спиральных галактик, PGC 1000714 может на долгое время сохранить свою уникальность.

Будущее Вселенной

Теория возникновения Вселенной путем Большого взрыва официально признана в научном мире. Согласно ее основным утверждениям, космическое пространство все еще продолжает эволюционировать  и на смену одним структурам приходят абсолютно новые. Существуют две противоположные версии дальнейшего развития событий:

• Большой разрыв. Если Универсум и дальше
  продолжит расширяться, то в дальнейшем гравитационное взаимодействие между его
  элементами начнет стремительно ослабевать. Произойдет распад галактик и их
  скоплений. После этого распадутся отдельные звездные системы, где гравитация
  звезды не в силах будет удержать планеты вокруг себя. Постепенно все элементы
  Вселенной разрушаться вновь до элементарных частиц, законы физики перестанут
  иметь смысл. Что произойдет дальше – предсказать невозможно.
• Большое сжатие. В этом сценарии
  описывается предположение, что космическое пространство постепенно замедлит
  свое расширение и начнет обратно сжиматься. Все его элементы образуют единое мега
  скопление, в котором будет продолжаться процессы рождения, эволюции и смерти
  галактик. Однако, вещество будет сжиматься и далее, что приведет к образованию
  одной гигантской галактики. Космическое пространство вновь начнет нагреваться,
  реликтовое излучение разрушит планеты и звезды. Все структуры перейдут в
  состояние элементарных частиц. Вселенная приобретет свой первоначальный вид до
  Большого взрыва.

Любой из основных
сценариев смерти Вселенной в нынешнем ее состоянии предполагает распад всех ее
структур до фундаментальных частиц и прекращения любых сил взаимодействия. Так
ли оно будет на самом деле, предсказать современной науке невозможно.

Наблюдения реликтового излучения

Радиотелескопы в Антарктиде:

• DASI (Degree Angular Scale Interferometer) (США)
• South Pole Telescope (SPT, «Южный Полярный Телескоп» (ЮПТ), «Телескоп южного полюса») (США)

Космические радиотелескопы:

• РЕЛИКТ-1 (СССР, 1983—1984)
• COBE (США, 1989—1996)
• WMAP (США, 2001—2009)
• Планк (ЕС, 2009—2010, н.в.)

Анализ

Спектр мощности реликтового излучения (распределение энергии по угловым масштабам, то есть по мультиполям. Спектр получен по данным наблюдений: WMAP (2006), Acbar (2004) Boomerang (2005), CBI (2004) и VSA (2004). Розовая область показывает теоретические предсказания.

Анализ реликтового излучения с целью получения его карт, углового спектра мощности, а в конечном итоге космологических параметров, является сложной, вычислительно трудной задачей. Хотя расчёт спектра мощности на основании карты является принципиально простым преобразованием Фурье, представляющим разложение фона по сферическим гармоникам, на практике трудно учитывать шумовые эффекты.

Для анализа данных используются специализированные пакеты:

Каждый пакет использует свой формат хранения карты реликтового излучения и свои методы обработки.

Холодное пятно реликтового излучения

Флуктуации реликтового излучения распределены по небесной сфере очень равномерно: мы не видим, чтобы в какой-то области неба красные (или синие) пятнышки были больше или меньше. Ну, то есть почти не видим. Имеется по крайней мере одна аномалия, называемая «холодным пятном» (см. CMB cold spot). Она находится в созвездии южного полушария Эридан и имеет радиус примерно 5° (рис. 6). Температура реликтового излучения в районе пятна на 70 мкК ниже, чем в среднем (при том, что среднее отклонение по всему небу составляет только 18 мкК), а в его центре температура падает вообще на 150 мкК. Холодное пятно было впервые обнаружено в 2001 году при помощи WMAP — космического микроволнового телескопа второго поколения (первое поколение экспериментов по исследованию флуктуаций реликтового излучения было в 80–90-х годах, сейчас начинается уже четвертое поколение).

Но главная проблема даже не в температуре холодного пятна, а в его размере. Просто глядя на карту реликтового излучения, сложно сказать, что выделенное холодное пятно является чем-то необычным и странным. Казалось бы, имеются и красные (горячие) и синие (холодные) пятна гораздо большего размера. Тут, во-первых нужно помнить, что эта картинка — восстановленная карта флуктуаций реликтового излучения. Всё, что находится на центральной горизонтали, на самом деле скрыто от нас излучением Млечного Пути (см. рис. 3). И требуется непростая процедура комбинирования карт неба на разных частотах, чтобы «вычесть» нашу Галактику. В итоге мы получаем полную карту реликтового излучения, но областям, скрытым за Млечным Путем, особого доверия нет, и в анализе они обычно не используются. Большинство видимых глазом пятен лежит именно в этой ненадежной области карты. Холодное же пятно лежит в «чистой», надежно измеренной области неба, далеко от Млечного Пути. Во-вторых, оно и правда необычайно холодное.

Чтобы объяснить, почему холодное пятно такое странное, введем понятие горизонта. Горизонт — это максимальное расстояние, которое частица может пролететь с момента Большого взрыва, если она движется со скоростью света. Горизонт ограничивает причинно связанные области Вселенной: так как информация (то есть любой вид физических взаимодействий) не может распространяться быстрее скорости света, области Вселенной, отделенные друг от друга на расстояние больше горизонта, не должны иметь ничего общего между собой. В момент отделения реликтового излучения горизонт имел размер, который сегодня виден под углом примерно 1° (вспомните, что первый пик на спектре мощности находится именно на значении 1°). Таким образом, очень странно видеть, что в холодном пятне температура коррелирует на больших расстояниях. Выглядит так, будто в этом месте произошло что-то, что распространялось со скоростью больше скорости света.

На самом деле ученые так и считают, что в ранней Вселенной был процесс, расширявший пространство быстрее скорости света. Этот процесс происходил в эпоху инфляции, закончившуюся примерно через 10−33 с после Большого взрыва. Благодаря инфляции сегодня мы видим реликтовое излучение изотропным на больших угловых расстояниях.

И благодаря инфляции мы получили неоднородности в распределении плотности Вселенной, из которых позднее сформировались галактики (сначала эти неоднородности были микроскопическими квантовыми флуктуациями, которые затем «раздулись» до больших размеров). Однако, хотя инфляция и предлагает механизм, связывающий области Вселенной на сверхгоризонтных расстояниях, всё равно странно: почему везде неоднородности реликтового излучения имеют размер в 1° и меньше, а в районе холодного пятна — целых 5°?

Итак, подведем промежуточные итоги. На карте реликтового излучения имеется очень странная аномалия — холодное пятно. Она отличается большим размером, около 5°, и низкой температурой — отклонение от средней температуры реликтового излучения почти в 10 раз больше, чем в других областях неба.

Что нам говорит реликтовое излучение и темная материя

«Реликтовое излучение имеет шаблон на шкале в 0.5 градусов, открывая нам эффективную линию позиции, вроде астрономической навигации. Вы измеряете одну звезду с секстантом и получаете линию своего нахождения. Но если смотрите на одну и ту же модель (установка акустической волны), то видите, что в распределении галактик все более локально. Конечно, речь идет об удаленных объектах, но в космологии это локальные территории.

Эти галактики демонстрируют одинаковый волнообразный узор, и вы можете измерить его, сравнить с тем, что наблюдается в прошлом, и получить линию пересечения позиции. Это помогает определить наше место во Вселенной, отыскать и даже подсчитать множество объектов. Также становится ясно, что существует темная энергия, которую никто пока не может понять, но мы знаем, на какие действия она способна. Ведь именно она ускоряет расширение». Вы сможете узнать еще много интересного про реликтовое излучение Вселенной (обнаружение, расширение Вселенной, большой взрыв, красное смещение, аномалии), если посмотрите видео.

Реликтовое излучение – это фоновое микроволновое излучение, одинаковое во всех направления и имеет спектр, характерный для абсолютно черного тела при температуре ~ 2.7 K.

Считается, что по этому излучению можно узнать ответ на вопрос: откуда взялась ? По сути, реликтовое излучение – это то, что осталось от «строительства Вселенной», когда она начала только зарождаться после расширения плотной горячей плазмы. Для того чтобы проще было понять что такое реликтовое излучение сравним его с остатками человеческой деятельности. К примеру, человек изобретает что-то, другие это покупают, употребляют и выбрасывают отходы. Так вот мусор (тот самый результат жизни человека) – это и есть аналог реликтового излучения. По мусору можно узнать все – где человек был в определенный промежуток времени, что он ел, во что был одет, и даже о чем вел беседу. Также и реликтовое излучение. По его свойствам ученые пытаются построить картину момента большого взрыва, что возможно даст ответ на вопрос: как появилась Вселенная? Но все же, законы сохранения энергии создают определенные разногласия о возникновении вселенной, потому что ничто из ниоткуда не берется и никуда не девается. Динамика нашей вселенной – это переходы, смена свойств и состояний. Это можно наблюдать даже на нашей планете. К примеру, шаровая молния появляется в сгустке облака из частиц воды?! Как? Как так может быть? Никто не может объяснить происхождение тех или иных законов. Есть только моменты открытия этих законов, как и история открытия реликтового излучения.

Фоновое космическое излучение и полевая теория

Полевая теория элементарных частиц в качестве одного из источников фонового космического излучения предлагает взаимодействия нейтрино (антинейтрино), в гигантских количествах испускаемых звездами. Поскольку нейтрино благодаря ее чрезвычайной легкости (не более 0,052эВ) уносится существенная часть энергии термоядерного синтеза, то они движутся с релятивистскими скоростями и с легкостью покидают не только систему звезды, но и галактику. Сталкиваясь в межгалактическом пространстве с нейтрино от других звезд, элементарные частицы переходят в возбужденные состояния. Затем по истечении определенного времени возбужденные нейтрино переходят в состояния с меньшей энергией с испусканием низко энергетических фотонов. При этом излучение фотонов происходит в межгалактическом пространстве. Таким образом, создается иллюзия появления электромагнитного излучения из ничего (кажущееся нарушение закона сохранения энергии) или из далекого прошлого (Большой взрыв).

Следующим источником фонового космического излучения является взаимодействие фотона с нейтрино. Фотоны светового, ультрафиолетового или инфракрасного диапазона, столкнувшись с нейтрино, отдают ему малую, но отличную от нуля часть своей энергии. Вследствие этого с одной стороны нейтрино переходит в возбужденное состояние с последующим испусканием кванта микроволнового излучения, а с другой стороны падает энергия сталкивающегося фотона — т.е. создается красное смещение. Следовательно, механизм образования красного смещения является одним из источников фонового космического излучения.
Еще одним источником фонового космического излучения являются реакции аннигиляции пар элементарных частиц — это аннигиляция пары «нейтрино-антинейтрино», сюда можно также добавить пару «электрон-позитрон».

Таким образом, фоновое космическое (реликтовое) излучение должно включать в себя электромагнитное излучение возбужденных нейтрино (антинейтрино), при их переходах в состояния с меньшей энергией. Сегодня физика не в состоянии измерить ни массу покоя электронного и мюонного нейтрино, ни энергии их возбужденных состояний. Поэтому физика сегодня не может однозначно сказать является ли фоновое космическое (реликтовое) излучение в основном результатом столкновений нейтрино, или у него есть еще иные существенные компоненты.