Вселенной 13.82 млрд лет!

по статье Фила Плейта Bad Astronomy

21 марта 2013 года

Вселенная немного старше, чем мы думали. Более того, состав ее компонентов слегка не такой, как мы предполагали. И более того, как они перемешаны - тоже немного отличается от нашего представления. И еще более того, есть намеки, слухи и перешептывания, что там есть еще кое-что, о чем мы до этого совсем ничего не знали.

Что же происходит?

Миссия Планк Европейского Космического Агентства занимается сканированием всего неба, раз за разом вглядываясь в радиоволнах и микроволнах в глубины Вселенной. Часть излучения приходит к нам от звезд, часть от куч холодной пыли, часть - от взрывающихся звезд и ядер галактик. Но часть этого излучения приходит издалека, из очень далекого далека - с расстояния миллиарды световых лет, с самой границы наблюдаемой нами Вселеной.

Это свет, который излучала Вселенная возрастом всего 380 тысяч лет! Он был ослепительно ярким, но за практически вечность своего путешествия, этот свет потускнел и покраснел. Борясь с расширением Вселенной, свет растянулся до таких длин, что стал микроволновым. Планк собирал этот свет почти 15 месяцев, используя самые чувствительные на текущий момент приборы в мире.

Свет, пришедший из дальних пределов Вселенной, показал, что она...не гладкая. Это значит, что в ней есть области более яркие и более тусклые, что соответствует изменениям температуры в одну тысячную. Это невероятно мало, но очень, очень серьезно, когда речь идет о таких масштабах. Мы думаем, что такие флуктуации во Вселенной появились, когда ей было всего триллионные от триллионных долей секунды от рождения (!), и они росли при росте самой Вселенной. Именно они стали зернами галактик и скоплений галактик, которые мы сейчас наблюдаем.

Что было во время рождения Вселенной лишь квантовыми флуктуациями меньше протона, теперь выросло в самые большие структуры в наблюдаемом нами космосе - размерами в сотни миллионов световых лет. Отметим для себя этот факт как очень важный.

И вот эти флуктуации стали объектом пристального изучения для обсерватории Планк. Ученые годами изучали эти данные, и вот к каким выводам они пришли:

• возраст Вселенной  - 13.82 млрд лет
• Вселенная расширяется немного медленнее, чем мы предполагали
• во Вселенной 4.9% нормальной материи, 26.8 - темной, и 68.3% - темной энергии
• Вселенная искривлена. Это еще не окончательный вывод, всего лишь намек, у которого могут быть важные, фундаментальные последствия

Что же это все значит? Давайте теперь рассмотрим каждый пункт по отдельности.

 Возраст Вселенной 13.82 млрд лет

Возраст оказался немного больше, чем мы думали. Несколько лет назад спутник WMAP дал такие значения возраста - 13.73 плюс минус 0.12 млрд лет.

Планк установил, что возраст Вселенной больше на примерно 100  млн лет - 13.82 млрд лет. На первый взгляд, это другое значение, не то, которое дал WMAP. Но ведь неопределенность в измерениях WMAP была 120 млн лет - так что измерения Планка с точки зрения математики хорошо согласуются, лишь уточняя предыдущее значение.

Оказалось, что из всего диапазона WMAP Вселенная решила занять почти максимальное значение. Ее право, в общем. Ничего страшного. Теперь значение 13.82 млрд лет будет использоваться астрономами как отправная точка для дальнейших исследований.

Вселенная расширяется медленнее, чем предполагалось

Вселенная расширяется. Так было с момента ее рождения. Мы можем измерить скорость это расширения разными способами- например, наблюдая взрывы далеких звезд.  Мы можем измерить, как быстро они от нас удаляются - вместе с расширением космоса, посмотрев на их красное смещение.  Можно также измерить расстояние до них  - разными методами, например, сравнивая их видимый блеск с абсолютной светимостью. Имея на руках значения расстояния до них и скорости удаления от нас, мы можем увидеть полную картину расширения Вселенной.

Чем дальше от нас - тем быстрее расширяется Вселенная. Что обнаружил Планк - Вселенная расширяется с коэффициентом 67.3 км/с на мегапарсек (мегапарсек - это 3.26 млн световых лет, для справки). Это значит, что если мы видим галактику на расстоянии в 1 МПк, она удаляется от нас со скоростью 67.3 км/с, если на расстоянии 2 МПк- 134.6 км/с и  т.д.

Этот коэффициент - постоянная Хаббла. Для ее определения использовалось множество методов, и лучшие измерения говорили о том, что значение постоянной  Хаббла - 74.2 км/с.  Значение, полученное Планком, меньше, и это значит, что Вселенная расширяется медленнее, чем думали

Частично такое значение постоянной Хаббла, измеренной Планком, получилось потому, что Планк наблюдал самый старый свет, пришедший с самой границы Вселенной, и эти измерения экстраполировали вперед.

С другой стороны, другими методами измеряли расширение Вселнной в близких к нам областях космоса, и снова, экстраполировали их назад.

Два получившихся значения были разными, что говорит о том, что постоянная Хаббла может меняться со временем, хотя об этом еще и рановато говорить с уверенностью - я лишь намечаю новое направление для очень интересных исследований. Измерение постоянной Хаббла - трудное дело, она еще будет предметом для спора астрономов какое-то время.

Во Вселенной 4.9% нормальной материи, 26.8% - темной, и 68.3% - темной энергии.

Мне нравится этот кусочек. Для определения состава Вселенной можно использовать количество и картину флуктуаций света! И получается, что наша Вселенная состоит из таких ингредиентов -

• 4.9% нормальной материи
• 26.8% темной материи
• 68.3% темной энергии!

Карта обычной материи во Вселенной, составленная Планком! Полоска посередине - это наш Млечный Путь, который мешает увидеть излучение фона , и его приходится вычитать.

Image credit: ESA/NASA/JPL-Caltech

Нормальная материя - протоны, нейтроны, электроны - в общем, все, что вы видите. звезды, кешью, сушилки для белья, книги... все это сделано из нормальной материи. Включая вас самих.

Темная материя - нечто, о чем мы точно знаем, что оно существует. Но она невидима. Мы можем судить о ее присутствии только по гравитации, когда она в больших масштабах влияет на то,  как галактики вращаются, на то, как движутся скопления галактик в космосе. Ее в 5 раз больше, чем обычной материи. 

Темную энергию открыли только в 1998 году. Она очень загадочная, эта темная энергия, но ее действие проявляется как дополнительное давление, ускоряющее расширение Вселенной. О темной энергии больше практически ничего не известно, разве только то, что ее больше, чем нормальной и темной материи вместе взятых!

До измерений Планка эти цифры были такие - 4.6, 24 и 71.4 процента соответственно. Оказалось, что темной энергии - это странной, неудобной для понимания субстанции - меньше, чем мы думали изначально, хотя и не намного. Ее по-прежнему очень, очень много!

Хорошие новости в том, что теперь астрономы могут уточнить свои модели, и мы можем немного лучше понять все это. Разные модели давали разные значения процентного соотношения компонентов Вселенной, и, значит, теперь их можно поправить. Мы учимся!

Вселенная искривлена. Немного, это всего лишь намек, который может вести к фундаментальным следствиям.

Из всех объявленных результатов, этот самый провокационный. Мы ожидали, что Вселенная достаточно гладкая в больших масштабах. Эти ранние флуктуации должны были быть случайными, так что если посмотреть на общую картину,  ее палитра должна выглядеть хаотичной.

Так и есть! Распределение флуктуаций случайно. Человеку свойственно пытаться искать скрытый порядок даже в случайных распределениях, но если использовать компьютеры и математику, чтобы определить по-настоящему случайный характер распределения материи во Вселенной, то наша Вселенная проходит этот тест.

Вроде бы. Распределение вещества случайно, но амплитуды флуктуаций - нет. Амплитуда - то, насколько яркая та или иная флуктуация, высота ее волны. Эту картину тяжело окинуть взглядом, но в карте, построенной Планком, на одной ее стороне амлитуды больше, чем на другой. Разница невероятно мала, но она реальна. Впервые эту разницу увидел WMAP, и подтвердил Планк.

Простая модель Вселенной говорит, что такого не должно было быть. Вселенная искривлена в большом масштабе! Что это может означать?

Карта искривленной Вселенной. Эта показывает разницу между гладкой математической моделью фонового излучения и действительной, наблюдаемой картиной. Эти флуктуации всего на волосок больше, чем мы ожидали, но для Вселенной даже такая разница сушественна!

Image credit: ESA and the Planck Collaboration

Прямо сейчас мы не знаем. Пока у нас только идеи, почему так могло получиться, но данных для проверки еще нет. Это может означать, например, что темная энергия меняется со временем. Еще одна идея - чертовски интересная - что мы видим здесь отпечаток того, что было...до Большого Взрыва! Я знаю, что это звучит дико, но не так уж абсолютно безумно. У моего друга - космолога Шона Керрола есть некоторые соображения на этот счет.

Возможно, мы видим что-то такое большое, что происходит в масштабах, которые сейчас просто не представляется возможным оценить или увидеть. Ну это как дом, построенный на склоне - находясь только в одной комнате вы этого не поймете, только измерение высоты всех комнат с одной и с другой стороны даст вам различия, и даже несмотря на это, вы еще не в состоянии будете оценить, насколько большая гора, на которой этот дом построен.

Мы видим это в космических масштабах. Вселенная может быть искривлена, но измерить это можно будет, только измерив всю Вселенную.

Все остальное.

Я целиком и полностью вохищен полученными результатами.

Как ученому, конечно, мне нравится, когда мы получаем более точные измерения, более точные цифры, больше подробностей. Так мы проверяем свои модели, так мы получаем новые знания.

Но как человека меня все еще пошатывает от того, что мы можем измерить актуальный возраст Вселенной. Мы можем определить, из чего она состоит. Мы можем даже не только измерить, что она расширяется, но и то, насколько быстро она это делает.

И, что еще лучше - мы видим, что Вселенная делает что-то, чего мы не понимаем. Она показывает, что еще есть очень много всего, что нам надо еще узнать. События в ней происходят на полотне такого размера, что он просто не помещается в нашем представлении. 

Каждый день мы узнаем что-то еще о ней. Продолжается работа, чтобы понять, как. И это даже ведет нас к следующему Абсолютному, Большому Вопросу - почему?

Если существует ответ на этот вопрос (если вообще имеет смысл задавать подобный вопрос), и мы можем его понять, тогда сейчас мы делаем первые шаги в его направлении.

Я продолжаю слышать, как люди говорят, что наука убрала чудеса из нашей жизни. Эти люди абсолютно неправы.

Наука ведет нас к чудесам.