Сколько весит Вселенная

Сколько весит Вселенная

СКОЛЬКО ВЕСИТ ВСЕЛЕННАЯ? НОВАЯ МЕТОДИКА ПОДСЧЕТА МАССЫ ТЕМНОГО ВЕЩЕСТВА.

Как взвесить Вселенную? Астрономы бились над этим вопросом в течение десятилетий. Различные методы подсчетов давали различные результаты. Теперь новая попытка подсчета по новому методу. Методика основана на регистрации слабого свечения, которое осталось от “Большого Взрыва”, произошедшего, как полагают, в момент рождения Вселенной. Это свечение может все еще быть замечено в любой точке неба. Отобразив структуру свечения, можно смоделировать общую площадь космического вещества, а, следовательно, и массу. Так считают ученые, сторонники Большого взрыва.

Однако этот метод не столь прост, как звучит на словах. Структура построения свечения находится в микроволновом спектре и очень тонка. С поверхности Земли слабое свечение микроволн затенено грязным слоем нашей влажной и облачной атмосферы. Поэтому, исследователи отправились на наиболее сухие пустыни на планете – плато Атакама в Чили, высокогорное плато на Южном Полюсе в Антарктиде. Другие астрономы, захватив телескопы, отправились на воздушных шарах высоко в стратосферу, где почти нет паров воды, которые вызывают турбулентные возмущения оптических изображений в телескопе. В этом году, все эти усилия, наконец, принесли плоды. Благодаря потоку результатов, изданных за последние 18 месяцев, удалось кое-что определить. Результат принес большие новости для теоретиков, сторонников Большого Взрыва. Он соответствует их долговременному убеждению, что рождение Вселенной началось с процессов, известных как “раздувание”. Однако имеются для них и плохие новости. Новые результаты показывают, что наша Вселенная по большей своей части состоит из “темного вещества”, которое мы не можем видеть и не определить его массу.

Ранее, в 1981 году, Алан Гут из Штата Массачусетс, предположил, чтобы процесс выделения энергии, который он назвал “раздувание”, случился на первой минуте в момент начала существования Вселенной. В процессе дальнейшего расширения, часть Вселенной мы можем видеть сегодня раздутой в 1060 раз больше первоначальных размеров. Множество теорий сейчас доказывает, что расширение замедляет свою скорость.

Остается открытым вопрос о кривизне Вселенной. Ее пространство может иметь положительную кривизну, подобно шарику, или рассеивающуюся кривизну подобно седловидной форме. Вселенная – плоская или изогнутая, зависит от того, сколько она “весит” или более точно, от ее плотности. Если плотность выше, чем критическое значение, за которое начинают действовать законы гравитации, препятствующие ее дальнейшему расширению, то Вселенная – имеет положительную кривизну, если плотность ниже, то отрицательную.

До сих пор удавалось увидеть только лишь ничтожную часть того вещества, что имеется. Основная его часть сосредоточена в виде темного вещества, которое излучает только в микроволновом фоне. Это излучение – своего рода замороженные отображения того времени, когда во Вселенной только началось излучение. Эти излучения – ключ к взвешиванию Вселенной.

Через сотни тысяч лет после начала Большого Взрыва, условия были подобны тем, что внутри нашего Солнца сегодня. Почти однородная плазма из водорода и гелия наполняла всю Вселенную и все вещество купалось в плазме. На этом раннем этапе, свободные электроны играли ключевую роль. Они рассеяли фотоны так, чтобы они отлетали от одних свободных электронов до других подобно релятивистскому механизму пинболла.

Тем временем, повсюду вещество Вселенной постепенно собиралось вокруг областей со слегка более высокой плотностью, которые должны были в конечном счете стать галактиками и туманностями, которые мы видим во Вселенной сегодня. За счет силы тяжести, вещество падало все больше к более плотным областям. Но, бомбардируемое рассеивающимися фотонами, вещество вытеснялось из плотных сгустков заново. Материал ранней Вселенной дрожал подобно колеблющемуся шару желе, до того времени, пока через 300000 лет, медленно падающая температура Вселенной не достигла 4500 К. После чего, электроны больше не имели достаточно энергии сопротивляться захвату атомными ядрами. Формировались атомы, и поскольку фотоны не имели больше свободных электронов, чтобы рассеивать свет, Вселенная стала прозрачной. Но фотоны не исчезали, они просто продолжали свое путешествие в разных направлениях.

Некоторые из этих фотонов, возможно, рассеивались и в нашем направлении. Тогда мы можем все еще обнаружить их сегодня. Они несут в себе отголоски тех времен (12 миллиардов лет назад) и доходят к нам совершенно беспрепятственно.

В этом послесвечении, что пытаются обнаружить, должен содержаться образ сжатых и разреженных областей ранней Вселенной, замороженных в возрасте 300000 лет от начала Большого Взрыва. По этому излучению можно выявить плотность ранней Вселенной.

Как это сделать? Области первоначального и однородного облака плазмы, существовавшего 300000 лет после Большого Взрыва, имели различные периоды колебаний. Области меньшего размера колебались быстрее. Например, самые большие области даже не закончили одно полное колебание, когда Вселенная уже стала прозрачной, а самые маленькие области успели пройти через несколько циклов. Будут и области, которые застыли в тот момент, когда они были точно на нижнем пике активности (т.е. в момент, когда было максимальное сжатие области). Такие области будут сильно отличаться по контрастности на небе. Теоретики вычислили точно, насколько большими были такие области к 300000 годам после Большого Взрыва. Зная, как Вселенная расширялась, они могут также вычислить, в каком виде те же самые области должны выглядеть на небе сегодня.

Поскольку микроволновое излучение фотонов, путешествовало к нам по изогнутым траекториям, огибая те скрытые массы, что встречались на пути, чем больше вещества находится во Вселенной, тем больше изгибов траекторий было. Следовательно, больше областей будет проявляться на небе в виде проекции, отображая картины прошлого периода.

Чтобы взвесить Вселенную, все, что нужно сделать – это вычислить, насколько большие те колеблющиеся области должны быть, были, и как они фактически выглядят сейчас.

В течение 90-ых ряд наблюдений за свечением начал давать результаты. Они показали, что небо действительно содержало подпись тех древних колебаний. Но для большинства ранних микроволновых телескопов, изображения свечения были не четкими.

Сегодняшние результаты по подсчету массы звучат так: 100 триллионов триллионов триллионов триллионов тонн, плюс-минус несколько килограммов (последняя добавка – шутка). Измеренная плотность Вселенной соответствует критическому значению в пределах приблизительно 6%. Учитывая, что с Земли можно было увидеть только добрую половину от всего свечения, можно считать, что плотность находится далеко за пределами критических показателей. Это говорит о том, что наша Вселенная имеет форму шара, за границы которого не может выйти даже свет.

Об одной из моделей структуры нашей Вселенной будет рассказано в следующей статье, которая скоро выйдет.

Стоит остановиться и на критических замечаниях в адрес специалистов, занимающихся реализацией данной методики подсчета массы с помощью наблюдения свечения неба в микроволновом спектре.

Мы приводим высказывание одного из них.

У данной методики есть существенный изъян. Дело в том, что все наблюдения ведутся в пределах Земли, а она находится в пределах активного действия Солнца. Потоки плазмы солнечного ветра увлекают за собой в межпланетное пространство и солнечные магнитные поля. Комбинация реального течения плазмы и вращения Солнца приводит к закручиванию межпланетного магнитного поля. Так образуется конфигурация типа архимедовой спирали, причем угол между линией Солнце – Земля и направлением поля в плоскости эклиптики вблизи орбиты Земли равен в среднем 45°, а напряженность поля здесь – около 5*10 -5 эрстед.

При обращении Земли вокруг Солнца полярность межпланетного магнитного поля изменяется четыре раза, так как оно имеет секторную структуру.

Таким образом, не исключено, что все, что отнаблюдали астрономы по описанной выше методике, исходит исключительно от Солнца. Ведь все вещество, содержащееся в пределах действия магнитосферы Солнца, будет выброшено солнечным ветром за орбиту Марса. Вот там и нужно наблюдать это свечение и делать затем выводы.

Сколько весит Вселенная

Всем понятно, что мы никак не можем сконструировать такие весы, чтобы взвесить весь Млечный Путь. Но астрономы смогли придумать и провести одно из самых точных измерений массы нашей Галактики, используя космический телескоп “Хаббл” НАСА и обсерваторию “Гайя” Европейского Космического Агентства.

Согласно последним измерениям, Млечный Путь весит около 1.5 триллиона солнечных масс (одна солнечная масса – масса нашего Солнца). И лишь несколько процентов этого количества составляют все 200 миллиардов звёзд Галактики, включая сверхмассивную чёрную дыру в центре, масса которой равна четырём миллионам масс Солнца. Большая часть остальной массы скрыта в виде тёмной материи – невидимой и таинственной субстанции, которая действует как “строительные леса” во Вселенной и удерживает звёзды в их галактиках.

Более ранние исследования, датируемые несколькими десятилетиями назад, использовали различные методы наблюдений, которые давали оценки массы нашей галактики в диапазоне от 500 миллиардов до 3 триллионов солнечных масс. Улучшенное современное измерение находится примерно в середине этого диапазона.

На этой иллюстрации условно показан Млечный Путь, окружённый шаровыми звёздными скоплениями. Источник: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

“Мы хотим знать массу Млечного Пути более точно, чтобы мы могли уверенно поместить его на космологическую шкалу и сравнить с компьютерным моделированием галактик в развивающейся вселенной. Незнание точной массы Млечного Пути представляет проблему для многих космологических вопросов”, – Роланд ван дер Марел из Института исследования космоса с помощью космического телескопа (STScI).

Новая оценка массы ставит нашу Галактику на более прочное основание, по сравнению с другими галактиками во вселенной. Самые лёгкие галактики имеют около миллиарда солнечных масс, а самые тяжёлые – 30 триллионов, или в 30000 раз больше самых лёгких. Масса Млечного Пути в 1.5 триллиона солнечных масс вполне нормальна для галактики с её яркостью.

Астрономы использовали обсерватории “Хаббл” и “Гайя” для измерения трёхмерного движения шаровых звёздных скопление – изолированных сферических звёздных островов, каждый из которых содержит сотни тысяч звёзд, вращающихся вокруг центра нашей Галактики.

Хотя мы не можем видеть её, тёмная материя является доминирующей формой материи во вселенной, и её можно взвесить посредством влияния на видимые объекты. Как раз такие, как шаровые скопления. Чем массивнее галактика, тем быстрее её шаровые скопления движутся под действием гравитационной силы. Большинство предыдущих измерений проводились вдоль линии визирования на эти скопления, поэтому астрономы знают скорость, с которой они приближаются или удаляются от Земли. Однако “Хаббл” и “Гайя” способны регистрировать и боковое движение шаровых скоплений, по которому можно вычислить скорость более надёжно.

Наблюдения этих обсерваторий дополняют друг друга. “Гайя” была разработана исключительно для создания точной трёхмерной карты астрономических объектов, распределённых по всему Млечному Пути и отслеживания их движения. Она уже успела провести обзор всего неба, в которое вошло много шаровых скоплений. “Хаббл” имеет меньшее поле зрения, но он может наблюдать более тусклые звёзды, и, следовательно, видеть более далёкие скопления. Новое исследование включает в себя данные от “Гайи” для 34 шаровых скоплений на расстоянии до 65000 световых лет, с измерениями “Хаббла” за 12 скоплениями до 130 000 световых лет, которые были получены по изображениям в течение 10-летнего периода.

Когда измерения этих обсерваторий удалось объединить в качестве опорных точек, астрономы смогли оценить распределение массы Млечного Пути почти на расстоянии почти в один миллион световых лет от Земли.

“Из космологического моделирования мы знаем, как должно выглядеть распределение массы в галактиках, поэтому мы можем рассчитать, насколько точна эта экстраполяция для Млечного Пути”, – Лаура Уоткинс из Европейской Южной Обсерватории в Гархинге, ведущий автор объединенного исследования “Хаббла” и “Гайи”, которое будет опубликовано в издании Astrophysical Journal.

Эти расчеты, основанные на точных измерениях движения шаровых звёздных скоплений, и позволили исследователям определить массу всего Млечного Пути.

Самые первые жители Млечного Пути, шаровые скопления, содержат самые старые известные звёзды, появление которых датируется несколькими сотнями миллионов лет после Большого взрыва – события, которое, как сейчас принято считать, создало вселенную. Они сформировались до окончательного формирования спирального диска Млечного Пути, в котором сейчас находятся наше Солнце и Солнечная система.

“Из-за их больших расстояний, шаровые звёздные скопления являются одними из лучших объектов, с помощью которых астрономы могут измерить массу огромной оболочки тёмной материи, окружающей нашу Галактику далеко за пределами спирального диска звёзд”, – Тони Сон из STScI, он возглавлял измерения “Хаббла”.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Парадоксы Вселенной: масса продолжает удивлять физиков

МОСКВА, 23 июн — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Масса — одно из основополагающих и в то же время загадочных понятий в науке. В мире элементарных частиц ее не отделить от энергии. Она ненулевая даже у нейтрино, а большая ее часть находится в невидимой части Вселенной. РИА Новости рассказывает, что известно физикам о массе и какие с ней связаны тайны.

Относительно и элементарно

В пригороде Парижа в штаб-квартире Международного бюро мер и весов хранится цилиндр из сплава платины и иридия массой ровно один килограмм. Это эталон для всего мира. Массу можно выразить через объем и плотность и считать, что она служит мерой количества вещества в теле. Но физиков, изучающих микромир, столь простое объяснение не устраивает.

Представьте, что нужно подвинуть этот цилиндр. Его высота не превышает и четырех сантиметров, тем не менее придется приложить заметное усилие. Еще больше усилий потребуется, чтобы сдвинуть, к примеру, холодильник. Необходимость прикладывать силу физики объясняют инерцией тел, а массу рассматривают как коэффициент, связывающий силу и возникающее ускорение (F = ma).

Масса служит мерой не только движения, но и гравитации, заставляющей тела притягивать друг друга (F = GMm/R 2 ). Когда мы встаем на весы, стрелка отклоняется. Это происходит потому, что масса Земли очень большая, и сила тяготения буквально придавливает нас к поверхности. На более легкой Луне человек весит меньше в шесть раз.

Гравитация не менее загадочна, чем масса. Предположение о том, что при движении некоторые очень массивные тела могут излучать гравитационные волны, экспериментально подтвердили только в 2015 году на детекторе LIGO. Через два года это открытие удостоилось Нобелевской премии.

Согласно принципу эквивалентности, предложенному Галилеем и уточненному Эйнштейном, гравитационная и инерционная массы равны. Из этого следует, что массивные объекты способны искривлять пространство-время. Звезды и планеты создают вокруг себя гравитационные воронки, в которых крутятся естественные и искусственные спутники, пока не упадут на поверхность.

Откуда берется масса

Физики убеждены, что у элементарных частиц должна быть масса. Доказано, что у электрона и кирпичиков мироздания — кварков — масса есть. В противном случае они не могли бы образовать атомы и всю видимую материю. Вселенная без массы представляла бы собой хаос из квантов различных излучений, носящихся со скоростью света. Не существовало бы ни галактик, ни звезд, ни планет.

Но откуда у частиц берется масса?

“При создании Стандартной модели в физике частиц — теории, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц, возникли большие трудности. Модель содержала неустранимые расходимости, обусловленные наличием у частиц ненулевых масс”, — рассказывает РИА Новости Александр Студеникин, доктор наук, профессор кафедры теоретической физики физфака МГУ имени М. В. Ломоносова.

Решение нашли европейские ученые в середине 1960-х, предположив, что в природе существует еще одно поле — скалярное. Оно пронизывает всю Вселенную, но его влияние заметно только на микроуровне. Частицы словно увязают в нем и таким образом приобретают массу.

Таинственное скалярное поле назвали в честь британского физика Питера Хиггса — одного из основателей Стандартной модели. Его имя носит и бозон — возникающая в поле Хиггса массивная частица. Ее обнаружили в 2012 году в экспериментах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Через год Хиггсу вместе с Франсуа Энглером присудили Нобелевскую премию.

Охота за призраками

Частицу-призрак — нейтрино — тоже пришлось признать массивной. Это связано с наблюдениями потоков нейтрино от Солнца и космических лучей, которые долго не удавалось объяснить. Оказалось, что частица способна во время движения превращаться в другие состояния, или осциллировать, как говорят физики. Без массы это невозможно.

“Электронные нейтрино, рождающиеся, например, в недрах Солнца, в строгом смысле нельзя считать элементарными частицами, так как их масса не имеет определенного значения. Но в движении каждое из них может рассматриваться как суперпозиция элементарных частиц (тоже именуемых нейтрино) с массами m1, m2, m3. Из-за различия в скорости массовых нейтрино в детекторе регистрируются не только электронные нейтрино, но и нейтрино других типов, например мюонные и тау-нейтрино. Это следствие смешивания и осцилляций, предсказанных в 1957 году Бруно Максимовичем Понтекорво”, — поясняет профессор Студеникин.

Установлено, что масса нейтрино не может превышать две десятые электронвольта. Но точное значение пока неизвестно. Этим ученые занимаются в эксперименте KATRIN в Технологическом институте Карлсруэ (Германия), запущенном 11 июня.

“Вопрос о величине и природе массы нейтрино — один из главных. Его решение послужит основой для дальнейшего развития наших представлений о структуре”, — заключает профессор.

Казалось бы, о массе в принципе все известно, осталось уточнить нюансы. Но это не так. Физики подсчитали, что материя, которая поддается нашему наблюдению, занимает всего пять процентов массы вещества во Вселенной. Остальное — гипотетические темные материя и энергия, которые ничего не излучают и потому не регистрируются. Из каких частиц состоят эти неведомые части мироздания, какова их структура, как они взаимодействуют с нашим миром? Это предстоит выяснить следующим поколениям ученых.

Источники:

https://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/824.html
https://www.theuniversetimes.ru/xabbl-i-gajya-vyyasnili-skolko-vesit-mlechnyj-put.html
https://ria.ru/20180623/1523192624.html