Будущее точной космологии

NASA / WMAP Science Team

Спросите, что является самым большим научным триумфом нашего поколения – и где-то в начале списка с ответами будет стоять учреждение «точной космологии». Только в прошлом десятилетии астрономы, работающие по специальности космологии, с высокой точностью определили такие вещи, как дата Большого взрыва, количественный состав вселенной, крупномасштабные объекты в космосе, и как структура космоса (группы галактик, кластеров, звезд) росла и развивалась от самого начала к нашим дням, и почему.

Попутно исследователи подтвердили некоторые ключевые предсказания "инфляционной модели вселенной", теории о том, как из сингулярной «протовселенной» (Вселенной в начальный момент Большого Взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества) произошёл Большой взрыв, который мог бы происходить бесконечное число раз, отделяя все время всё новые вселенные «Большого Взрыва».

Это стало возможным благодаря не обычной астрономии, а анализу космического микроволнового фонового излучения, которое покрывает все небо. Это слабое электромагнитное излучение, буквально белый свет, испускаемый все еще белой горячей вселенной, какой она была спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва. Свет из за расширения вселенной подвергся красному смещению в микроволновую часть спектра (с масштабным фактором 1,091)

Спектр мощности угловых распределений флуктуаций реликтового фонового излучения по данным зонда WMAP и некоторых других экспериментов. По вертикали отложена амплитуда флуктуаций, по горизонтали угловой масштаб. Большие объекты соответственно расположены слева, маленькие справа.
Самые сильные флуктуации появляются приблизительно при угловом масштабе в 1 градус - большой первый пик на графике. Это означает, что существовала определённая длина для акустических волн космических размеров (волны давления) в плотной ранней вселенной. Точные положения и размеры первого, второго, и третьего акустического пиков говорят о различных условиях, преобладающих в ранней вселенной.

Черные точки — наблюдательные данные, красная линия — предсказания теоретической модели для плоской Вселенной, лучше всего согласующиеся с наблюдениями, серая полоса — допустимая ошибка теоретических предсказаний.

NASA / WMAP Science Team

Множества экспериментов нанесли на карту крошечные, сигнальные флуктуации микроволнового фона; эти проекты работали с различным масштабом и указывали на различные части неба. Но самый важный инструмент, выполняющий теперь эту работу – орбитальная обсерватория WMAP («Wilkinson Microwave Anisotropy Probe»). Она наносит на карту температуру фонового излучения и поляризацию по всей небесной сферы, и в широком разнообразии угловых масштабов: от большого (большие углы, размер созвездия) к маленькому (почти на грани разрешения человеческого глаза).

Со временем, WMAP продолжала уточнять свои результаты.

Публикации по материалам первого года его существования, в 2003 году, установили вехи в точной космологии, в том числе определил возраст вселенной в 13.7 миллиардам лет с погрешностью в несколько процентов, и подтвердил существование недавно обнаруженной "темной энергии", которая ускоряет расширение скорости вселенной.

Отчёт за три года, в 2006 году, подтвердил, что первые результаты были правильны, уточнил некоторые числа, и обнаружил новые условия, как космическое расширение, возможно, вело себя приблизительно в течение первых 10–32 секунд Большого взрыва.

Новая большая картина

И только в этом году научная команда, анализирующая данные WMAP, опубликовала очень ожидаемые полученные данные за пять лет вместе с их пояснениями. И снова дополнительные данные (и лучшая долгосрочная калибровка инструментов) значительно уточнили картину и, в результате, привели к новым заключениям.

В следующих результатах данные WMAP скомбинированы с другими недавними астрономическими измерениями:

·        вселенной 13.73 ± 0.12 миллиарда лет. Теперь погрешность всего 0.9 % теперь (степень доверия данным 68%). Книги по астрономии в общественной библиотеке говорят обычно, что возраст вселенной - "между 10 и 20" миллиардами лет.

·        Постоянная Хаббла, норма расширения вселенной сегодня (коэффициент, входящий в закон Хаббла, который связывает расстояние до внегалактического объекта (галактики, квазара) со скоростью его удаления), равна 70.1 ± 1.3 м/с на мегапарсек. Книги в вашей библиотеке вероятно говорят, что она - "между 50 и 100."

Все что было во вселенной, теперь значительно изменилось. Верхняя диаграмма показывает соотношение элементов сегодня. Нижняя показывает соотношение состава спустя всего 380 000 лет после Большого Взрыва, когда вселенная была прозрачной и микроволновое фоновое излучение, вырвалось на свободу.

Относительный состав изменяется с расширением вселенной. Количество темной и барионной материи (материя, состоящая из барионов: нейтронов, протонов, электронов) сокращается, тогда как их пространство расширяется, совсем как обычные газы. Но фотоны и нейтрино также теряют энергию из за расширения вселенной, их энергия уменьшается значительно быстрее, чем материя. Теперь они - незначащая часть.

Тем временем, пропорция темной энергии увеличиваются непосредственно с увеличивающимся объемом свободного пространства показывая, что она является  непосредственно частью пространства-времени, вместо того, чтобы быть небольшим количеством вещества, существующем в космосе.

NASA / WMAP Science Team

Эти данные затрагивают другие темы. Например:

·        Вселенная состоит из следующих компонентов: материя состояшая из атомов (барионная материя) 4.6% ± 0.15%, не барионная темная материя 23% ± 1%, темная энергия % ± 1.5%. Мы не знаем почти ничто о том, как выглядит темная материя и темная энергия, но мы действительно очень хорошо знаем теперь, сколько их всего.

·        Вся эта энергия и материя подсчитана, с 1%-ой погрешностью, то есть достаточной, согласно теории инфляционной вселенной, для того чтобы сделать вселенную "плоской". Таким образом, пустое место в масштабе вселенной похоже на обычное место прямо перед вами: никакого искривления или сверхъестественной геометрии. Это также подразумевает, что космос простирается бесконечно далеко вне нашего видимого горизонта, одинаковый во всех измерениях.

·        Поведение таинственной темной энергии становится более ясным. Его «уравнение состояния», параметр, известный как w, равняется –1 с точностью 6%. Это - лучшее определение. Это подразумевает, что темная энергия – это не нечто распространяющееся из за расширения вселенной, как частицы в космосе, но нечто непосредственно врожденное в пространстве-времени так, что один кубический сантиметр космоса всегда содержит то же самое количество этой энергии независимо от расширения вселенной. Это соответствует идее Альберта Эйнштейна относительно "космологической постоянной" в 1920-ых (обозначаемой буквой греческого алфавита Лямбда) и приводит доводы против теории темной энергии, которая является своего рода физическим веществом, которая была предложена, дублируя термие "квинтэссенция". Это также означает, что звезды вселенной, планеты, и атомы не будут разлучены через миллиарды лет безудержным увеличением космического ускорения, ситуация, названная Большим Разрывом.

В первые моменты Большого взрыва, микроскопические квантовые колебания — маленькие случайные флуктуации, которые раздулись, чтобы стать семенами космической структуры сегодня — действительно, кажутся, случайными во всех масштабах, как и предсказывала теория инфляции — вместо того, чтобы быть сформированными или направленными некоторыми дополнительными процессами. Однако, есть несколько намеков чего-то всё еще продолжающегося прямо на текущем краю неопределённости.

Упрощённая космическая история. Крайне левое часть изображает Большой взрыв. Самый ранний момент, который мы можем сейчас исследовать, когда чрезвычайно малый момент "расширения" произвел взрыв экспоненциального роста во вселенной. (Размер отображается здесь вертикальным размер.) В течение следующих нескольких миллиардов лет, расширение вселенной, постепенно замедлялось так как материя сдерживалась гравитационными силами. Позже, расширение начало убыстряться — поскольку отталкивающая сила темной энергии возросла настолько, что она превосходит силы гравитации по мере уменьшении материи.

Современный микроволновый фон (зеленая поверхность в левой стороне) вырвался на свободу спустя 380 000 лет после начала расширения, когда материал во вселенной расредоточился и охладился достаточно, чтобы стать прозрачным. Это излучение свободно пересекло вселенную. Условия очень ранних времен отпечатаны в этом излучении.

NASA / WMAP Science Team

Некоторые версии космической инфляции теперь забыты. Другие получили новую поддержку. "Новые данные WMAP исключают много господствующих идей, которые стремились описать взрыв роста в ранней вселенной," объясняет основной исследователь WMAP Чарльз Беннетт (Charles Bennett) (Johns Hopkins University). "Удивительно, что смелые предсказания событий в первые моменты вселенной теперь можно объединить с реальными измерениями." WMAP также обнаружил конкретное свидетельство "космического фона нейтрино" заполняющего космос. Нейтрино (слабые, лёгкие частицы) появились в результате ядерных реакций в плотный материи, которая заполнила вселенную спустя несколько минут после Большого Взрыва. Во время видимого микроволнового фона, 380 000 лет спустя, нейтрино все еще составляли 10 % всей материи и энергии во вселенной, по сравнению с их уничтожительно маленькой пропорцией сегодня.

Кроме того, согласно лабораторным экспериментам, все три существующих типа нейтрино имеют массы, которые могут составить в целом не больше чем 0.61 электронных вольт.

·        Космическое "средневековье" - эра между тем, когда Большой взрыв охладился и первыми сформированные звездами (эра, когда вселенная стала настолько холодной, что возможно сформировывались снежинки из молекул водорода) - начала заканчивать в 400 миллионов лет (красное смещение равно 11). Это изменение известно как "эра переионизации". Дата сходится со данными, полученными более нормальными астрономическими методами. (Переионизация очевидно была, однако, долгим делом, происходя урывками в различных местах.)

Пятилетние результаты работы WMAP были опубликованы в семи научных статьях, в журнале Astrophysical Journal.

Кроме того, НАСА выпустило резюме.

«Мы живем в экстраординарное время,» рассказывает Гэри Хиншоу (Gary Hinshaw) (центр космических полетов доктора Годдарда). «Наше поколение - первое в человеческой истории, которое сняло такие детальные и далеко идущие мерки нашей вселенной.»