Erdvės ratilai:
Visatos darinių kilmė

Mes nenorime būti vieniši Visatoje, ir nenorime būti vieniši gyvenime (Brahma iš baimės, kai suvokė, kad jis vienas - sukūrė pasaulį).

Taip pat skaitykite: Išsiderinusi kosmoso muzika    
Visatos pirmapradžio karščio svilinantis speigas    

Viena didžiausių mįslių - dangaus kūnų - galaktikų ir jų spiečių, milžiniškų "tuštumų" ir "sienų" (sričių su didesniu galaktikų tankiu) - kilmė. Einšteino gravitacinis modelis yra teorinis pagrindas, kuris pagrįstas 50- ties metų stebėjimais (naudojant ir Hubble teleskopą). Viskas prasidėjo nuo pradinio "postūmio", kai visa materija buvo sutraukta į labai mažą apimtį. Visata tuo metu buvo nepaprastai tanki ir karšta, tad neišliko jokios informacijos apie jos ankstesnįjį būvį - tad "Didysis sprogimas" gali būti laikytinas Visatos "gimimu", kuris vyko prieš 10-20 mlrd. metų. Pagal šį scenarijų danguje matomi objektai galėjo susidaryti prieš 5 mlrd. metų. O kas vyko iki tol?

Kosmoso mikrobangis erdvės spinduliavimas (CMBR), atrastas 7-ojo dešimtmečio pradžioje, yra dangaus pašvaistė mikrobangų ir tolimojo infraraudonųjų spindulių spektro dalyje (1-10 mm bangų ilgiuose). Jis yra būdingas reiškiniams su termodinamine pusiausvyra. CMBR intensyvumas skirtingose dangaus srityse yra panašus (su 0,1-1% paklaida).

Grįžkime prie "Didžiojo sprogimo". To meto fizikinių sąlygų suprasti negalime. Kai po kelių sekundžių Visata išsiplėtė ir atvėso, tai būsenai jau galima taikyti aukštųjų energijų fizikinius dėsnius. Tačiau Visata vis dar buvo per karšta, kad egzistuotų atskiros materijos rūšys - tebuvo grynos terminės energijos "sriuba". Šioje sriuboje pradėjo susidaryti kai kurios elementariosios dalelytės (protonai, elektronai). Vėliau jau galėjo išlikti ir branduoliai, - susidarydavo vandenilio atomai. Tai galėjo vykti tik Visatai sulaukus 300 tūkst. metų. Tuo metu iš materijos pradėjo išsiskirti fotonai (šviesa) iki tol buvę tik pirmapradės sriubos dalimi. Susidarius vandenilio atomams Visata tapo "vaiski" fotonams. Tai atsiskyrimo (materijos nuo energijos) era.

Kadangi pradžioje visi komponentai (dalelytės ir spinduliavimas) Visatoje sąveikavo tik tarpusavyje - ji buvo terminės pusiausvyros būsenoje, kurioje galima apibrėžti bet kurios bangos ilgį. Visatai vėstant šio spektro temperatūra mažėjo. CMBR fotonų temperatūra yra 3 kelvinai, o žinant, kad vandenilio atomai yra stabilūs esant žemiau 3000 kelvinų, galima spėti, kad atsiskyrimas įvyko, kai Visata buvo maždaug 0,0001 (3/3000) dabartinio dydžio. CMBR tyrimas yra tarsi tiršto rūko stebėjimas, kai regime tik jo pakraštį. Galima nustatyti, kad kai kurios sritys buvo tankesnės ir pritraukdavo daugiau fotonų, t.y. kitos prarasdavo energiją. Tie nežymūs pokyčiai ir buvo tie erdvės ratilai, sudarę sąlygas atsirasti žvaigždėms ir galaktikoms.

Tačiau šis modelis turėjo vieną trūkumą - tai Visatos "spindulys", t.y. atstumas, kurį šviesa turėjo nukeliauti nuo "Didžiojo sprogimo" akimirkos (šviesos greitis yra apie 300 tūkst. km per sekundę) ir yra toks pats visiems stebėtojams). Juk po 1 sek. buvo galima matyti tik 300 tūkst. km atstumu. Joks stebėtojas negalėjo "pažvelgti" anapus šios ribos, kuri vadinama "horizontu". Visatai "senstant", horizontas tolsta.

Šalutinis šio reiškinio efektas yra tas, kad ne tik mes negalima pažvelgti už horizonto, bet ir iš anapus negali būti jokio poveikio, t.y. erdvės sritys čia ir anapus yra visiškai atskirtos viena nuo kitos. Atsiskyrimo eros metu horizontas danguje būtų apie 1o, t.y. dviejų Mėnulių skersmens. Tai, kad CMBR yra vienodas praktiškai visomis kryptimis, sunkiai dera su šia teorija.

Sprendimas surastas tik 9-ojo dešimtmečio pradžioje (Alanas Gutas) ir yra pavadintas "infliacijos" teorija. Jos pagrindas - aukštųjų energijų teorijos derinys su kosmologija, teigiant, kad 10-34 sekundės pradiniu laikotarpiu Visata plėtėsi ypatingai sparčiai. Visa mūsų Visata išsiplėtė iš labai mažos srities, kurioje visur ji turėjo tas pačias charakteristikas. Tas CMBR intensyvumo pokyčiai atspindi sąlygas iki "infliacijos" (Visatos amžiui neviršijant kad 10-34 sekundės). Po "infliacijos" nebuvo galimybės pakeisti tų skirtumų. Kampams iki 1o buvo pakankamai laiko pakeisti atskyrimo eros CMBR intensyvumą.

Gravitonai Didžiojo sprogimo aide?

Arizonso un-to fizikų grupė, tarp jų ir Nobelio premijos laureatas F. Bilčekas, pasiūlė naują būdą prielaidos, kad gravitacija turi kvantinį pobūdį, patikrinimui. Kadangi gravitacinių antenų jautrumas kol kas nepakankamas gravitacinių bangų aptikimui, jie siūlo panaudoti metodą, besiremiantį reliktinio spinduliavimo (CMBR) anizotropija.

Visata tam tikru momentu plėtėsi sparčiau nei dabar. Pagal infliacijos modelį, kvarko-gliuoninė plazma plėtėsi veikiama kažkokio, dabar nepasireiškiančio lauko poveikyje, - ir būtent tuo metu Visata tapo nevienalyte. Tai įtakojo elektromagnetinio spinduliavimo, dabar stebimo mikrobangų spektre, atsiradimą.

Tyrimai, atlikti palydovų pagalba, parodė, kad reliktinis spinduliavimas yra anizotropinis, o antžeminiai stebėjimai Pietų poliaus observatorijoje leido jame atrasti prognozuotą signalą, susijusį su gravitaciniu ankstyvosios Visatos nevienalytišku. Bilčeko ir bendraautoriaus Lorenco Kraso nuomone, besiplečianti Visata pati tapo gravitacinių bangų detektoriumi, ir jos elgsenos infliacijos metu analizė gali atsakyti, ar gravitacinis laukas kvantuojamas.

Vis tik kiti fizikai su tuo nesutinka. Stivenas Bonas pažymi, kad savo paskaičiavimuose fizikai bangų amplitudę laiko proporcionalia Planko konstantos pirmajam laipsniui, kai infliacija aprašoma ne vien šiuo parametru. Atseit, turima tokia parametrų laisvė, kad koks bebūtų reliktinio spinduliavimo poliarizacijos lygis, tos teorijos vis tiek derės su stebėjimais.

Erdvėlaikio bangos?

2015 m. mokslo pasaulis žymi bendrosios reliatyvumo teorijos (BRT) sukūrimo 100 m. sukaktį. Ji pagrindė mūsų erdvės ir laiko supratimą, o taip pat paaiškino ir numatė daugelį kosmoso reiškinių. Tai ir gravitacinių linzių reiškinys (šviesos nukrypimas greta masyvių materijos sankaupų), ir stiprios gravitacijos sukeltas raudonasis poslinkis, ir juodųjų skylių galimybė. Beveik viską, kas buvo numatyta, per šimtmetį buvo patvirtinta eksperimentiškai. Tik nebuvo pavykę aptikti gravitacinių bangų. Bet net neatrastos, jos buvo daugelio teorijų dalimi. Pagal Einšteiną, jos atsiranda judant su pagreičiu milžiniškoms materijos masėms, pvz., sprogstant supernovoms ar susiliejant dvinarėms žvaigždėms, susiduriant galaktikoms, ar stambiems objektams krentant į juodąją skylę. O taip pat juodųjų skylių susidūrimai – paskaičiavimai rodo, kad tada jos netenka iki 40% savo masės, kuri išspinduliuojama gravitacijos bangų pavidalu.

Mūsų Visata susidarė prieš 13,8 mlrd. m. Prieš Didįjį sprogimą ji buvo singuliariame taške, kuriame BRT neveikė, nes slėgis, tankis ir erdvės iškreivinimas artėjo į begalybę, t.y. Gravitacinės bangos prarasdavo bet kokią fizikinę prasmę.

O kadangi įvairios ir labai nutolusios kosmoso sritys turi tas pačias savybes, nors negali tarpusavyje sąveikauti, tai įmanoma tik tuo atveju, jei buvo judėjimas virš-šviesiniu greičiu. Ties 9-ojo dešimt. slenksčiu A. Gutas pasiūlė „infliacijos teoriją“, pagal kurią Visata pirmosiomis akimirkomis plėtėsi virš-šviesiniu greičiu (skaitykite >>>>>). Tai nepažeidė BRT principų, nes plėtėsi pati erdvė.

Infliacijos teorija rėmėsi prielaida, kad objektai gali ir stumti vienas kitą, t.y. gravitacinio lauko energija gali būti ir neigiama. Ir kartu ji teigia, kad staigaus Visatos plėtimosi metu kilo gravitacinės bangos, perskrodusios erdvę deformuojant erdvėlaikį. Jei jos būtų aptiktos, tai būtų „infliacijos“ momento įrodymas.

Netoli masyvaus kūno erdvė išsikreipia. Tačiau tai nėra statinė „įduba“. Tarsi ratilai vandenyje, nuo judančiojo masyvaus kūno sklinda gravitacinės bangos. Ir joks materijos storis nepajėgus jas susilpninti. Jų kelyje sutinkama medžiaga paeiliui išsiplečia ir susitraukia kryptimi, statmena bangų plitimui. Tačiau tokie išsiplėtimai ir susispaudimai tokie minimalūs, o amplitudė nežymi, kad jų nepastebime. Kokius tik eksperimentus beatliko mokslininkai, jiems nepavykdavo jų registruoti. Dėl to Einšteinas sakė, kad jų, galbūt, niekad nepavyks stebėti. Pvz., jei mūsų galaktikos centre susidurtų dvi neutroninės žvaigždės, kiekvienas kilometras sutrumpėtų tik 10-15 m, kas šimtus tūkstančius kartų mažiau už vandenilio atomo skersmenį.

Jau kelis dešimtmečius mokslininkai įrenginėja milžiniškus įrenginius. Štai 1994 m. vokiečiai ir britai prie Hanoverio pradėjo statyti GEO600 detektorių, kurio peties ilgis 600 m, dabar stebinčio gravitacines bangas nuo 1 iki 0 tūkst. hercų. Dešimtis kartų jautresni dabar įrenginėjami LIGO (JAV) ir „Virgo“ (Italija), kuriuos tikimasi pradėti eksploatuoti 2015 m.

Ypač didelės viltys siejamos su nauja detektorių karta. Perspektyviausiu ir kol kas utopiškai atrodančiu projektu yra požeminio Europos observatorija „Einšteinas“, kuri bus įrengta 200 m. gylyje. Tačiau praeis dar ne vienas dešimtmetis – kol kas tėra kuriama koncepcija. Tačiau, manoma, jis sugebės užregistruoti net dviejų juodųjų skylių, esančių ties stebimos Visatos riba, sukeltas gravitacines bangas.

Gravitacinių bangų paieška užsiėmė ir laboratorija BICEP2, kuriai vadovavo Džonas Kovačas, naudojant mikrobanginį BICEP2 teleskopą, įrengtą Pietų ašigalyje, JAV Amundseno-Skoto stoties rajone maždaug 3 km virš jūros lygio aukštyje, kur oras jau kiek išretėjęs. Teleskopo detektorių temperatūra buvo 0,25o K, kas užtikrino didelį jautrumą. Jis turėjo 512 detektorių (jau numatytas BICEP3, turėsiantis 3560 detektorių). Daugelį metų BICEP2 komanda stebėjo siaurą dangaus plotą, sudarantį vos 2% dangaus skliauto.

Antarktida labai tinkama vieta astronomams, nes čia mažai gyventojų, todėl nėra stipraus elektromagnetinio spinduliavimo, o taip pat ore mažai vandens garų, sugeriančių mikrobanginį spinduliavimą. tai leidžia tirti foninį (reliktinį) spinduliavimą, susidariusį 380 tūkst. m. po Didžiojo sprogimo („Didžiojo sprogimo aidą“). Iki tol Visata tebebuvo tokia tanki, kad joks spinduliavimas joje negalėjo sklisti. Tik pakankamai atvėsus Visatai, kai jau galėjo susidaryti neutralaus vandenilio atomai, ji tapo skaidri – ir ją užliejo šviesa.

Foninis spinduliavimas nėra vienalytis, kas liudija buvus temperatūros svyravimus, o Visata turėjo aiškią struktūrą. Dėl kvantinių fliuktuacijų Visata nevienalyte buvo dar iki prasidedant infliacijai. Vėliau jie išsiplėtė iki kosminio mastelio. Ten, kur energijos tankis buvo didesnis, telkėsi ir daugiau materijos, susidarė jos gumulai, apsprendę būsimą Visatos struktūrą, kuria užfiksavo foninis spinduliavimas.

Visata, pasirodžius šviesai, ir toliau plėtėsi, todėl keitėsi ir reliktinio spinduliavimo bangos ilgis tol, kol pasiekė mikrobanginį diapazoną. Pagal paplitusias teorijas, poliarizuotame jo spektre savo pėdsaką turėjo palikti ir gravitacinės bangos, nes jos turėjo pakeisti ankstyvųjų šviesos bangų svyravimų kryptį. Tam reikia nustatyti tam būdingą poliarizacijos tipą, vadinamąją B-modą.

Išaugo neutrinų masė    

Astrofizikai pasiūlė naują neutrinų masės Visatoje. Jie bandė išspręsti prieštaravimus duomenyse apie reliktinį spinduliavimą (CMBR) lyginant temperatūrinius svyravimus (gautus „Planko“ teleskopu), CMBR poliarizaciją (nustatytą WMAP aparatu) ir akustine barionines osciliacijas (Visatos gyvavimo pradžioje sklidusių garso bangų pėdsakus), gautas galaktikų ir jų sankaupų pasiskirstymo statistine analize. Visi tie duomenys rodo, kad elektromagnetinis spinduliavimas sąveikauja su materija iškreivintame reliatyvumo teorijos erdvėlaikyje. XMM-Newton X-Ray spectrual lines

Mokslininkų nuomone, norint pašalinti tuos prieštaravimus, pakanka į kosmologinį modelį įtraukti masę turinčius neutrinus. Paėmus trijų rūšių neutrinus (miuoninius, elektroninius ir tau), suminė jų masė sudarytų 0,32 elektronvolto su 0,081 paklaida. Taip pat mokslininkai sterilių neutrinų (t.y. nedalyvaujančių silpnojoje sąveikoje) masę įvertino esant lygia 0,45 eV.
Anksčiau laikyta, kad neutrinas yra masės neturinti dalelė, tačiau eksperimentiniai duomenys tai paneigė. Apatine visų trijų neutrinų rūšių mase imta laikyti 0,06, o viršutine – 0,26 eV.

O dvi nepriklausomos tyrinėtojų grupės galaktikų sankaupų rentgeno spektre, tirdamos XMM-Newton teleskopo duomenis, aptiko neaiškios kilmės liniją. Harward-Smitsono astronomai suvidurkino 73-ų ryškių galaktinių sankaupų duomenis, taip padidindami duomenų kiekį statistinei analizei neatsižvelgiant į atskirų sankaupų ypatumus. Jie nustatė piką ties 3,57 keV – tačiau jokiame iš žinomų cheminių elementų nėra tokios energijos energetinio šuolio. Tą piką nepriklausomai vienas nuo kito užfiksavo du detektoriai – ir abiejų prietaisų statistinis piko reikšmingumas siekė 3/4 sigma (el. dalelių fizikoje „įrodymu“ priimta laikyti 5 sigma).

O Ukrainos, Olandijos ir Šveicarijos mokslininkų grupė atliko panašią analizę tik su 2 galaktikų klasterių (Persėjaus spiečiaus ir Andromedos ūko) duomenimis be vidurkinimo. Ji abiejuose aptiko 3,52 keV piką su 4,4 sigma patikimumu. Be to, piko intensyvumo pasiskirstymas primena spėjamą „tamsiosios materijos“, o ne tarpgalaktinių dujų pasiskirstymą.

Šio spinduliavimo šaltiniu galėtų būti neutralių neutrinų (hipotetinių masyvių neutrinų, nedalyvaujančių jokiose sąveikose išskyrus gravitacines) skilimas, kuris vyksta labai retai skylant į įprastinį neutriną ir fotoną. Tokiu atveju sterilaus neutrino energija turėtų būti 7,1 eV, kas neprieštarauja prielaidoms apie tamsiąją materiją.

Kita JAV astrofizikų grupė nustatė reliktinio mikrobanginio spinduliavimo poliarizacijos ypatybę – vadinamąjį B-režimą, t.y. poliarizacijos atsiradimą pirmosiomis 10-37 Visatos gyvavimo sekundėmis dėl gravitacijos bangų pasklidimo. Pats CMBR atsirado vėliau, kai Visata jau buvo apie 380 tūkst. m. amžiaus ir ji tapo skaidri elektromagnetinėms bangoms. Anot skaičiavimų, gravitacinės bangos privalėjo paveikti šio „vėlyvo“ spinduliavimo poliarizaciją, suformuodamos būdingus užlinkimus kampo laipsnio mastelio ribose. Būtent tai ir aptikta BICEP2 teleskopu (Pietų polius yra viena geriausių vietų stebėjimams ypač silpno Didžiojo sprogimo „aido“).
Atradimas svarbus trim aspektais: 1) įrodo gravitacinių bangų buvimą; 2) leidžia B-režimo intensyvumo pagrindu paskaičiuoti energiją pirmosiomis Visatos akimirkomis; 3) nurodoma kvantinė gravitacijos prigimtis.

Kuris jų teisingas?

Tarptautinė su BOSS dirbanti astronomų grupė aptiko paradoksą, galintį pasitarnauti argumentu apie anomalias tamsiosios materijos savybes. Tai liudija Visatos plėtimosi spartos duomenys, paskaičiuoti naudojantis skirtingais metodais.
Anot Planck duomenų, Visata plečiasi 67 km/sek per parseką greičiu su 1,5% paklaida. Tačiau tai neatitinka Adamo Riso komandos išvadų. Toji skaičiavo Hubble konstantą nustatydami atstumus arti 300 supernovų ir tūkstančiui cefeidžių (žr. apie atstumų matavimą). Naujas tyrimas buvo skirtas 1,2 mln. galaktikų klasterizacijai. Atstumai tarp klasterių leido įvertinti Visatos plėtimosi greitį.

Spėjama, kad neatitikimai išvadose nėra atsitiktiniai ir gali būti paaiškinami naujo nežinomo tipo el. dalelyčių egzistavimu. Kita galimybė – tamsiosios materijos savybės laikui bėgant kinta ir ji suteikia vis didesnį pagreitį. Galiausiai, kai kas abejoja cefeidžių metodo tikslumu.

Paneigimas?

Su „Planck“ teleskopu dirbanti EKA mokslininkų grupė išanalizavo BICEP2 grupės rezultatus ir padarė išvadą, kad kolegų tirtame dangaus plote gerokai daugiau kosminių dulkių, nei laikyta anksčiau. Tos dulkės sklido šviesą ir didesnę (jei ne visą) BICEP2 „senojo“ BICEP2 priimto signalo galios dalį sudaro dulkių sukelti trikdžiai.

Tačiau toji išvada stipriai smogia BICEP2 2014 m. paskelbtai sensacijai, kad aptiktas reliktinio spinduliavimo B-režimas, kuris aiškintas stiprios gravitacinės bangos praėjimu per plazmą. Tai būtų buvę vienu argumentu infliacinės teorijos naudai.


Paaiškinimai

GEO600 GEO600 - vienas jautriausių gravitacinių bangų (GB) detektorius netoli Sarstedto (ir Hanoverio) Vokietijoje ir gali aptikti santykinius 10-21 eilės pokyčius, t.y. maždaug atomo dydžio atstumo iki Saulės atžvilgiu. Jis ieško gravitacinių bangų 50 Hz – 1,5 kHZ diapazone. Projekto pradžia – 1995-ieji; jį vykdo M. Planko Gravitacinių tyrimų institutas.
GEO600 yra Michelsono interferometras su 600 m ilgio „rankomis“, kurias lazerio spindulys praeina dukart, tad veiksnus optinis „rankų“ ilgis yra 1200 m. Pagrindinės optinės dalys randasi ypač aukšto lygio vakuuminėje aplinkoje. Duomenų analizei yra panaudojamas paskirstytų skaičiavimų projektas Einstein@Home.
Kiti GB detektoriai yra LIGO (JAV), Virgo (Italija), KAGRA (Japonija).

LIGO - 1992 m. įkurtas JAV projektas, lazerinių interferometrų gravitacinių bangų observatorija, skirta gravitacinių bangų paieškai. Ją sudaro dvi observatorijos (Livingstone ir Hanforde), kiekviena su 5 interferometrais, kuriuos skiria 3000 km. Vakuuminės sistemos yra L formos po 4 km kiekviename petyje. Jos viduje Michelsono interferometras, o „rankose“ papildomais veidrodžiais suformuojami Fabrio-Pero rezonatoriai. Paieškas pradėjo 2002 m. ir baigė 2010 m. – taip ir neaptikęs gravitacinių bangų (tad 365 mln. dolerių nuėjo šuniui ant uodegos?). Įranga buvo išmontuota ir dabar keičiama modernesne. Tęsti paieškas planuojama 2015 m. viduryje.

Virgo - 2007 m. Italijoje, EGO obeservatorijoje, Santo Stefano a Macerata, pradėjęs veikti gravitacinių bangų detektorius. Jo pagrindinė dalis yra Michelsono interferometras su 3 km plečiais. Atspindėjimas jų galuose efektyvų ilgį padidina iki 120 km. Jautrumas – nuo 10 Hz iki 6 kHz. Juo tikisi užregistruoti supernovų ir dvinarių žvaigždžių sistemų susiliejimų sukeltą gravitacinį spinduliavimą.

BICEP - tai eilė nuo 2002 m. vykstančių CMB matavimo eksperimentų, kuriais bandoma išmatuoti CMB poliarizaciją, - atskiru atveju, jo B-režimą. BICEP naudojo tris intrumentarijaus kartas (BICEP1, BICEP2 ir Keck Array su BICEP3, kuris sumontuotas 2014 m.). 2014 m. kovo 17 d. buvo paskelbta, kad BICEP2 pirmąkart užregistravo vadinamąją B- poliarizaciją, kuri yra galimas Visatos infliacijos laikotarpio pėdsakas.

Triukšmai
Kvantinis chaosas
Tamsioji materija
Planeta su skyle
Gyvenimas po mirties
Trumpa laiko istorija
Paralaksas: matavimai kosmose
Išsiderinusi kosmoso muzika
8 alternatyvūs energijos šaltiniai
Higso bosonas: Labai prasta balerina
Visatos pirmapradžio karščio svilinantis speigas
Greičiais C besiplečiančios–besitraukiančios erdvės B
Kvantinė mechanika: Triumfas ar mokslo ribotumas?
Kosmologinės "Didžiojo sprogimo" teorijos
Išilginės bangos ir kelionės laike
Mitas apie laiko pradžią
Atsiradimai ir paaiškinimai
Lyginamoji kosmologija
Visatos modeliai
Kas tas laikas?
Greičiau už šviesą!
Papildomas matavimas
Išslaptinti Arktikos duomenys
Tolimojo poveikio reiškinys
3-iojo tūkstantmečio mokslas
Nekritinė stygų teorija
Paulio draudimo principas
Geodinamika
Pasaulio sukūrimo puslapis
Kas rašoma ant lapų?
Vartiklis