Что такое временной реликт
Ученые обнаружили пузырь пространства-времени. Что это такое?
Сегодня, говоря о космических путешествиях, мы довольствуемся научной фантастикой – полет на ближайшую к Земле планету пока не реализован. Но с помощью воображения и математики мы можем предполагать, что во Вселенной кроме нас есть жизнь и, возможно, разумная. Кто знает, разгадали ли наши космические соседи загадку перемещения по космосу? Могут ли они, подобно команде «Звездного Пути», путешествовать на космическом корабле в разные уголки Вселенной? Ответ на этот вопрос мы вряд ли узнаем в ближайшее время, однако ученым уже есть о чем поведать. Исследователи из Института безграничного космоса (Limitade Space Institute) под финансированием Министерства обороны США (DARPA) обнаружили настоящий варп-пузырь в космосе. Это событие знаменует собой прорыв в разработке космических кораблей, способных двигаться быстрее света – существование Пузыря Алькубьерре вытекает из некоторых решений уравнений Эйнштейна. Более того, физик-теоретик Мигель Алькубьерре, предполагает, что мы и правда можем создать аппарат, разгоняющийся до сверхсветовой скорости.
Обнаружен варп-пузырь, деформирующий пространство-время
Пузырь Алькубьерре
Впервые о пузыре Алькубьерре заговорили в 1994 году. Именно тогда физик-теоретик работал над идеей варп-двигателя – посредством математических вычислений. Он предположил, что некоторые космические аппараты могут передвигаться на сверхсветовых скоростях, не нарушая при этом законы физики. Идея мексиканского математика быстро приглянулась ученым, однако некоторые сочли ее неразрешимым вопросом.
Теперь же авторы исследования, опубликованного в журнале European Physical Journal C, во главе с ex-специалистом по варп-двигателям из NASA Гарольдом Уайтом, предположили, что для создания настоящего варп-двигателя понадобится меньше энергии и материалов, чем считал Алькубьерре.
Выходит, мы стоим на пороге создания варп-двигателя и в отличие от фантастических вариаций в духе «Звездного пути», в действительности не будет необходимости в экзотическом веществе для его работы! Интересно, что Алькубьерре предложил математически обоснованное решение для создания варп-двигателя, использующего пространственно-временной пузырь.
Вару-пузырь деформирует пространство-время
Мексиканский ученый считал, что «варп-пузырь» должен окружать космический корабль, который в значительной степени будет двигаться не в пространстве, а в пространстве-времени, искаженном самим двигателем космического корабля. Именно такой пузырь и обнаружили недавно ученые.
Варп-двигатели
Итак, торсионный двигатель Алькубьерре теоретически мог бы двигаться с головокружительной скоростью с помощью специальной космической двигательной установки, которая не нарушала бы законы физики, какими мы их знаем, и особенно законы скорости света. Ведь по сути нам нужен не космический корабль, который движется в пространстве, а пространство-время, окружающее космический корабль – оно искажается и происходит смещение.
Однако материалы, необходимые для изготовления такого двигателя, а также требуемая мощность всегда делали этот подход лишь теоретическим и совершенно невообразимым для потенциального применения.
Может оказаться и так, что мы наконец сможем стать космическими странниками
Как это часто происходит в истории науки, обнаружение варп-пузыря оказалось случайностью. Никто и не думал о расчетах Алькубьерре – ученые проводили эксперименты с отрицательной энергией на наноструктуре. В частности, они проанализировали эффект Казимира – силу притяжения, которая распространяется между двумя незаряженными параллельными пластинами и двумя проводящими пластинами.
Во время эксперимента было сделано поразительное открытие: влияние эффекта Казимира на наноструктуру имеет поразительное сходство с концепцией варп-двигателя, о которой писал мексиканский физик и математик.
Обнаружение структуры на микро/наноуровне предсказывает отрицательное распределение плотности энергии, что близко соответствует метрическим требованиям, описанным Алькубьерре – существование варп-пузыря соответствует точным требованиям, необходимым для удовлетворения его теории. По мнению авторов исследования, варп-пузырь – настоящее и крошечное творение в своем роде, которое потенциально ведет к научному прорыву.
Как объясняет Tech Times, открытие может иметь основополагающее значение для разработки, которая в любом случае произойдет в недалеком будущем. Изобретение нового двигателя для космического корабля, который позволит совершать гораздо более длительные полеты за гораздо более короткое время, становится все ближе.
В это трудно поверить, но вара-двигатель ближе, чем кажется
С помощью новой концепции команды Уайта можно создать деформационный двигатель, который может исказить пространство-время и позволить гипотетическому космическому кораблю превысить даже скорость света.
Сможем ли мы путешествовать по Вселенной?
Необходимо также отметить, что перед нами первое рецензируемое исследование в этой области. Его результаты показывают, что «жизнеспособная наноструктура в лаборатории может создавать деформацию пузырьков за счет аналогичного отрицательного распределения энергии в вакууме по мере необходимости». Интересно, что в аналогичном отчете The Debrief исследователи (финансируемые DARPA) переходят к более реалистичному подходу, не придерживаясь теоретических концепций.
В отчете упомянуто, что распределение отрицательной плотности энергии каким-то образом соответствует первоначальным требованиям: «Для создания отрицательной энергии может иметь место дисбаланс между частицами. Масса будет удерживать частицу, в то время как другая будет отрицательной энергией в пространственно-временном пузыре».
Пространство-время преподносит все больше сюрпризов
В будущем команда намерена разработать тестируемый «аппарат с варп-двигателем» для проведения испытаний. Иными словами, речь идет о наноразмерном аппарате, который позволит определить качественное соотношение метрик с заданными Алькубьерре. Однако у некоторых ученых есть опасения – подобный корабль не сможет справиться со сверхсветовой скоростью, так как она приведет к его разрушению. К тому же не стоит забывать об эффекте замедления времени – оно замедляется, когда мы двигаемся быстрее.
О том, почему время на вершине горы течет медленнее, чем на пляже, мы рассказывали в этой статье, рекомендуем к прочтению!
Ну а нам с вами остается ждать результатов будущих исследований и надеяться, что мы наконец сможем отправиться в путешествие по Галактике. Как думаете, смогут ли ученые изобрести корабль, способный деформировать пространство-время? Ответ будем ждать здесь, а также в комментариях к этой статье!
Флэш 3 пройдет во Флэшпойнте?
2. Черного Флэша. Второй сезон уже ввел духов спидфорса. Он уже показал, что спидфорс имеет разум. Мистическая сторона введена, а финальный дизайн Зума очень похож на Черного Флэша.
3. Ну и конечно сезон во Флэшпойнте. Когда в конце сезона 1 Барри хотел спасти мать, многие подумали, что сезон 2 пройдет во Флэшпойнте. Авторы совершенно неожиданно сделали это сейчас.
Когда мир менялся от переписи времени, в комиксах это называли «Флэшпойнтом». Флэшпойнтом была одна из основных арок Флэша в Нью-52. Ее как раз писал Джеф Джонс, продюсер Флэша на ТВ и главный креативный директор DC.
В комиксах, после спасения матери, Барри находит себя в альтернативной временной линии, где его мать жива, а весь мир перевернут с ног на голову. Многие герои ведут себя как злодеи. Аквамен ведет войну с Амазонками и их лидером Дианой. Бэтменом является отец Брюса, а Брюс погиб вместо него. Снарт-же стал героем. Учитывая сюжет Легенд, последнее вполне могло быть возможным в основной линии.
Все время Барри считает, что Реверсивный Флэш / Тоун виновен в изменении мира. В конце выясняется, что сам Барри. Именно он, когда спас свою мать, изменил весь мир. Эффект бабочки. Одна плашка домино скидывает две последующие и мир меняется. Теперь и в сериале Флэш спасает мать.
Примечание: во Флэшпойнте Барри пытался вернуть себе силы, воссоздав инцидент с молнией. В сериале они это показали за несколько серий до финала.
В то время как Флэш, вероятно, не будет вводить персонажей вроде Аквамена, Чудо-Женщины и Бэтмена, у него в запасе есть один линчиватель. Фаны уже строят теории, что адаптация покажет Роберта Куина как Стрелу вместо Оливера. Это переймет идею из Флэшпойнта с комиксов. Напомню, это лишь теория. Ничего официального не говорилось.
Не очень вяжется большой кроссовер Супергерл, Стрелы, Флэша и Легенды, который нам обещали в декабре. Если флэшпойнт протянется пару серий, то будет обидно, так как я рассчитываю на полный сезон.
Кстати, если на Земле 1 флэшпойнт, то на земле 2 еще жив Зум.
Реликт
Реликт
Рели́кты (лат. relictum — остаток) в биологии — живые организмы, сохранившиеся в современной биоте или в определённом регионе как остаток предковой группы, более широко распространённой или игравшей большую роль в экосистемах в прошедшие геологические эпохи.
Филогенети́ческие реликты — ныне существующие виды растений и животных, которые относятся к крупным таксонам, почти полностью вымершим десятки или сотни миллионов лет назад. Как правило, являются палеоэндемиками. См. статью Живые ископаемые.
Географи́ческие реликты — организмы, сохранившиеся в данном регионе как остаток флор и фаун минувших геологических эпох, когда условия существования в данном регионе заметно отличались от современных. Так, третичными (неогеновыми) реликтами в Колхиде считаются дзельква, каштан и другие лесообразующие породы, многие вечнозелёные кустарники (самшит, иглица понтийская, падуб остролистный, рододендрон понтийский, горянка колхидская и др.) и травянистые растения. К ледниковым реликтам относятся, например, на Кавказе — сабельник болотный, в центральных районах Европы — карликовая берёза, в пресноводных озёрах севера Евразии — имеющие морское происхождение мизиды (Mysis oculata var/relicta) и бокоплавы (Pontoporea affinis).
Иногда термин «реликт» применяют по отношению к ландшафтам (например, тундростепь в Восточной Сибири — реликтовый ландшафт) и минералам.
Полезное
Смотреть что такое «Реликт» в других словарях:
РЕЛИКТ — [лат. relictum остаток] организм, предмет или явление, сохранившиеся как пережиток от древних эпох. Словарь иностранных слов. Комлев Н.Г., 2006. реликт (лат. relictum остаток) организм, предмет или явление, сохранившиеся как пережиток от древних… … Словарь иностранных слов русского языка
реликт — редкость, пережиток, персистент, изолят Словарь русских синонимов. реликт сущ., кол во синонимов: 4 • изолят (3) • … Словарь синонимов
РЕЛИКТ — (от лат. relictum остаток) организм, вещь или явление, сохранившиеся как пережиток минувших эпох, как остаток далекого прошлого … Большой Энциклопедический словарь
РЕЛИКТ — РЕЛИКТ, реликта, муж. (лат. relictu оставленный) (научн.). Вещь, явление или организм, сохранившиеся как пережиток от древних эпох. Растения реликты. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
РЕЛИКТ — РЕЛИКТ, а, муж. (спец.). Животный или растительный организм, сохранившийся как пережиток древних эпох. | прил. реликтовый, ая, ое. Реликтовые формы растений. Р. лес. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
РЕЛИКТ — [relictus оставленный] организм, сохранившийся как пережиток от древних эпох. Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978 … Геологическая энциклопедия
РЕЛИКТ — См. Вид реликтовый. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии. И.И. Дедю. 1989 … Экологический словарь
РЕЛИКТ — (от лат. relictum остаток), вид (или сообщество) растения или животного, сохранившийся от исчезнувших, широко распространенных в прошлом флор и фаун (обычно указывается время, когда произошла изоляция). Экологический энциклопедический словарь.… … Экологический словарь
реликт — Вид (или иной таксон), сохранившийся до настоящего времени и «представляющий» широко распространенные в прошлом флоры и фауны, например, латимерия Latimeria chalumnae Р. древней фауны кистеперых рыб и т.п.; Р. классифицируют по геологическому… … Справочник технического переводчика
реликт — Виды животных или растений, входящие в состав современной биоты как пережитки флор или фаун минувших геологических эпох … Словарь по географии
Комплекc «Реликт» – это надежная защита
На сегодняшний день защита даже наиболее современных отечественных танков типа Т-90 против кумулятивных и бронебойных подкалиберных средств (БПС) поражения нуждается в усилении. Из экспертных оценок роста могущества наиболее представительных противотанковых снарядов и ПТУР следует, например, что бронепробивная способность БПС танковых пушек модификаций танка М1 «Абрамс» растёт по приблизительно линейному за-кону с коэффициентом пропорциональности около 35 мм/год. Если говорить о кумулятивных ПТУР, то наряду с ростом бронепробивной способности боевых частей (БЧ) за счёт увеличения калибра, повышения мощности зарядов взрывчатого вещества (ВВ) и применения прецизионных технологий в изготовлении БЧ происходит качественное изменение принципа воздействия на защиту, а именно переход на тандемные БЧ, способные преодолевать динамическую защиту первых поколений, увеличение времени задержки между срабатыванием основной и вспомогательной БЧ, повышение эффективности их действия за счёт различного рода схемных ухищрений и т.д.
Совершенно очевидно, что для сохранения паритета требовался адекватный ответ со стороны защиты отечественных танков. Необходимость срочных ответных шагов в направлении усиления защищённости отечественных танков диктуется также повышением её роли в локальных конфликтах, где резко возрастает вероятность применения против тонкобронных бортовых проекций танка средств ближнего боя, таких как ручной противотанковый гранатомет (РПГ) кумулятивного действия.
Задача по созданию комплекса защиты была поставлена перед специалистами ОАО «НИИ стали». В результате был разработан и принят на вооружение комплекс лобовой защиты «Реликт» и, созданные первоначально для защиты от РПГ легкобронированных машин типа БМП-3 специальные модули ДЗ, обеспечивающие непоражаемость бортовых проекций корпуса и башни танка от распространённых средств ближнего боя типа ПГ-9С.
Кормовая часть корпуса (в районе моторного отсека) и башни прикрыты решетчатыми экранами, снижающими вероятность образования кумулятивной струи из воронки БЧ ПГ более чем наполовину за счёт нарушения штатного функционирования БЧ при попадании между рёбрами решётки.
Оба комплекса являются принципиально новыми. Так, комплекс «Реликт» базируется на элементе динамической защиты (ДЗ) повышенной чувствительности 4С23 и современной, более эффективной схеме метания, в которой преобладает деструктивное и дестабилизирующее влияние на поражающие элементы боеприпасов (кумулятивную струю, сердечник БПС) относительно толстых броневых пластин, метаемых в противоположные стороны. При этом преобладающий вклад в указанное деструктивное воздействие вносит пластина, метаемая «вдогон». Благодаря тому, что энергетически метание «вдогон» выгоднее, чем метание навстречу, на структурах подобного рода реализуются значительные (в 4-5 раз) приросты стойкости по БПС в сравнении с серийным комплексом ДЗ «Контакт-V» и одновременно существенно вырастают «противотандемные» свойства такой брони, т.е. она приобретает стойкость против самых современных тандемных ПТУР типа TOW-2A с временем задержки не менее 400 мкс и бронепробиваемостью за навесной противокумулятивной ДЗ не менее 1000 мм. Таким образом, появление комплекса «Реликт» на отечественных танках – это существенный скачок по защищённости, обеспечивающий защиту от большинства самых современных противотанковых средств горизонтального обстрела, предназначенных для поражения танка со стороны лобовой проекции.
По оценкам специалистов, высказанным в ходе выставки в Нижнем Тагиле, «Реликт», созданный в НИИ стали, является адекватным ответом современным противотанковым средствам поражения. Сегодня это один из самых лучших защитных комплексов для бронетехники, а возможность его установки как на новые, так и модернизируемые и находящиеся в эксплуатации танки делает «Реликт» по-настоящему уникальным.
Обеспечение защищённости бортовых проекций танка от противотанковых кумулятивных гранат было заимствовано из технических решений, отработанных для машин лёгкой категории по массе (ЛКМ). Применительно к защите ЛКМ решение задачи было значительно более трудным в связи с несколькими ограничениями:
-необходимо было организовать процесс инициирования ВВ и разлёта пластин таким образом, чтобы предотвратить их разрушающее воздействие на относительно тонкую основную броню;
— требовалось предотвратить передачу детонации от инициируемого при воздействии кумулятивной струи заряда элемента динамической защиты (ЭДЗ) на весь объем блока;
— по возможности, максимально локализовать площадь поражения, ограничив её площадью одного-двух модулей;
-придать защитным модулям универсальность, имея в виду одновременное усиление защиты по кинетическим средствам поражения, таким как пули калибра до 14,5 мм и снаряды к малокалиберным пушкам.
Весь перечисленный комплекс задач в немалой степени был решён благодаря разработке и постановке на вооружение ЭДЗ инд. 4С24 с вдвое уменьшенным по сравнению с ЭДЗ 4С20, 4С22 количеством ВВ. Это позволило без снижения эффективности струегашения резко повысить конструктивную живучесть при обстреле и практически устранить возгораемость как самих ЭДЗ, так и модулей в целом, что при прежних ЭДЗ типа 4С20 было проблематичным.
Необходимо также особо подчеркнуть, что при отработке данного комплекса удалось решить весьма сложную задачу задержки лидирующей части струи, которая в силу определённой инерционности разлёта пластин ДЗ (особенно, метаемой вдогон) успевала «проскочить», обладая при этом достаточно высокой для относительно тонкой основной брони бронепробивной способностью не менее одного калибра БЧ.
Даже простой визуальный осмотр машин показывает, что существенно уменьшен процент так называемых «ослабленных зон».
Как объяснить загадочное холодное пятно реликтового излучения
Рис. 1. Карта флуктуаций реликтового излучения в галактических координатах по данным космической обсерватории «Планк». Синим цветом обозначены области, которые примерно на пару десятков микрокельвинов холоднее красных. Изображение с сайта esa.int
Реликтовое излучение — свет от первичной плазмы ранней Вселенной, который сейчас регистрируется в виде микроволнового фона, — помогло разрешить множество вопросов космологии. Благодаря нему теория Большого взрыва стала стандартной теорией о Вселенной. И сейчас мы всё еще продолжаем получать важную информацию, изучая реликтовое излучение. Но в нем имеются аномалии, которые ученые до сих пор не понимают. Среди них — холодное пятно, с которым связана одна из самых горячих дискуссий в современной космологии.
Реликтовое излучение
Согласно стандартной космологической модели, когда Вселенная была молодая (начиная от момента в несколько секунд после Большого взрыва и несколько сотен тысяч лет потом), она была заполнена горячей плазмой — «супом» из свободных протонов, электронов и ионизирующего излучения (фотонов) высокой энергии. Если какой-нибудь протон соединялся с электроном, образуя атом водорода, то такой атом мгновенно разбивался фотонами. Время шло, Вселенная расширялась, а плотность и температура излучения падали. В какой-то момент энергии фотонов перестало хватать для поддержания плазмы. Протоны и электроны смогли образовывать нейтральные атомы водорода, а длина свободного пробега фотонов стала больше размеров видимой Вселенной — излучение отделилось от вещества и впервые после Большого взрыва Вселенная стала для него прозрачной. Освободившиеся фотоны мы наблюдаем сегодня в виде реликтового излучения (рис. 2).
Рис. 2. Примерно через 400 тысяч лет после Большого взрыва произошло отделение излучения от материи (маленькие кружочки с красными волнами). При этом из каждой точки излучение было испущено во все стороны сразу. Сейчас, спустя почти 14 миллиардов лет (на рисунке 14 миллиардов округлили до 15), мы видим это реликтовое излучение, приходящее со всех сторон. Изображение с сайта en.wikipedia.org
За счет расширения Вселенной длина волны реликтового излучения сегодня находится в миллиметровом диапазоне, но в момент, когда оно было испущено, она была примерно в 1100 раз короче (см. Космологическое красное смещение). Соответственно, температура этого излучения сегодня составляет 2,7 К, а в момент излучения — примерно 3000 К. Реликтовое излучение доминирует в современной Вселенной, то есть этих старых фотонов даже сейчас во много раз больше, чем фотонов от всех звезд (рис. 3).
Рис. 3. Карты неба в галактических координатах на разных длинах волн (длины волн указаны под каждой картинкой). На длинах волн до полумиллиметра самыми яркими являются разные небесные объекты, такие как Млечный Путь или зодиакальный свет (загогулина через все небо, наиболее яркая на 25 мкм). Но на миллиметровых волнах появляется очень яркое излучение, которое светит со всего небосвода. Это и есть реликтовое излучение. Источники изображений: видимый свет — сайт milkywaysky.com, длина волны от 1,25 до 240 мкм — данные фотометра DIRBE, большие длины волн — данные спектрофотометра FIRAS. Оба инструмента были установлены на спутнике COBE. Темные полосы на картах FIRAS происходят из-за особенностей сканирования неба; на небе таких полос, конечно, нет
Говоря о температуре реликтового излучения, имеют в виду, что частотный спектр этого излучения является спектром абсолютно черного тела с определенной температурой. Здесь употреблено не совсем научное слово «является» (ведь в науке проверяют, насколько теория соотносится с экспериментом). Но, глядя на измерения спектра реликтового излучения (рис. 4), иначе и не скажешь. Обратите внимание, что показанные ошибки измерений умножены на 400 — иначе их просто не было бы видно. Измерение спектра реликтового излучения — самое точное измерение во всей космологии.
Рис. 4. Частотный спектр реликтового излучения (точки с отрезками, указывающими на погрешности), измеренный инструментом FIRAS, и его сравнение со спектром абсолютно черного тела с температурой 2,725 К. Показана интенсивность в зависимости от частоты излучения (нижняя горизонтальная ось) или от длины волны (верхняя горизонтальная ось). Погрешности измерения умножены на 400
Открытие реликтового излучения в 1964 году американскими радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном стало важнейшим подтверждением верности теории Большого взрыва. Еще бы: мы ведь увидели напрямую плазму молодой Вселенной, которой было всего около 400 тысяч лет (сравните с современным возрастом Вселенной — около 14 миллиардов лет). Сегодня, продолжая наблюдения реликтового излучения, мы узнаем все больше и больше о процессах, проходивших в те ранние эпохи.
Сейчас эксперименты в области наблюдения реликтового излучения сконцентрированы на изучении его анизотропии. Как уже говорилось, свет реликтового излучения приходит к нам со всех сторон. Фотоны реликтового излучения имеют практически одинаковую температуру, вне зависимости от направления их прилета (то есть реликтовое излучение почти изотропно). Однако имеются также небольшие флуктуации температуры по направлениям (анизотропия реликтового излучения). Амплитуда этих флуктуаций очень маленькая: среднее отклонение составляет около 10 −5 от средней температуры реликтового излучения (рис. 1).
Флуктуации температуры плазмы в ранней Вселенной определяются случайными процессами, поэтому для их изучения логично применять статистические методы. Для этого смотрят на корреляции флуктуаций по разным угловым расстояниям и строят так называемый угловой спектр мощности. Спектр мощности температурных флуктуаций, измеренный в различных современных экспериментах, показан на рис. 5. На нем показан спектр по так называемым мультиполям — величинам, обратно пропорциональным угловому расстоянию.
Рис. 5. Угловой спектр мощности температурных флуктуаций реликтового излучения, полученный по данным проектов Planck, WMAP (финальные результаты за 9 лет наблюдений), ACT и SPT. Спектр мощности показывает, насколько флуктуации коррелируют на разных угловых масштабах. Например, высокий пик на 1° (верхняя горизонтальная ось; на нижней оси показано значение мультиполя: l = π/α, где α — угол с верхней горизонтальной оси) означает, что наиболее типичным размером флуктуаций является 1°. Серая пунктирная линия показывает сравнение экспериментальных данных со стандартной космологической моделью. График из статьи Planck Collaboration, 2013. Planck 2013 results. I. Overview of products and scientific results
Важным результатом этих измерений является сравнение измеренного спектра мощности с ожиданием согласно стандартной космологической модели (которая, напомним в двух словах, заключается в том, что Вселенная, на 70% состоящая из темной энергии и на 25% — из темной материи, разлетается после Большого взрыва, случившегося 13,8 миллиардов лет назад). Совпадение с теоретическим спектром наблюдается с высокой точностью, что подтверждает верность нашей модели Вселенной.
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).
Рис. 6. Карта флуктуаций реликтового излучения в галактических координатах по данным спутника Planck. На врезке крупно показано холодное пятно. Изображение с сайта astronomy.com
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.
Но теперь, если Вселенная с самого начала была бесконечной, то почему реликтовое излучение имеет почти одинаковую температуру по всему небосводу? Ведь мы говорили, что размер горизонта составляет всего около 1°! А значит, реликтовое излучение должно состоять из многочисленных причинно не связанных областей. И очень странно видеть, что они такие одинаковые. Это называется проблемой горизонта (см. Horizon problem).
Чтобы справиться с этой проблемой (и несколькими другими связанными задачами), физики Алан Гут, Андрей Линде и Пол Стейнхардт разработали теорию инфляции, согласно которой вся наблюдаемая нами сегодня Вселенная «раздулась» (английское слово «inflate» означает «надувать») из некоторой небольшой причинно связанной области. Теория инфляции, которая нередко рассматривается как часть стандартной модели космологии, предполагает, что в промежуток от 10 −36 с до 10 −33 –10 −32 с после Большого взрыва Вселенная расширялась с огромным ускорением (затем она продолжила расширяться, но уже без ускорения). Хотя до сих пор физики не пришли к единому мнению, за счет какого именно процесса Вселенная расширялась с ускорением в период инфляции, имеются многие экспериментальные указания, что это было действительно так. В настоящий момент ведутся поиски последнего доказательства инфляции — B-мод поляризации реликтового излучения.
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.
Объяснение с помощью пустоты
Появление холодного пятна можно объяснить по крайней мере двумя способами: можно предположить, что оно происходит от какого-то процесса в ранней Вселенной, а можно поискать, что могло отпечататься на реликтовом излучении в более поздние эпохи. Обсудим сперва вторую возможность.
Проще всего можно объяснить появление холодного пятна, предположив наличие пустоты в распределении галактик в данном направлении. Мы знаем, что галактики во Вселенной формируют крупномасштабную структуру, состоящую из скоплений, связывающих их нитей и пустот (войдов) между ними.
Крупномасштабная структура Вселенной в компьютерном моделировании, основанном на стандартной космологической модели. Каждая светящаяся точка — галактика. Размер изображенной области более 100 миллионов световых лет в поперечнике
Почему пустота может объяснить наличие холодного пятна? Рассмотрим фотон реликтового излучения, проходящий через пустоту. Входя в пустое пространство из области с более высоким гравитационным потенциалом, фотон теряет энергию за счет гравитационного красного смещения. То есть фотону нужно затратить энергию, чтобы выбраться из ямы гравитационного потенциала. Выходя из пустоты, фотон снова набирает потерянную энергию. Однако, в случае расширяющейся Вселенной, к моменту выхода из пустоты гравитационный потенциал будет уже не таким глубоким, и фотон не получит полностью потерянную энергию. Таким образом, пустоты делают фотоны реликтового излучения более холодными. А скопления, наоборот, разогревают их. В среднем оба эффекта компенсируют друг друга. Однако если мы имеем большую пустоту недалеко от нас, то охлаждение фотонов реликтового излучения может оказаться заметным.
Пустота поблизости от нас — более предпочтительное объяснение образования холодного пятна, чем аномалия в ранней Вселенной, потому что сегодня горизонт намного больше, чем был тогда. То есть анизотропия в ближайшем окружении более вероятна, чем в дальнем. В статье «Космические нарушители спокойствия: холодное пятно, супервойд Эридана и великие стены» (A. Kovács, J. García-Bellido, 2016. Cosmic troublemakers: the Cold Spot, the Eridanus Supervoid, and the Great Walls), опубликованной летом 2016 года, ее авторы Андраш Ковач и Хуан Гарсия-Беллидо заявляют, что обнаружили пустоту в направлении холодного пятна (эта статья подводит итоги и дополняет более ранние исследования этого вопроса, см., в частности, статью Иштвана Сапуди, Андраша Ковача и др.: I. Szapudi et al., 2015. Detection of a Supervoid Aligned with the Cold Spot of the Cosmic Microwave Background). Обнаруженная пустота в созвездии Эридан — именно такая, как нужно: узкая и очень длинная, простирающаяся от нас до значения красного смещения z = 0,3 (то есть на дальнем краю этой пустоты мы видим Вселенную, которая в 1,3 раза меньше современной, это около 800 Мпк).
Детально изучив эту пустоту, Ковач и Гарсия-Беллидо заключили, что она состоит из цепочки соединенных между собой пустот меньшего размера. Плотность вещества в ней примерно на 25% меньше, чем в среднем по локальной Вселенной. Длина пустоты вдоль линии взгляда — примерно 500 Мпк, а ширина — около сотни Мпк. Однако всё честно исследовав, ученые пришли к выводу, что пустота Эридана все-таки недостаточно «пустая», чтобы объяснить возникновение холодного пятна. Она может снизить температуру реликтового излучения в данном направлении лишь на 40 мкК из наблюдаемых 150.
Получается противоречивый вывод. С одной стороны пустота Эридана и холодное пятно явно связаны друг с другом, ведь оба они находятся в одном и том же месте на небосводе. Но обнаруженная пустота явно недостаточна, чтобы полностью обосновать эту связь. Возможно ли, что такая связь все-таки существует, но, чтобы ее обнаружить, нам необходим детальный пересмотр всей нашей космологии? Тогда холодное пятно окажется окном в новую захватывающую физику!
Стоп, не так быстро. Может, еще и нет никакой новой физики. В статье за апрель 2017 года «Указание против существования пустоты, связанной с холодным пятном реликтового излучения» (R. Mackenzie et al., 2017. Evidence against a supervoid causing the CMB Cold Spot) уже упоминавшийся Иштван Сапуди с коллегами показывают, что пустота Эридана не такая большая. Согласно их расчетам, она имеет размер всего 100 МПк и на 34% менее плотная, чем окружающая Вселенная. И хотя, по этим расчетам, пустота Эридана оказывается более пустой, она может объяснять понижение температуры реликтового излучения всего на 6 мкК. Вдоль направления на холодное пятно имеются еще пара пустот, но они еще меньше, чем эта и в сумме не дают и близко нужного эффекта.
Нужно пояснить, почему в разных исследованиях получаются разные результаты. Наблюдая галактику в телескоп, мы можем весьма точно измерить ее положение на небосводе, но измерение расстояния до нее — не такая простая задача. То есть для построения трехмерной карты неба имеются две хорошо измеренные координаты и одна — плохо измеренная. Для определения расстояний требуется измерение красного смещения, которое, как уже было сказано выше, указывает на то, насколько меньше была Вселенная в момент, когда свет от удаленной галактики был испущен. Фактически, красное смещение — это измерение расстояний на сверхдалеких дистанциях (начиная от
100 Мпк). Красное смещение, в свою очередь, измеряется по спектрам звезд: сам термин «красное смещение» означает, что спектры свечения далеких объектов смещены в сторону длинных волн (кажутся более красными). Поэтому для измерения красного смещения необходимо использовать не простой телескоп, а какой-то инструмент, чувствительный к длине волны излучения.
Используются два подхода: фотометрический и спектрометрический. Фотометрический заключается в том, что телескоп обозревает небо по нескольким длинам волн, каждую длину волны отдельно (примерно, как в цифровом фотоаппарате: отдельно снимаются красный, зеленый и синий цвета). Фотометрический подход позволяет изучать все объекты, попавшие в поле зрения телескопа, разом. Но при этом он дает плохую чувствительность по спектру. Спектрометрический подход заключается в использовании спектрометра отдельно для каждого объекта в поле зрения телескопа. При этом получается отличное измерение спектра. Но это измерение трудно провести для всех объектов, которые видны в телескоп (измерение спектра каждого объекта требует времени, пусть и небольшого). Поэтому приходится выбирать, для каких объектов измерять спектр, а для каких — нет. Получается, что оба метода дают погрешности: у фотометрии это погрешность измерения красного смещения, а у спектрометрии — погрешность из-за ограниченной выборки. В первой из обсуждаемых статей использовались и фотометрические, и спектрометрические измерения, при этом спектрометрические данные были сконцентрированы больше на небольших значениях красного смещения (ближняя к нам область). Использованные каталоги содержат почти 100 тысяч галактик, хотя большая их часть расположена на красных смещениях z −32 с после Большого взрыва закончилась эпоха инфляции, когда Вселенная расширялась с ускорением. Еще раньше, через 10 −36 с после него, была эпоха, когда сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия были объединены в одно. Но стройной теории, которая объясняла бы процессы в эту эпоху, у нас нет. А еще раньше, до момента 10 −43 с, была таинственная Планковская эпоха. Мы пока вообще не понимаем, чем было тогда пространство и время. Различные предположения и спекуляции об этих ранних эпохах предсказывают такие загадочные вещи, как космические струны или монополи. Холодное пятно может вполне оказаться отпечатком такой ранней особенности, если существовали, например, какие-то неоднородные текстуры пространства-времени (M. Cruz et al., 2007. A Cosmic Microwave Background Feature Consistent with a Cosmic Texture) или неоднородности в инфляционном поле (Juan C. Bueno Sánchez, 2014. The inflationary origin of the Cold Spot anomaly).
Другое экзотическое объяснение предполагает, что в начале эпохи инфляции наша Вселенная столкнулась с другой вселенной, что привело к возникновению холодного пятна (K. Larjo, T. S. Levi, 2009. Bubble, Bubble, Flow and Hubble: Large Scale Galaxy Flow from Cosmological Bubble Collisions). Теория инфляции, во многих ее интерпретациях, предполагает, что мы живем в некотором изолированном пузыре-вселенной и что существует еще огромное количество пузырей, в которых, может быть, эволюция вселенной пошла совершенно другим путем. Если в начале инфляции наш пузырь столкнулся с другим, то можно ожидать увидеть пятно или дискообразную структуру на реликтовом излучении (представьте, что мы живем в мыльном пузыре, который когда-то пересекся с другим пузырем: если они пересеклись чуть-чуть, то на нашем пузыре может остаться пятно, а если пересеклись сильно, то останется кольцо). Если так, то холодное пятно может стать первым наблюдаемым явлением, отражающим экзотическую физику ранней Вселенной, в том числе физику струн.
Рис. 7. Теория инфляции подразумевает, что мы живем в изолированном пузыре-вселенной и что существует еще множество других пузырей, где могут быть другие вселенные. Рисунок с сайта bbc.com
Впрочем, не стоит забывать, что холодное пятно может оказаться просто случайным образованием. Если взять физические параметры нашего мира и смоделировать много случайных симуляций Вселенной, то в одной на 50 симуляций будет что-то похожее на наше холодное пятно. А это не такая уж низкая вероятность.
В заключение стоит также отметить, что наша стартовая точка, утверждение о том, что холодное пятно является чем-то очень необычным, — не такое уж безапелляционное. Как вообще определили, что именно эта структура является аномальной? Для этого на измеренную карту флуктуаций температуры реликтового излучения примеряют функцию, по форме напоминающую мексиканское сомбреро. С помощью разных сомбреро можно отыскивать аномалии разного углового размера. Такой анализ показывает исключительность холодного пятна. Но на что именно реагирует анализ? Оказывается, что анализ реагирует не только на низкую температуру в центре пятна, но и на кольцо повышенной температуры вокруг него. Не будь этого горячего кольца, значимость холодного пятна была бы ниже. Хотя даже и тогда холодное пятно остается исключительной и непонятной аномалией.
Источники:
1) A. Kovács, J. García-Bellido, 2016. Cosmic troublemakers: the Cold Spot, the Eridanus Supervoid, and the Great Walls // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 21 October 2016. DOI: 10.1093/mnras/stw1752.
2) R. Mackenzie et al., 2017. Evidence against a supervoid causing the CMB Cold Spot // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 11 September 2017. DOI: 10.1093/mnras/stx931.