Научно-технически форум SciTecLibrary - Четиримерно въртене на Вселената. Астрономите разбраха кога черната дупка в центъра на Млечния път изгасна. Въртящата се вселена

След изучаване на повече от 15 000 галактики, Майкъл Лонго и съ-изследователи от Мичиганския държавен университет съобщиха, че спиралните галактики се въртят предимно по или обратно на часовниковата стрелка в зависимост от това в кое полукълбо се намират.

Лонго е изследвал повече от 15 000 галактики. Галактиките се простират "малко" над 600 милиона светлинни години от Земята и по-малко от 1/20 от разстоянието на най-отдалечените галактики, които могат да се наблюдават досега.

Поглеждайки на север, над равнината на Млечния път, той установява, че повече от половината "спирали" се въртят обратно на часовниковата стрелка. Броят на спиралите беше само седем процента от общия брой наблюдавани галактики. Но шансовете това да е чисто съвпадение, според изследователите, са едно на милион.

Ако цялата вселена се върти, тогава голямо числогалактиките от противоположната страна на небето, под галактическата равнина, трябва да се въртят по посока на часовниковата стрелка. Всъщност тази хипотеза беше потвърдена от отделен преглед от 1991 г., който установи 8287 спирални галактикив южното галактическо полукълбо.

Изгледът на Слоун е ограничен предимно до северното галактическо полукълбо на небето. Допълнителни тестове на тези резултати ще потвърдят дали наистина има излишък от десни спирални галактики в южното полукълбо. Това е, което Лонго проучва в момента.

Ако всички галактики се въртят, звездите и планетите се въртят, тогава защо цялата Вселена да не се върти? Последствията от една въртяща се вселена ще бъдат дълбоки. крайъгълен камъксъвременната космология е, че Вселената е хомогенна и изотропна – тя няма предпочитана ориентация и изглежда еднакво във всички посоки.

На пръв поглед твърдението за "въртене" противоречи на теорията на Коперник. С други думи, Вселената има ос, което означава, че всъщност има специална посока в пространството.

Отпечатъците отляво и отдясно на небето с разкрити въртящи се галактики означават, че Вселената се върти от самото начало и е запазила изключително силен импулс. Това води до заключението, че първичната вселена на Големия взрив е имала ротационна енергия в голям мащаб. Или поне в първичното огнено кълбо имаше силни вихри.

Анализът на изследването на Слоун също може да бъде косвено доказателство, че виждаме само част от много по-голяма и по-хомогенна вселена, която се простира далеч отвъд нашата видима, локализирана въртяща се вселена.

Това не е първият път, когато астрономите твърдят, че са наблюдавали "въртележките" на Вселената. Космическият фон в микровълновия диапазон след Големия взрив предполагаше аномалии, които някога бяха предложени като доказателство за въртене, но по-късно бяха отхвърлени като грешки в измерването.

Този резултат може да е просто статистическа случайност или предубеден, защото разглеждаме само локалната вселена.

Любопитно е, че собствената ос на въртене на Млечния път грубо се изравнява с изчислената ос на въртене на Вселената само с няколко градуса, както може да се заключи от две изследвания на галактиката. Това също звучи много "анти-Коперник". Тези аргументи подсилват реакционистката гледна точка, че сме в „центъра“ на Вселената.

Един от основните въпроси, които не излизат от човешкото съзнание, винаги е бил и е въпросът: „Как се е появила Вселената?“. Разбира се, няма недвусмислен отговор на този въпрос и е малко вероятно да бъде получен в близко бъдеще, но науката работи в тази посока и формира определен теоретичен модел за произхода на нашата Вселена. На първо място, трябва да се вземат предвид основните свойства на Вселената, които трябва да бъдат описани в рамките на космологичен модел:

Моделът трябва да отчита наблюдаваните разстояния между обектите, както и скоростта и посоката на тяхното движение. Такива изчисления се основават на закона на Хъбъл: cz =H0д, Където zе червеното отместване на обекта, д- разстояние до този обект, ° Се скоростта на светлината.
Възрастта на Вселената в модела трябва да надвишава възрастта на най-старите обекти в света.
Моделът трябва да отчита първоначалното изобилие от елементи.
Моделът трябва да вземе предвид наблюдаемото.
Моделът трябва да отчита наблюдавания реликтен фон.

Нека разгледаме накратко общоприетата теория за произхода и ранната еволюция на Вселената, която се поддържа от повечето учени. Днес на теория голям взривпредполагат комбинация от модела на горещата вселена с Големия взрив. И въпреки че тези понятия първоначално съществуват независимо едно от друго, в резултат на тяхната комбинация беше възможно да се обясни първоначалното химичен съставВселената, както и наличието на космическо микровълново фоново лъчение.

Според тази теория Вселената е възникнала преди около 13,77 милиарда години от някакъв плътен нагрят обект - който е трудно да се опише в рамките на съвременната физика. Проблемът с космологичната сингулярност, наред с други неща, е, че когато се описва, повечето физически величини, като плътност и температура, клонят към безкрайност. В същото време е известно, че при безкрайна плътност (мярката за хаоса) трябва да клони към нула, което по никакъв начин не е съвместимо с безкрайната температура.

- Първите 10 -43 секунди след Големия взрив се наричат етап на квантовия хаос. Природата на Вселената на този етап от съществуването не може да бъде описана в рамките на познатата ни физика. Има разпадане на едно непрекъснато единно пространство-време на кванти.

Моментът на Планк е моментът на края на квантовия хаос, който пада на 10 -43 секунди. В този момент параметрите на Вселената са равни, като температурата на Планк (около 10 32 K). По времето на ерата на Планк всичките четири фундаментални взаимодействия (слабо, силно, електромагнитно и гравитационно) бяха комбинирани в едно взаимодействие. Не е възможно моментът на Планк да се разглежда като определен дълъг период, тъй като съвременната физика не работи с параметри, по-малки от тези на Планк.
Сцена. Следващият етап в историята на Вселената беше инфлационният етап. В първия момент на инфлация, гравитационното взаимодействие се отдели от едно суперсиметрично поле (преди това включващо полетата на фундаменталните взаимодействия). През този период материята има отрицателно налягане, което предизвиква експоненциално нарастване на кинетичната енергия на Вселената. Просто казано, през този период Вселената започва да се раздува много бързо и към края енергията на физическите полета се превръща в енергия на обикновените частици. В края на този етап температурата на веществото и радиацията се повишава значително. Заедно с края на етапа на инфлация се появява и силно взаимодействие. Също така в този момент възниква.
Етапът на доминиране на радиацията. Следващият етап от развитието на Вселената, който включва няколко етапа. На този етап температурата на Вселената започва да намалява, образуват се кварки, след това адрони и лептони. В ерата на нуклеосинтезата, образуването на начални химически елементи, се синтезира хелий. Въпреки това радиацията все още доминира над материята.
Ерата на господството на материята. След 10 000 години енергията на материята постепенно превишава енергията на радиацията и настъпва тяхното разделяне. Веществото започва да доминира над радиацията, появява се реликтов фон. Също така, разделянето на материята с радиация значително увеличи първоначалните нехомогенности в разпределението на материята, в резултат на което започнаха да се образуват галактики и супергалактики. Законите на Вселената достигнаха формата, в която ги наблюдаваме днес.

Горната картина е съставена от няколко фундаментални теории и дава общ изгледза формирането на Вселената в ранните етапи на нейното съществуване.

Откъде е дошла Вселената?

Ако Вселената произлиза от космологична сингулярност, тогава откъде идва сингулярността? Все още не е възможно да се даде точен отговор на този въпрос. Нека разгледаме някои космологични модели, които засягат "раждането на Вселената".

Циклични модели

Тези модели се основават на твърдението, че Вселената винаги е съществувала и с времето нейното състояние само се променя, преминавайки от разширяване към свиване и обратно.

Модел на Steinhardt-Turok. Този модел се основава на теорията на струните (М-теория), тъй като използва такъв обект като "брана". Според този модел видимата Вселена се намира вътре в 3-брана, която периодично, на всеки няколко трилиона години, се сблъсква с друга 3-брана, което предизвиква един вид Голям взрив. Освен това нашата 3-брана започва да се отдалечава от другата и да се разширява. В даден момент делът на тъмната енергия взема превес и скоростта на разширяване на 3-браната се увеличава. Колосалното разширение разпръсква материята и радиацията до такава степен, че светът става почти хомогенен и празен. В крайна сметка 3-браните се сблъскват отново, карайки нашата да се върне към началната фаза на своя цикъл, пресъздавайки нашата „Вселена“.

Теорията на Лорис Баум и Пол Фрамптън също твърди, че Вселената е циклична. Според тяхната теория, след Големия взрив, последният ще се разшири поради тъмната енергия, докато се приближи до момента на „разпадане“ на самото пространство-време - Голямото разкъсване. Както знаете, в "затворена система ентропията не намалява" (вторият закон на термодинамиката). От това твърдение следва, че Вселената не може да се върне в първоначалното си състояние, тъй като по време на такъв процес ентропията трябва да намалее. Този проблем обаче се решава в рамките на тази теория. Според теорията на Баум и Фрамптън, в момент преди Големия разрив, Вселената се разпада на много "парцали", всеки от които има доста малка стойност на ентропията. Преживявайки редица фазови преходи, тези „петна“ от бившата Вселена пораждат материя и се развиват подобно на първоначалната Вселена. Тези нови светове не взаимодействат един с друг, тъй като се разлитат със скорост, по-голяма от скоростта на светлината. Така учените избягват и космологичната сингулярност, с която започва раждането на Вселената според повечето космологични теории. Тоест, в момента на края на своя цикъл, Вселената се разпада на много други невзаимодействащи си светове, които ще се превърнат в нови вселени.
Конформна циклична космология – цикличният модел на Роджър Пенроуз и Ваагн Гурзадян. Според този модел Вселената е в състояние да премине в нов цикъл, без да нарушава втория закон на термодинамиката. Тази теория се основава на предположението, че черните дупки унищожават погълнатата информация, което по някакъв начин "легитимно" намалява ентропията на Вселената. Тогава всеки такъв цикъл на съществуване на Вселената започва с подобие на Големия взрив и завършва със сингулярност.

Други модели за произхода на Вселената

Сред другите хипотези, обясняващи появата на видимата Вселена, следните две са най-популярни:

Хаотичната теория за инфлацията е теорията на Андрей Линде. Според тази теория съществува някакво скаларно поле, което е нееднородно по целия си обем. Тоест в различни региони на Вселената скаларното поле има различен смисъл. След това, в области, където полето е слабо, нищо не се случва, докато области с силно полезапочва да се разширява (инфлация) благодарение на своята енергия, като по този начин образува нови вселени. Такъв сценарий предполага съществуването на много светове, които не са възникнали едновременно и имат свой собствен набор от елементарни частициа оттам и законите на природата.
Теорията на Лий Смолин предполага, че Големият взрив не е началото на съществуването на Вселената, а е само фазов преход между двете й състояния. Тъй като преди Големия взрив Вселената е съществувала под формата на космологична сингулярност, близка по природа до сингулярността на черна дупка, Смолин предполага, че Вселената може да е възникнала от черна дупка.

Резултати

Въпреки факта, че цикличните и други модели отговарят на редица въпроси, на които теорията за Големия взрив не може да отговори, включително проблема за космологичната сингулярност. И все пак, заедно с инфлационната теория, Големият взрив обяснява по-пълно произхода на Вселената и също се сближава с много наблюдения.

Днес изследователите продължават интензивно да изучават възможните сценарии за произхода на Вселената, но за да дадат неопровержим отговор на въпроса „Как се е появила Вселената?“ - е малко вероятно да се случи в близко бъдеще. Има две причини за това: прякото доказателство на космологичните теории е практически невъзможно, само косвено; дори теоретично няма начин да се получи точна информация за света преди Големия взрив. Поради тези две причини учените могат само да представят хипотези и да изграждат космологични модели, които най-точно ще опишат природата на Вселената, която наблюдаваме.

Възможни разпределения на CMB (симулация)

Имперски колеж в Лондон

Физиците от Университета и Имперския колеж в Лондон са провели най-мащабното търсене на отклонения от равномерността на разширяването на Вселената. Той включваше както случаи, когато Вселената се разширява в различни посоки с различна скорост, така и случаи, когато Вселената се оказа усукана поради въртене. Въз основа на данни от телескопа Планк учените стигнаха до извода, че шансът Вселената да е нехомогенна в общия случай е едно към 121 000. Изследване, публикувано в списанието Писма за физически преглед(препринт), се съобщава накратко в прессъобщение от Imperial College.

Изотропността и хомогенността на мащабната вселена е в основата на съвременния космологичен модел Lambda-CDM, който се счита за най-авторитетния сред астрономите. С негова помощ физиците прогнозират еволюцията и разширяването на Вселената, оценяват дела на тъмната материя и енергията. Една от важните характеристики на модела е неговата геометрия – тя се свързва с решаването на уравнения обща теорияотносителност. Геометрията може да се промени драстично, ако се изоставят изискванията на космологичния принцип (във всяка точка на пространството Вселената изглежда средно еднакво във всички посоки). Това може да промени прогнозите на космологичните модели.

За да потвърдят използването на космологичния принцип, астрофизиците използват данните от CMB. Възниква в ранната Вселена, по време на ерата на първичната рекомбинация (400 хиляди години след Големия взрив) и се наблюдава в радиообхвата поради хилядократно червено отместване. Наблюденията на разпределението на космическото микровълново фоново лъчение започват през 80-те и 90-те години на миналия век. Въз основа на данните от спътниците RELIKT-1 и COBE руски и американски физици обявиха нееднородността на излъчването, по-късно бяха получени по-подробни данни с помощта на устройствата WMAP и Planck. Учените обясняват хетерогенността на реликтовото излъчване със случайни флуктуации.

Разпределение на CMB според данните на Planck

За да видят дали тези колебания могат да бъдат причинени от анизотропията на Вселената, астрофизиците ги проверяват спрямо прогнозите на анизотропните модели. По този начин данните от Планк вече са сравнени с модели на Вселената, усукваща или разтягаща се в една от посоките. Ако обаче тези процеси протичат едновременно (както усукване по една от осите, така и разтягане по другата), картината на разпределението на CMB може да се окаже по-сложна. В новата работа учените разгледаха най-широката гама от модели на анизотропно разширяваща се Вселена - така наречените модели на Bianchi тип VIIh. Това е първият опит да се поставят ограничения върху разтягането и въртенето едновременно.

Изследователите са работили с данни космически кораб"дъска". Както отбелязват авторите, невъзможно е напълно да се изключи анизотропията на Вселената - може само да се ограничат възможните параметри на тези модели. Като се има предвид анализът на данните, физиците казват, че шансът нашата Вселена да се върти и едновременно да се простира в една или различни посоки е 1 към 121 000. Освен това учените са установили най-строгото ограничение на въртенето на Вселената, надминаващо предишното резултат от порядък на величина.

Космическият кораб Planck беше изстрелян до точката на Лагранж L2 през 2009 г. и работи до октомври 2013 г. Основната цел на мисията беше да проучи CMB, но в допълнение сателитът предостави нови данни за броя на видовете неутрино (новата оценка е три известни вида неутрино, докато данните от WMAP позволяват четири различни светлинни частици). Освен това устройството направи възможно установяването на по-точна стойност на константата на Хъбъл и разпределението на видовете материя във Вселената: 4,9 процента от цялата материя е барионна (обикновена) материя, 26,8 процента е тъмна материя и 68,3 процента е тъмна енергия . Също така съобщихме, че с помощта на "Планк" търсенето на купове от млади далечни галактики.

Владимир Королев

Група учени от Мичиганския университет (САЩ), ръководени от Майкъл Лонго, изучавайки посоките на въртене на 15 872 спирални галактики, стигнаха до извода, че нашата Вселена може да се върти около оста си като въртящ се връх от момента на раждането. Освен това американските изследвания всъщност опровергават хипотезата, че Вселената е изотропна и симетрична.

Изследването е проведено като част от проекта Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Първоначално учените се опитаха да намерят доказателства, че Вселената има свойствата на огледална симетрия. В този случай те разсъждават, че броят на галактиките, които се въртят по посока на часовниковата стрелка, и тези, които се "усукват" в обратната посока, ще бъдат еднакви.

Оказа се обаче, че в посока на северния полюс на Млечния път сред спиралните галактики преобладава въртенето обратно на часовниковата стрелка, тоест те са ориентирани надясно. Тази тенденция е видима дори на разстояние повече от 600 милиона светлинни години.

Разбира се, всичко това изглежда много условно: в крайна сметка, ако наблюдателят е от другата страна, тогава ще му се струва, че галактиката се движи в обратна посока. Но въпреки това концепцията за посоката на въртене е напълно приложима за видимите проекции на галактики върху небесната сфера.

"Нарушаването на симетрията е малко, само около седем процента, но вероятността това да е такъв космически инцидент е някъде около едно на милион", коментира Майкъл Лонго, ръководител на изследователския екип. "Резултатите, които получихме, са много важни, защото те изглежда противоречат на почти универсалната представа, че ако вземете достатъчно голям мащаб, тогава Вселената ще бъде изотропна, тоест няма да има ясно изразена посока.

Експертите казват, че симетрична и изотропна вселена трябва да е възникнала от сферично симетрична експлозия. Такава експлозия трябваше да наподобява форма на баскетболна топка. Но ако при раждането си Вселената се е въртяла около оста си в определена посока, тогава галактиките биха запазили тази посока на въртене. Но тъй като те се въртят в различни посоки, Големият взрив е имал многостранна посока. Въпреки това, най-вероятно Вселената продължава да се върти. „Вселената може би се върти сега. Нашият резултат предполага, че е така“, каза Лонго.

Между другото, преди няколко години американска космическа сонда, която измерва температурата на радиацията в различни части на галактиките, откри в космоса мистериозна линейна област, която прониква през Вселената докрай. Оказа се, че именно тази линия е "хребетът", около който се формира пространственият модел на Вселената. Това откритие внесе значителни корекции в съществуващите доскоро представи за еволюцията на Вселената.

Например според теорията на относителността след Големия взрив Вселената се е развивала хаотично. Измерванията на температурата на реликтовото излъчване обаче показват, че в структурата му се вижда определен систематичен ред. В този случай цялата структура на Вселената се формира около областта на линейното излъчване, така наречената „ос на злото“, както я нарекоха изследователите.

Преди това Майкъл Лонго вече приемаше "дясна" ориентация на Вселената. Но тогава изчисленията му предизвикаха остри критики от колеги. По-специално, мнозина посочиха, че хората, когато анализират каквото и да е изображение, несъзнателно дават приоритет на дясната страна, тъй като повечето от нас са десничари.

Въпреки това, използвайки специални вероятностни методи, Лонго успя да коригира грешките и да получи резултати, подобни на предишните. Вярно е, че все още не е получен разбираем отговор на въпроса защо има повече "правилни" галактики.

Принципът на асиметрията обаче е характерен за повечето обекти във Вселената. Ако се вгледате внимателно, дори човешкото тяло не е симетрично: винаги има повече или по-малко забележими разлики между дясната и лявата му страна, да не говорим за местоположението вътрешни органи: отляво - сърцето, отдясно - черният дроб и т.н. Може да се предположи, че същият принцип се наблюдава и в други сфери на Вселената.