Научно-технический форум SciTecLibrary - Четырехмерное вращение Вселенной. Астрономы выяснили, когда потухла черная дыра в центре млечного пути Вращающаяся вселенная

Исследовав более чем 15000 галактик, Майкл Лонго с со-исследователями из Университета штата Мичиган, сообщили, что спиральные галактики в основном вращаются по часовой стрелке или против часовой стрелки в зависимости от того, в каком полушарии неба они находятся.

Лонго исследовал более чем 15000 галактик. Галактики простираются «чуть» более чем на 600 миллионов световых лет от Земли, и менее чем 1/20 расстояния до самых дальних наблюдаемых галактик на сегодняшний день.

Глядя на север, над плоскостью Млечного Пути, он обнаружил, что более половины «спиралей» вращались против часовой стрелки. Число спиралей составляло всего лишь семь процентов от общего количества наблюдаемых галактик. Но шансы того, что это чисто совпадение, согласно исследователям, один на миллион.

Если вся вселенная вращается, то большое число галактик на противоположной части неба, ниже галактической плоскости, должны вращаться по часовой стрелке. И действительно эта гипотеза подтверждена отдельным обзором 1991 года, в котором было обнаружено 8287 спиральных галактик в южном галактическом полушарии.

Обзор «Sloan» в основном ограничивается северной галактической полусферой неба. Дальнейшие проверки этих результатов подтвердят, есть ли действительно избыток правых спиральных галактик в южном полушарии. Это то, что в настоящее время исследует Лонго.

Если все галактики вращаются, вращаются звезды и планеты, то почему бы всей Вселенной не вращаться? Последствия вращающейся Вселенной будут глубокими. Краеугольным камнем современной космологии является то, что Вселенная однородна и изотропна - она не имеет преимущественную ориентацию и выглядит одинаково во всех направлениях.

На первый взгляд, утверждение «вращения» - против Коперниковой теории. Другими словами, у Вселенной есть ось, а это значит, что, на самом деле, существует специальное направление в пространстве.

Левые и правые отпечатки неба, с выявленными вращающимися галактиками, означают, что Вселенная вращалась с самого начала и сохранила чрезвычайно сильный импульс. Это приводит к выводу, что первобытная Вселенная Большого Взрыва имела энергию вращения в широком масштабе. Или, по крайней мере, были сильные вихри в первобытном огненном шаре.

Анализ исследования «Sloan» также может быть косвенным свидетельством того, что мы видим лишь часть гораздо более крупной и более однородной Вселенной, которая простирается далеко за пределы нашей видимой, локализованной вращающейся Вселенной.

Это не первый раз, когда астрономы утверждают, что наблюдали «карусели» Вселенной. Космический фон в СВЧ-диапазоне после Большого Взрыва подозревал аномалии, которые были когда-то предложены в качестве доказательства вращения, однако позднее они были отклонены, как погрешности измерения.

Этот результат может быть просто статистической случайностью, или предвзятым, потому что мы только смотрим на локальную вселенную.

Любопытным является то, что собственная ось вращения Млечного Пути примерно выравнивается с предполагаемой осью вращения Вселенной всего в нескольких градусов, что можно вывести из двух исследований галактики. Это, также звучит очень «анти-Коперниковски». Эти аргументы усиливают мнение реационистов, что мы находимся в «центре» Вселенной.

Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной. Прежде всего следует рассмотреть основные свойства Вселенной, которые должна описываться в рамках космологической модели:

Модель должна учитывать наблюдаемые расстояния между объектами, а также скорость и направление их движения. Подобные расчеты основываются на законе Хаббла: cz = H 0 D , где z – красное смещение объекта, D – расстояния до этого объекта, c – скорость света.
Возраст Вселенной в модели должен превышать возраст самых старых в мире объектов.
Модель должна учитывать первоначальное обилие элементов.
Модель должна учитывать наблюдаемую .
Модель должна учитывать наблюдаемый реликтовый фон.

Рассмотрим кратко общепризнанную теорию возникновения и ранней эволюции Вселенной, которая поддерживается большинством ученых. Сегодня под теорией Большого взрыва подразумевают комбинацию модели горячей Вселенной с Большим взрывом. И хотя данные концепции сперва существовали независимо друг от друга, в результате их объединение удалось объяснить первоначальный химический состав Вселенной, а также наличие реликтового излучения.

Согласно данной теории, Вселенная возникла около 13,77 млрд лет назад из некоторого плотного разогретого объекта — , плохо поддающееся описанию в рамках современной физики. Проблема космологической сингулярности, помимо всего прочего, в том, что при ее описании большинство физических величин, вроде плотности и температуры, стремятся к бесконечности. При этом, известно, что при бесконечной плотности (мера хаоса) должна устремляться к нулю, что никак не совмещается с бесконечной температурой.

- Первые 10 -43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.

Планковский момент – момент окончания квантового хаоса, который выпадает на 10 -43 секунду. В этот момент параметры Вселенной равнялись , вроде планковской температуры (около 10 32 К). В момент планковской эпохи все четыре фундаментальные взаимодействия (слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное) являлись объединенными в некое одно взаимодействие. Рассматривать планковский момент как некоторый продолжительный период – не представляется возможным, так как с параметрами меньше планковских современная физика не работает.
Стадия . Следующей стадией истории Вселенной стала инфляционная стадия. В первый момент инфляции от единого суперсимметричного поля (ранее включающего поля фундаментальных взаимодействий) отделилось гравитационное взаимодействие. В этот период вещество обладает отрицательным давлением, что вызывает экспоненциальный рост кинетической энергии Вселенной. Проще говоря, в данный период Вселенная стала очень быстро раздуваться, а ближе концу энергия физических полей переходит в энергию обычных частиц. В конце данной стадии значительно повышается температура вещества и излучения. Вместе с окончанием стадии инфляции выделяется и сильное взаимодействие. Также в этот момент возникает .
Стадия радиационного доминирования. Следующая стадия развития Вселенной, которая включает несколько этапов. На этой стадии температура Вселенной начинает понижаться, образуются кварки, затем адроны и лептоны. В эпоху нуклеосинтеза происходит образование начальных химических элементов, синтезируется гелий. Однако, излучение все еще преобладает над веществом.
Эпоха доминирования вещества. Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон. Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.

Вышеописанная картина сложена из нескольких основополагающих теорий и дает общие представление о формировании Вселенной на ранних этапах ее существования.

Откуда появилась Вселенная?

Если Вселенная возникла из космологической сингулярности, то откуда взялась сама сингулярность? На данный вопрос дать точный ответ, пока, невозможно. Рассмотрим некоторые космологические модели, затрагивающие «рождение Вселенной».

Циклические модели

Данные модели строятся на утверждении, что Вселенная существовала всегда и со временем лишь меняется ее состояние, переходя от расширения к сжатию – и обратно.

Модель Стейнхардта-Турока. Данная модель строится на теории струн (М-теории), так как использует такой объект как «брана». Согласно этой модели видимая Вселенная располагается внутри 3-бране, которая периодически, раз в несколько триллионов лет, сталкивается с другой 3-браной, что вызывает подобие Большого Взрыва. Далее наша 3-брана начинает отдаляться от другой и расширяться. В какой-то момент доля темной энергии получает первенство и скорость расширения 3-браны растет. Колоссальное расширение рассеивает вещество и излучение настолько, что мир становится почти однородным и пустым. В конце концов происходит повторное столкновение 3-бран, в результате чего наша возвращается к начальной фазе своего цикла, вновь зарождая нашу «Вселенную».

Теория Лориса Баума и Пола Фрэмптона также гласит о цикличности Вселенной. Согласно их теории последняя после Большого Взрыва будет расширяться за счет темной энергии до тех пор, пока не приблизится к моменту «распада» самого пространства-времени – Большой Разрыв. Как известно, в «замкнутой системе энтропия не убывает» (второе начало термодинамики). Из этого утверждения следует, что Вселенная не может вернуться к исходному состоянию, так как во время такого процесса энтропия должна убывать. Однако эта проблема решается рамках данной теории. Согласно теории Баума и Фрэмптона за миг до Большого Разрыва Вселенная распадается на множество «лоскутов», каждый из которых обладает довольно малым значением энтропии. Испытывая ряд фазовых переходов, данные «лоскуты» бывшей Вселенной порождают материю и развиваются аналогично первоначальной Вселенной. Эти новые миры не взаимодействуют друг с другом, так как разлетаются со скоростью больше скорости света. Таким образом, ученые избежали и космологической сингулярности, с которой начинается рождение Вселенной согласно большинству космологических теорий. То есть в момент конца своего цикла Вселенная распадается на множество других невзаимодействующих миров, которые станут новыми вселенными.
Конформная циклическая космология – циклическая модель Роджера Пенроуза и Ваагна Гурзадяна. Согласно данной модели Вселенная способна перейти в новый цикл, не нарушая второе начало термодинамики. Данная теория опирается на предположение, что черные дыры уничтожают поглощенную информацию, что неким образом «законно» понижает энтропию Вселенной. Тогда каждый такой цикл существования Вселенной начинается с подобия Большого Взрыва и заканчивается сингулярностью.

Другие модели возникновения Вселенной

Среди других гипотез, объясняющих появление видимой Вселенной наиболее популярны две следующие:

Хаотическая теория инфляции — теория Андрея Линде. Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные. Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших неодновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.
Теория Ли Смолина – предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.

Итоги

Несмотря на то, что циклические и другие модели отвечают на ряд вопросов, ответы на которые не может дать теория Большого Взрыва, в том числе проблема космологической сингулярности. Все же в комплекте с инфляционной теорией Большой Взрыв более цельно объясняет возникновение Вселенной, а также сходится с множеством наблюдений.

Сегодня исследователи продолжают интенсивно изучать возможные сценарии зарождения Вселенной, однако, дать неопровержимый ответ на вопрос «Как появилась Вселенная?» — вряд ли удастся в ближайшем будущем. На это есть две причины: прямое доказательство космологических теорий практически невозможно, лишь косвенное; даже теоретически нет возможности получить точную информацию о мире до момента Большого Взрыва. По этим двум причинам ученым остается лишь выдвигать гипотезы и строить космологические модели, которые максимально верно будут описывать природу наблюдаемой нами Вселенной.

Возможные распределения реликтового излучения (моделирование)

Imperial College London

Физики из Университетского и Имперского колледжей Лондона провели самый широкий поиск отклонений от однородности расширения Вселенной. Он включал в себя одновременно и случаи, когда Вселенная расширяется в разных направлениях с разной скоростью, и случаи, когда Вселенная оказывалась закрученной из-за вращения. На основе данных телескопа «Планк» ученые сделали вывод о том, что шанс неоднородности Вселенной в общем случае - один из 121 тысячи. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters (препринт), кратко о нем сообщает пресс-релиз Имперского колледжа.

Изотропность и однородность крупномасштабной Вселенной лежит в основе современной космологической модели Лямбда-CDM , которая считается среди астрономов наиболее авторитетной. С ее помощью физики предсказывают эволюцию и расширение Вселенной, оценивают долю темной материи и энергии. Одной из важных характеристик модели является ее геометрия - она связана с решением уравнений Общей теории относительности. Геометрия может сильно поменяться, если отказаться от требований космологического принципа (в любой точке пространства Вселенная выглядит в среднем одинаково во всех направлениях). Это может изменить предсказания космологических моделей.

Чтобы подтвердить правомерность использования космологического принципа, астрофизики используют данные о реликтовом излучении. Оно возникло в ранней Вселенной, в эпоху первичной рекомбинации (через 400 тысяч лет после Большого Взрыва) и наблюдается в радиодиапазоне из-за тысячекратного красного смещения. Наблюдения за распределением реликтового излучения начались еще в 80-90-х годах. На основании данных спутников «РЕЛИКТ-1» и COBE российские и американские физики заявили о неоднородности излучения, более подробные данные позднее были получены с помощью аппаратов WMAP и «Планк». Неоднородность реликтового излучения ученые объясняют случайными флуктуациями.

Распределение реликтового излучения по данным «Планка»

Для того чтобы удостовериться, не могут ли эти флуктуации быть вызваны анизотропией Вселенной, астрофизики сверяют их с предсказаниями анизотропных моделей. Так, данные «Планка» уже сравнивали с моделями закручивающейся или вытягивающейся в одном из направлений Вселенной. Однако если эти процессы происходят одновременно (и закручивание вдоль одной из осей и вытягивание - вдоль другой), картина распределения реликтового излучения может оказаться более сложной. В новой работе ученые рассмотрели самый широкий спектр моделей анизотропно расширяющейся Вселенной - так называемые модели Бианки типа VII h . Это первая попытка установить ограничения на одновременное растягивание и вращение.

Исследователи работали с данными космического аппарата «Планк». Как отмечают авторы, невозможно полностью исключить анизотропию Вселенной - можно лишь ограничить возможные параметры этих моделей. С учетом анализа данных, физики утверждают, что шанс того, что наша Вселенная вращается и одновременно с этим растягивается в одном или разных направлениях, составляет 1 к 121 000. Кроме того, ученые установили самое строгое ограничение на вращение Вселенной, превзойдя предыдущий результат на порядок.

Космический аппарат «Планк» был выведен в точку Лагранжа L2 в 2009 году и проработал вплоть до октября 2013 года. Главной целью миссии было исследование реликтового излучения, однако, помимо того, спутник предоставил новые данные о количестве типов нейтрино (новая оценка тяготеет к трем известным типам нейтрино, в то время как данные WMAP допускали четыре различных легких частицы). Также аппарат позволил установить более точное значение постоянной Хаббла и распределение типов материи во Вселенной: 4,9 процента всей материи приходится на барионное (обычное) вещество, 26,8 процента - на темную материю и 68,3 - на темную энергию. Мы также сообщали о том, что с помощью «Планка» поиск скоплений молодых далеких галактик.

Владимир Королёв

Группа ученых из Мичиганского университета (США) во главе с Майклом Лонго, исследуя направления вращения 15 872 спиральных галактик, пришла к выводу, что наша Вселенная может с момента рождения вращаться вокруг своей оси, как юла. Кроме того, исследования американцев фактически опровергают гипотезу о том, что Вселенная изотропна и симметрична.

Исследования велись в рамках проекта Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Вначале ученые пытались найти доказательства того, что Вселенная обладает свойствами зеркальной симметрии. В таком случае, рассуждали они, количество галактик, которые вращаются по часовой стрелке, и тех, что "закручены" в противоположном направлении, было бы одинаковым.

Однако оказалось, что по направлению к северному полюсу Млечного пути среди спиральных галактик преобладает вращение против часовой стрелки, то есть они ориентированы в правую сторону. Эта тенденция просматривается даже на расстоянии более 600 миллионов световых лет.

Конечно, все это кажется весьма условным: ведь если наблюдатель будет находиться с другой стороны, то ему будет казаться, что галактика движется в противоположном направлении. Но, тем не менее, понятие направления вращения вполне применимо к видимым проекциям галактик на небесную сферу.

"Нарушение симметрии небольшое, всего около семи процентов, но вероятность того, что это такая космическая случайность — где-то около одной миллионной, — прокомментировал руководитель исследовательской группы Майкл Лонго. — Полученные нами результаты очень важны, поскольку они, похоже, противоречат практически всеобщему представлению о том, что если взять достаточно большой масштаб, то Вселенная будет изотропной, то есть не будет иметь выраженного направления".

Специалисты говорят, что симметричная и изотропная Вселенная должна была возникнуть из сферически симметричного взрыва. Такой взрыв по форме должен был напоминать баскетбольный мяч. Однако, если бы при рождении Вселенная вращалась вокруг своей оси в определенном направлении, то галактики сохранили бы это направление вращения. Но, раз они вращаются в разных направлениях, следовательно, и Большой взрыв имел разностороннюю направленность. Тем не менее, скорее всего, Вселенная до сих пор продолжает вращаться. "Вселенная вполне может вращаться и сейчас. Наш результат предполагает, что так оно и есть", — заявил Лонго.

Кстати, несколько лет назад американский космический зонд, занимавшийся замерами температуры радиационного излучения в разных частях галактик, обнаружил в космосе загадочную линейную область, которая насквозь пронизывает Вселенную. Выяснилось, что именно эта линия является "хребтом", вокруг которого формируется пространственная модель мироздания. Это открытие внесло значительные коррективы в существовавшие до недавних пор представления об эволюции Вселенной.

Например, как утверждает теория относительности, после Большого взрыва Вселенная развивалась хаотично. Однако замеры температуры реликтового излучения свидетельствуют о том, что в ее строении просматривается некая планомерная упорядоченность. При этом вся структура Вселенной формируется вокруг области линейной радиации, так называемой "оси зла", как окрестили ее исследователи.

Ранее Майкл Лонго уже предполагал "правостороннюю" ориентацию Вселенной. Но тогда его выкладки вызвали резкую критику со стороны коллег. В частности, многие указывали на то, что люди, анализируя любое изображение, бессознательно отдают приоритет правой стороне, так как большинство из нас является правшами.

Однако, используя специальные вероятностные методы, Лонго удалось исправить погрешности и получить результаты, схожие с предыдущими. Правда, вразумительный ответ на вопрос, почему именно "правых" галактик больше, пока так и не был получен.

Впрочем, принцип асимметрии характерен для большинства объектов во Вселенной. Если разобраться, то даже человеческое тело не симметрично: всегда существуют более или менее заметные различия между его правой и левой сторонами, не говоря уж о расположении внутренних органов: слева — сердце, справа — печень и так далее. Можно предполагать, что тот же принцип соблюдается и в других сферах мироздания.