Forum științific și tehnic SciTecLibrary - Rotația în patru dimensiuni a Universului. Astronomii și-au dat seama când gaura neagră din centrul Căii Lactee s-a stins Universul în rotație

După ce au studiat peste 15.000 de galaxii, Michael Longo și co-cercetătorii de la Universitatea de Stat din Michigan au raportat că galaxiile spirale se rotesc în principal în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic, în funcție de emisfera în care se află.

Longo a explorat peste 15.000 de galaxii. Galaxiile se extind „puțin” la peste 600 de milioane de ani lumină de Pământ și la mai puțin de 1/20 din distanța celor mai îndepărtate galaxii observabile până în prezent.

Privind spre nord, deasupra planului Căii Lactee, a descoperit că mai mult de jumătate dintre „spirale” se roteau în sens invers acelor de ceasornic. Numărul de spirale a fost doar șapte procente din numărul total de galaxii observate. Dar șansele ca acest lucru să fie pur coincidență, potrivit cercetătorilor, sunt una la un milion.

Dacă întregul univers se rotește, atunci număr mare galaxiile de pe partea opusă a cerului, sub planul galactic, ar trebui să se rotească în sensul acelor de ceasornic. Într-adevăr, această ipoteză a fost confirmată de o analiză separată din 1991, care a găsit 8287 galaxii spiraleîn emisfera galactică sudică.

Vederea Sloan este limitată în mare parte la emisfera galactică nordică a cerului. Teste ulterioare ale acestor rezultate vor confirma dacă există într-adevăr un exces de galaxii spirale drepte în emisfera sudică. Acesta este ceea ce Longo cercetează în prezent.

Dacă toate galaxiile se rotesc, stelele și planetele se rotesc, atunci de ce nu ar trebui să se rotească întregul Univers? Consecințele unui univers care se rotește vor fi profunde. piatra de temelie cosmologia modernă este că universul este omogen și izotrop - nu are o orientare preferată și arată la fel în toate direcțiile.

La prima vedere, afirmația „rotației” este împotriva teoriei copernicane. Cu alte cuvinte, universul are o axă, ceea ce înseamnă că, de fapt, există o direcție specială în spațiu.

Amprentele din stânga și dreapta ale cerului, cu galaxii care se rotesc dezvăluite, înseamnă că universul se învârte de la început și a păstrat un impuls extrem de puternic. Acest lucru duce la concluzia că Universul Big Bang primordial avea energie de rotație la scară largă. Sau cel puțin au fost vârtejuri puternice în globul de foc primordial.

Analiza studiului Sloan ar putea fi, de asemenea, o dovadă circumstanțială că vedem doar o porțiune dintr-un univers mult mai mare și mai omogen care se extinde cu mult dincolo de universul nostru vizibil și localizat în rotație.

Aceasta nu este prima dată când astronomii susțin că au observat „caruselele” universului. Fundalul cosmic din domeniul microundelor după Big Bang a suspectat anomalii care au fost odată propuse ca dovadă a rotației, dar acestea au fost ulterior respinse ca erori de măsurare.

Acest rezultat poate fi doar o întâmplare statistică sau părtinitoare, deoarece ne uităm doar la universul local.

În mod curios, propria axă de rotație a Căii Lactee se aliniază aproximativ cu axa de rotație estimată a universului cu doar câteva grade, așa cum se poate deduce din două studii ale galaxiei. Acest lucru sună și foarte „anti-Copernic”. Aceste argumente întăresc viziunea reacționistă conform căreia ne aflăm în „centrul” universului.

Una dintre principalele întrebări care nu ies din conștiința umană a fost și este întotdeauna întrebarea: „cum a apărut Universul?”. Desigur, nu există un răspuns fără echivoc la această întrebare și este puțin probabil să fie primit în viitorul apropiat, cu toate acestea, știința lucrează în această direcție și formează un anumit model teoretic al originii Universului nostru. În primul rând, ar trebui să luăm în considerare proprietățile de bază ale Universului, care ar trebui descrise în cadrul model cosmologic:

Modelul trebuie să țină cont de distanțele observate între obiecte, precum și de viteza și direcția mișcării acestora. Astfel de calcule se bazează pe legea Hubble: cz =H0D, Unde z este deplasarea spre roșu a obiectului, D- distanta fata de acest obiect, c este viteza luminii.
Vârsta Universului din model trebuie să depășească vârsta celor mai vechi obiecte din lume.
Modelul trebuie să țină cont de abundența inițială de elemente.
Modelul trebuie să ia în considerare observabilul .
Modelul trebuie să țină cont de fundalul relictei observate.

Să luăm în considerare pe scurt teoria general acceptată a originii și evoluției timpurii a Universului, care este susținută de majoritatea oamenilor de știință. Astăzi în teorie big bang implică o combinație a modelului universului fierbinte cu Big Bang. Și deși aceste concepte au existat mai întâi independent unul de celălalt, ca rezultat al combinației lor, a fost posibil să se explice compoziție chimică Univers, precum și prezența radiației cosmice de fond cu microunde.

Conform acestei teorii, Universul a apărut cu aproximativ 13,77 miliarde de ani în urmă dintr-un obiect dens încălzit - care este greu de descris în cadrul fizicii moderne. Problema cu singularitatea cosmologică, printre altele, este că atunci când o descriu, majoritatea cantităților fizice, cum ar fi densitatea și temperatura, tind spre infinit. În același timp, se știe că la densitatea infinită (măsura haosului) ar trebui să tinde spre zero, ceea ce nu este deloc compatibil cu temperatura infinită.

- Primele 10 -43 de secunde după Big Bang sunt numite stadiul haosului cuantic. Natura universului în acest stadiu al existenței nu poate fi descrisă în cadrul fizicii cunoscute nouă. Există o dezintegrare a unui singur spațiu-timp continuu în cuante.

Momentul Planck este momentul sfârșitului haosului cuantic, care cade pe 10 -43 de secunde. În acest moment, parametrii Universului erau egali, precum temperatura Planck (aproximativ 10 32 K). La vremea erei Planck, toate cele patru interacțiuni fundamentale (slab, puternic, electromagnetic și gravitațional) erau combinate într-o singură interacțiune. Nu se poate considera momentul Planck ca o anumită perioadă lungă, deoarece fizica modernă nu lucrează cu parametri mai mici decât cei Planck.
Etapă. Următoarea etapă din istoria universului a fost etapa inflaționistă. În primul moment al inflației, interacțiunea gravitațională s-a separat de un singur câmp supersimetric (incluzând anterior câmpurile interacțiunilor fundamentale). În această perioadă, materia are o presiune negativă, ceea ce determină o creștere exponențială a energiei cinetice a Universului. Mai simplu spus, în această perioadă, Universul a început să se umfle foarte repede, iar spre final, energia câmpurilor fizice se transformă în energia particulelor obișnuite. La sfârșitul acestei etape, temperatura substanței și radiația crește semnificativ. Odată cu sfârșitul etapei de inflație, apare și o interacțiune puternică. Tot în acest moment apare.
Etapa de dominanță a radiațiilor. Următoarea etapă în dezvoltarea Universului, care include mai multe etape. În această etapă, temperatura Universului începe să scadă, se formează quarcii, apoi hadronii și leptonii. În era nucleosintezei, formarea inițială elemente chimice, se sintetizează heliul. Cu toate acestea, radiațiile încă domină materia.
Epoca dominației materiei. După 10.000 de ani, energia materiei depășește treptat energia radiațiilor și are loc separarea lor. Substanța începe să domine asupra radiației, apare un fundal relict. De asemenea, separarea materiei cu radiații a crescut semnificativ neomogenitățile inițiale în distribuția materiei, drept urmare au început să se formeze galaxii și supergalaxii. Legile Universului au ajuns la forma în care le observăm astăzi.

Imaginea de mai sus este compusă din mai multe teorii fundamentale și oferă vedere generala despre formarea Universului în primele etape ale existenței sale.

De unde a venit universul?

Dacă Universul provine dintr-o singularitate cosmologică, atunci de unde provine singularitatea? Nu este încă posibil să oferim un răspuns exact la această întrebare. Să luăm în considerare câteva modele cosmologice care afectează „nașterea Universului”.

Modele ciclice

Aceste modele se bazează pe afirmația că Universul a existat întotdeauna și în timp starea lui se schimbă doar, trecând de la expansiune la contracție și invers.

Modelul Steinhardt-Turok. Acest model se bazează pe teoria corzilor (teoria M), deoarece folosește un astfel de obiect ca „brană”. Potrivit acestui model, Universul vizibil este situat în interiorul unei 3-brane, care periodic, la fiecare câteva trilioane de ani, se ciocnește cu o altă 3-brană, ceea ce provoacă un fel de Big Bang. În plus, 3-branele noastre începe să se îndepărteze de cealaltă și să se extindă. La un moment dat, ponderea energiei întunecate are prioritate, iar rata de expansiune a 3-branelor crește. Expansiunea colosală împrăștie materia și radiațiile într-o asemenea măsură încât lumea devine aproape omogenă și goală. În cele din urmă, cele 3 brane se ciocnesc din nou, făcându-le pe ale noastre să se întoarcă la faza inițială a ciclului său, re-creând „Universul” nostru.

Teoria lui Loris Baum și Paul Frampton afirmă, de asemenea, că universul este ciclic. Potrivit teoriei lor, după Big Bang, acesta din urmă se va extinde din cauza energiei întunecate până se apropie de momentul „dezintegrarii” spațiu-timpului însuși - Big Rip. După cum știți, într-un „sistem închis, entropia nu scade” (a doua lege a termodinamicii). Din această afirmație rezultă că Universul nu poate reveni la starea inițială, deoarece în timpul unui astfel de proces entropia trebuie să scadă. Cu toate acestea, această problemă este rezolvată în cadrul acestei teorii. Conform teoriei lui Baum și Frampton, într-un moment înainte de Big Rip, Universul se desface în multe „cârpe”, fiecare dintre ele având o valoare destul de mică a entropiei. Experimentând o serie de tranziții de fază, aceste „petice” ale fostului Univers dau naștere materiei și se dezvoltă similar Universului original. Aceste noi lumi nu interacționează între ele, deoarece zboară separat cu o viteză mai mare decât viteza luminii. Astfel, oamenii de știință au evitat și singularitatea cosmologică, care începe nașterea Universului conform majorității teoriilor cosmologice. Adică, în momentul sfârșitului ciclului său, Universul se rupe în multe alte lumi care nu interacționează, care vor deveni universuri noi.
Cosmologie ciclică conformă – modelul ciclic al lui Roger Penrose și Vahagn Gurzadyan. Conform acestui model, Universul este capabil să treacă într-un nou ciclu fără a încălca a doua lege a termodinamicii. Această teorie se bazează pe presupunerea că găurile negre distrug informația absorbită, care într-un fel „legitim” scade entropia universului. Apoi fiecare astfel de ciclu de existență al Universului începe cu asemănarea Big Bang-ului și se termină cu o singularitate.

Alte modele pentru originea universului

Printre alte ipoteze care explică apariția Universului vizibil, următoarele două sunt cele mai populare:

Teoria haotică a inflației este teoria lui Andrey Linde. Conform acestei teorii, există un câmp scalar, care este neuniform pe tot volumul său. Adică, în diferite regiuni ale universului, câmpul scalar are sens diferit. Apoi, în zonele în care câmpul este slab, nu se întâmplă nimic, în timp ce zonele cu câmp puternicîncepe să se extindă (inflație) datorită energiei sale, formând astfel noi universuri. Un astfel de scenariu implică existența multor lumi care au apărut non-simultan și au propriul lor set de particule elementareşi de aici legile naturii.
Teoria lui Lee Smolin sugerează că Big Bang-ul nu este începutul existenței Universului, ci este doar o tranziție de fază între cele două stări ale sale. Întrucât înainte de Big Bang, Universul exista sub forma unei singularități cosmologice, apropiată în natură de singularitatea unei găuri negre, Smolin sugerează că Universul ar fi putut apărea dintr-o gaură neagră.

Rezultate

În ciuda faptului că modelele ciclice și alte modele răspund la o serie de întrebări la care teoria Big Bang nu poate răspunde, inclusiv problema singularității cosmologice. Cu toate acestea, împreună cu teoria inflaționistă, Big Bang-ul explică mai pe deplin originea Universului și, de asemenea, converge cu multe observații.

Astăzi, cercetătorii continuă să studieze intens posibile scenarii pentru originea Universului, totuși, pentru a oferi un răspuns de necontestat la întrebarea „Cum a apărut Universul?” — este puțin probabil să se întâmple în viitorul apropiat. Există două motive pentru aceasta: demonstrarea directă a teoriilor cosmologice este practic imposibilă, doar indirectă; chiar și teoretic nu există nicio modalitate de a obține informații exacte despre lumea de dinainte de Big Bang. Din aceste două motive, oamenii de știință nu pot decât să propună ipoteze și să construiască modele cosmologice care vor descrie cel mai precis natura Universului pe care îl observăm.

Distribuții CMB posibile (simulare)

Colegiul Imperial din Londra

Fizicienii de la Universitatea și Imperial College din Londra au efectuat cea mai extinsă căutare a abaterilor de la uniformitatea expansiunii universului. A inclus atât cazurile în care Universul se extinde în direcții diferite cu viteze diferite, cât și cazuri în care Universul s-a dovedit a fi răsucit din cauza rotației. Pe baza datelor de la telescopul Planck, oamenii de știință au ajuns la concluzia că șansa ca Universul să fie neomogen în cazul general este de una la 121.000. Cercetare publicată în jurnal Scrisori de revizuire fizică(preprint), raportat pe scurt într-un comunicat de presă de la Imperial College.

Izotropia și omogenitatea universului pe scară largă stă la baza modelului cosmologic modern Lambda-CDM, care este considerat cel mai autorizat printre astronomi. Cu ajutorul acestuia, fizicienii prezic evoluția și expansiunea Universului, estimează ponderea materiei întunecate și a energiei. Una dintre caracteristicile importante ale modelului este geometria acestuia - este asociat cu soluția ecuațiilor teorie generală relativitatea. Geometria se poate schimba dramatic dacă cerințele principiului cosmologic sunt abandonate (în orice punct al spațiului, Universul arată, în medie, la fel în toate direcțiile). Acest lucru poate schimba predicțiile modelelor cosmologice.

Pentru a valida utilizarea principiului cosmologic, astrofizicienii folosesc datele CMB. A apărut în Universul timpuriu, în timpul erei recombinării primare (400 de mii de ani după Big Bang) și este observată în domeniul radio datorită unei mii de deplasări spre roșu. Observațiile privind distribuția radiației cosmice de fond cu microunde au început în anii 1980 și 1990. Pe baza datelor de la sateliții RELIKT-1 și COBE, fizicienii ruși și americani au anunțat neomogenitatea radiației, ulterior au fost obținute date mai detaliate folosind dispozitivele WMAP și Planck. Oamenii de știință explică eterogenitatea radiațiilor relicve prin fluctuații aleatorii.

Distribuția CMB conform datelor Planck

Pentru a vedea dacă aceste fluctuații pot fi cauzate de anizotropia universului, astrofizicienii le verifică cu predicțiile modelelor anizotrope. Astfel, datele Planck au fost deja comparate cu modele ale Universului care se răsucește sau se întinde într-una dintre direcții. Cu toate acestea, dacă aceste procese au loc simultan (atât răsucindu-se de-a lungul uneia dintre axe, cât și întinzându-se de-a lungul celeilalte), imaginea distribuției CMB se poate dovedi a fi mai complexă. În noua lucrare, oamenii de știință au luat în considerare cea mai largă gamă de modele ale unui Univers în expansiune anizotropă - așa-numitele modele Bianchi tip VIIh. Aceasta este prima încercare de a pune limite întinderea și rotirea în același timp.

Cercetătorii au lucrat cu date nava spatiala"Scândură". După cum notează autorii, este imposibil să excludem complet anizotropia Universului - se poate limita doar parametrii posibili ai acestor modele. Având în vedere analiza datelor, fizicienii spun că șansa ca universul nostru să se rotească și să se întindă simultan în una sau mai multe direcții este de 1 la 121 000. În plus, oamenii de știință au stabilit cea mai strictă limită de rotație a universului, depășind-o pe cea anterioară. rezultat de un ordin de mărime.

Nava Planck a fost lansată în punctul Lagrange L2 în 2009 și a funcționat până în octombrie 2013. Scopul principal al misiunii a fost studierea CMB, dar, în plus, satelitul a furnizat date noi privind numărul de tipuri de neutrini (noua estimare tinde să fie trei tipuri cunoscute de neutrini, în timp ce datele WMAP au permis patru lumini diferite. particule). De asemenea, dispozitivul a făcut posibilă stabilirea unei valori mai precise a constantei Hubble și a distribuției tipurilor de materie în Univers: 4,9% din toată materia este materie barionică (obișnuită), 26,8% este materie întunecată și 68,3% este energie întunecată. . De asemenea, am raportat că, cu ajutorul lui „Planck”, căutarea clusterelor de galaxii îndepărtate tinere.

Vladimir Korolev

Un grup de oameni de știință de la Universitatea din Michigan (SUA), condus de Michael Longo, care studiază direcțiile de rotație a 15.872 de galaxii spirale, a ajuns la concluzia că Universul nostru se poate roti în jurul axei sale ca un top care se învârte din momentul nașterii. În plus, studiile americane resping de fapt ipoteza că Universul este izotrop și simetric.

Cercetarea a fost realizată ca parte a proiectului Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Inițial, oamenii de știință au încercat să găsească dovezi că universul are proprietățile simetriei oglinzii. În acest caz, au motivat ei, numărul de galaxii care se rotesc în sensul acelor de ceasornic și cele care „se răsucesc” în sens opus ar fi același.

Cu toate acestea, s-a dovedit că în direcția polului nord al Căii Lactee printre galaxiile spirale predomină rotația în sens invers acelor de ceasornic, adică sunt orientate spre dreapta. Această tendință este vizibilă chiar și la o distanță de peste 600 de milioane de ani lumină.

Desigur, toate acestea par foarte condiționate: la urma urmei, dacă observatorul este de cealaltă parte, atunci i se va părea că galaxia se mișcă în direcția opusă. Dar, cu toate acestea, conceptul de direcție de rotație este destul de aplicabil proiecțiilor vizibile ale galaxiilor pe sfera cerească.

„Ruperea de simetrie este mică, doar aproximativ șapte procente, dar probabilitatea ca acesta să fie un astfel de accident cosmic este undeva în jur de unu la un milion”, a comentat Michael Longo, liderul echipei de cercetare. „Rezultatele pe care le-am obținut sunt foarte importante, pentru că par să contrazică aproape universală ideea că dacă luați o scară suficient de mare, atunci universul va fi izotrop, adică nu va avea o direcție pronunțată.

Experții spun că un univers simetric și izotrop trebuie să fi apărut dintr-o explozie cu simetrie sferică. O astfel de explozie trebuia să semene ca o minge de baschet. Totuși, dacă la naștere Universul s-ar fi rotit în jurul axei sale într-o anumită direcție, atunci galaxiile ar fi păstrat această direcție de rotație. Dar, deoarece se rotesc în direcții diferite, prin urmare, Big Bang-ul a avut o direcție versatilă. Cu toate acestea, cel mai probabil, Universul continuă să se rotească. „Universul se poate învârti acum. Rezultatul nostru sugerează că este”, a spus Longo.

Apropo, în urmă cu câțiva ani, o sondă spațială americană, care a măsurat temperatura radiațiilor în diferite părți ale galaxiilor, a descoperit în spațiu o regiune liniară misterioasă care pătrunde în întregime în Univers. S-a dovedit că această linie este „creasta” în jurul căreia se formează modelul spațial al universului. Această descoperire a adus ajustări semnificative ideilor care existau până de curând despre evoluția Universului.

De exemplu, conform teoriei relativității, după Big Bang, Universul s-a dezvoltat haotic. Cu toate acestea, măsurătorile temperaturii radiației relicve indică faptul că o anumită ordine sistematică este vizibilă în structura sa. În acest caz, întreaga structură a Universului este formată în jurul regiunii radiațiilor liniare, așa-numita „axa răului”, așa cum au numit-o cercetătorii.

Anterior, Michael Longo și-a asumat deja o orientare „dreapta” a universului. Dar apoi calculele lui au provocat critici ascuțite din partea colegilor. În special, mulți au subliniat că oamenii, atunci când analizează orice imagine, acordă în mod inconștient prioritate părții drepte, deoarece majoritatea dintre noi suntem dreptaci.

Cu toate acestea, folosind special metode probabilistice, Longo a reușit să corecteze erorile și să obțină rezultate similare cu cele anterioare. Adevărat, încă nu a fost obținut un răspuns inteligibil la întrebarea de ce există mai multe galaxii „corecte”.

Cu toate acestea, principiul asimetriei este tipic pentru majoritatea obiectelor din univers. Dacă te uiți cu atenție, chiar și corpul uman nu este simetric: există întotdeauna diferențe mai mult sau mai puțin vizibile între partea dreaptă și cea stângă, ca să nu mai vorbim de locație. organe interne: în stânga - inima, în dreapta - ficatul și așa mai departe. Se poate presupune că același principiu este observat în alte sfere ale universului.