Vedecko-technické fórum SciTecLibrary - Štvorrozmerná rotácia vesmíru. Astronómovia prišli na to, keď čierna diera v strede Mliečnej dráhy zhasla Rotujúci vesmír

Po štúdiu viac ako 15 000 galaxií Michael Longo a spoluvýskumníci z Michiganskej štátnej univerzity uviedli, že špirálové galaxie sa väčšinou otáčajú v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek v závislosti od toho, na ktorej pologuli sa nachádzajú.

Longo preskúmal viac ako 15 000 galaxií. Galaxie sa rozprestierajú „mierne“ na viac ako 600 miliónov svetelných rokov od Zeme a sú menej ako 1/20 vzdialenosti od doteraz najvzdialenejších pozorovateľných galaxií.

Pri pohľade na sever nad rovinou Mliečnej dráhy zistil, že viac ako polovica „špirál“ sa otáča proti smeru hodinových ručičiek. Počet špirál bol len sedem percent z celkového počtu pozorovaných galaxií. Ale šanca, že je to čisto náhodná, je podľa vedcov jedna k miliónu.

Ak sa celý vesmír otáča, potom veľké číslo galaxie na opačnej strane oblohy, pod galaktickou rovinou, by sa mali otáčať v smere hodinových ručičiek. V skutočnosti bola táto hypotéza potvrdená samostatným prehľadom z roku 1991, ktorý zistil 8287 špirálové galaxie na južnej galaktickej pologuli.

Pohľad Sloan je väčšinou obmedzený na severnú galaktickú pologuľu oblohy. Ďalšie testy týchto výsledkov potvrdia, či je na južnej pologuli skutočne prebytok pravotočivých špirálových galaxií. To je to, čo Longo momentálne skúma.

Ak sa otáčajú všetky galaxie, hviezdy a planéty, prečo by sa potom nemal otáčať celý vesmír? Dôsledky rotujúceho vesmíru budú hlboké. základným kameňom moderná kozmológia je taká, že vesmír je homogénny a izotropný – nemá preferovanú orientáciu a vo všetkých smeroch vyzerá rovnako.

Na prvý pohľad je tvrdenie o „rotácii“ v rozpore s Koperníkovou teóriou. Inými slovami, vesmír má os, čo znamená, že v skutočnosti existuje v priestore špeciálny smer.

Ľavý a pravý odtlačky oblohy s odhalenými rotujúcimi galaxiami znamenajú, že vesmír sa točí od počiatku a zachoval si mimoriadne silnú hybnosť. To vedie k záveru, že prvotný vesmír veľkého tresku mal rotačnú energiu vo veľkom meradle. Alebo aspoň v prvotnej ohnivej guli boli silné víry.

Analýza štúdie Sloan by mohla byť aj nepriamym dôkazom, že vidíme len časť oveľa väčšieho a homogénnejšieho vesmíru, ktorý siaha ďaleko za náš viditeľný, lokalizovaný rotujúci vesmír.

Nie je to prvýkrát, čo astronómovia tvrdili, že pozorovali „kolotoče“ vesmíru. Kozmické pozadie v mikrovlnnej oblasti po Veľkom tresku predpokladalo anomálie, ktoré boli kedysi navrhnuté ako dôkaz rotácie, ale neskôr boli zamietnuté ako chyby merania.

Tento výsledok môže byť len štatistická náhoda alebo skreslený, pretože sa pozeráme len na miestny vesmír.

Je zvláštne, že vlastná os rotácie Mliečnej dráhy sa približne zhoduje s odhadovanou osou rotácie vesmíru len o niekoľko stupňov, ako možno vyvodiť z dvoch štúdií galaxie. Aj to znie veľmi „antikopernikovsky“. Tieto argumenty posilňujú reakčný názor, že sme v „strede“ vesmíru.

Jednou z hlavných otázok, ktoré nevychádzajú z ľudského vedomia, vždy bola a je otázka: „ako sa objavil vesmír? Na túto otázku, samozrejme, neexistuje jednoznačná odpoveď a je nepravdepodobné, že ju dostaneme v blízkej budúcnosti, veda však pracuje týmto smerom a vytvára určitý teoretický model pôvodu nášho vesmíru. V prvom rade je potrebné zvážiť základné vlastnosti vesmíru, ktoré by mali byť opísané v rámci kozmologický model:

Model musí brať do úvahy pozorované vzdialenosti medzi objektmi, ako aj rýchlosť a smer ich pohybu. Takéto výpočty sú založené na Hubbleovom zákone: cz =H0D, Kde z je červený posun objektu, D- vzdialenosť k tomuto objektu, c je rýchlosť svetla.
Vek vesmíru v modeli musí prekročiť vek najstarších objektov na svete.
Model musí brať do úvahy počiatočné množstvo prvkov.
Model musí brať do úvahy pozorovateľné .
Model musí brať do úvahy pozorované reliktné pozadie.

Pozrime sa stručne na všeobecne uznávanú teóriu o vzniku a ranom vývoji vesmíru, ktorú podporuje väčšina vedcov. Dnes pod teóriou veľký tresk naznačujú kombináciu modelu horúceho vesmíru s Veľkým treskom. A hoci tieto pojmy najskôr existovali nezávisle od seba, v dôsledku ich kombinácie bolo možné vysvetliť iniciály chemické zloženie Vesmír, ako aj prítomnosť kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia.

Podľa tejto teórie vesmír vznikol asi pred 13,77 miliardami rokov z nejakého hustého zahriateho objektu – čo je v rámci modernej fyziky ťažko opísateľné. Problém kozmologickej singularity okrem iného spočíva v tom, že pri jej opise väčšina fyzikálnych veličín, ako je hustota a teplota, smeruje k nekonečnu. Zároveň je známe, že pri nekonečnej hustote (miera chaosu) by mala inklinovať k nule, čo nie je v žiadnom prípade kompatibilné s nekonečnou teplotou.

- Prvých 10 - 43 sekúnd po veľkom tresku sa nazýva štádium kvantového chaosu. Povaha vesmíru v tomto štádiu existencie sa nedá opísať v rámci nám známej fyziky. Dochádza k rozpadu súvislého jediného časopriestoru na kvantá.

Planckov moment je moment konca kvantového chaosu, ktorý pripadá na 10 - 43 sekúnd. V tomto momente boli parametre vesmíru rovnaké, ako Planckova teplota (asi 10 32 K). V čase Planckovej éry sa všetky štyri základné interakcie (slabá, silná, elektromagnetická a gravitačná) spojili do jednej interakcie. Planckov moment nie je možné považovať za určité dlhé obdobie, keďže moderná fyzika nepracuje s parametrami menšími ako tie Planckove.
Etapa. Ďalšou etapou v histórii vesmíru bola inflačná etapa. V prvom momente inflácie sa gravitačná interakcia oddelila od jedného supersymetrického poľa (predtým vrátane polí základných interakcií). Počas tohto obdobia má hmota podtlak, čo spôsobuje exponenciálny nárast kinetickej energie vesmíru. Jednoducho povedané, v tomto období sa Vesmír začal veľmi rýchlo nafukovať a ku koncu sa energia fyzikálnych polí mení na energiu obyčajných častíc. Na konci tejto fázy sa výrazne zvýši teplota látky a žiarenia. Spolu s koncom fázy inflácie sa objavuje aj silná interakcia. Aj v tomto momente vzniká.
Štádium radiačnej dominancie. Ďalšia etapa vo vývoji vesmíru, ktorá zahŕňa niekoľko etáp. V tejto fáze sa teplota Vesmíru začína znižovať, vznikajú kvarky, potom hadróny a leptóny. V ére nukleosyntézy vznik iniciál chemické prvky syntetizuje sa hélium. V hmote však stále dominuje žiarenie.
Obdobie dominancie hmoty. Po 10 000 rokoch energia hmoty postupne prevyšuje energiu žiarenia a dochádza k ich oddeleniu. Látka začína dominovať nad žiarením, objavuje sa reliktné pozadie. Taktiež separácia hmoty žiarením výrazne zvýšila počiatočné nehomogenity v rozložení hmoty, v dôsledku čoho začali vznikať galaxie a supergalaxie. Vesmírne zákony sa dostali do podoby, v akej ich pozorujeme dnes.

Vyššie uvedený obrázok sa skladá z niekoľkých základných teórií a údajov všeobecný pohľad o formovaní Vesmíru v raných fázach jeho existencie.

Odkiaľ sa vzal vesmír?

Ak vesmír vznikol z kozmologickej singularity, odkiaľ sa potom singularita vzala? Na túto otázku zatiaľ nie je možné dať presnú odpoveď. Uvažujme o niektorých kozmologických modeloch, ktoré ovplyvňujú „zrodenie vesmíru“.

Cyklické modely

Tieto modely sú založené na tvrdení, že Vesmír vždy existoval a v priebehu času sa jeho stav iba mení, pohybuje sa od expanzie ku kontrakcii a naopak.

Steinhardt-Turok model. Tento model je založený na teórii strún (M-teória), keďže používa takýto objekt ako „bránu“. Podľa tohto modelu sa viditeľný vesmír nachádza vo vnútri 3-brány, ktorá sa periodicky každých niekoľko biliónov rokov zráža s ďalšou 3-bránou, čo spôsobuje akýsi Veľký tresk. Ďalej sa naše 3-brane začínajú od seba vzďaľovať a rozširovať. V určitom bode má prednosť podiel tmavej energie a zvyšuje sa rýchlosť expanzie 3-brány. Kolosálna expanzia rozptýli hmotu a žiarenie do takej miery, že svet sa stáva takmer homogénnym a prázdnym. Nakoniec sa 3-brány opäť zrazia, čo spôsobí, že sa naše vrátia do počiatočnej fázy svojho cyklu a znovu vytvoria náš "Vesmír".

Aj teória Lorisa Bauma a Paula Framptona tvrdí, že vesmír je cyklický. Podľa ich teórie sa po Veľkom tresku bude tento rozpínať vplyvom temnej energie, až kým sa nepriblíži k momentu „rozpadu“ samotného časopriestoru – Big Rip. Ako viete, v "uzavretom systéme entropia neklesá" (druhý termodynamický zákon). Z tohto tvrdenia vyplýva, že Vesmír sa nemôže vrátiť do pôvodného stavu, keďže pri takomto procese musí entropia klesať. Tento problém sa však rieši v rámci tejto teórie. Podľa teórie Bauma a Framptona sa vesmír v okamihu pred Veľkým roztrhnutím rozpadne na množstvo „handričiek“, z ktorých každá má dosť malú hodnotu entropie. Tieto „záplaty“ bývalého vesmíru, ktoré zažívajú množstvo fázových prechodov, dávajú vznik hmote a vyvíjajú sa podobne ako pôvodný vesmír. Tieto nové svety medzi sebou neinteragujú, pretože sa od seba rozlietajú rýchlosťou väčšou ako je rýchlosť svetla. Vedci sa tak vyhli aj kozmologickej singularite, ktorou sa podľa väčšiny kozmologických teórií začína zrod vesmíru. To znamená, že v momente konca svojho cyklu sa Vesmír rozpadne na mnoho ďalších neinteragujúcich svetov, ktoré sa stanú novými vesmírmi.
Konformná cyklická kozmológia – cyklický model Rogera Penrosa a Vahagna Gurzadyana. Podľa tohto modelu je vesmír schopný prejsť do nového cyklu bez porušenia druhého termodynamického zákona. Táto teória je založená na predpoklade, že čierne diery ničia absorbovanú informáciu, čo nejakým spôsobom „legitímne“ znižuje entropiu vesmíru. Potom každý takýto cyklus existencie vesmíru začína podobnosťou Veľkého tresku a končí singularitou.

Ďalšie modely pre vznik vesmíru

Okrem iných hypotéz vysvetľujúcich vzhľad viditeľného vesmíru sú najobľúbenejšie tieto dve:

Chaotická teória inflácie je teóriou Andrey Lindeovej. Podľa tejto teórie existuje nejaké skalárne pole, ktoré je nerovnomerné v celom svojom objeme. To znamená, že v rôznych oblastiach vesmíru má skalárne pole iný význam. Potom sa v oblastiach, kde je pole slabé, nič nedeje, zatiaľ čo oblasti s silné pole začnú vďaka svojej energii expandovať (inflácia), čím vznikajú nové vesmíry. Takýto scenár predpokladá existenciu mnohých svetov, ktoré nevznikli súčasne a majú svoj vlastný súbor elementárne častice a teda aj zákony prírody.
Teória Lee Smolin naznačuje, že Veľký tresk nie je začiatkom existencie vesmíru, ale je len fázovým prechodom medzi jeho dvoma stavmi. Keďže pred Veľkým treskom existoval vesmír vo forme kozmologickej singularity, ktorá je svojou povahou blízka singularite čiernej diery, Smolin naznačuje, že vesmír mohol vzniknúť z čiernej diery.

Výsledky

Napriek tomu, že cyklické a iné modely odpovedajú na množstvo otázok, na ktoré teória veľkého tresku nedokáže odpovedať, vrátane problému kozmologickej singularity. Napriek tomu, spolu s inflačnou teóriou, Veľký tresk úplnejšie vysvetľuje pôvod vesmíru a tiež konverguje s mnohými pozorovaniami.

Dnes výskumníci naďalej intenzívne študujú možné scenáre vzniku vesmíru, aby však dali nevyvrátiteľnú odpoveď na otázku „Ako vznikol vesmír? — je nepravdepodobné, že sa to stane v blízkej budúcnosti. Sú na to dva dôvody: priamy dôkaz kozmologických teórií je prakticky nemožný, iba nepriamy; ani teoreticky neexistuje spôsob, ako získať presné informácie o svete pred Veľkým treskom. Z týchto dvoch dôvodov môžu vedci predkladať iba hypotézy a zostavovať kozmologické modely, ktoré budú čo najpresnejšie opisovať povahu vesmíru, ktorý pozorujeme.

Možné distribúcie CMB (simulácia)

Imperial College London

Fyzici z University a Imperial College London vykonali najrozsiahlejšie pátranie po odchýlkach od rovnomernosti rozpínania vesmíru. Zahŕňalo tak prípady, keď sa vesmír rozširuje rôznymi smermi pri rôznych rýchlostiach, ako aj prípady, keď sa ukázalo, že vesmír je skrútený v dôsledku rotácie. Na základe údajov z Planckovho teleskopu vedci dospeli k záveru, že šanca, že vesmír bude vo všeobecnosti nehomogénny, je jedna ku 121 000. Výskum publikovaný v časopise Fyzické prehľadové listy(predtlač), stručne o tom informoval v tlačovej správe Imperial College.

Izotropia a homogenita veľkého vesmíru je základom moderného kozmologického modelu Lambda-CDM, ktorý je medzi astronómami považovaný za najsmerodajnejší. S jeho pomocou fyzici predpovedajú vývoj a expanziu vesmíru, odhadujú podiel tmavej hmoty a energie. Jednou z dôležitých vlastností modelu je jeho geometria – je spojená s riešením rovníc všeobecná teória relativity. Geometria sa môže dramaticky zmeniť, ak sa upustí od požiadaviek kozmologického princípu (v ktoromkoľvek bode priestoru vyzerá vesmír v priemere vo všetkých smeroch rovnako). To môže zmeniť predpovede kozmologických modelov.

Na potvrdenie použitia kozmologického princípu používajú astrofyzici údaje CMB. Vznikol v ranom vesmíre, počas éry primárnej rekombinácie (400 tisíc rokov po Veľkom tresku) a je pozorovaný v rádiovom dosahu vďaka tisícnásobnému červenému posunu. Pozorovania distribúcie kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia sa začali v 80. a 90. rokoch 20. storočia. Na základe údajov z družíc RELIKT-1 a COBE oznámili ruskí a americkí fyzici nehomogenitu žiarenia, podrobnejšie údaje boli neskôr získané pomocou prístrojov WMAP a Planck. Vedci vysvetľujú heterogenitu reliktného žiarenia náhodnými výkyvmi.

Rozdelenie CMB podľa údajov Planck

Aby zistili, či tieto fluktuácie môžu byť spôsobené anizotropiou vesmíru, astrofyzici ich porovnávajú s predpoveďami anizotropných modelov. Planckove údaje už teda boli porovnané s modelmi vesmíru, ktorý sa krúti alebo naťahuje v jednom zo smerov. Ak sa však tieto procesy vyskytujú súčasne (krútenie pozdĺž jednej z osí a naťahovanie pozdĺž druhej), obraz distribúcie CMB sa môže ukázať ako zložitejší. V novej práci vedci zvažovali najširšiu škálu modelov anizotropne sa rozpínajúceho vesmíru - takzvané modely Bianchi typu VIIh. Toto je prvý pokus o obmedzenie naťahovania a otáčania súčasne.

Výskumníci pracovali s dátami kozmická loď"Doska". Ako poznamenávajú autori, nie je možné úplne vylúčiť anizotropiu vesmíru - možno len obmedziť možné parametre týchto modelov. Na základe analýzy údajov fyzici tvrdia, že šanca, že sa náš vesmír otáča a súčasne naťahuje jedným alebo rôznymi smermi, je 1 ku 121 000. Okrem toho vedci stanovili najprísnejší limit na rotáciu vesmíru, ktorý prekračuje predchádzajúci výsledok rádovo .

Kozmická loď Planck bola vypustená do Lagrangeovho bodu L2 v roku 2009 a pracovala do októbra 2013. Hlavným účelom misie bolo študovať CMB, ale okrem toho satelit poskytol nové údaje o počte typov neutrín (nový odhad má tendenciu byť tri známe typy neutrín, zatiaľ čo údaje WMAP umožňovali štyri rôzne druhy svetla). častice). Zariadenie tiež umožnilo stanoviť presnejšiu hodnotu Hubbleovej konštanty a distribúcie typov hmoty vo vesmíre: 4,9 percenta všetkej hmoty je baryónová (obyčajná) hmota, 26,8 percenta je tmavá hmota a 68,3 percenta je tmavá energia. . Tiež sme informovali, že s pomocou "Planck" hľadanie zhlukov mladých vzdialených galaxií.

Vladimír Korolev

Skupina vedcov z University of Michigan (USA) vedená Michaelom Longom, ktorí študovali smery rotácie 15 872 špirálových galaxií, dospela k záveru, že náš vesmír sa môže od okamihu narodenia otáčať okolo svojej osi ako vretenica. Americké štúdie navyše v skutočnosti vyvracajú hypotézu, že vesmír je izotropný a symetrický.

Výskum sa uskutočnil v rámci projektu Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Spočiatku sa vedci snažili nájsť dôkaz, že vesmír má vlastnosti zrkadlovej symetrie. V tomto prípade uvažovali, že počet galaxií, ktoré sa otáčajú v smere hodinových ručičiek, a tých, ktoré sa „krútia“ v opačnom smere, by bol rovnaký.

Ukázalo sa však, že v smere k severnému pólu Mliečnej dráhy medzi špirálovými galaxiami prevláda rotácia proti smeru hodinových ručičiek, teda sú orientované doprava. Tento trend je viditeľný aj vo vzdialenosti viac ako 600 miliónov svetelných rokov.

Samozrejme, toto všetko sa zdá byť veľmi podmienené: koniec koncov, ak je pozorovateľ na druhej strane, potom sa mu bude zdať, že sa galaxia pohybuje opačným smerom. Koncept smeru rotácie je však celkom použiteľný pre viditeľné projekcie galaxií na nebeskú sféru.

"Narušenie symetrie je malé, len asi sedem percent, ale pravdepodobnosť, že ide o takúto kozmickú nehodu, je niekde okolo jedna k miliónu," komentoval Michael Longo, vedúci výskumného tímu. "Výsledky, ktoré sme získali, sú veľmi dôležité." pretože sa zdá, že odporujú takmer univerzálnej predstave, že ak vezmete dostatočne veľkú mierku, vesmír bude izotropný, to znamená, že nebude mať výrazný smer.

Odborníci tvrdia, že symetrický a izotropný vesmír musel vzniknúť sféricky symetrickým výbuchom. Takýto výbuch mal tvarom pripomínať basketbalovú loptu. Ak by sa však vesmír pri narodení otáčal okolo svojej osi určitým smerom, potom by si galaxie zachovali tento smer otáčania. Keďže sa však otáčajú rôznymi smermi, Veľký tresk mal všestranný smer. S najväčšou pravdepodobnosťou sa však vesmír stále otáča. "Vesmír sa teraz môže točiť. Náš výsledok naznačuje, že áno," povedal Longo.

Mimochodom, pred niekoľkými rokmi americká vesmírna sonda, ktorá merala teplotu žiarenia v rôznych častiach galaxií, objavila vo vesmíre záhadnú lineárnu oblasť, ktorá preniká vesmírom skrz naskrz. Ukázalo sa, že práve táto čiara je „hrebeň“, okolo ktorej sa vytvára priestorový model vesmíru. Tento objav výrazne upravil predstavy, ktoré donedávna existovali o vývoji vesmíru.

Napríklad podľa teórie relativity sa vesmír po Veľkom tresku vyvíjal chaoticky. Merania teploty reliktného žiarenia však naznačujú, že v jeho štruktúre je viditeľný určitý systematický poriadok. V tomto prípade je celá štruktúra vesmíru vytvorená okolo oblasti lineárneho žiarenia, takzvanej „osi zla“, ako to vedci nazvali.

Michael Longo už predtým predpokladal „pravorukú“ orientáciu vesmíru. Ale potom jeho výpočty vyvolali ostrú kritiku zo strany kolegov. Najmä mnohí poukázali na to, že ľudia pri analýze akéhokoľvek obrázka nevedome dávajú prednosť pravej strane, pretože väčšina z nás je pravák.

Avšak pomocou špeciálnych pravdepodobnostné metódy, Longovi sa podarilo opraviť chyby a získať výsledky podobné tým predchádzajúcim. Pravda, zrozumiteľnú odpoveď na otázku, prečo existuje viac „správnych“ galaxií, sa zatiaľ nepodarilo získať.

Princíp asymetrie je však typický pre väčšinu objektov vo vesmíre. Ak sa pozriete pozorne, ani ľudské telo nie je symetrické: medzi jeho pravou a ľavou stranou sú vždy viac či menej viditeľné rozdiely, nehovoriac o umiestnení vnútorné orgány: vľavo - srdce, vpravo - pečeň atď. Dá sa predpokladať, že rovnaký princíp pozorujeme aj v iných sférach vesmíru.