Излучение со стороны миллисекундного пульсара PSR J0218+4232
Анализируя данные, собранные при помощи космической обсерватории Fermi («Ферми») НАСА и детектора Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC), международная команда астрономов изучила миллисекундный пульсар, известный как PSR J0218+4232. Результаты этого исследования позволяют глубже понять излучение со стороны этого источника.
Пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звезды с мощным магнитным полем, испускающие потоки электромагнитного излучения. Наиболее быстро вращающиеся пульсары, период собственного вращения которых составляет менее 30 миллисекунд, известны как миллисекундные пульсары. Астрономы полагают, что объекты этого класса формировались в двойных системах, когда изначально более массивная компонента превращалась в нейтронную звезду, скорость вращения которой затем постепенно возрастала за счет аккреции материи со стороны второй звезды.
Источник PSR J0218+4232 (или сокращенно J0218), находящийся на расстоянии около 10 270 световых лет от Земли, представляет собой миллисекундный пульсар с периодом вращения в 2,3 миллисекунды. Он движется по общей орбите с периодом в двое суток со звездой-компаньоном – белым карликом массой около 0,2 массы Солнца. Объект J0218 имеет экстремально мощное магнитное поле индукцией примерно в 100 000 гауссов. Более того, его характеристический возраст составляет примерно 500 миллионов лет, а мощность электромагнитного излучения, выделяемая за счет замедления вращения, эквивалентна приблизительно 240 дециллионов эргов в секунду, что делает его одним из самых молодых и высокоэнергетических миллисекундных пульсаров, известных на настоящее время.
Предыдущие исследования объекта J0218 указывали на то, что он может являться одним из лучших кандидатов для поиска гамма-излучения сверхвысоких энергий (энергией выше 100 гигаэлектронвольт). Поэтому команда астрономов под руководством Пабло М. Сэз Паркинсона (Pablo M. Saz Parkinson) из Калифорнийского университета в Санта-Круз, США, проанализировала многолетние данные наблюдений источника J0218, проводимых при помощи обсерваторий Fermi и MAGIC НАСА.
Анализ данных наблюдений показал наличие пульсирующего излучения с энергией выше 25 гигаэлектронвольт со стороны источника J0218, но полное отсутствие излучения с энергией выше 100 гигаэлектронвольт. Проведя многосторонний анализ полученных результатов с использованием компьютерного моделирования, авторы работы пришли к выводу, что обнаружение гамма-излучения сверхвысоких энергий со стороны источника J0218 при помощи детекторов текущего поколения, таких как Fermi и MAGIC, является затруднительным. Ситуация может измениться с введением в эксплуатацию обсерваторий нового поколения, таких как Cherenkov Telescope Array (CTA), запуск которой состоится уже в 2022 г., указывают авторы.
Исследование представлено на arxiv.org.
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cg … 0904105800
Более тяжелые звезды могут не взрываться как сверхновые, а сразу перерождаться в черные дыры
Сверхновая - это блестящий конец гигантской звезды. На краткий миг космического времени звезда делает последнее усилие, чтобы продолжить сиять, но только для того, чтобы погаснуть и разрушиться сама по себе. Конечным результатом является либо нейтронная звезда, либо черная дыра звездной массы. Обычно мы думали, что все звезды, масса которых превышает примерно десять солнечных масс, превратятся в сверхновую, но новое исследование предполагает, что это не так.
В отличие от известных сверхновых типа Ia, которые могут быть вызваны слиянием или взаимодействием двух звезд, большие звезды подвергаются так называемому коллапсу ядра сверхновой. Звезды выживают благодаря балансу тепла и давления против гравитации. По мере старения большая звезда должна выделять тепло за счет слияния всё более тяжелых элементов. Но эту цепочку можно довести только до железа (Fe). После этого сплавление в более тяжелые элементы только отнимает у вам энергию, а не высвобождает ее. Итак, ядро коллапсирует, создавая ударную волну, которая разрывает звезду на части.
В моделях больших умирающих звезд коллапс ядра сверхновых происходит для звезд с массой свыше 9-10 солнечных масс, примерно до 40-50 солнечных масс. Звезды, превышающие эту массу, настолько массивны, что они, вероятно, сразу же сжимаются в черную дыру, не превращаясь в сверхновую. Чрезвычайно массивные звезды, порядка 150 солнечных масс и более, могут взорваться как гиперновая. Эти монстры взрываются не из-за коллапса ядра, а из-за эффекта, известного как нестабильность пар, когда сталкивающиеся фотоны, созданные в ядре, создают пары электронов и позитронов.
Это новое исследование предполагает, что верхний предел массы сверхновых с коллапсом ядра может быть намного ниже, чем мы думали. Команда изучила содержание элементов в паре сталкивающихся галактик, известных как Arp 299. Поскольку галактики находятся в процессе столкновения, этот регион является рассадником сверхновых. В результате содержание элементов в Arp 299 должно в значительной степени зависеть от элементов, выбрасываемых при взрывах сверхновых. Они измерили отношение содержания железа к кислороду и отношения неона и магния к кислороду. Они обнаружили, что отношения Ne/O и Mg/O были аналогичны отношениям на Солнце, в то время как отношение Fe/O было намного ниже, чем на Солнце. Наиболее эффективно железо выбрасывается во Вселенную при помощи больших сверхновых.
Отношения, наблюдаемые командой, не соответствовали стандартным моделям коллапса ядра, но они обнаружили, что данные хорошо соответствуют моделям сверхновых, если исключить любые сверхновые с массой около 23–27 солнечных. Другими словами, если звезды коллапсируют в черные дыры с массой более 27 солнечных масс, то модели и наблюдения согласуются.
Эта работа не доказывает окончательно, что верхний предел массы сверхновых меньше, чем мы думали. Также возможно, что сверхновые звезды производят больше неона и магния, чем предсказывают модели. В любом случае ясно, что нам еще многое предстоит узнать о последних вздохах больших звезд.
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cg … 0904231118
Фаэтон, астероид солнечной системы, выделяющий натрий
Кометы славятся своими обширными, красочными и потрясающими хвостами из газа, льда, камня и других различных материалов. Эти хвосты возникают, когда ледяное ядро кометы нагревается по мере приближения к Солнцу, выделяя ледяные газы во время процесса нагрева.
Однако выброс газов не ограничивается кометами. Некоторые спутники и луны, такие как Ганимед Юпитера, и другие ледяные тела в нашей солнечной системе могут нагреваться достаточно для того, чтобы выделять газы.
Поэтому, когда ученые обнаружили астероид, состоящий в основном из камня, выделяющий газы, они были совершенно сбиты с толку.
Познакомьтесь с Фаэтоном, околоземным астероидом, который, как недавно было обнаружено, проявляет кометоподобную активность.
Фаэтону не хватает значительного количества льда на его поверхности; так почему же он испускает газы со своей поверхности и светится, как комета?
Фаэтон - это астероид Аполлона шириной 5,8 км, который проходит ближе к Солнцу, чем любой другой названный астероид, хотя у некоторых небольших безымянных астероидов есть более близкие перигелии.
Название Фаэтон может показаться незнакомым, но это родительское тело хорошо известного метеорного потока Геминид, который ежегодно происходит в середине декабря.
Самое близкое приближение Фаэтона к Солнцу происходит каждые 524 дня, нагревая поверхность астероида примерно до 750°C - достаточно горячо, чтобы высвободить любую воду, углекислый газ или окись углерода из льда на поверхности астероида.
Однако с таким коротким орбитальным периодом эти элементы давно бы испарились полностью. Тем не менее, астероид все еще выделяет газ.
В ходе нового исследования, проведенного Джозефом Масьеро из исследовательской организации IPAC (Центр инфракрасной обработки и анализа) Калифорнийского технологического института, группа ученых изучила кометоподобное поведение Фаэтона по мере его приближения к Солнцу, пытаясь выяснить, что же астероид может выбрасывать в космос.
И они думают, что у них есть свой ответ.
При температуре 750°C натрий может “вырываться” с поверхности астероида в космос. Кроме того, натрий в изобилии встречается на астероидах и может объяснить непрерывное выделение газа, наблюдаемое на Фаэтоне во время его перигелиального прохождения каждые 524 дня.
То есть… если в составе Фаэтона достаточно натрия.
Чтобы найти сложный ответ на этот вопрос, мы вернемся к метеоритному потоку Геминиды, который создает Фаэтон.
Метеоритные дожди возникают, когда небольшие кусочки скалистого материала, выброшенные с поверхности их родительских тел, попадают в атмосферу Земли и сгорают, выдавая различные цвета и яркость, в зависимости от их состава.
Если метеорит содержит натрий, он будет гореть оранжевым, когда войдет в атмосферу.
И в этом заключается проблема. В геминидах низкое содержание натрия. Так как же натрий может объяснить кометоподобную активность Фаэтона?
До исследования Масьеро и других считалось, что скальный материал, выброшенный с Фаэтона, потерял свой натрий вскоре после того, как покинул астероид, что объяснило бы отсутствие метеоритов оранжевого цвета во время Геминид.
Однако исследование Масьеро предполагает, что натрий может быть основной силой, выталкивающей скальный материал с поверхности Фаэтона.
Команда предполагает, что по мере того, как Фаэтон нагревается по мере приближения к Солнцу, натрий на астероиде нагревается и испаряется в космос.
Но, как и в случае со льдом, если бы натрий существовал на поверхности Фаэтона, он бы давно нагрелся и испарился. Таким образом, вместо этого натрий должен был бы поступать из недр астероида, транспортироваться на его поверхность для газообразования через крошечные трещины.
По мере того, как испаряющийся натрий “шипит” в космосе через небольшие трещины и трещины на поверхности астероида, он будет создавать струи с достаточной силой, чтобы выбрасывать скальный материал с поверхности. Таким образом, создавая Геминиды и устойчивое кометоподобное поведение, наблюдаемое сегодня.
«Астероиды, подобные Фаэтону, обладают очень слабой гравитацией, поэтому не требуется большой силы, чтобы сбросить обломки с поверхности или выбить породу из трещины», - сказал Бьорн Давидссон, соавтор исследования и ученый из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL).
Выброс этого материала объяснил бы кометоподобное сияние Фаэтона, а отсутствие натрия на внешней поверхности Фаэтона объяснило бы, почему Геминидам не хватает натрия.
«Наши модели предполагают, что для этого требуется очень небольшое количество натрия - ничего взрывчатого, такого как извергающийся пар с поверхности ледяной кометы; это скорее устойчивое шипение».
Так как же команда проверила свою гипотезу?
Масьеро и его коллеги протестированные образцы метеорита Альенде в лаборатории JPL, который упал в Мексике в 1969 году и относится к тому же классу астероидов, углеродистых хондритов, что и Фаэтон.
Команда разогрела осколки метеорита до максимальной температуры, которую Фаэтон испытывает во время своего приближения к Солнцу. Кроме того, команда смоделировала день на Фаэтоне, который длится 3 часа.
«При сравнении образцов до и после наших лабораторных тестов натрий был потерян, в то время как другие элементы остались. Это предполагает, что то же самое может происходить и на Фаэтоне, и, похоже, согласуется с результатами наших моделей», - сказал Ян Лю, ученый из JPL и соавтор исследования.
Полученные результаты могут объяснить, как другие астероиды продолжают быть активными, поскольку они могут подвергнуться тому же процессу, что и Фаэтон.
Результаты исследования Мазьеро и коллег также подтверждают гипотезу о том, что классификация небольших объектов в Солнечной системе как комет или астероидов является чрезмерным упрощением.
Некоторые исследователи считают, что такие факторы, как количество льда и то, какие элементы испаряются при определенных температурах, должны играть важную роль при классификации небольших тел.
Исследования Мазьеро и коллег под названием «Летучесть натрия в углеродистых хондритах при температурах, соответствующих астероидам с низким уровнем перигелии», можно найти в выпуске журнала Planetary Science Journal за август 2021 года.
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cg … 0905133056
Темная Матильда
Credit: NASA
Астероид Матильда (253 Mathilde) стал третьим по счёту астероидом (после Гаспры и Иды), который был изучен с помощью космических аппаратов. В 1997 году американская автоматическая межпланетная станция NEAR Shoemaker, направлявшаяся к астероиду Эрос, с пролётной траектории сделала несколько сотен снимков астероида Матильда с расстояния 1200 км.
Астероид открыл австрийский астроном Иоганн Пализа в 1884 году в Вене. Название придумал французский астроном Ф. Лебёф, который первым просчитал орбиту астероида.
Матильда относится к астероидам класса С (с высоким содержанием углерода), поэтому её поверхность очень тёмная, похожая на асфальт. Плотность, измеренная приборами NEAR Shoemaker, составляет 1300 кг/мі — вдвое меньше, чем у обычного углеродистого хондрита. Это говорит о том, что астероид, возможно, состоит из груды каменных обломков с множеством пустот. На астероиде обнаружено более 20 кратеров, некоторые из которых крупные.
Самый крупный из кратеров имеет диаметр 33 км и глубину 6 км. Были определены габаритные размеры астероида: 66×48×46 км. Орбита Матильды лежит полностью между орбитами Марса и Юпитера и не пересекает орбиты планет. Одна из самых ярких аномалий Матильды — период её вращения вокруг своей оси, который составляет 17 земных суток, тогда как периоды вращения большинства астероидов — от 2 до 24 часов. Из-за такой низкой скорости вращения удалось сфотографировать только 60% его поверхности.
Первоначально учёными было выдвинуто предположение о наличии у Матильды массивного спутника, который своими приливными силами тормозит вращение астероида, но спутник обнаружить не удалось. Возможно, медленная скорость вращения могла быть вызвана столкновением с другим астероидом, двигавшимся в направлении, противоположном вращению Матильды.
https://aboutspacejornal.net/2021/09/05/темная-матильда/
Комета Леонард. Она уже идет к нам!
Credit: Stellarium
Знакомьтесь: C/2021 A1 (Leonard).
Эту комету открыли совсем недавно, а именно в январе 2021 года. Исполнил это Грегори Леонард (G.J. Leonard) из обсерватории Маунт-Леммон в Аризоне, США, на полутораметровом телескопе. Отрыл он ее когда она находилась на расстоянии ~750 млн.км. от Солнца. Примерно на расстоянии Юпитера. Именно на этом расстоянии у комет начинает сублимироваться метанол и вода, и вокруг комет начинает появляться газопылевая оболочка – кома, делающая их более заметными. На момент открытия относительная звездная величина, видимая яркость кометы, составила +19m. Это ну очень тускло. В 160 тысяч раз тусклее самой тусклой видимой невооруженным глазом звезды.
Комета Леонарда имеет ретроградную орбиту. Т.е. комета движется в противоположном направлении движения почти всех объектов Солнечной Системы. Правда и наклон орбиты у нее 132 градуса. Не перпендикулярно плоскости нашей системы, но что-то около того.
Комета провела последние 35 000 лет двигаясь в направлении Солнца с расстояния примерно 520 миллиардов километров. Вояджер-1, самый дальний аппарат сейчас находится на расстоянии 23 миллиарда километров.
Теперь о самом интересном. Когда и где ее можно будет наблюдать.
Нам обещают, что комета может набрать четвертую звездную величину. Т.е. стать видимой невооруженным глазом. Единственно, нужно вспомнить предыдущие две кометы 2020 года, которые не оправдали надежд, а NEOWISE, от которого ничего не ждали, так ярко заявил о себе. Поэтому может произойти всё что угодно. Надежда на темное зимнее небо.
Пытаться отыскать комету можно будет в оптику с ноября, а глазами с начала декабря в созвездиях Волопаса и Змеи. Но сделать это нужно будет до 12 декабря, т.к. комета приближается к Солнцу, а на светлом небе сами понимаете.
Направление северо-восток восток. В начале декабря можно наблюдать в оптику после захода Луны сразу. Всю ночь.
Ближе к 12-му декабря угловая скорость кометы возрастет, и она будет быстро опускаться к горизонту, и будет видна уже только под утро перед рассветом в восточной части неба.
https://aboutspacejornal.net/2021/09/05/комета-леонард-она-уже-идет-к-нам/
Модель тороидальной Вселенной хорошо объясняет спектр флуктуаций реликтового излучения*
Рис. 1. Карта флуктуаций температуры реликтового микроволнового излучения, составленная по данным космического телескопа «Планк». Оттенки красного соответствуют более высокой температуре, оттенки синего — более низкой. Средняя температура реликтовых фотонов составляет приблизительно 2,7 К, а отклонения от нее не превосходят нескольких десятков мкК. Изображение с сайта en.wikipedia.org
Один из важнейших инструментов изучения эволюции Вселенной — анализ неоднородностей реликтового микроволнового излучения, в которых «отпечатались» флуктуации плотности вещества во времена происходившей приблизительно через 375 тысяч лет после Большого взрыва рекомбинации (то есть образования нейтральных атомов из заполнявшей пространство плазмы). В микроволновом фоне закодированы важные свойства пространства-времени: кривизна пространства и его топология. По современным данным, если Вселенная и имеет ненулевую кривизну, то она очень мала, а точность наблюдений пока не позволяет определить, отлична ли она от нуля. При этом наблюдаемые неоднородности микроволнового фона не очень согласуются с теоретическими предсказаниями для плоского евклидова пространства. Группа физиков из Германии и Франции предложила теоретический способ избавиться от этого противоречия. По их гипотезе наша Вселенная, хоть и является плоской, но имеет топологию трехмерного тора. Проведенное моделирование показало, что лучше всего с реальными данными эта гипотеза согласуется, если ребро элементарного куба для этого тора в три раза превосходит размеры видимой части Вселенной.
Краткая история Вселенной
По современным космологическим представлениям Вселенная возникла 13,7–13,8 млрд лет назад (см. Большой взрыв). В первые доли секунды своего существования Вселенная расширялась экспоненциально быстро — этот период называют космологической инфляцией. Что послужило причиной начала инфляции и сколько она продолжалась, — в настоящее время не совсем понятно. Ученые надеются, что смогут разрешить эту загадку с появлением полноценной теории квантовой гравитации, но ясно, что речь идет буквально о мгновении по нашим меркам — весь процесс длился, по нынешним оценкам, не больше 10−30 секунды. Затем Вселенная продолжила расширяться, но уже существенно медленнее — по степенному закону.
Сам Большой взрыв в инфляционной теории — это превращение гипотетического инфлатонного поля (взаимодействие которого с гравитацией привело к инфляции) в окружающее нас вещество (как обычное, так и темное) и излучение (есть разные терминологические традиции насчет того, что именно считать «Большим взрывом»: иногда так называют первичную сингулярность, из которой возникла Вселенная, и тогда описываемый в этом предложении процесс именуют первичным разогревом). Расширение Вселенной сопровождалось падением температуры вещества (аналогично тому, как ведут себя газы в привычных нам условиях). Температура вещества во Вселенной в момент Большого взрыва также доподлинно неизвестна — в разных моделях инфляции она различается. Обычно считается, что она была близка к так называемой энергии великого объединения, при которой три фундаментальных взаимодействия — электромагнитное, слабое и сильное — объединяются в одно. Эта температура приблизительно равна 1028 К (в физике температуру и энергию часто отождествляют: например, 1 эВ соответствует температуре 11 600 К).
Рис. 2. Краткая история эволюции Вселенной. Время идет по горизонтали слева направо, а вертикальная координата соответствует размеру Вселенной, которая расширяется. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org
Через несколько микросекунд после Большого взрыва температура упала до энергии фазового перехода, при которой свободные кварки и глюоны объединяются в адроны (к которым, в частности, относятся и протоны с нейтронами, из которых состоят атомные ядра), в тот момент она была равна приблизительно 3 триллионам градусов Кельвина. Еще примерно через одну секунду начался первичный нуклеосинтез — образование первых атомных ядер из протонов и нейтронов. Этот процесс закончился приблизительно через 300 секунд, благодаря ему сформировались изотопы водорода и гелия, а также ядра лития (которых, впрочем, было очень мало). Все более тяжелые элементы возникли существенно позднее уже в результате термоядерных реакций в звездах и вспышек сверхновых. После этого вещество во Вселенной представляло собой смесь ионизированных газов электронов и атомных ядер (кроме этой смеси во Вселенной присутствовали темная энергия и нейтрино, но они для дальнейшего рассказа не важны).
Следующим этапом — ключевым в рамках этой новости — является рекомбинация, случившаяся примерно через 375 тысяч лет после Большого взрыва. В этот момент температура Вселенной упала ниже энергии связи в атоме водорода, равной примерно 150 000 К. На самом деле все несколько сложнее: из-за эффекта Саха (см. Saha ionization equation) температура рекомбинации еще примерно в 50 раз ниже и составляет около 3000 К, в эти детали мы вдаваться не будем. Рекомбинация — это образование нейтральных атомов из заряженных протонов и электронов. До рекомбинации фотоны активно взаимодействовали с заряженными элементарными частицами, постоянно поглощаясь и излучаясь, а после образования атомов они почти перестали взаимодействовать с веществом. Эти фотоны, — излученные буквально на заре времен, мы наблюдаем сейчас как реликтовое излучение (точнее, те из фотонов, которым повезло с тех пор не провзаимодействовать с веществом в любой его форме, — будь то нейтральный межзвездный газ, звезды, планеты или что-нибудь еще).
Исследование реликтового излучения дает нам ценнейшую информацию о неоднородностях плотности вещества в момент его излучения, возникших из-за квантовых флуктуаций на самых ранних стадиях эволюции Вселенной. Они зависят от кривизны пространства (а именно она ответственна за тяготение в рамках современной релятивистской теории гравитации — общей теории относительности Эйнштейна), которая в остальном слабо влияет на эволюцию Вселенной. Наблюдения показывают, что если пространство и искривлено, то очень слабо (это явление находит очень естественное объяснение в рамках инфляционной теории) — точность современных наблюдений вообще не позволяет сказать, отлична ли она от нуля.
До образования первых звезд и галактик из первичных неоднородностей плотности примерно через 400 миллионов лет после Большого взрыва длились так называемые «темные века» — никаких источников света во Вселенной не было. И только с появлением первых звезд Вселенная становится похожей на то, что мы можем наблюдать сейчас.
Реликтовое излучение
Реликтовое излучение (или космический микроволновый фон — Cosmic Microwave Background, CMB), было открыто Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном с помощью радиотелескопа в 1965 году (рис. 3, A. A. Penzias, R. W. Wilson, 1965. A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s), за что в 1978 году они были удостоены Нобелевской премии по физике. Излучение представляло собой почти однородный электромагнитный фон с температурой 3,5±1,0 К и длиной волны 7,5 см (поэтому фон и был назван микроволновым: к микроволновому излучению относится область спектра электромагнитного излучения с длинами волн от одного метра до одного миллиметра и частотами от 300 МГц и до 300 ГГц, соответственно). Но Пензиас и Вильсон не сразу поняли, что открыли то самое электромагнитное излучение с тепловым спектром и температурой в районе 3–5 К, предсказанное еще в 1940-х годах Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом (Robert Herman) (подробнее об истории открытия читайте в новости Нобелевская премия по физике — 2019, «Элементы», 10.10.2019).
Рис. 3. Рупорно-параболическая антенна в Холмдейле, с помощью которой Пензиас и Вильсон открыли реликтовое излучение. Антенна была построена в 1959 году в интересах НАСА. Фото 1962 года с сайта en.wikipedia.org
Окончательно существование микроволнового фона со спектром абсолютно черного тела с температурой 2,725±0,002 K и максимумом, приходящимся на длину волны 1,9 мм, было подтверждено только 25 лет спустя американской космической обсерваторией COBE (Cosmic Background Explorer) со спектрофотометром дальнего инфракрасного излучения FIRAS, работавшей в 1989–1992 годах (J. C. Mather et al., 1999. Calibrator Design for the COBE Far Infrared Absolute Spectrophotometer (FIRAS)). Антенна Пензиаса и Вильсона детектировала только сантиметровые волны, поэтому они «поймали» далекие от пика волны. Видно, что температура реликтового излучения ниже температуры рекомбинации приблизительно в 1000 раз. Это связано с тем, что из-за расширения Вселенной с периода рекомбинации длина волны реликтовых фотонов увеличилась, а их энергия, соответственно, уменьшилась (см. задачу Очень темные дела). Среднеквадратичное отклонение температуры реликтового излучения от этой средней величины, связанное с интересующими нас флуктуациями, составляет примерно 18 мкК. В настоящее время на один кубический сантиметр пространства приходится приблизительно 411 реликтовых фотонов. В дальнейшем данные по реликтовому излучению уточнялись с помощью космических телескопов WMAP и «Планк». На рис. 4 показано, как видят микроволновый фон и его неоднородности все три упомянутые космические обсерватории.
Рис. 4. Космические обсерватории COBE, WMAP и «Планк», а также видимые ими флуктуации в температуре микроволнового фона. Рисунок с сайта en.wikipedia.org
Торическая Вселенная
Космологические данные указывают на то, что Вселенная однородна — она выглядит одинаково в любом месте. Эта однородность, конечно, приблизительная (ведь есть локальные возмущения плотности вещества — галактики, звезды, планеты и т. д.) и проявляется только на больших масштабах (как, например, жидкость, если исследовать ее на масштабах, существенно превосходящих межатомные расстояния). Из этой наблюдаемой однородности следует, что пространство может иметь форму либо трехмерной сферы, имеющей положительную кривизну, либо плоского евклидова пространства или трехмерного гиперболоида с отрицательной кривизной.
Флуктуации температуры микроволнового фона, измеренные телескопом COBE, в рамках экспериментальной погрешности совпали с предсказаниями стандартной космологической модели с очень маленькой или нулевой кривизной (G. Hinshaw et al., 1996. Two-Point Correlations in the COBE DMR Four-Year Anisotropy Maps). Однако более современные и точные данные обсерваторий WMAP и «Планк» свидетельствуют о том, что измеренные неоднородности не совпадают с предсказаниями ни для какого знака кривизны пространства. Эксперименты показали, что в данных отсутствуют корреляции между флуктуациями температуры в точках на небе, разделенных большими углами (больше 60 градусов), и что наблюдается существенное подавление корреляций при углах уже порядка 50 градусов, хотя стандартная космологическая модель предсказывает существование таких корреляций. Кроме того, оказалось, что квадрупольная мода разложения угловых неоднородностей температуры по сферическим гармоникам аномально мала, что вынудило исследователей искать объяснение полученных экспериментальных данных за пределами самых популярных у космологов моделей.
Кривизна пространства — это локальная характеристика: она может быть измерена в небольшой окрестности какой-либо точки с помощью наблюдения за движением изначально летящих параллельно друг другу частиц по тому, как изменяется расстояние между ними: если оно уменьшается, то кривизна положительна, если оно увеличивается, то кривизна отрицательна, а если оно остается постоянным, то кривизна нулевая. Но бывает так, что у пространств совпадают локальные характеристик, а глобальные свойства (топология) совсем разные. В качестве примера рассмотрим двумерный тор. С топологической точки зрения тор — это то же самое, что квадрат с отождествленными противоположными сторонами (рис. 5), поэтому локально тор неотличим от плоскости. Но их глобальные свойства, очевидно, различны. Например, если на торе мы достаточно долго движемся по прямой, параллельной циклу a или b (кривизна квадрата равна нулю, так что понятие параллельности здесь совпадает с житейским), то вернемся в ту же точку, из которой начали движение. На плоскости такого произойти не может.
Рис. 5. Тор получается из квадрата отождествлением точек на противоположных сторонах. Стрелками указана ориентация сторон, которую нужно учитывать при отождествлении. Представить себе это можно так. Пусть квадрат — это лист очень эластичной резины, которую можно растягивать и гнуть как угодно (а вот рвать нельзя). Сначала склеим друг с другом противоположные стороны, помеченные буквой a, так, чтобы направления стрелок совпали, — получится цилиндр. Каждая из сторон с буквой b при этом превратится в окружность. Изогнем цилиндр в колесо так, чтобы эти окружности совместились друг с другом и направления стрелок совпали, — если их склеить, то получится велосипедная камера, то есть тор. Рисунок с сайта math.stackexchange.com
Как уже говорилось выше, наблюдения показывают, что кривизна нашей Вселенной очень мала, если вообще отлична от нуля. Поэтому физики-теоретики часто рассматривают Вселенную с геометрией плоского трехмерного пространства. Но как мы только что выяснили, локально плоское пространство может топологически отличаться от евклидова, то есть глобально наше трехмерное пространство вполне может являться трехмерным тором. По аналогии с двумерным тором это пространство можно представить как обычный трехмерный куб, противоположные грани которого склеены друг с другом (такой куб можно назвать элементарным для тора).
Именно такое предположение сделала группа физиков из Германии и Франции, чтобы объяснить расхождение между измеренными и предсказанными флуктуациями температуры реликтового излучения. Их статья пока доступна в виде препринта.
Исследователи провели компьютерное моделирование эволюции торической Вселенной нескольких размеров. Получилось, что неоднородности температуры модельного микроволнового фона лучше всего совпадают с наблюдаемыми, если пространство представляет собой трехмерный тор, полученный отождествлением граней куба с длиной ребра, превышающей размер наблюдаемой Вселенной приблизительно в 2,5 раза (рис. 6).
Рис. 6. Карты флуктуаций температуры реликтового микроволнового излучения, полученные с помощью компьютерного моделирования эволюции Вселенной с пространством в форме трехмерного тора. Оттенки красного соответствуют более высокой температуре, оттенки синего — более низкой. Вверху — сторона куба, порождающего тор, примерно равна трети размера наблюдаемой Вселенной, внизу — сторона куба примерно равна трем размерам наблюдаемой Вселенной. Видно, что во втором случае сходства с реальными данными (рис. 1) гораздо больше. Рисунки из обсуждаемой статьи
Но пока эти результаты лишь гипотетические. Чтобы подтвердить, что наше пространство действительно представляет собой трехмерный тор, необходимы более точные измерения флуктуаций микроволнового фона и других параметров наблюдаемой Вселенной. Также ученые должны научиться лучше понимать, как шла ее эволюция, поскольку отклонения наблюдаемых флуктуаций от космологических предсказаний для плоской евклидовой Вселенной невелики, и существует вероятность, что наблюдаемое противоречие исчезнет при обнаружении каких-то систематических ошибок в измерениях или улучшении нашего понимания всех тонкостей эволюции Вселенной.
Источник: Ralf Aurich, Thomas Buchert, Martin J. France, Frank Steiner. The variance of the CMB temperature gradient: a new signature of a multiply connected Universe // 2021. Статья доступна как препринт arXiv:2106.13205 [astro-ph.CO].
Андрей Фельдман
https://elementy.ru/novosti_nauki/43385 … zlucheniya
