Читать книгу "Млечный Путь № 2 2021 - Ольга Владимировна Бэйс"

- выявило самые первые структуры, которые когда-либо существовали. И эти плотные структуры - странные. Первые триллионные доли секунды после Большого взрыва Вселенная была местом, нагретым до триллиона градусов. Хотя ученые не могут напрямую наблюдать этот момент времени, они могут реконструировать его с помощью мощного компьютерного моделирования. Новое моделирование, более подробное, чем когда-либо прежде, показало, как в эти первые доли секунды гравитация заставляла слипаться квантовые частицы, известные как инфлатоны. Результаты впервые показали, как эти комки материи затем образовывали сложные и плотные структуры с массой от нескольких граммов до 20 килограммов - тяжелее почтовой марки, но легче бульдога, - упакованные в пространстве, занимавшем объем меньше элементарной частицы. Моделирование показывает достаточно деталей, чтобы ученые могли расшифровать диапазон размеров и форм первоначальных структур во Вселенной.

Кроме того, "результаты соответствуют простой теоретической модели, которой почти 40 лет", - сказал соавтор исследования Ричард Истер, профессор физики в Оклендском университете. - Мы открыли эту невероятно сложную фазу в очень ранней Вселенной, которую только начинаем правильно понимать".

Модели описывали состояние Вселенной сразу после окончания инфляции, периода, когда Вселенная резко увеличивалась в размерах. В то время Вселенная содержала только энергию и инфлатоны - квантовую материю, сформировавшуюся из энергетического поля, заполнившего все пространство после Большого взрыва.

Рисунок Инфлатон2

Между начальным и конечным состояниями (вверху слева и справа соответственно) область Вселенной увеличилась в 10 миллионов раз по сравнению с начальным объемом, но все же была во много раз меньше, чем внутреннее пространство протона. Увеличенный комок в нижнем левом углу имел бы массу около 20 килограммов.

Физики считают, что структуры инфлатона, видимые в симуляциях, возникли в результате флуктуаций энергетического поля сразу после Большого взрыва. Это же поле, вероятно, создало крупномасштабные галактические структуры размером в миллиарды световых лет, видимые сегодня во Вселенной. Плотные заполненные инфлатоном структуры, наблюдаемые при моделировании, вероятно, просуществовали недолго, поскольку за доли секунды превратились в элементарные частицы. Но из-за высокой плотности - в 100000 раз больше плотности окружающего пространства - их движения и взаимодействия могли вызвать рябь в ткани пространства-времени, называемую гравитационными волнами.

Новое моделирование поможет ученым точно рассчитать, насколько велики могли быть эти гравитационные волны, что поможет будущим экспериментам искать похожие волны во Вселенной. Маленькие комочки также могли схлопнуться под собственным весом, создав первые черные дыры во Вселенной, которые называются первичными черными дырами. Некоторые ученые считают, что такие черные дыры могут быть кандидатами в темную материю - загадочную субстанцию, которую никто не видел напрямую, но которая сегодня составляет 85% материи во Вселенной.

Физики не видели никаких черных дыр в своих симуляциях, но они планируют в будущем проводить более длинные и детальные симуляции, которые могли бы показать такие объекты.

"Первобытные черные дыры представляют собой интригующую возможность на данный момент - они предоставят новые возможности для тестирования модели", - написал Истер. Поскольку некоторые первичные черные дыры должны сохраняться в современной Вселенной, их обнаружение может помочь проверить модели ранней эволюции Вселенной.

***

Являются ли темное вещество и темная энергия двумя сторонами одной медали?

Итан Сигель

Когда дело доходит до Вселенной, то, что вы легко видите, не всегда соответствует тому, что есть на самом деле. Это одна из важных причин, по которой теории и наблюдения/измерения должны идти рука об руку: наблюдения говорят о том, что мы видим, используя лучшие из наших измерительных возможностей, а теория позволяет сравнивать то, что мы ожидаем, с тем, что видно на самом деле. Когда наблюдения и теория совпадают, это обычно указывает на то, что мы довольно хорошо понимаем, что на самом деле происходит. Но когда совпадения нет, это признак того, что либо теоретические правила, которые мы применяем, не совсем подходят для этой ситуации, либо есть дополнительные ингредиенты, которые наши наблюдения напрямую не выявили.

Многие из самых больших несоответствий во Вселенной указывают на два дополнительных ингредиента: темное вещество и темную энергию. Могут ли они быть двумя сторонами одной медали? Вот что хочет знать Деннис Дэниел, спрашивая: "Темное вещество и темная энергия отделены друг от друга или интегрированы? Если они разделены, взаимодействуют ли они и что их разделяет? Если они интегрированы, как мы их различим?"

Рисунок Центр

Фотографии сделаны с двадцатилетним промежутком и показывают звезды около центра нашей Галактики. Обратите внимание, как улучшились разрешение и чувствительность аппаратуры. Изображения становятся более резкими, и все центральные звезды вращаются вокруг невидимой точки: центральной черной дыры нашей Галактики, что соответствует предсказаниям общей теории относительности Эйнштейна.

Во Вселенной есть всевозможные головоломки, над которыми стоит задуматься, но в самых больших космических масштабах каждая из них носит гравитационный характер. Мы думаем, что знаем, что такое наша теория гравитации, поскольку общая теория относительности Эйнштейна успешно продолжает проходить тест за тестом. Независимо от того, какое явление мы используем, то, что предсказывает теория, точно совпадает с тем, что мы наблюдаем. Мы видим, как масса отклоняет лучи света в точном соответствии с предсказаниями теории Эйнштейна: от света звезд, отклоняемого Солнцем в нашей Солнечной системе до огромных галактик, квазаров и скоплений галактик, которые гравитационно линзируют фоновый свет. Мы видим гравитационные волны с частотой и амплитудой, которые предсказывает теория Эйнштейна для слияния черных дыр и движущихся по спирали друг около друга нейтронных звезд.

Список успехов Эйнштейна велик: от гравитационного красного смещения до эффекта Лензе-Тирринга и прецессии черных дыр на орбитах в двойных системах, до гравитационного замедления времени и многого другого. Все тесты, которые мы придумали провести для проверки общей теории относительности - от экспериментов на Земле и наблюдений в Солнечной системе до изучения сигналов с расстояния в миллиарды световых лет, - все указывают на то, что теория относительности верна при всех известных обстоятельствах.

Рисунок Скопление

Массивное скопление (слева) увеличило далекую звезду, известную как Икар, более чем в 2000 раз, что сделало ее видимой с Земли (внизу справа), несмотря на то, что звезда находится на расстоянии 9 миллиардов световых лет, слишком далеко, чтобы увидеть ее с помощью современных телескопов. В 2011 году Икар не был виден (вверху справа). Увеличение яркости заставляет нас думать, что это был голубой сверхгигант, формально названный линзированной звездой MACS J1149 1.

Когда мы применяем теорию гравитации ко всей Вселенной, то получаем набор уравнений, которые говорят нам: если вы знаете, из чего состоит Вселенная, то общая теория относительности может предсказать, как ваша Вселенная будет развиваться. Вы можете буквально создать свою Вселенную из