Поглед в природата на нашата Вселена, задвижван от БАО

- Суета Шринивасан

Ръководени от Тафхем Ахмад Масуди и Сукант Хурана

Колко голяма е нашата Вселена? Завършва ли някъде? Ще продължи ли завинаги?

Тези въпроси са зададени от толкова много хора, от толкова цивилизации през цялата история. Отговорите на тях са търсени и това са едни от най-объркващите и в същото време интересни въпроси.

Кредит: phys.org

Да предположим, че Вселената е ограничена. Тогава накъде би отишла ръката ни, ако я стиснахме от ръба? Това обмисляли гърците. Те също чувстваха, че безкрайната вселена е невъзможна. Това ги остави с парадокс.

В началото на 1800 г. Хайнрих Облерс твърди, че Вселената не може да бъде безкрайна. Защото, ако искахме да погледнем към небето и ако беше безкрайно, тогава в нашата линия на зрение трябва да има звезда. Въпреки че видимият размер може да е малък, яркостта на малката повърхност ще остане постоянна. Ако Вселената беше изпълнена със звезди, тогава нощното небе също трябва да бъде светло. Тъй като на нощното небе има тъмни петна, Вселената трябва да е ограничена. Нютон, след като откри гравитацията, разбра, че това е универсална, привлекателна сила. Ако Вселената беше ограничена, тя би била подложена на гравитацията и би се срутила върху себе си.

Според Айнщайн вселената трябва или да се разширява, или да се свива. Уравненията му изискват такова решение. Той обаче вмъква константа, наречена космологична константа, която отменя ефектите на гравитацията в голям мащаб. Той направи предположението, че Вселената е статична, което в крайна сметка се превърна в най-голямата му грешка.

Голямото откритие

През 1929 г. Едвин Хъбъл направи критично откритие. Той измерва относителните разстояния на галактиките, като измерва яркостта на променливите звезди на Цефеид. Той измерва и червените измествания на тези галактики. Червеното изместване спрямо разстоянието се оказа линейно. Червените смени се увеличаваха линейно с разстояние. Възможното обяснение беше, че Вселената се разширява.

Тогава астрономите разбрали, че ако Вселената се разширява, тогава тя трябва да е била по-малка в миналото, а в най-ранното време, тя трябва да е била просто малко място. Това обяснява теорията за Големия взрив за еволюцията на Вселената (skyserver.sdss.org)

Кредит: LiveScience

Съдбата на Вселената

Цялата тази дискусия изисква малка бележка за това каква може да бъде съдбата на Вселената. Има три възможни варианта.

Ако плътността на Вселената е по-голяма от критичната плътност, гравитацията ще поеме, разширяването спира и Вселената се срива върху себе си, което е популярно известно като Големият крах. Такава вселена е затворена вселена.

Ако плътността на Вселената е точно равна на критичната плътност, тогава Вселената е основно плоска. Той наистина се разширява, но след много дълго време скоростта на разширяване става нула.

Ако плътността е по-малка от критичната плътност, Вселената продължава да се разширява, това е отворена вселена. Това може да доведе до голям разрив.

Какво движи това разширение?

Няма такава точка, наречена център на Вселената, от която съществата да се разширяват. Нещата не се отдалечават от центъра, а се отдалечават една от друга. Пространството се разширява. Ние не го виждаме в нашата Слънчева система или значително в нашата галактика, защото гравитацията над такива региони е достатъчно силна. Но в космологичен мащаб нещата се отдалечават една от друга и скоростта, с която се случва разширяването, не е постоянна, а се увеличава. Нещата се отдалечават една от друга все по-бързо и по-бързо.

По-голямата част от нашата Вселена е тъмна енергия и се казва, че тази тъмна енергия е това, което движи разширяването.

Кредит: SciTechDaily

Има много последни разработки за декодиране на това мистериозно явление. Програмата за акустични осцилации на Baryon и спектроскопското изследване на Baryon Oscillation (BOSS) постигнаха голям напредък.

От БАО и квазари

Акустичните осцилации на Барион (BAO) са замразени мощи, останали от вселената преди разединяване. Те са идеални владетели за измерване на космологичните разстояния на 21 век. Предоставените оценки са за първи път корени в добре разбраната линейна физика. (Брус и Рене)

Ранната Вселена се състоеше от гореща и плътна плазма. Това включва бариони и електрони. Барионите са масивни елементарни частици, съставени от три кварка. Нейтроните и протоните са бариони (astro.ucla).

Тъй като плазмата беше толкова плътна, фотоните не можеха да преминават свободно през пространството, тъй като бяха подложени на разсейване на Томсън, така че фотоните по същество бяха свързани с съществуващата материя.

С течение на времето плазмата се охлажда и електроните се комбинират с протоните, за да образуват водород. Тъй като фотоните взаимодействат по-малко с неутралната материя, те вече могат да пътуват свободно. Пространството стана прозрачно за фотоните. Фотоните бяха отделени.

Сега, помислете за смущения, произхождащи от плътна област на първична плазма, преди да се извърши отделянето. Съдържа тъмна материя, бариони и фотони. Плазмата е равномерна, с изключение на този плътен участък.

Високото налягане извежда барион-фотонната течност навън с над половината от скоростта на светлината. Тъмната материя взаимодейства само гравитационно, като по този начин оформя центъра на разглеждания регион на вълновата сфера, докато барионите и фотоните се движат навън заедно сферично поради натиск. Докато разединяването се случи, фотоните се отделят от барионите и избягат от движещата се сфера, изтичайки бързо. Барионната сфера се фиксира на това разстояние, тя спира, като е загубила моторното налягане. Без повече фотонно-барионно взаимодействие, единствената присъстваща сила е гравитационната сила на тъмната материя и в резултат барионите бавно започват да се изтеглят към центъра. Установява се равновесие и накрая има прекалено плътни области както във външната сфера, така и във вътрешното ядро. Тази външна обвивка се нарича звуков хоризонт. Те се разглеждат като анизотропии в радиацията на CMB (космическо микровълново фоново излъчване) и в пространственото разпределение на галактиките. Тези колебания са се развили в днешните стени и празнини на галактики, което означава, че тази скала на барионното акустично колебание (БАО) е видима сред галактиките днес.

Програмата BAO основно включва намиране на проследяващ полето на плътността на масата и изчисляване на неговата 2-точкова функция. Характеристиките в 2-точковата функция съответстват на звуковия хоризонт. Познавайки ъгъла, на който се намира това разстояние, човек измерва d (z). Сравняването със стойността при z ~ 103 ни позволява да ограничим еволюцията на тъмната енергия (astro.berkeley.edu)

Кредит: www.astro.ucla.edu

Използвайки спектроскопичното изследване на осцилацията на Барион (BOSS), два екипа физици са се подобрили в разбирането на учените за мистериозната тъмна енергия, която управлява ускоряващата се вселена.

За целта се използват квазари. Квазарите са астрономически обекти с много висока светимост, които се намират в центровете на някои галактики и се захранват от спирална газ с голяма скорост в изключително голяма черна дупка. Най-ярките квазари могат да засенчат всички звезди в галактиките, в които пребивават, което ги прави видими дори на разстояния от милиарди светлинни години. Квазарите са сред най-отдалечените и светещи обекти, известни (Британика).

Кредит: Популярна механика

Свръхмасивни черни дупки, които захранват радио галактики и квазари, играят видна роля в еволюцията на галактиките. Квазарите са заобиколени от прах. Светлина, напускаща галактики, струи през този прах, разкривайки отпечатъка на БАО.

Използвайки тези данни, астрономите са създали най-точната карта досега на галактиките в далечната Вселена, предлагайки прозорец в миналото и, вероятно, в тъмната енергия.

BOSS използва потребителски проектиран инструмент, наречен спектрограф на 2.5-метровия телескоп SDSS в обсерваторията Apache Point в Ню Мексико. Проектът цели да наблюдава над милион галактики за шест години (space.com).

Илюстрация на концепцията за барионни акустични трептения, които са отпечатани в ранната Вселена и могат да се видят и днес в галактически проучвания като BOSS Credit: sgss3.org

Сравнение на мощностния спектър на SDSS-II LRGs и BOSS DR9 CMASS галактики. Плътните линии показват най-подходящите модели. Кредит: Anderson et al. 2012

Тези барионни акустични трептения вече са измерени при разпределението на галактиките.

Използвайки акустичната скала като физически калибрирана владетел, разстоянието на ъгловия диаметър ще бъде измерено с точност от 1% при червени смени z = 0,3 и z = 0,55. BOSS ще измерва също разпределението на квазаровите абсорбционни линии и скоростта на космическо разширение H (z). Тези измервания ще осигурят взискателни тестове за теории за тъмната енергия и произхода на космическото ускорение. (Sdss3.org)

Така виждаме, че проучването на БАО е проправило нов път и нов път на проучване. Те осигуряват по-добро разбиране за това как работи Вселената, нейната природа и поведение. Ден след ден ние бавно, но сигурно се насочваме към разкриване (или „неуниверсал“) истините и чудесните тайни на Вселената.

Препратки

· Https://www.space.com/15101-dark-energy-distant-galaxy-map.html

· Http://www.sdss3.org/surveys/boss.php

· Https://www.space.com/26279-universe-expansion-measurement-quasars-boss.html

· Http://www.astro.ucla.edu/~wright/glossary.html#BAO

· Http://www.loc.gov/rr/scitech/mysteries/universe.html

· Https://edition.cnn.com/2014/04/08/tech/innovation/universe-expansion-astronomers/index.html

· Http://www.astro.ucla.edu/~wright/BAO-cosmology.html

· Http://skyserver.sdss.org/dr1/en/astro/universe/universe.asp

· Http://w.astro.berkeley.edu/~mwhite/bao/

· Https://www.britannica.com/science/quasar

· Списание за астрономическа история и наследство, 17 (3), 267–282 (2014), Откриването на квазарите и последствията от него, KI Kellermann

· Барион Акустични трептения, Брус А. Басет и Рене Хлозек, Тъмната енергия, Изд. П. Руиз-Лапуенте, 2010