|
Global Lithuanian Net: san-taka station: |
|
Išsiderinusi kosmoso muzika
Visata sklidina muzikos,
- ne tiesiog garsų, o garsų harmonijos. Taip pat skaitykite: Jie buvo pirmeiviais... Kažkas kosmose išsiderino... Tai pastebi mokslininkai, įsiklausydami į mikrobanginį
Visatos foną (CMB), pagrindinį informacijos apie ankstyvąją Visatos fazę šaltinį (būtent jame bandoma rasti gravitacines bangas,
žr. >>>>>). Iškart po
Didžiojo sprogimo, atsitiktinės fliuktuacijos privertė susidaryti energetinius burbulus,
kurie išsivystė į galaktikų spiečius. Tos fliuktuacijos kažkuo primena garso bangas. Tai vyko prieš
14 mlrd. metų, o dabar to pirmapradžio garso žemėlapis sudarytas pagal CMB temperatūrą.
CMB fliuktuacijos, kaip ir garso bangos, gali būti išskaidytos į jas sudarančias harmonikas. Ir
kai kurios tų harmonikų yra tylesnės", nei tikimasi ir dar groja ne tą natą. Tarsi orkestre kai kurie instrumentai
imtų groti pro šalį. Tad arba kažkas ne taip su kosmologijos modeliu, arba kažkas praleista stebėjimų duomenyse.
Kelis dešimtmečius kurtas Visatos modelis, vadinamas infliaciniu lambda vėsiosios
tamsiosios materijos modeliu, paaiškina daugybę Visatos savybių, pvz., lengvųjų elementų
(vandenilio, helio, ličio) gausą ir apibrėžia Visatos amžių (14 mlrd. m.), kuris artimas seniausių
žvaigždžių amžiui. Jis nuspėja ne tik CMB buvimą, bet ir jo beveik tobulą homogeniškumą. Tą
Infliacija tai nepaprastai trumpas Visatos pagreitinto plėtimosi laikotarpis, prasidėjęs
iškart po Didžiojo sprogimo ir pasibaigęs spinduliavimo paskleidimu.
Ji leidžia paaiškinti, kodėl Visata yra tokia plati, kodėl joje tiek daug visko ir kodėl ji beveik homogeniška (o taip
pat, kodėl nėra visiškai homogeniška dėl atsitiktinių energijos fliuktuacijų).
Tačiau iškilo kai kurių problemų, astronomams pradėjus matuoti CMB temperatūrų skirtumus.
CMB yra seniausia šviesa, atsiradusi vos keli šimtai tūkstančių metų po Didžiojo
sprogimo, kai greitai besiplečianti ir vėstanti Visata perėjo iš tankios neskaidrios plazmos būsenos į skaidrias dujas.
Pradžioje po Didžiojo sprogimo Visata buvo nepaprastai
karšta (per 10 mlrd. laipsnių) o karšti kūnai spinduliuoja. Tačiau esant labai karštoms temperatūroms atomai skyla į elektronus ir branduolius tad
pradinėje Visatoje egzistavo ypatinga plazmos terpė, kuri neskaidri elektromagnetiniam (EM) spinduliavimui. Ir tik kai Visata pakankamai išsiplėtė
(praėjus apie 300 tūkst. metų) ir atvėso maždaug iki 3000oK, iš laisvų elektronų ir protonų pradėjo formuotis vandenilio atomai. Jų nebuvo daug,
maždaug po 250 kubiniame centimetre. Tačiau šios išretėjusios dujos jau buvo skaidrios EM ir šį spinduliavimą
registruojame ir šiandien vadindami jį reliktiniu. CMB pirmąkart 1965 m. aptiko Arno Penzias'as ir Robert
Wilson'as. Dabar atlikti CMB temperatūros anizotropijos matavimai (temperatūros reikšmės skirtingose
dangaus srityse) jos skirtumai atspindi pirmapradės Visatos tankio fliuktuacijas. Tuos skirtumus pirmąkart
užfiksavo COBE palydovas 1992 m., o vėliau didesniu tikslumus užregistravo WMAP palydovas
(daugiau skaitykite Jie buvo pirmeiviais).
Tačiau tokiuose infliacinės Visatos modeliuose negalima tiksliai apskaičiuoti tų
fliuktuacijų. Jie leidžia tik nustatyti jų statistines charakteristikas. Pirmoji prielaida, susijusi su
CMB, buvo tų fliuktuacijų statistinė izotropija, t.y. jos nėra orientuotos jokiomis kryptimis.
Kitas infliacinio modelio spėjimas yra, kad kiekvienos sudėtinės sferinės harmonikos (natos)
elgesys turi būti atsitiktinis (leistinų tikimybių ribose), t.y. jos turi būti pagal Gauso
pasiskirstymą, kurio kreivė yra varpo formos. Kiekviena harmonika turėtų savo Gauso
pasiskirstymą, kurio plotis (varpo pagrindo plotis) nusako, kiek energijos (garsumo) turi ta
harmonika. Didesni nukrypimai galėtų būti galimi tik harmonikoms, kurios susidarė infliacijos pradžioje arba pabaigose.
Sferinės harmonikos nusako gerokai sudėtingesnius būdus, kaip gali vibruoti sferos. Visa
mūsų informacija apie tolimąją Visatą yra suprojektuota į vieną vienintelę sferą dangų.
Žemiausia nata (žymima l = 0 ) yra monopolis kai visa Visata pulsuoja kaip viena visuma.
CMB monopolis yra jo temperatūros vidurkis 2,725 K. Kita artimiausia nata ( l = 1 ) yra
dipolis, kai temperatūra kyla viename pusrutulyje, o krenta kitame. Dipolis dominuoja dėl
Doplerio poslinkio Saulės judėjimo kryptimi dangus atrodo truputį karštesnis. Ir bendrai,
kiekvienos l reikšmės (0,1,2,...) osciliacija vadinama multipoliu. CMB atveju
kiekvienas multipolis l turi vidutinį intensyvumą Cl. Visų
l visų intensyvumų visuma vadinama kampiniu stiprumo spektru, kuris braižomas
kaip grafas. Jis prasideda C2. C2 ir
C3 dar vadinami kvadrapoliu ir oktopoliu ir būtent jų reikšmės yra
gerokai mažesnės, nei tikimasi pagal teoriją. Pagal analogiją su geografija tarsi didžiausi
vandenynai būtų sekliausi, o muzikos terminologija orkestre nebūtų bosų ir tūbų. Dangaus muzikos harmonikos
CMB tyrinėtojai tiria fliuktuacijas panaudodami matematines funkcijas, vadinamas
sferinėmis harmonikomis. Paimkime smuiko stygą; ja išgauti galima daugybę natų -
net nesutrumpinant jos ilgio užspaudžiant pirštu. Tas natas pažymėkime n, tai kiekis
vietų (mazgų) ant stygos, kurie nejuda skambant natai. Žemiausia nata ( n = 0 ) arba nesant
mazgų vadinama pagrindiniu tonu - kai visa styga (išskyrus jos galus) virpa vienodai. Nata su
vieninteliu mazgu centre ( n = 1 ) yra pirmoji harmoninė osciliacija - kai pusė stygos juda
viena kryptimi, o kita - kita. Jei sudainuotumėte gamą (do-re-mi... do), tai baigiantysis
do būtų pirmąja harmonika pradiniam do. udėtingą stygos virpėjimą galima
Dabar panagrinėkime sferines harmonikas, Yl m. Kadangi sferos paviršius
yra dvimatis, jų apibrėžimui reikalingi du dydžiai: l (0, 1, 2, ...) ir m (sveikas
skaičius tarp -l ir l). Visų galimų natų su ta pačia l reikšme ir skirtingomis
m reikšmėmis, kiekvienos su atitinkama amplitude (kitaip, garsumu), visuma vadinama
multipoliu. Pavaizduoti sferines harmonikas galime nuspalvindami sferą pagal atskirų sričių
reikšmes. Kai l = 0, visa sfera vibruoja vienodai; kai l = 1, pusė sferos viena kryptimi, pusė kita
ir t.t. Šis dipolis turi tris režimus (m=-1; m=0 ir m=1), nusakančius tris statmenas kryptis.
Kvadrapolis (l=2) turės jau 5 režimus ir t.t. Į tokias sferines harmonikas galima išskaidyti visus CMB temperatūros svyravimus. Padėtis dar painesnė, jei paimsime ne vidutinius intensyvumus, o kampinę koreliacijos
funkciją, C(q). Įsivaizduokite, kad žiūrite
į du dangaus taškus, tarp kurių kampas lygus q.
Jūs nustatote, kad vienas jų yra šiltesnis, o kitas šaltesnis nei vidurkis. Tada ta funkcija paskaičiuoja jų temperatūrinių fliuktuacijų koreliaciją.
Stebėjimai rodo, kad mūsų Visatai C(q) yra artima
nuliui, kai q yra apie 60o, t.y.
tokiu kampu esančios fliuktuacijos beveik nekoreliuoja tarpusavyje. Ir tai konfliktuoja su visais infliacinės Visatos modeliais.
Galimi trys šio konflikto sprendimai. Pirmiausia, tai tik statistinis atsitiktinumas,
pvz., netikslumai duomenyse didesni nei tikėtasi. Antra, koreliacijos gali būti pasekmė nenumatyto
fizikinio efekto, į kurį neatsižvelgė WMAP komanda. Ir pagaliau, tai gali reikšti
teorinių prielaidų (modelio) netikslumą. Nemažai tyrinėtojų (vienu pirmųjų 2003 m. buvo G. Efstathiou*) )
laikosi pirmojo varianto, spėdami, kad pataisas į duomenis įnešė mūsiškės Paukščių tako galaktikos emisija.
Tačiau buvo pabandyta panagrinėti ir kitus aspektus. Kiekvienas Cl turi ir
kryptį, pvz., dipolis nurodo karštesnę dangaus pusę. Didesnės polių reikšmės turi daugiau
informacijos apie kryptis. Tad reikia tikėtis, kad iš surinktų duomenų paskaičiuota informacija
apie kryptis duotų bendresnį vaizdą. Tačiau taip nėra. Pirmi neatitikimai pastebėti 2003 m.,
kai A. de Oliveira-Costa, M. Tegmark'as, M. Zaldarriaga ir
A. Hamilton'as nustatė, kad kvadrapolių ir oktapolių ašys yra gana artimos (būtent šiose sferinėse harmonikose trūko stiprumo).
Tuo tarpu infliaciniai modeliai laiko, kad jos turėtų būti nepriklausomos.
Tais pačiais 2003-aisiais H.K. Eriksen'as su Oslo universiteto bendradarbiais padalijo
dangų į visus įmanomus pusrutulius ir palygino fluktuacijas skirtinguose pusrutuliuose.
Pasirodė, kad dažnai pusrutuliai turi pakankamai skirtingus stiprumus kas vėl prieštarauja
infliaciniams Visatos modeliams. Ir įdomiausia, kad didžiausi skirtumai yra pusrutuliuose,
esančiuose abipus ekliptikos, plokštumos, kurioje Žemė sukasi aplink Saulę.
Tai buvo požymis, kad CMB fliuktuacijos, apie kurias manyta, kad jų kilmė yra kosmologinė (su tam tikrais mūsų galaktikos
emisijos papildais), iš tikro, yra priklausomos nuo mūsų Saulės sistemos. Vėlesni tyrinėjimai tokią galimybę tik sustiprino.
Tikėtiniausi du tokios situacijos paaiškinimai. Pirmas, kad klaidinga WMAP prietaisų
konstrukcija arba klaidinga jų duomenų analizė. Tačiau COBE palydove buvo sumontuoti
kitokie prietaisai, iš kurių duomenų paskaičiuotos panašios koreliacijos. Tad labiau priimtinas
yra aiškinimas, kad egzistuoja nežinomas mikrobangų šaltinis arba absorbuotojas ir jisai
kažkaip susijęs su mūsų Saulės sistema (pvz., nežinomas netoliese esantis dulkių debesis).
Tačiau ir šis aiškinimas turi trūkumų kaip tas objektas gali paveikti vieną spektrą, tačiau nedaryti įtakos kitiems?!
Iš tikro, problema sudėtingesnė. Gali tekti vėl tikrinti teorines prielaidas (viena jų - tarti, kad
Visata sukasi, t.p. žr.
>>>>>). Tačiau dabartinės
alternatyvos infliacinėms Visatos teorijos nėra patrauklios. Viena jų kad Visata turi
nepaprastai sudėtingą topologiją (pvz., Visata yra baigtinė ir išriesta kaip "baronka" ar riestainis). Didžioji tyla
Visata tokia plati, kad joje protinga gyvybė turėjo atsirasti daugybę kartų. Ir ji toki asena, kad bent vienai technologiškai
pažangiai civilizacijai turėjo pakakti laiko išplisti po visą galaktiką. Ir vis tik kitur kosmose mes nematome jos ženklų. Mes tai vadiname
Fermi paradoksu. Vienu jo paaiškinimų yra tas, kad pažangios civilizacijos kruopščiai slepia savo
egzistavimą, kad išvengtų priešiškai nusiteikusių galimų užpuolikų dėmesio.
Fermi paradoksas kartais pavadinamas Didžiąja tyla. Visata tarytum turėtų
griaudėti nuo garsų, tačiau ji neįtikėtinai tyli. Kai kurie spėlioja, ar civilizacijos nesusinaikina iki tol, kol galėtų išskristi į kitas žvaigždes.
Jei tai tiesa, tai toji tyla yra kapų tyla.
1974 m. per Arecibo radijo teleskopą buvo išsiųsta žinutė į žvaigždes (apie tai žr. >>>>>).
Gamtoje, tarp paukščių, yra įprasta atkartoti šaukinį, kad parodytum dėmesį kitam paukščiui. Tad, jei gausime atgal mūsų siųstą žinutę, tai reikš,
kad kažkas ją priėmė ir parodė dėmesį jai.
Pagal indų mitologiją, Visata buvo sukurta garsu Om
(daugiau >>>>>). Tai skiemuo, kuriame telpa viskas, kas buvo ir kas bus. Plankas orbitoje Planck yra Europos kosmoso agentūros (ESA) kosminė observatorija skirta mikrobanginio
fono anisotropijų stebėjimui mikrobangų ir infraraudonųjų spindulių diapazonuose didele ir maža kampine geba.
Pradžioje vadintas COBRAS/SAMBA, vėliau projektas pervardintas M. Planko (18581947) garbei.
Startavusi 2009 m. gegužę, stotis liepos mėn. pasiekė L2 (vieną iš Lagranžo taškų), o
rugpjūtį atliko pirmuosius matavimus. 2010 m. vasarį pradėjo pirmąjį viso dangaus matavimą. Misijos
pabaigoje Planck perėjo į heliocentrinę orbitą, kad netrukdytų kitoms misijoms. Deaktyvacijos komanda buvo pasiųsta 2013 m. spalį.
2010 m. kovo 17 d. paskelbtos pirmosios Planck nuotraukos, rodančios dulkių sankaupą, esančią už 500 šviesmečių. Dangaus mikrobanginio
spinduliavimo žemėlapis buvo pateiktas 2013 m. kovo 21 d. Rezultatai papildė ir patikslino WMAP duomenis.
2014 m. gegužės 5 d. pateiktas pagal Planck matavimus sudarytas galaktikos magnetinio lauko žemėlapis. *) Džordžas Efstathiou (George Petros Efstathiou, g. 1955
m.) britų astrofizikas, Kembridžo Kavli kosmologijos ins-to direktorius (nuo 2008 m.). Kartu su J.R. Bondu pirmąkart
tiksliai paskaičiavo kosmoso mikrobanginio spinduliavimo anizotropijas šaltosios tamsiosios materijos modeliuose
(1984). Kartu su kitais suorganizavo APM Galaxy Survey ir išmatavo galaktikų klasterizaciją, leidusią ankstyvąjį
l modelio patvirtinimą. Buvo vienas Planck stoties komandos lyderių. Parengė Cpt.Astera's Advisor Papildoma literatūra
Papildomai skaitykite:
|
modelį sudaro trys pagrindinės dalys: infliacijos procesas, kosmologine konstanta (
išskaidyti į sudėtines harmonikas. Pvz., štai kaip atrodo n = 0 ir n=4 harmonikų suma
(atkreipkite dėmesį, kad ketvirtosios harmonikos amplitudė yra mažesnė).
