Есть ли у вселенной край и что за ним: Что находится за краем Вселенной?

Содержание

Призрачная прозрачность Вселенной. Чем объясняются аномалии у трети из объектов звездного неба

Космические частицы несутся почти со скоростью света через галактики и их скопления, но на своем пути они встречают препятствия — вещество, излучение, магнитные поля. Гамма-излучение высоких энергий поглощается при распространении во Вселенной из-за взаимодействия с излучением низких энергий — например, светом звезд и галактик, а также реликтовым излучением. Поэтому изучать далекие космические объекты — например, так называемые блазары, сверхмассивные ядра активных галактик, выстреливающие в нашу сторону потоки вещества с околосветовыми скоростями,— астрономам приходится с поправкой на эту «непрозрачность».

Само по себе гамма-излучение высоких энергий — это обычный свет, только с энергией фотонов в сто миллиардов раз выше, чем у видимых глазом. До поверхности Земли такое жесткое излучение, к счастью, не доходит — поглощается атмосферой. Его регистрируют с помощью специальных черенковских телескопов, стоящих на Земле. Они реагируют на каскадные реакции в атмосфере — ливни заряженных элементарных частиц, вызванные первичными гамма-фотонами.

Уже давно ученые заметили, что некоторые космические объекты почему-то «игнорируют» непрозрачность Вселенной, и изучению именно таких аномальных источников посвящена статья главного научного сотрудника Института ядерных исследований РАН, члена-корреспондента РАН Сергея Троицкого, вышедшая в авторитетном Европейском физическом журнале. Работа была поддержана грантом Российского научного фонда 18–12–00258.

Для некоторых очень далеких блазаров наблюдается «аномальная прозрачность Вселенной» — до нас долетают от них фотоны таких энергий, которые, согласно всем расчетам, должны были бы поглощаться по пути через Вселенную, взаимодействуя со светом звезд и галактик. Примерно треть изученных источников видны с аномальной прозрачностью и две трети — с обычной. Аномальными оказались в том числе некоторые яркие и хорошо изученные источники. В данной работе Сергей Троицкий изучил, как распределены такие «аномальные» источники по небу. Если нанести их на карту неба, сразу видно, что распределены они неравномерно. Один из «самых аномальных» источников — очень известный квазар 3C279, один из самых ярких гамма-источников на небе и один из первых открытых в 1960-х годах квазаров, расположен в созвездии Девы. Галактика, в которой мы живем, находится в перемычке, соединяющей скопления галактик в созвездиях Девы и Печи. Эту перемычку астрономы называют «местным филаментом». Она только называется нитью, а на самом деле это довольно толстый «шнур» шириной несколько мегапарсек, то есть миллионы световых лет.

Так вот, квазар 3C279 гораздо дальше, чем скопление в созвездии Девы, поэтому он виден сквозь скопление. Эта зацепка позволила понять систему: оказалось, что и другие аномальные источники видны сквозь разные элементы нашего сверхскопления галактик — близкие скопления и «местный филамент». Выглядит парадоксально: если смотреть в тех направлениях, где находятся эти структуры из галактик, Вселенная оказывается более прозрачной, чем если смотреть мимо них, через пустое место. Внутри структур расположены галактики с большим количеством звезд, так что в них больше того, на что может «наткнуться» излучение, проходя сквозь Вселенную, и потому больше шансов для поглощения фотонов. А мы в этих направлениях видим, наоборот, аномальную прозрачность. Как же это объяснить? У ученых закрадывалась даже мысль, что у одного из черенковских телескопов сбилась калибровка и он неправильно определяет яркость объектов. Но это оказалось не так — аномальные объекты видели все телескопы.

Одно из возможных объяснений столь необычного явления — аномальная прозрачность возникает благодаря новому явлению в физике частиц, превращению фотонов в аксионы и обратно. Аксионы — это удивительные, еще не открытые экспериментально частицы, которые практически не взаимодействуют с веществом и излучением, даже слабее, чем хорошо известные нейтрино, свободно пролетающие через Солнце, Землю, людей… Поэтому для аксионов Вселенная прозрачна. Но во внешнем магнитном поле аксионы могут интенсивно превращаться в фотоны, и обратно — фотоны в аксионы. Как раз такое магнитное поле, вероятно, существует в скоплениях галактик и филаментах. Блазары тоже находятся в филаментах (своих, далеких), вот и получается, что фотоны сначала излучаются блазарами, пролетают несколько миллионов световых лет и затем превращаются в гипотетические аксионо-подобные частицы. Они же, в свою очередь, летят уже миллиарды световых лет через межгалактическое пространство, а потом, попав в магнитное поле нашего «местного филамента», превращаются обратно в фотоны, которые и достигают Земли.

Именно такая картина аксион-фотонного смешивания в филаментах была предложена в статье 2010 года для решения другой загадки астрофизики частиц — наблюдения нейтральных частиц ультравысоких энергий от лацертид. Лацертиды — это подкласс тех же блазаров, далекие мощные источники излучения. В 2004 году в данных эксперимента HiRes, регистрировавшего космические лучи ультравысоких энергий, сотрудниками ИЯИ РАН была обнаружена загадочная корреляция направлений прихода частиц с энергиями выше 10 в 19-й степени электронвольт (то есть еще в сто миллионов раз выше!) с положениями лацертид на небе. Корреляция была подтверждена в работе коллаборации HiRes в 2005 году, однако другие эксперименты пока не могли ее проверить из-за худшей, чем у HiRes, точности определения направления. Направления совпадали с точностью до разрешения установки, что означало, что прилетающие частицы не имеют, в отличие от основной массы космических частиц, электрического заряда (заряженные частицы отклонялись бы в космических магнитных полях). В рамках стандартной астрофизики нейтральные частицы столь высоких энергий не могут долетать с таких расстояний, и аксионное объяснение было одним из немногих работающих.

Поэтому в сегодняшней работе наряду с положениями аномальных гамма-блазаров были тем же способом проанализированы направления прихода аномальных космических частиц, зарегистрированных HiRes, на небесной сфере. Оказалось, что лацертиды, от которых они приходили, также расположены за структурами «местного филамента». Суммарная статистическая значимость двух независимых наблюдений — 4 сигма, то есть вероятность, что этот эффект получился случайно, составляет всего лишь примерно 1 случай на 16000. Пока никаких других работающих объяснений обнаруженного эффекта, кроме аксионного, не предложено, но это не значит, что их нет. Говорить об открытии новой элементарной частицы, аксиона, таким косвенным методом пока рано.

Теперь предстоит большая работа по изучению обнаруженного эффекта. В частности, с использованием данных крупного международного эксперимента Telescope Array, изучающего космические лучи сверхвысоких энергий (участвует группа Института ядерных исследований РАН). Ученые будут пытаться независимо проверить обнаруженный в данных HiRes эффект и исследовать его, а также предложенное в данной статье «аксионное» объяснение аномальной прозрачности Вселенной для гамма-излучения очень высоких энергий.

Теги

Физика и космос

На что похож край Вселенной?

Есть порог, за который мы не можем выйти, есть вещи, которых мы никогда не узнаем. Но кое-что мы знаем, и у нас есть мощные инструменты: наука, воображение, анализ. 13,8 миллиарда лет назад Вселенная, какой мы ее знаем, родилась в горячем Большом Взрыве. Со временем пространство расширилось, материя прошла через гравитационное притяжение и получилось то, что получилось.

Но всему, что мы видим, есть предел. На определенном расстоянии галактики исчезают, звезды меркнут и никакие сигналы далекой Вселенной увидеть нельзя. Что лежит за этим пределом? Если Вселенная ограничена в объеме, есть ли у нее граница? Достижима ли она? На что похож край Вселенной?Обратите внимание также на эскизы монашекПредлагаем обязательно посетите сайт нашего партнера http://otatu.ru

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно начать с того, где мы находимся сейчас, и попытаться заглянуть так далеко, как сможем.

Вселенная полна звезд буквально у нас под боком. Но если пройти больше 100 000 световых лет, вы покинете Млечный Путь. За ним будет море галактик: возможно, два триллиона галактик в общей сложности можно найти в нашей наблюдаемой Вселенной. Они представлены в большом разнообразии типов, форм, размеров и масс. Но когда вы заглядываете все дальше и дальше, вы начинаете подмечать кое-что необычное: чем дальше галактика, тем вероятнее, что она будет меньше, легче и ее звезды будут голубоватыми.

Это обретает смысл в контексте того, что у Вселенной было начало: рождение. День рождения Вселенной — это Большой Взрыв. Галактика, которая относительно близка к нам, будет близка по возрасту к самой Вселенной. Но если мы смотрим на галактику за миллиарды световых лет, свет от нее должен был пройти миллиарды лет, чтобы достичь наших глаз. Галактика, свет которой будет идти к нам 13 миллиардов лет, будет возрастом меньше миллиарда лет, поэтому чем дальше мы смотрим, тем дальше назад во времени мы заглядываем.

Снимок выше представляет собой Hubble eXtreme Deep Field (XDF), самое глубокое изображение далекой Вселенной. На этом снимке тысячи галактик, находящихся на огромном расстоянии от нас и друг от друга. Но чего не увидишь обычным взглядом, так это того, что у каждой галактики есть ассоциированный с ней спектр, в котором облако газа поглощает свет определенной длины волны в зависимости от физики атома. По мере расширения Вселенной длины волн растягиваются, поэтому далекие галактики кажутся краснее, чем являются на самом деле. Эта физика позволяет нам определять расстояние до них, и когда мы определяем расстояния, самые далекие галактики оказываются самыми юными и маленькими.

Помимо галактик мы ожидаем найти там первые звезды, а затем ничего, кроме нейтрального газа, потому что Вселенной не хватало времени, чтобы сбить вещество в достаточно плотное состояние для формирования звезд. Миллионы лет назад излучение во Вселенной было настолько горячим, что нейтральные атомы не могли образоваться, и фотоны непрерывно отскакивали от заряженных частиц. Когда сформировались нейтральные атомы, свет просто тек по прямой вечно, не подвластный ничему, кроме расширения Вселенной. Открытие этого послесвечения — космического микроволнового фона — более 50 лет назад стало окончательным подтверждением Большого Взрыва.

Там, где мы сейчас, мы можем смотреть в любом направлении, которое выберем, и видеть там одну и ту же разворачивающуюся космическую историю. Сегодня, спустя 13,8 миллиарда лет после Большого Взрыва, мы имеем звезды и галактики в их нынешней форме. Раньше галактики были меньше, синее, моложе и менее развитыми. До них были первые звезды, а еще раньше — просто нейтральные атомы. До нейтральных атомов была ионизированная плазма, а еще раньше — свободные протоны и нейтроны, спонтанное создание материи и антиматерии, свободные кварки и глюоны, все нестабильные частицы Стандартной модели и, наконец, момент самого Большого Взрыва. Смотреть дальше в космос — значит, смотреть дальше назад во времени.

Хотя это определяет нашу наблюдаемую Вселенную — с теоретической границей Большого Взрыва, расположенной в 46,1 светового года от нашего нынешнего положения — реальной границей космоса это не является. Вместо этого мы имеем просто границу во времени; есть предел тому, что мы можем видеть, поскольку скорость света позволила информации продвинуться только на это расстояние за 13,8 миллиарда лет. Это расстояние превышает 13,8 миллиарда световых лет, потому что ткань Вселенной расширилась (и продолжает расширяться), но все еще ограничена. Но как насчет того, что было до Большого Взрыва? Что вы увидели бы, если бы каким-то образом заглянули на крошечную долю секунды до того, как Вселенная оказалась на пике своей самой высокой энергии, горячей и плотной, полной материи, антиматерии и излучения?

Вы увидели бы, что существовало состояние космической инфляции: когда Вселенная расширялась очень быстро и в ней преобладала энергия, присущая самому пространству. Пространство расширялось экспоненциально в это время, когда оно было вытянуто плоским, когда оно имело везде одни и те же свойства, когда флуктуации квантовых полей, присущих пространству, пронизывали всю Вселенную. Когда инфляция завершилась, горячий Большой Взрыв наполнил Вселенную материей и излучением, породив ту часть Вселенной — наблюдаемую Вселенную — которую мы видим сегодня. 13,8 миллиарда лет спустя мы здесь.

Но стоит отметить, что нет ничего особенного в нашем месте, ни в пространстве, ни во времени. Тот факт, что мы можем видеть за 46 миллиардов лет, не делает эту границу или место чем-то особенным; это просто предел того, что мы можем видеть, сам по себе. Если бы мы могли каким-то образом сделать «снимок» всей Вселенной, выйти за пределы наблюдаемой части, мы увидели бы все то же самое, что имеет наша Вселенная. Мы увидели бы большую космическую паутину галактик, скоплений, нитей и космических пустот, выходящих далеко за пределы относительно небольшого региона, который мы можем видеть. Любой наблюдатель в любой области увидели бы точно такую же Вселенную, что и мы.

Отдельные детали будут, конечно, разными. Будет другая солнечная система, галактика, местная группа и так далее. Но Вселенная сама по себе не является ограниченной в объеме; ограничена только наблюдаемая часть. Именно граница во времени — Большой Взрыв — отделяет нас от всего остального. Мы можем подойти к этой границе только с применением телескопов (которые могут увидеть раннюю Вселенную) и теории. Пока мы не выясним, как обойти стремящийся вперед поток времени, это будет нашим единственным подходом, способом увидеть «край» Вселенной. Но космос безграничен.

Что находится за краем вселенной?

Астрофизик доктор Чарльз Лю — ведущий подкаста The Liuniverse, автор новой книги «Объяснение космоса», сотрудник Американского музея естественной истории и соавтор (вместе с Нилом де Грассом Тайсоном и Робертом Ирионом ) из One Universe: At Home in the Cosmos — недавно присоединился к CJ Dearinger, Smitty Neaves и мне в подкасте All Things – Unexplained. Среди множества поразительных открытий доктор Лю обнаружил, что наша Вселенная не только расширяется, но и скорость ее расширения увеличивается!

Большой взрыв, сингулярность и расширение

По словам доктора Лю, «когда мы пытаемся вычислить время в космосе, один из самых интуитивных способов думать о времени — это измерить, насколько Вселенная расширилась с тех пор. равен нулю — Большой взрыв, момент, когда время начало течь. В результате расширение Вселенной есть увеличение не только во времени, но и в пространстве».

В своей новой книге «Объяснение космоса: история Вселенной от ее начала до сегодняшнего дня и далее» доктор Лю описывает момент Большого взрыва как сингулярность нулевого объема и бесконечной плотности. Это было место, где законы природы, как мы их понимаем, не работали.

Итак, когда Вселенная прекратит свое расширение и вернется в эту таинственную сингулярность? Доктор Лю удивил всех своим ответом. Как оказалось, никогда.

Доктор Лю добавил: «Сегодня он все еще расширяется, и он продолжает это делать, и поэтому мы можем отслеживать космическое время так, как мы это делаем».

Большое сжатие

«По какой-то причине само пространство, расширяясь, набирает скорость в своем расширении. Если бы этого не было, если бы на каждый кубический дюйм пространства не приходилась лишь крохотная, крохотная частичка дополнительного расширения энергия, встроенная в него, и, в конце концов, да, вся материя во Вселенной, а не только черные дыры, все звезды, вся темная материя, которая намного массивнее, чем звезды вместе взятые, в конечном итоге притянет нас вместе … Это замедлило бы наше расширение, повернуло бы расширение вспять, и мы бы попали в нечто, называемое Большим кризисом».

Представление о Большом сжатии, согласно которому однажды Вселенная просто перестанет расширяться и вернет нас всех обратно в новую сингулярность, существует уже некоторое время.

«Еще 20 лет назад это было вполне реально. Наши наблюдения не были достаточно точными, чтобы понять, какой силой расширения обладало пространство. Но примерно с 1997 года — сначала с помощью космического телескопа «Хаббл» близлежащих галактик, затем последовали измерения космического микроволнового фона и его геометрии, а затем последовали космологические расстояния, измеренные взорвавшимися звездами, называемыми сверхновыми типа Ia (читай: «тип один-А ») — теперь мы совершенно уверены, что само пространство обладает такой силой в своем расширении, что оно оттолкнет все галактики так далеко друг от друга, что преодолеет гравитацию, и в течение нескольких миллиардов лет. .. все эти объекты будут отброшены так далеко друг от друга, что больше не будет никакой надежды снова собрать их вместе».

Темная энергия и мультивселенная

Д-р Лю продолжил: «Это стремление называется темной энергией. Она в три раза мощнее гравитации даже темной материи. Вот что на самом деле движет движением Вселенной сегодня».

Итак, края нашей вселенной не только расширяются, но и скорость их роста продолжает таинственным образом расширяться. Что находится за пределами нашей вселенной? Во что мы расширяемся?

Доктор Лю сказал: «Мы почти уверены, что во что бы он ни расширялся, это не более чем вселенная. Другими словами, мы находимся в четырехмерном пространстве-времени. У нас есть три измерения пространства — длина, ширина и высота — плюс это измерение времени, через которое мы путешествуем. Когда Вселенная расширяется, она должна расширяться во что-то, что имеет дополнительное измерение. Это может быть, например, пятимерная мембрана, о которой я упоминал ранее, — теория Рэндалла-Сандрума, — которая вроде как пыталась объяснить, что наша вселенная соединяется с пятимерными структурами, и, таким образом, мы оказываемся четырехмерное пространство-время, которое как бы перекрывает пропасть между ними.

Еще одна идея, появившаяся недавно… люди пытались выяснить некоторые аспекты геометрии Вселенной несколько десятилетий назад. Почему это было так, как есть? Делая это, люди пришли к идее, что в какой-то момент очень рано во Вселенной, прямо около этой квадриллионной квадриллионной доли секунды, Вселенная по какой-то причине не просто расширилась, но раздулась. Итак, на мгновение вместо обычного расширения все пошло фух! А потом вернулся к своему нормальному расширению. Это свист! то, что мы называем инфляцией. Такая инфляция, если она происходит в многомерной вселенной, может происходить снова и снова. Итак, то, что мы видим прямо сейчас, может быть инфляционным пространством-временем в более крупной, более чем четырехмерной вселенной, или мы можем быть этим четырехмерным пространством-временем, соединяющим мембрану, опять же, в чем-то другом. это больше, чем то, что мы считаем нашей вселенной».

Чтобы помочь всем визуально понять, доктор Лю описал следующий сценарий:

Представьте себе флаг. Два флага, развевающиеся на ветру, и время от времени один из них соприкасается. Точка касается здесь или здесь, и мы можем быть этой точкой касания.

Отправляйтесь в бесконечность

Одна из невероятных черт астрофизика доктора Чарльза Лю — его способность сделать самые сложные темы доступными для всех. Его книга «Объяснение космоса» позволяет вам отправиться в приятное путешествие по царству астрофизики и получить не что иное, как лучшее понимание того, как устроена наша Вселенная. Это большое достижение для автора и его книги.

Как сказал Уильям Батлер Йейтс, один из выдающихся деятелей литературы 20-го века: «Образование — это не наполнение ведра, а зажигание огня».

Возможно, именно ваш огонь прольет свет на истину темной энергии. Твой огонь, который освещает пределы этой вселенной и вселенные за ее пределами.

Notes

All Things — подкаст Unexplained доступен везде, где вы его подкастируете: Apple, Google, Spotify, Amazon и многие другие. Они также есть в Facebook, Instagram, Twitter и YouTube. Их шоу зависит от поддержки слушателей. Вы можете сделать пожертвование на Venmo @bigfootufo.
Лю, К., и Маловичко, М. (2022). Объяснение космоса: История Вселенной от ее начала до сегодняшнего дня и далее. Айви Пресс.
Подкаст Liuniverse можно найти на YouTube.
Тайсон, Н. де Грасс, Лю, К., и Ирион, Р. (2000). Одна вселенная: дома в космосе. Джозеф Анри Пресс.

Определение и измерение наблюдаемого и всей Вселенной

FacebookTwitter

Знать о концепции наблюдаемой Вселенной и об измерении наблюдаемой Вселенной во всей Вселенной

Узнайте, как определять и измерять наблюдаемую вселенную в пределах «всей» вселенной.

Вселенная — насколько она велика? Есть ли у него центр? Есть ли у него преимущество? Становится ли он больше, и если да, то почему?

Что ж, мы знаем, что у слова «вселенная» есть два разных значения. Во-первых, наблюдаемая Вселенная — это все, что мы смогли увидеть или наблюдать до сих пор. А во-вторых, вселенная или вся вселенная означает все, что существует, или существовало, или будет существовать. Более конкретно, наблюдаемая Вселенная — это область космоса, видимая нам с Земли.

А поскольку Вселенной всего около 13,8 миллиардов лет, а свету требуется время, чтобы пройти через пространство, то независимо от того, в каком направлении мы смотрим, мы видим свет, который путешествовал не более 13,8 миллиардов лет. Так что логично предположить, что наблюдаемая Вселенная должна быть в 2 раза больше 13,77, что равно 27,5 миллиардам световых лет в поперечнике, но это не так. Это потому, что со временем пространство расширялось, поэтому далекие объекты, излучавшие этот свет 13,8 миллиарда лет назад, с тех пор отошли от нас еще дальше. Сегодня эти далекие объекты находятся на расстоянии чуть более 46 миллиардов световых лет. Умножьте на 2, и вы получите 93 миллиарда световых лет, диаметр наблюдаемой Вселенной.

Чтобы дать вам представление о масштабе, размер Земли в пределах наблюдаемой Вселенной примерно эквивалентен размеру вируса в Солнечной системе, хотя это не очень помогает, потому что мы не можем по-настоящему оценить непостижимую малость вируса, как и невероятные размеры нашей Солнечной системы.

Давайте просто скажем, что наблюдаемая Вселенная колоссально велика, но вся Вселенная, насколько мы можем судить, намного больше. Пространство, скорее всего, бесконечно, или, по крайней мере, у него нет края, хотя разница между ними — отдельная история.

А как насчет центра вселенной? Ну, у наблюдаемой Вселенной есть центр, мы. Мы находимся в центре наблюдаемой Вселенной, потому что наблюдаемая Вселенная — это всего лишь область космоса, видимая с Земли. И подобно тому, как вид с очень высокой башни представляет собой круг с центром в башне, часть пространства, которую мы можем видеть отсюда, естественным образом сосредоточена здесь.

На самом деле, если вы хотите быть более точным, каждый из нас является центром нашей собственной наблюдаемой вселенной, но это не значит, что мы находимся в центре всей вселенной, как башня не центр мира. Это центр куска мира, который он может видеть, вплоть до горизонта. Но то, что вы не можете видеть за горизонтом, не означает, что там ничего нет.

То же самое и с наблюдаемой Вселенной. Глядя на небо, мы видим свет, которому не более 13,8 миллиардов лет и который исходит от вещества, которое сейчас находится на расстоянии 46 миллиардов световых лет. Все, что находится дальше, находится за горизонтом, но каждую секунду мы видим новый, еще более старый свет, исходящий чуть дальше, на три световые секунды дальше, если быть точным. И поэтому наше представление о космосе буквально все время расширяется. Все, что нам нужно делать, это ждать и наблюдать, как Вселенная стареет и свет из более отдаленных мест успевает добраться до нас.

Итак, вот мы и сидим в центре наблюдаемой нами части Вселенной. Насколько велика Вселенная? Что ж, наблюдаемая Вселенная в настоящее время имеет диаметр 93 миллиарда световых лет. Вся Вселенная, вероятно, бесконечна.

Есть ли у вселенной край? Наблюдаемая Вселенная делает.