Надежда – на космический аппарат Гайя
Опубликовано RMR_astra в пт, 03/04/2015 - 22:20
«Это может оказаться чем-то совсем неожиданным, но похожим на ускорение. Не о чем говорить, пока не получены новые данные» - писал один из трех лауреатов Нобелевской премии, присужденной «За открытие ускоренного расширения Вселенной с помощью наблюдения далеких сверхновых». Открытие было неожиданным, и авторы многократно перепроверяли его результат, используя все большее количество сверхновых.
Сверхновые, вспыхнувшие в других галактиках, дают возможность оценить расстояние до этих галактик. Для оценки расстояний используются не любые сверхновые, а только принадлежащие типу 1а. Принято считать, что светимость звезд этого типа во время вспышки достигает одной и той же абсолютной звездной величины (количественной оценки светимости), которая была принята за стандартную величину.
Чем дальше галактика, тем слабее излучение вспыхнувшей в ней сверхновой. Сравнивая ее наблюдаемую звездную величину со стандартной, можно оценить расстояние до этой галактики. Расстояния оказались больше рассчитанных по общепринятой модели, в которой Вселенная расширяется с замедлением. Получилось, что в природе существует некая энергия, называемая «темной», которая ускоряет расширение Вселенной. Результаты проверялись много раз, различные косвенные данные также подтверждают, что существует расширение с ускорением.
Для более детального исследования этого удивительного явления необходимо повышать точность наблюдений и, прежде всего, оценки стандартной звездной величины. Однако, ряд трудностей понижает точность ее определения. Наблюдая сверхновые типа 1а, астрономы обнаружили, что значения их абсолютных звездных величин практически совпадают. Для оценки абсолютных звездных величин требовалось знать расстояние до этих объектов. Оценки расстояний производились по закону Хаббла по красному смещению линий в спектрах этих звезд, но оценки могут оказаться неточными из-за влияния на спектры собственных пространственных скоростей галактик. Существуют и другие источники ошибок оценки расстояний.
Как теперь установлено, сверхновые типа 1а – двойные системы, в которых происходит термоядерный взрыв белого карлика. Максимум яркости при взрыве можно было бы принять за стандартный, если бы было известно, что массы взрывающихся белых карликов одинаковы, что компоненты двойных звездных систем, с которых белые карлики перетягивают на себя вещество, - звезды одинакового типа и одинаковой массы. К сожалению, наблюдательных подтверждений этому пока нет.
Еще одна трудность – определение максимума светимости. Ведь в одной и той же галактике сверхновые зажигаются примерно раз в сто лет, а сверхновые типа 1а – раз в несколько столетий. Чтобы оценить максимум светимости в наблюдаемых звездных величинах, необходимо найти максимум функции светимости от времени. Но до того, как светимость достигнет максимума, увидеть будущую сверхновую на фоне далекой галактики – редкая удача. Разгорание происходит в течение примерно15 суток, в максимуме всего за несколько суток светимость звезды увеличивается в десятки милллиардов раз, а радиус достигает ста радиусов земной орбиты. Дальнейший спад яркости длится дней триста. На месте звезды образуется туманность, расширяющаяся со скоростью в десятки тысяч километров в секунду, в центре которой появляется сверхплотный объект. Физические процессы в сверхновых изучает спецальный раздел науки.
Исследование темной энергии сопряжено со многими трудностями, для преодоления которых требуется большой наблюдательный материал. Сейчас этим занимаются и наземные, и космические обсерватории. От космического аппарата Гайя ожидают сведений о тысячах галактик со сверхновыми типа 1а, в том числе на расстояниях в миллиарды световых лет. Его возможности так велики, что он должен справиться с этой задачей.
- Войдите на сайт для отправки комментариев
- 5030 просмотров
Уважаемая Рахиль Менашевна!
Насколько я понял, в Вашей статье Вы хотите сказать о недостаточной опытной подкреплённости гипотезы об ускоренном расширении Вселенной? Но почему же тогда за это открытие дали Нобелевскую премию?
В моей статье речь идет не о "недостаточной опытной подкреплённости гипотезы", а об открытии нового ранее неизвестного физического явления, повторяю ссылку.
Привлечение большего наблюдательного материала поможет не только уточнить его характеристики, но, возможно, и выяснить его природу.
Уважаемая Рахиль Менашевна!
Я прочитал статью по Вашей ссылке. Что и сказать - это увлекательная эпопея двух независимых и конкурирующих групп физиков и астрономов, приведшая их к одному и тому же эпохальному открытию.
Но начал я читать статью с эпиграфа к ней: «Астрофизика напоминает следствие по делу, в котором все улики лишь косвенные. Станислав Лем».
Интересными с точки зрения не только физики, но и психологии и философии, мне показались следующие места статьи:
«Инфляция позволяла решить ряд проблем стандартной фридмановской космологии и, кроме того, она предсказывала, что средняя плотность Вселенной с большой точностью должна быть равна критической. Когда Алан Гут - один из создателей теории инфляции - узнал, что наблюдения свидетельствуют об Ω = 0.2–0.3, он заявил, что рано или поздно всё устаканится и наблюдатели обязательно получат Ω = 1».
Это похоже на восклицание кого-то из великих физиков прошлого: «Если факты противоречат теории - тем хуже для фактов». Поразительная интеллектуальная смелость! И уверенность в своей правоте, когда «царь доказательности» - эксперимент говорит об обратном. И урок нам всем о том, что не всегда нужно только индуктивно исходить из данных эксперимента, а нужно добавлять весомую долю дедуцирования знаний «сверху», из неведомых «эмпирей» (не путать с эмпирией, т.е. опытом - близким по звучанию, но противоположным по смыслу словом), откуда знание соизволяет иногда снизойти в мир грубого и переменчивого материального опыта.
Далее в цитируемых текстах все выделения жирностью и подчёркиванием - мои.
«Разброс точек выглядит очень большим и кажется, что результат не очень надёжен. Кроме того, слабым местом открытия являлось то, что потускнение сверхновых с расстоянием можно было объяснить, к примеру, эволюцией их максимальной светимости со временем, а также тем, что на их видимый блеск влияет поглощение пылью в межгалактической среде. Авторы все это прекрасно понимали и в последовавшие годы быстро наращивали наблюдательный материал и проводили разнообразные дополнительные проверки и исследования. Ни наличие пыли, ни возможная эволюция сверхновых, как оказалось, не влияют ощутимым образом на результаты. Кроме того, увеличение числа далеких SN Ia только повышало достоверность существования ускоренного расширения».
«Простейшей интерпретацией наблюдений являлось предположение о существовании некоей формы энергии (ее стали называть тёмная энергия), «расталкивающей» Вселенную и приводящей к изменению темпа её расширения».
«Что может представлять собой эта тёмная энергия? Возможны разные варианты, но, по-видимому, самый простой и естественный - тёмная энергия представляет собой энергию вакуума».
Опять наши пресловутые интерпретации и, причём, выбираются простейшие из них. Конечно, природа часто не изобилует сложностями, что и нашло выражение в «принципе Оккама» (https://ru.wikipedia.org/wiki/Бритва_Оккама), но это - вобщем-то произвольное допущение. И простота может быть разной: поверхностной и глубокой. Какая здесь выбрана?
«Открытие ускоренного расширения Вселенной, возможное отождествление причины этого ускорения с космическим вакуумом - это, несомненно, эпохальные достижения, существенно меняющие представления об окружающем нас мире. Однако насколько серьёзно можно относиться к этим открытиям? Ведь кажется, что они основываются лишь на нескольких точках, уклоняющихся от ожидаемой прямой на рис. 38.
Во-первых, в настоящее время данных уже гораздо больше. Число далеких SN Ia с измеренными кривыми блеска достигает уже нескольких сотен и новые наблюдения лишь подтверждают и уточняют исходные результаты групп SCP и HZT.
Во-вторых, как я уже писал в начале этого раздела, и до результатов по сверхновым были наблюдательные и теоретические аргументы в пользу ненулевой космологической постоянной - например, противоречие между оценками возраста Вселенной и возрастом старейших объектов, [...возраст Вселенной для Ω = 0.2–0.3 получался равным примерно 11–12 млрд лет, что вступало в противоречие с возрастом старейших объектов нашей Галактики (например, шаровых скоплений)...] предсказания теории инфляции.
И, наконец, в-третьих, сейчас существует целый ряд новых, независимых от наблюдений SN Ia, тестов, также свидетельствующих об ΩΛ > 0.
Первый из этих аргументов уже упоминался - анализ анизотропии реликтового излучения показывает, что полная плотность нашей Вселенной близка к критической, в то время как плотность всех видов вещества составляет лишь около четверти критической. Этот дисбаланс компенсируется вкладом тёмной энергии.
Ещё одна группа свидетельств основывается на наблюдениях крупномасштабного распределения галактик. Так называемые акустические флуктуации, наблюдаемые примерно через 400 000 лет после Большого взрыва в реликтовом излучении (п. 2.4), должны были отпечататься и в распределении окружающих нас галактик на масштабах ~ 100 Мпк. Появление больших, однородных выборок галактик с измеренными красными смещениями позволило относительно недавно (в начале 2000-х годов) действительно обнаружить этот эффект. Его анализ дал возможность независимой оценки плотности вещества во Вселенной и, в сочетании с данными о реликтовом излучении, уточнил параметры темной энергии.
Эффект Сакса–Вольфа (изменение частоты фотона реликтового излучения, движущегося в изменяющемся гравитационном поле) приводит к появлению корреляции между наблюдаемой неоднородностью реликтового излучения и распределением относительно близких (z ≤ 1) галактик. Если во Вселенной доминирует вещество, этот эффект не проявляется. Если же космологическая постоянная достаточно велика, то она влияет на темп роста крупномасштабных структур (скоплений и сверхскоплений галактик) и приводит к тому, что поле возмущений гравитационного потенциала успевает измениться за время полета фотона от далекой галактики до нас. Следствием этого должна быть дополнительная анизотропия реликтового фона, зависящая от крупномасштабного распределения вещества в эпоху, когда темная энергия стала динамически важным компонентом Вселенной. Анализ крупномасштабного распределения галактик и радиоисточников подтвердил существование этого эффекта.
Неожиданный подход к изучению тёмной энергии дают излучающие в рентгеновском диапазоне скопления галактик. Скопления галактик, как обычно пишут, — это самые крупные гравитационно-связанные объекты Вселенной. Они содержат тысячи галактик в пределах нескольких мегапарсеков (напомню, что расстояние от нашей Галактики до туманности Андромеды составляет примерно 2/3 мегапарсека). Большой вклад в барионную массу скоплений дает горячий газ, являющийся источником сильного рентгеновского излучения. Предположив, что доля газа в скоплениях является постоянной и не зависит от красного смещения (эта доля просто отражает долю барионного вещества во Вселенной), можно получить независимые от красного смещения оценки расстояний до скоплений. Оказалось, что эти оценки согласуются с моделью Вселенной с большим значением космологической постоянной.
Есть и другие свидетельства существования тёмной энергии - подсчёты далёких скоплений галактик, слабое и сильное гравитационное линзирование и пр. Эти свидетельства следуют из разных, не связанных между собой наблюдательных эффектов. По отдельности к каждому из них можно придраться и придумать другое объяснение, но лишь существование тёмной энергии единым и, по сути, самым простым образом объясняет весь весьма разнородный комплекс данных. Именно совокупность наблюдательных тестов позволяет считать существование тёмной энергии надёжно установленным фактом.
...
Нелишне будет также напомнить, что тёмная энергия довольно естественным образом возникает и в разнообразных построениях теоретиков — в частности, эта энергия, возможно, представляет собой давно обсуждавшуюся (еще с первой половины XX века) энергию физического вакуума ... Не могу удержаться, чтобы не привести шутливые высказывания знаменитого советского физика Я. И. Померанчука, заметившего, что вакуум не пуст, он полон глубокого физического содержания, и что вся физика - это физика вакуума.
...
Напомню, что расширение Вселенной и наличие в ней тёмной материи также подтверждается самыми разными и независимыми свидетельствами».
Таким образом, как и писал С.Лем в эпиграфе, существует множество косвенных аргументов в пользу ускоренного расширения Вселенной и существования тёмной энергии, являющейся причиной этого.
Ну вот, я, кажется, залил достаточно бензина в болото всеобщего спокойствия и восхищения «успехами современной физики». Осталось теперь только чиркнуть спичкой. Я хочу поставить вопрос о том - а насколько вообще надёжны знания современной космологии и физики частиц? Все эксперименты в них уже настолько находятся на грани надёжности и ненадёжности, что приходится довольствоваться множеством косвенных «улик» вместо одной или нескольких прямых. Неопределённости фактов соответствует и неопределённость их интерпретаций. См., например, «проблему ландшафта» в теории струн. Имеет место ситуация неопределённости информации, в которой, если верить ТРИЗ-педагогике, нужно учить жить подрастающее поколение. В неопределённом, почти фантазийном информационном мире нужно находить некие опоры. И где же их искать, как не в себе? В глубинах своей души посредством интуиции.
А что думают участники сайта ЛКИ по этому поводу?
P.S. И уж, совсем неожиданно. В самом низу странички - слова об авторе книги, отрывок из которой был приведён здесь в качестве материала: «Автор книги Владимир Решетников рассказывает о том, на какие детские вопросы может ответить астроном и как научная фантастика помогает учёным в работе».
Уважаемый Sol!
Мне понравилась Ваша объективность, с которой Вы процитировали статью. Из нее следует, что косвенными методами факт ускоренного расширения Вселенной был установлен. Надеюсь, что исследования будут продолжены. Наука развивается, и в этом залог ее успеха.
Например, наблюдение многих далеких галактик позволит уточнить стандартое значение светимости сверхновых 1а, так как по сравнению со скоростью космологического удаления далеких галактик их собственные пространственные скорости ничтожно малы и поэтому влиять на точность определения расстояний не будут.
Меня не удивляют трудности изучения микро- и мегамира и необходимость использования косвенных методов. Наоборот, меня поражает прогресс науки и техники.
Вот один из фактов: телескопы были изобретены всего примерно пятьсот лет тому назад, а сейчас исследуются объекты, от которых даже свет идет более 10 000 000 000 лет!
Уважаемая Рахиль Менашевна! Я отвечу Вам несколько позже. А пока - как бы в продолжение моего предыдущего поста, вопрос: насколько объективен Нобелевский комитет? Например, известный российский футуролог, философ, Сергей Переслегин (кстати, физик-ядерщик по базовому образованию), уже сильно сомневается в этом.
Что касается БАК, то вот уже недавно и статья появилась, где говорится, что «учёные планируют (выделено мной - Sol) впервые выявить так называемые суперсимметричные частицы, или глюино. Если они появятся в коллайдере, это станет первым непосредственным эмпирическим подтверждением существования «тёмной материи», которая теоретически предсказана в рамках принятой в настоящее время научным сообществом модели Вселенной.
«Скорее всего, это произойдёт в этом году. Если нам повезёт, то вероятно в конце лета (выделено мной - Sol)», - сказала профессор Беат Хайнеманн из научной группы Atlas, исследующей частицы в Большом адронном коллайдере».
Вот это поразительно! Открытие нового, неизвестного уже планируется и даже ставятся конкретные сроки этого события! Наверняка уважаемая госпожа профессор уже что-то знает. Только вот что?
Начну с объективности Нобелевского комитета. Когда распределяются большие деньги, и что более важно, престиж, который играет важнейшую роль в политике, то с объективностью обычно возникают сложности. Существует множество примеров, когда Нобелевский комитет не замечал реальных участников открытий или сами открытия. Эти примеры можно найти в Интернете, но думаю, что уважаемый Sol и так их знает.
Если речь идет конкретно о Нобелевской премии за бозон Хиггса, то сомнения уважаемого Сергея Переслегина я вполне разделяю. Вся история с бозоном Хиггса соответствует современному состоянию дел в физике. То, что открыли какой-то короткоживущий бозон, видимо, сомневаться не приходится. Однако с точки зрения стандартной модели главным является не бозон, а механизм нарушения калибровочной симметрии, придуманный Хиггсом. А вот это как раз и не проверялось. То, что дали премию Хиггсу, я так думаю, это оценка того, что последние лет 50 вся теоретическая ядерная физика жила с простой хиггсовской заплаткой для калибровочных теорий, которая позволяла не сильно задумываться над вопросом - откуда берется масса частиц. В чисто калибровочных теориях она равна нулю. Так что это плата за возможность строить теории по понятным схемам и не мучиться проблемой, которая превращает все изыскания в калибровочных теориях в пустое фантазерство. Нельзя же выбивать почву из под всех теорий сразу. Это, похоже, некоторый принцип развития - наука периодически скатывается в схоластику, придавая обнаруженным приближенным симметриям фундаментальный, можно сказать, - божественный, смысл.
А вот теперь про планирование открытий. Одним из основных требований к любой новой теории является то, что она должна что-то предсказать новое. Если она не предсказывает чего-то нового, то теория является просто перезаписью старой, т.е. не новой теорией. Если Вы проводите эксперимент по проверке теории, то, очевидно, должны планировать ее подтвердить или опровергнуть. Так что в любом случае вы открываете нечто новое. Если подтвердили теорию, значит ее можно использовать для дальнейших предсказаний и т.д., пока не найдете противоречий с ней, т.е. опровергните в чем-то. В противном случае, если Вы ее опровергли сразу, то столкнулись с пока не объяснимым, т.е. новым. Так что в той постановке вопроса, как это сформулировано, ничего удивительного нет. Удивительно здесь другое. Это то, что некоторые ученые хотят выдать желаемое за действительное. Теория суперструн пока экспериментально не подтверждалась ни разу.
Уважаемый zvictorm, а что Вы скажете о надёжности открытия ускоренного расширения Вселенной и тёмной энергии, как его предполагаемого механизма? Ведь если и за это Нобелевская премия присуждена по каким-то мотивам не совсем научного свойства, то можно согласиться с С.Б.Переслегиным, что Нобелевская премия по физике почила в бозе :)
Уважаемый Sol! Ускоренное расширение Вселенной - это современная интерпретация красного смещения в излучении далеких галактик, открытого вполне надежно. Можно сказать премию дали за способ измерения расстояний до удаленных галактик и его использование для маркировки галактик с данным красным смещением. Всё остальное - интерпретация, которая может и измениться. Так что именно с этой премией все нормально. Про бозон Хиггса я уже написал.