Черни дупки и Вселена в светлината на Теорията на относителността

С новите познания, които имаме от разглеждането на Специалната и Общата теория на относителността сега можем да се върнем на въпросите за Вселената.

Черните дупки

Немският астроном Шварцшилд придал математическа точност на изкривяването, извършил изчисления и предсказал, че ако отношението между масата и радиуса на сферично тяло е над критична стойност, тогава изкривяването на пространството е толкова голямо, че нищо, което се приближи прекалено много, не може да го напусне. Това е черна дупка, а границата е наречена хоризонт на събитията. Ако човек се доближи на 10 cm от хоризонта на събитията и остане там 1 година, времето ще тече толкова бавно, че когато се той върне на Земята тук ще са минали около 10 000 години.

Вселената

Ако Теорията на относителността се приложи за цялата Вселена ще получим, че тя не е статична, а се променя. Айнщайн въвел космологична константа, с която преработил уравненията и "направил" Вселената неизменна. Хъбъл доказал, че фактически Вселената се разширява, което значи, че ОТО е била вярна преди корекцията. Ако галактиките наистина се раздалечават една от друга, то можем да върнем мислено времето назад и да стигнем до извода, че всичко е започнало от една точка. Но идеята не е, че тази точка е избухнала и се разширява в пространството, а че самото пространство (и време) не са съществували преди Големия взрив и след взрива то започва да се разгръща като океан заедно с всичката материя и енергия вътре в него.

Астрономи експлоадират виртуална звезда!

С години астрономите се опитват напразно да взривят звезда с размера на Земята, използвайки компютърни кодове. Най-накрая успяха. Получената 3D-симулация разкрива стъпка по стъпка как протича това явление. Т. нар. бели джуджета — звезди с размера на Земята и масата на Слънцето — свършват дните си забележително. Когато енергията им започне да свършва, те експлоадират в така наречените свръхнови тип-1а, от които учените смятат, че произлиза повечето желязо във Вселената.

При предишни опити да се симулира такава експлозия учените трябваше да казват на компютърния модел кога да детонира звездата, което значи, че моделът не е добър. С нагаждане и промени на кодовете учени от Чикагския университет създали естествени детонации в опростени двуизмерни симулации. Използвайки екстремни компютърни ресурси, екипът направил и 3D-симулация.

Виртуалният експеримент потвърдил това, което учените очаквали от предишни тестове: Звездите се детонират и превръщат в свръхнови чрез свръхзвуков процес, напомнящ възпламеняването в дизелов двигател. При този тип двигатели не искра, а налягането на газа причинява запалването му. Въпреки че компютърната симулация отнела 58 000 часа и 700 компютърни процесора, целият катаклизъм — от начало до край — е 3 секунди (линк).

Резултатите разкриват сложна, но изчистена поредица от събития, завършваща с взрив. Част от секундата преди смъртта на звездата в центъра й се образува огнено балонче с размер 15 km. Веднага след това то се изстрелва с близо 2000 km/h към повърхността. Една секунда по-късно, на другия край на бялото джудже, огнената вълна се сблъсква със себе си и задейства експлозията.

Възможността тук, на Земята, да се направи експеримент със свръхнови тип-1а може да хвърли светлина върху загадъчната сила — тъмната енергия — която се противопоставя на гравитацията и кара Вселената да се разширява.

(от SPACE.com)

Тестове на теорията на Големия взрив

Разширението

Големият взрив е модел, който произтича по естествен начин от Общата теория на относителността, приложена към хомогенна вселена. През 1917 година обаче идеята за разширяваща се вселена била абсурдна. Затова Айнщайн измислил терминът космологична константа, с която теоретично направил вселената статична. През 1929 година Едуин Хъбъл обявил, че според неговите наблюдения на галактики отвъд нашия Млечен път, те систематично се отдалечават със скорост, пропорционална на квадрата на разстоянието им до нас. Колкото по-далеч е галактиката, толкова по-бързо се отдалечава. В крайна сметка вселената се разширява — точно както в началото предсказвала Общата теория на относителността. Хъбъл установил, че светлината от коя да е галактика се отмества към червения край на светлинния спектър толкова повече, колкото по-далеч е тя от нас.

Ако вселената действително се разширява еднакво във всички посоки, то ние бихме наблюдавали точно гореописаното поведение на галактиките. Освен това никоя галактика няма да е привилегирована и да заема централно място. Откритието на Хъбъл отговаря на хомогенна разширяваща се вселена.

Нуклеосинтез в ранната вселена

Терминът нуклеосинтез означава образуване на по-тежки химични елементи — атомни ядра с много протони и неутрони — от по-леки елементи. Теорията на Големия взрив предсказва, че ранната вселена е била много горещо място. Секунда след него температурата била 10 милиарда градуса и всичко било изпълнено от неутрони, протони, електрони, позитрони, фотони и неутрино. С охлаждането неутроните или се разпадали на протони и електрони, или се комбинирали с протоните и образували деутерий (изотоп на водорода). През първите три минути повечето деутерий се свързал в хелий. Има и следи от литий от това време.

Предсказаното изобилие от деутерий, хелий и литий зависи от плътността на обикновената материя в ранната вселена, както се вижда на графиката. Според резултатие количеството хелий зависи много слабо от изобилието на обикновена материя (над определена граница). Очакванията на учените са, че 24% от материята във вселената е хелий, образуван при Големия взрив. Това съответства много добре на наблюденията.

Общоприетият в момента модел може да се тества още. За да отговарят предсказаните количества други леки елементи на наблюденията трябва плътността на обикновената материя да е 4% от критичната плътност. (защо?) Сателитът WMAP би трябвало да успее директно да измери плътността на обикновената материя и да сравни получените резултати с очакваните от теорията на нуклеосинтеза при Големия взрив. Това ще бъде важен и неоспорим тест на модела. Ако резултатие съвпадат, те ще потвърдят теорията на Големия взрив. Ако не съвпадат, тогава:

1) данните са грешни,
2) не разбираме достатъчно процесите на нуклеосинтез в ранната вселена,
3) погрешно разбираме механизмите, които причиняват флуктуации в микровълновото фоново лъчение, или
4) има фундаментален проблем в теорията на Големия взрив.

Нуклеосинтез в звездите

По-тежките от литий елементи се синтезират в звездите. През късните етапи на звездната еволюция масивните звезди изгарят хелий и образуват въглерод, кислород, силиций, сяра и желязо. По-тежките от желязо елементи се получават по два начина:

• във външните слоеве на свръхгигантски звезди и
• при експлозиите на свръхнови.

Микровълново фоново лъчение

Равномерното разпределение на това много слабо, но доловимо лъчение по целия небосклон е още един много силен аргумент в защита на Големия взрив.

Специална и обща теория на относителността

(бележки по "Елегантната вселена")

Как Айнщайн решава проблема за времето и пространството чрез своята Специална теория на относителността (СТО)

А проблемът е: Ако наблюдател се движи със скоростта на светлината, то тя трябва да застине неподвижна за него, но според теорията на Максуел и експериментите това не може да стане. Според СТО взаимно движещите се наблюдатели възприемат времето и пространството различно. Това е директно следствие от принципа на относителността (който седи в основата на теориите на Айнщайн).

Принцип на относителността: Движението (скорост, направление) е относително и всяко едно тяло във вселената може да се приеме за неподвижно.

Пример: Ако астронавт в дълбокия космос, далеч от всякакви звезди, планети, космически кораби, и върху който не действат никакви външни сили, види друг приближаващ се астронавт, той ще предположи, че е неподвижен, а другият се движи. Обаче същото ще предположи и вторият астронавт. И двамата са прави, защото движението е относително.

И обобщение: "Законите на физиката — каквито и да са те — трябва да са абсолютно идентични за всички наблюдатели, които се движат равномерно и праволинейно."

Другата част от СТО е свързана със скоростта на светлината. Скоростта на светлината е 300000 km/s независимо от отправния обект!

Използвайки тези два факта: постоянната скорост на светлината и принципа на относителността, стигаме до удивително откритие! Времето, мерено с движещ се часовник тече по-бавно, отколкото мереното с неподвижен часовник време. Колкото по-бързо се движи подвижният часовник, толкова по-бавно тече времето на него.

Това, разбира се, значи, че движещ се човек ще остарява по-бавно, но само от гледна точка на неподвижния наблюдател. Освен че ще остарява по-бавно, този човек и ще живее по-бавно, и всички физиологични функции ще текат по-бавно, но няма да живее повече. От принципа на относителността обаче следва, че можем абсолютно еквивалентно да заменим нашият движещ се човек с неподвижния наблюдателя.

Според тази формула, ако часовник се движи със скоростта на светлината v = c, тогава времето, отмерено на него, ще е безкрайно. Този феномен е директно следствие от още едно предположение на Айнщайн — за движението през пространство-времето.

Пространството е съставено от три измерения. Ако към тях добавим времето като четвърто измерение, тогава Айнщайн изказва следното твърдение: Всички неща във Вселената се движат през пространство-времето с постоянна скорост, при това равна на скоростта на светлината. Когато едно тяло е в покой спрямо наблюдателя, то проекцията на постоянната му скорост в пространството е нула, а във времето е максимална (тялото старее най-бързо). Когато тялото се движи с някаква скорост в пространството, то проекцията на вектора на скоростта му във времето е по-малка (т.е. тялото старее по-бавно, или часовникът му тиктака по-бавно). Ако тялото се движи със скоростта на светлината в пространството, то проекцията на векора във времето е нула, което значи, че то не старее.

Извод: За частица, движеща се със скоростта на светлината, времето е спряло. Фотоните, които съществуват във Вселената са същите онези, които са се образували в Големия взрив.

E = mc² — прочутата формула на Айнщайн. Какво ни казва тя?

Енергията и масата са завинаги свързани една с друга. Ако вземем една частица и я ускорим до много близка до скоростта на светлината скорост (т.е. придадем й много много енергия), то масата й ще нарастне. И колкото по-масивен става обектът, толкова по-трудно е да го бутаме. Мюон, ускорен до 99.99999999% от скоростта на светлината е над 70 000 пъти по-тежък от мюон в покой. Масата нараства безгранично, т.е. трябва безкрайно много енергия, т.е. е невъзможно нещо да се движи по-бързо от светлината.

Гравитацията и Общата теория на относителността

Конфликтът между теорията на Нютон и теорията на Айнщайн се състои в това, че според Нютон силата на гравитацията зависи само от масите на телата и разстоянието между тях, но не и от някаква скорост на разпространение. С други думи, според теорията на Нютон гравитацията се пренася мигновенно през пространството. За да реши този конфликт Айнщайн прави аналогия между усещането за гравитация и ускорителното движение. Той казва, че те са едно и също явление, защото при ускорително движение (при което се променя или големината, или посоката на скоростта) човек изпитва точно това, което изпитва в гравитационно поле. Ускорение и гравитация са взаимно заменяеми! Това Айнщайн е нарекъл принцип на еквивалентността.

От двете теории на относителността — специалната и общата — може да се направи следното заключение:
"Всички наблюдатели, независимо по какъв начин се движат, имат право да твърдят, че те са стационарни и "останалият свят минава покрай тях", стига да включат подходящо гравитационно поле в описанието на заобикалящата ги среда."

Тук ще опиша мисловн експеримент, който помага да разберем връзката между гравитацията и пространството, която Айнщаин направил. Представи си голяма кръгла платформа, която се върти с постоянна скорост около оста си. На тази платформа има двама души, човек Ч1 пълзи близо до ръба й, а човек Ч2 пълзи по един от диаметрите. Ч1 мери с линия обиколката C, а Ч2 мери радиуса D на платформата. Вече знаем, че движещ се обект търпи лоренцово скъсяване. Линията на Ч1 се е скъсила и той ще измери по-голяма обиколка, докато линията на Ч2 не се е скъсила, защото движението на платформата е перпендикулярно на нея, и радиусът ще е точно измерен. Тогава C/D > π. В евклидовото пространство C = πD, което значи, че платформата и хората на нея не се намират в него. Случаят C > πD е възможен върху седловидна повърхност.

Айнщайн доказва, че всички видове ускорителното движение (или гравитацията) причиняват изкривяване на пространството. Освен това се изкривява и времето. Колкото по-далеч е човек от центъра на платформата, толкова по-бързо се движи, т.е. по-бавно тече времето за него. От принципа на еквивалентността следва, че колкото по-близо е наблюдател до масивно тяло, толкова по-бавно тече времето за него. При това тук, за разлика от равномерно движещи се един спрямо друг наблюдатели, няма симетрия и този, който е по-близо до масивното тяло действително усеща, че времето тече по-бавно за него.

Визуализация на Общата теория на относителността

Това е известната двумерна аналогия за изкривено пространство-време. Формата на пространството отговаря на обектите в него. Така Айнщайн представя обяснение на механизма, по който действа гравитацията. Той дава и решение на конфликта между СТО и теорията на Нютон. Гравитацията не се пренася мигновенно, а изкривяването на тъканта на пространство-времето става със скоростта на светлината.

Фундаментални частици и взаимодействия

В природата съществува материя, която си взаимодейства по милиони различни начини. Физиците са успяли да сведат материята и взаимодействията до няколко основни вида, с които се обясняват всички останали. И материята, и взаимодействията се представят като квантови обекти, които имат дуална природа — хем са частици с маса, хем са вълни — фундаментални частици, за които не е известно да са съставени от други частици.

Материя

Материята е изградена от частици, които се свеждат до елементарни частици — фермиони. Фермионите се делят на кварки и лептони.

Кварките са шест:

• горен (up),
• долен (down),
• очарован (charm),
• странен (strange),
• b-кварк (bottom) и
• t-кварк (top).

Лептоните са също шест:

• електрон,
• мюон,
• таон,
• електронно неутрино,
• мюонно неутрино и
• таонно неутрино.

Гореизброените частици образуват три семейства и всичко, познато ни в природата, е комбинация от тези частици (или античастиците им).

Взаимодействия

Взаимодействията са четири и характеризират всички възможни сили, които крепят Вселената. За всяко взаимодействие се смята, че отговаря частица — бозон.

• гравитационно взаимодействие: отговаря за взаимното привличане, а предполагаемата (неоткрита все още) частица се нарича гравитон,
• електромагнитно взаимодействие: отговаря за електромагнитните сили, частицата му е фотон,
• силно взаимодействие: отговаря за привличането между кварките и между протони и неутрони в ядрата на атомите, частицата му е глуон,
• слабо взаимодействие: отговаря за радиоактивния разпад, частиците му са междинни векторни бозони.

Има и други бозони, някои от които не са елементарни частици, а други играят важна роля в Стандартния модел (теория, обединяваща три от четирите взаимодействия между елементарните частици) — като Higgs бозона, който теоретично е предсказан и физиците се надяват да бъде засечен с новия LHC ускорител на CERN.

Тъмна материя

Една от най-големите главоблъсканици в съвременната астрономия е фактът, че над 90% от Вселената е невидима. Това мистериозно липсващо нещо е наречено "тъмна материя".

Проблемът се появил когато астрономите се опитали да претеглят галактиките. За целта има два метода. Първо, можем да кажем колко тежи една галактика като я наблюдаваме и преценим колко е ярка, и от там да определим масата й.

Вторият начин е да видим как се движат звездите. Всичко във Вселената се върти. Земята се върти около оста си, цялата ни планета обикаля около Слънцето, а то от своя страна се върти заедно с милиардите други звезди около центъра на Млечния път в един огромен космически танц. Като изследваме колко бързо се движат звездите по периферията можем да изчислим колко тежи една галактика. Колкото по-бързо се върти, толкова по-масивна е тя.

Но когато астрономите направили калкулации и по двата метода през 30-те години на миналия век, те се сблъскали с голям проблем. За всяка галактика, която изследвали, двата резултата не съвпадали. Те били уверени, че и двата метода са научно обосновани, защото многократно преди това били тествани. Затова учените стигнали до изумителен извод — там някъде трябва да има нещо, което не можем да видим. Нарекли го "тъмна материя". Тази тъмна материя била наистина важна, защото ако я нямало то галактиките са щяли да се разлетят на части при въртенето си.

Този извод може да звучи странно, но не е чак толкова учудващ. Представи си висока сграда през нощта. Въпреки че се виждат само няколко светещи прозореца на стаи, това не значи, че други стаи няма. Точно като тези стаи с изгасено осветление тъмната материя не се вижда, защото не свети.

В момента астрономите търсят тази материя. Тя може да се състои от много странно звучащи неща като MACHO обекти, WIMP частици и неутрино. Или може би съществуват нови решения, като тъмна енергия и теория на суперструните. Но каквато и да е тази материя, откриването й ще помогне да се отговори на един от основните въпроси в астрономията — каква ще е съдбата на Вселената.

(превод от ВВС)

Неутрино

В началото на миналия век физикът Волфганг Паули си измислил частица, с която да изравни уравненията си. Тя била малка елементарна частица без заряд и маса. Това, което правила е да пренася енергия със скоростта на светлината. Проблемът бил, че дори да съществувала, откриването й щяло да бъде много сложно. Въпреки че частицата на Паули била просто измислена, хората я взели насериозно и я включили в новите теории на елементарните частици. Енрико Ферми я нарекъл неутрино (малък неутрон на италиански). След това кръщене неутриното било прието и търсенето му започнало. След повече от 20 години била засечена частица със същите свойства и неутриното било обявено за реално съществуващо.

Огромен брой неутрино били създадени в Големия взрив. Но те все още се раждат в най-горещите и енергични части на Вселената — свръхнови, избухвания на гама-лъчи, квазари и дори в звезди като нашето Слънце. Докато прочетеш това изречение приблизително 10 милиона неутрино от Слънцето ще са преминали през тялото ти. Когато свършиш с този абзац същите неутрино вече ще са по-далеч от Луната.

Какво е значението им за тъмната материя — липсващата маса на Вселената? Неутриното може да се смята за липсващо, защото то много трудно може да се засече, понеже почти не взаимодейства с обикновената материя. Но ако няма маса как така допринася за тъмната материя?

Мистерията за тъмната материя била открита по същото време, когато било измислено и неутриното и понеже то няма маса, било бързо зачеркнато от списъка с потенциални кандидати. Но през 1998 г. в една японска цинкова мина било направено разтърсващо откритие, което опровергало всички твърдения досега. Учените от проекта "Super-Kamiokande" обявили, че са намерили определен вид неутрино, което имало маса, макар и много малка. Това автоматично върнало тази частица в състезанието за тъмната материя.

Частиците неутрино са известни като "гореща тъмна материя", понеже се движат със скоростта на светлината. Те са в изобилие, но поради малката им маса се предполага, че отговарят за не повече от 25% от липсващата маса.

(превод от ВВС)

WIMP частици

Защо физиците гледат под земята, когато търсят липсващата маса във Вселената — тъмната материя?

Те търсят WIMP частици (Weakly Interacting Massive Particles). Това са вид екзотични частици — кандидати за липсващата тъмна материя във Вселената. Под "екзотични" се разбира различни от обикновените, които изграждат света около нас. WIMP частиците не са били откривани никога, но според физиците може купища от тях да минават незабелязани през нас.

Ако толкова много от тях летят наоколо, как така не сме ги усетили? Всъщност, нищо че са наречени "слаби" (weak), те са удивително силни и могат да минават през твърди тела без въобще да спират. Освен това те не са единствените неща, които ни бомбардират от космоса — има и космически лъчи. Поради тези две причини е изключително трудно да бъдат засечени.

Това, което прави WIMP частиците специални е способността им да минават през твърди тела. Един от най-добрите начини да ги открием е да слезем дълбоко под земята (над 1000 м надолу, в едни от най-дълбоките мини). Плътните скали около мините действат като естествен филтър, в който частиците от космическите лъчи се сблъскват в атомите на скалите и се спират. WIMP частиците от друга страна би трябвало да минат спокойно и да бъдат засечени в галериите дълбоко под скалите.

Екипи от цял свят се състезават да открият дали такива мистериозни частици наистина съществуват. Ако отговорът е да, те ще дадат едно ново парче от пъзела на тъмната материя. Предполага се, че те може да са отговорни за до 90% от тъмната материя във Вселената.

(превод от ВВС)

MACHO обекти

Част от невидимата тъмна материя, която липсва във Вселената, може да са масивни тъмни тела като планети, черни дупки, астероиди или провалили се звезди (кафяви джуджета). Всичките тези не излъчват собствена светлина и затова не могат да бъдат видяни от големи разстояния. Тези тежка категория кандидати са известни под общото име MACHO (Massive Compact Halo Objects), защото са големи тела, които живеят предимно в халото на галактиките (нещо като крайни предградия по периферията на галактиката).

Друга възможност е да съществуват тъмни галактики — мини галактики, които витаят незабелязани из междугалактическото пространство. С размери около хиляда пъти по-малки от Млечния път, светлината от тези галактики ще е прекалено слаба, за да се видят от Земята. Вместо да се състоят от милиарди звезди като нашата галактика, те са съставени от кафяви и черни джуджета.

Както при всички видове тъмна материя, тъмните галактики и МАСНО обектите трудно се откриват, защото са невидими. Изненадващо решение идва от удивителното влияние, което гравитацията оказва на тъканта на пространството — всичко с маса има гравитационно поле и изкривява пространството (според Общата теория на относителността на Айнщайн). Когато много масивен обект (като МАСНО) мине пред далечна звезда, гравитацията му огъва пространството и звездата изглежда все едно се премества и уголемява. Този феномен позволява да се претегли невидимия обект.

Няма съмнение, че МАСНО обектите са отговорни за част от тъмната материя във Вселената, но не и за всичката такава материя. Това е така, защото при Големия взрив са се образували определен брой атоми и има лимит на обикновената материя, която може да съществува. Смята се, че МАСНО обектите са едва до 20% от цялата тъмна материя, необходима да държи галактиките цели. За останалото е нужно да потърсим необикновена материя, като WIMP частиците и неутриното.

(превод от ВВС)

Червейни дупки

Червейните дупки са вероятно последствие от Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн. На него му е дошла забележителната идея, че масата изкривява пространството и че колкото по-голяма е тя, толкова по-силно го изкривява. Тази странна догадка била доказана от Артур Едингтон през 1919 г, когато посетил остров Принсипи до брега на Африка, за да наблюдава слънчево затъмнение. Там той доказал, че Слънцето огъва праволинейните светлинни лъчи от звездите, пред които минава. Теоретично, червейна дупка може да се получи когато две или повече масивни тела огънат пространството и тъканта му се съедини, като в резултат се получава тунел между далечни места.

Най-лесно е да си представим това като мислим в две измерения. Ако пространството е притворен на две лист хартия и поставим тежест от едната страна, хартията ще хлътне. Ако и от другата страна поставим тежест, двете хлътнатини ще се докоснат и ще се образува точно такъв тунел, свързващ две отдалечени точки от листа.

Въпреки че да бъдеш всмукан през тъканта на пространството звучи доста страшно, червейните дупки представят удивителна възможност за пътуване през пространството и времето. Чрез тях могат далечни галактики да се окажат на една ръка разстояние. Освен това, минавайки през такава дупка един вид се пътува по-бързо от скоростта на светлината, което значи, че те са и машини на времето и позволяват да се отиде в бъдещето.

Никой не знае съществуват ли червейни дупки или не, още по малко е известно какво ще се случи с космически кораб, изпратен през такъв тунел. Ако съществуват, то живота им може да е много кратък и космическият кораб може дори да няма достатъчно време да премине от другата страна. Ако все пак той успее да мине, масата му може да затвори тунела и астронавтите да не се завърнат никога.

(превод от ВВС)

Черни дупки

Черните дупки се смятаха за чудовищата на Вселената, поглъщащи всичко около тях в един яростен пир. Но сега астрономите мислят, че те не са толкова космическа заплаха, колкото един фундаментален фактор за образуването и еволюцията на галактиките.

Черните дупки са области от пространството, където гравитацията е толкова силна, че дори светлината не може да избяга, което ги прави невидими. Ние можем да видим нещата, които тези грамадни космически прахосмукачки всмукват. Всичко, което доближи черна дупка, първо бива разкъсано на парчета от огромната гравитация, а после става част от плосък въртящ се диск и завършва пътя си по спирала към самата дупка.

Когато останките доближат средата на черната дупка тяхната скорост се увеличава и те започват да се блъскат една о друга. Поради триенето материалът се загрява и се отделят рентгенови лъчи, които ние можем да засечем. Ако черната дупка е наистина голяма и в диска й има много останки, тогава тя може да излезе на показ като един от най-ярките обекти във Вселената — квазар.

Има два основни типа черни дупки — звездни и свръхмасивни. Звездните черни дупки са останки от масивни умряли звезди, които са загинали с имплозия. Най-близката до нас такава е част от бинарна система, наречена Cygnus X-1, открита през 1971 г. Намира се в съзвездието Лебед. По приблизителна оценка в нашата галактика има милиони такива черни дупки. От друга страна, свръхмасивните черни дупки могат да имат първоначални маси милиони пъти по-големи от тази на Слънцето. Днес учените мислят, че е вероятно по една такава черна дупка да се спотайва в сърцето на всяка една галактика и да е неделима част от еволюцията й. Освен това може да съществуват и други видове като мини черни дупки, с обем по-малък от този на атом, но с маса колкото цяла планина. Или пък средни по размер черни дупки (някъде между звездните и свръхмасивните). Не е изключено да има и бели дупки — обратното на черните — които изхвърлят материя и енергия във Вселената. Това е още една от загадките на космоса, които очакват да бъдат разкрити.

(превод от ВВС)

JWST на НАСА

Когато астрономите наблюдават дълбокия космос, колкото повече могат да видят, толкова по-лесно могат да отговорят на многото въпроси. Нешлифованите все още шестоъгълни части от огледалото на новия космически телескоп на НАСА — James Webb Space Telescope — вече са произведени, а когато бъдат сглобени, площта на това огледало ще бъде седем пъти по-голяма от тази на телескопа Хъбъл.

Чувствителността на телескопа, или колко детайлни изображения може да прави, зависи пряко от размера на огледалото му. По-голямата площ събира повече светлина, т.е. и резолюцията на снимките ще бъде доста по-висока. Ето защо огледалото на JWST ще е съставено от 18 сегмента, които като бъдат сглобени ще покрият площ от 25 кв.м. Ако огледалото бъде сглобено и разпънато на земята, то няма начин този телескоп да бъде изстрелян. Затова той е направен да се сгъне и след като го изведат в орбита ще се разтвори. Всеки сегмент ще може да се движи индивидуално, което ще позволи на учените да напаснат всичките 18 части и да се получи една перфектна огледална повърхност. Дори ако има производствени или експлоатационни дефекти, с тези механизми могат да се въвеждат корекции.

Всеки сегмент е направен от берилий — един от най-леките ни познати метали. Берилият е използван и преди и се знае, че понася добре изключително ниските температури в космоса. Шестоъгълните парчета са с размер 1.3 м и тежат по 20 кг. Завършеното огледало ще е с диаметър 2.5 пъти по-голям от този на Хъбъл, но тегло почти на половина.

По-високата чувствителност на JWST ще позволи на астрономите да видят раждането на първите галактики веднага след Големия взрив. Телескопът ще е преимущество за всички сфери на астрономията и ще доведе до революционни открития за това как се образуват и еволюират звездите и планетните системи.

Очаква се James Webb Space Telescope да бъде изведен в орбита през 2013 г.

(източник NASA)

Безкрайна ли е Вселената?

Формата на Вселената се определя от борбата между разширението и гравитацията. Бързината на разширението се измерва с константата на Хъбъл Но, а гравитацията зависи от плътността и налягането на материята (в случая налягането в познатана ни Вселена е сравнително ниско, затова плътността влияе много по-силно). Ако плътността й е по-малка от критичната плътност (пропорционална на Но²), тя ще се разширява вечно. Ако е по-голяма, тогава ще се свие в себе си.

Резултатите от мисията на WMAP и наблюденията на далечни супернови обаче подсказват, че разширението на Вселената се ускорява. Това предполага съществуването на друга форма на материята със силно отрицателно налягане (космологичната константа, или наричана още "тъмна енергия"). Ако тъмната енергия действително играе важна роля в разширението на Вселената, тогава най-вероятно тя ще продължи да се уголемява вечно.

Геометрия на Вселената

Плътността на Вселената определя и нейната геометрия. Ако тя е по-голяма от критичната, тогава геометрията на пространството е затворена, а кривината е положителна (като сфера). Това значи, че два фотона, чиито траектории са били успоредни в началото, постепенно ще се сближават, ще се кръстосат и след много време, ако Вселената все още съществува, ще се върнат в началната си точка. Ако плътността е по-малка от критичната, тогава геометрията е отворена и кривината е отрицателна (седловидна повърхност). Ако плътността е точно равна на критичната, тогава пространството е равно като лист хартия. Има пряка връзка между геометрията на Вселената и съдбата й.

Най-опростената версия на теорията на Инфлацията предсказва, че плътността на Вселената е близка до критичната, следователно тя е плоска. Това се подкрепя и от изследванията на WMAP.

Спътникът WMAP измерва основни параметри на теорията на Големия взрив, включително геометрията на пространството. Ако Вселената беше отворена, най-ярките флуктуации (или петна) във фоновото лъчение щяха да са големи около половин градус. Ако беше затворена, тези петна щяха да са 1.5 градуса. Скорошни изследвания (ок. 2001 г.) с наземни наблюдения или балони (вкл. MAT/TOCO, BOOMERanG, MAXIMA и DASI) показаха, че тези най-ярки флуктуации са с размер около един градус, което съответства на плоска Вселена. И така, беше известно с вероятност за грешка 15%, че Вселената е плоска. WMAP потвърди тези резултати и сведе грешката до 2%.

(от WMAP)

Краят

В днешно време астрономите са сравнително сигурни, че Вселената се е родила преди около 15 милиарда години от Големия взрив. От тогава насам тя непрестанно се разширява и разстяга самото пространство. Но дали някога ще умре? И как?

Има три възможни сценария за съдбата на Вселената. Ако разширяването продължи завинаги, тогава тя е обречена на Голямото замръзване, като постепенно изпълненото с мъртви звезди и черни дупки студено пространство ще опустява все повече. Ако разстягането спре и започне обратния процес на свиване, тогава тя ще се смали дотолкова, че галактиките ще се сблъскат в т. нар. Голям срив и кулминацията ще е черна дупка, невиждана в историята на Вселената. Има и едно по-мирно бъдеще. Според последния сценарий, Вселената постепенно ще забави разширението си и накрая ще се установи прецизен баланс. Космическата катастрофа ще се избегне и всичко ще е спасено, поне за известно време. В крайна сметка отново ще се случи Голямото замръзване, но след много повече време.

В най-общи линии съдбата на Вселената е в битката между гравитацията и разширението. Астрономите се опитват да изчислят големините на тези сили. Количеството гравитация, с което Вселената може да се противопостави на господстващото в момента разширение зависи от това колко материя има в пространството. Всяко тяло с маса има своя гравитация. Колкото е по-голямо това тяло, толкова е по-силна гравитацията. За да разберем каква е силата на привличането във Вселената, ние трябва да я претеглим, за да узнаем плътността й.

В астрономията плътността на Вселената се отбелязва със символа омега Ω — последната буква от гръцката азбука — "краят". Точното количество материя, необходимо да се спре плавно разширението, е известно като критична плътност (Ω=1). Ако Ω е равно на 1, тогава краят на Вселената ще е бавен и спокоен. Ако е по-малко от 1, тогава тя бързо ще достигне Голямото замръзване. По-голямо от 1 — тотален срив на всичко. Скорошни резултати показват, че Ω е поне 0.3, в което число е включена и мистериозната тъмна материя, която се спотайва невидима за нас и очаква своето развенчаване.

Освен всичко друго, оказва се трудно и да се сметне точният темп на разширение в момента. Наскоро са направили откритие, че то се ускорява под въздействието на непозната сила, наречена тъмна енергия. Докато не успеем да разбулим тези два тъмни въпроса, съдбата на Вселената ще е несигурна.

Въпреки че краят на Вселената изглежда доста мрачен, това не ни е основния проблем. След около 4 милиарда години Слънцето ни ще се уголеми дотолкова, че да погълне орбитата на Земята. По същото време най-близката ни съседна галактика Андромеда ще започне да се сблъсква с Млечния път. Животът на Земята ще трябва просто да избяга в пространството, ако ще оцелява.

(превод от ВВС)

Звезди и планети

След Големия взрив на Вселената й трябвали милиард години да еволюира в сложна система от галактики и звезди. През следващите 12 милиарда години още звезди и галактики постепенно се раждали от останките на отдавна умряли тяхни предци.

Нашата Слънчева система е сравнително нов герой в тази дълга приказка за космическо сътворение. Облак от газ се носил на края на Млечния път и бавно започнал да се смалява и върти. Този облак (или мъглявина) постепенно се свил до диск с размера на орбитата на Нептун, с което се загрял. Щом температурата стигнала няколко хиляди градуса, мъглявината започнала да се разделя на два облака. Нажеженият център продължил да се загрява докато накрая, след експлозия, Слънцето се появило във Вселената преди около 5 милиарда години. Останалото се подравнило и оформило в огромен диск, който постепенно изстинал.

Със спадането на температурата газът бързо кондензирал в малки частици скали, метали и лед. Те се сблъсквали в диска и се слепвали в камъчета. Тези камъчета се сливали и ставали по-големи скали, грамади, докато в крайна сметка, след около 100 милиона години, станали комплект от девет завършени планети със своите стабилни орбити.

Характеристиките на всяка планета отразяват и мястото й в този космически тиган. Най-близо до жаркото Слънце планетите са от втвърдени скали и метал, защото всичкия лед се изпарил и парите били издухани надалеч. По-късно Слънчевата система се охладила и тези газове кондензирали обратно върху повърхността на някои от по-далечните планети като Земята. По-студените външни планети успяли да задържат по-голямата част от изпаренията, които се струпали върху скалните им ядра и оформили газовите гиганти Юпитер и Сатурн, познати ни днес. На ръба на Слънчевата система, където тя неусетно се слива със студената празнина на космоса, там се натрупали ледените останки. Там са и кометите — замразените скални кълба, които светят при завъртането си около Слънцето по тяхните гигантски орбити.

(превод от ВВС)

Частици - античастици

Ако превърнеш 1 кг ябълки в чиста енергия, ще можеш да караш колата си около 100 хиляди години без спиране. Защо?

През 1905 г. Алберт Айнщайн публикувал знаменитото уравнение E = mc². То ни казва, че масата е страшно много концентрирана форма на енергия. Енергията в природата е като парите. Има два вида парични единици, свързани с огромен курс — квадратът на скоростта на светлината. Един килограм отговаря на 25 милиарда квч.

Как енергията може да се трансформира в маса и обратно?

Възможно е, ползвайки ускорител като LHC на CERN, една частица да бъде ускорена до скорост почти колкото тази на светлината. Ако частица с такава скорост се удари в плътна стена, това ще генерира температури от порядъка на 10 000 милиарда °С. При тези екстремни условия освободената енергия се превръща в материя. Подобно на монетен двор, където се правят монети по стандарт, така и природата позволява на енергията да се превръща в точно определен вид материя, с определени свойства. Формите на материя са аналогични на частиците, от които най-значими в ежедневието ни са протоните, електроните и неутроните. Тяхните свойства като маса, заряд, начин на взаимодействие с други частици са точно дефинирани.

Представи си горещ метален лист в монетен двор и нека той е нашият аналог на енергията. Когато от него щамповат монети се получават две неща: монетите и дупките в листа. Тези дупки можем да наречем "антимонети". По подобен начин енергията се превръща в материя. Много опити са показали, че е възможно едновременно да се създадат само двойка частица и нейната античастица. Никой до сега не е наблюдавал сътворението само на частици или само на античастици. Този експеримент илюстрира още един факт: За създаването на частица и античастица се изисква енергия, а съберем ли ги отново заедно (анихилация) двете огледални частици изчезват и остава само чиста енергия. Това е все едно да вкараме изсечените монети обратно в дупките на металния лист и той да бъде отново цял.

(от Live from CERN)

Антиматерията

Само секунда след раждането на Вселената тя била наводнена от частици и през следващите 300 милиона години звездите и галактиките започнали да се оформят във вида, познат ни днес. Но има един голям проблем! Не би трябвало да ни има. Хората, планетите, звездите, галактиките — всичко това би трябвало да е нереален сън. На теория нищо не трябва да съществува.

Според физиката, Големият взрив трябва да е създал по равни количества материя и антиматерия. Антиматерията е "огледалният образ" на материята — има същата маса, но противоположен заряд. Заради различията си, когато тези първични врагове се срещнат, те се унищожават напълно, от което се получава ослепителна светлина. Още в самото начало би следвало материята и антиматерията да са се анихилирали и да не са оставили нищо друго, освен хало от остатъчна светлина.

Ние никога не сме намирали достатъчно големи количества антиматерия във Вселената. Не е изключено да има антизвезди и антигалактики изградени изцяло от антиматерия, но които са стабилни, защото никога не са влизали в контакт с материята. Всъщност ако някога открием извънземни преди да се срещнем ще трябва да проверим дали не са от антиматерия, иначе ще стане лошо и за нас, и за тях.

Изглежда очевидно, че във Вселената има повече материя, отколкото антиматерия. Материя има навсякъде около нас, но антиматерия почти не сме виждали. Как се е получил този дисбаланс, след като и двата вида частици са били по равно? Никой не знае със сигурност. Физиците, специалисти по елементарните частици смятат, че излишъкът от материя е останал, защото античастиците не са съвсем точно противоположни на нормалните частици. За пръв път това откритие е било направено през 60-те години на ХХ век от Джеймс Кронин и Вал Фич, които спечелили Нобелова награда за работата им по т. нар. елементарни частици каони.

Физиците мислят, че каоните имат по-дълъг живот от антикаоните, но все още не са сигурни дали това е достатъчна причина материята да тържествува. За да изследват тези загадки физиците създават антиматерия като сблъскват частици в огромни лаборатории, наречени ускорители на частици. Те могат да пресъздадат състоянието на ранната Вселена и като изследват тези древни битки се надяват да разбулят мистерията на нашето оцеляване.

(превод от ВВС)

Теория на инфлацията

В началото е нямало нищо — нито галактики, нито звезди, нито планети, нито живот. Въобще не е имало материя — дори миниатюрните частици не са съществували. Как така нещо толкова огромно и сложно като Вселената се е образувало от нищото?

Отговорът се крие в съюза между науката за много малките неща (квантовата теория) и много големите неща (космологията). Удивителното е, че според квантовата теория енергийни мехурчета могат да се появяват временно от нищото! По правило тези мехурчета се пукат веднага щом се образуват. За да оцелее, то трябва да се разшири много интензивно. Само тогава едно такова мехурче може да се превърне във Вселената, която се опитваме да разберем. Теорията на инфлацията е най-добрата до ден днешен, която по някакъв начин може да обясни как това се е случило. Става дума за кратък период на изключително бързо разширяване, при което Вселената е нарастнала около 10⁶⁰ пъти. Тя се разширила от размер, по-малък от този на протон, до размер на грейпфрут, и то за частица от секундата. Това дало старт на Големия взрив и на сътворението на всичко.

Тази теория ни дава и много вълнуващи предположения — включително възможността инфлацията да е протичащ процес, а не само уникално събитие, създало нашата Вселена. Някъде другаде в нашата Вселена подобни мехурчета от чиста енергия може би се материализират и дават началото на нови такива, а и нашата собствена може би е такова мехурче в друга вселена. Може да сме част от много мултивселени, в една еволюция без начало и край.

------

Теорията на инфлацията е измислена от Алан Гът, Андрей Линде, Пол Стайнхарт и Анди Албрехт и тя дава обяснения на въпроси там, където теорията на Големия взрив не успява. Освен това обаче повдига нови въпроси, на които тепърва трябва да търсим отговори.

(превод от ВВС)

"Да си представим десетото измерение"

Днес попаднах на много любопитен сайт, който рекламира книга с оригинално заглавие "Imagining the Tenth Dimension" на Роб Браянтън. Както личи от заглавието, чрез тази книга авторът ще се опита да ни помогне да си представим нещо непонятно за нашето разбиране: множеството измерения. Понеже при изследването на Вселената неминуемо ще стигна до теорията на струните, то сметнах, че сайтът на Роб има своето място тук. На него има и много интересна 11-минутна анимация, която илюстрира идеите, представени в първата глава на книгата.

Космическото ехо

След Големия взрив Вселената била невероятно гореща огнена топка, която се разширила и от която всичко около нас се създало. В началото обаче, миниатюрни частици препълвали пространството. Светлината никъде не можела да стигне, защото бивала моментално задържана от всичките частици наоколо. Пространството било напълно непроницаемо – концепция, която е много трудно човек да си представи, понеже сме свикнали да виждаме всичко около нас.

Но 300 хиляди години по-късно Вселената се охладила до температурата на повърхността на Слънцето. Тогава частиците започнали да образуват атоми. Атомите не възпрепятстват светлината и й позволяват да се разпространява във всички посоки. Постепенно тя започнала да се лее из цялата Вселена.

Сиянието от това епохално събитие образувало ярко хало, чиято светлина започнала да се филтрира през времето и пространството. Гледайки към Космоса, ние гледаме назад във времето. Дори Слънцето, което виждаме на небосклона е такова, каквото е било преди повече от 8 минути. Ако беше възможно да надзърнем толкова назад, това космическо хало щеше е най-далечното нещо, което някога ще видим. Всичко отвъд тази точка – от раждането на Вселената до появата на светлината – е завинаги невидимо за нас.

Но ако това е така, от къде знаем ние? През 1963 година двама астрономи – Арно Пенсиас и Робърт Уилсън – случайно попаднали на мистериозен радио сигнал, който по-късно бил наречен "космическо микровълново фоново лъчение" или просто фоново лъчение. Този сигнал е остатъкът от енергията от това историческо космическо събитие. Събитие толкова мощно, че ефектът от него е успял да си проправи път през времето и пространството и да бъде засечен от нас днес. Всеки може да го види лично – звездичките, които ги има на ненастроен телевизор, са подписа на ранната Вселена.

Когато астрономите измерили този сигнал в различни посоки се оказало, че силата му е различна. Смята се, че причината е нехомогенното разпределение на първите атоми, поради което светлината се е пръснала из Вселената на неравномерни вълни. Наскоро имаше много проекти, като BOOMERanG, MAXIMA и WMAP, при които с помощта на балони над земната атмосфера или спътници учените измериха тези вълни от космическия фон. След това астрономите направиха карта на ранната Вселена, с която могат не само да проследят как материята е еволюирала в галактики, а и да изчислят формата и размерът й. Това може да помогне да разберем една от най-големите мистерии – а именно каква ще е нейната съдба.

(превод от ВВС)

Големият взрив

Теорията за Големия взрив ни обяснява как Вселената се е образувала и как тя еволюира. В основата си това е теория, създадена да даде отговор на два факта, които със сигурност знаем – Вселената постепенно се разширява и охлажда. През 20-те години на миналия век Едуин Хъбъл открил, че галактиките, далеч от Млечния път, се отдалечават от нас. Всъщност, колкото по-далеч са от нас, толкова по-бързо се отдръпват. И така той заключил, че цялата Вселена сигурно се разширява. Ако проследим нещата назад излиза, че в някакъв етап от миналото тя е била съсредоточена в една точка.

Освен това знаем, че Вселената сега е по-студена отколкото е била в миналото. През 60-те години на миналия век Арно Пенсиас и Робърт Уилсън засякли сиянието, останало от Големия взрив, известно като космическо микровълново фоново лъчение. Това показва, че някога Вселената е била много горещо и негостоприемно място. Тези две открития довели астрономите до заключението, че Вселената води началото си от безкрайно компактна огнена топка.

Големият взрив обяснява как тази огнена топка се е разширила и от нея са произлезли всички звезди и планети около нас. Заради името си много хора го смятат за някаква мощна експлозия, която е станала в определено място в пространството, но това е погрешно, защото Вселената не се е появила от една централна точка. По време на Големия взрив самото пространство е било създадено, а после разтегнато.

(превод от ВВС)