Избухване на две свръхнови

По повод текста, публикуван днес в блога за наука на Капитал и възникналия въпрос в коментарите, реших да обясня нещата графично.*

В най-общи линии:

В галактиката MCG +05-43-16 избухват две свръхнови: SN 2007ck и SN 2007co. Необичайното е, че астрономите на Земята наблюдават двете експлозии в разстояние на 16 дни една от друга — нещо невиждано до сега. Действителното разстояние между свръхновите обаче е десетки хиляди светлинни години.

(клик за по-голямо изображение)

Ето какво може би се е случило (за простота приемам, че разстоянието между двете свръхнови е точно 10 000 светлинни години):

1. Първата свръхнова — SN 2007ck — избухва доста време преди втората. Светлината от експлозията й започва да се разпространява във всички посоки със скоростта на светлината**. Лъчът изминава 10 000 светлинни години (разстояние, което светлината изминава за време 1 година) и стига до втората свръхнова — SN 2007co.
2. SN 2007co избухва 10 000 години и 16 дни след SN 2007ck. Когато това става, светлината от първата свръхнова вече е в т. А.
3. Двата лъча се движат към Земята и в даден момент (примерно след 200 милиона години) те се намират в т. В и т. С. Разстоянието между тях е точно 16 дни и тази времева дистанция се запазва постоянна (постоянна за това направление; за друго направление, както ще видим долу, дистанцията пак е постоянна, но е друга). Нашите астрономи виждат точно това: две избухвания през 16 дни.
   
4. Да си представим, че астрономи от Планета Х също наблюдават галактиката MCG +05-43-16 и нека тази планета да се намира на равни разстояния от двете свръхнови. SN 2007ck избухва първа и 10 000 години по-късно светлината от тази експлозия стига т. А'. Шестнадесет дни по-късно избухва и SN 2007co.
5. След време (например 200 милиона години) двата лъча ще се намират в т. В' и т. С'. Астрономите от Планета Х биха засекли просто две избухвания на две свръхнови в една и съща галактика, но през 10 000 години и 16 дни едно от друго. Нищо особено.
   

Най-често в една галактика свръхнова избухва на всеки 25 до 100 години. Това, което е наблюдавал екипът на Стефан Имлер от Goddard Space Flight Center на NASA чрез спътника Swift е чисто и просто съвпадение.

_____________________
* Написаното тук обяснение се базира на елементарна логика и на информацията, която имам от сайта на НАСА. Възможно е и да греша някъде :)

** Скоростта на светлината е крайна стойност, която учените са измерили, че е приблизително равна на 299 792 458 m/s. След това, през 1983 г., те приели тази стойност за точната скорост на светлината по дефиниция и предефинирали понятието "метър": 1 метър вече е разстоянието, което светлината изминава за 1/299 792 458 части от секундата. Дори в бъдеще някой да направи още по-точно измерване на скоростта на светлината, това няма да промени стойността на фундаменталната константа С, а ще промени (пренебрежимо малко) дължината на метъра.

Измерението Х

Въпросът за измеренията във вселената е един от най-вълнуващите. Всеки човек знае, че има три измерения: x, y, z. Някои хора са чували, че има четвърто измерение — времето t. Но много малко хора знаят, че може да има още измерения. И още по-малко хора могат да си ги представят.

Преди време постнах линк към филмче, с което авторът е направил опит да помогне на обикновените хора да разберат допълнителните измерения. Сега намерих друг начин, по който можем да си ги представим — поне първите няколко измерения.

Нека си представим една разпъната дълга нишка — толкова дълга, че за да я видим цялата трябва да се отдалечим на стотици метри. Това, което ще видим е една линия през пространството, която има само едно измерение — дължина. За да опишем положението на коя да е точка от тази линия ни е нужно само едно число (координата х).

Сега нека погледнем към тази нишка с мощен бинокъл. Няма да се изненадаме като установим, че всъщност нишката има дебелина, но много малка. До преди малко приехме нишката за едномерен обект, но вече знаем, че този обект е двумерен — за да опишем положението на коя да е точка от нишката трябват две числа (координата х и ъгъл θ — ако приемем цилиндрична координатна система).

Извод: Има друго измерение, невидимо без специална апаратура, което до преди малко не знаехме, че съществува.

Ако приложим аналогични разсъждения бихме стигнали до откритието, че във всяка точка от нашата триизмерна вселена може да има други миниатюрни измерения, които не можем да видим.

Интересното в случая е, че допускайки съществуването на допълнителни измерения, полският физик Теодор Калуца открива елегантен начин да слее общата теория на относителността на Айнщайн с електромагнитната теория на Максуел. А защо виждаме само три измерения? Отговор дава шведският математик Оскар Клайн: пространствената тъкан на нашата вселена може би притежава и удължени (голями, видими) измерения, и навити (малки, невидими) измерения.

Телескоп с течно огледало на Луната

Учените неуморно продължават да търсят нови технологии за наблюдаване на дълбокия космос, една от които е конструирането на огромен телескоп на Луната. Но този телескоп няма да е като сегашните, направени от големи полирани огледала, а от течност.

Според авторите на проекта, течността ще притежава покритие от сребро и ще бъде част от оптично-инфрачервен телескоп с диаметър от 20 до 100 м, способен да улавя обекти от 100 до 1000 пъти по-бледи в сравнение с телескопа Джеймс Уеб.

„В този случай показахме как Луната е идеална за използването на технологията с течно огледало за построяване на космически телескоп много по-голям от тези, които можем да си позволим да правим сега,” казва С. Пит Уордън, директор на изследователския център Ames на НАСА в Силиконовата долина и съавтор на техническия доклад. Водещият автор е Ермано Бора от университета Лавал в Квебек, Канада. Според Уордън, такива телескопи ще могат да виждат назад към ранните етапи от живота на вселената.

Течното огледало ще бъде пренесено до Луната в барабан, който астронавтите ще изпразнят във въртяща се мрежа, разгъната от робот като чадър. Повърхностното напрежение няма да позволява на течността да изтече през малките дупки на мрежата. Сред основните предимства на течните огледала са лесното транспортиране, сглобяване и поддръжка, които понякога са сериозен проблем при твърдите огледала.

При лабораторните експерименти изследователите използвали течност от „йонни соли”, които остават течни и при много ниски температури. Учените разстлали фин слой от хром и тогава добавили слой сребро. Според тях течните огледала все още не предлагат адекватна точност на образа, но всичко е само въпрос подобрение на технологиите.

Авторите на проучването ще продължат да работят по нови начини за конструиране на течни огледала. Те предсказват, че първият лунен телескоп с течно огледало ще бъде построен не по-рано от 2020 година.

(източник: НАСА)

Физици предсказват смъртта на космологията

Физиците пророкуват смъртта на космологията — наука, която изучава произхода и еволюцията на вселената. За щастие космолозите няма да останат безработни поне още няколко билиона години.

1 билион = 10¹²; Винаги съм се чудел защо британците (от там и американците) не са възприели система СИ в ежедневието си, но специално при имената на големите числа са избрали по-интуитивната система. За повече информация: тук (англ)

Вселената се разширява бързо — може би не чак толкова бързо, че да се саморазкъса на парчета — но достатъчно, така че отдалечените галактики след време да се разбягват по-бързо от скоростта на светлината (!?). Толкова е известно от няколко години насам. Когато тези галактики станат невидими и се изпарят по-далеч, отколкото е възможно да се види, как ще могат бъдещите космолози (в случай, че сегашните ни познания се изгубят) да преоткрият теорията за Големия взрив и относителността, например?

Лорънс Краус е физик-теоретик от университета Case Western Reserve в Кливланд, Охайо. Според него бъдещите наблюдатели ще бъдат заклещени в безкрайна черна празнина. "Те ще се чувстват много специални когато това стане, защото малкият ни галактически куп ще е наблюдаемата вселена за тях." Която и да е галактика извън нашия куп ще изчезне след около 100 милиарда години. Бъдещите наблюдатели няма да имат и представа, че вселената все още се разширява.

Освен това след около 250 милиарда години ще изчезне и фоновото микровълново лъчение — отпечатъка от Големия взрив. Така според Краус учените няма да са сигурни за това как се е образувала вселената (не че сега сме много сигурни), да не говорим кога се е образувала.

Проблемът има общо с Доплеровия ефект. С разширяването на вселената дължината на вълната на електромагнитната радиация ще расте, а вълните ще стават все по-слабо доловими. "Дължината на вълната на светлината ще стане толкова голяма, че ще стигне размера на галактиката ни", казва Краус. За наблюдателя тя просто ще изчезне в небитието.

(превод от space.com)

Захващащо приспособление

Когато през 2013 г. бъде изстрелян телескопът Джеймс Уеб, той ще бъде най-мощният телескоп извеждан някога в космоса. За да получава най-добрата картина, използвайки най-малко енергия, той ще бъде в стабилна орбита около Земята на приблизително 1,6 милиона километра. За разлика от Хъбъл, Джеймс Уеб ще бъде така конструиран, че да няма нужда от ремонти. Въпреки това НАСА съобщи, че смята да инсталира захващащо приспособление за всеки случай.

След като новият космически кораб Орион ще може да транспортира астронавти до Луната и обратно, НАСА проучва до колко ще е възможно да изпраща астронавти и до телескопа Джеймс Уеб за спешни ремонти. Въпреки че той е замислен да не се обслужва, добре е винаги да има "план Б".

В момента инженерите работят по въпроса какъв ще е най-добрия вид хардуер, който да добавят към телескопа, така че при евентуални бъдещи мисии с хора или роботи космическите кораби да могат да се прикачват към него и да се извършват ремонти.

(превод от Universe Today)

Как Теорията на струните решава проблема между ОТО и КМ

Според Общата теория на относителността (ОТО) пространство-времето се изменя плавно при наличието на маса. Според Квантовата механика (КМ) при разглеждане на достатъчно малки области от пространство-времето всичко търпи квантови флуктуации и не може да става дума за плавно изменение. Този нерешим досега проблем вече има своето решение.

Как се получава информация за даден обект? Като се обстрелва с други тела и се отчита тяхното отражение от повърхността на обекта. Съществува принцип, според който размерът на пробната частица определя долна граница на разстоянията, които можем да проучим.

Ускорителите ползват елементарни частици, за да изследват структурата на ускорените частици. В субатомни мащаби най-уместната мярка за чувствителността на пробното тяло е квантовата дължина на вълната му. Тази дължина е обратнопропорционална на енергията (Е) на частицата: Колкото по-висока Е има тя, толкова по-детайлно може да опише изследваното тяло.

При струните обаче увеличаването на Е не води до увеличаване на точността, защото над определена граница Е води до увеличаване размера на струната (разтяга се) и намаля чувствителността й към малки разстояния. Струната има два източника на "размазване": квантовите трептения и собствения й размер. Като увеличаваме Е се намалява размазването от първия източник, но се увеличава размазването от втория.

Квантовите флуктуации се появяват при субпланкови дължини, но ако фундаменталният градивен блок на вселената не може да се ползва за наблюдение на тези флуктуации, нито този блок, нито нещо изградено от него не може да се повлияе от тези флуктуации. Струните един вид "размазват" квантовата пяна и въпреки че не изглаждат пространство-времето изцяло, те елиминират несъвместимостта между ОТО и КМ. Безкрайностите в уравненията на физиците вече ги няма.

В Теорията на струните схващането, че можем да увеличаваме дадена област от пространството безгранично не е вярно. Съществува граница, която се появява преди да се сблъскаме с пагубните флуктуации. С други думи, щом не можем да "видим" тези флуктуации, то те не съществуват.

Това решение ли е за проблема, или просто си затваряме очите за него?

В известен смисъл, проблемът с квантовата пяна се появява когато разглеждаме частиците като точки и когато изследваме безкрайно малки части от пространството — т.е. самите ние сме създали проблем (поради приемането за точков характер на частиците). Според новите правила (Теорията на струните) излиза, че има долна граница и не можем да разглеждаме по-малки зони от пространството.

"Така виждаме, че пагубните пространствени флуктуации са се получили в нашите теории, защото не сме знаели за тези ограничения и сме били подведени от модела на точковите частици да минем далеч отвъд пределите на физическата реалност." — "Елегантната вселена", стр. 208

Теория на струните ІІ

Струните в теорията на струните могат да бъдат изследвани само теоретично с математически модели. Физиците ги "дърпат" и установяват каква е тяхната коравина и чрез подобни изчисления е доказано, че струната, отговаряща на гравитона, при трептенето си има мега-колосално напрежение със стойност 10^39 тона (т. нар. планково напрежение). Изводът е, че фундаменталните струни са изключително корави!

От този факт произлизат няколко заключения:

1. Размерите на струната трябва да са много малки
от порядъка на планковата дължина

2. Енергията на струната трябва да е много висока
колкото по-корава е тя, толкова повече енергия е нужна да се разтрепти

Енергията на струната зависи от две неща:

• начина на трептене (по-буйно трептене значи по-висока енергия)
• напрежението на струната (по-напрегната струна значи повече енергия)

Съгласно квантовата механика всяка струна има дискретна стойност на енергията (някакво цяло число по някаква минимална енергия). Тази минимална енергия е пропорционална на напрежението и на броя върхове и падове на трептенето, а цялото число е пропорционално на амплитудата на трептенето.

След като мин. енергия е пропорционална на напрежението, а то е огромно, то тя също е огромна (за мащабите на елементарните частици). От тази планкова енергия и формулата на Айнщайн E = mc² се получава каква маса съответства на струната — планкова маса (10^19 пъти по-голяма от тази на протона). Възниква въпрос:

Ако "естествената" енергийна скáла е 10 милиарда милиарда пъти по-голяма от тази на протона, как е възможно да има значително по-леки частици като електрони, фотони, кварки?

Решението на този привиден парадокс се крие пак в квантовата механика. От принципа на неопределеността знаем, че нищо никога не е в пълен покой, включително струните. През 70-те години на миналия век е доказано, че трептенията могат взаимно да се неутрализират. Енергията на струните се оказва намалена, което отговаря на действителността. За някои частици неутрализирането е пълно, което води до нулева маса (неутриното). Леките частици обаче са по-скоро изключения. Много по-типични са тежките частици (високо-енергийните трептения).

3. Струните могат да трептят по безкраен брой начини
"видовете" частици трябва да са безкраен брой

За да бъде доказано това е нужен ускорител на частици милиарди пъти по-мощен от сегашните. Има и друг начин обаче. При раждането на вселената енергиите са били достатъчно високи, за да се образуват много тежки частици. Животът им е много кратък и те бързо се разпадат на по-леки, но не е изключено някъде из дълбините на космоса все още да има останали тежки частици. Тяхното евентуално откритие ще е монументално събитие в света на физиката.