Най-странните неща във Вселената: гравитационни вълни

В продължение на 10 седмици ще ви запозная малко по-подробно с всяко едно от явленията и обектите, включени в анкетата на space.com. Можете да гласувате за вашите фаворити тук :)

Тази събота е денят на гравитационните вълни. Общата теория на относителността ни казва, че гравитацията е резултат от изкривяването на тъканта на пространство-времето от масивните тела. При движението на тези тела по определен начин могат да възникнат вълни в тъканта. Тези вълни, подобно на звуковите вълни, се разпространяват във всички посоки, но със скоростта на светлината. При звуковите вълни има сгъстяване и разреждане на въздушните молекули — те пътуват през пространството, докато при гравитационните вълни самите разстояния между точките в пространството се скъсяват или удължават!

Но какво може да причинява тези гравитационни вълни? Достатъчно е някакво тяло или система да извършва ускорително движение по несиметричен начин. Например бинарна система (двойка звезди, звезда и планета...), експлозия на свръхнова (стига да не е напълно симетрична), сливане на черни дупки и др.

Гравитационните вълни могат да преминават през непрозрачни среди, което ги прави много полезни за учените. С тяхна помощ те биха могли да наблюдават сърцевините на черни дупки, които иначе са недостъпни заради плътната въртяща се материя около тях.

Съществуват изключително прецизни уреди, с които физиците търсят гравитационни вълни. Повечето са на базата на лазери, които измерват разстоянието между фиксирани точки. При преминаването на вълна те засичат слабата промяна на това разстояние. Най-чувствителният лазерен интерферометър в момента е LIGO:

LIGO Gravitational Wave Observatory

Други подобни проекти са немско-британския GEO 600, японския TAMA 300 и европейския Virgo. Подобно на програмата SETI@Home всеки може да участва в обработката на данните от LIGO като се включи в Einstein@Home. Бъдещ проект на NASA и ESA е космическата антена LISA, която скоро ще получи отделен пост.

Зад гравитационните вълни стои сериозен теоретичен апарат, но те все още остават един загадъчен феномен, който има потенциала да ни отведе една крачка по-напред към тайните на Вселената.

________
Изображение: NASA

3D Hubble Space Telescope

В понеделник Warner Bros. и IMAX обявиха, че ще снимат 3D-филм за телескопа "Хъбъл" в сътрудничество с NASA. Камерата ще полети на борда на космическата совалка през 2008 година, за да документира интересната история на телескопа.

"Зрителите ще бъдат хипнотизирани при пътешествието до най-далечните галактики във Вселената" — Шейна Дейл, зам. администратор на НАСА.

Първото излизане на 3D-камерата на IMAX се състоя през 2001 г. за заснемането на филма "Космическа станция", който може да бъде гледан в първото 3D-кино в България в Mall of Sofia.

Една от другите задачи на мисията STS-125 ще е инсталирането на два нови инструмента:

• Cosmic Origins Spectrograph — най-чувствителния УВ-спектрограф, монтиран някога на "Хъбъл", който ще изследва структурата на Вселената в огромни мащаби;
  
• Wide Field Camera 3 — нова камера, чувствителна в широк диапазон от дължини на вълните, която ще може да заснема в детайли планетите от Слънчевата система, звездите в близки галактики и да надзърне по-далеч от всякога в дълбините на Вселената.

Филмът за "Хъбъл" е планиран да излезе през 2010 година.

________
Източник: NASA
Снимка: HubbleSite Gallery

Бозонът на Хигс*

Бозонът на Хигс — фундаменталната частица, предсказана от теоретика Питър Хигс — може да е отговора на въпроса защо частиците имат маса. За да обясним връзката, трябва да осъзнаем важен факт за природата: вакуумът далеч не е празен! Всъщност той е пълен с т.нар. виртуални частици и силови полета. Произходът на масата изглежда е свързан с този феномен.

В теорията на относителността на Айнщайн има съществена разлика между частиците с маса и тези без маса: Всички частици без маса трябва да се движат със скоростта на светлината, докато масивните частици никога не могат да достигнат тази скорост. Но как са се появили частиците с маса? Хигс предположил, че вакуумът съдържа вездесъщо поле, което може да забавя някои (иначе безмасови) елементарни частици — подобно на куршум, движещ се в съд с гъста течност. Такива частици биха се държали като масивни частици и не биха могли да достигнат скоростта на светлината. Други частици (например фотоните на светлината) имат имунитет към това поле, не се забавят и следователно нямат маса.

Въпреки че полето на Хигс не може да се измери директно, ускорителите могат да го възбуждат и да разкриват т.нар. бозони на Хигс, които да видим. Досега експериментите с най-мощните ускорители на земята не са засекли бозони на Хигс, но косвени доказателства сочат, че физиците са изправени пред зашеметяващо откритие.

________
* Превод от електронното списание за физика на елементарните частици symmetry. Автор: Howard E. Haber, University of California, Santa Cruz
Изображение: CERN

Картографиране на Вселената — Sloan Digital Sky Survey

През 2000 г. е поставено началото на най-амбициозния проект за картографиране на познатата ни Вселена — Sloan Digital Sky Survey. Целта на проекта е да направи детайлни снимки на 1/4 от небето и 3D-карта на около милион галактики и квазари.

Наблюденията се извършват с 2.5-метров телескоп (снимката в дясно) от обсерваторията Apache Point в Ню Мексико, САЩ, на 2800 м надморска височина. Камерата на телескопа има 30 силициеви сензори (CCD матрици) с обща разделителна способност от 120 мегапиксела, охлаждани с течен азот до –80°С за подобряване на чувствителността.

Освен оптични наблюдения, телескопът прави и спектроскопски анализ на 640 избрани обекти във всеки един момент. Светлината от избраните обекти се улавя от 640 оптичени кабели и се записва върху специални плаки. С получената и анализирана информация (по 200 GB на нощ) може да се определи състава, възрастта и разстоянията до наблюдаваните обекти.

Обсерваторията Apache Point в Ню Мексико. Бялата постройка в средата се придвижва на релси и покрива 2.5-метровия телескоп когато той не работи. В малкия купол се намира калибриращият телескоп.

Първата фаза на проекта (SDSS-I) завърши през юни 2005. За 5 години са снимани повече от 200 милиона космически обекти, изследвани са спектрите на 675 000 галактики, 90 000 квазари и 185 000 звезди. Втората фаза (SDSS-II) ще продължи до юни 2008, като през това време се работи в три отделни направления:

• Sloan Legacy Survey — събиране на данни за още 860 000 галактики и 105 000 квазари, с помощта на които ще можем да добием реална представа за строежа на Вселената;
• SEGUE — събиране на спектри на 240 000 звезди в нашата галактика, което ще ни помогне да разберем по-добре възрастта, състава и структурата на Млечния път;
• Sloan Supernova Survey — до края на 2007 г. това проучване търси експлозии на свръхнови тип Іа, което да хвърли светлина върху историята на разширението на Вселената.

Получените данни са достъпни безплатно в Интернет чрез SkyServer (за некомерсиални цели не е необходимо разрешение за ползване).

Галактическия куп Персей (ляво) и сферичния куп М13.

Снимки: Sloan Digital Sky Survey

Досега проектът Sloan Digital Sky Survey е предоставил информация, използвана в огромен брой научни изследвания, свързани с редица въпроси — от квазарите на ръба на видимата Вселена, разпределението на галактиките, строежа на звездите в Млечния път, до тъмната материя и тъмнага енергия. Какво по-силно доказателство за успеха на това начинание?

________
Всички снимки са от галерията на SDSS.

Най-странните неща във Вселената: екзопланети

В продължение на 10 седмици ще ви запозная малко по-подробно с всяко едно от явленията и обектите, включени в анкетата на space.com. Можете да гласувате за вашите фаворити тук :)

Тази събота е денят на екзопланетите. Екзопланетите са планети извън Слънчевата система. Повечето от откритите до момента около 250 от тях са газови гиганти, подобни на Юпитер. Смята се, че най-малко 10% от подобните на Слънцето звезди имат планети, като не е изключено някои от тях да са подходящи за живот.

Съществуват редица методи за откриване на извънслънчеви планети. Тъй като те светят милиони пъти по-слабо от звездите, около които обикалят, то директното им засичане с оптични телескопи много рядко е възможно.


Част от индиректните методи са:

• астрометрия: отчита се видимото отместване на звездата, дължащо се на влиянието на евентуална планета; това влияние е много слабо, но може да бъде засичано.
  
• доплеров метод: отчита се спектралното отместване на звездата, породено от движението й напред-назад поради наличието на планета; това е най-често използвания метод.
• пулсари: това са останки от масивни звезди, които се въртят страшно бързо и пулсират на много равни интервали; леко нарушение на интервалите е индикация за присъствието на планета.
• транзитен метод: когато планета мине пред звездата й, яркостта на звездата спада леко; потъмняването на звездата зависи от нейния размер и от размера на планетата.
• гравитационна микролеща: звездите могат да играят ролята на лещи, като изкривяват лъчи от по-далечни звезди, при което яркостта на далечната звезда временно се увеличава; когато това увеличение е повече от очакваното, то може звездата-леща да има планета, на която да се дължи допълнителното увеличение; телескопът "Хъбъл" откри екзопланета по този начин.

Повечето открити извънслънчеви планети обикалят около звезди, подобни на Слънцето, но в действителност може да има планети и около други класове звезди. Най-често астрономите могат да определят масите и орбиталните характеристики на екзопланетите, както и състава на атмосферите им. Засега откритите планети са доста масивни, но според най-новите хипотези малките, подобни на Земята, планети са по-разпространени от газовите гиганти, които пък са по-лесни за откриване.

Рисунка на планетата Gliese 581 c, автор: Herve Piraud

Има много въпроси, свързани с извънслънчевите планети:

• Какъв състав имат?
• Притежават ли спътници?
• Има ли вода на тях?
• Възможно ли е там да има живот?

Всяка звезда има т.нар. обитаема зона (виж схемата в дясно). Ако в тази зона има планета, то най-вероятно е точно там условията да са подходящи за живот. Но дори да съществуват примитивни форми на живот, откриването им е непосилна задача. Засега.

Най-странните неща във Вселената: тъмната материя

В продължение на 10 седмици ще ви запозная малко по-подробно с всяко едно от явленията и обектите, включени в анкетата на space.com. Можете да гласувате за вашите фаворити тук :)

Тази събота е денят на тъмната материя. За нея съм писал и преди в поста "Тъмна материя" и в "Пръстен от тъмна материя".

Обикновената материя, която излъчва и отразява светлина, е около 5% от цялата Вселена. Останалото се смята, че е изградено от невидима материя — една от най-големите загадки на космологията.

Смята се, че тъмната материя играе съществена роля в еволюцията на Вселената и теорията на Големия взрив. Според моделите, ако нея я нямаше, познатата ни материя не би могла да кондензира в компактни обекти като звезди и галактики, защото хаотично движещите се частици биха се разпръснали из младата Вселена.

Хипотези за това какво представлява невидимата материя има много. Според нови доказателства доста вероятно е тя да е съставена предимно от нов вид елементарни частици, известни като небарионни (барионите са клас частици, съставени от три кварка, напр. протони, неутрони). Учените вече разграничават два вида тъмна материя: студена и топла. Студената представлява тежки и бавни частици, а топлата са по-леки и бързи. Все още никой не знае кой модел е правилен.

Съществуват и алтернативни обяснения, които предполагат, че просто не разбираме достатъчно добре механизмите, по които работи гравитацията. Възможно е законите на Нютон да важат на малки разстояния, а на по-големи да се променят! Това обяснение обаче трудно се справя с т.нар. гравитационни лещи — ефект от самото присъствие на тъмната материя, която изкривява минаващата наблизо светлина.

Гравитационна леща, която изкривява светлината от галактическия куп Абел 1689. Това явление "издава" присъствието на невидима материя. Кликнете на снимката, за да видите изкривения и удължен образ на някои от галактиките.
Снимка: Hubble Space Telescope

Квантовата механика също предлага теории, които изключват нуждата от невидима материя. Опитите да се изведе теория, обединяваща гравитацията с чудния свят на субатомните частици може да промени представата ни за гравитацията и да получим по-ясна картина за същността на Вселената.

Все още обаче тъмната материя остава загадка! Загадка, която несъмнено трябва да разрешим.

Повече за тъмната материя: Wikipedia [en]; Тъмна материя online [bg]

Гласувайте: 10-те най-странни неща във Вселената!

На страниците на сайта за космоса Space.com има анкета, в която читателите могат да избират най-странните неща във Вселената. Известно е, че чудатите обекти и феномени са много, при това с течение на времето се появяват още по-нови и още по-загадъчни такива, но ето предложенията на Space.com и възможност и тук да направим малка класация. Можете да избирате повече от един отговор.

*** Анкетата е в колонката в дясно ***

[Edit: Заглавията на десетте точки по-долу са връзки към по-подробни статии; 22.11.07]

1. Тъмна материя
Учените смятат, че тъмната материя съставлява по-голямата част от материята във Вселената. Тя не е била виждана или засичана със съвременните технологии. Според някои тя се състои от неутрино, според други — от черни дупки, а трети смятат, че въобще може да не съществува!



2. Екзопланети
До скоро единствените познати ни планети са били тези от Слънчевата система, но през последните 15 години астрономите откриха много т.нар. екзопланети, които обикалят около други звезди. Те варират от внушителни газови гиганти до малки скалисти светове, като повечето са негостоприемни, но в бъдеще се надяваме да открием поне една, която да прилича на Земята.

3. Гравитационни вълни
Общата теорията на относителността на Айнщайн предсказва съществуването на вълнови деформации в тъканта на пространство-времето, движещи се със скоростта на светлината и дължащи се на космически събития. За съжаление те са прекалено слаби, за да ги засечем, но мощни катастрофи като сливане на черни дупки би трябвало да създават достатъчно силни гравитационни вълни.


4. Галактически канибализъм
Съседката на Млечния път — Андромеда — в момента "яде" един от нейните сателити. В нея има останки и от предишни поглъщания на по-малки галактики. Това явление е известно като галактически канибализъм и не е рядко срещано. След около 3 милиарда години същата тази Андромеда ще се сблъска с нашата галактика и двете заедно ще образуват нова такава.

5. Неутрино
Това са елементарни частици без заряд и с почти нулева маса, които могат без усилие да преминат през километри от олово. Те се образуват в недрата на звездите и при експлозии на свръхнови, когато звездите умират. На Земята можем трудно да ги засичаме в специални детектори, разположени на километри под земя и вода.

6. Квазари
Квазарите са изключително ярки обекти, които светят със силата на стотици галактики. Те се намират на границите на познатата ни Вселена и според научните теории представляват гигантски черни дупки в сърцата на далечни галактики.


7. Енергия на вакуума
Според квантовата механика празнините в пространството не са абсолютно празни. Във всеки един кубически сантиметър от нищото се появяват т.нар. виртуални частици, които бързо анихилират и изчезват. Тази странност на квантовия свят създава антигравитационна сила, която отблъсква материята, но все още механизмите на действие са слабо познати.


8. Антиматерия
Частиците, съставляващи обикновената материя, имат противоположни "партньори", наречени античастици. При контакт на антиматерията с материята се освобождава огромно количество чиста енергия (по закона E = mc²). Има футуристични идеи за космически кораби, които ще се движат с точно такава енергия, получена при анихилация.


9. Мини черни дупки
Ако радикално новите теории, предполагащи съществуването на повече от 4 измерения и "брани" са вярни, то из Слънчевата система трябва да има хиляди микроскопични черни дупки, големи не повече от атомно ядро — първични остатъци от Големия взрив. Физиците се надяват да успеят да сътворят такива мини черни дупки в ускорителите от най-ново поколение.

10. Микровълново фоново лъчение
Това лъчение е остатък от Големия взрив, който се смята, че е дал началото на Вселената ни. Открито е през 1960-те години като радио шум, идващ от всяко едно направление. В последствие се оказва най-силното доказателство на теорията за Големия взрив. Според прецизни скорошни измервания температурата на това лъчение е -270°С.

________
Текст и изображения: Space.com

Анкета 2

Последната анкета беше доста лесна. На практика се питаше колко далеч са най-далечните наблюдавани галактики и отговорът е 12-14 милиарда светлинни години. Понеже светлинната година е разстоянието, което светлината минава за време една година, то светлината от тези най-далечни галактики е пътувала до нас около 12-14 милиарда години. Това е и приблизителната възраст на Вселената, според астрономите. Това значи, че ние виждаме най-далечните галактики такива, каквито са били в самото начало на живота на Вселената!

Гласуваха много малко хора: 16 човека, но 12 от тях (75%) познаха :)

Свръхмасивните черни дупки са прескочили фазата "звезда"?

Д-р Митчел Бегелман (Mitchell C. Begelman) от Колорадския университет публикува преди няколко дни научна статия в arXiv [pdf], в която описва алтернативна теория за образуването на свръхмасивни черни дупки.

Астрономите са убедени, че в ядрото на почти всяка галактика има по една такава черна дупка, чиято маса понякога достига милиарди пъти тази на нашето Слънце. Конвенционалната идея за образуването им е същата като при обикновените черни дупки: Когато масивна звезда изгори ядреното си гориво следва експлозия на свръхнова и останките от ядрото й колапсират под действие на гравитацията, образувайки черна дупка. Проблемът е, че за да натрупа толкова голяма маса първоначалната звезда е трябвало да нараства през целия си живот с максималната допустима скорост, предсказвана от физиката.

Друга хипотеза относно този клас черни дупки e изложена в статията на д-р Бегелман. Според неговите изчисления ако скоростта на натрупване на материал е по-висока с няколко десети от слънчевата маса на година, то процесите на термоядрен синтез не биха могли да се противопоставят на гравитацията (т.е. не биха имали време да го направят) и свръхмасивната черна дупка би се образувала директно. Въпросът е, че е нужна сила, която да принуди газовете да се натрупват по-бързо. Например хало от тъмна материя?

По-добри телескопи

Космическият телескоп "Хъбъл" е един от най-добрите телескопи в света, но вече може би има сериозна конкуренция от страна на наземните му "колеги". Екип от астрономи обявиха, че с нова система, наречена "Lucky Imaging", са успяли да направят два пъти по-детайлни снимки от "Хъбъл".

Крейг Маккей от Кеймбридж казва, че тези нови снимки са най-добрите, правени някога със земен или космически телескоп. Поради атмосферата на Земята звездите не само изглеждат сякаш трептят, но и самите снимки стават замъглени. Чувствителни телескопи могат да преодолеят замъгляването, но произвеждат прекалено много цифров шум. Космическите телескопи като "Хъбъл" работят извън атмосферата, което елиминира тези проблеми, но цената им е доста висока (само планираният за 2008 година ремонт ще струва 900 милиона долара).

Новата система на Маккей и колегите му прави по-остри изображения по следния начин: Снима се непрекъснато със скорост 20 кадъра в секунда и компютър подбира измежду десетките хиляди снимки, наслагва най-добрите една върху друга и елиминира случайния шум. Резултатът е по-детайлни изображения на цена около $100,000, което е много малка част от тази на "Хъбъл" (оценяван на повече от 5-6 милиарда долара... засега). Наблюденията са били извършени чрез 5-метров телескоп в обсерваторията Паломар в Калифорния, който по принцип произвежда 10 пъти по-слаби снимки от "Хъбъл".

Изображения на звездния куп М13 от обсерваторията Паломар и от "Хъбъл". Очевидно лявата снимка е по-детайлна и съперничи на скъпия космически телескоп. За сметка на това "Хъбъл" може да прави по-дълги експозиции и да "вижда" по-дълбоко в космоса.

Все пак "Хъбъл" си има своите предимства. За да работи не се изисква ясно небе, нито има ограничения в продължителността на експозициите, и може да прави по-добри снимки на дълбокия космос. Според Маккей, системата "Lucky Imaging" е най-добре да бъде използвана при големи телескопи, което да разшири възможностите при неуморното търсене на мистериозната тъмна материя.

________
Източник: Space.com
Изображение: Craig Mackay/NASA

Млечният път — анкета 1

От около десетина дни тук тече анкета за броя на звездите в Млечния път. Общо гласуваха 50 човека, като резултатите ще обявя по-долу. Нека първо да се запознаем с нашата собствена галактика.

Панорамно изображение на Млечния път

Млечният път е спираловидна галактика с диаметър 100 000 светлинни години и дебелина при ядрото 2500 св.г. Той е част от Локалната група от галактики и си има два спътника: Големият и Малкият Магеланови облаци. С приблизителна възраст от около 13 милиарда години, най-старите звезди от Млечния път са стари почти колкото Вселената.

Тъй като нашата Слънчева система се намира в Млечния път, то ние не можем да го погледнем отстрани. Астрономите смятат, че той е галактика със спираловидни ръкави, която много прилича на тази на снимката:

Галактика NGC 7331

Млечният път съдържа 200 милиарда звезди, въпреки че според по-нови данни те може да са два пъти повече. Масата на галактиката ни е приблизително 5.8×10¹¹ слънчеви маси. Смята се, че по-голямата част от тази маса представлява тъмна материя, която е сравнително равномерно разпределена.

Една от най-интересните части от галактиката ни е централното й ядро. Както повечето галактики във Вселената, така и при нас астрономите предполагат, че в центъра живее огромна свръхмасивна черна дупка.

Изображение на центъра на Млечния път от обсерваторията Кек на Хавайските острови. За получаването му е използвана новата система за лазерно насочване за постигане на още по-детайлен образ. Със стрелка е обозначена предполагаемата черна дупка в сърцето на галактиката ни. Още изображения и анимации: тук.

Млечният път има четири главни спирални ръкави и още два по-малки, или поне така смятат астрономите. Част от тези ръкави не могат да се видят от Земята, защото се намират зад галактическия център. Подобно на галактиката Андромеда, има доказателства за съществуването на сферично хало около Млечния път с диаметър 200 000 св.г., но има вероятност то да е по-голямо. Според най-новите наблюдения във връзка с проекта за 3D-картографиране на 25% от небето Sloan Digital Sky Survey, в Млечния път може би има остатъци от галактики-джуджета, които са били погълнати от него.

Какво е мястото ни в нашата галактика? Слънцето се намира на около 25 000 св.г. от галактическия център в ръкав Орион и в т.нар. галактическа обитаема зона. За да направи една пълна обиколка около центъра, на Слънцето са му необходими 230 милиона години. Скоростта, с която се движи то (и ние, заедно с него), е изчислена на 217 km/s, което значи, че от раждането си до сега то е направило не повече от 25 обиколки.

Самият Млечен път също се движи из пространството, но определянето на скоростта му на движение не е еднозначно. За да знаем скоростта на дадено тяло, то трябва да имаме отправна точка, спрямо която да я измерим. Учените предполагат, че галактиката ни се движи с около 600 km/s спрямо близки други галактики, и с 552 km/s спрямо фотоните от микровълновото фоново лъчение.

А ето и резултатите от анкетата:


Както се вижда, почти половината гласували са познали верния отговор. Млечният път и Андромеда са двойка гигантски галактики, които заедно с по-малките галактики-джуджета образуват т.нар. Локална група. Във Вселената са известни наистина огромни елиптични галактики, които в диаметър достигат милиони светлинни години и тежат стотици пъти повече от Млечния път, но като цяло преобладават по-малките.

Интересни връзки:
Млечният път в Атласа на Вселената
Изображение на ръкавите на Млечния път
Изгледи в план