Есть ли способ заглянуть за барьер, который Вселенная воздвигает перед тем, как стать прозрачной для света?
«С самых ранних времен люди исследователи и мыслители хотели выяснить форму своего мира. Мы всегда делали это с помощью рассказывания историй. Трудно позволить правде помешать хорошей истории». - Адам Сэвидж
После небольшого перерыва на прошлой неделе по личным причинам я так рад объявить о возвращении Ask Ethan! Каждую неделю вам предлагается присылать свои вопросы и предложения для того, чтобы ваша тема была проанализирована и подробно объяснена в меру наших научных знаний. Поскольку на прошлой неделе у нас не было возможности вести колонку, я решил подарить вам три по цене одного специальное предложение, любезно предоставленное Джерардом, который просит:
Два астрономических вопроса:
1) Предположительно, гравитационные волны не зависят от того, заряжена материя или нет. Так возможно ли, что гравитационные волны позволили бы нам заглянуть дальше, чем время реликтового излучения? Эффективно преодолеваете барьер реликтового излучения?
2) Фотоны рассеиваются заряженными частицами сильнее, чем нейтральными атомами водорода. Рассеиваются ли фотоны одних частот заряженными частицами сильнее, чем другие?
Один личный вопрос:
Что вас вообще заинтересовало в астрономии? Преподаватель в колледже? Отношения? Посещение планетария? Фото?
Начнем с первых двух вопросов и начнем с сегодняшнего дня.
Когда мы смотрим на Вселенную, вашей первой реакцией может быть мысль, что то, что мы видим, ограничено только тем, сколько света мы можем собрать. Если мы хотим обнаружить более далекий или более слабый объект, все, что нам нужно сделать, это собрать свет на большей площади (с помощью телескопа с большей апертурой) или в течение более длительного периода времени (с более длинной экспозицией), и мы в конце концов смогу это увидеть. На самом деле это астрономический метод, который мы часто используем, и то, как мы можем создавать изображения, такие как «Глубокое поле Хаббла», «Сверхглубокое поле Хаббла» и - совсем недавно - экстремально глубокое поле Хаббла, ниже.
Но мы можем видеть только эти галактики, какими бы далекими они ни были, потому что свет может свободно распространяться через (в основном пустое) пространство вдоль линии нашего обзора к этим галактикам. В то время как нейтральная материя такие вещества, как газ и пыль , будут поглощать и повторно излучать свет с определенной длиной волны, а не с другой, Вселенная не всегда находилась в состоянии, когда материя существовала в стабильных, нейтральных связанных состояниях.
В прошлом, когда Вселенная была горячее, моложе и плотнее, нейтральные атомы были нестабильны из-за высоких температур и больших кинетических энергий всего вокруг них. Нашему космосу сейчас может быть около 13,8 миллиардов лет, и к тому же это холодное и относительно пустое место. Но когда нам было всего несколько сотен тысяч лет, она была такой горячей и плотной, что нейтральные атомы не могли образоваться! Наша Вселенная была просто ионизированной плазмой электронов, ядер, фотонов и других частиц.
Это плохо для информации от фотонов. Когда Вселенная ионизирована, фотоны очень эффективно рассеиваются на свободных электронах. Второй вопрос Джерарда заключался в том, рассеиваются ли фотоны определенных частот более эффективно, чем фотоны других частот. Для энергий, с которыми мы имеем дело, когда Вселенной тысячи лет, фотоны более высоких частот имеют тенденцию смещаться в сторону более низких при столкновениях с электронами (комптонское рассеяние), фотоны более низких частот смещаются в сторону более высоких при столкновениях с энергичными электронами (обратное комптоновское рассеяние), но насколько велика вероятность столкновения вообще?
Это дается поперечным сечением Томсона:
Это не зависит от энергии, частоты и длины волны фотона, поэтому ответ на второй вопрос нет, фотоны всех частот рассеиваются слишком часто для того, чтобы их информация передавалась нашим глазам из времен, предшествующих реликтовому излучению.
Но у гравитационных волн таких проблем нет.
Гравитационные волны (или гравитоны, если вы предпочитаете описание, основанное на частицах) - это рябь в самой ткани самого пространства. Они движутся со скоростью c, со скоростью света в вакууме, но все, что они делают, - это искажают пространство. Они могут испускаться, но - насколько нам известно - не поглощаться изменением конфигураций масс.
И хотя мы обычно говорим об их порождении обычными астрофизическими источниками, такими как нейтронные звезды, черные дыры, белые карлики, орбитальные системы и сверхновые звезды, моменты, предшествовавшие самому Большому взрыву, также должны были породить их!
Видите ли, в эпоху космической инфляции, которая предшествовала и привела к Большому Взрыву, произошло два типа квантовых флуктуаций, которые распространились по Вселенной. Одним типом были флуктуации всех существующих векторных, спинорных и скалярных квантовых полей, что приводило к флуктуациям плотности и, намного позже, к областям, которые превращались в звезды, галактики и скопления галактик или иным образом огромные пустые космические пустоты. Но другой тип - флуктуации тензорных квантовых полей Вселенной, приводящие к гравитационному излучению. Это гравитационное излучение в принципе может быть обнаружено усовершенствованными версиями наземных или космических лазерных интерферометров. (Хотя, по общему признанию, это более продвинутый вариант, чем все, что мы предлагали на сегодняшний день.)
Инфляция делает очень специфические классы предсказаний относительно того, каким должен быть спектр гравитационных волн, которые должны быть сгенерированы, и разные модели делают предсказания, которые различаются в своих конкретных деталях.
Если инфляция окажется ошибочной, тогда в ранней Вселенной возникнет совершенно другой спектр гравитационных волн.
Но в любом случае остаются следующие факты:
- Ранняя Вселенная - когда у нас было очень горячее, плотное, расширяющееся состояние, выше любых энергий, достигнутых в земных или астрофизических лабораториях - , должны были генерировать гравитационные волны.
- Эти гравитационные волны не изменились бы, кроме как из-за космического красного смещения, поскольку они прошли через всю материю, излучение и пространство с того времени до сегодняшнего дня.
- Эти гравитационные волны должны иметь определенный набор амплитуд, которые зависят от длины волны. Была ли у нас инфляция или нет, измерения фона гравитационных волн должны дать нам дополнительную информацию о рождении нашей Вселенной.
Если инфляция верна, единственными реальными переменными, помимо небольшого наклона спектра, является амплитуда тензорных флуктуаций ранней Вселенной.
Они проявятся на космическом микроволновом фоне, между прочим, и особенно в определенных режимах фотонной поляризации. Когда мы сможем точно измерить эти моды - а это то, что пытаются сделать BICEP2 и Planck, среди прочего - мы сможем узнать больше о космической инфляции!
Так что да, Джерард, гравитационные волны делаютоткрывают окно в самые ранние стадии Вселенной. Тот факт, что они практически недоступны прямо сейчас с нашими современными технологиями, не означает, что мы не должны их использовать, и не означает, что мы должны инвестировать в разработку технологии, которая позволит нам напрямую исследовать самые ранние стадии Вселенная. В принципе, мы должны быть в состоянии достичь этого за одно поколение, если только мы вложим соответствующие ресурсы в ответ на этот вопрос.
А что касается вашего другого вопроса: что впервые пробудило во мне интерес к астрономии? Есть две вещи, которые произошли со мной, когда я был относительно молод, но они, вероятно, вас удивят. Из всех астрономов и астрофизиков, которых я знаю, моя история невероятно отличается от их.
Я всегда любил кемпинг. Как человек, выросший в Нью-Йорке и его окрестностях, общение с лесами, горами, костром и темным небом было для меня редкостью, но также и одной из лучших вещей, которые я помню о своем детстве. И, в частности, мне запомнился один случай, когда мне было, может быть, 11 лет: я просто лежал на спине в поле с другим ребенком моего возраста и его старшим братом.
Мое зрение все еще было достаточно хорошим, чтобы мне не понадобились очки, и мы могли видеть, вероятно, несколько тысяч звезд. Мы просто смотрели вверх, разговаривая обо всем и ни о чем, и давали волю своему воображению. Это было красиво, и казалось, что за всем, что я принимал, стоит история, частью которой мне нужно было стать. Что, может быть, странно, потому что ни один из моих других опытов - ни в планетариях, ни с учителями, ни с книгами, ни с изображениями, ни с просмотром в телескоп - никогда не заставлял меня чувствовать это. Но тот опыт, когда я просто лежал на траве и смотрел на темное звездное небо, дал мне ощущение, которое я никогда не забуду.
А несколько лет спустя, когда мне было 13 или 14 лет в летнем лагере, я плыл на лодке темной ночью и испытал похожее чувство. Только на этот раз у меня были более глубокие познания в математике.
И я начал задаваться вопросом: точно так же, как если бы вы плыли на этой лодке в одном направлении достаточно долго, вы бы вернулись туда, откуда начали, что произойдет, если бы вы плыли в одном направлении достаточно долго в космосе? Вернетесь ли вы к исходной точке?
Глядя на звезды и размышляя о математической и физической структуре Вселенной, о высших измерениях и о том, как Вселенная выглядит в самых больших масштабах, я испытывал такое же чувство изумления, любопытства., и связность. За неимением лучшего термина, я чувствовал, что это то, о чем мне нужно было знать. Это было не что-то, что я увидел, что-то, чему я научился, или кто-то, кого я встретил, а скорее то, что я подумал, что зажгло во мне этот огонь.
Моя жизнь вела меня по разным направлениям, но я всегда возвращался к подобным вопросам и к этим чувствам, которые у меня были, и - я знаю, это звучит смешно - но я чувствую, что существует бесконечное хорошо внутри меня, которое никогда не может быть опустошено, когда дело доходит до моей страсти к этому. И эти два опыта были тем, как я впервые это обнаружил.
Спасибо за прекрасную серию вопросов, Джерард, и если вы хотите попробовать себя в роли следующего Спросите Итана, присылайте свои вопросы и предложения! А пока я надеюсь, что вам понравилось, и до встречи на следующей неделе, чтобы увидеть новые чудеса Вселенной и новые игры Starts With A Bang!
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs!