КОСМИЧЕСКИЙ МИКРОВОЛНОВЫЙ ФОН
- это излучение является исконным остатком Большого взрыва, который породил вселенную. Впервые он был обнаружен в 1960-х годах как радиошум, который, казалось, исходил из любого места в космосе. CMB считается одним из лучших доказательств теоретического Большого взрыва. Последние точные измерения проекта WMAP устанавливают температуру CMB на уровне -455 градусов по Фаренгейту (-270 по Цельсию). Вселенная началась 13,8 миллиардов лет назад, а CMB датируется примерно 400 000 лет после Большого взрыва. Это потому, что на ранних стадиях существования Вселенной, когда она была всего лишь в сто миллионов раз больше, чем сегодня, ее температура была экстремальной: 273 миллиона градусов выше абсолютного нуля, согласно НАСА. Любые атомы, присутствовавшие в то время, были быстро разбиты на мелкие частицы (протоны и электроны). Излучение от CMB в фотонах (частицы, представляющие кванты света или другое излучение) было рассеянным от электронов. Приблизительно через 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная была достаточно холодной, чтобы мог образоваться водород. Поскольку фотоны CMB практически не подвержены воздействию водорода, они движутся по прямым линиям. Космологи ссылаются на «поверхность последнего рассеяния», когда фотоны CMB в последний раз попадают в вещество; после этого вселенная стала слишком большой. CMB полезен для ученых, потому что он помогает нам узнать, как была сформирована ранняя вселенная. Он имеет одинаковую температуру с небольшими колебаниями, видимыми с помощью точных телескопов.
ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ
- это искажения в ткани пространства-времени, вызванные одними из самых сильных и энергичных процессов во Вселенной. Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в 1916 году в своей общей теории относительности. Математика Эйнштейна показала, что массивные ускоряющиеся объекты (такие как нейтронные звезды или черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга) будут нарушать пространство-время таким образом, что «волны» волнообразного пространства-времени будут распространяться во всех направлениях от источника. Эти космические волны будут распространяться со скоростью света, неся с собой информацию об их происхождении, а также ключи к природе самой гравитации.
Самые сильные гравитационные волны возникают в результате катаклизмов, таких как сталкивающиеся черные дыры, сверхновые звезды (массивные звезды, взрывающиеся в конце своего времени жизни) и сталкивающиеся нейтронные звезды. Предполагается, что другие волны вызваны вращением нейтронных звезд, которые не являются идеальными сферами, и, возможно, даже остатками гравитационного излучения, созданного Большим взрывом.
Поскольку гравитационные волны очень слабо взаимодействуют с веществом (в отличие от электромагнитного излучения, которое может поглощаться, отражаться, преломляться или изгибаться), они проходят через Вселенную практически беспрепятственно, что дает нам четкое представление о Вселенной гравитационных волн. Волны несут информацию об их происхождении, которая не содержит искажений или изменений, испытываемых электромагнитным излучением при прохождении через межгалактическое пространство.
Каждый массивный объект, который ускоряется, производит гравитационные волны. Это включает людей, автомобили, самолеты и т. Д., Но массы и ускорения объектов на Земле слишком малы, чтобы сделать гравитационные волны достаточно большими, чтобы их можно было обнаружить с помощью наших инструментов. Чтобы найти достаточно большие гравитационные волны, мы должны смотреть далеко за пределы нашей собственной солнечной системы.
Оказывается, что Вселенная заполнена невероятно массивными объектами, которые испытывают быстрые ускорения и по своей природе генерируют гравитационные волны, которые мы можем реально обнаружить. Примерами таких вещей являются орбитальные пары черных дыр и нейтронных звезд или массивные звезды, взрывающиеся в конце своей жизни. Ученые LIGO определили четыре категории гравитационных волн на основе того, что их генерирует: непрерывные, компактные двоичные, спиральные, стохастические и импульсные. Каждая категория объектов генерирует уникальный или характерный набор сигналов, которые могут воспринимать интерферометры LIGO.
1. Непрерывные гравитационные волны.
Считается, что непрерывные гравитационные волны создаются одним вращающимся массивным объектом, подобным нейтронной звезде. Любые неровности или несовершенства сферической формы этой звезды будут генерировать гравитационные волны при ее вращении. Если скорость вращения звезды остается постоянной, то же самое происходит и с гравитационными волнами, которые она излучает. То есть гравитационная волна непрерывно такая же частота и амплитуда (как у певца, держащего одну ноту). Вот почему они называются «Непрерывные гравитационные волны». Исследователи создали моделирование того, как будет звучать прибывающая непрерывная гравитационная волна, если обнаруженный сигнал LIGO будет преобразован в звук. Нажмите на «Непрерывный гравитационный волновой сигнал» ниже, чтобы услышать, как гравитационные волны от вращающейся нейтронной звезды будут «звучать» как для LIGO.
2. Компактные бинарные гравитационные волны.
Следующим классом гравитационных волн, на которые охотится LIGO, являются компактные двоичные инспиральные гравитационные волны. Пока что все обнаруженные LIGO объекты попадают в эту категорию. Компактные двойные инспиральные гравитационные волны создаются орбитальными парами массивных и плотных («компактных») объектов, таких как белые карликовые звезды, черные дыры и нейтронные звезды. В этой категории генераторов гравитационных волн есть три подкласса «компактных бинарных» систем:
Бинарная нейтронная звезда (BNS)
Бинарная черная дыра (BBH)
Бинарная нейтронная звезда - черная дыра (NSBH)
Каждая бинарная пара создает уникальный паттерн гравитационных волн, но механизм генерации волн одинаков для всех трех. Это называется "вдохновением".
Вдохновение происходит в течение миллионов лет, когда пары плотных компактных объектов вращаются вокруг друг друга. Находясь на орбите, они испускают гравитационные волны, которые уносят часть орбитальной энергии системы. В результате, на протяжении многих веков объекты движутся вокруг все ближе и ближе друг к другу. К сожалению, перемещение ближе заставляет их вращаться вокруг друг друга быстрее, что заставляет их испускать более сильные гравитационные волны, что заставляет их терять больше орбитальной энергии, на дюйм все ближе, вращаться быстрее, терять больше энергии, двигаться ближе, вращаться быстрее. Объекты обречены, неизбежно заперты в разгонном ускоряющемся спиральном объятии.
3. Стохастические гравитационные волны.
Астрономы предсказывают, что во Вселенной так мало значительных источников непрерывных или бинарных вдохновляющих гравитационных волн, что LIGO не беспокоится о возможности одновременного прохождения более чем одной Землей (что приводит к сбивающим с толку сигналам в детекторах). Тем не менее, мы предполагаем, что много маленьких гравитационных волн постоянно проходят со всей Вселенной, и что они случайно перемешиваются друг с другом. Эти небольшие волны со всех сторон составляют то, что называется «стохастическим сигналом», так называемым, потому что слово «стохастик» означает наличие случайного паттерна, который можно анализировать статистически, но не прогнозировать точно, Это будут самые маленькие и самые трудные для обнаружения гравитационные волны, но возможно, что по крайней мере часть этого стохастического сигнала может исходить от Большого взрыва. Обнаружение реликтовых гравитационных волн от Большого взрыва позволит нам заглянуть в историю Вселенной дальше, чем когда-либо прежде.
ГАЛАКТИЧЕСКИЙ КАННИБАЛИЗМ
Подобно жизни на Земле, галактики могут «съедать» друг друга и развиваться со временем. Соседка Млечного Пути, Андромеда, в настоящее время обедает на одном из своих спутников. Более дюжины звездных скоплений разбросаны по всей Андромеде, космические остатки прошлых приемов пищи.
Галактический каннибализм - это столкновение двух галактик и последующее поглощение частей одной в другую. Самая близкая к нам галактика, Андромеда, находится на расстоянии более 2,5 миллионов световых лет. Но во многих уголках вселенной галактики гораздо плотнее упакованы. Все галактики тоже движутся. Многие массивные движущиеся тела кружатся вокруг, и это только вопрос времени, когда они столкнутся и «съедят» друг друга.
Когда галактики сталкиваются, их индивидуальные гравитационные силы протягиваются и притягивают друг друга. Вы можете представить себе огромную «гравитационную руку», которая тянется и захватывает кусок другой галактики. За исключением того, что это двустороннее событие. Тем не менее, большая галактика - та, которая имеет большее гравитационное притяжение - почти всегда выигрывает битву и вызывает больше искажений в меньшей галактике.
Галактический каннибализм не только искажает галактики, но и рождает новые звезды. Основным компонентом галактик являются облака. Когда галактические облака сталкиваются, рождаются звезды.
Мы можем взглянуть на нашу собственную солнечную систему, Млечный Путь, чтобы получить пример этого. Млечный Путь состоит из двух частей: диска и гало. Большинство звезд на диске относительно молодые и, вероятно, образовались в самом Млечном Пути. Звезды в гало, с другой стороны, намного старше, более древние звезды. Большинство ученых считают, что эти древние гало-звезды образовались в соседних системах или галактиках, но были втянуты в Млечный путь из-за его большего гравитационного притяжения.
Понимание галактического каннибализма помогает ответить и на вопросы о нашей собственной солнечной системе, особенно о том, является ли наша солнечная система обычной или уникальной. Понимая это, мы могли бы лучше понять возможности другой планеты, такой как Земля.
НЕЙТРИНО
- это электрически нейтральные, практически не имеющие массы элементарные частицы, которые могут беспрепятственно проходить через мили свинца. Некоторые проходят через ваше тело, когда вы читаете это. Эти «фантомные» частицы образуются во внутренних огнях горящих здоровых звезд, а также при взрывах сверхновых звезд умирающих звезд. Детекторы устанавливаются под землей, под морем или в большой кусок льда как часть IceCube, проекта по обнаружению нейтрино.
Нейтрино есть везде. Они пронизывают все пространство вокруг нас. Их можно найти по всей нашей галактике, на нашем солнце, и каждую секунду десятки тысяч нейтрино проходят через ваше тело. Но нет необходимости тревожиться, потому что эти крошечные частицы едва взаимодействуют с чем-либо. На самом деле, они могут даже пройти через всю Землю, не будучи затронутыми.
Существует три типа нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Согласно стандартной модели существует 12 фундаментальных частиц. Каждый «аромат» нейтрино имеет соответствующую заряженную частицу, от которой он получает свое имя. Стандартная модель состоит из трех поколений, и каждое поколение имеет два кварка - нейтрино и заряженную частицу. Частицы в стандартной модели делятся на два типа: кварки и лептоны. Кварки взаимодействуют через сильную ядерную силу, а лептоны взаимодействуют через электромагнитную или слабую ядерную силу. Нейтрино почти безмассовые и не имеют электрического заряда. Поэтому, в отличие от других частиц, они взаимодействуют только через слабую ядерную силу. Нейтрино, на самом деле, означает: «маленький нейтральный».
Нейтрино - это фундаментальные частицы, которые впервые были сформированы в первую секунду ранней вселенной, еще до того, как могли образоваться даже атомы. Они также постоянно производятся в ядерных реакциях звезд, таких как наше Солнце, и ядерных реакциях здесь, на Земле. Многое еще неизвестно об этих частицах, они имеют неопределенную массу и движутся со скоростью, близкой к скорости света.
Из-за неуловимого поведения нейтрино их существование было неизвестно до 1959 года, хотя они были предсказаны еще в 1931 году. Вофганг Паули впервые предсказал нейтрино, чтобы объяснить явную потерю энергии и импульса, которые он наблюдал при изучении радиоактивности.
Он предсказал, что энергия уносится какой-то неизвестной частицей. Затем в 1959 году Клайд Коуэн и Фред Рейнс наконец нашли частицу, которая соответствует описанию предполагаемого нейтрино, изучая частицы, созданные атомной электростанцией. Делая это, они фактически обнаружили электронное нейтрино. Следующим большим открытием было открытие мюонного нейтрона, найденного Леоном Ледерманом, Мелом Шварцем и Джеком Стейнбергером, учеными из ЦЕРН. Они сделали это, выпустив пучок протонов с энергией ГэВ через мишень, создав таким образом пионы, мюоны и мюонные нейтрино.
Первый эксперимент в попытке обнаружить электронные нейтрино от Солнца был проведен детектором на дне шахты Homestake в Южной Дакоте в 1968 году. Однако они обнаруживали только нейтрино примерно два раза в неделю. Однако было предсказано, что детектор должен обнаруживать около 10^16 солнечных нейтрино в день. Этот необъяснимый недостаток обнаруженных солнечных нейтрино стал известен как проблема солнечных нейтрино. Считается, что нейтрино фактически колеблются между различными «ароматами» после того, как испускаются от Солнца как электронные нейтрино. Поэтому они не обнаружили все нейтрино, потому что некоторые из них превратились в мюонные и тау-нейтрино.
Существование третьего аромата нейтрино, тау нейтрино, было впервые выявлено в 1978 году, когда была обнаружена частица Тау в SLAC, Стэндфордском центре линейных ускорителей. Они поняли, что тау-частица является просто более тяжелой версией электрона и мюона и поэтому должна иметь соответствующее нейтрино. Тау-нейтрино уклонялись от обнаружения в течение многих лет. Во-первых, тау-частица длится всего около 300 фс, что затрудняет их отслеживание и, следовательно, затрудняет отслеживание их соответствующих нейтрино. Во-вторых, тау-нейтрино невероятно редки. Однако в 2000 году ученые из ЦЕРНа на детекторе DONUT наконец смогли наблюдать тау-нейтрино.
КВАЗАРЫ
Эти яркие маяки сияют нам с краев видимой вселенной и напоминают ученым о хаотическом младенчестве нашей вселенной. Квазары выделяют больше энергии, чем сотни галактик вместе взятых. Общее мнение заключается в том, что они представляют собой чудовищные черные дыры в сердцах далеких галактик.
Квазар, астрономический объект с очень высокой светимостью, обнаруженный в центрах некоторых галактик и приводимый в движение газом, спирально движущимся с высокой скоростью в чрезвычайно большой черной дыре. Самые яркие квазары могут затмить все звезды в галактиках, в которых они находятся, что делает их видимыми даже на расстояниях в миллиарды световых лет. Квазары являются одними из самых отдаленных и известных объектов.
Открытие Квазаров
Термин квазар происходит от того, как эти объекты были первоначально обнаружены в самых ранних радиообзорах неба в 1950-х годах. Вдали от плоскости Галактики Млечный Путь большинство радиоисточников было отождествлено с галактиками, которые выглядят нормально. Однако некоторые радиоисточники совпали с объектами, которые выглядели необычно голубыми звездами, хотя фотографии некоторых из этих объектов показали, что они заключены в слабые нечеткие ореолы. Из-за их почти звездного вида они были названы «квазизвездными радиоисточниками», которые к 1964 году были сокращены до «квазаров».
Их яркость может значительно варьироваться в течение нескольких дней, что означает, что общий размер квазара не может превышать несколько световых дней. Поскольку квазар такой компактный и такой яркий, радиационное давление внутри квазара должно быть огромным. Действительно, единственный способ, которым квазар может удержаться от взрыва собственной радиации, - это если он очень массивный, по крайней мере, миллион солнечных масс, если он не превышает Предел Эддингтона - минимальная масса, при которой внешнее радиационное давление уравновешивается внутренним притяжением силы тяжести. Квазары и другие AGN, очевидно, приводятся в действие гравитационной аккрецией на сверхмассив черной дыры, где «сверхмассивная» означает от примерно миллиона до нескольких миллиардов масс Солнца. Сверхмассивные черные дыры находятся в центрах многих крупных галактик. Приблизительно в 5–10 процентах этих галактик газ падает в глубокую гравитационную яму черной дыры и нагревается до накаливания, когда частицы газа набирают скорость и накапливаются в быстро вращающихся «аккреционный диск »близко к горизонту черной дыры. Существует максимальная скорость, установленная Предел Эддингтона, при котором черная дыра может нарастать материю до того, как нагрев падающего газа приводит к такому внешнему давлению от излучения, что аккреция прекращается. Что отличает «активное» ядро галактики от других ядер галактик (90–95 процентов больших галактик, которые в настоящее время не являются квазарами), так это то, что черная дыра в активном ядре аккумулирует несколько солнечных масс вещества в год, что, если оно составляет около 1 процента или более от скорости Эддингтона. Чего достаточно для учета типичного квазара с общей светимостью около 10^39 Вт. (Яркость Солнца составляет около 4 × 10^26 Вт.)
Помимо черных дыр и аккреционных дисков, квазары имеют и другие замечательные особенности. Сразу за аккреционным диском находятся облака газа, которые движутся с высокой скоростью вокруг внутренней структуры, поглощая излучение высокой энергии от аккреционного диска и перерабатывая его в широкие эмиссионные линии водорода и ионов других атомов, которые являются сигнатурами квазара. спектры. Дальше от черной дыры, но все еще в значительной степени в плоскости аккреционного диска находятся пыльные газовые облака, которые могут затмить сам квазар. Некоторые квазары также имеют радио струи, представляющие собой сильно коллимированные пучки плазмы, движущиеся вдоль оси вращения аккреционного диска на скоростях, часто приближающихся к скорости света. Эти струи испускают пучки излучения, которые можно наблюдать на рентгеновских и радиоволнах (и реже на оптических длинах волн).
ВАКУУМНАЯ ЭНЕРГИЯ
Квантовая физика говорит нам, что вопреки внешнему виду, пустое пространство - это пузырящееся «виртуальное» субатомное частиц, которые постоянно создаются и уничтожаются. Мимолетные частицы наделяют каждый кубический сантиметр пространства определенной энергией, которая, согласно общей теории относительности, создает антигравитационную силу, которая раздвигает пространство. Однако никто не знает, что на самом деле вызывает ускоренное расширение вселенной.
Темная энергия, отталкивающая сила, которая является доминирующим компонентом (69,4%)вселенная. Оставшаяся часть вселенной состоит из обычной материи и темной материи. Темная энергия, в отличие от обеих форм материи, является относительно однородной во времени и пространстве и является гравитационно отталкивающей, не привлекательной в пределах объема, который она занимает. Природа темной энергии до сих пор не совсем понятна.
Темная энергия определяется по ее влиянию на скорость, с которой Вселенная расширяется, и это влияет на скорость, с которой крупномасштабные структуры, такие как галактики и скопления галактик, образуются в результате гравитационной неустойчивости. Измерение степени расширения требует использования телескопов для измерения расстояния (или времени прохождения света) объектов, видимых в различных масштабах (или красных смещениях) в истории вселенной. Эти усилия обычно ограничены трудностью точного измерения астрономических расстояний. Поскольку темная энергия работает против силы тяжести, больше темной энергии ускоряет расширение вселенной и замедляет формирование крупномасштабной структуры.
Изучение влияния темной энергии на крупномасштабную структуру включает в себя измерение тонких искажений в форме галактик, возникающих в результате искривления пространства при воздействии вещества, явления, известного как «слабая линза». В последние несколько миллиардов лет темная энергия стала доминирующей во вселенной и, таким образом, помешала формированию большего числа галактик и скоплений галактик. Это изменение в структуре вселенной раскрывается слабым линзированием. Другая мера приходит от подсчета количества скоплений галактик во вселенной, чтобы измерить объем пространства и скорость, с которой этот объем увеличивается. Целью большинства наблюдательных исследований темной энергии является измерение ее уравнение состояния (отношение его давления к плотности энергии), изменения его свойств и степень, до которой темная энергия обеспечивает полное описание гравитационной физики.
СОЛНЕЧНЫЕ ЗАГАДКИ
Наша звезда обладает магнитной активностью, испуская мощные вспышки света, частицы движутся со скоростью света и материальной ценностью в миллиарды тонн.
То, что происходит на солнце, имеет решающее значение для понимания того, как оно формирует пространство вокруг нас. Большая часть материала, выходящего из него, является частью солнечного ветра, постоянного выброса ионизированного газа, называемого плазмой. Эта плазма несет с собой магнитное поле Солнца, растягивая его через солнечную систему в виде гигантского пузыря, который охватывает более 10 миллиардов миль.
Ближе к источнику солнечного ветра, Parker Solar Probe увидел картину, совершенно отличную от той, что мы имеем на Земле: сложную, активную систему. Одно событие, в частности, привлекло внимание научных команд: перевороты в направлении магнитного поля, которое вытекает из Солнца, встроенного в солнечный ветер. Эти развороты, называемые «обратными переключениями», длятся от нескольких секунд до нескольких минут, пока они протекают по солнечному зонду Parker. Во время переключения магнитное поле возвращается назад, пока оно не направлено почти прямо на солнце.
Другая давняя солнечная тайна о том, как солнечный ветер вытекает из солнца.
Рядом с Землей мы видим, как солнечный ветер течет прямо от Солнца, прямо во все стороны. Но солнце вращается, когда испускает солнечный ветер, поэтому в какой-то момент между солнцем и землей солнечный ветер переходит от вращения вместе с солнцем к течению непосредственно наружу. То, где происходит этот переход, имеет значение для того, как солнце теряет энергию; Нахождение этой точки может помочь нам лучше понять жизненный цикл других звезд или образование планет.
Впервые Parker Solar Probe наблюдал солнечный ветер, пока он еще вращался. Прибор солнечного ветра Parker Solar Probe обнаружил вращение, начинающееся на расстоянии более 20 миллионов миль от Солнца, и когда зонд приблизился, скорость вращения увеличилась. Сила обращения была сильнее, чем предсказывали ученые.
Еще один вопрос, приближающийся к ответу, - космическая пыль - космические крошки столкновений, которые сформировали планеты, астероиды, кометы и другие небесные тела миллиарды лет назад. Ученые давно подозревали, что рядом с солнцем эта пыль будет нагреваться до высоких температур солнечным светом, превращая ее в газ и создавая беспыльную область вокруг солнца. Но никто никогда не наблюдал это.
Впервые компания Parker Solar Probe действительно увидела, как космическая пыль начала истончаться - чуть более 7 миллионов миль от Солнца. Это уменьшение пыли продолжается до текущих пределов измерений зонда на расстоянии чуть более 4 миллионов миль от Солнца.
КОСМИЧЕСКАЯ ПОГОДА
Наконец, измерения Parker Solar Probe дали нам новый взгляд на два типа космических погодных явлений: энергетические штормы частиц и выбросы корональной массы.
События на Солнце могут послать энергичные частицы, вылетающие в солнечную систему почти со скоростью света. Эти частицы несут много энергии, поэтому они могут повредить электронику космического корабля и даже поставить под угрозу астронавтов, особенно в открытом космосе, вне защиты магнитного поля Земли. Приборы Parker Solar Probe измерили никогда не замеченные события энергетических частиц - настолько малые, что все их следы теряются до того, как они достигнут Земли или любого из наших околоземных спутников.
Инструменты также предоставили беспрецедентную информацию о выбросах корональной массы, массивных облаках солнечного материала, которые солнце посылает в солнечную систему. Выбросы корональной массы могут вызвать целый ряд воздействий на Землю и другие миры, от искровых сияний до возникновения электрических токов, которые могут повредить электрические сети и трубопроводы.