Этот курс посвящен ключевым проблемам современной астрофизики: рождению, эволюции и финальной стадии жизни звезд.
Некоторые из них, например, нейтронные звезды отличаются сверхвысокой плотностью вещества и сверхсильными магнитными полями — такие условия пока недостижимы для современных лабораторий. Как же ученые исследуют эти объекты?
В курсе вы познакомитесь с работой специалистов астрофизики высоких энергий и нейтринной астрономии и разберетесь, зачем люди изучают вспышки сверхновых, ускорение заряженных частиц на космических ударных волнах и высокоэнергитичные нейтрино.
А главы, посвященные теоретической и наблюдательной космологии, объяснят, как эта наука отвечает на вопросы о рождении Вселенной, динамике ее расширения и о формах материи ее заполняющих.
From the lesson
Наблюдательная космология
Раздел состоит из 5 лекций. Из этих лекций вы можете узнать о современных методах исследования структуры Вселенной. Что такое Крупномасштабная структура Вселенной, реликтовое излучение, квазары – одни из самых энергичных объектов во Вселенной, которые наблюдаемы сегодня и в то же время находятся от нас на гигантских космологических расстояниях, вплоть то 10 млрд. световых лет.
Физик-теоретик, доктор физико-математических наук, академик РАН, лауреат Государственной премии 2008 года в области науки и технологий. Заведующий кафедрой "Космические исследования" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА] [МУЗЫКА]
[МУЗЫКА] Я
начну с интересного факта: если вы включите телевизор на частоте,
которая находится между телевизионными каналами, то вы увидите белый шум.
Так вот, оказывается,
что несколько процентов от этого белого шума — это реликтовое излучение,
это излучение, оставшееся после процесса первичной рекомбинации во Вселенной,
которая происходила на красных смещениях порядка 1000,
когда возраст Вселенной был всего лишь 400 тысяч лет.
На самом деле реликтовое излучение — это одно из наиболее убедительных
подтверждений модели «горячей Вселенной».
Так выглядит спектр реликтового излучения.
Оказывается, что реликтовое излучение имеет тепловой спектр, то есть спектр,
который имеет абсолютно черное тело с температурой порядка 2,7 градуса Кельвина.
Спектр этот в первом приближении не зависит от направления, в котором вы
его мерите, то есть в первом приближении реликтовое излучение изотропно.
За изучение реликтового излучения были вручены две Нобелевские премии в
1978 и 2006 году.
Первая была вручена за открытие реликтового излучения,
а вторая — за открытие чернотельной формы спектра реликтового излучения и
открытие анизотропии реликтового излучения.
Что такое анизотропия реликтового излучения и почему это важно,
это тема этой лекции.
На этом рисунке показана карта неба,
выраженная в температуре измеряемого спектра в микроволновом диапазоне,
то есть микроволнового фона, который увидели Пензиас и Уилсон,
когда открыли реликтовое излучение в 1965 году.
Они сделали это с помощью наземной антенны.
И они показали, что в целом реликтовое излучение изотропно,
то есть его температура не зависит от того, на какой участок неба мы смотрим,
а можно сказать, только за исключением центральной области на этой карте,
которая соответствует диску нашей Галактики.
Более точные измерения температуры микроволнового фона
были выполнены на спутнике COBE в 1992 году.
Здесь показана карта неба, которую получил спутник COBE.
Видно, что помимо излучения Галактики, которое также находится по центру этой
карты, видны небольшие температурные отклонения,
то есть анизотропия температуры микроволнового фона.
При этом величина этих
неоднородностей всего 10 в −5-й от температуры измеряемого спектра.
Карта анизотропии микроволнового фона была существенно улучшена с помощью двух
последующих спутников, это спутники
WMAP и спутник Planck, который был запущен в 2009 году.
На этом рисунке показано сравнение карты анизотропии микроволнового фона,
которые были получена на спутнике COBE и последующем спутнике WMAP и Planck.
Видно, что детализация карт существенно увеличилась,
и именно данные обсерваторий WMAP и Planck позволили нам исследовать
анизотропию реликтового излучения и определять космологические параметры.
Этот ролик показывает, как спутник Planck сканирует небо и получает карту.
Оказывается, что для определения температуры микроволнового фона на
уровне 10 в −5-й не нужно определять температуру с такой точностью.
Достаточно сравнивать соседние участки неба.
После этого карту микроволнового фона нужно очистить от паразитных помех.
Такими являются точечные источники, которые на самом деле в большинстве
случаев — это галактики, дающие излучение в микроволновом диапазоне.
Помимо этого нужно вычесть излучение от электронов и пыли,
которые находятся в нашей Галактике.
В итоге получается карта анизотропии реликтового излучения.
И на этом рисунке показана эта карта, используя данные обсерватории Planck.
Красным цветом здесь показаны участки неба,
имеющие бо́льшую температуру, синим — имеющие меньшую температуру.
Как я уже сказал, характерная амплитуда неоднородности — порядка 10 в −5-й.
И на самом деле,
это наиболее детальная карта анизотропии реликтового излучения, которую мы имеем.
Каким образом образуется анизотропия реликтового излучения?
На момент первичной рекомбинации во Вселенной основными компонентами являются
излучение, барионная материя и темная материя.
Гравитация заставляет материю падать в потенциальные ямы, которые образуются
за счет неоднородностей плотности, имеющейся во Вселенной.
С другой стороны, излучение тесно взаимодействует с
электронами барионного вещества посредством томсоновского рассеяния.
Это приводит к тому, что возникающее давление излучения препятствует тому,
чтобы материя падала в эти ямы.
Эти две противоборствующие силы приводят к тому,
что возникают осцилляции температуры и плотности в ранней Вселенной.
Следующим важным фактором является космологическое расширение Вселенной,
которое приводит к тому,
что общая температура фотонов и барионов уменьшается.
До красных смещений порядка 1000 температура фотонов, то есть их энергия,
настолько велика, что они сразу же ионизуют образующиеся атомы.
При этом фотоны эффективно рассеиваются на электронах среды, что приводит к тому,
что барионы имеют такую же температуру, как и фотоны.
После того как температура фотонов упала примерно на красных смещениях 1000,
они не могут ионизовывать атомы.
Образуются атомы, с которыми фотоны уже очень слабо взаимодействуют,
и этот процесс называется процесс первичной рекомбинации.
Фактически та карта анизотропии реликтового излучения, которую мы видим,
запечатлевает поверхность последнего рассеяния фотонов на веществе в среде.
При этом горячие области соответствуют более плотным областям,
там, где вещество падает в гравитационную яму,
а холодные области соответствуют менее плотным областям.
Как я уже сказал, в первичном веществе происходят
осцилляции температуры и плотности, которые на самом деле являются
акустическими колебаниями и подобны звуку, с помощью которого мы общаемся.
И одной из главных характеристик колебаний является спектр мощности —
то как квадрат амплитуды колебаний зависит от характерного масштаба колебаний.
То есть спектр мощности фактически показывает вклад колебаний разной
амплитуды в измеряемую карту анизотропии реликтового излучения.
На этом рисунке показан спектр мощности анизотропии реликтового излучения,
которое было получено с использованием карты, полученной обсерваторией Planck.
Можно заметить, что в этом спектре мощности имеются несколько пиков, это
значит, что колебания некоторых масштабов превалируют над другими колебаниями.
Центральный пик соответствует угловым размерам порядка градуса,
и он еще у нас будет возникать в следующих лекциях.
Оказывается, что относительная величина и положение пиков в
спектре мощности зависит от параметров Вселенной.
Эти анимации показывают, как спектр мощности зависит от
таких параметров во Вселенной, как плотность барионной материи,
плотность темной материи, плотность темной энергии и кривизны Вселенной.
Видно, что зависимость достаточно выраженная, таким образом по спектру
мощности можно сказать, что мы можем определить параметры Вселенной.
И это было сделано, и здесь показаны некоторые из определенных параметров,
используя карты анизотропии реликтового излучения.
Вы можете видеть, что точность определения параметров потрясающая,
всего несколько процентов.
Подводя итог этой лекции, я бы сказал, что анизотропия реликтового излучения — это
один из самых удивительных феноменов в астрофизике.
Она запечатлевает акустические волны в среде ранней Вселенной и позволяет
нам измерить космологические параметры Вселенной с беспрецедентной точностью.
[БЕЗ_ЗВУКА]
[БЕЗ_ЗВУКА]
Ознакомьтесь с нашим каталогом
Присоединяйтесь бесплатно и получайте персонализированные рекомендации, обновления и предложения.
Варшалович Дмитрий АлександровичФизик-теоретик, доктор физико-математических наук, академик РАН, лауреат Государственной премии 2008 года в области науки и технологий.
