меню содержание news273 news274 news275
Звездочёты расчленили солнечную смерть
|
Примерно через пять миллиардов лет Солнце станет таким чудовищем. А Земля окажется
где-то внутри его оболочки. Самое время задуматься о страховке, не правда ли?
( иллюстрация ESO ).
Президент в тоске. Астрономы в печали. Есть о чём горевать: Солнце погибнет. Оно будет раздуваться,
поглощая Меркурий, Венеру, Землю… Живого не останется. Из аккуратного желтоватого шарика оно
превратится в красную тушу, которая, возможно, ещё и будет пульсировать. А теперь учёные заглянули
в её внутренности, хотя эта трагедия пока не произошла.
Узнать, что будет твориться внутри Солнца в те дни, когда оно дойдёт до жизни такой, не так уж слож-
но. Для этого нужно найти звезду, которая уже находится в таком состоянии и наблюдать. За это ответ-
ственное дело вместе со своими коллегами взялся астроном Маркус Виттковски (Markus Wittkowski) из
Южной европейской обсерватории ( European Southern Observatory - ESO ).
Учёные взяли ( это, конечно, образное выражение ) звезду S Ori из созвездия Ориона и стали на неё
смотреть. Выбор этого объекта обусловлен двумя предпосылками. Во-первых, она имеет массу, схожую
с массой Солнца, и, по-видимому, приблизительно повторяет эволюцию нашей звезды. Во-вторых,
сейчас S Ori находится в таком состоянии, в котором Солнце будет через 5 миллиардов лет, то есть яв-
ляется невероятно "распухшим" красным гигантом, медленно трансформирующимся в белый карлик.
Иллюстрация M. Wittkowski, D. A. Boboltz, K. Ohnaka, T. Driebe, M. Scholz.
Цикл пульсации S Ori. Светло-голубым цветом показана поверхность звезды. Тёмно-синим выделен
молекулярный слой, в котором содержатся частицы оксида алюминия и оксида кремния. Цветные
пятна, наложенные на изображение, - это мазерное излучение, зафиксированное радиотелескопами
VLBA от "комкообразных" скоплений пыли (зелёные - от Al2O3, красные - от SiO). Во время расшире-
ния во время фаз 1, 2 и 3 слой с частицами этих оксидов не меняет локализации. Однако при сжатии
оболочки ( 4-я фаза) под действием части газа, "убегающего" от звезды, эти пылевые частицы уда-
ляются во внешнее пространство.
S Ori находится в неустойчивом состоянии, в результате чего ряд её параметров меняется со временем.
Она является пульсирующей переменной звездой. В течение одного цикла пульсации, длящегося 420
дней, её яркость меняется в 500 раз.
Несмотря на то, что эта звезда в сотни раз крупнее Солнца, рассмотреть её очень трудно. Поэтому
астрономам приходится применять специальную технику. В этот раз группа Виттковски решила ис-
пользовать оптический телескоп-интерферометр VLTI ( Very Large Telescope Interferometer) и радиотеле-
скоп-интерферометр VLBA ( Very Long Baseline Array ), с помощью которых получилось заглянуть во
внутреннюю часть умирающего гиганта.
Дэвид Боболц (David Boboltz), другой участник исследования из военно-морской обсерватории Соеди-
нённых Штатов (United States Naval Observatory), сравнил труд астронома с работой медработника, кото-
рому приходится пользоваться различными инструментами. Поэтому на этот раз и применили два раз-
ных интерферометра. Благодаря этим приборам исследователи изучили внутреннюю структуру красно-
го гиганта и вычленили в нём отдельные слои.
С помощью VLTI учёные смогли определить и амплитуду пульсации диаметра S Ori. Как выяснилось,
он меняется от 400 до 500 солнечных радиусов. Так что если вокруг S Ori и есть планеты, сейчас они
в лучшем случае похожи на горячие камни или раскалённые газовые шары.
S Ori в сравнении с Солнечной системой ( иллюстрация ESO ).
Особенно интересным оказалось открытие в атмосфере, окружающей звезду, оболочки из моноксида
кремния (SiO), соединения, которое в земных условиях в чистом виде не существует. Этот слой выдал
себя монохроматичным электромагнитным излучением в сантиметровом диапазоне – так называемым
мазерным излучением, которое зарегистрировал VLBA.
Не меньшим сюрпризом оказалось открытие оксида алюминия Al2O3 ( на Земле он существует в виде
минерала корунда), смешанного с SiO.
Оба этих вещества ведут себя одинаково, отличаясь только спектрами излучения. Раньше считалось,
что подобные соединения сразу "вылетают" из звезды в окружающее пространство, внося свой вклад
в формирование космической пыли, а затем и планетарных дисков. Однако учёные были очень удив-
лены, узнав, что эти вещества могут находиться внутри атмосферы S Ori.
Впрочем, со временем часть материи всё же выносится наружу, и, по оценкам исследователей, масса
вещества, которое S Ori теряет за цикл пульсации, сопоставима с массой нашей планеты. Наиболее ин-
тенсивный выброс происходит во время минимума пульсации.
По словам Боболца, в скором времени исследователи планируют отследить мазерное излучение моле-
кул воды, находящихся в самой удалённой от центра части газовой оболочки. Это позволит получить
более точную картину пульсации S Ori.
"Герои", благодаря которым удалось "расчленить" внутреннюю структуру S Ori:
вверху - обсерватория в чилийской пустыне, где находится VLTI, внизу - один
из телескопов VLBA, находящийся в Нью-Мексико (фото Gerhard Hudepohl, Ian Parker).
Это первый случай, когда астрономы смогли рассмотреть в деталях практически точную копию Солн-
ца в будущем, находящуюся где-то далеко от нас, и "разобрать" её по невиданным ранее "запчастям".
То, что предстало перед ними – это фактически смерть нашей звезды и вместе с ней – Солнечной сис-
темы. С одной стороны, никуда от этой мрачной развязки, похоже, не деться. С другой, ожидается она
уж очень не скоро. Так что у нас ещё много времени, чтобы подумать о будущем жителей Земли..
ссылки:
membrana.ru/articles/global/2007/07/05/183400.html
eurekalert.org/pub_releases/2007-05/eso-coa053107.php
arxiv.org/abs/0705.4614
Вселенная, которая существовала до Большого Взрыва
|
Фото: Martin Bojowald
Доктор Боджовальд рассказал, чтo именно он увидел во Вселенной, которая существовала до Большо-
го Взрыва. Правда, его оппоненты считают, что модель доктора не реалистична. Да и увидеть ему поч-
ти ничего не удалось.
Американский физик-теоретик из Института гравитационной физики и геометрии университета Пен-
сильвании Мартин Боджовальд смог заглянуть за точку Большого Взрыва (Big Bang), то есть за момент
образования нашей Вселенной. Как передает университетская служба новостей, «можно сказать, что
ученый изобрел математическую машину времени.». С помощью довольно простых формул он смог
посмотреть на другую Вселенную – ту, что, согласно нескольким основопологающим теориям, пред-
шествовала нашей. К таким теориям относится учение о петлевой квантовой космологии ( ПКК ), в
основе которого лежит понятие петлевой квантовой гравитации – фундамента исследований Боджо-
вальда.
Теория ПКК была сформулирована еще в 80-е годы прошлого века в этом же университете и стала аль-
тернативой классической идее возникновения нашей Вселенной в результате Большого Взрыва, кото-
рый, по словам авторов теории ПКК, служит немалым препятствием в понимании происхождения
окружающего нас мира. Согласно ПКК, в которой общая теория относительности Эйнштейна объеди-
нена с уравнениями квантовой физики, пространство и время состоят из дискретных частей. Кванто-
вые ячейки пространства соединены друг с другом так, что в малом масштабе времени и длины созда-
ют дискретную структуру пространства, а в большем масштабе переходят в непрерывное пространство-
-время.
В 2006 году группа физиков из Университета Пенсильвании под руководством профессора Аштекара,
одного из создателей теории петлевой квантовой космологии, обнародовала результаты математичес-
кого моделирования, приблизившие ученых к описанию момента большого взрыва и свойств правсе-
ленной. Правда, модель не давала точных результатов в определении этих свойств.
Мартин Боджовальд продолжил исследования в этом направлении и предложил решаемую и более
простую математическую модель. Полученные результаты опубликованы в номере электронной вер-
сии Nature Physics от 1 июля 2007 года, в печатном виде статья выйдет в августовском выпуске одно-
именного журнала. Чтобы подробнее узнать о сути работы, обратились к Мартину Боджовальду за
разъяснениями.
– Я предложил новую, точно разрешимую модель, которая описывает переход Вселенной через Боль-
шой Взрыв, – пояснил Боджовальд «Газете.Ru». – Основной результат – это ряд математических функ-
ций, которые описывают поведение Вселенной до и после Взрыва. До него Вселенная сжималась,
пока не достигла наименьшего размера в момент так называемого отскока, а затем начала расширятся.
Такое ее поведение было известно из существующих моделей. К тому же у меня появилась возмож-
ность принять во внимание более детальные свойства квантовой гравитации, связанные с колебани-
ями в многократных изменениях размера Вселенной. Такие параметры важны, чтобы понять, была ли
Вселенная до Большого Взрыва похожа на ту, в которой живем мы. Или она отличалась и имела свойс-
тва, которые можно описать с помощью квантовой, но не классической физики. Для примера: если она
была квантована, ее свойства должны были быстро меняться во время квантового скачка. То, к чему я
пришел, используя эту модель, подразумевает, что мы не можем определить, были ли такие квантовые
скачки перед большим взрывом или нет.
Таким образом, квантовое состояние правселенной до Большого Взрыва, возможно, очень отличалось
от состояния нашей, но мы не сможем обнаружить эти различия – возникает «эффект забывания».
– А вы работали на основе теории петлевой квантовой гравитации?
– Петлевая квантовая гравитация использует специальные методы для объединения общей относитель-
ности с квантовой гравитацией.
Один из главных результатов этого объединения – условие, что пространство и время не непрерывны
и, что более вероятно, формируют решетчатую структуру.
Поэтому пространство и время могут изменяться наименьшими приращениями, а не произвольно. В
своей модели я применил математический аппарат, описывающий решетчатую Вселенную. Это позво-
лило мне решать уравнения размера Вселенной и квантовых колебаний как функций времени. Решения
содержат все свободные параметры, которые имеет система. Связывая определяющие свойства перед
большим взрывом со свойствами после него, я могу видеть, какую информацию можно получить о ро-
дительской Вселенной до момента взрыва.
– Как вы считаете, что же все-таки было до большого взрыва?
– Определенно, это было другое состояние Вселенной. В отличие от нашей она не расширялась, а сжи-
малась из большего объема. Чтобы узнать её точные свойства, необходимо усовершенствовать сущест-
вующие модели. Но независимо от модели есть такие характеристики, а именно, уже упомянутые кван-
товые колебания, которые мы никак не сможем определить по текущему состоянию Вселенной. Поэто-
му Вселенная перед большим взрывом могла весьма отличаться от нашей.
– А какой промежуток времени до большого взрыва можно описать?
– Величины, которые относятся к периоду, очень близкому к моменту Большого Взрыва, мы не можем
просчитать. Поэтому любое свойство Вселенной до взрыва, которое требует точного знания таких ве-
личин, не может быть рассчитано в принципе. Те же величины, которые мы можем знать в настоящем,
могут быть вычислены и в далеком прошлом.
– Был ли это действительно Большой Взрыв или какой-либо другой переход материи из предшеству-
ющей Вселенной?
– Понятие «Большой Взрыв» обычно относят к горячей стадии существования Вселенной, когда она
была мала и только начался процесс образования ядер и атомов. Этот процесс в нашей теории остает-
ся частью картины. Точкой перехода обычно называют момент «отскока», когда сжимающаяся Вселен-
ная начала расширяться.
– Какие исследования лежат в основе вашей работы?
– Данное исследование в области петлевой квантовой гравитации я начал в 2001 году. Кроме меня в
этом направлении работают доктора Аштекар, Павловский и Сингх, чьи численные вычисления я сог-
ласовал со своей моделью. Существуют и другие модели «большого отскока», которые базируются на
дополнительных допущениях о моменте «отскока», но в них нет конкретного смысла. Это, например,
циклическая модель Стейнхардта – Турока.
– Нужны ли дополнительные или новые исследования в данной области?
– Модель должна стать более реалистичной, и я над этим сейчас работаю. Эта работа позволит опреде-
лять влияние, которое оказала прошлая Вселенная на нашу. Можно будет проверить предположения с
помощью наблюдений, при этом непрямых, так как вовлечены огромные промежутки времени. Другое
направление исследований относится к вопросу, каково влияние петлевой квантовой гравитации на
нашу Вселенную после большого взрыва. Необходимо внести исправления в уравнения, в настоящее
время используемые в космологии, которые могут быть проверены с помощью изучения космического
микроволнового фона. Таким образом можно проверить некоторые свойства петлевой квантовой гра-
витации и узнать, подтверждаются ли допущения, используемые в модели «отскока». Эти исследова-
ния уже выполняются учеными Университета Пенсильвании, а также некоторыми исследователями в
других научных заведениях.
– Чтобы подтвердить полученные результаты на практике, можно ли использовать новейшее по-
коление телескопов, разрабатываемое ведущими космическими агентствами?
– В данное время уже разрабатываются подходящие космические телескопы, способные к исследовани-
ям космического микроволнового фона. Следующий новый аппарат такого типа – « Планк », который
будет запущен Европейским космическим агентством ( запуск запланирован на июль 2008 года ).
– Могли бы вы рассказать, много ли сторонников у теории петлевой квантовой космологии?
– Да, петлевая квантовая космология имеет много сторонников. В эту область науки неоценимый вклад
сделали такие ученые, как Эд Копленд, Джордж Эллис, Джим Лидси, Рой Мартенс и Реза Таваколь. Но
имеются и скептики, хотя их критика направлена скорее на теорию петлевой квантовой гравитации, а
не космологию в целом. Другие критики ссылаются на нехватку надежных уравнений, которые бы опи-
сывали эволюцию космологических структур, например тех, из которых образовались галактики. Но та-
кие уравнения скоро будут выведены, что позволит более детально сравнить нашу теорию с другими и
ответить на критические замечания в ее адрес.
Действительно, в теоретической физике есть много современников Мартина Боджовальда, развиваю-
щих другие теории возникновения и устройства вселенной, скептически настроенных по отношению
к петлевой квантовой космологии. Корреспондент «Газеты.Ru» поговорил с одним из них – доктором
Любошом Мотлом, физиком-теоретиком из Гарвардского университета.
– Я в курсе, что американские средства массовой информации, такие как New Scientist, USA Today или
Scientific American, уже растиражировали на этой неделе информацию о «революционной работе» в об-
ласти петлевой квантовой космологии, – отметил Мотл.
– Но она не выдерживает никакой критики и является худшей практически из всех, которые я прочел в
этой области.
Автор анализирует несерьезную модель, не использует какие-либо значимые параметры и делает вы-
вод, что «допущения или предположения всегда необходимы». Это полнейшая чушь. Если он не имеет
возможности ответить на некоторые вопросы, используя примитивную модель, это не значит, что дру-
гие ученые испытывают подобные неудобства. Единственное, что можно отметить в данной работе, –
отсутствие воображения и представления о текущем описании существующего мира, находящегося за
пределами области, в которой работает автор.
Боджовальд сконструировал некоторую модель, в которой Вселенная имеет одну степень свободы, при-
менив дискретное время и правила случайного выбора. Далее он анализирует стабильность и зависи-
мость от начальных условий, хотя это весьма понятно даже в полуреалистичных моделях нашей Все-
ленной, где имеются все необходимые степени свободы.
– А какой модели эволюции Вселенной придерживаетесь вы?
– Мои исследования относятся к теории струн, но это не модель эволюции, а раздел науки, в котором
физика частиц объединена с гравитацией. Что касается эволюции Вселенной, то я придерживаюсь
Большого Взрыва – стандартной модели в космологии, которая уже довольно хорошо развита. То есть
Вселенная начала эволюционировать с маленького объема, пошел процесс расширения и так далее –
это классическое описание. Но до этого, вероятно, был период инфляции или эквивалентное ей состо-
яние. Инфляция объясняет множество вопросов во Вселенной, но ее существование пока не доказано
( ..здесь доктор Мотл не совсем прав - gazeta.ru/science/2006/03/17 ). Я полагаю, что вероятность того,
что инфляция все-таки была, составляет около 90%. Понятие инфляции может быть согласовано с тео-
рией струн, но это не главное ее достоинство.
Конечно, любой может спросить: что же было до периода инфляции? Я лично думаю, что нет причин
для поиска ответа на этот вопрос.
Вселенная начала расти с нулевого размера и может быть описана волновой функцией Хартля - Хокин-
га или другим ее эквивалентом. Некоторые кардинально противятся и утверждают, что очень важно
учитывать постоянную инфляцию и явления, имеющие начало в родительских вселенных, и что необ-
ходимо изучить генеалогическое дерево всех этих вселенных, чтобы получше узнать собственную. Дру-
гие же ученые придерживаются теории о циклической Вселенной, но я не вижу хорошей доказатель-
ной базы. Нет веских причин им верить.
Газета.Ru обратилась за комментарием к Алексею Топоренскому, к. ф.-м. н., научному сотруднику Госу-
дарственного астрономического института имени П. К. Штернберга МГУ.
– В общем хорошо, что есть альтернатива теории струн, – считает Топоренский. – Собственно говоря,
это главное.
Но, так как эта конструкция не выходит за рамки чистой теории (пока нет возможности для какой-либо
экспериментальной проверки, как и со струнами ), объяснять что-либо с помощью неё пока рано, она
действительно должна стать более реалистичной.
gazeta.ru/science/2007/07/05_a_1880980.shtml
5 июля 2007 г.
«Общая теория относительности может использоваться для описания Вселенной до точки, где материя
становится такой плотной, что эти уравнения перестают действовать, – объясняет руководитель иссле-
дования, доктор Абхей Аштекар ( Abhay Ashtekar ). – За этой точкой необходимо использовать аппарат
квантовой механики, что не было доступно Эйнштейну». Комбинируя квантовую физику с общей тео-
рией относительности, д-р Аштекар и его коллеги смогли разработать модель, которая описывает сжи-
мающуюся Вселенную до Большого Взрыва.
По мере того как гравитационные силы стягивали эту Вселенную, она стремилась к точке, в которой
благодаря квантовым свойствам пространства-времени гравитационные силы становились отталкива-
ющими, а не притягивающими. «Используя квантовую модификацию космологических уравнений Эйн-
штейна, мы показали, что вместо классического Большого Взрыва на самом деле произошел квантовый
Отскок», – комментирует д-р Аштекар.
Хотя предположение о существовании Вселенной до Большого Взрыва было сделано уже давно, уче-
ные впервые создали математическую модель, которая подтверждает эту теорию и описывает свойст-
ва пространственно-временной геометрии «старой» Вселенной.
Ученые использовали идею петли квантовой гравитации, которая является основным приближением
при решении задачи объединения общей теории относительности и квантовой физики. Согласно этой
теории, пространственно-временная геометрия является дискретной «атомной» структурой, а привыч-
ный континуум – это только аппроксимация. Полотно пространства буквально соткано из одномерных
квантовых нитей. Вблизи Большого Взрыва это полотно разрывается и становится существенной кван-
товая природа геометрии. В результате этого гравитация становится отталкивающей и происходит
Большой Отскок.
Вселенная до и после Большого Взрыва
Моделирование основывалось на предположении об однородности Вселенной. В настоящее время
ученые занимаются усовершенствованием модели.
cnews.ru/news/line/index.shtml?2006/05/22/201872
по теме:
cnews.ru/news/top/print.shtml?2007/07/04/257383
rnd.cnews.ru/natur_science/news/2005/10/24/225511
astronet.ru/db/msg/1213490
Осциляция (сжатие) с последующим расширением Вселенной
в фазовом пространстве.
Источник: ( Nature 436 (2005) 920-921 )
universetoday.com/2007/07/02/before-the-big-bang/
scienceweek.com/2005/sw051028-6.htm
