[Перевод] Физика на пределе Вселенной
В области космологии интересные вопросы обычно хорошо освещаются в научных работах. Раскрытие тайн тёмной энергии, источника ускоряющегося расширения Вселенной — одна из крупнейших загадок современной науки. Тёмная материя, частицы, которые могут объяснить большое количество наблюдаемых странностей Вселенной, пока никак не даётся учёным, ищущим прямые доказательства её существования. Физика чёрных дыр, с её парадоксами искривления пространства и времени и недавним вниманием благодаря блокбастеру Interstellar всегда готова вызвать восхищённые возгласы.
Все эти области исследований активно разрабатываются космологическим сообществом, а не только являются концепциями, привлекающими внимание людей, не относящихся к учёным. Но если вы посетите университет, где работают космологи, или конференцию по космологии, вы услышите доклады по другим интересным областям нашей науки, расширяющим научное знание, от теорий инфляции до обнаружения гравитационных волн и прочих. В научно-популярной литературе им уделяется сравнительно мало внимания, если сравнивать с «большой тройкой»: тёмная материя, тёмная энергия и физика чёрных дыр. Я хотела бы описать две области, входящие в космологию, и заслуживающие такого же внимания: понимание природы космических лучей сверхвысоких энергий и разметка Вселенной времён тёмных веков.
Атмосферу земли постоянно бомбардируют частицы со всех направлений в космосе. Эти частицы не похожи на метеориты или космические обломки, но представляют собой отдельные частицы или ядра атомов. Но кроме этого о них ничего не известно, поскольку мы не измеряем космические лучи напрямую. Когда луч входит в атмосферу, он сталкивается с её частицами. Это вызывает цепную реакцию из вторичных частиц, которая падает на довольно большую площадь поверхности — т.н. душ из частиц. Мы построили детектор такого душа на территории в 2590 км.кв. — это обсерватория им. Пьера Оже в Аргентинском городе Мендоза. Ёмкости детектора способны определять частицы, попадающие в них, и воссоздавать входящее направление и энергию космического луча, породившего конкретное событие.
Энергия космических лучей, наблюдаемых обсерваторией Оже, может разниться на десять порядков. Лучи с наибольшей энергией, которые называют лучами ультравысоких энергий (Ultra High Energy Cosmic Rays, UHECR), несут по 1 Дж энергии на частицу. Примерно столько энергии вы тратите, чтобы поднять чашку с кофе со стола и сделать глоток, при этом вся эта энергия содержится в одной частице.
Ещё пример: на Большом адронном коллайдере, самом большом и мощном из построенных, оперируют энергиями порядка 10–6 Дж. В наблюдаемых UHECR энергии в миллион раз больше.
Наблюдавшиеся источники космических лучей (чёрные кружки). Красные точки — расположение активных галактических ядер, считающихся источниками UHECR.
Лучей с низкими энергиями наблюдается во много раз больше, чем с высокими — на одном квадратном километре за год появляется порядка 106 лучей со средней энергией и порядка 1 UHECR. Это служит одной из причин трудности определения точного направления, из которого приходят UHECR — они слишком редкие. Также трудно сказать, что разгоняет эти лучи до таких энергий. Пока что мы думаем о взрывах сверхновых, объединениях нейтронных звёзд, ускорении материи чёрными дырами, гамма-вспышках, и других, более экзотических объяснениях. Ни одно из объяснений не было подтверждено.
После появления космического микроволнового фонового излучения, во Вселенной настали тёмные века. В этот период в ней не было яркой светящейся материи. Никаких звёзд, галактик, сверхновых, пульсаров, квазаров — ничего, что испускало бы видимый свет, ультрафиолет или рентгеновское излучение. Короче, не на что было посмотреть в телескоп.
Но обычная материя в виде нейтральных лёгких элементов — в основном, водорода — сталкивалась и скапливалась. Некоторые комки превратились в звёзды и галактики, другие остались в виде рассеянного газа. В настоящий момент лучшим способом построения карты распределения обычной материи и сбора наблюдений, питающих наши модели развития Вселенной является наблюдение за всем, что светится. Но как собрать информацию о тёмных веках? Остаётся неизученным и пока недоступным время, когда материя ещё не собралась в светящиеся объекты.
В тёмные века были регионы с повышенной (синие) и пониженной (чёрные) плотностью материи, но никакие звёзды их не освещали
Один из многообещающих способов изучения тёмных веков — измерение 21-см переходов в нейтральном водороде. Водород состоит из одного протона и одного электрона, и у них обоих есть спин. Взаимная ориентация их спинов (смотрят ли они в одном направлении, или в противоположных) определяет энергетическое состояние атома. Однонаправленные спины приводят к чуть более высокоэнергетическому состоянию, чем разнонаправленные. Объекты стремятся к наиболее низким энергиям, поэтому атом водорода с однонаправленными спинами может спонтанно переключиться в состояние, где спины разнонаправлены. Поскольку этот уровень находится ниже, а энергия должна сохранятся, в этом процессе испускается фотон. Известно точное количество энергии, испускаемой в этом процессе, и оно соответствует длине волны фотона в 21,1 см (частота 1420,40575 МГц). (радиолиния нейтрального водорода).
Наши ожидания яркости 21-см излучения зависят от того, что происходит вокруг облаков нейтрального водорода, и это делает это излучение удивительным детектором для разных областей физики. Например, если вблизи начинает светить новая звезда, мы измеряем определённые показатели в спектре излучения, соответствующие времени «включения» звезды. У нас сейчас мало данных о первых моментах формирования звёзд, которые начали появляться где-то через 400 миллионов лет после Большого взрыва, а возможно, и гораздо раньше. Кроме того, наблюдение за такими явлениями может помочь ответить на один вопрос космологии: почему наша Вселенная такая ионизированная, то есть, почему в наблюдаемых газовых облаках так много положительно заряженных атомов по сравнению с количеством нейтральных. Формирование КМФИ говорит о том, что нейтральные атомы появились во Вселенной очень рано, поэтому что-то должно было зарядить нейтральный газ. Что это, где и когда оно началось, мы пока не знаем.
Прекрасно! Давайте-ка измерим все световые волны 21 см и все будут счастливы! Но это не так просто. Мы знаем о времени испускания конкретного фотона в частности по его красному смещению. Поскольку пространство расширяется, длины фотонов, летящих в нём, увеличиваются. Поэтому у 21-см фотона, испущенного 13 млрд. лет назад, длина волны будет больше, чем у испущенного 1 млрд. лет назад, потому что первый фотон был свидетелем 12 млрд. лет расширения Вселенной. Но мы точно знаем, как подсчитать смещённую длину испущенного фотона, поэтому мы знаем, из какой эпохи он пришёл.
При наблюдении 21-см радиолинии существуют два главных препятствия, которые учёные пытаются обойти. У фотонов, испущенных в тёмные века, красное смещение привело к растягиванию волны до 1 метра. Поскольку длина волны обратно пропорционально частоте, можно подсчитать, что их частота будет в районе 1 ГГц. Именно на такой частоте излучают радиостанции в FM-диапазоне, которые вы слушаете по дороге на работу. Радиосигналы, создаваемые человеком, вымывают все космические радиосигналы, поэтому 21-см обсерватории должны работать либо в местах радиомолчания, либо в космосе. Одним из лучших мест для такой обсерватории была бы обратная сторона Луны — синхронное вращение скрывает её от Земли и предоставляет постоянную защиту от радиопередач.
Но на Земле всё сложнее. Если вы наблюдаете видимый свет в телескоп, то чтобы отгородиться от мешающего вам света, вам нужно переместиться в тень. Для поиска тёмных мест можно использовать кривизну Земли — то есть, переместившись подальше от больших городов, чтобы их не было видно вплоть до горизонта, вы закроетесь от них Землёй. Но с такой радиочастотой этот номер не проходит. Верхняя часть атмосферы прекрасно отражает эти радиоволны, поэтому даже сокрытие их источника за горизонтом не поможет. Один эксперимент по измерению 21-см интенсивности тёмных веков, SCI-HI, сейчас испытывает проекты детекторов в одном из самых лишённых радио мест, на острове Гуадалупе в Мексике.
Космология — это активная и пленительная область исследований, даже без учёта научно-популярных областей вроде тёмной материи, тёмной энергии и чёрных дыр. Две описанные в статье темы лишь приоткрывают глубокие вопросы, на которые космологи ищут ответы. Поскольку описание научных новостей обычно приукрашивается яркими результатами или заключениями, иногда кажется, что мы уже почти нашли ответы на последние крупные вопросы по эволюции Вселенной. Но мы лишь стоим у обрыва, взирая на каньон новых границ космологии, которые мы только начинаем изучать, ожидая, пока к ним привыкнут наши глаза.
