Опубліковані результати трьох років роботи супутника WMAP • Сергій Попов • Новини науки на "Елементи" • Астрономічна наукова картинка дня

Опубліковані результати трьох років роботи супутника WMAP

Карта анізотропії температури реліктового випромінювання з накладеними даними по його поляризації. Дані отримані за підсумками трирічної роботи супутника WMAP (зображення з сайту Проекту WMAP)

З'явилася серія статей, присвячена результатам трьох років спостережень космічного мікрохвильового фону на супутнику WMAP. В цілому, підтверджені попередні результати, отримані на цьому апараті. Уточнено основні космологічні параметри. З нових результатів головне те, що вдалося отримати дані по поляризації реліктового випромінювання, а також уточнити час доби реіонізаціі. Воно відповідає червоному зсуву z = 10, що менше оцінки, отриманої три роки тому.

Супутник WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) був запущений в червні 2001 року. Його завдання – вивчення космічного мікрохвильового фону (більш відомого для російськомовного читача як реліктове випромінювання). Реліктове випромінювання несе інформацію про період молодості Всесвіту, про той час, коли ще не було ні зірок, ні галактик. На той момент пройшло близько 300 000 років після Великого вибуху. В результаті розширення Всесвіт остигала, ставала менш щільною і нарешті стала прозора для випромінювання. Це сталося через рекомбінації, т.е. речовина з іонізованого стало в основному нейтральним: електрони і ядра атомів (в основному водню і гелію) об'єдналися. Через непрозорість Всесвіту не можна зареєструвати світло, випущений до моменту рекомбінації.

Зараз ми бачимо сильно почервонілі за рахунок космологічного розширення фотони, які були поширені в той доленосний момент. Тоді температура дорівнювала кільком тисячам градусів. Зараз же температура реліктового випромінювання становить менше 3 градусів за шкалою Кельвіна, що відповідає тому, що Всесвіт розтягнулася більш ніж в 1000 разів (т. Е. Червоне зміщення для реліктового випромінювання трохи перевищує 1000, коефіцієнт розтягування дорівнює z + 1, де z – червоне зміщення). Температура близько 3 К відповідає мікрохвильового випромінювання. Воно було відкрито в 60-і роки А. Пензиасом і Р. Вільсоном. З тих пір дані по реліктовому фону стали одним із стовпів спостережної космології. За відкриття реликта в 1978 році Вільсон і Пензіас отримали Нобелівську премію з фізики.

Температура космічного мікрохвильового випромінювання розподілена по небу неоднорідне (на малюнку сині області відповідають температурі нижче середньої, а червоні – вище середньої).За цим «шорсткості» можна отримати найважливіші дані про наш Всесвіт: які вклади темної енергії, темного і звичайного баріонів речовини в загальну щільність Всесвіту, чому дорівнює постійна Хаббла, який був спектр початкових неоднорідностей, з яких потім сформувалися всі структури, і т. Д . Тому астрономи створюють все нові і нові прилади для уточнення старих даних і отримання нових.

Щоб отримати повну карту реліктового випромінювання необхідно проводити спостереження з космосу. На початку 90-х років літало вже два спеціалізованих супутника: російський «Прогноз-9» (експеримент «Релікт», 1983-84 рр.) І американський COBE (Cosmic Background Explorer, 1989-93 рр.). Крім того, існує безліч дешевших наземних (або балонний, т. Е. Що запускаються на повітряних кулях) експериментів, які спостерігають лише «куточок неба», а не всю небесну сферу. На сьогоднішній день саме супутник WMAP є най-най: найсучаснішим, найефективнішим і т. Д. Відповідно, саме його результати особливо важливі для космології.

Легко порахувати, що три роки роботи WMAP закінчилися не сьогодні. Результати за перший рік роботи були опубліковані більше 3 років тому! Досить довго (довше, ніж очікувалося) йшла обробка нових даних.Справа в тому, що виділити крихітні «шорсткості» на рівні приблизно 0,001%, дуже важко. Адже в мікрохвильовому діапазоні є не тільки реліктове випромінювання. В першу чергу «заважає» наша Галактика (є багато джерел, що випускають мікрохвильове випромінювання). Потім треба відняти вклад «зайвих» позагалактичних джерел. І тільки після такого «просіювання» можна отримати золоті крупиці даних про ранньому Всесвіті.

Що ми маємо? Найголовніший висновок: сенсації не сталося. Автори обох робіт якісно підтверджують результати, отримані після обробки одного року спостережень. Уточнено значення параметрів Стандартної моделі. Зрозуміло, зменшилися невизначеності і помилки. (Зазначу, однак, що в космології, і не тільки, набір параметрів є в деякому сенсі модельно залежним – тобто спочатку ви вибираєте модель, а потім в її рамках визначаєте параметри. Зрозуміло, дані дозволяють оцінити і придатність моделі.) Підтверджено, що частка баріонів речовини у Всесвіті становить близько 4%. Постійна Хаббла дорівнює приблизно 73 км / с / Мпк.

Одне з важливих уточнень пов'язано з тим, що епоха реіонізаціі наблизилася до нас.Початкова невизначеність в червоному зміщенні, відповідному цій епосі (z = 10-30), звелася до z порядку 10. Тепер пояснити реіонізаціі набагато простіше, так як утворитися достатній кількості джерел на великих z досить важко, а на z = 10 вже явно повинні бути перші зірки і квазари.

Головне нове: отримані дані по поляризації реліктового випромінювання (на малюнку білі лінії відповідають даним по поляризації). Неполяризоване світло характеризується тим, що напрями векторів, наприклад, електричного поля електромагнітних хвиль змінюються хаотично (мова йде про потік випромінювання, що складається з великого числа хвиль; строго монохроматичне випромінювання завжди поляризоване). Кажуть про два типи поляризації: лінійної і кругової. У першому випадку вектор, наприклад, електричного поля зберігає свою орієнтацію в просторі. У другому він обертається навколо напрямку поширення хвилі з кутовий швидкістю, рівній частоті хвилі (див. Подробиці тут).

Поляризація реліктового випромінювання була передбачена Мартіном Рисом (Martin Rees) незабаром після відкриття самого випромінювання, в кінці 60-х років.Приємно відзначити, що ключовою роботою по цій тематиці стала стаття радянських вчених Баско і Полнарьова, опублікована в 1980 році. Вперше про спостереження поляризації реліктового випромінювання заявила кілька років тому група з Чикаго.

Чому ж виникає поляризація реликта? Якби світло просто «відокремився від речовини» за відсутності анізотропії, то спочатку неполяризована випромінювання таким би і залишилося. Не так відбувається, якщо є обурення щільності, швидкості речовини і метрики. Аналіз дозволяє виділити внесок різних ефектів в спостережувану поляризацію. (На російській мові про це можна детально почитати в книзі П. Насельськ і ін. «Реліктове випромінювання Всесвіту», а більш коротко і популярно – в книзі М. Сажина «Сучасна космологія в короткому викладі»; про виникнення поляризації випромінювання від астрономічних джерел, але без додатка до реліктовому випромінюванню можна почитати тут.) Важливо, що за даними про поляризацію можна розділити внесок первинних збурень густини речовини і первинних гравітаційних хвиль.

Існують різні методи візуалізації поля поляризації.Зазвичай поляризація показується відрізками, орієнтація яких відповідає орієнтації площини поляризації, а довжина – величиною (або логарифму величини) одного з параметрів, що характеризують поляризацію. Опис обраного методу в будь-якому випадку досить складно. Тому розміщення в інтернеті картинки з білими лініями по всій видимості залишаться для широкої публіки досить малоінформативними. Доведеться покладатися на словесний опис.

При аналізі поляризації фонового випромінювання також довелося довго боротися з перешкодами. Крім всіх звичайних для реликта «зайвих» джерел виникла необхідність побороти внесок поляризації, що виник в епоху реіонізаціі. Це момент часу, відповідний приблизно червоному зсуву z = 10, коли виникли джерела (перші зірки або перші активні ядра галактик, поки точно не відомо) розігріли речовина у Всесвіті і, таким чином, знову його іонізованних.

Вивчення поляризації космічного фонового випромінювання дозволяє, зокрема, зробити важливі обмеження на інфляційні моделі. Справа в тому, що поляризація реликта дозволяє оцінити внесок гравітаційних хвиль, які були згенеровані в дуже ранньому Всесвіті. У різних інфляційних моделях цей внесок різний.Дані трьох років роботи WMAP дають серйозний верхня межа на щільність гравітаційних хвиль. Деякі теорії передбачали більший внесок реліктових гравітаційних хвиль, ніж наявний верхня межа. Відповідно, такі теорії можуть бути відкинуті.

Проте до остаточного вибору теорії (та й взагалі, до остаточного підтвердження існування стадії інфляції або, навпаки, її «закриття») ще далеко. Щось додадуть подальші спостереження на WMAP, щось – експерименти на повітряних кулях або наземні спостереження. Але істотний прорив очікується тільки з запуском супутника наступного покоління. Це буде європейський апарат Planck.

джерела:
1) D.N. Spergel et al. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Three Year Results: Implications for Cosmology // astro-ph / 0603449.
2) L. Page et al. Three Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Polarization Analysis // astro-ph / 0603450.

Сергій Попов

Див. також:
Ігор Іванов, Астрофізики в здивуванні: у Всесвіті, схоже, є виділена вісь – «Елементи», 19.08.2005.


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: