Wydawać by się mogło, że współczesne rozumienie struktury Wszechświata jest już ugruntowane i ogólnie akceptowane. Ale od czasu do czasu trzeba go bronić przed tak zwanymi anomaliami, niewyjaśnionymi odchyleniami od normy, które podważają model standardowy. Porozmawiajmy dzisiaj o tym, jak dziwne zjawisko kosmologiczne, ze swej natury i zbieg okoliczności, zwane „Osią Zła”, niemal złamało współczesną kosmologię.
Echo Wielkiego Wybuchu
Ziemia patrzy w niebo tysiącami teleskopowych oczu. Kilkadziesiąt kolejnych znajduje się na orbicie. Pierwsze teleskopy były optyczne i zostały zaprojektowane do obserwacji lekkiej części widma promieniowania elektromagnetycznego, która jest dostępna dla ludzkiego oka. Współcześni zaglądają w bezdenną przestrzeń kosmiczną i obserwują jej obiekty w całym spektrum promieniowania elektromagnetycznego. Weźmy na przykład obserwatorium kosmiczne Swift. Został zaprojektowany do rejestrowania i obserwacji kosmicznych rozbłysków gamma - gigantycznych wybuchów energii obserwowanych w odległych galaktykach. Umieść krótkofalowe promieniowanie gamma na samym początku widma elektromagnetycznego. Rosyjskie obserwatorium orbitujące Radioastron bada czarne dziury i gwiazdy neutronowe w zakresie radiowym, bliżej drugiego końca widma.
Niektóre orbitujące obserwatoria są lepiej znane, inne mniej. Na szczycie rankingu popularności znajduje się Kosmiczny Teleskop Hubble'a, który znajduje się na orbicie od 27 lat. Bada przestrzeń w zakresie widzialnym, ultrafioletowym i podczerwonym. Powszechnie znany jest również Kepler, wyposażony w superczuły fotometr pracujący w zakresie 430–890 nm (zakres światła widzialnego i podczerwieni), który może jednocześnie obserwować fluktuacje jasności 145 000 gwiazd.
Ale wśród nich są obserwatoria orbitalne, których głównym celem nie są pojedyncze gwiazdy, planety czy galaktyki, ale sam Wszechświat. Celem znalezienia ich na orbicie jest pomoc astronomom w zrozumieniu struktury naszego Wszechświata, próba zrozumienia jego historii. A może i zobacz przez ścianę niesamowitych odległości i innych wszechświatów.
Uruchomione przez NASA w czerwcu 2001 roku obserwatorium WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) było jednym z nich. Urządzenie zostało zaprojektowane do badania reliktowego promieniowania tła, które powstało w wyniku Wielkiego Wybuchu. Do października 2010 r. Znajdowała się 1,5 miliona km od Ziemi na orbicie w pobliżu punktu L2 Lagrange'a układu Słońce - Ziemia. W latach 2001-2009 skanował sferę niebieską i przekazywał wyniki obserwacji na Ziemię. Na podstawie danych uzyskanych przez teleskop sporządzono szczegółową mapę radiową nieba przy kilku długościach fal elektromagnetycznych: od 1,4 cm do 3 mm, co odpowiada zakresowi mikrofal.
Reliktowe promieniowanie równomiernie wypełnia Wszechświat. To mikrofalowe promieniowanie tła, które powstało w erze pierwotnej rekombinacji wodoru, jest rodzajem „echa” Wielkiego Wybuchu. Ma wysoki stopień izotropii, czyli jednorodność we wszystkich kierunkach. Jego widmo promieniowania odpowiada widmowi promieniowania ciała absolutnie czarnego o temperaturze 2,72548 ± 0,00057 K. Maksymalne promieniowanie pada na fale elektromagnetyczne o długości 1,9 mm i częstotliwości 160,4 GHz (promieniowanie mikrofalowe). Bez wchodzenia w szczegóły, w skali promieniowania elektromagnetycznego plasuje się pomiędzy termicznym promieniowaniem podczerwonym a częstotliwościami komunikacji komórkowej, radiofonii i telewizji. Mikrofalowe promieniowanie tła jest izotropowe z dokładnością do 0,01%. To jest dokładnie to, co wskazuje naprzemienność „ciepłych” pomarańczowych i „zimnych” niebieskich obszarów na mapach radiowych statku kosmicznego. Ma anizotropię na małą skalę.
Film promocyjny:
W 2010 roku obserwatorium zakończyło swoją misję. Tak jak kiedyś WMAP zastąpiło obserwatorium Cosmic Background Explorer (COBE), znane również jako Explorer 66, i zostało zastąpione przez bardziej czułe i nowoczesne Europejskie Obserwatorium Plancka zlokalizowane w tym samym punkcie L2. … Planck ma wyższą czułość i szerszy zakres częstotliwości.
Porównanie wyników z COBE, WMAP i Planck. Ilustracja przedstawiająca, jak różna jest czułość ich przyrządów pomiarowych
wikipedia.org
Przebity przez oś
Głównym przepisem współczesnej kosmologii, na którym opiera się najnowocześniejsze modele budowy Wszechświata, jest tak zwana zasada kosmologiczna. Według niego, w tym samym momencie każdy obserwator, gdziekolwiek jest i w jakim kierunku spojrzy, znajdzie średnio ten sam obraz we Wszechświecie.
Ta niezależność od miejsca obserwacji, równość wszystkich punktów w przestrzeni nazywa się jednorodnością. A niezależność od kierunku obserwacji, brak preferowanego kierunku w przestrzeni, to znaczy fakt, że Wszechświat nie preferuje jednego kierunku do drugiego, to izotropia. A jego brak to anizotropia.
Wszystko byłoby dobrze, ale dopiero w procesie przetwarzania danych uzyskanych przez sondę WMAP wyciągnięto wnioski o właśnie takiej anizotropii Wszechświata. Wyniki analizy danych wykazały obecność w przestrzeni pewnego rozszerzonego obszaru, wokół którego odbywa się orientacja całej struktury Wszechświata. Oznacza to, że w kosmosie nadal istnieje kierunek, w którym galaktyki i duże obiekty kosmiczne są ustawione w jednej linii. Zjawisko to, zdolne do przełamania współczesnego rozumienia Wszechświata, nazwano „Osią Zła”. Sam termin został ukuty przez portugalskiego fizyka i kosmologa João Magueijo pracującego w Wielkiej Brytanii.
Niebieskie obszary są najzimniejsze, pomarańczowe są „najcieplejsze”. Biała linia - „Axis of Evil”. Konturowany owalem - superwoid Eridani
wikipedia.org
Uważa się, że nazwa ta kojarzy się nie tyle z „geometrią” zjawiska, ile z wpływem, jaki to zjawisko może mieć na aktualne wyobrażenia o Wszechświecie. Między innymi kilka lat wcześniej prezydent USA George W. Bush wprowadził to samo określenie w odniesieniu do krajów, które według Stanów Zjednoczonych sponsorują międzynarodowy terroryzm i stanowią zagrożenie dla pokoju i stabilności na planecie.
Należy zauważyć, że nasz Wszechświat ma pewną niejednorodność i anizotropię. W przeciwnym razie nie byłoby galaktyk, gwiazd ani planet. I w końcu ty i ja też. To wszystko są odchylenia od jednorodności wszechświata. Zasada kosmologiczna ma zastosowanie do bardzo dużych skal, znacznie przekraczających rozmiary gromady galaktyk. Mówimy o setkach milionów lat świetlnych. Na mniejszą skalę niejednorodność jest możliwa w wyniku fluktuacji kwantowych spowodowanych Wielkim Wybuchem.
Mageiju, obserwując „ciepłe” (pomarańczowe) i „zimne” (niebieskie) obszary fluktuacji mikrofalowego promieniowania tła, dokonało interesującego odkrycia. Odkrył, że nawet w największych skalach wahania promieniowania reliktowego (wahania temperatury) nie są zlokalizowane przypadkowo, ale względnie uporządkowane.
Odrębnym przykładem takiej manifestacji anizotropii jest reliktowe zimne miejsce w konstelacji Eridanus. Tutaj promieniowanie mikrofalowe jest znacznie niższe niż w otaczających obszarach. Przy średnicy prawie miliarda lat świetlnych superwoid Eridani ma znacznie mniej gwiazd, gazu i galaktyk niż zwykle.
Nie ma dokładnego zrozumienia, co mogło spowodować taką ziejącą dziurę. Profesor Laura Mersini-Houghton z University of North Carolina podaje to ekscytujące wyjaśnienie: „To zdecydowanie odcisk innego wszechświata poza naszym własnym”.
Wydawało się?
W 2009 roku ESA wypuściła na orbitę bardziej zaawansowany teleskop Plancka. Statek kosmiczny miał na pokładzie dwa przyrządy do badania nieba: odbiornik niskiej częstotliwości obejmujący zakres częstotliwości od 30 do 70 GHz, co odpowiada falom w przybliżeniu od 4 do 10 mm, oraz odbiornik wysokiej częstotliwości o częstotliwości od 100 do 857 GHz i długości fali 0, 35 do 1 mm. Zebrane promieniowanie skupia się na instrumentach przez układ dwóch zwierciadeł - głównego o wymiarach 1,9 na 1,5 m oraz drugiego o wymiarach 1,1 na 1,0 m. Odbiorniki teleskopu zostały schłodzone do niemal zera absolutnego, pracując w temperaturze –273, 05 ° C, czyli 0,1 ° C powyżej zera absolutnego. Obserwacje nieba „Planck” trwały aż do wyczerpania się w styczniu 2012 r. Ciekłego helu, chłodzącego odbiorniki.
Teleskop „Planck” w punkcie Lagrange'a L2 układu Słońce - Ziemia
popsci.com
Musiał odrzucić wyniki uzyskane przez WMAP lub, przeciwnie, je potwierdzić. A pierwsza analiza uzyskanych danych, przeprowadzona w 2013 roku, wykazała, że „Oś Zła” we Wszechświecie naprawdę istnieje. Ale w tym czasie wszystkie dane otrzymane przez statek kosmiczny nie zostały jeszcze opublikowane.
Dopiero w zeszłym roku zespół badaczy z University College London (UCL) i Imperial College London, opierając się na wynikach analizy pełnego zbioru danych z teleskopu, stwierdził, że nie ma prawdziwej „osi”. Dane uzyskane z teleskopu w latach 2009-2013 przeanalizowano za pomocą superkomputera. Wyniki analizy wykazały: Wszechświat jest izotropowy. Badanie przeprowadzone przez brytyjskich astronomów zostało opublikowane w maju 2016 przez Physical Review Letters.
Daniela Saadeh, kosmolog naukowy z Wydziału Fizyki i Astronomii na University College London, która wzięła udział w badaniu, nie ukrywa swojej radości: „Można powiedzieć, że uratowaliśmy kosmologię przed całkowitą rewizją”.
W wyjaśnieniu wyników badania opublikowanym na stronie internetowej uczelni, Daniela wyjaśnia: „Wyniki badania są najlepszym dowodem na to, że wszechświat jest taki sam we wszystkich kierunkach. Nasze obecne rozumienie struktury wszechświata opiera się na założeniu, że nie preferuje on jednego kierunku od drugiego. Ale musisz zrozumieć, że teoria względności Einsteina w zasadzie nie zaprzecza możliwości istnienia niezrównoważonej przestrzeni. Wszechświaty, które obracają się lub rozciągają, mogą równie dobrze istnieć, więc jest bardzo ważne, aby tak nie było w naszym przypadku. Chociaż oczywiście nie możemy tego całkowicie wykluczyć, ale z naszych obliczeń wynika, że prawdopodobieństwo jest tylko jedno na 121 000”.
Skanowanie sfery niebieskiej teleskopem Plancka
esa.int
Sergey Sobol