Vaadake meie universumi olemust, toiteallikaks on BAO-d

- Swetha Srinivasan

Juhendavad Tafheem Ahmad Masudi ja Sukant Khurana

Kui suur on meie universum? Kas see kuskil lõpeb? Kas see jätkub igavesti?

Neid küsimusi on läbi ajaloo küsinud nii palju inimesi, nii paljud tsivilisatsioonid. Neile on otsitud vastuseid ja need on mõned kõige segasemad, kuid samas huvitavad küsimused.

Autor: phys.org

Oletame, et universum on piiratud. Siis kuhu läheks meie käsi, kui me selle servast välja lööksime? Kreeklased mõtisklesid selle üle. Samuti arvasid nad, et lõpmatu universum on võimatu. See jättis neile paradoksi.

1800. aastate alguses väitis Heinrich Oblers, et universum ei saa olla lõpmatu. Sest kui me peaksime taevast üles vaatama ja kui see oleks lõpmatu, peab meie vaateväljas olema täht. Ehkki näiv suurus võib olla väike, jääb väikese pinna heledus siiski samaks. Kui universum oli tähtedega täidetud, siis peab ka öötaevas olema hele. Kuna öötaevas on tumedad laigud, peab universum olema piiritletud. Newton teadis pärast raskusjõu avastamist, et see on universaalne, atraktiivne jõud. Kui universum oleks piiritletud, alluks see gravitatsioonile ja kukuks iseenesest kokku.

Einsteini sõnul peaks universum kas laienema või kahanema. Tema võrrandid nõudsid sellist lahendust. Kuid ta lisas konstandi, mida nimetatakse kosmoloogiliseks konstandiks, mis tühistas gravitatsiooni mõju suures plaanis. Ta tegi oletuse, et universum on staatiline, mis sai lõpuks tema suurimaks veaks.

Suur avastus

1929. aastal tegi Edwin Hubble kriitilise avastuse. Ta mõõtis galaktikate suhtelist kaugust, mõõtes Cepheidi muutuvate tähtede heledust. Ta mõõtis ka nende galaktikate punaseid nihkeid. Punased nihked vs vahemaa graafik osutusid lineaarseks. Punased nihked suurenesid kaugusega lineaarselt. Võimalik seletus oli, et universum laieneb.

Seejärel mõistsid astronoomid, et kui universum laieneb, peab see olema varem olnud väiksem ja kõige varasemal ajal pidi see olema vaid väike koht. See seletab Suure Paugu teooriat universumi evolutsioonist (skyserver.sdss.org)

Krediit: LiveScience

Universumi saatus

Kogu see arutelu nõuab väikese märkuse tegemist universumi saatuse kohta. Võimalikke võimalusi on kolm.

Kui universumi tihedus on suurem kui kriitiline tihedus, võtab gravitatsioon üle, laienemine peatub ja universum variseb iseendale, mida rahvapäraselt nimetatakse suureks krigiks. Selline universum on suletud universum.

Kui universumi tihedus on täpselt võrdne kriitilise tihedusega, siis on universum põhimõtteliselt tasane. See küll laieneb, kuid väga pika aja pärast muutub laienemiskiirus nulliks.

Kui tihedus on väiksem kui kriitiline tihedus, siis universum laieneb, see on avatud universum. Selle tulemuseks võib olla suur rebend.

Mis ajendab seda laienemist?

Sellist punkti, mida nimetatakse universumi keskmeks, pole, kust entiteed laienevad. Asjad ei liigu kesklinnast kaugemale, vaid eemalduvad üksteisest. Ruum laieneb. Me ei näe seda oma päikesesüsteemis ega märgatavalt ka meie galaktikas, kuna gravitatsioon selliste piirkondade kohal on piisavalt tugev. Kuid kosmoloogilises plaanis lähevad asjad üksteisest kaugemale ja laienemise kiirus ei ole konstantne, vaid kasvab. Asjad eemalduvad üksteisest kiiremini ja kiiremini.

Suurem osa meie universumist on tume energia ja öeldakse, et see tume energia on see, mis juhib laienemist.

Autor: SciTechDaily

Selle salapärase nähtuse dekodeerimiseks on hiljuti toimunud palju arenguid. Baryoni akustiliste võnkumiste programm ja Baryoni võnkespektroskoopiline uuring (BOSS) on teinud suuri edusamme.

BAOdest ja kvaasaritest

Baryoni akustilised võnkumised (BAO) on külmunud säilmed, mis on jäänud lahutamiseelsest universumist alles. Need on ideaalsed jooned 21. sajandi kosmoloogiliste vahemaade mõõtmiseks. Esitatud hinnangud põhinevad esimest korda selgelt arusaadavas, lineaarses füüsikas. (Bruce ja Renee)

Varane universum koosnes kuumast, tihedast plasmast. See hõlmas barjoneid ja elektrone. Baryonid on massiivsed elementaarosakesed, mis koosnevad kolmest kvarkist. Neutronid ja prootonid on baryonid (astro.ucla).

Kuna plasma oli nii tihe, ei saanud footonid vabalt kosmosest läbi liikuda, kuna neid allutati Thomsoni hajumisele, seega olid footonid sisuliselt ühendatud olemasoleva ainega.

Aja jooksul plasma jahtus ja elektronid ühendati prootonitega, moodustades vesiniku. Kuna footonid suhtlevad vähem neutraalse ainega, said nad nüüd vabalt liikuda. Ruum muutus footoniteks läbipaistvaks. Footonid olid lahti ühendatud.

Mõelge nüüd häiretele, mis pärinevad ürgse plasma tihedast piirkonnast enne lahutamise toimumist. See sisaldab tumeainet, barüoone ja footoneid. Plasma on ühtlane, välja arvatud see tihe piirkond.

Kõrgrõhkkond viib barüoon-footonivedeliku väljapoole valguse kiirusega üle poole. Tume aine interakteerub ainult gravitatsiooniliselt, moodustades seega vaadeldava lainesfääri piirkonna keskpunkti, samas kui baroonid ja footonid liiguvad rõhu tõttu sfääriliselt väljapoole. Kui lahtisidumine toimub, eralduvad footonid baroonidest ja põgenevad liikuvast sfäärist, voogades kiiresti välja. Barüoonsfäär fikseerub selle vahemaa tagant ja uppub, kaotades liikumisrõhu. Kuna footon-barüoon ei interakteeru enam, on ainus esinev jõud tumeda aine gravitatsioonijõud ja selle tagajärjel hakkavad baroonid aeglaselt keskpunkti poole tõmbama. On loodud tasakaal ja lõpuks on nii välissfääris kui ka sisemises tuumas liiga tihedad piirkonnad. Seda välimist kesta nimetatakse helihorisondiks. Neid peetakse CMB kiirguse (kosmilise mikrolaine taustkiirguse) ja galaktikate ruumilise jaotuse anisotroopiateks. Need kõikumised on kujunenud tänapäevasteks galaktikate seinteks ja tühimikeks, mis tähendab, et see barüoon-akustiliste võngete (BAO) skaala on tänapäeval galaktikate seas nähtav.

BAO programm hõlmab põhimõtteliselt massitiheduse välja jälje leidmist ja selle 2-punkti funktsiooni arvutamist. 2-punkti funktsiooni omadused vastavad helihorisondile. Teades nurka, mida see vahemaa läbib, mõõdetakse d (z). Võrreldes väärtusega z ~ 103 võimaldab meil piirata tumeda energia arengut (astro.berkeley.edu)

Krediit: www.astro.ucla.edu

Kasutades Baryoni võnkespektroskoopilist uuringut (BOSS), on kaks füüsikute meeskonda täiustanud teadlaste arusaama salapärasest tumedast energiast, mis kiirendab universumit.

Sel eesmärgil kasutatakse kvaasare. Kvaarid on väga suure helendusega astronoomilised objektid, mida leidub mõne galaktika keskmes ja mida käitatakse suure kiirusega spiraalides gaasi spiraalselt äärmiselt suureks mustaks auku. Heledamad kvaasarid võivad kõik tähed galaktikates, kus nad elavad, ületada, mis muudab need nähtavaks isegi miljardite valgusaastate kaugusel. Kvaarid on teadaolevate kõige kaugemate ja helendavate objektide hulgas (Britannica).

Krediit: populaarne mehaanika

Supermassiivsed mustad augud, mis töötavad raadiogalaktikates ja kvaasarites, mängivad galaktikate evolutsioonis olulist rolli. Kvasare ümbritseb tolm. Galaktikast lahkuv valgus voolab läbi selle tolmu, paljastades BAO-de jäljendi.

Neid andmeid kasutades on astronoomid loonud kõige täpsema kaardi kauges universumis asuvatest galaktikatest, pakkudes akent minevikku ja võimaluse korral ka pimedasse energiasse.

BOSS kasutab spetsiaalselt SDSS-i 2,5-meetrise teleskoobiga spektrograafiks kohandatud instrumenti, mis asub Uus-Mehhikos Apache Pointi observatooriumis. Projekti eesmärk on kuue aasta jooksul jälgida rohkem kui miljonit galaktikat (space.com).

Näide barüoonakustiliste võngete kontseptsioonist, mis on jäljendatud varajases universumis ja mida saab tänapäevalgi näha galaktikauuringutes nagu BOSS. Krediit: sgss3.org

SDSS-II LRGde ja BOSS DR9 CMASS galaktikate toitespektri võrdlus. Tahked jooned näitavad kõige sobivamaid mudeleid. Autor: Anderson jt. 2012

Neid barüoon-akustilisi võnkumisi on galaktikate jaotuses mõõdetud.

Kasutades akustilist skaalat füüsiliselt kalibreeritud joonlauana, mõõdetakse nurga läbimõõdu vahemaa täpsusega 1% punanihkega z = 0,3 ja z = 0,55. BOSS mõõdab ka kvaasari neeldumisjoonte jaotust ja kosmilist paisumiskiirust H (z). Need mõõtmised pakuvad pimeda energia teooriate ja kosmilise kiirenduse päritolu nõudvaid teste. (sdss3.org)

Seega näeme, et BAO-de uurimine on sillutanud uue tee ja uue uurimistöö tee. Need võimaldavad paremini mõista universumi toimimist, olemust ja käitumist. Päevast päeva alustame aeglaselt, kuid kindlalt universumi tõdede ja imeliste saladuste välja selgitamise (või „lahtiühendamise”) poole.

Viited

· Https://www.space.com/15101-dark-energy-distant-galaxy-map.html

· Http://www.sdss3.org/surveys/boss.php

· Https://www.space.com/26279-universe-expansion-measurement-quasars-boss.html

· Http://www.astro.ucla.edu/~wright/glossary.html#BAO

· Http://www.loc.gov/rr/scitech/mysteries/universe.html

· Https://edition.cnn.com/2014/04/08/tech/innovation/universe-expansion-astronomers/index.html

· Http://www.astro.ucla.edu/~wright/BAO-cosmology.html

· Http://skyserver.sdss.org/dr1/et/astro/universe/universe.asp

· Http://w.astro.berkeley.edu/~mwhite/bao/

· Https://www.britannica.com/science/quasar

· Astronoomiaajaloo ja -pärandi ajakiri, 17 (3), 267–282 (2014), kvaasarite avastamine ja selle tagajärjed, KI Kellermann

· Baryoni akustilised võnked, Bruce A. Bassett ja Renee Hlozek, Dark Energy, toim. P. Ruiz-Lapuente, 2010