Rzut oka na naturę naszego wszechświata, napędzanego przez BAO

- Swetha Srinivasan

Prowadzeni przez Tafheema Ahmada Masudiego i Sukanta Khurana

Jak duży jest nasz wszechświat? Czy to gdzieś się kończy? Czy to będzie trwać wiecznie?

Te pytania zadawało tylu ludzi, tyle cywilizacji w całej historii. Szukano odpowiedzi na te pytania i są to jedne z najbardziej mylących, ale interesujących pytań.

Źródło: phys.org

Załóżmy, że wszechświat jest skończony. Gdzie więc pójdzie nasza ręka, jeśli wystawimy ją z krawędzi? Rozważali to Grecy. Uważali również, że nieskończony wszechświat jest niemożliwy. To pozostawiło ich z paradoksem.

Na początku 1800 roku Heinrich Oblers argumentował, że wszechświat nie może być nieskończony. Ponieważ jeśli mamy spojrzeć w niebo, a jeśli jest nieskończone, to na naszej linii wzroku musi znajdować się gwiazda. Chociaż pozorny rozmiar może być niewielki, jasność małej powierzchni pozostanie stała. Jeśli wszechświat byłby wypełniony gwiazdami, nocne niebo również musi być jasne. Ponieważ na nocnym niebie są ciemne plamy, wszechświat musi być skończony. Newton po odkryciu grawitacji wiedział, że jest to uniwersalna, atrakcyjna siła. Gdyby wszechświat był skończony, podlegałby grawitacji i upadłby na siebie.

Według Einsteina wszechświat powinien się rozszerzać lub kurczyć. Jego równania wymagały takiego rozwiązania. Wprowadził jednak stałą zwaną stałą kosmologiczną, która anulowała wpływ grawitacji na dużą skalę. Przyjął założenie, że wszechświat jest statyczny, co ostatecznie stało się jego największym błędem.

Wielkie odkrycie

W 1929 roku Edwin Hubble dokonał krytycznego odkrycia. Zmierzył względne odległości galaktyk, mierząc jasność gwiazd zmiennych Cefeid. Zmierzył również przesunięcia ku czerwieni tych galaktyk. Czerwone przesunięcia względem wykresu odległości okazały się liniowe. Redshift narastał liniowo wraz z odległością. Możliwe wyjaśnienie było takie, że wszechświat się rozszerza.

Astronomowie zdali sobie wtedy sprawę, że jeśli wszechświat się rozszerza, to w przeszłości musiał być mniejszy, a jak najwcześniej musiał to być tylko niewielki punkt. To wyjaśnia teorię Wielkiego Wybuchu dotyczącą ewolucji wszechświata (skyserver.sdss.org)

Źródło: LiveScience

Los wszechświata

Cała ta dyskusja wymaga małej notatki o tym, jaki może być los wszechświata. Istnieją trzy możliwe opcje.

Jeśli gęstość wszechświata jest większa niż gęstość krytyczna, grawitacja przejmie kontrolę, ekspansja zatrzyma się, a wszechświat zapadnie się na siebie, co jest powszechnie znane jako Big Crunch. Taki wszechświat jest wszechświatem zamkniętym.

Jeśli gęstość wszechświata jest dokładnie równa gęstości krytycznej, wówczas wszechświat jest zasadniczo płaski. Rozszerza się, ale po bardzo długim czasie współczynnik wzrostu staje się zerowy.

Jeśli gęstość jest mniejsza niż gęstość krytyczna, wszechświat wciąż się rozszerza, jest to wszechświat otwarty. Może to spowodować Big Rip.

Co napędza to rozszerzenie?

Nie ma takiego punktu zwanego centrum wszechświata, z którego rozszerzają się istoty. Rzeczy nie oddalają się od centrum, ale oddalają się od siebie. Przestrzeń się powiększa. Nie widzimy tego w naszym Układzie Słonecznym ani wyraźnie w naszej galaktyce, ponieważ grawitacja nad takimi regionami jest wystarczająco silna. Ale w skali kosmologicznej rzeczy się od siebie oddalają, a tempo, w jakim następuje ekspansja, nie jest stałe, ale rośnie. Rzeczy coraz bardziej się od siebie oddalają.

Większość naszego wszechświata to ciemna energia i mówi się, że ta ciemna energia napędza ekspansję.

Źródło: SciTechDaily

Było wiele ostatnich odkryć w celu odkodowania tego tajemniczego zjawiska. Poczyniono znaczne postępy w programie oscylacji akustycznych Baryon i sondażu spektroskopowego oscylacji Baryon (BOSS).

BAO i kwazarów

Oscylacje akustyczne barionów (BAO) to zamrożone relikty pozostawione we wszechświecie sprzed oddzielenia. Są idealnymi władcami do kosmologicznych pomiarów odległości w XXI wieku. Podane szacunki są po raz pierwszy zakorzenione w dobrze zrozumiałej, liniowej fizyce. (Bruce and Renee)

Wczesny wszechświat składał się z gorącej, gęstej plazmy. Dotyczyło to barionów i elektronów. Baryony to masywne cząstki elementarne złożone z trzech kwarków. Neutrony i protony są barionami (astro.ucla).

Ponieważ plazma była tak gęsta, fotony nie mogły swobodnie przemieszczać się w przestrzeni, ponieważ zostały poddane rozproszeniu Thomsona, dlatego fotony były zasadniczo sprzężone z istniejącą materią.

Z czasem plazma ostygła, a elektrony w połączeniu z protonami tworzyły wodór. Ponieważ fotony oddziałują mniej z neutralną materią, mogły teraz swobodnie podróżować. Przestrzeń stała się przezroczysta dla fotonów. Fotony zostały oddzielone.

Rozważmy teraz perturbację pochodzącą z gęstego regionu pierwotnej plazmy, zanim nastąpiło oddzielenie. Zawiera ciemną materię, baryony i fotony. Plazma jest jednolita, z wyjątkiem tego gęstego obszaru.

Wysokie ciśnienie kieruje płyn barionowo-fotonowy na zewnątrz z prędkością ponad połowy prędkości światła. Ciemna materia oddziałuje tylko grawitacyjnie, tworząc tym samym środek rozważanego obszaru kuli falowej, podczas gdy bariony i fotony poruszają się razem na zewnątrz sferycznie pod wpływem ciśnienia. Gdy następuje oddzielenie, fotony oddzielają się od barionów i uciekają z poruszającej się kuli, szybko wypływając. Kula barionowa zostaje unieruchomiona w tej odległości, zatrzymuje się, tracąc nacisk na ruch. Przy braku interakcji foton-baryon jedyną obecną siłą jest siła grawitacji ciemnej materii, w wyniku czego bariony powoli zaczynają być przyciągane do centrum. Równowaga zostaje ustalona i na koniec istnieją nadmiernie gęste obszary zarówno w sferze zewnętrznej, jak i rdzeniu wewnętrznym. Ta zewnętrzna powłoka nazywana jest horyzontem dźwiękowym. Są one postrzegane jako anizotropie w promieniowaniu CMB (kosmiczne promieniowanie mikrofalowe w tle) oraz w przestrzennym rozkładzie galaktyk. Wahania te ewoluowały w dzisiejsze ściany i puste przestrzenie galaktyk, co oznacza, że ​​skala oscylacji akustycznej barionów (BAO) jest dziś widoczna wśród galaktyk.

Program BAO polega zasadniczo na znalezieniu znacznika pola gęstości masy i obliczeniu jego funkcji 2-punktowej. Funkcje funkcji 2-punktowej odpowiadają horyzontowi dźwiękowemu. Znając kąt, jaki dzieli ta odległość, mierzy się d (z). Porównanie z wartością przy ~ ~ 103 pozwala nam ograniczyć ewolucję ciemnej energii (astro.berkeley.edu)

Źródło: www.astro.ucla.edu

Korzystając z badania spektroskopowego oscylacji Baryona (BOSS), dwa zespoły fizyków poprawiły zrozumienie przez naukowców tajemniczej ciemnej energii, która napędza przyspieszający wszechświat.

Do tego celu wykorzystywane są kwazary. Kwazary są obiektami astronomicznymi o bardzo wysokiej jasności znajdującymi się w centrach niektórych galaktyk i są zasilane przez gaz spiralny z dużą prędkością do bardzo dużej czarnej dziury. Najjaśniejsze kwazary mogą przyćmić wszystkie gwiazdy w galaktykach, w których przebywają, co czyni je widocznymi nawet w odległości miliardów lat świetlnych. Kwazary należą do najbardziej odległych i jasnych obiektów znanych (Britannica).

Źródło: Popular Mechanics

Supermasywne czarne dziury zasilające galaktyki radiowe i kwazary odgrywają znaczącą rolę w ewolucji galaktyk. Kwazary są otoczone kurzem. Światło opuszczające galaktyki przepływa przez ten pył, odsłaniając ślad BAO.

Korzystając z tych danych, astronomowie stworzyli najdokładniejszą jak dotąd mapę galaktyk w odległym wszechświecie, oferując okno w przeszłość i, być może, w ciemną energię.

BOSS wykorzystuje specjalnie zaprojektowany instrument o nazwie spektrograf na 2,5-metrowym teleskopie SDSS w Obserwatorium Apache Point w Nowym Meksyku. Projekt ma na celu obserwację ponad miliona galaktyk w ciągu sześciu lat (space.com).

Ilustracja koncepcji oscylacji akustycznych barionów, które są odciśnięte we wczesnym wszechświecie i do dziś można je zobaczyć w badaniach galaktyk, takich jak BOSS Credit: sgss3.org

Porównanie widma mocy LRG SDSS-II i galaktyk CMASS DRS CM9. Ciągłe linie pokazują najlepiej dopasowane modele. Źródło: Anderson i in. 2012

Te barionowe drgania akustyczne zostały teraz zmierzone w rozkładzie galaktyk.

Wykorzystując skalę akustyczną jako fizycznie skalibrowaną linijkę, odległość średnicy kątowej będzie mierzona z dokładnością 1% przy przesunięciach ku czerwieni z = 0,3 i z = 0,55. BOSS zmierzy również rozkład linii absorpcji kwazara i kosmiczne tempo ekspansji H (z). Pomiary te zapewnią wymagające testy teorii ciemnej energii i źródła kosmicznego przyspieszenia. (sdss3.org)

Widzimy zatem, że badanie BAO utorowało nową ścieżkę i nową drogę eksploracji. Zapewniają lepsze zrozumienie działania wszechświata, jego natury i zachowania. Z dnia na dzień powoli, ale pewnie zmierzamy w kierunku odkrycia (lub „ununiversing”) prawd i cudownych tajemnic wszechświata.

Bibliografia

· 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/en/astro/universe/universe.asp

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

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

· Journal of Astronomical History and Heritage, 17 (3), 267–282 (2014), Odkrycie kwazarów i jego następstwa, KI Kellermann

· Baryon Acc Oscillations, Bruce A. Bassett i Renee Hlozek, Dark Energy, wyd. P. Ruiz-Lapuente, 2010