Когато пространството се разширява по-бързо от светлината

Илюстрация на художника чрез scienceblogs.com

Илюстрацията на художника за космическата инфлация чрезscienceblogs.com


От орбитата си на 1,5 милиона километра над Земята, спътникът Планк прекарва повече от четири години, откривайки космическия микровълнов фон - вкаменелост от Големия взрив, който запълва всяка част от небето и предлага представа как е изглеждала Вселената в зародиш. Наблюденията на Планк върху тази реликтова радиация хвърлят светлина върху всичко - от еволюцията на Вселената до природата на тъмната материя. В началото на февруари 2015 г. Planck пусна нови карти на космическия микровълнов фон, поддържащтеорията на космическата инфлация, идеята, че в моментите след Големия взрив пространството се разширява по -бързо от скоростта на светлината, нараствайки от по -малък от протона до огромност, която се противопоставя на разбирането. Келен Тътъл от фондация „Кавли“ наскоро разговаря с д -р Джордж Ефстатиу, директор на Института по космология „Кавли“ в Университета в Кеймбридж и един от ръководителите на мисията „Планк“, за да разбере последните резултати на Планк и техните последици за теорията на инфлацията. По -долу ще намерите редактиран препис от това интервю.

В допълнение, Kavli ще предложи aонлайн предаване на живо на 18 февруари 2015 г.с Ефстатиу и още двама видни учени по темата за космическата инфлация. Обичате космологията? Изпратете въпрос за предстоящото уеб предаване на info@kavlifoundation.org или в Twitter използвайте хаштага#KavliLive.


Джордж Ефстатиу

Джордж Ефстатиу

ФОНДАЦИЯТА КАВЛИ:През 2013 г. и сега тази година Планк представи много силни експериментални доказателства в подкрепа на теорията, че Вселената е преминала през умопомрачително бързо разширяване в първите си моменти. Можете ли да опишете най -новите открития и защо те са важни?

ДЖОРДЖ ЕФСТАТИУ:Инфлацията - теорията, че ранната вселена се е разширила невероятно бързо в първите си моменти - прави редица общи прогнози. Например геометрията на Вселената трябва да бъде много близка до плоска и това трябва да се отрази в колебанията, които виждаме в космическата микровълнова фонова светлина. С първите данни на Planck, които пуснахме през 2013 г., ние проверихме някои аспекти на този модел с доста висока точност, като разгледахме температурата на космическия микровълнов фон в небето. С изданието за 2015 г. подобрихме прецизността на тези температурни измервания и добавихме точни измервания на усукващ се модел в космическия микровълнов фон, наречен поляризация. Тези поляризационни измервания са наистина важни, за да ни кажат каква е била структурата на космоса в ранната Вселена.

Виждате ли, има няколко възможности. Например, в някои модели, мотивирани от теории с по-високо измерение, като теорията на струните, „космически струни“ могат да бъдат произведени в ранната вселена и те биха генерирали различен тип модел на флуктуация. Не виждаме доказателства за космически струни или други видове космически дефекти. Това, което открихме, е, че всичко е в съответствие - с много висока точност - с прости инфлационни модели. Така например, сега можем да кажем, че Вселената е пространствено плоска с точност от около половин процент. Това е значително подобрение спрямо това, което знаехме преди Планк.




Харесва ли ви ForVM? Регистрирайте се за нашия безплатен ежедневен бюлетин днес!

Космическият телескоп Planck на Европейската космическа агенция беше изстрелян през 2009 г. По време на четиригодишната си мисия той наблюдаваше вариации в космическия микровълнов фон по цялото небе. Първата карта на небето беше пусната през март 2013 г., а втората, по-подробна, карта беше пусната през февруари 2015 г. Успехите на мисията включват установяване, че Вселената е малко по-стара от предполагаемото; картографиране на фините колебания на температурата и поляризацията на ранната вселена, които в крайна сметка са довели до структурата, която виждаме днес; и потвърждавайки, че 26 процента от Вселената се състои от тъмна материя. Изображение чрез ESA

Космическият телескоп Planck на Европейската космическа агенция беше изстрелян през 2009 г. По време на четиригодишната си мисия той наблюдаваше вариации в космическия микровълнов фон по цялото небе. Първата карта на небето беше публикувана през март 2013 г., а втората, по-подробна, карта беше пусната през февруари 2015 г. Успехите на мисията включват установяването, че Вселената е малко по-стара от очакваното; картографиране на фините колебания в температурата и поляризацията на ранната вселена, които в крайна сметка са довели до структурата, която виждаме днес; и потвърждавайки, че 26 процента от Вселената се състои от тъмна материя. Изображение чрез ESA

TKF:Нарекохте теорията за космическата инфлация карикатура на теория. Какво искаш да кажеш с това?

EFSTATHIOU:Все още не разбираме фундаменталната физика, която е стимулирала инфлацията, и със сигурност не разбираме подробностите как тя работи. Най -простият модел на инфлация изисква ранната вселена да съдържа това, което се нарича скаларно поле. Това поле прониква в цялото пространство и е отговорно за това, че пространството се разширява по -бързо от скоростта на светлината. Както при всички квантови полета, той съдържа квантови колебания. Именно онези малки квантови колебания, които след като бяха разтегнати по размер по време на инфлацията, генерираха структурата, която виждаме във Вселената днес - всички галактики, звезди и планети. Това е прост модел на инфлация.
Какво точно е това поле? Ние не знаем. Има много теории, но всички те са само предположения. Затова го нарекох карикатура на теория - защото не разбираме как работи инфлацията в някакъв фундаментален смисъл. Това, от което се нуждаем, са по -добри експериментални данни, които ни казват как е изглеждала ранната вселена и се надяваме, че това ще ни насочи към фундаментална теория на инфлацията.


TKF:Означава ли това, че следващите стъпки са експериментални, а не теоретични?

EFSTATHIOU:Това е много интересен въпрос. Според мен истинският напредък ще изисква експерименти, защото много ранната Вселена включва енергийни мащаби, много по -високи от всичко, което успяхме да тестваме в лабораторни експерименти тук на Земята. Когато направите толкова голям скок, всъщност не знаете как изглеждат нещата. Това оставя отворени много и много възможности. Например, допълнителните измерения, предвидени от теорията на струните, са скрити от нас - така че не ги изпитваме. Те трябва да са много малки и „уплътнени“ по някакъв начин - но как, не знаем. Така че от гледна точка на теорията в момента има твърде много възможности. Също така в космологията говорим за силно динамични ситуации. Всичко се променя много бързо и това също е трудно да се анализира теоретично. Винаги има възможност някои огромни нови теоретични прозрения да стеснят възможностите.

Но мисля, че трябва да направим експерименти - ако можем - които стесняват експериментално възможностите. Ако открием гравитационни вълни, които са вълнички в кривината на пространството-време, това измерване би стеснило много опциите. Това би ни казало енергийния мащаб на инфлацията. Нещо повече, всяко откриваемо ниво на гравитационни вълни би установило емпирична връзка с квантовата гравитация. Квантовата гравитация, която би привела силата на гравитацията в съответствие с принципите на квантовата механика, е много важна експериментална цел, такава, която е възможно да бъде постигната с експерименти с висока точност. Мисля, че това би било най -вероятното експериментално развитие, което всъщност би могло да установи контакт с физиката при много високите енергийни мащаби на ранната Вселена.

Тази карта, заснета от космическия телескоп Планк на ЕКА, разкрива галактиката Млечен път. Газът се появява в жълто, радиацията в синьо и зелено, а няколко вида прах са показани в червено. Изображение чрез ESA/NASA/JPL-Caltech

Тази карта, заснета от космическия телескоп Планк на ЕКА, разкрива галактиката Млечен път. Газът се появява в жълто, радиацията в синьо и зелено, а няколко вида прах са показани в червено. Изображение чрез ESA/NASA/JPL-Caltech


TKF:Едно от най -публикуваните нови разкрития от Планк е доказателство, че първите звезди във Вселената са започнали да блестят около 550 милиона години след Големия взрив - което означава, че са по -млади с около 100 милиона години, отколкото се смяташе досега. Как можахме да сбъркаме това?

EFSTATHIOU:Знаеш ли, не съм толкова запален да твърдя това като голямо научно постижение от Планк - но е интересно. За да обясня защо, трябва да ви дам малко предистория. В края на инфлацията знаем, че Вселената стана много, много гореща. Оттогава, с разширяването на Вселената, тя се охлажда. И когато Вселената беше на 400 000 години, температурата беше достатъчно ниска, че електроните и протоните могат да се комбинират, за да образуват неутрален водород. Така че по това време Вселената беше неутрална и доста еднородна.

Можем да видим квазари - много ярки компактни области в центровете на далечни галактики - които са съществували още когато Вселената е била на около 840 милиона години. Това е наистина много младо в сравнение с неговите 13,8 милиарда години днес. Тогава, ако Вселената беше пълна с неутрален водород, този водород би погълнал квазарна светлина на къси дължини на вълните и нямаше да можем да я видим в нашите измервания днес. Така че, тъй като можем да видим тази светлина от тези квазари, знаем, че когато Вселената е на 840 милиона години, тя вече не е неутрална. Някъде между Вселената на 400 000 години и 840 милиона години, трябва да е инжектирана енергия в газа, за да се промени това. Така че въпросът е откъде е дошла тази енергия?

Е, сигурно звездите са се образували и са започнали да отделят енергия. Сега, гледайки най -дълбоките изображения от космическия телескоп Хъбъл, можем да видим някои от тези много ранни звезди. Но от звездите, които виждаме, не би било възможно да се освободи достатъчно енергия за йонизиране на водорода до времето, когато Вселената е на 420 милиона години - както беше предложено от предишни измервания на космическия микровълнов фон, направени с микровълновата анизотрофична сонда на Уилкинсън - или WMAP - сателит. Сега, с измерванията на Планк, казваме, че това се е случило малко по -късно, на 560 милиона години. Тази разлика от около 140 милиона години може да не звучи много, но сега привежда всички наши наблюдения в съответствие.

Това е много, много трудно измерване - това е много малък сигнал, скрит зад много замърсяване от нашия собствен Млечен път. Трябва да изкопаете истинския сигнал от целия този шум. С Planck за първи път успяхме да направим това измерване, използвайки данните на Planck по два различни начина. Защо не съм толкова запален по този въпрос като истински акцент от Planck е, че няма абсолютно нищо лошо в предишните измервания. Наблюденията на WMAP са напълно добре, но ако вземете техните карти и коригирате за замърсяване от Млечния път, тогава получавате същите отговори като резултатите от Планк. Така че в крайна сметка всичко е последователно.

Експериментът за изобразяване на космическа екстрагалактична поляризация 2 (BICEP2), показан тук на преден план, изучава космическия микровълнов фон от Южния полюс, където студен, сух въздух позволява ясно наблюдение на небето. През март 2014 г. екипът на BICEP2 обяви, че е видял доказателства за гравитационни вълни, предлагащи това, което изглежда е било „пушещо оръжие“ доказателства за инфлация. Въпреки че съвместният анализ на Planck-BICEP2 оттогава показа, че прахът в Млечния път е имитирал сигнала, очакван от гравитационните вълни, бъдещите експерименти все още могат да открият тези дълго търсени вълни. Проектът е финансиран с 2,3 милиона долара от Фондация „У. М. Кек“, както и с финансиране от Националната научна фондация, Фондация „Гордън и Бети Мур“, Фондация „Джеймс и Нели Килрой“ и Фондация „Барзан“. Изображение чрез Steffen Richter, Харвардския университет

Експериментът за изобразяване на космическа екстрагалактична поляризация 2 (BICEP2), показан тук на преден план, изучава космическия микровълнов фон от Южния полюс, където студен, сух въздух позволява ясно наблюдение на небето. През март 2014 г. екипът на BICEP2 обяви, че е видял доказателства за гравитационни вълни, предлагайки това, което изглежда е „пушещ пистолет“, доказателство за инфлация. Въпреки че съвместният анализ на Planck-BICEP2 оттогава показа, че прахът в Млечния път е имитирал сигнала, очакван от гравитационните вълни, бъдещите експерименти все още могат да открият тези дълго търсени вълни. Проектът е финансиран с 2,3 милиона долара от Фондация „У. М. Кек“, както и с финансиране от Националната научна фондация, Фондация „Гордън и Бети Мур“, Фондация „Джеймс и Нели Килрой“ и Фондация „Барзан“.
Изображение чрез Steffen Richter, Харвардския университет

TKF:Резултатите от Планк също ни помагат да разберем тъмната материя, мистериозното вещество, което съставлява 20 процента от Вселената, но все още не е добре разбрано. Какво точно научихме за тъмната материя от Планк?

EFSTATHIOU:Какво знаем? Наистина, все още сме далеч от разбирането на тъмната материя. Водещият кандидат е вид частица, предвиден отсуперсиметрия. Тази теория предвижда партньорска частица за всяка частица, която вече познаваме. Но ако тази теория е вярна, суперсиметричните частици трябва да се появят при сблъсъци на Големия адронен колайдер. Досега не са. Така че тъмната материя все още е неизвестна.

Планк не е открил сигнал за тъмна материя. Суперсиметрията предсказва, че частиците от тъмна материя от време на време трябва да взаимодействат с други частици от тъмна материя и да произвеждат светкавица енергия - процес, наречен унищожаване. Но ние не го виждаме. Това наистина не е толкова изненадващо. Лесно е да се скрие. Така че това е нещо, което бъдещите космически микровълнови фонови експерименти биха могли да видят. Но не сме виждали никакви признаци на унищожаване на тъмната материя от Планк.

Разгледахме също много внимателно неутрино - малки, повсеместни частици, за които знаем, че биват три вида. Доколкото може да се каже, няма други видове неутрино, които биха могли да помогнат да се обясни част от тъмната материя. Хората също все още се опитват да определят масата на тези три неутрино. От други експерименти знаем най -малката маса, която тези три частици биха могли да имат. Планк сега е ограничил максималната маса, която биха могли да имат. Ограничаваме възможностите и се надяваме скоро да научим точната им маса. Неутрино са едни от най -загадъчните частици във Вселената, така че това би било важна стъпка към тяхното разбиране.
Някои теоретици също предполагат, че тъмната материя и тъмната енергия могат да си взаимодействат по някакъв начин. Доколкото можем да кажем, тъмната енергия е напълно постоянна - така че няма доказателства, че тя взаимодейства с тъмната материя.

TKF:Бихме били небрежни, ако не говорихме малко повече за гравитационните вълни. Миналия март друг експериментален екип, наречен BICEP2, обяви, че е видял доказателства за гравитационни вълни в своите наблюдения на много ранната Вселена. Тогава, само преди няколко седмици, съвместният анализ на тези данни, извършен от членове както на Planck, така и на BICEP2, разкри, че неидентифициран газ и прах са замърсили данните и че гравитационните вълни остават неоткрити. Какво означава това за бъдещите надежди за откриване на гравитационни вълни?

EFSTATHIOU:Когато екипът на BICEP2 обяви резултата си, бях наистина шокиран. Сигналът, който откриха, беше наистина голям. Вече бяхме направили анализ въз основа на данните от Planck 2013 и бяхме поставили ограничение за това колко голям може да бъде сигналът. И измерванията на BICEP2 бяха около два пъти по -големи от това. Така че, ако BICEP2 наистина беше открил гравитационни вълни, щеше да е необходима наистина странна и неочаквана физика, за да получим толкова различни резултати.

Групата BICEP2 знае какво прави - тези момчета са толкова добри, колкото всяка група по света. И те работят по различни версии на този експеримент в продължение на 7 или 8 години. Така че от експериментална страна данните са красиви. Те ясно откриха нещо.

Това нещо можеше да бъде гравитационни вълни или можеше да се намеси прах, който обърка данните им. Експериментът BICEP2 разглежда много малко зрително поле и сигналът на Planck към шума не е много голям. Затова се уговорихме да си сътрудничим. По същество подобрихме сигнала към шум на прах, като кръстосано корелирахме техните карти с нашите. Това показа, че засега все още нямаме статистически значими доказателства за гравитационни вълни. Това разрешава конфликта с първоначалните резултати на Planck. И като цяло, това е нещо добро. Не е необходима наистина странна физика, за да се съгласуват двата експеримента.
Така че сега сме в ситуация, в която имаме ограничение за размера на сигнала на гравитационната вълна и този брой е в съответствие с резултатите от Планк. Това не изключва гравитационните вълни по никакъв начин. Ако погледнете съвместния анализ, виждате, че има много място за гравитационни вълни, които се дебнат там, точно под нивото, което сме задали чрез комбиниране на данните BICEP2 и Planck. Ако това е вярно, не трябва да отнеме много време, за да го изкопаете. Така че може да има много важно развитие.