forum.neplaneta.ru Просмотр темы - Современные методы познания мира
Человек, Вселенная, взаимодействие
Сообщений: 2104 ... , , , 101 , , , ...
! --- Признание в любви... --- --- Сфинксы на берегу Котуйкана--- Анабарское плато не привлекает поклонников экстремальных видов туризма, но зато идеально подходит тем, кто любит спокойно созерцать красоту природы Анабарское плато (или плато Анабар) поразительно красиво, но о нём мало кто знает. И уж совсем немногим посчастливилось там побывать. --- Коровья катастрофа--- Пепел, распространяющийся от вулкана Эйяфьятлайокудль (Eyjafjallajokull) на юге Исландии, не только полностью закрыл передвижения в Европе по воздуху, но и создал проблемы для исландских фермеров на земле, сообщает Associated Press. Они должны защитить свои стада от потерь, которые могут быть вызваны вдыханием или проглатыванием пепла. Это может привести к внутренним кровотечениям, долговременным повреждениям костей и потере зубов у коров. На окрестности г. Скогара (Skogar), к югу от вулкана, после извержения ветер начал сдувать пепел с горы, ограничивая солнечный свет и покрывая все, включая людей, животных и растения, толстым серым слоем пастообразной массы. Берглинд Хильмарсдоттир (Berglind Hilmarsdottir), хозяйка молочной фермы, в эти выходные объединилась с соседями, чтобы построить нечто вроде укрытия. В панике после извержения часть животных потерялась в тумане из пепла, и фермеры ищут их по всей округе. Остается риск отравления флюоридом, если они вдохнут или съедят слишком много пепла. Сами жители носят белые защитные маски. Флюорид, содержащийся в пепле, в желудке животных производит кислоту, вызывая кровотечения. Он также связывается с кальцием в кровотоке и спустя определенный период делает кости хрупкими, заставляет зубы ломаться. Фермеры собираются запереть животных в амбарах, закрыв все окна, и носить им чистую воду и пищу, пока земля не очистится. Как уже рассказывал «Вокруг Света», извержение Эйяфьятлайокудля, второе в этом году, произошло 14 апреля. Первый раз вулкан, молчавший на протяжении 200 лет, извергся 20 марта. Ученые говорят, что второе извержение было в 10-20 раз более мощным, чем первое. В результате над Исландией повисло облако вулканического пепла. Сейчас на острове ожидают также извержение другого вулкана, причем гораздо более мощное. На сей раз может пробудиться вулкан Катла, который располагается в нескольких километрах к востоку от Эйяфьятлайокудля. В прошлом, когда извергался Эйяфьятлайокудль, активизировался и Катла, поэтому теперь вулканологи внимательно следят за последним, ожидая неблагоприятного развития событий. Эйяфьятлайокудль представляет собой ледник конической формы, шестой по величине в Исландии. Ледниковый покров покрывал активный вулкан, высота которого составляет 1666 м. Диаметр кратера вулкана равен 3-4 км. Предыдущее извержение Эйяфьятлайокудля было зарегистрировано в 1821 году. Исландские ученые долгое время наблюдали за вулканом, отслеживая признаки сейсмической активности. Поскольку многие вулканы Исландии покрыты ледниками, часто они подтапливают их снизу. Языки ледников срываются со своих мест, выпуская миллионы тонн воды и льда, которые сносят на своем пути все. После второго извержения лава растопила большое количество льда у подножья вулкана, из-за этого уровень воды в реках поднялся на 3 м. Эвакуированы были около 800 человек, живущих неподалеку от вулкана. В общей сложности с 1963 года в Исландии произошло 21 извержение, но лишь одно из них, случившееся в 1973 году на Вестманнских островах, нанесло ущерб. В результате возник новый вулкан, население пришлось эвакуировать, 40% домов было разрушено. От окончательного разрушения гавань спасло лишь отчаянное сопротивление жителей – насосы стали под давлением закачивать морскую воду на наступающую лаву. Охладившись с 1100C до 100C, лава остановилась. Надо заметить, что Исландия вообще известна вулканической активностью. Причиной тому – расположение Исландии на Средне-Атлантическом хребте, границе Северо-Американской и Евразийской плит, которые отодвигаются друг от друга со скоростью 2 см. в год. Самым разрушительным было извержение вулкана Лаки в 1783–1785 годах. В течение 8 месяцев из кратера Лаки вылилось 14,7 км² лавы. Воздух был отравлен ядовитыми газами, что привело к гибели 22% населения и 70% скота. В результате температура на всем Северном полушарии упала на 1–2°. --- Путешественник с усами--- Полосатый кот по имени Чарльз (Charles) за 8 лет проделал путь больше 2 тыс. км из Нью-Мехико до Чикаго, США. Его путешествие закончилось, когда его привезли в приют в Чикаго. После этого ему подарили бесплатный полет на самолете авиакомпании American Airlines, который и доставил его к хозяйке. Об этом рассказывает Daily Telegraph. Кот Чарльз пропал из дома, когда его хозяйка уехал из Нового Орлеана по делам благотворительности, попросив друга присмотреть за животным. Когда ей сообщили о пропаже кота, она не знала, что делать, тем более что, находясь в другом городе, не могла предпринять никаких шагов. Прошли годы, и на этой неделе ей позвонили из Чикагского общества по защите животных (Chicago Animal Care and Control). Кота нашли и идентифицировали по микрочипу. По словам хозяйки, она понятия не имеет, каким образом ее любимец уехал так далеко от дома. Впрочем, это не первый случай, когда представитель кошачьего семейства стал путешественником. Домашний кот по кличке Клайд (Clyde) вернулся к хозяину после трехлетнего путешествия по Австралии. За три года длинношерстный гималаец преодолел 3,8 тыс. км пути. Клайд потерялся в г. Хобарте, Тасмания, когда ему было 12 мес. Спустя 3 года его обнаружили в г. Клонкарри. Благодаря подкожному микрочипу ветеринару удалось идентифицировать «личность» животного и найти его владелицу, девятнадцатилетнюю Эшли Салливан (Ashleigh Sullivan). А в 2007 году владелец мотоциклетного салона в одном из городков штата Северная Каролина, США, Эрик Конгдон (Eric Congdon) обнаружил в партии шлемов для мотоциклистов, прибывшей по морю из Шанхая, Китай, очень слабую, но живую кошку. Она провела 35 дней без еды и воды на борту грузового судна. --- Вода в дефиците--- Объемы воды, используемые для производства продуктов питания и товаров народного потребления, которые импортируются в развитые страны, ухудшают ситуацию с нехваткой воды в развивающихся государствах. Исследователи из альянса Engineering the Future подсчитали, что две трети воды, применяемой для британского импорта, расходуются за пределами Соединенного Королевства. Эксперты уверены, что такой расход воды неприемлем: он только способствует климатическим изменениям. По их мнению, развитые страны должны помочь бедным государствам экономить водные ресурсы, сообщает BBC News. По некоторым прогнозам, в ближайшие 20 лет население Земли превысит 8 млрд человек, в результате чего спрос на продукты и энергию вырастет на 50%, а потребности в пресной воде увеличатся на 30%. Однако уже сегодня развивающиеся страны используют значительную пропорцию своих водных ресурсов для производства продуктов и товаров, предназначенных для жителей богатого Запада. В ЮНЕСКО говорят, что к 2030 году 47% населения Земли будут испытывать нехватку воды. Из-за глобального потепления с этой угрозой уже в 2020 году столкнутся от 75 млн до 250 млн человек в Африке. Дефицит водных ресурсов в пустынных регионах заставит мигрировать 24-700 млн человек. За последние полвека утроилось потребление пресной воды, а орошаемые площади увеличились в два раза. Причиной тому стал демографический рост. Самым крупным потребителем воды является сельское хозяйство, на его долю приходится 70% от общего объема водопользования. К 2050 году этот показатель может вырасти на 70-90%. «Вокруг Света» уже писал, что нехватка воды в Восточной Африке может стать причиной еще одного глобального кризиса. По расчетам ученых, для нормального развития человеку нужно не менее 20 л воды в день. Речь идет только о самых базовых нуждах: питье, приготовлении пищи и личной гигиене, препятствующей распространению опасных болезней. Тем не менее, многие жители Восточной Африки располагают всего лишь 5 л в день, а некоторые и вовсе обходятся всего 1 л, что соответствует трем стаканам питьевой воды. ---Выдвинута гипотеза создания электричества в лунных кратерах--- Солнечный ветер, потоки которого постоянно изливаются на Луну, может генерировать в её полярных кратерах напряжение до нескольких сотен вольт — так показывают новые расчёты специалистов из космического центра Годдарда (Goddard Space Flight Centre). ---Пролит свет на происхождение полов--- Используя в качестве моделей многоклеточную зелёную водоросль Volvox carteri и её одноклеточного родственника Chlamydomonas reinhardtii, учёные из института Солка (Salk Institute for Biological Studies) исследовали секреты появления различий между женскими и мужскими организмами. ---В соседней галактике обнаружен загадочный микроквазар--- Такой увидел соседнюю галактику телескоп Spitzer (в инфракрасном излучении). Взрывы сверхновых породили горячую плазму, вырывающуюся из ядра галактики. Красным цветом показан выброс межзвёздной пыли (фото NASA/JPL-Caltech). Радиоастрономы, работающие в обсерватории Джодрелла Бэнка при университете Манчестера (Jodrell Bank Observatory) нашли в галактике M82 объект, который по всем параметрам похож на микроквазар массой в несколько десятков солнц, но обладает необычными особенностями. M82, расположенная в 10 миллионах световых лет от нашей галактики, славится своей фабрикой звёзд, которые, впрочем, гибнут так же быстро, как и рождаются. Примерно раз в 20-30 лет астрономы наблюдают там взрывы сверхновых. Обычно звёзды начинают умирать (заметно разгораясь) в течение нескольких недель, а затем затухают за несколько месяцев. Новый объект появился в поле нашего зрения в мае 2009 года. И сразу же нас озадачил, — рассказывает глава исследования доктор Том Мукслоу (Tom Muxlow). — Вспыхнул он очень быстро в течение всего лишь нескольких дней, а потом не менял яркости свечения долгие месяцы . Ничего подобного в пределах Млечного Пути учёные ранее не наблюдали. Другие данные также указывали на то, что перед учёными вовсе не очередная сверхновая, скорее, джеты, выбрасываемые массивными чёрными дырами. Однако и это объяснение не подходило: объект слишком сильно удалён от чёрной дыры в центре M82. Тогда астрономы сделали предположение, что перед ними микроквазар. Такой объект формируется после взрыва очень большой звезды. Образуется небольшая чёрная дыра, которая начинает стягивать на себя вещество с соседней звезды. Микроквазары испускают радиоволны, но в Млечном Пути они куда как тусклее. Кроме того, они светятся в рентгеновском диапазоне, а нынешний новичок — нет. Выходит, что это будто бы и не микроквазар, либо какой-то его необычный тип. Последняя версия пришлась астрофизикам по душе больше всего. Они полагают, что дело в окружении объекта, которое, возможно, искажает его восприятие земными аппаратами. Сейчас они изучают загадочный источник более тщательно (в него всматриваются сразу 20 радиотелескопов со всего мира), но на обработку новых данных уйдёт ещё немало времени. ---Создано устройство для поиска трупов под землёй с воздуха--- Необычную технологию обнаружения старых могил придумали в канадском университете Макгилла (McGill University). Оказывается, тела животных и людей можно фиксировать по свету, отражённому растениями и почвой. Всё началось в квебекском Parc Safari: учёных попросили разыскать могилы слонов, скелеты которых позднее должны были выставить на всеобщее обозрение. За три сезона Андрэ и его команда обнаружили семь захоронений на глубинах не более метра. Чуть позже к группе присоединилась профессор Маргарет Каласка (Margaret Kalacska), изучающая влияние почвы на выработку хлорофилла растениями и занимающаяся гиперспектральной съёмкой. Биологи создали две камеры, которые вели съёмку в разных диапазонах. В результате, пролетев над парком на оборудованном новым устройством самолёте, Андрэ со товарищи нашли не только прежние 7 скелетов умерших животных, но и добавили к ним ещё 25 (при этом глубина залегания доходила до 2,5 метров). Один пролёт на самолёте дал нам в 4-5 раз больше данных, нежели три сезона раскопок , – радуется Костопулос (фото McGill Zooarchaeological Field School, Owen Egan). Камеры фиксировали изменения в отражённом растениями свете. Когда животное умирает, в первые пять лет в почву выпускаются токсины. Спустя пять лет начинается новый процесс: останки служат своего рода удобрением, которое стимулирует рост растений, они почти перестают поглощать и начинают хорошо отражать инфракрасный и видимый свет (изменения не видны человеческому глазу, но фиксируются камерами). Учёные уверены, что таким образом ими были найдены даже пятидесятилетние могилы , но тело может снабжать почву полезными веществами и сотню лет. Применение новинки очевидно: для выявления братских могил и тел без вести пропавших людей. Уже сейчас ведутся пробные поиски в Канаде и Коста-Рике, намечаются экспедиции в Боснию и Руанду. --- Яркие, стройные, легко доступные: LED тронулся, господа «диванные заседатели»!--- Ультрасовременные сверхтонкие LED-телевизоры с улучшенной цветопередачей, контрастностью и высоким разрешением отныне доступны едва ли не каждому уважающему себя телезрителю. Для тех, кто не видит дальше кинескопа, поясним: LED — новое слово в мире ЖК-экранов, технология, позволяющая значительно улучшить качество изображения, при этом существенно сократив толщину корпуса телевизора. Подобно тому как LCD-телевизоры имеют ряд неоспоримых преимуществ перед кинескопными, LED-модели существенно превосходят LCD по многим параметрам. Главные из которых - это чрезвычайно низкая толщина корпуса (до 2 см) и значительно возросшее качество изображения (LED-телевизорам доступны разрешения 1920 х 1080, динамическая контрастность достигает 4000 : 1). Давайте разберемся, как инженерам удалось сделать новые телевизоры «меньше, да лучше». Начнем с того, что за аббревиатурой LED скрывается термин Light Emitting Diode, обозначающий, говоря простыми словами, светодиодную подсветку. Подсвечивается в нашем случае матрица телеэкрана. Тут то и кроется суть отличия LED ТВ от LCD. В привычных нам ЖК-телевизорах матрицу подсвечивают флуоресцентные лампы. Решение проверенное, но уже отживающее отпущенное ему стремительным прогрессом время. Светодиоды – вот новое слово в технологии изготовления экранов. Они компактнее, ярче, качественнее и долговечнее флуоресцентных ламп. Отсюда вытекают и главные преимущества LED-телевизоров перед ЖК-экранами. Среди которых исчезающее малая толщина корпуса, повышенная контрастность, заметно улучшенная цветопередача и, наконец, более экономичное энергопотребление. Звучит прекрасно, призывает немедленно бежать в магазин, но стоит ли торопиться? Единственный (но крупный) недостаток LED-ТВ – слишком высокая по сравнению с ЖК-конкурентами стоимость. В подобных случаях опытные потребители занимают выжидательную позицию. Мол, ничего, скоро новую технологию освоит большое число производителей, производство станет массовым и цена упадет. Позиция верная, не раз опробованная и оправданная. Мы рады сообщить вам, что ожидание в случае с LED-ТВ окончилось. Компания SUPRA объявила о выпуске вполне доступных (по сравнению с моделями конкурентов) LED телевизоров. Заметно похудевшие экраны от SUPRA «в талии» не выбиваются за два сантиметра. Остальные же цифры, описывающие основные характеристики телевизоров, напротив, здорово выросли по сравнению с LCD-моделями японской марки. Взглянем на них внимательнее. Первенец LED-серии SUPRA, 19-дюмовый STV-LC1925WL (всего в серии на сегодняшний день четыре модели с диагоналями от 16 до 24 дюймов) обладает серьезным для своего калибра потенциальным разрешением — 1440 на 900 точек. В такой «рамке» отлично будет смотреться картинка высокой четкости HDTV (1080p/1080i/720p/576p/576i/480p/480i), благо уже сегодня кабельные каналы способны побаловать нас вещанием в столь качественном формате. А для просмотра HD-записей STV-LC1925WL предоставит специальный HDMI-вход. Вслед за стройностью «фигуры» LED-телевизоров SUPRA, радуют тонкости в передачи изображения. Особо отметим высокую динамическую контрастность (4000 : 1) и сверхкороткое время отклика (5 мс). Только представьте, как вкусно на таком изящном экране будут смотреться динамичные сцены современных фильмов! Впрочем, чтобы убедиться в этом на практике, вам и самим придется продемонстрировать неплохую динамику марш-броска до ближайшего магазина электроники. Спешите, ведь ценник на LED-телевизоры SUPRA «похудел» вслед за толщиной их элегантного корпуса. --- Вирус, разлагающий воду: Фотосинтез по-новому--- Группа исследователей из Массачусетского технологического института смогла сымитировать процесс фотосинтеза, создав М13, простой и безвредный вирус, который помогает разделить воду на два компонента, водород и кислород, при помощи солнечного света. Ученые надются, что это лишь первый шаг на пути к использованию солнечного света для создания запасов водорода, которые затем могут быть использованы для выработки электричества или жидкого топлива. Другие ученые уже создавали системы, использующие электричество для расщепления молекул воды, но как объяснила группа исследователей из МТИ в своей статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, разница в том, что работа новой системы основана на биологии, в ней для проведения реакции непосредственно используется солнечный свет, а не электричество. Подход, который показал наилучшие результаты, имитировал процессы, идущие в растениях, а не просто выхватывал отдельные составляющие этих процессов, адаптируя их под свои нужды, как это делалось раньше. Группа ученых решила создать бактериофага под названием М13, что и позволило достичь высокой эффективности в деле разделения молекул воды на водород и кислород. Вирус, подобно хлорофиллу, захватывает свет, затем пропускает энергию, подобно проводу. Удлиненная форма вирусов позволяет светопоглощающим пигментам и катализаторам выстроиться в линию с правильными промежутками, чтобы запустить реакцию разложения воды, что очень существенно увеличивает эффективность системы. По мнению профессора материаловедения и физики материалов Томаса Маллука, не участвовавшего в разработке новой технологии, есть несколько проблем, которые должны быть разрешены прежде, чем появятся искусственные фотосинтетические системы, которые можно будет использовать для конвертации энергии. Чтобы добиться конкурентоспособности с другими технологиями, основанными на использовании энергии солнца, система должна быть как минимум в десять раз эффективнее естественного фотосинтеза, обладать способностью повторять реакцию практически мгновенно, а также изготавливаться из дешевых материалов. Хотя достижение данных целей займет определенное время, аппарат, разработанный в МТИ, определенно является первым шагом на этом пути. В имеющейся системе атомы водорода разделяются на составляющие, на протоны и электроны, но вторая часть системы (ученые надеются создать ее в течение ближайших двух лет) будет соединять их обратно в атомы водорода и молекулы, так что водород будет вырабатываться и запасаться. ---ПЕРВИЧНЫЕ МОЛЕКУЛЫ В ТЕМНУЮ ЭПОХУ --- Стандартный сценарий эволюции Вселенной. Указаны основные этапы от ее возникновения (10–48 c) до настоящего времени. Невозможно было что-либо различить из-за непрозрачности плазмы в течение 400 тыс. лет от начала Большого взрыва в эпоху квантовой гравитации, стадии инфляции и образования нейтрального водорода. Изображение крупнее Мы расскажем об основных идеях и положениях эволюционной картины истории ранней Вселенной, теоретических предсказаниях физики процессов, произошедших в один из самых сложных и проблемных для прямых наблюдений интервалов космологического времени, опишем схему возникновения первичных молекул, их роль в «проявлении» структуры распределения вещества на дозвездной стадии эволюции. Кроме того, постараемся обозначить проблемы фундаментальной физики, которые могут быть существенно прояснены при изучении химического состава первичного вещества и анализа динамики взаимодействия первичных молекул с фоновым излучением в интервале от 400 тыс. до 400 млн. лет с начала развития Вселенной. Вселенная не стационарна Современная астрофизика требует для своего понимания и развития очень глубоких и совершенно нетривиальных идей и представлений. Они практически несопоставимы с тем уровнем миросозерцания, который определяется нашим бытовым опытом. Среди вопросов, возникающих при рассмотрении небесных объектов, есть вопрос о том, как такие огромные массы «висят» в вакууме и почему они не падают друг на друга за счет гравитационного притяжения (например, Луна должна была бы упасть на Землю). Ответ на первую часть вопроса требует осознания того, что существует бесконечное пространство, в котором нет принципиального различия между отдельными его областями. Основы этого представления сформировались еще во времена И. Ньютона. Ответ на вторую половину вопроса практически очевиден: Луна вращается вокруг Земли по орбите и удерживается на ней за счет центробежной силы. Такая же ситуация в системе Земля – Солнце, а также в нашей Галактике, где все звезды вращаются вокруг ее центра, и в случае движения галактик в скоплениях. Все это – гравитационно-связанные системы. Для описания их внутренних движений в первом приближении вполне достаточно использовать законы классической физики. Однако все более и более совершенные наблюдения привели к возникновению нового фундаментального вопроса, для ответа на который необходимо напрячь воображение и привлечь качественно новые идеи. Речь идет об открытом Э. Хабблом законе «разбегания» галактик. Оказалось, что галактики, не входящие в скопления, и сами скопления удаляются друг от друга со скоростью, примерно пропорциональной расстоянию между ними. Этот факт невозможно объяснить в рамках классической физики: мы не знаем, какие силы могли стать причиной отталкивания такого масштаба. Можно предположить, что разбегание – результат некоего колоссального по энергетике «взрыва», но в классической физике нельзя найти столь мощный источник энергии. Абсолютно новые возможности открылись в рамках общей теории относительности (ОТО), предложенной почти столетие назад А. Эйнштейном. Теперь мы должны описывать гравитацию как проявление свойств искривленного пространства–времени. Одно из предсказаний ОТО – глобальная нестационарность метрики четырехмерного пространства, то есть зависимость расстояния между двумя произвольными точками (телами) от времени при отсутствии каких-либо физических воздействий. Математически такая зависимость описывается решением А.А. Фридмана. Нестационарность Вселенной, в данном случае ее расширение, подразумевает наличие в прошлом какого-то «начала» – момента времени, когда расстояния между пробными частицами были сколь угодно малы. Расширение наглядно можно представить как изменение размеров некоего рисунка на поверхности раздувающегося воздушного шарика. Таким рисунком может быть, например, волновой пакет – отрезок синусоиды содержащий некоторое число полных колебаний. При расширении шарика число этих колебаний не меняется, а расстояние между минимумами (или максимумами) увеличивается пропорционально увеличению радиуса шарика. Для наблюдателя это проявляется как красное смещение – увеличение длины волны λ или уменьшение частоты фотона ω = ω0(1 + z), где z – величина красного смещения. С другой стороны, взяв любую точку на поверхности шарика, мы увидим, что все другие точки разбегаются от нее по радиусам (вдоль поверхности!) со скоростями, пропорциональными расстоянию этих точек от выбранной (эффект Хаббла). Новый факт теории ОТО – эти скорости в некотором смысле фиктивны: фактически им не соответствует реальная кинетическая энергия. У любого материального тела во Вселенной может быть еще скорость, которой отвечает реальная кинетическая энергия. Ее называют пекулярной скоростью, и в некоторых процессах в ранней Вселенной именно она будет приводить к наблюдаемым эффектам. Сценарий эволюции Вселенной Во Вселенной есть известные элементарные частицы – барионы, электроны, нейтрино, фотоны. Кроме того, в ней, по-видимому, должны быть какие-то пока неизвестные частицы темной материи и некая темная энергия. Стандартный сценарий эволюции Вселенной содержит несколько этапов. Эволюция начинается с эпохи Большого взрыва и колоссально быстрого расширения на стадии инфляции. Тогда не было обычного вещества, а должны были быть только некие скалярные поля, впрямую ни в одном эксперименте пока не найденные (неизвестно даже, можно ли их будет вообще когда-либо обнаружить в земных лабораториях). Стадия инфляции завершается фазовыми переходами скалярных полей в форму частиц, которые пока (?) тоже не доступны для обнаружения в лаборатории. После этого наступает период «спокойного» расширения и охлаждения Вселенной, описываемый решением А.А. Фридмана. Следующий этап – распад тяжелых частиц на более легкие и фотоны (космическое микроволновое изотропное фоновое излучение – Cosmic Microwave Background Radiation, CMBR). Обнаружение CMBR в 1966 г. позволило однозначно говорить о модели горячей Вселенной. Это означает, что вещество и равновесное с ним тепловое электромагнитное излучение с планковским частотным спектром на ранних стадиях эволюции было разогрето до гигантской температуры T. Температура излучения Tr с очень большой точностью совпадала с температурой вещества Tm и уменьшалась по мере расширения Вселенной по закону Tr = Tm = T = T0(1+z). Величина T0 = 2.728 К – современная температура CMBR, измеренная в экспериментах на Земле и в космосе. В первые минуты жизни Вселенной происходит образование первичных химических элементов (эпоха нуклеосинтеза). Перечислим их в порядке убывания по относительной концентрации: водород (Н), гелий (4Не), дейтерий (D), легкий изотоп гелия (3Не) и лития (Li). Впоследствии они станут исходными компонентами первичных молекул, наблюдательные проявления которых позволяют, как мы увидим, выявить очень тонкие и специфические особенности физики Вселенной на данном этапе. Предсказания теории первичного нуклеосинтеза для относительной концентрации химических элементов. Схемы Затем следует длительный период расширения и остывания плазмы. В это время ничего радикального (по современным представлениям) не происходит. Остывшая плазма превращается (рекомбинирует) в нейтральный атомарный водород при zR ≈1300 – 1100 (t ≈ 400 тыс. лет, где t – начало эволюции Вселенной). Одно из важнейших следствий Большого взрыва и последующей эволюции полей и вещества – возникновение малых флуктуаций плотности материи и гравитационного поля. Именно эти флуктуации и определяют формирование современной картины распределения вещества (галактик, скоплений галактик) в видимой Вселенной. Флуктуации плотности до z ≈ 10 имели относительно небольшой контраст по отношению к средней плотности вещества, и их движение носило характер набора хаотических звуковых колебаний различных масштабов. В дальнейшем происходят их гравитационное сжатие, нагрев и образование первичных звезд и галактик. «Темные века», или все небо в солнцах Подавляющую часть всей астрофизической информации мы получаем благодаря электромагнитным волнам разных частот – от радиодиапазона до жесткого рентгеновского. Другие носители информации – космические лучи, нейтрино, гравитационные волны. Интерес к ним очень велик, в первую очередь, из-за их огромной проникающей способности. Нейтрино, например, дает возможность изучать ядро Солнца. Потоки нейтрино могут просвечивать, как своеобразный «рентген», гигантские толщи материи, что совершенно недоступно оптическому и радиоизлучению. В ранней Вселенной нейтрино перестает рассеиваться веществом начиная с эпохи нуклеосинтеза (t ≈ 3 мин). Еще большая проникающая способность у гравитационных волн – до t ≈ 10–30 с. Однако в настоящее время чувствительность соответствующих приемников очень далека от уровня, необходимого для регистрации космологических нейтрино и гравитационных волн. В результате мы опять возвращаемся к электромагнитным волнам как наиболее надежному носителю интересующей нас информации. Этапы эволюции Вселенной после рекомбинации водорода (400 тыс. лет с начала Большого взрыва) и его остывания («Темные века»), когда не было никаких источников излучения. Поверхность последнего рассеяния фотонов (слабые флуктуации яркости CMBR) исследуют современные наземные и космические телескопы (в частности, изображенная здесь американская космическая обсерватория «WMAP»). Изображение крупнее При z zR водород практически полностью ионизован и рассеяние электромагнитного излучения на свободных электронах становится настолько большим, что фотоны «запутываются» среди электронов и изображения отдельных объектов сильно размываются. Остается только возможность изучать глобальные процессы энерговыделения до z ≈ 107 (t = 10 – 20 ч) по спектру CMBR. При z 1100 и вплоть до z ≈ 10, как уже говорилось, практически все вещество во Вселенной находится в нейтральном состоянии, то есть в виде атомов водорода и гелия, которые не взаимодействуют с низкочастотными фотонами CMBR. В результате Вселенная в этом интервале красных смещений прозрачна для радио- и инфракрасного излучения. Поэтому прямое исследование физических процессов во Вселенной по их электромагнитному излучению возможно только в интервале красных смещений – от z = 0 (современная эпоха) до zR ≈1100. Наглядно это можно себе представить как наблюдение в направлении с Земли на Солнце. Поверхность (фотосфера) Солнца – довольно тонкий переходный слой плазмы, который мы видим в оптическом диапазоне как яркий однородный диск со слабо контрастным рисунком мелкой грануляции и крупных пятен. В глубь Солнца наши телескопы заглянуть не могут из-за огромной непрозрачности плазмы в видимом и радиодиапазоне, но все расстояние от фотосферы до Земли практически прозрачно. Вблизи Земли ее магнитосфера и атмосфера заметно влияют на прохождение волн, на очень длинных радиоволнах и в узких оптических спектральных линиях – уже избирательно. Почти полностью нейтральный и холодный газ не может светить в оптическом диапазоне. Поэтому «Темные века» (Dark Ages) могут быть исследованы главным образом (а может быть и только) в радиодиапазоне! По аналогии с отрезком Земля–Солнце эпохе «Темных веков» соответствует пространство межпланетной среды от Солнца до магнитосферы Земли. Вообще-то смысл термина «dark» (темный) в данном случае не совсем точен. В своем главном значении он применим только для выражения того факта, что в эту эпоху ни один объект не светил. Для гипотетического наблюдателя, жившего тогда, ситуация совсем иная. Дело в том, что Вселенная во все времена заполнена огромным количеством фотонов. В эпоху после рекомбинации водорода наш гипотетический наблюдатель видел бы себя погруженным в однородное и изотропное море света, как будто все небо плотно покрыто звездами типа Солнца. Цвет этого неба менялся бы со временем от бордового до черного и инфракрасного. Но, например, для совы при z ≈ 100 (T ≈ 300 K) пространство было бы совершенно ослепительным: число фотонов падавших на единицу площади в единицу времени, в этот момент в тысячи раз больше, чем число фотонов, которое сейчас падает на Землю от Солнца в ясный день! Так что понятие темноты в данный период достаточно условно. Проблема только в том, как это увидеть нам сегодня? Какими физическими процессами можно воспользоваться, чтобы все-таки что-то увидеть из происходившего в «Темные века»? Та же проблема, что и при изучении материи между Солнцем и Землей. Она вроде бы есть, но сама почти не светит и еще практически не видна на фоне Солнца. Молекулы – какие и где они «растут»? Молекулы образуются при столкновениях отдельных атомов или атомов и других молекул. Разрушаются они тоже при столкновениях с атомами, но главным образом при поглощении фотонов CMBR. При расширении Вселенной, начиная с некоторого zМ (для каждой молекулы своего, определяемого ее энергией связи), катастрофически быстро уменьшается число фотонов, способных разорвать молекулу. В результате она остается устойчивой, пока не появятся новые фотоны от первых звезд или горячая плазма от вторичного разогрева. Какие основные молекулы должны были быть в ранней Вселенной? В нашем распоряжении набор атомов и ионов: атом водорода (Н), его ион (Н+ – протон), стабильный изотоп водорода – дейтерий (D), атом гелия (основной изотоп) – 4Не, его легкий изотоп – 3Не, литий – Li и некоторое количество свободных электронов (e). Этот список может быть дополнен более тяжелыми элементами – углерод (C), азот (N), кислород (O), фтор (F). Их при стандартном сценарии намного меньше, чем легких. Однако на их основе можно образовывать многоатомные молекулы, например воду (Н2О). Из элементов первого круга можно выделить следующие молекулы и молекулярные ионы – Н2, Н2+, НD, HD+, HeH+, LiH, H2D+; из элементов второго круга – CH, CH+, NH, NH+, OH, OH+, HF. Для подробных расчетов их концентраций используют список всевозможных химических реакций. Из перечисленных выше молекул HF имеет наибольшую энергию связи. Она перестает разрушаться фотонами фона при zM ≈ 550! А молекула воды может активно появляться при zM ≈ 340 (t ≈ 3 млн. лет). Взаимодействие молекул с фоновым излучением Перейдем к описанию самого важного свойства молекул, которое определяет интерес к ним и порождает надежду разгадать с их помощью тайны «Темных веков». Все молекулы имеют дискретные энергетические уровни. У двухатомных молекул три типа уровней – вращательные, колебательные и электронные. Наименьшую энергию имеют вращательные уровни, затем колебательные (примерно в 50 – 100 раз больше) и электронные (еще примерно в 10–20 раз больше). Переходы между этими уровнями приводят к поглощению или излучению фотонов с длинами волн порядка сотен и нескольких микрон, тысяч ангстрем соответственно. Относительные концентрации основных молекул в ранней Вселенной в стандартном сценарии (для фтора взято максимальное возможное значение обилия). Исключительно важно, что поглощение или излучение происходит в очень узком интервале длин волн вблизи некоторых стандартных значений (строго индивидуальных для каждой молекулы). Вероятность поглощения и излучения в этих интервалах очень велика, так что эффективность рассеяния фотонов молекулой примерно на 12 порядков больше, чем электроном! Это позволяет надеяться, что первичные молекулы будут обнаружены даже при очень малых концентрациях. Еще одно обстоятельство делает молекулы удобным инструментом исследования «Темных веков»: их вращательный и колебательный спектры в данную эпоху идеально ложатся на спектр CMBR. Молекулы – «проявители» первичной структуры распределения вещества Распределение материи во Вселенной только приближенно можно считать однородным. Неоднородности по мере расширения нарастают, и в результате образуются те объекты, которые мы сегодня видим на небе. В нашем случае начальные неоднородности плотности и их скорости – слабые звуковые волны в масштабах, сравнимых с масштабами горизонта. Наличие пекулярной скорости у какого-либо объема вещества (облака) нарушает локальную изотропию фонового излучения: в системе этого облака температура CMBR в направлении скорости движения за счет эффекта Доплера становится больше, а в противоположном – меньше. Если вещество в облаке может рассеивать фотоны, то мы в своей системе увидим изменение температуры излучения в направлении на это облако. Отметим особо, что здесь принципиально важны оба фактора – движение облака и рассеяние в нем. Так, даже сильно непрозрачное облако, но не имеющее пекулярной скорости, не будет видно в силу однородности и изотропии освещающего его фонового излучения. Возможно, так выглядело небо примерно 400 млн. лет после Большого взрыва (темные облака – области холодного газа, не дошедшие до стадии гравитационного сжатия). Появление молекул делает вещество частично непрозрачным только в определенных узких участках спектра. Для наблюдателя это выглядит так. Облако, находящееся на красном смещении, будет видно в излучении или поглощении (в зависимости от знака скорости) в узких линиях, длины волн которых определяются молекулярными константами и величиной z. На частотах между этими линиями наблюдаем только фон или другое облако, если его красное смещение и положение в пространстве соответствуют условиям приема. Флуктуации интенсивности CMBR,
Комментариев нет:
Отправить комментарий