Légballonnal végzett kísérlet bizonyítékot talál a lapos univerzumra, az inflációra és egy kozmológiai állandóra

Légballonnal végzett kísérlet bizonyítékot talál a lapos univerzumra, az inflációra és egy kozmológiai állandóra
Légballonnal végzett kísérlet bizonyítékot talál a lapos univerzumra, az inflációra és egy kozmológiai állandóra
Anonim

Berkeley – Az asztrofizikusok újabb jelentős lépést tettek a gyerekcipőben járó univerzum ábrázolásában. A nem sokkal az ősrobbanás utáni időre visszatekintő léggömbön végzett kísérlet első eredményei megerősítik a titokzatos „sötét anyag” és „sötét energia” létezését, amelyek a kozmosz nagy részét alkotják.

A kísérlet eredményeit, a Millimeter Anisotropy eXperiment IMaging Array (MAXIMA) nevű nemzetközi együttműködést, amelyet a Kaliforniai Egyetem, Berkeley irányít, két közlemény tartalmazza, amelyeket május 8-án, hétfőn nyújtottak be az Astrophysical Journal Letters-hez, és a tervek szerint. a keddi közzétételhez az interneten a http://xxx címen.lanl.gov/list/astro-ph/new.

A MAXIMA eredményei megerősítik a múlt hónapban egy másik csoport által bejelentett eredményeket a ballonokon végzett kísérlet adatainak elemzése után, a Millimetrikus extragalaktikus sugárzás és geofizika (BOOMERANG) elnevezésű ballonokon, és kiterjesztik ezeket az eredményeket az égbolt kisebb szögskáláira.. A MAXIMA térkép a kozmikus mikrohullámú háttér eddig publikált legnagyobb felbontású térképe.

Ezek az eredmények erős bizonyítékot szolgáltatnak arra, hogy az univerzum lapos, nagy léptékű geometriájú, mint az euklideszi geometria, amelyet mindenki a középiskolában tanul. Tömegének és energiájának azonban csak körülbelül 5 százalékát teszi ki a közönséges anyag – amiből a Föld, a csillagok és az emberek készülnek. A maradék vagy hideg sötét anyag – a láthatatlan tömeg, amely összetartja a galaxisokat – vagy sötét energia, egy rejtélyes nyomás vagy taszító erő, amely úgy tűnik, hogy felgyorsítja az univerzum tágulását. A sötét energiát gyakran kozmológiai állandónak nevezik.

„A kozmológiai elméletek egy része, amelyek az inflációt, a sötét anyagot és a kozmológiai állandót foglalják magukban, rendkívül jól illeszkednek adatainkhoz” – mondta Paul Richards, a UC Berkeley fizikaprofesszora. Az infláció a legnépszerűbb kozmológiai elmélet, amely leírja a világegyetem korai történetét.

"Ez jól megerősíti a szabványos kozmológiát, és nagy diadal a tudomány számára, mivel jóval a kísérlet előtt készült jóslatokról beszélünk, olyasmiről, amit olyan nehéz megismerni, mint a nagyon korai univerzum."

A MAXIMA csapatát, amely 13 intézmény és öt ország 22 munkatársából áll, a Nemzeti Tudományos Alapítvány és a Nemzeti Repülési és Űrkutatási Hivatal finanszírozza, az adatok elemzését pedig az Energiaügyi Minisztérium támogatja.

"Bár néhány tag közös a MAXIMA-ban és a BOOMERANG csapatban is, a két elemzés teljesen függetlenül készült" - jegyezte meg Shaul Hanany, a Minnesota-i Egyetem fizikaprofesszora, és az egyik első szerzője. a papírok közül."Az a tény, hogy ezek a független kísérletek ilyen hasonló eredményeket adnak, a legjobban jelzi, hogy mindketten jól járunk a tudományban."

"Ezek rendkívül nehéz kísérletek, és a MAXIMA és a BOOMERANG adatai mégis látványos egyetértést mutatnak" - tette hozzá Adrian Lee kozmológus, az NSF Részecskeasztrofizikai Központ és az Űrtudományi Laboratórium MAXIMA projektjének vezetője. az UC Berkeleyben.

Az inflációs elméletek olyan eseményre vonatkoznak, amely a másodperc végtelenül kicsi töredékével történt az ősrobbanás után, egy olyan robbanásveszélyes esemény után, amelyről a legtöbb csillagász úgy gondolja, hogy 10-20 milliárd évvel ezelőtt elindította univerzumunkat. Ebben a pillanatban a táguló univerzum gyors infláción ment keresztül, ami kisimította az anyagot és az energiát. A nyomáshullámok vagy hanghullámok csak ezután nyomtak rá részletes információkat a születőben lévő univerzumról az infláció során keletkezett forró, sűrű anyagcsomókra.

Ez a korai történelem láthatatlan számunkra, de a nyomok egy körülbelül 300 000 évvel későbbi időből származnak, amikor az univerzum körülbelül 3000 Kelvinre hűlt, lehetővé téve a hidrogénatomok kialakulását.A fény hirtelen megszabadult a töltött részecskékkel való folyamatos ütközéstől, és abban a pillanatban pillanatképet adott nekünk a meleg és hideg csomókról.

Az eseményből származó sugárzó hő lehűlt, ahogy az univerzum tovább tágul, egészen napjainkig, amíg a mikrohullámú háttér mindössze 2,7 Kelvin, azaz 454 Fahrenheit-fok nulla alatt van. A meleg és hideg foltok 100 000-enként néhány résszel változnak. A MAXIMA és a BOOMERANG egyaránt mérte a kozmikus mikrohullámú háttér hőmérséklet-ingadozásait, és elkészítette az univerzum hőtérképét 300 000 évvel az ősrobbanás után.

A hőtérkép foltjainak mérete azonnal elárulta a kozmológusoknak az univerzum egyik fontos paraméterét, geometriáját vagy görbületét. Mindkét kísérletben körülbelül egy fokos mérettartományban csoportosultak foltok, ami lapos univerzumot jelez, mint az ókori görög geometria, Euklidész több mint 2300 évvel ezelőtt. Ezt a számunkra legismertebb geometriát olyan párhuzamos egyenesek jellemzik, amelyek mindig ugyanolyan távolságra vannak egymástól.

Egy zárt univerzum, amely hasonló egy gömb kétdimenziós felületéhez, ahol végül párhuzamos vonalak keresztezik egymást, nagyobb foltokat hozna létre; egy nyitott univerzum, amelyben a párhuzamos vonalak mindig eltérnek, kisebb foltokat hozna létre.

A világegyetemről a távoli szupernóvák tanulmányozásából nyert legújabb adatokkal kombinálva az adatok alátámasztják az univerzum inflációs elméletét is. Pontosabban, a kísérletek a normál anyag mennyiségét az univerzumban körülbelül 5 százalékra teszik; a sötét anyag mennyisége körülbelül 30 százalék; és a sötét energia mennyisége – a kozmológiai állandó – körülbelül 65 százalék.

"Valószínűleg ez a legérdekesebb eredménye ezeknek a kísérleteknek" - mondta Hanany. "A mi adataink és a szupernóvákból származó adatok kombinációja nagyon erős bizonyítéka annak, hogy valami kozmológiai állandóra van szükségünk az univerzum leírásához. Új fizikára lehet szükség a kozmológiai állandó eredetének magyarázatához."

A kozmológiai állandót Albert Einstein belevetette az univerzum egyenleteibe, majd ezt tévedésként dobta ki. Az elmúlt néhány év meglepő szupernóva-eredményei feltámasztották az ötletet, mivel az állandó leírhat egy univerzumot, amelynek tágulása egyre gyorsul.

Richards megjegyezte, hogy bár az égbolt hőtérképe "szép kép", a legtöbb információ az égbolt adatok részletes statisztikai elemzéséből származik, valamint a COBE küldetés nagy szögléptékű adataiból. A Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumban működő Energiaügyi Minisztérium Nemzeti Energiakutatási Tudományos Számítástechnikai Központjának (NERSC) szuperszámítógépeinek segítségével a MAXIMA csapata kiszámította az égbolttérkép teljesítményspektrumát, amely lényegében a mikrohullámú sütő meleg és hideg pontjainak mérettartománya. háttér. Ahogy az egy fok körüli klaszter lapos univerzumot jelez, a kisebb szögméretű klaszterek is az inflációs elméletek ismertetőjegyei.

Bár a MAXIMA eredményei nem azonosítanak egyértelműen más csúcsokat a teljesítményspektrumban, a MAXIMA képes volt más, az inflációt erősen alátámasztó információkat is levonni. Ezek között van egy nulla "dőlés", ami lényegében azt jelenti, hogy közvetlenül az infláció után az univerzum energiaingadozása minden méretskálán egyenletes volt.

"Az inflációs elméletek két fő előrejelzést adnak" - mondta Lee. "Az egyik egy lapos univerzum. A másik, hogy a teljesítményspektrumnak nincs dőlése. A MAXIMA mindkét előrejelzést támogatja."

Richards azt is megjegyezte, hogy az univerzum közönséges anyagból álló töredékére, az úgynevezett barionokra kapott szám - körülbelül 5 százalék - tökéletesen illeszkedik a csillagok nukleoszintézisének elméletéből származó, teljesen független becslésekhez.

"Sokan szkeptikusak a kozmológiával kapcsolatban, így amikor az eredményeid ezt a fajta egyetértést mutatják, jobban bízol az elméleteidben" - mondta.

A csillagászok először 1965-ben lettek figyelmesek a kozmikus háttérsugárzásra, amikor véletlenül felfedezték az égbolt minden irányából származó mikrohullámú sugárzást. Ezt az ősrobbanás bizonyítékának tekintették, és a teoretikusok az évek során számos elméletet hoztak létre, hogy megmagyarázzák az univerzum evolúcióját a robbanásszerű születésétől kezdve.

1992-ben a Cosmic Background Explorer (COBE) műhold szolgáltatta az első bizonyítékot arra vonatkozóan, hogy a mikrohullámú izzás nem egyenletesen 2,7 Kelvin, hanem akár 100 milliomod Kelvinnel is meghaladja vagy alatta az átlagot – bizonyíték a csomókra. és a ráncok a nagyon korai univerzumban. Ezek az anyag- és energiacsomók feltehetően galaxishalmazokká és szuperhalmazokká fejlődtek, amelyeket ma is látunk.

Azóta különböző kis kísérletek mérték fel ezeknek a változatoknak a méretét, ami egy lapos univerzumra utal. De a MAXIMA és a BOOMERANG sokkal egyértelműbb bizonyítékokat adott erre a kozmológusoknak, mondta Richards. A COBE kis felbontású képet kapott a teljes égboltról, pontosan mérve a nagyméretű csomókat, és kiegészíti a MAXIMA adatait.A MAXIMA finomabb felbontással vizsgálta az égbolt 0,3 százalékát képviselő területet – egy old alt körülbelül 11 fokkal, vagyis 22-szer szélesebb, mint a telihold – az égbolt északi részén, a Draco csillagkép közelében.

A ma közölt elemzéshez használt adatok a MAXIMA első repüléséből származnak, 1998. augusztus 2-án, a National Scientific Ballooning Facility-ből, Palesztinában, Texasban. A naplementekor felbocsátott ballon körülbelül 130 000 láb magasságban repül egy éjszaka - 7-10 órán át -, és ejtőernyővel visszakerül a földre. Az 1,3 méteres teleszkóp a mikrohullámú sugárzást a Richards csoportja által kifejlesztett csúcstechnológiás hűtőszekrényekkel Kelvin tized fokra hűtött detektorokra fókuszálja. A detektorok 5 foktól 1/6 fokos szögfelbontásban tudnak mintát venni az égboltról. A COBE 7 foknál nem lehet kisebb.

A BOOMERANG, amely a MAXIMA-val való együttműködésből indult ki, felvált, hogy kockázatosabb megközelítést alkalmazzon – egy antarktiszi ballonos létesítményből indul, hogy legalább 10 napig megfigyeljen, ritkábban, jellemzően két órai repülés árán. három éves időközönként.Az Egyesült Államokból induló MAXIMA évente egyszer vagy kétszer tud repülni, érzékenyebb, és az égbolt egy kisebb területét nézi finomabban, míg a BOOMERANG az égbolt nagyobb területéről gyűjt adatokat.

A MAXIMA 2 1999 júniusában repült, és nagyjából kétszer akkora területet figyelt meg, mint a MAXIMA 1. A MAXIMA 3 ez év őszén fog repülni, és megkísérli mérni a kozmikus háttérsugárzás polarizációját, amit még soha nem figyeltek meg.

"Az, hogy a sugárzás polarizált, az inflációs elméletek másik előrejelzése" - mondta Hanany. "A polarizációmérés jelenti az új határt a kozmikus mikrohullámú háttérkutatásban."

A MAXIMA 1 és 2 adatainak folyamatos elemzése, kombinálva az 1992-es COBE-adatokkal és végül a BOOMERANG-adatokkal, az összes kozmológiai paraméter jobb mérését fogja biztosítani, mondta Adrian Lee kozmológus.

"Még mindig sokkal többet kaphatunk a MAXIMA adataiból. Aranyat keresünk azokban a Doppler-dombokban" - mondta.

Linkek:

Astrophysical Journal Letters:

További információk találhatók a MAXIMA honlapján:

További fényképek találhatók a következő helyen:

Népszerű téma

Érdekes cikkek
Az őskémiai érzékelő fejlődése, a nocicepció, kiszagolva
Olvass tovább

Az őskémiai érzékelő fejlődése, a nocicepció, kiszagolva

Amikor megfullad a csípős cigarettafüsttől, úgy érzi, mintha felégne egy falat wasabi-csipkés sushitól, vagy sírna, miközben nyers hagymát és fokhagymát vág, válaszát egy eredeti kémiai érzékelő váltja ki mintegy 500 millió éves állatfejlődés – számoltak be a Brandeis Egyetem tudósai a Nature március 18-i tanulmányában.

A gombák gyorsan változhatnak, továbbadhatják a fertőző képességet
Olvass tovább

A gombák gyorsan változhatnak, továbbadhatják a fertőző képességet

A gombák jelentős potenciállal rendelkeznek a „horizontális” génátvitelben, egy új tanulmány kimutatta, hasonlóan azokhoz a mechanizmusokhoz, amelyek lehetővé teszik a baktériumok ilyen gyors fejlődését, rezisztenssé válnak az antibiotikumokkal szemben, és más súlyos problémákat okoznak.

Marine Mr. Mom: A hím csőhalak szülnek, de némelyik döglött apa, a tanulmány szerint
Olvass tovább

Marine Mr. Mom: A hím csőhalak szülnek, de némelyik döglött apa, a tanulmány szerint

A hím csőhalak és csikóhal-unokatestvéreik az egyetlen hím, amely ténylegesen vemhes lesz és megszül, de a pipahalak valószínűleg soha nem nyerik el az Év Atyja díjat – az utódokhoz való hozzáállásuk a teljes szeretettől a teljes elhanyagolásig terjedhet, a Texas A&M Egyetem kutatóinak új eredményei szerint.