Где половина Вселенной? Вот она! [Veritasium]
Вот сайт с шаурмой, Макс. [Музыка] Долгое время мы не могли найти. Была вина вселенной: то ли она спряталась, то ли мы плохо ищем. Я сейчас не про темную материю и энергию, которая составляет 27 и 68 процентов вселенной соответственно, я говорю про обычную материю, из которой сделаны вы, планеты, звёзды и туманности, и практически всё, что мы видим.
В основном это всё состоит из протонов и нейтронов, которые относятся к барионам. Поэтому учёные говорят о проблеме пропавших барионов. По расчетам, вселенная на 5 процентов состоит из барионной материи, но почему-то найти у нас получилось лишь два с половиной. Возможно, у вас появилось несколько вопросов. Во-первых, почему мы вдруг решили, что во вселенной именно 5 процентов барионной материи? Всё потому, что именно такое её количество объясняет концентрацию различных элементов в нашей вселенной, а именно соотношение дейтерия, водорода и гелия.
Вначале, в смысле почти сразу после большого взрыва, повсюду с бешеной скоростью носились нейтроны и протоны. Было невероятно жарко из-за мощнейшего излучения. В тот момент по сути только она и существовала. По мере расширения вселенная остывала, а протоны с нейтронами стали образовывать ядра атомов. Одним из самых устойчивых является ядро атома гелия: 4 (2 нейтрона и два протона).
Но есть нюанс: чтобы получить гелий-4, надо сперва образовать дейтерий — один нейтрон и один протон. И эти ядра уже не такие прочные, поэтому их почти сразу разрушало окружающее излучение. Но примерно через 10 секунд после большого взрыва температура вселенной упала настолько, что ядра дейтерия уже не распадались, а могли спокойно соединяться друг с другом и образовывать гелий. Интенсивность этого процесса зависела от плотности ранней вселенной; чем она выше, тем активнее синтезировался гелий.
Да, когда вселенной было 20 минут от роду, температура стала ещё ниже, и процесс остановился. Соотношение элементов с этого момента больше не менялось. Смотрите, это всё равно что фотография первых минут жизни вселенной: 75 процентов водорода и 25 процентов гелия. Почти ту же самую картину мы видим и сегодня, а среди всего водорода 26 ядер из миллиона — это дейтерий.
Отличительная черта дейтерия — его стабильность: он не распадается и по сей день. Способа синтезировать его в больших количествах нам неизвестно, если не считать большой взрыв. Значит, каждый атом дейтерия во вселенной, в том числе один из шести тысяч атомов водорода в воде из-под крана, появился не в недрах звёзд, а в первые 20 минут жизни вселенной.
Самый ранний свет, который мы видим, смотрелись в глубины космоса, это так называемое реликтовое излучение — электромагнитное эхо большого взрыва, непрерывно раздающееся в пространстве с того момента, когда нашей вселенной было примерно 400 тысяч лет. Сегодня мы можем посчитать эти фотоны и установить мощность излучения сразу после взрыва. Зная, что на каждый миллион ядер водорода приходится 26 ядер дейтерия, мы можем рассчитать соотношение барионной материи и фотонов. Именно так мы и пришли к тому, что вселенная на 5 процентов состоит из барионной материи.
В конце 90-х учёные поставили себе задачу отыскать эту материю. Устроили своеобразную перепись населения, сложив вместе все планеты, звезды, черные дыры, галактики, пылевые облака, газ - всё, что можно непосредственно увидеть или косвенно зарегистрировать с помощью телескопа. Оказалось, что все объекты, которые состоят из того, что мы привыкли называть веществом, складываются всего лишь в 20 процентов от общего количества барионов. Так где же всё остальное?
Во-первых, некоторой материи не испускает собственный свет и не освещена близлежащими звездами. Я сейчас не о тёмной материи, я об обычной, которая скрыта во тьме. Чтобы её найти, можно, например, воспользоваться фоновой подсветкой с ярким источником, который находится очень далеко, а значит и очень давно во вселенной. Квазары — идеальный пример: они ярче тысячи галактик вместе взятых.
Источником света служат невероятно горячая материя аккреционного диска, вращающегося вокруг сверхмассивной чёрной дыры в центре древней галактики. Если источник света находится очень далеко от наблюдателя, нужно помнить о красном смещении. Когда электрон в атоме водорода перескакивает со второго энергетического уровня на первый, он совершает Лайман-альфа переход и испускает фотон ультрафиолетового спектра длиной 121,6 нанометра. Из-за расширения вселенной на Земле это событие зарегистрируют как пик в районе 560 нанометров, а это уже видимый желтый свет.
Что любопытно, левее этого пика на спектре видно несколько впадин, это абсорбционные линии, возникающие из-за облаков нейтрального водорода между нами и наблюдаемым квазаром. Его свет проходит через облака водорода, а атомы газа поглощают фотоны энергии, которых хватает, чтобы поднять электроны с первого уровня на второй. Это тот же Лайман-альфа переход. Складывание водорода находится к нам поближе, следовательно, красное смещение меньше, поэтому впадины, которые они оставляют на спектре, расположены тем левее, чем ближе газ расположена к Земле.
Такая спектральная картина называется лесом Лайман-альфа. Это своеобразная аномерная карта, которая показывает, где и сколько нейтрального водорода располагается между Землёй и определёнными квазарами. Добавляем этот газ к нашей переписи барионов, и получается примерно 50 процентов. И где же тогда вторая половина материи? Компьютерное моделирование вселенной указывает на то, что она есть спрятана где-то в межгалактическом пространстве и образует волокнистую структуру.
Правда, очень разрежённую. На кубический метр приходится от 1 до 10 частиц, которые к тому же ионизированы, а значит, не поглощают свет в отличие от нейтрального водорода. Их температура варьируется от 100 тысяч до 10 миллионов кельвинов. Эту температуру астрономы называют "тепло-горячей межгалактической средой", она же УМ. Но обнаружить эту среду не так-то просто. Ионизированные частицы и высокие температуры порождают высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение, или слабую рентгеновскую.
Учёные перепробовали довольно сложные способы, чтобы найти эти барионы, но недавно с этой задачей нам помогло справиться естественно-физическое явление. Сейчас всё объясню. Для начала поговорим о молниях. В конце всё сойдётся. Вы знали, что можно зафиксировать молнию на другой стороне Земли? Молния вспыхивает электромагнитным излучением во всех частях спектра. Мы видим только белые зигзаги, а не видим, например, радиоволны, которые при наличии необходимой техники можно без проблем зафиксировать.
Даже самые низкочастотные радиоволны способны выходить из атмосферы, а затем двигаться вдоль линий магнитного поля Земли, уходя на огромные расстояния от планеты и возвращаясь в другом полушарии, где их также можно засечь. Только это будут нечеткие радиовсплески. Эти сети и сигналы и называют свистящими. В атмосфере кометы, если их прослушать, то становится понятно, почему. Вот, например, и заметили такой нисходящий свист, похоже на бластеры из старых фильмов — это звук молнии на другой стороне Земли.
Что же тут происходит? Были проданы через атмосферу и вдоль линий магнитного поля, и волны сталкиваются со свободными электронами и замедляются, тем больше, чем ниже частота волны. Так происходит дисперсия, такая же, как со светом, который расслаивается, проходя сквозь призму. А плазма в магнитосфере расслаивает радиоволны по разным частотам; низкие частоты замедляются сильнее высоких. В итоге всплеск превращается в свист.
По степени дисперсии можно судить о том, сколько было свободных электронов на пути волны. Так вот, нечто подобное можно провернуть, чтобы обнаружить недостающие барионы. Для этого нам понадобится всего лишь сильная вспышка радиоизлучения где-то далеко во вселенной. И вот удача: в 2007 году астрономы впервые зафиксировали быстрые радиовсплески. Название говорит само за себя: это очень недолгие, но интенсивные выбросы радиоволн. Их источники где-то далеко во вселенной, в других галактиках.
Излучение бывает невероятно мощным, в миллиарды и триллионы раз мощнее излучения солнца, но по времени это порядка миллисекунд. Мы толком не знаем, откуда они берутся, но некоторые приписывают их магнетарам, нейтронным звёздам, столкновениям очень массивных объектов вроде чёрных дыр или нейтронных звёзд. Но для нас пока важно только то, что быстрые всплески существуют. Мы можем измерить их дисперсию и выяснить, сколько ионизированных барионов между нами и их источником.
Это и сделали авторы недавней работы, опубликованной в "Тэтчер". Они определили дисперсию волн для нескольких быстрых радиовсплесков, ушли красные смещения в их галактики, но и выяснили само собой, что чем дальше источник, тем заметнее дисперсия, когда они достигают Земли. А потом, на основе своих измерений, они смогли оценить количество барионной материи во вселенной, включая теплую горячую среду. Получилось как раз ровно пять процентов — потерянные барионы нашлись. Оказалось, что половина материи спрятана в теплой горячей межгалактической среде.
Таким образом, подтверждается то, что мы и предполагали. Знаете, что меня поразило, пока я работал над видео? Как мало обычного вещества от большого взрыва ушло на звёзды и всё прочее, что кажется главным составляющим вселенной. Всё это вместе лишь 10-20 процентов барионов. Оказывается, создание таких интересных объектов — процесс очень уж неэффективный.
Но подсчеты из этой статьи, ещё одно занимательное открытие. Симуляции, расчёты, которые проводили десятилетия назад, оказались во многом не стоящими. Поздравить с успехом всех причастных! Но и тут становится очевидна разница между учеными и остальными людьми. Мне кажется, людям нравится, когда они правы, когда всё так, как они ожидали. Учёные же, с другой стороны, только и ждут, когда обманулся в своих предположениях. Для них это подсказки, знаки того, что ещё есть пространство для научного поиска. Но пока придётся довольствоваться тем, что мы оказались правы.
Переведено и озвучено студией "Вверх Гайдар".