Параллельные
ГЛАВА 9 В поисках эхо-сигналов
жүктеу/скачать 2.82 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- GPS и теория относительности
- Эгического
- LIGO — лазерная обсерватория- интерферометр гравитационных волн
- Детектор гравитационных волн LISA LISA
- [Гравитационных
- Колее
- Вйланета
- Темное вещество у вас в гостиной
- SIMPLE
- SUSY — суперсимметричное темное вещество
- Компенсация температурных флуктуации
- Соединение радиотелескопов
- Измеряем одиннадцатое измерение
| ГЛАВА 9
В поисках эхо-сигналов из одиннадцатого измерения Серьезные заявления требуют серьезных доказательств. Карл Саган К/* акое бы глубокое впечатление ни производили параллельные К^-вселенные, порталы в другие измерения, да и сами дополнитель- е высшие измерения, все же требуются неопровержимые доказа- BfAicra1 их существования. Как отмечает астроном Кен Кросвелл, ^Другие вселенные — словно хмельной напиток дальних стран: о можно говорить все, что захочешь, безо всякого опровержения, кольку астрономы их так и не видят». Раньше проверка многих этих прогнозов считалась безнадежным предприятием в условиях имитивности нашей экспериментальной техники. Однако послед- достижения в области компьютерной, лазерной и спутниковой И&нологий подвели многие из этих теорий соблазнительно близко к ■сспериментальной проверке. Прямая проверка этих теорий может оказаться чересчур слож- й, однако косвенная проверка может оказаться в пределах нашей рсягаемости. Иногда мы забываем, что астрономия во многом ■Ьаювана на косвенных методах. К примеру, никто никогда не был на ролнце или других звездах, однако же нам известно, из чего состоят 1Ды, а выяснили мы это при помощи света, испускаемого этими светящимися объектами. Анализируя оптический спектр звездного света, мы узнали, что звезды состоят в основном из водорода и не- которого количества гелия. Подобным образом, никто никогда не видел черной дыры: в сущности, черные дыры невидимы и их нельзя наблюдать непосредственно. Однако мы можем получить косвенное доказательство их существования путем поисков аккреционных дис- ков и вычисления массы этих мертвых звезд. Во всех этих экспериментах мы ведем поиски «эхо-сигналов», исходящих от звезд и черных дыр, с целью определить их природу. Подобным образом и одиннадцатое измерение может находиться вне нашей прямой досягаемости, но новые революционные ин- струменты, имеющиеся в нашем распоряжении, делают реальными потенциальные способы проверки теории инфляционного расшире- ния и теории суперструн. GPS и теория относительности Простейшим примером переворота в исследованиях теории относи- тельности, произведенного спутниками, является Глобальная система навигации и определения положения (англ. Global Positioning System, или GPS), 24 спутника которой беспрерывно вращаются вокруг Земли, испуская точные синхронизированные сигналы, которые позволя- ют определить положение объекта с невероятной точностью. Эта глобальная система стала незаменимым элементом в навигации, торговле, а также при проведении военных действий. Все — от ком- пьютеризованных карт в автомобилях до крылатых ракет — осно- вано на возможности синхронизации сигналов с точностью до 50 миллиардных долей секунды для определения положения объекта на Земле с точностью до 14 метров. Но для того, чтобы обеспечить столь высокую точность, ученым необходимо вычислить небольшие поправки к законам Ньютона согласно теории относительности, которая утверждает, что при движении спутников произойдет не- большое смещение частоты радиоволн^Ч В сущности, если мы неосмотрительно пренебрежем поправками согласно теории от- носительности, то часы на спутниках глобальной системы будут спе- шить на 40 миллионных долей секунды в день и на данные системы полагаться будет нельзя. Таким образом, теория относительности »солютно необходима для торговли и военных. Физику Клиффорду кллу как-то довелось провести инструктаж генерала ВВС США Э тему необходимых поправок для глобальной системы навигации ►определения положения, исходящих из теории относительности !йнштейна. Позднее Уилл заметил, что теория относительности эстигла стадии зрелости, раз уже даже высшие офицеры Пентагона уждаются в инструктаже по теории относительности. уетекторы гравитационных волн р сих пор все, что известно об астрономии, приходило к нам в фор- Se электромагнитного излучения, будь это звездный свет, радио- или икроволновые сигналы из глубин космоса. Сегодня ученые вводят ервое новое средство для научных открытий, а именно гравитацию. (Каждый раз, как мы смотрели на небо по-новому, мы видели новую селенную», — говорит Гари Сандерс из Калифорнийского техно- Эгического института, заместитель директора проекта гравитаци- иных волн. i Впервые о гравитационных волнах заговорил Эйнштейн в 916 году. Представьте, что случилось бы, если бы Солнце исчезло, рипоминаете аналогию шара для игры в боулинг, утопающего в ма- эасе? Или еще лучше — в батуте? Если этот шар внезапно убрать, то ртут немедленно возвратится в свое первоначальное состояние, что Ьздаст волны, бегущие вовне по батуту. Если шар для боулинга заме- ть Солнцем, то мы увидим, что гравитационные волны движутся с яределенной скоростью, а именно со скоростью света. : Хотя позднее Эйнштейн нашел точное решение для своих >авнений, допускавших существование гравитационных волн, н отчаялся увидеть при жизни подтверждение своего прогноза, навигационные волны чрезвычайно слабы. Даже ударные взрывные рлны, образующиеся при столкновениях звезд, недостаточно силь- *, чтобы их можно было измерить в ходе проводимых в настоящее »емя экспериментов. i Пока что существование волн гравитации подтверждено лишь Кженно. Два физика, Рассел Хале и Джозеф Тейлор мл., выдвинули |едующую гипотезу: если изучить двойные звездные системы, в ко- »рых вращающиеся звезды движутся одна за другой в космическом пространстве, то окажется, что каждая звезда испускает поток гра- витационных волн, похожих на волны, образующиеся при размеши- вании патоки. При этом орбита обеих звезд постепенно становится все меньше и меньше. Эти ученые изучили смертельную спираль двух нейтронных звезд, постепенно приближающихся друг к другу. Объектом их исследования стала двойная система нейтронных звезд PSR 1913+16, которая находится на расстоянии около 16000 све- товых лет от Земли. Звезды этой системы совершают полный виток одна вокруг другой за 7 часов 45 минут, и в этом процессе в космиче- ское пространство испускаются волны гравитации. Применив теорию Эйнштейна, эти ученые обнаружили, что две рассматриваемые звезды должны сближаться друг с другом на один миллиметр за каждый полный виток. Хотя такое расстояние фантастически мало, в год оно увеличивается почти до метра, в то время как орбита в 700 000 км медленно уменьшается в размерах. Эта новаторская работа показала, что уменьшение орбиты в точ- ности соответствует предсказаниям теории Эйнштейна на основе гравитационных волн. (В сущности, уравнения Эйнштейна предска- зывают, что звезды в конце концов столкнутся через 240 миллионов лет вследствие потери энергии, испускаемой в космос в виде грави- тационных волн.) За свою работу Рассел Хале и Джозеф Тейлор мл. получили Нобелевскую премию по физике в 1993 году. Мы можем также пойти в обратном направлении и использовать этот точный эксперимент, чтобы измерить, насколько точна сама об- щая теория относительности. При проведении вычислений в обрат- ном порядке выясняется, что общая теория относительности верна как минимум на 99,7 %. LIGO — лазерная обсерватория- интерферометр гравитационных волн Чтобы получить полезную информацию о ранней вселенной, не- обходимы прямые наблюдения гравитационных волн. В 2003 году первый действующий детектор гравитационных волн LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, или лазерная обсервато- рия-интерферометр гравитационных волн) наконец был запущен, реализовав тем самым давнюю мечту прощупать тайны вселенной средством гравитационных волн. Целью детектора LIGO яв- ется регистрация космических событий, которые происходят шком далеко или имеют слишком маленькие масштабы, чтобы можно было наблюдать при помощи наземных телескопов. Это, ажем, такие события, как столкновения черных дыр или нейтрон- "с звезд. Обсерватория LIGO состоит из двух гигантских лазерных уста- вок, одна из которых расположена в Хэнфорде (штат Вашингтон), другая в Ливингстоне (штат Луизиана). Каждая из установок абжена двумя трубами по 4 км длиной каждая, которые образуют антскую букву L. Внутри каждой трубы включается лазер. В углу —ы L оба лазерных луча сталкиваются, и происходит интерферен- их волн. Обычно в отсутствие каких-либо возмущений две волны ронизируются и взаимоуничтожаются. Но если в устройство падает даже малейшая гравиволна, образовавшаяся при столкно- нии черных дыр или нейтронных звезд, то одно плечо уменьшается увеличивается иным образом, нежели второе. Такого возмуще- достаточно, чтобы разрушить хрупкий баланс двух лазерных ей — они не взаимоуничтожаются, а создают характерную кар- у интерференции волн, которую можно подвергнуть детальному мпьютерному анализу. Чем больше гравитационная волна, тем льше несовпадение между двумя лазерными лучами и тем больше терференция. Обсерватория LIGO являет собой чудо техники. Поскольку мо- кулы воздуха могут поглощать свет лазеров, трубку, по которой оходит свет, вакуумируют до давления в одну триллионную часть осферы. Каждый детектор занимает около 8,4 м3 пространства, о означает, что в обсерватории LIGO находится самый большой ъем искусственного вакуума в мире. Особая чувствительность GO объясняется, в частности, конструкцией зеркал, управляемых отечными магнитами размером с муравья, которых всего шесть, ркала так отполированы, что точность их составляет до одной идцатимиллиардной доли дюйма. «Представьте, что Земля была настолько гладкой. Тогда средняя гора возвышалась бы не более, на дюйм (ок. 2,5 см)», — говорит Гарилинн Биллингсли, в обя- ости которой входит контроль зеркал. Конструкция этих зеркал столько тонка, что их можно сдвигать менее чем на микрон, что делает их, вероятно, самыми чувствительными зеркалами в мире. «У большинства инженеров, занимающихся системами контроля и управления, просто отвисает челюсть, когда они слышат о том, что мы пытаемся сделать», — говорит Майкл Цукер, ученый, принимаю- щий участие в проекте LIGO. Поскольку детектор LIGO столь тонко сбалансирован, иногда его работе мешают крошечные вибрации, идущие от самых нежела- тельных источников. К примеру, установку LIGO в Луизиане нельзя запускать днем из-за лесорубов, которые валят деревья в полукило- метре от детектора. (Детектор LIGO настолько чувствителен, что его нельзя было бы запускать в течение дня даже в том случае, если рубка леса проходила бы на расстоянии полутора километров.) Даже ночью вибрации, источником которых являются товарные составы, проходящие в полночь и в шесть часов утра, ограничивают продол- жительность непрерывной работы детектора LIGO. Даже столь слабое явление, как волны, бьющие о берег на рас- стоянии нескольких километров от установки, может повлиять на результаты. Волны океана бьют о берег Северной Америки в среднем каждые шесть секунд, создавая низкий гул, который может быть за- фиксирован лазерами. Частота этого шума настолько низка, что он, в сущности, может распространяться прямо сквозь землю. «Это похоже на рокот, — так комментирует этот шум Цукер. — В сезон ураганов в Луизиане это становится просто кошмаром». Кроме того, на детектор LIGO оказывают влияние приливы, создаваемые гравитацией Луны и Земли, что создает возмущение в несколько мил- лионных долей дюйма. Для того чтобы исключить эти невероятно малые возмущения, инженеры детектора LIGO предприняли чрезвычайные меры для обеспечения изоляции установки. Каждая лазерная система покоит- ся на вершине четырех огромных платформ из нержавеющей стали, расположенных одна поверх другой; каждый уровень разделен рес- сорами для погашения всех вибраций. Каждый оптический инстру- мент снабжен своей собственной системой сейсмической изоляции; цементный пол в 75 сантиметров толщиной не соединен со стенами. Детектор LIGO представляет собой часть интернационального консорциума, в который также входят французско-итальянский детектор под названием VIRGO в Пизе (Италия), японский детек- Op ТАМА, расположенный за пределами Токио, а также британ- ко-немецкий детектор GEO600 в Ганновере (Германия). В целом, бщая стоимость постройки детектора LIGO обойдется в 292 млн рлларов (плюс 80 млн долларов на пуско-наладочные работы и мо- ернизацию), что делает его самым дорогим проектом из когда-либо Финансировавшихся Национальным научным фондом. Однако, даже несмотря на такую чувствительность детектора, ногие ученые признают, что LIGO, возможно, не обладает достаточ- ой чувствительностью для улавливания действительно интересных рбытий за время своей работы. Следующая модернизация установ- U, LIGO II, намечается на 2007 год (при условии получения финан- ярования). Если детектор LIGO не уловит гравитационных волн, ) смело можно ставить на то, что это получится у LIGO II. Ученый, эинимающий участие в проекте LIGO, Кеннет Либбрехт, заявляет, го LIGO II увеличит чувствительность оборудования в тысячу раз: Вы переходите от [улавливания] одного события раз в 10 лет, что ло- яльно мучительно, к одному событию в три дня, что уже приятно». Чтобы детектор LIGO уловил сигнал от столкновения двух чер- нх дыр (на расстоянии до 300 млн световых лет), ученым пришлось л ждать от года до тысячи лет. Многие астрономы, возможно, со- реваются в целесообразности изучения подобных событий при рмощи детектора LIGO, если это означает, что свидетелями этого >бытия станут их пра-пра-пра... правнуки. Но как выразился один из йстников проекта LIGO Питер Солсон: «Людям нравится решать *и технически сложные задачи подобно тому, как строители средне- жовых соборов продолжали свою работу, зная, что они, возможно, ; увидят оконченной церкви. Но если бы не существовало такой рльшой вероятности увидеть гравитационные волны в течение моей изни, то я бы не работал в этой области. Это не просто Нобелевская ахорадка... Характерным отличием нашей работы является степень )чности, к которой мы стремимся; если вы работаете таким обра- >м, то вы двигаетесь в правильном направлении». Вероятность об- *ружения поистине интересного события в течение нашей жизни гдет намного выше при использовании детектора LIGO II. LIGO II, Йзможно, обнаружит сталкивающиеся черные дыры на расстояниях !> 6 миллиардов световых лет с частотой от десяти в день до десяти год. Однако даже детектор LIGO II не будет обладать достаточной чувствительностью для обнаружения гравитационных волн, ис- пускаемых в момент его создания. Для этого нам придется подождать еще 15-20 лет до запуска космической лазерной антенны-интерфе- рометра LISA. Детектор гравитационных волн LISA LISA (Laser Interferometry Space Antenna, или космическая лазерная антенна-интерферометр) представляет собой следующее поколение детекторов гравитационных волн. В отличие от детектора LIGO он будет базироваться в открытом космосе. Около 2010 года НАСА совместно с Европейским управлением космических исследований планирует запуск трех спутников, которые будут выведены на сол- нечную орбиту на расстоянии почти в 50 млн км от Земли. Три ла- зерных детектора образуют в космосе равносторонний треугольник (со стороной в 5 млн километров). Каждый спутник будет оснащен двумя лазерами, которые обеспечат непрерывный контакт с двумя другими спутниками. Хотя мощность испускаемых лазерами лучей будет составлять всего лишь 0,5 Вт, оптическое оборудование спут- ников настолько чувствительно, что оно сможет улавливать вибра- ции, исходящие от гравитационных волн с точностью до 10~21 (что соответствует смещению на одну сотую размера одного атома). LISA должна уловить гравитационные волны от источников, находящихся на расстоянии до 9 млрд световых лет от нас, охватывая таким обра- зом большую часть видимой вселенной. Антенна-интерферометр LISA будет настолько точна, что, возможно, зафиксирует первоначальные ударные волны самого Большого Взрыва. Это представит нам наиболее точную картину момента сотворения. Если все будет идти по плану^6^, то LISA смо- жет заглянуть в первую триллионную долю секунды после Большого Взрыва, что, вероятно, сделает ее самым мощным инструментом для космологических исследований. Считается, что LISA сможет пред- ставить первые экспериментальные данные относительно точной природы единой теории поля, теории всего. Одной из важных целей антенны-интерферометра LISA явля- ется представление неоспоримого доказательства, «дымящегося ружья» для теории инфляционного расширения вселенной. До сих pop теория инфляции вписывается во все космологические данные ^плоскость, флуктуации в космическом фоне и так далее). Но это не рзначает, что данная теория верна. Чтобы окончательно решить этот вопрос, ученые хотят изучить гравитационные волны, пущенные в самом процессе инфляционного расширения. «Отпечаток пальца» [Гравитационных волн, образовавшихся в момент Большого Взрыва, должен показать разницу между теорией инфляционного расшире- ния и любой другой конкурирующей теорией. Некоторые ученые, jc примеру Кип Торн из Калифорнийского технологического инсти- тута, считают, что LISA сможет установить, является ли правильной &отя бы одна из вариаций струнной теории. Как я уже объяснял в главе 7, согласно теории инфляционного расширения вселенной рравитационные волны, возникающие в результате Большого Взрыва, должны быть довольно интенсивными, чтобы соответствовать стре- мительному, экспоненциальному расширению молодой вселенной; В то время как экпиротическая модель говорит о более медленном расширении, которое сопровождалось более плавными гравитаци- онными волнами. Антенна-интерферометр LISA должна опровер- гнуть различные конкурирующие теории Большого Взрыва, а также Водвергнуть серьезному испытанию струнную теорию. Г" Линзы и кольца Эйнштейна Еще одним мощным средством исследования космоса могут служить гравитационные линзы и «кольца Эйнштейна». Уже в 1801 году берлинскому астроному Иоганну Георгу фон Зольднеру удалось вычислить возможное преломление звездного света солнечной гра- витацией (хотя, поскольку Зольднер использовал исключительно за- коны ньютоновской механики, его результат был ошибочным и вдвое отличался от правильного. Эйнштейн написал: «Половина этого Преломления вызвана ньютоновским полем притяжения Солнца, а ^вторая половина— геометрической трансформацией [«искривле- нием»] пространства, вызываемой Солнцем»), (г В 1912 году, еще до окончания последней версии общей теории Относительности, Эйнштейн задумывался о возможности исполь- зования этого преломления в качестве «линзы» подобно тому, как стекла ваших очков преломляют свет перед тем, как он достигнет ваших глаз. В 1936 году чешский инженер Руди Мандл написал Эйнштейну письмо, в котором спрашивал, может ли гравитационная линза преломлять свет, исходящий от близлежащей звезды. Ответ был утвердительным, но уловить такое преломление не представля- лось возможным из-за несовершенства технологий того времени. В частности, Эйнштейн понял, что мы бы увидели оптические иллюзии, такие, как двойные изображения самого объекта или кольце- образное искажение света. Свет из очень далекой галактики, проходя, к примеру, мимо нашего Солнца, прошел бы слева и справа от него, прежде чем лучи соединились бы снова и достигли наших глаз. Когда мы вглядываемся в далекие галактики, мы наблюдаем кольцеобразные картины, оптические иллюзии, вызванные действием, которое объяс- няет общая теория относительности. Эйнштейн сделал вывод о том, что было «не много надежды на прямое наблюдение этого явления». В сущности, он написал о том, что эта работа «не имеет большой ценности, но доставляет радость бедняге [Мандлу]». Больше чем через 40 лет, в 1979 году, Деннис Уолш из обсервато- рии Джодрелл-Бэнк получил первое частичное доказательство лин- зирования: он открыл двойной квазар Q0957+561. В 1988 году коль- цо Эйнштейна впервые наблюдалось из источника радиоизлучения MG1131+0456. В 1997 году Космический телескоп Хаббла и сеть радиотелескопов MERLIN в Великобритании при изучении далекой галактики 1938+666 уловили первое кольцо Эйнштейна совершенно правильной формы, что в очередной раз подтвердило теорию велико- го ученого. (Это кольцо совсем крошечное, всего лишь в одну угло- вую секунду, то есть размером с маленькую монетку, наблюдаемую с расстояния в три километра.) Астрономы так описывают восторг, охвативший их при виде этого исторического события: «Сначала кольцо выглядело довольно искусственно и мы подумали, что это какой-то дефект изображения, но потом мы поняли, что перед нами кольцо Эйнштейна совершенно правильной формы!» — сказал Йен Браун из Манчестерского университета. Сегодня кольца Эйнштейна являются важным инструментом в арсенале астрофизиков. В откры- том космосе было обнаружено около 64 двойных, тройных и других кратных квазаров (миражей, вызванных гравитационным линзирова- |^ием Эйнштейна), что приблизительно составляет пятисотую часть сех известных квазаров. Даже такие невидимые формы вещества, как темное вещество, южно наблюдать при помощи создаваемого ими преломления све- Таким способом можно получить «карты», на которых показано аспределение темного вещества во вселенной. Поскольку гравита- ционное линзирование Эйнштейна преломляет свет больших галак- тических скоплений скорее в дуги (нежели в кольца), представляется зможным оценить концентрацию темного вещества в этих скопле- ниях. В 1986 году астрономы Национальной оптической астрономи- ской обсерватории Стэнфордского университета и Обсерватории ИПик-дю-Миди во Франции наблюдали первые гигантские галактиче- ■рсие дуги. С тех пор было обнаружено около сотни галактических дуг, ■раиболее впечатляющей из которых является Абель 2218. Линзы Эйнштейна можно также использовать в качестве объек- вного метода измерения количества массивных компактных объ- ектов гало (МАСНО) во вселенной (которые состоят из обычного щества, такого, как мертвые звезды, коричневые карлики и пылевые блака). В 1986 году Богдан Пачински из Принстона понял, что в кучае, если массивные компактные объекты гало проходят перед здой, они тем самым увеличивают ее яркость и создают второе ее ображение. В начале 1990-х годов несколько групп ученых (в частности, фран- цузская группа EROS, американо-австралийская группа МАСНО польско-американская группа OGLE) воспользовались этим ме- дом для изучения центра Галактики Млечный Путь и обнаружили Колее пятисот микролинзовых событий (этот результат превзошел ■йкидания, поскольку некоторое количество этого вещества состояло з звезд с малой массой и неистинных массивных компактных объ- ектов гало). Этот же метод может применяться для обнаружения экс- Ьрасолнечных планет, вращающихся вокруг других звезд. Поскольку Вйланета оказывала бы очень малое, но измеримое гравитационное ■воздействие на свет материнской звезды, линзирование Эйнштейна принципе могло бы их обнаружить. При помощи этого метода уже Ебыло выявлено небольшое количество кандидатов в экстрасолнечные ■рланеты, некоторые из них располагаются у центра Млечного Пути. При помощи линз Эйнштейна можно измерить даже постоянную Хаббла и космологическую константу. Постоянная Хаббла изме- ряется путем тщательного наблюдения. Квазары становятся ярче и тускнеют с течением времени. Можно было бы ожидать, что двойные квазары, будучи изображениями одного и того же объекта, мерцали бы в унисон. Используя имеющиеся данные о распределении веще- ства во вселенной, астрономы могут вычислить долю задержки во времени, потребовавшемся свету, чтобы достичь Земли. Измерив от- ставание во времени, когда двойные квазары становятся ярче, можно определить, на каком расстоянии от Земли они находятся. Зная же их красное смещение, можно вычислить постоянную Хаббла. (Именно такой метод был использован применительно к квазару Q0957+561, расстояние до которого оказалось равно приблизительно 14 млрд световых лет от Земли. С тех пор постоянная Хаббла была опреде- лена путем изучения семи других квазаров. В пределах погрешности полученные при таком изучении результаты совпали с уже имеющи- мися данными. Интересным отличием этого метода является то, что он совершенно не зависит от яркости звезд (таких, как цефеиды и сверхновые типа 1а), что подчеркивает объективность полученных результатов.) Этим способом можно измерить и космологическую константу, в которой, возможно, заключен ключ к будущему нашей вселенной. Такой способ вычисления немного неточен, но в принципе, результаты совпадают с данными, полученными при применении других методов. Поскольку миллиарды лет тому назад суммарный объем вселенной был меньше, вероятность обнаружения квазаров, образующих линзу Эйнштейна, в прошлом также была большей. Таким образом, опреде- лив количество двойных квазаров на различных этапах эволюции вселенной, можно вычислить приблизительный объем вселенной, а отсюда — космологическую константу, которая движет расширени- ем вселенной. В 1998 году астрономы из Гарвард- Смитсоновского астрофизического центра осуществили первое приблизительное вычисление космологической константы и пришли к выводу, что она, вероятно, составляет не более 62 % от суммарного содержимого ве- щества/энергии вселенной. (Действительный результат, полученный при помощи спутника WMAP, составляет 73 %.) Темное вещество у вас в гостиной Если вселенная заполнена темным веществом, то оно существует не рголько в холодном космическом вакууме. В сущности, темное веще- ство можно также обнаружить и у вас в гостиной. Сегодня несколько исследовательских групп соревнуются за первенство в поимке ча- стицы темного вещества в лаборатории. Ставки высоки: ученые той Группы, которой удастся поймать частицу темного вещества, про- осящуюся сквозь детектор, окажутся первыми, кто открыл новую орму вещества за две тысячи лет. Основная идея этих экспериментов заключается в следующем: «обходим большой кусок чистого материала (такого, как йодид на- ррия, оксид алюминия, фреон, германий или кремний), в котором мо- ?жет происходить взаимодействие частиц темного вещества. Время кит времени частица темного вещества может сталкиваться с ядром ||1тома, создавая характерную картину распада. Фотографируя следы 1частиц, участвующих в этом распаде, ученые смогут подтвердить ^присутствие темного вещества. Экспериментаторы полны сдержанного оптимизма, поскольку аходящееся в их распоряжении чувствительное оборудование [редоставляет им наилучшую возможность для наблюдения темного 1рещества. Наша Солнечная система вращается по орбите вокруг |нерной дыры в центре Галактики Млечный Путь со скоростью |220 километров в секунду. В результате этого наша планета проходит ^Сквозь значительное количество темного вещества. Согласно расче- там физиков, миллиард частиц темного вещества в секунду пролетает сквозь каждый квадратный метр нашего мира, в том числе сквозь ^аши тела. и, Хотя мы живем в «ветре темного вещества», дующем сквозь Нашу Солнечную систему, лабораторные эксперименты по обна- ружению темного вещества чрезвычайно сложны из-за того, что •частицы темного вещества вступают в столь слабое взаимодействие .£ обычным веществом. Так, ученые ожидают за год обнаружить от ■ 0,01 до 10 событий, происходящих в килограмме материала, наблю- дающегося в лаборатории. Иными словами, пришлось бы многие годы внимательно наблюдать за большими количествами материала, чтобы увидеть события, имеющие отношение к столкновениям тем- ного вещества. До сих пор в ходе таких экспериментов, как UKDMC в Велико- британии, ROSEBUD в Канфранке (Испания), SIMPLE в Рустреле (Франция) и Edelweiss в городе Фрежус (Франция), подобных со- бытий обнаружено не было. Эксперимент под названием DAMA(ot Dark Matter— «темное вещество»), проводившийся неподалеку от Рима, вызвал шумиху в 1999 году, когда ученые заявили, что на- блюдали частицы темного вещества. Поскольку в детекторе DAMA используется 100 килограммов йодида натрия, он является самым большим в мире. Однако попытки воспроизвести тот же результат при помощи других детекторов не увенчались успехом — не было обнаружено ничего; и это бросило тень сомнения на данные, полу- ченные в ходе эксперимента DAMA. Физик Дэвид Б. Клайн замечает: «Если детекторы уловят и под- твердят сигнал, то это станет одним из крупнейших достижений двадцать первого столетия... Вскоре может разрешиться величайшая загадка современной астрофизики». Если надежды физиков оправдаются и темное вещество вскоре будет обнаружено, то оно может представить доказательство в поль- зу суперсимметрии (а вероятно, с течением времени и в пользу тео- рии суперструн) без использования ускорителей частиц. SUSY — суперсимметричное темное вещество Беглый взгляд на частицы, существование которых предсказывает суперсимметрия, показывает, что есть несколько потенциальных претендентов на объяснение тайны темного вещества. Одним из них является нейтралино, семейство частиц, куда входит суперпар- тнер фотона. С теоретической точки зрения нейтралино, кажется, соответствует имеющимся данным. Нейтралино не только имеет нейтральный заряд, а потому невидимо, — оно также массивно (а потому на него воздействует только гравитация), а кроме того, оно стабильно. (Такая ситуация складывается потому, что нейтралино обладает наименьшей массой из всех частиц семейства, к которому оно принадлежит, а потому оно не может распадаться до каких-то более легких частиц). И наконец, последним и, вероятно, важнейшим \
гралино, что делает их идеальными претендентами на роль темного вещества. У нейтралино есть одно веское преимущество: они, возможно, способны разрешить загадку, почему темное вещество составляет £3 % вещественно-энергетического содержимого вселенной, в то даремя как водород и гелий отвечают лишь за какие-то жалкие 4 %. Вспомним о том, что когда Вселенной было 380 ООО лет, темпе- ipaTypa продолжала снижаться до тех пор, пока атомы уже не раз- рывало на части при столкновениях, вызванных невероятным жаром •Большого Взрыва. В то время изначальный огненный шар начал 1остывать, конденсироваться и образовывать устойчивые целые ато- мы. Общее количество атомов восходит приблизительно к тому вре- менному отрезку. Вывод таков: относительное содержание вещества во Вселенной складывалось в то время, когда Вселенная достаточно остыла, чтобы это вещество могло стать стабильным, f Этот же самый аргумент можно использовать при подсчете отно- ; сительного содержания нейтралино. Сразу после Большого Взрыва температура была настолько высока, что даже нейтралино уничто- жались при столкновениях. Однако по мере остывания Вселенной, некоторое время спустя, температура снизилась достаточно, чтобы стало возможным образование нейтралино без их последующего уничтожения. Относительное содержание нейтралино во Вселенной надо искать именно в той ранней эпохе. Осуществляя это вычисле- ние, мы обнаруживаем, что относительное содержание нейтралино намного выше содержания атомов и, в сущности, приблизительно соответствует процентному содержанию темного вещества в на- стоящее время. Таким образом, суперсимметричные частицы могут объяснить, почему настолько высоко относительное содержание темного вещества во Вселенной. Слоановский обзор неба Хотя многие из достижений двадцать первого столетия будут заклю- чаться в усовершенствовании оборудования, такого, как спутники, это вовсе не означает, что прекратятся работы с оптическими теле- скопами и радиотелескопами, базирующимися на Земле. В сущности, благодаря цифровому перевороту произошли изменения в исполь- зовании оптических телескопов и радиотелескопов; стал возможен статистический анализ сотен тысяч галактик. Сегодня благодаря этой новой технологии телескопы переживают второе рождение. На протяжении всей истории астрономы воевали за то ограни- ченное время, которое им разрешалось проводить за наблюдениями у объективов величайших телескопов мира. Они ревностно отста- ивали драгоценные часы, отведенные им на наблюдения, проводя долгие ночные часы за работой в холодных сырых помещениях. Этот устаревший способ наблюдения был чрезвычайно неэффективен и часто служил причиной ожесточенных споров среди астрономов, которые чувствовали себя ущемленными со стороны «верхушки», монополизировавшей время работы за телескопами. С появлением Интернета и высокоскоростных компьютеров такая ситуация меня- ется. Сегодня многие телескопы полностью автоматизированы; их работой могут управлять астрономы с различных континентов, находящиеся за тысячи миль от самих телескопов. Результаты этих сложных звездных обзоров могут быть оцифрованы и размещены в Интернете, где полученные данные можно подвергнуть обработке с помощью суперкомпьютеров. Одним из примеров применения этого цифрового метода может служить SETI(S>home, проект, раз- мещенный в Калифорнийском университете в Беркли и предна- значенный для изучения сигналов, несущих признаки внеземного разума. Большое количество данных, полученных радиотелескопом Аресибо в Пуэрто-Рико, разбивается на маленькие части и через Интернет отсылается на персональные компьютеры по всему миру. Преимущественно эти данные попадают клюбителям, непрофессио- налам. Программа, выполненная в форме скринсейвера, анализирует данные на предмет сигналов внеземного разума в те моменты, когда компьютер не задействуется пользователем. При помощи этого ме- тода данная исследовательская группа создала величайшую компью- терную сеть в мире, связьшающую около 5 миллионов персональных компьютеров во всех уголках земного шара. Наиболее выдающимся примером современного исследования Вселенной при помощи цифровыхтехнологий является Слоановский обзор неба — наиболее амбициозный из всех, когда-либо имевших \ вместо. Подобно проведенному ранее Паломарскому обзору неба, !при котором использовались фотопластинки старого образца, хра- нившиеся в громоздких стопках, Слоановский обзор неба ставит целью создание точной карты небесных объектов. При помощи дан- ного обзора удалось построить трехмерные карты далеких галактик (В пяти цветах, включая красное смещение более миллиона галактик. !Результатом Слоановского обзора неба является крупномасштабная карта строения Вселенной, в несколько сотен раз превосходящая все предыдущие. На карте будет в мельчайших деталях представлена четверть всего небосвода, а также определено положение и яркость 100 миллионов небесных объектов. Кроме того, в результате этого ► обзора будет определено расстояние до миллиона с лишним галактик | и около 100 тысяч квазаров. Итоговое количество информации, выяс- j ненной входе Слоановского обзора, составит 15 терабайт (триллион I байт), что вполне может соперничать с количеством информации в \ Библиотеке Конгресса. Сердцем Слоановского обзора является 2,5-метровый телескоп на юге штата Нью-Мексико, к которому подсоединена одна из луч- . ших в мире камер. Прибор снабжен тридцатью чувствительными электронными световыми сенсорами, называемыми ПЗС (прибор с зарядовой связью), с площадью 2 квадратных дюйма (ок. 13 см2) каждый, помещенными в вакуум. Каждый сенсор охлажден до -80°С при помощи жидкого азота и содержит 4 миллиона пикселей. Таким образом, весь свет, улавливаемый телескопом, может быть немедлен- но оцифрован при помощи ПЗС, после чего данные доступны для компьютерной обработки. Стоимость проекта составляет менее 20 миллионов, долларов, что в сто раз меньше стоимости проекта телескопа Хаббла, но тем не менее при помощи такого обзора созда- ется потрясающая картина Вселенной. Итак, некоторые из оцифрованных данных выкладываются в Интернет с тем, чтобы астрономы по всему миру могли изучить их. Таким образом можно задействовать интеллектуальный потенциал ученых всего мира. Слишком часто в прошлом у ученых третьего мира не было возможности доступа к последним научным журна- лам и самым свежим данным, полученным при помощи телескопов. Сегодня благодаря Интернету эти ученые могут загружать данные обзоров неба, читать статьи по мере их появления в Интернете, а также публиковать свои статьи во всемирной паутине со скоростью света. Слоановский обзор уже меняет методы астрономических ис- следований. Полученные при помощи обзора результаты основаны на анализе сотен тысяч галактик, что было совершенно немыслимо всего лишь несколько лет назад. К примеру, в мае 2003 года команда ученых из Испании, Германии и Соединенных Штатов заявила, что они изучили 250 тысяч галактик на предмет доказательства суще- ствования темного вещества. Из этого огромного количества они выбрали три тысячи галактик, вокруг которых вращаются звездные скопления. Применив законы механики Ньютона для изучения дви- жения этих спутников, они рассчитали количество темного вещества, которое должно окружать центральную галактику. Уже одним этим они опровергли альтернативную теорию (последняя была впервые предложена в 1983 году; она пыталась объяснить звездные орбиты неправильной формы в галактиках путем корректировки самих за- конов Ньютона: возможно, темного вещества не существует вообще; возможно, своим предполагаемым существованием оно обязано всего лишь ошибке в законах Ньютона. Данные обзора ставят эту теорию под сомнение). В июле 2003 года еще одна команда ученых из Германии и Соединенных Штатов заявила, что они изучили 120 000 близле- жащих галактик, используя Слоановский обзор для раскрытия от- ношений между галактиками и черными дырами, находящимися в них. Вопрос заключается в следующем: что возникло раньше, черная дыра или галактика, в которой эта черная дыра находится? Результат проведенного исследования показывает, что образование галактик и черных дыр тесно связано и, вероятно, они образовались вместе. Исследование показало, что из 120 000 изученных в ходе обзора галактик целых 20 000 содержат черные дыры, которые продолжают расти (в отличие от черной дыры в Галактике Млечный Путь, кото- рая, кажется, находится в состоянии покоя). Полученные результаты показывают, что галактики, содержащие черные дыры, которые все еще растут в размерах, намного больше Галактики Млечный Путь, а расширяются они путем поглощения относительно холодного газа из галактики. Компенсация температурных флуктуации Еще одним способом возрождения оптических телескопов является использование лазеров для компенсации атмосферного искажения. Звезды мерцают не потому, что они вибрируют, они мерцают главным образом из-за очень малых температурных флуктуации в атмосфере. Это означает, что в открытом космосе, вдали от нашей атмосферы, астронавты видят звезды, сияющие ровным, неизменным светом. Хотя красота ночного неба в большой степени связана с мерцанием звезд, для астрономов это просто кошмар: из-за этого явления сним- ки небесных тел получаются расплывчатыми. (Я помню, как в детстве смотрел на размытые изображения Марса и мне очень хотелось ка- ким-нибудь образом заполучить кристально четкие снимки красной планеты. Если бы только можно было исключить возмущения атмо- сферы путем перенаправления световых лучей, думал я, то, возможно, разрешилась бы загадка о существовании внеземной жизни.) Одним из способов компенсировать эту размытость является использование лазеров и высокоскоростных компьютеров для того, чтобы свести на нет это искажение. Б этом методе используется «адаптивная оптика», которую впервые задействовала моя одно- курсница по Гарварду Клер Макс из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, а также другие ученые, используя телескоп имени Уильяма Майрона Кека нд Гавайях (самый большой в мире), а также меньший трехметровый телескоп Шейна в Ликской обсерватории в Калифорнии. Пустив, например, лазерный луч в открытый космос, можно измерить очень малые температурные флуктуации в атмосфере. Эта информация анализируется при помо- щи компьютера, который затем несколько корректирует положение зеркала телескопа, что позволяет компенсировать это искажение звездного света. Таким путем можно в значительной мере исключить возмущения атмосферы. Этот метод был с успехом опробован в 1996 году, и с тех пор с его помощью удается получать кристально четкие изображения планет, звезд и галактик. Система пускает в небо свет из настраиваемого лазера на красителе мощностью в 18 Вт. Лазер крепится к трехметро- вому телескопу, деформируемые зеркала которого настраиваются для компенсации атмосферных искажений. Само изображение улав- ливается камерой ПЗС и оцифровывается. При весьма скромном бюджете эта система позволяет получать изображения, четкость которых почти не уступает изображениям с космического телескопа Хаббла. При помощи этого метода астрономы получают снимки, на которых можно различить мелкие детали внешних планет и даже вглядеться в самое сердце квазара, что дает новую жизнь технологии оптических телескопов. Этот метод позволил увеличить разрешение телескопа Кека в де- сять раз. Обсерватория имени Кека расположена на вершине гавай- ского спящего вулкана Мауна-Кеа, на высоте в 4201 м над уровнем моря, и состоит из двух телескопов-близнецов, каждый из которых весит 270 тонн. Зеркала имеют диаметр 10 метров (394 дюйма) и состоят из 36 шестиугольников, положение каждого из которых можно непосредственно регулировать при помощи компьютера. В 1999 году система адаптивной оптики была встроена в телескоп Кека II. Система состоит из маленького деформируемого зеркала, которое может менять форму 670 раз в секунду. При помощи этой системы уже удалось сделать снимки звезд, вращающихся вокруг черной дыры в центре нашей Галактики Млечный Путь, снимки поверхности Нептуна и Титана (луны Сатурна) и даже одной экс- трасолнечной планеты, которая затмила свою материнскую звезду на расстоянии в 153 световых года от Земли. Свет звезды HD 209458 тускнел в точном соответствии с прогнозами по мере прохождения планеты перед материнской звездой. Соединение радиотелескопов Компьютерная революция возродила также и радиотелескопы. В прошлом возможности радиотелескопов ограничивались разме- рами их тарелки. Чем больше была тарелка, тем большее количество радиосигналов из космоса можно было уловить и проанализировать. Однако чем больше тарелка, тем она дороже. Одним из способов решения этой проблемы является соединение нескольких тарелок для того, чтобы получить потенциал улавливания радиосигналов сверхмощного радиотелескопа. (Самым большим радиотелескопом, который можно собрать на Земле, стал бы радиотелескоп размером !В поисках эхо-сигналов из одиннадцатого измерения 309 с саму Землю.) Предыдущие попытки связывания радиотелескопов в Германии, Италии и Соединенных Штатах удались только частично. [ Одна из проблем такого метода заключается в том, что сигналы, [ получаемые с различных радиотелескопов, необходимо четко ском- ' бинировать и затем заложить в компьютер. В прошлом эта задача представлялась невыполнимой. Однако появление Интернета и де- шевых высокоскоростных компьютеров позволило существенно снизить затраты. В настоящее время создание радиотелескопов с действительным размером порядка самой планеты Земля уже не яв- ляется фантастикой. В Соединенных Штатах самым лучшим аппаратом, в котором при- меняется интерференционная технология, является сверхдальняя антенная решетка VLBA, которая представляет собой сеть из десяти радиоантенн, расположенных в различных точках: в штатах Нью- Мексико, Аризона, Нью-Гемпшир, Вашингтон, Техас, на Виргинских островах и на Гавайях. Каждая установка решетки VLBA снабжена огромной тарелкой диаметром ок. 25 метров, которая весит 240 тонн и расположена на высоте десятиэтажного здания. На каждой установ- ке радиосигналы скрупулезно записываются на пленку и отправляют- ся в Операционный центр в Сокорро (штат Нью-Мексико), где эти сигналы коррелируются и анализируются. Система была запущена в 1993 году, а стоимость ее составила 85 млн долларов. С помощью корреляции данных с этих десяти установок мы полу- чаем эффективный гигантский телескоп, размеры которого достига- ют 8 тысяч километров в ширину и который позволяет получать точ- нейшие изображения на Земле. Для сравнения можно представить, что вы находитесь в Нью-Йорке и читаете газету, которая сейчас в Лос-Анджелесе. При помощи решетки VLBA уже удалось заснять космические струи и взрывы сверхновых, а также осуществить точ- нейшие из когда-либо сделанных измерения расстояний до объекта, находящегося за пределами Галактики Млечный Путь. В будущем даже в оптических телескопах можно будет исполь- зовать силу интерферометрии, хотя это представляется довольно сложным, учитывая короткую длину волны света. Существует про- ект, предполагающий сведение оптических данных с двух телескопов в Обсерватории имени Кека, что позволит создать гигантский теле- ливается камерой ПЗС и оцифровывается. При весьма скромном бюджете эта система позволяет получать изображения, четкость которых почти не уступает изображениям с космического телескопа Хаббла. При помощи этого метода астрономы получают снимки, на которых можно различить мелкие детали внешних планет и даже вглядеться в самое сердце квазара, что дает новую жизнь технологии оптических телескопов. Этот метод позволил увеличить разрешение телескопа Кека в де- сять раз. Обсерватория имени Кека расположена на вершине гавай- ского спящего вулкана Мауна-Кеа, на высоте в 4201 м над уровнем моря, и состоит из двух телескопов-близнецов, каждый из которых весит 270 тонн. Зеркала имеют диаметр 10 метров (394 дюйма) и состоят из 36 шестиугольников, положение каждого из которых можно непосредственно регулировать при помощи компьютера. В 1999 году система адаптивной оптики была встроена в телескоп Кека II. Система состоит из маленького деформируемого зеркала, которое может менять форму 670 раз в секунду. При помощи этой системы уже удалось сделать снимки звезд, вращающихся вокруг черной дыры в центре нашей Галактики Млечный Путь, снимки поверхности Нептуна и Титана (луны Сатурна) и даже одной экс- трасолнечной планеты, которая затмила свою материнскую звезду на расстоянии в 153 световых года от Земли. Свет звезды HD 209458 тускнел в точном соответствии с прогнозами по мере прохождения планеты перед материнской звездой. Соединение радиотелескопов Компьютерная революция возродила также и радиотелескопы. В прошлом возможности радиотелескопов ограничивались разме- рами их тарелки. Чем больше была тарелка, тем большее количество радиосигналов из космоса можно было уловить и проанализировать. Однако чем больше тарелка, тем она дороже. Одним из способов решения этой проблемы является соединение нескольких тарелок для того, чтобы получить потенциал улавливания радиосигналов сверхмощного радиотелескопа. (Самым большим радиотелескопом, который можно собрать на Земле, стал бы радиотелескоп размером !с саму Землю.) Предыдущие попытки связывания радиотелескопов в Германии, Италии и Соединенных Штатах удались только частично. Одна из проблем такого метода заключается в том, что сигналы, получаемые с различных радиотелескопов, необходимо четко ском- бинировать и затем заложить в компьютер. В прошлом эта задача представлялась невыполнимой. Однако появление Интернета и де- шевых высокоскоростных компьютеров позволило существенно снизить затраты. В настоящее время создание радиотелескопов с действительным размером порядка самой планеты Земля уже не яв- ляется фантастикой. В Соединенных Штатах самым лучшим аппаратом, в котором при- меняется интерференционная технология, является сверхдальняя антенная решетка VLBA, которая представляет собой сеть из десяти радиоантенн, расположенных в различных точках: в штатах Нью- Мексико, Аризона, Нью-Гемпшир, Вашингтон, Техас, на Виргинских островах и на Гавайях. Каждая установка решетки VLBA снабжена огромной тарелкой диаметром ок. 25 метров, которая весит 240 тонн и расположена на высоте десятиэтажного здания. На каждой установ- ке радиосигналы скрупулезно записываются на пленку и отправляют- ся в Операционный центр в Сокорро (штат Нью-Мексико), где эти сигналы коррелируются и анализируются. Система была запущена в 1993 году, а стоимость ее составила 85 млн долларов. С помощью корреляции данных с этих десяти установок мы полу- чаем эффективный гигантский телескоп, размеры которого достига- ют 8 тысяч километров в ширину и который позволяет получать точ- нейшие изображения на Земле. Для сравнения можно представить, что вы находитесь в Нью-Йорке и читаете газету, которая сейчас в Лос-Анджелесе. При помощи решетки VLBA уже удалось заснять космические струи и взрывы сверхновых, а также осуществить точ- нейшие из когда-либо сделанных измерения расстояний до объекта, находящегося за пределами Галактики Млечный Путь. В будущем даже в оптических телескопах можно будет исполь- зовать силу интерферометрии, хотя это представляется довольно сложным, учитывая короткую длину волны света. Существует про- ект, предполагающий сведение оптических данных с двух телескопов в Обсерватории имени Кека, что позволит создать гигантский теле- скоп намного большего размера, чем представляет собой каждый из них в отдельности. Измеряем одиннадцатое измерение Наряду с поисками темного вещества и черных дыр одной из самых интригующих для физиков является загадка дополнительных высших измерений пространства и времени. Одна из наиболее смелых по- пыток подтверждения существования близлежащей вселенной была совершена в Университете Колорадо (город Боулдер)- Ученые этого университета попытались измерить отклонения от знаменитого за- кона обратных квадратов Ньютона. Согласно теории гравитации Ньютона, сила притяжения между любыми двумя телами уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, разделяющего их. Если мы удвоим расстояние от Земли до Солнца, то сила гравитации снизится в два в квадрате, то есть в четыре раза. Этот результат, в свою очередь, указывает на количество измерений пространства. До сих пор закон гравитации Ньютона остается верным приме- нительно к космическим расстояниям с большими галактическими скоплениями. Но еще никто не совершил адекватной проверки зако- на гравитации Ньютона для чрезвычайно малых расстояний — это представлялось чрезвычайно трудным. Поскольку гравитация — взаимодействие чрезвычайно слабое, даже малейшее возмущение может разрушить весь эксперимент. Даже проезжающие мимо маши- ны создают достаточно сильные вибрации, чтобы загубить экспери- менты, в ходе которых измеряется гравитационное взаимодействие между малыми объектами. Физики в Колорадо сконструировали чувствительный прибор под названием «высокочастотный резонатор», который был спосо- бен проверить закон гравитации на расстояниях до одной десятой миллиметра. Впервые такие испытания совершались при столь, ма- лых расстояниях. Эксперимент проводился с использованием двух тончайших вольфрамовых пластинок, помещенных в вакуум. Одна из пластинок вибрировала с частотой 1000 циклов в секунду, несколько напоминая трамплин после прыжка. Затем физики начали поиски всех вибраций, передаваемых сквозь вакуум второй пластинке. Мувствительность аппарата была настолько велика, что он мог опре- делить движение второй пластинки, вызванное одной миллионной ролей веса песчинки. Если и вправду существовало отклонение от ракона Ньютона, то должно было быть зафиксировано едва уловимое жүктеу/скачать 2.82 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|