Astrofisika semasa bola sepak: pemeriksaan GRT pada skala galaktik dan bahan baryonic yang hilang • Alexey Levin • Berita sains mengenai "Unsur-unsur" • Astrofisika, Kosmologi

Astrofisika semasa bola sepak: pemeriksaan GRT pada skala galaksi dan bahan baryon yang hilang

Rajah. 1. Galaksi elips ESO 325-G004. Galaksi jauh dilingkungi di atasnya, menyebabkan pembentukan cincin Einstein (di bar sisi). Ia menjadi ketara selepas mengurangkan pelepasan galaksi ESO 325-G004 dari imej asal (tanpa pemprosesan sedemikian, cincin Einstein dikelilingi oleh cahaya dari kawasan tengah galaksi). Imej dari artikel dalam perbincanganSains

Walaupun dunia menonton pertandingan peringkat kumpulan Piala Dunia, sains tidak berdiri diam. Pada akhir Jun dua artikel diterbitkan dengan hasil astrofizikal yang sangat tidak remeh. Dalam artikel pertama, para saintis, memanfaatkan kenyataan bahawa galaksi ESO 325-G004 yang galaksi lebih jauh galaksi, mampu mengira jisim ESO 325-G004 dalam dua cara dan dengan itu menganggarkan nilai parameter γ, yang sepatutnya sama dengan 1 dalam teori umum relativiti konsisten dengan keperluan GTR. Dalam kerja kedua, kami berjaya membetulkan jejak yang tersisa dalam spektrum blazar dua awan yang jauh dari gas intergalaktik yang sangat panas. Sebelumnya, awan itu tidak "terwujud" dalam apa cara sekalipun, supaya saintis akhirnya dapat mengesan sekurang-kurangnya beberapa perkara baryonic yang hilang di Alam Semesta.

Pada akhir bulan Jun di majalah Sains dan Alam Dua artikel diterbitkan dengan hasil penting yang mengesahkan bahawa idea kita mengenai struktur alam Semesta cukup mencerminkan realiti.

Artikel ini adalah sekumpulan saintis dari universiti di Britain, Jerman dan Amerika Syarikat yang diketuai oleh Thomas E. Collett, diterbitkan pada 22 Jun Sains Penerapan teori relativiti umum (GTR) diperiksa berdasarkan pengukuran yang dilakukan di luar sempadan Galaxy kita. Inilah pengesahan teori yang paling tepat sehingga kini pada skala beberapa ribu tahun cahaya. Perlu diperhatikan bahawa ini adalah dimensi ciri-ciri galaksi kerdil yang paling padat.

Pemeriksaan relativiti umum pada skala ruang yang berbeza dibuat lebih daripada sekali dan, dengan pasti, akan diulang. Sebahagian besarnya, ini disebabkan oleh percepatan pengembangan Alam Semesta, yang secara terbuka dicabar pada akhir abad yang lalu, yang kini dipertikaikan (terdapat bidaah, tetapi tidak banyak). Dalam rangka Model Kosmologi Piawai, percepatan ini, sebagaimana yang diketahui, dikaitkan dengan kesan tenaga gelap, sifatnya yang masih tidak dapat dijelaskan. Walau bagaimanapun, ia boleh dijelaskan tanpa menggunakan hipotesis ini, jika satu cara atau lain untuk menukar persamaan medan graviti – dengan kata lain, untuk meninggalkan GR.Terdapat cukup teori bersaing di sini, tetapi persuasiveness mereka sangat dicemari oleh fakta bahawa ahli astronomi tidak mempunyai pemerhatian di pelupusan yang jelas akan bertentangan dengan teori Einstein.

Dasar teoretis untuk kajian baru ini adalah persamaan untuk metrik medan graviti yang lemah di alam semesta jenis Friedmann yang berkembang dengan ruang kelengkungan yang tetap. Dalam koordinat yang berkaitan, ia kelihatan seperti ini:

[\ mathrm % s ^ 2 = a ^ 2 (\ tau) \ left [- (1 + 2 \ mathrm {\ Phi}) \ mathrm % \ tau ^ 2 + (1 -2 \ mathrm { \ Psi}) g_ % \ mathrm % x ^ i \ mathrm % x ^ j \ right], \

di mana τ adalah salah satu daripada bentuk koordinat masa (ini adalah masa yang sesuai (lihat ufuk zarah), yang membolehkan secara fizikal secara semula jadi menentukan selang masa dalam Alam Semesta yang berkembang), xi dan xj – Koordinat spatial, gij – Tensor metrik tiga dimensi, a(τ) – faktor skala alam semesta. Φ dan Ψ adalah dua potensi graviti, lebih-lebih lagi, Φ adalah potensi bidang pencerobohan Newton, dan Ψ adalah potensi yang berkaitan dengan kelengkungan ruang tiga dimensi. Dalam teori Einstein, kedua-dua potensi tepat bersamaan, dan oleh itu nisbah mereka γ = Ψ / Φ sentiasa sama dengan perpaduan. Pada masa yang sama, banyak teori alternatif yang mendakwa menjelaskan perkembangan pesat Universe tanpa menarik tenaga gelap mempertimbangkan γ sebagai parameter pembolehubah bergantung pada skala.Oleh itu, pengukuran nilai ini pada skala yang berbeza dianggap sebagai salah satu cara yang paling menjanjikan untuk mengesahkan GR.

Pengukuran sedemikian telah dilakukan lebih dari sekali, namun hasil yang diperoleh masih belum jelas. Dalam sistem suria, γ bertepatan dengan unit sehingga seribu peratus. Walau bagaimanapun, hasil ini agak dijangka, kerana kelengkungan ruang oleh graviti solar sangat sedikit. Dan pemerhatian pada skala puluhan dan beratus-ratus juta tahun cahaya memungkinkan untuk menentukan nilai γ dengan ralat 20-30 peratus. Akibatnya, persoalan yang berterusan atau kebolehubahannya masih terbuka.

Collette dan rakannya bekerja dengan data pemerhatian dari galaksi elliptical galaksi ESO 325-G004, yang terletak di dalam pentas Centaurus pada jarak 465 juta tahun cahaya dari Matahari. Mereka menggunakan pembacaan dua instrumen: spektroskopi MUSE (Pelbagai Spektroskopi Pelbagai) dipasang pada teleskop Yepun (salah satu teleskop empat lapan meter kompleks VLT Balai Cerap Selatan Eropah yang terletak di gunung Cerro Paranal di Chile) dan kamera pemerhatian ACS (Kamera Lanjutan untuk Survei Teleskop Angkasa Hubble. Spektroskop MUSE membenarkan kami mengumpulkan data mengenai halaju bintang yang termasuk dalam ESO 325-G004,dan pada dasarnya menilai massa yang dinamik (lihat jisim maya). Kamera ACS memungkinkan untuk mengukur radius cincin Einstein (lihat cincin Einstein), yang timbul akibat pencahayaan graviti oleh galaksi ESO 325-G004 cahaya dari kluster bintang lain kira-kira 10 bilion tahun cahaya jauh dari kami. Radius ini bergantung pada jisim galaksi lensa, sehingga takrifannya memungkinkan untuk menganggarkan jisim ini dalam cara kedua dan sepenuhnya bebas. Nisbah antara dua anggaran jisim diberikan oleh formula Mdin = (1 + γ) / 2 · Mlensing. Adalah mudah untuk melihat bahawa untuk γ = 1 kedua-dua anggaran bertepatan, dan sebaliknya ia berbeza. Perlu diingat bahawa kedua-dua set ukuran memberi hasil yang agak tepat kerana jarak perbandingan ESO 325-G004 ke Galaxy kita.

Analisis teori data yang dikumpul menunjukkan bahawa di pusat ESO 325-G004 terletak lubang hitam, menarik pada 3.8 bilion massa solar. Tetapi ia, jadi untuk bercakap, bonus tambahan. Adalah lebih penting lagi bahawa nilai berangka parameter diukur γ terletak pada julat 0.97 ± 0.09. Hasilnya adalah sah pada skala radius cincin Einstein, yang dalam kes ini adalah kira-kira 2 kiloparsecs (kira-kira 6000 tahun cahaya, jejari sudut adalah kira-kira tiga saat arka).Oleh itu, buat kali pertama, GR telah menimbulkan ujian mengesahkan kebolehgunaannya pada jarak kosmik pesanan ini. Hasil ini membolehkan menyusun beberapa model alternatif dinamika Alam Semesta.

Dua hari sebelum itu, pada 20 Jun, dalam jurnal Alam Satu artikel oleh sekumpulan ahli astronomi dan astrofizik antarabangsa yang diketuai oleh Fabrizio Nicastro dari Institut Astrophysical Negara Itali muncul. Mungkin, mereka berjaya sekurang-kurangnya menyelesaikan teka-teki lama, yang biasanya dipanggil masalah barah yang hilang. Menurut Model Kosmologi Piawai, keseimbangan tenaga massa Alam Semesta adalah kira-kira 70% yang disediakan oleh sumbangan tenaga gelap, dan 25% lagi bahan gelap. Baki 5 peratus daripada bahan Universe hampir semuanya terdiri daripada komponen baryon – nuklei hidrogen, helium dan unsur-unsur yang lebih berat (tentu saja, masih ada elektron, neutrinos dan foton, tetapi sumbangan mereka tidak dapat dielakkan). Anggaran ini dibuat atas dasar analisis turun naik spektrum radiasi latar belakang, yang menimbulkan kesan proses nukleosintesis utama dalam Alam Semesta yang baru diwujudkan.Selain itu, kajian spektrum optik kuarasi yang sangat jauh meyakinkan menunjukkan bahawa semua baryon "dikira" telah wujud pada peringkat awal evolusi Alam Semesta, ketika usianya tidak melebihi 2-3 bilion tahun.

Bagaimanapun, ini adalah masalah yang timbul. Sehingga kini, perkara yang paling lengkap tentang masalah baryonic yang terkandung dalam perkara-perkara yang cemerlang, gas intragalactic sejuk, galaksi hampir dan medium intergalactic yang hangat dan panas (medium intergalactic hangat panas, WHIM) hanya menyediakan 61% daripada jumlah "dikira" baryon (dengan cara , bintang hanya mengandungi 7% daripada jumlah jisimnya). Benar, ia mungkin mengambil kira hanya komponen suhu paling rendah (ia dipanggil hangat) komponen WHIM, di mana suhu gas terletak pada jarak dari seratus ribu hingga setengah juta darjah. Oleh kerana pemanasan "sederhana" itu, komponen ini mengandungi jumlah hidrogen neutral yang tidak penting. Oleh kerana atomnya mengekalkan elektron mereka, mereka dapat memancarkan foton tenaga yang berlainan, yang dipercayai direkodkan oleh instrumen astronomi. Kajian spektrum ini, yang dijalankan dalam tahun-tahun kebelakangan ini, telah menunjukkan bahawa komponen hangat WHIM mengandungi kira-kira 15% daripada perkara baryonik Universe – iaitu kira-kira satu perempat daripada jumlah jisimnya, yang telah ditemui setakat ini.Defisit yang sangat ketara sebanyak 39% kekal tidak dapat dikesan.

Pada tahun 2012, dua pengarang artikel yang dibincangkan dalam Bahasa Malaysia Alam Charles Danforth dan Michael Shull mencadangkan penyelesaian kepada masalah ini. Mereka mencadangkan bahawa baryon yang hilang kebanyakannya diliputi dalam jet raksasa yang sangat panas (dipanaskan hingga berjuta-juta dan berjuta-juta darjah) gas yang menyambungkan gumpalan galaksi dan superclusters. Kehadiran jet-jet ini, filamen yang dipanggil, dapat ditubuhkan dengan banyak pemerhatian. Filamen dipenuhi dengan komponen paling hangat dari WHIM, yang mengandungi hidrogen hampir terionisasi.

Penjelasan yang dicadangkan mengenai kekurangan baryon yang diperhatikan, untuk semua persuasioninya, tidak mudah untuk mengesahkan. Di satu pihak, hidrogen super panas di dalam filamen sangat jarang (dari satu hingga sepuluh zarah setiap meter padu), dan saiz filamen adalah agak kecil (1-10 megaparsec). Sebaliknya, proton tanpa elektron tidak boleh menjadi sumber spektrum garis ciri, yang memungkinkan untuk mewujudkan kehadiran gas ini. Walau bagaimanapun, filamen mungkin mengandungi jumlah jejak atom terion yang banyak unsur-unsur lain yang mengandungi pecahan elektron dalam keadaan terikat.Ion-ion ini boleh menjana sinaran dengan ciri-ciri spektrum yang cukup dikenali, terletak di zon ultraviolet dan / atau x-ray. Benar, keamatan yang dijangkakan isyarat sedemikian sangat kecil, jadi pengesanan mereka adalah satu cabaran yang sangat sukar bagi penyelidik.

Sekarang tugas ini sekurang-kurangnya diselesaikan sebagian terima kasih kepada aparat pemerhatian XMM-Newton X-ray Eropah. Nicastro dan rakan-rakannya dengan bantuannya telah mengumpulkan data tentang radiasi X-ray blasar 1ES 1553 + 113, jauh dari Bima Sakti untuk sekurang-kurangnya 2,200 megaparsec (kira-kira 7 bilion tahun cahaya). Dalam perjalanan ke Bumi, radiasi ini melalui dua filamen gas panas intergalactic terletak di jarak yang berbeza dari Galaxy kita (redshifts mereka adalah 0.36 dan 0.43, Rajah 2). Menyeberang filamen, ia dipindahkan ke negara-negara yang teruja atom oksigen yang sangat terionisasi yang mengandungi hanya sepasang elektron (bukan lapan atom). Ion-ion ini, dengan elektron-elektron yang terbengkalai di peringkat tenaga atas, menghasilkan sinar-x bersaiz kedua, yang dicatatkan oleh pemerhatian.Pengumpulan maklumat ini, yang dilakukan pada tahun 2015-17, mengambil masa yang sangat lama (1.75 juta saat – hampir 490 jam), yang membenarkan kelebihan isyarat yang lebih besar daripada bunyi bising. Data yang terkumpul membenarkan kami menentukan kepekatan ion oksigen dalam filamen dan, atas dasar ini, untuk mengira komponen baryonnya, tetapi dalam pelbagai nilai yang sangat luas.

Rajah. 2 Gambarajah penyiasatan spektrum Blazar 1ES 1553 + 113. Jejak ditemui di rantau X-raynya, yang dipercayai saintis disebabkan oleh cahaya dari blazar melalui dua filamen gas panas intergalactic. Imej dari sinopsis yang popular kepada artikel yang dibincangkan di Alam

Penulis menyimpulkan bahawa pemindahan maklumat mengenai ion hidrogen dan unsur-unsur lain di dalam dua filamen ini ke seluruh ruang membolehkan untuk menjelaskan 9 hingga 40 peratus daripada jumlah keseluruhan baryonic mengisi Semesta. Adalah mudah untuk melihat bahawa had atas segmen ini hampir tepat bersamaan dengan defisit baryon yang diperhatikan, tetapi had yang lebih rendah adalah lebih rendah daripada itu. Jadi pemerhatian tambahan tentu saja perlu,tetapi permulaan yang baik sudah ada.

Untuk bersikap adil, perlu diperhatikan bahawa andaian yang mana anggaran ketumpatan baryon berasaskan masih perlu diperhalusi. Peralihan merah blazer 1ES 1553 + 113 ditetapkan hanya kira-kira, ia hanya diketahui bahawa ia tidak boleh kurang daripada 0.41. Ini tidak menimbulkan keraguan tentang kemungkinan cahaya yang melalui hampir dua filamen itu, tetapi persoalan "mengimbas melalui" filamen yang lebih jauh masih terbuka untuk masa ini. Ia juga mungkin bahawa radiasi blazar sekurang-kurangnya sebahagiannya tidak diserap oleh filamen, tetapi oleh gas intragalactic, tetapi Nicastro dan penulisnya menganggap kemungkinan ini tidak mungkin.

Secara umum, terdapat banyak kerja, tetapi permulaan telah dibuat. Nicastro dan ahli pasukannya merancang untuk meneruskan penyelidikan menggunakan instrumen dari pemerhatian XMM-Newton dan teleskop X-ray Amerika Chandra Amerika. Walau bagaimanapun, penyelesaian akhir kepada masalah kekurangan baryon kosmik mungkin perlu menunggu sehingga pelancaran Balai Cerap Angkasa Eropah Athena (Advanced Telescope untuk Astrofizik Tenaga Tinggi) yang dijadualkan pada tahun 2028.

Sumber:
1) Thomas E. Collett, Lindsay J. Oldham, Russell J. Smith, Matthew W. Auger, Kyle B. Westfall, David Bacon, Robert C. Nichol, Karen L. Masters, Kazuya Koyama, Remco van den Bosch.Ujian extragalactic yang tepat mengenai Relativiti Am // Sains. 2018. DOI: 10.1126 / science.aao2469.
2) F. Nicastro, J. Kaastra, Y. Krongold, S. Borgani, E. Branchini, R. Cen, M. Dadina, CW Danforth, M. Elvis, F. Fiore, A. Gupta, S. Mathur, D Mayya, F. Paerels, L. Piro, D. Rosa-Gonzalez, J. Schaye, JM Shull, J. Torres-Zafra, N. Wijers & L. Zappacosta. Pemerhatian baryon dalam medium intergalactic hangat panas // Alam. 2018. DOI: 10.1038 / s41586-018-0204-1.

Alexey Levin


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: