Наше место в этом мире
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Исследование Солнечной Системы - Вселенная и Солнечная система
 Исследователи
Космические аппараты
Страница: Космические аппараты, Оптический диапазон (Part #1, Part #2); Инфракрасный диапазон (Part #1, Part #2); Микроволновый диапазон (Part #1, Part #2); Радиодиапазон. Спектр-Р; Ультрафиолетовый диапазон; Рентгеновский диапазон (Part #1, Part #2);
Наше место в этом мире
Способы изучения космического пространства

Телескопы микроволнового диапазона


    СОЗДАНИЕ КАТАЛОГА КОМПАКТНЫХ ИСТОЧНИКОВ

    Главной задачей миссии Planck является измерение мелкомасштабных флуктуаций космического микроволнового фона. Однако их прямые измерения сопряжены с большими трудностями, поскольку за время, прошедшее с момента Большого Взрыва, во Вселенной образовалось неимоверно большое количество структур всевозможных размеров - от сравнительно небольших скоплений пыли и газа до сверхскоплений галактик, излучающих в инфракрасном и радиодиапазоне и существенно затрудняющих наблюдения самого фона. Поэтому перед реализацией основного проекта - построения глобальной карты реликтового излучения -ученые задались целью создать каталог всех микроволновых небесных объектов. Для создания такого каталога потребовалось провести два полномасштабных обзора всего неба на всех восьми частотах, доступных детекторам телескопа. Естественно, для всех мощных микроволновых источников были проведены тщательные определения индивидуальных особенностей излучения.

Образцы компактных микроволновых источников, зарегистрированных телескопом Planck - детали структуры межзвездного газа, ядра холодных молекулярных облаков, звезды с пылевыми оболочками. Каталог холодных ядер (Early Cold Cores Catalogue), составленный по данным обсерватории, включает 915 объектов с температурой ниже 14 К (-259°С).
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

Положения всех внегалактических микроволновых источников по данным первого обзора неба, осуществленного обсерваторией Planck. В основном такими источниками являются инфракрасные и радиогалактики. Результаты обзора сведены в каталог ERCSC (Early Release Compact Source Catalogue). Размер пятна отображает мощность источника. Каталог ERCSC содержит свыше 15 тыс. индивидуальных компактных источников. Они были определены с помощью специально разработанного набора критериев путем сравнения результатов наблюдений телескопа Planck во всех его рабочих диапазонах с уже известными данными оптических и инфракрасных обзоров.
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

На этой карте показано положение всех компактных источников, зарегистрированных телескопом Planck в ходе первого обзора неба и занесенных в каталог ERCSC.
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Каталог ERCSC (Early Release Compact Source Catalogue) содержит более 15 тыс. компактных источников - как галактических (особых структур межзвездной среды, ядер холодных молекулярных облаков, звезд с пылевыми оболочками), так и внегалактических (радиогалактик, блазаров, инфракрасных галактик, галактических скоплений и сверхскоплений, неотождествленных источников). Кроме того, в него были включены найденные ранее в рамках отдельных задач 189 кандидатов в галактические кластеры, отождествленных с использованием эффекта Сюняева-Зельдовича, а также Каталог Холодных ядер, содержащий 915 ядер молекулярных облаков с температурой ниже 14 К (обычной температуры пыли в Галактике).

    ЗАГАДОЧНЫЕ КОМПОНЕНТЫ МЛЕЧНОГО ПУТИ

    К интересным особенностям инфракрасной картины неба, обнаруженным телескопом Planck, можно отнести детектирование предельно быстро вращающихся пылевых частиц, а также объяснение избытка излучения, пронизывающего Малое Магелланово Облако.

На этой схеме показано распределение избыточного излучения (иногда называемого «темным газом») на 63% небесной сферы. Этот новый, пока что малоизученный компонент межзвездной среды «проявляется» на изображениях, полученных телескопом Planck, после тщательного анализа наблюдательных данных.
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

Отдельные карты и трехцветные составные изображения молекулярных облаков Персея (вверху) и р Змееносца (внизу), построенные по наблюдениям на частотах 0,4 ГГц, 30 ГГц и 857 ГГц. Красным цветом показано аномальное излучение быстровращающихся наночастиц межзвездной пыли. Размер каждого изображения - 5°х 5°
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Пылевая компонента в межзвездной среде «светит» главным образом в инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах, но ее излучение в радиодиапазоне стало большим сюрпризом для ученых. Совершенно неожиданно в 1990-х годах сильная эмиссия приходящая из запыленных областей Млечного Пути, была обнаружена в микроволновой части спектра - ее назвали аномальной микроволновой эмиссией (АМЕ). Наблюдения телескопа Planck позволили окончательно определиться с источниками этой эмиссии: она обусловлена пылевыми частицами нанометровых размеров, которые вращаются со скоростью десятков тысяч оборотов в секунду, Это наименьшие из известных пылевых частиц - они состоят из 10-50 атомов, а их «раскрутка» осуществляется при столкновениях с атомами межзвездного газа и фотонами. Излучают они на частотах 10-60 ГГц.
    Наблюдения, сосредоточенные на двух хорошо исследованных областях звездообразования - молекулярных облаках Персея и ρ Змееносца - позволили выявить такие тонкие эффекты в картине эмиссионной активности, что из всех возможных объяснений осталось одно, самое убедительное: значительная часть АМЕ (возможно, даже все) обусловлена эмиссией быстровращающихся пылевых частиц.

    Распределение темной материи по небесной сфере. Эта материя, не излучающая и не поглощающая в электромагнитном диапазоне, может быть обнаружена только благодаря ее гравитации. В частности, ее скопления отклоняют от прямолинейного пути фотоны микроволнового излучения (такой эффект астрономы называют «гравитационным линзированием»), вызывая легкие, но измеряемые искажения «типичной» формы неоднородностей его структуры. Более темные участки изображения соответствуют местам с большей плотностью гравитирующей скрытой массы, светлые участки представляют собой менее «массивные» регионы. Серым цветом закрашена область неба, в которой полученные данные ненадежны из-за слишком сильного «вмешательства» излучения близлежащих объектов -главным образом холодных газово-пылевых облаков в главной плоскости Млечного Пути.
    Карта составлена после обработки наблюдений телескопа Planck в рамках его базовой миссии и стала одним из наиболее впечатляющих ее результатов - ранее эта информация была недоступна исследователям. В целом она согласуется с предсказаниями общепринятой космологической модели, описывающей возникновение и эволюцию крупномасштабных структур Вселенной.
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

Высокоточная карта неоднородностей реликтового фона, полученная телескопом Planck, позволила ученым вывести новые значения «вклада» основных компонентов Вселенной в ее общий состав. Доля темной энергии снизилась с 72,8% до 68,3%, доля нормальной (барионной) и темной материи - наоборот, выросла. «Допланковские» данные представлены по результатам 9-летней миссии аппарата WMAP (Hinshawetal., 2012).
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Этот же механизм был применен и для объяснения значительной аномальной эмиссии в Малом Магеллановом Облаке.

    ИТОГОВАЯ КАРТА РЕЛИКТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

    Все полученные телескопом Planck результаты, упомянутые детали большой мозаики, которую ученые сложат после завершения обработки наблюдательного материала и его всестороннего анализа.
    На заключительных стадиях компьютерной обработки наблюдений, проводившихся на протяжении 15 с половиной месяцев, с первоначальной карты распределения микроволнового излучения были «вычтены» составляющие, вносимые молекулярными газовыми облаками, сгущениями пыли, галактиками, кластерами и суперкластерами, отдельными звездами. В результате осталось только «чистое» излучение реликтового фона, сохранившегося после Большого Взрыва. Именно в этом фоне «зашифрована» вся информация о рождении и ранних этапах эволюции нашей Вселенной.
    После ее тщательного анализа ученые смогли скорректировать постоянную Хаббла, характеризующую скорость расширения Вселенной в настоящее время. Выяснилась, что она равна 67,15±1,2 км/с на мегапарсек, то есть две галактики, разделенные расстоянием в один мегапарсек (3,26 млн. световых лет), удаляются со скоростью 67,15 км/с.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

С помощью специально разработанных вычислительных процедур специалисты выделили «чистый» реликтовый фон из общей картины микроволнового излучения небесной сферы, построенной по данным телескопа Planck. После этого они получили возможность с большой точностью определить положения его неоднородностей, их размер и величину отклонения от среднего значения. Существующие космологические модели предполагают, что эти неоднородности «запечатлели» информацию о самых первых структурах Вселенной, возникших задолго до того, как в ней начали формироваться звезды, звездные скопления и галактики.
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

Две особенности микроволнового фона, обнаруженные американским зондом WMAP (предшественником обсерватории Planck), были подтверждены в ходе наблюдений с более высокой чувствительностью и разрешающей способностью. Одна из них - асимметрия средней температуры противоположных полушарий небесной сферы: излучение, испускаемое участками неба южнее эклиптики, в среднем оказывается слегка «теплее». Это противоречит предсказаниям стандартной модели, согласно которым Вселенная должна выглядеть одинаковой во всех направлениях. Вторая особенность - «холодное пятно», размеры которого превосходят допустимые теорией (обведено белым эллипсом). Природу этих аномалий ученым еще предстоит объяснить.
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Эта корректировка дала возможность точнее оценить возраст нашего мира. Согласно новым данным, он составляет 13,82 млрд. лет (на несколько десятков миллионов лет больше, чем считалось до сих пор). Кроме того, по данным телескопа Planck, во Вселенной имеется не 22,7% темной материи, а 26,8%. Доля обычной материи равна 4,9%, соответственно 68,3% приходится на темную энергию.
    Planck также подтвердил существование аномалий микроволнового фона, открытых его предшественником - зондом WMAP (NASA), который обнаружил, что температура разных «полушарий» Вселенной отличается. Более чувствительные приборы нового космического аппарата зарегистрировали в реликтовом излучении «холодные пятна».
    Полная обработка результатов наблюдений европейской микроволновой обсерватории, до сих пор ведущей сканирование небесной сферы, будет завершена в 2014 г.


"Послепланковская" Вселенная - какая она?

    В штаб-квартире Европейского Космического Агентства в Париже 21 марта 2013 г. собрались ученые со всего мира. Их вниманию была предложена новейшая карта нашей Вселенной в возрасте 380 млн. лет, составленная неустанным трудом космического телескопа Planck и группой его сопровождения на протяжении первых 15 месяцев работы. Дата долгожданного мероприятия была известна в момент запуска аппарата, и ее удалось выдержать без опозданий. Откровенно говоря, астрономы не ожидали увидеть что-либо необычное: предшественник обсерватории Planck на создание подобной карты потратил намного больше времени (около 9 лет), но он был первопроходцем. Собравшимся в Париже ученым команда телескопа показала не совсем обычную карту неба. На ней не было ни звезд, ни галактик, ни их скоплений - только «пепел», образовавшийся в первые мгновения существования нашего мира. Он был распределен по всему небу совершенно случайно (но это следует доказать!), и именно на этом «пепле» возникли все наблюдаемые нами сегодня структуры Вселенной: в местах большей концентрации образовались скопления и сверхскопления галактик, в местах меньшей концентрации - огромные пустоты.
    Так что было на самом деле, астрономы пока не решили.
    Результаты наблюдений телескопа Planck будут еще долго обрабатываться, это своего рода «задел» для проверки старых теорий и создания новых. Предварительные выводы свидетельствуют о том, что, как и в любом серьезном научном исследовании, готовых ответов на поставленные вопросы появилось ничуть не меньше, нежели новых вопросов. Пока же можно сформулировать некоторые из этих «готовых ответов» и привести перечень положений, решением которых, по-видимому, займутся уже следующие поколения ученых и телескопов.
    > Отсутствие избытка нейтрино. Согласно Стандартной модели, во Вселенной должно быть три и только три разновидности нейтрино. Результаты наблюдений телескопа Planck вполне согласуются с предсказаниями теории.
    > Вселенная не настолько изотропна на больших масштабах, как ожидалось. Уже первые исследования реликтового микроволнового фона с помощью космических телескопов выявили серьезные доказательства того, что северное и южное полушария неба выглядят не совсем так, как того требует теория изотропной Вселенной (в статистическом плане). Были обнаружены аномальные «прохладные места» в распределении этого фона - аномальные с точки зрения не только температуры, но и формы, а также общих размеров. Planck подтвердил эти результаты на новом уровне, с более высокой точностью. Кроме того, при анализе его результатов ученые убедились в том, что для этих «половинок» неба значения шести используемых статистических параметров сильно отличаются. Если эти отличия реальны (пока не исключается, что они могут быть ошибками наблюдений), приходится постулировать наличие во Вселенной неких «непредвиденных» структур, далеко выходящих за космологический горизонт и возникших перед эпохой инфляции, а возможно даже до Большого Взрыва.
    > При анализе спектра волнистых «узоров» на больших участках неба возникают некоторые трудности. В то время как согласие между наблюдаемым и теоретическим распределением реликтового фона на малых угловых масштабах очень хорошее, колебания его температуры на больших масштабах такого согласия не показывают. Попытки ученых согласовать их подбором соответствующих теоретических параметров (в разумных пределах) успеха не приносят, что приводит астрономов к мысли о несовершенстве теоретических моделей и необходимости создавать новые, вплоть до утверждений о создании «Новой Физики».
    > Когда в «младенческой» Вселенной закончилась инфляция (процесс сверхбыстрого экспоненциального «раздувания», имевший место около 10-32 секунды после Большого Взрыва), макроскопические квантовые флуктуации были намного сильнее по сравнению с малоразмерными. Эти колебания послужили «зародышами» современных крупномасштабных космических структур. Теория инфляции действительно предсказывает такой небольшой «перекос» в распределении размеров флуктуаций, и аппарат WMAP экспериментально его обнаружил, тогда как Planck убедительно подтвердил существование предсказанной зависимости с большой точностью.
    В этом плане выводы теории инфляции сомнению не подлежат.
    > Большие надежды учение возлагали на результаты поляризационных наблюдений. Более того, не будет преувеличением заявить, что именно за этими результатами и «отправили» Planck в космос. Теория инфляции утверждает, что появление поляризационного «узора» в распределении реликтового фона в самые первые моменты существования Вселенной станет убедительным доказательством существования гравитационных волн на этой стадии ее эволюции. Однако другие теории Большого Взрыва (например, теория столкновения бран в многомерном пространстве) начисто отметают наличие поляризованных компонент реликтового излучения.
    Пока что «поляризационный» аргумент в пользу инфляционной модели Большого Взрыва не обнаружен, но специалистов, занятых анализом результатов наблюдений телескопа Planck, это не удручает: Они возлагают большие надежды на более тщательный и глубокий анализ всего наблюдательного материала, об итогах которого астрономическая общественность будет оповещена в 2014 г.
    Квинтэссенцией всего вышесказанного может служить высказывание профессора астрофизики Джорджа Эфстатиу (George Efstathiou) на брифинге для СМИ после завершения конференции 21 марта: «Мы увидели спорные данные, которые не предусмотрены инфляционной теорией и ее простейшими вариантами. Поэтому вполне возможно, что у нас неверные представления о происходившем, возможно, мы ошиблись, и никакой космологической инфляции - стремительного расширения Вселенной после взрыва - не было. Не исключено, что Вселенная существовала и до Большого Взрыва, и мы можем найти какие-то следы этого. Сможем ли мы подвести теоретическую базу под эти нестыковки, сумеем ли совместить их с существующей инфляционной теорией? На сегодняшний день это вопрос номер один. Пока у нас нет всеобъемлющего объяснения этим аномалиям. Но если мы предложим теорию, которая их объяснит и объединит, привяжет их к существующей инфляционной теории, то это будет уже совсем новый подход в физике».
Автор: ГЕОРГИЙ КОВАЛЬЧУК (кандидат физ.-мат. наук, сотрудник Главной астрономической обсерватории НАНУ, г. Киев), ЖУРНАЛ "ВСЕЛЕННАЯ, ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ"

купель для бани из полипропилена.
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru