Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay
Открытая группа
4590 участников
Администратор Adm-X
Администратор vladmiza

Последние откомментированные темы:

20240329132046

←  Предыдущая тема Все темы Следующая тема →
2программист пишет:

Эффект Сакса-Вольфа – как он доказывает ускоренное расширение Вселенной

Описание эффекта Сакса-Вольфа в различных популярных источниках в сети носит отрывочный и весьма неконкретный характер, зачастую впечатление такое, что авторы сами не разобрались в его сути. В «Википедии» информация о нем практически нулевая. Профессиональное, хотя и тоже какое-то отрывочное толкование эффекта можно найти в популярных статьях известного астрофизика проф. О. Верходанова, а в его научных работах – и его научное объяснение. Мне показалось, что многим было бы интересно разобраться с этим замечательным и очень важным явлением, для чего я и постарался написать этот обзор.

Эффект назван в честь Курта Райнера Сакса и Артура Майкла Вольфа, предсказан в 1967 году. Его суть заключается в изменении энергии одиночного фотона, или температуры ансамбля фотонов, при прохождении через потенциальный гребень, или потенциальную яму гравитационного поля соответственно супервойда или суперкластера галактик.

Как известно, наибольшими элементами крупномасштабной структуры Вселенной являются скопления галактик – кластеры, и скопления скоплений – суперкластеры. Кроме того, между галактическими нитями – филаментами, существуют огромные области, в которых плотность материи в десятки раз ниже, чем в «обычных» областях. Такие пустоты называются войдами, от слова void – «пустота», «полость». Очень крупные войды именуются супервойдами. Размеры войдов могут составлять примерно 10 – 100 Мпк.

Различают неинтегрированный и интегрированный эффект Сакса–Вольфа. Неинтегрированный эффект обусловлен гравитационным красным смещением на так называемой поверхности последнего рассеяния фотонов, его величина зависит от значения гравитационного потенциала на этой поверхности, здесь мы его рассматривать не будем.

Гравитационное поле суперкластера галактик представляет для пролетающего фотона огромную потенциальную яму, на преодоление которой ему может потребоваться вплоть до сотен миллионов лет. Движение фотона в такой потенциальной яме иллюстрируется на рис. 1a,

Рис. 1. Движение фотона в гравитационном поле суперкластера и войда.

 

на котором приведена диаграмма изменения потенциальной энергии фотона при таком движении.

Движение фотона в таком поле аналогично движению шарика, катящегося по поверхности с ямкой. Представим себе шарик, катящийся без трения по гладкой поверхности. Если на его пути встретится симметричная ямка, то, скатываясь с ее края до дна, шарик получит дополнительную энергию за счет силы тяготения, увеличив скорость. Но потом, выкатываясь из ямки, он эту дополнительную потеряет на преодоление этой силы, и после выхода из ямки восстановит прежнюю скорость, как будто никакой ямки и не встречал.

Аналогичным образом, фотон, попадая в гравитационное поле, под его действием увеличивает свою энергию, «скатываясь» в потенциальную яму – левая часть диаграммы. При этом у шарика росла бы его кинетическая энергия, но фотон не может увеличивать свою скорость, поэтому рост собственной энергии выражается в росте его частоты, фотон испытывает синее смещение, «синеет». Дойдя до дна ямы, он получает максимальную дополнительную энергию, равную какому-то значению U0.

Если бы не существовало расширение Вселенной, то выход из ямы осуществлялся бы по симметричной ветви диаграммы, обозначенной пунктиром. После выхода из ямы фотон, так же, как и шарик, терял бы полученную добавочную энергию U0, и продолжал бы свой путь с той же энергией, которую он имел до встречи с суперкластером, восстановив первоначальную частоту. Если бы расширение Вселенной происходило с постоянной скоростью, то за время пролета поля суперкластера его потенциальная яма просто расширилась бы, и до достижения ее верха фотону просто потребовалось бы большее время, чем для достижения дна, но его энергия все равно бы в конце концов сравнялась с первоначальной.  

Однако расчеты на основе ОТО показывают, что любое ускорение масштабного фактора Вселенной приводит к ослаблению гравитационного потенциала.  Иначе говоря, при ускоренном расширении Вселенной за время пролета фотона потенциальная яма «мелеет», ее правый край на диаграмме опускается (сплошная линия), и фотон при выходе затрачивает на какое-то значение ΔU энергии меньше, чем полученная добавка U0, то есть, гравитационное поле «поделилось» с фотоном частью своей энергии. В результате у такого фотона несколько увеличится частота и он придет к наблюдателю чуть более «синим».

Если фотон пролетает через супервойд, происходит обратное явление (рис.1b). Попадая в гравитационную пустоту, фотон вырывается из притягивающих его гравитационных полей, тратя на это свою энергию. На диаграмме, как и катящийся шарик, он при этом взбирается на потенциальный холм. Из-за ускоренного расширения Вселенной холм уширяется и его высота уменьшается. При скатывании с него фотон получает меньше энергии, чем затратил при подъеме на него. Уменьшение собственной энергии на величину ΔU вызовет теперь уже красное смещение частоты фотона.

Подчеркну, что речь идет о движении фотона в гравитационных полях очень больших объектов, на преодоление которых он затрачивает тысячи и миллионы лет. Преодоление даже мощных полей небольших объектов происходит очень быстро, и описываемый эффект будет крайне незначительным.

Как было показано ранее [5], спектр реликтового излучения совпадает со спектром излучения абсолютно черного тела, почти идеально совпадая с формулой Планка. Несовпадения (очень маленькие) с формулой называют флуктуациями температуры реликтового излучения. На карте анизотропии реликтового излучения (рис. 2) положительные флуктуации его температуры показаны красным цветом, отрицательные – синим. Если фотоны реликтового излучения движутся через войд, то эффект Сакса-Вольфа в этом случае вызовет флуктуацию температуры в сторону понижения, так как в ансамбле фотонов уменьшилась доля более энергичных и увеличилась доля менее энергичных фотонов.

Внимание, тем, кто не любит формулы, этот фрагмент можно пропустить! Формула, правда, очень простая, и привожу я ее без объяснений. Относительное снижение температуры δT/T в указанной флуктуации выражается интегралом:

где через η обозначено так называемое конформное время, то есть, время, необходимое свету для прохождения какого-то пути, если считать, что Вселенная «застыла» и не расширяется, Φ(η,ω) – гравитационный потенциал, ω – координата траектории фотона, а интеграл по конформному времени берется вдоль траектории фотона от момента его испускания до момента регистрации. Из этой формулы, в частности, очевидно, что если Вселенная стационарна, то производная dΦ(η,ω)/dη = 0, интеграл равен нулю и никакого эффекта Сакса-Вольфа наблюдаться не будет [1].    

На основе исследования эффекта Сакса-Вольфа группа американских астрономов из Гавайского университета в Гонолулу представила доказательства существования «темной энергии», составляющей более 70 процентов всей энергии-массы Вселенной. Работа опубликована в журнале Astrophysical Journal Letters [2].

Взяв данные о 50 суперкластерах и 50 супервойдах, собранные в рамках Слоановской программы цифрового обзора неба (Sloan Digital Sky Survey), ученые высчитывали предполагаемое изменение в температуре реликтового излучения. Полученные результаты сравнивались с подробной температурной картой этого излучения, созданной в 2003 году по данным спутника WMAP. В результате фактические колебания показали хорошее согласование с предсказанными эффектом Сакса-Вольфа – относительная погрешность измерений для разных объектов имеет порядок от 10-3 до 10-8.

Известно, что за открытие ускоряющегося расширения Вселенной были удостоены Нобелевской премии по физике 2011 года Адам Рисс и Сол Перлматтер, работающие в США, а также австралиец Брайан Шмидт. Полученное же экспериментальное подтверждение эффекта Сакса-Вольфа неопровержимо и однозначно доказывает факт ускоренного расширения Вселенной. 

В качестве еще одного примера можно привести «реликтовое холодное пятно», или «CMB Cold Spot», хорошо видное на картах анизотропии реликтового излучения, полученных спутниками WMAP и Planck (рис.2). Визуально оно находится в созвездии Эридан. Спутниковые измерения показали, что

Рис. 2. Реликтовое холодное пятно.

 

температура реликтового излучения, приходящего от этого пятна, примерно на 70 мкК ниже средней, в то время как флуктуации температуры по всей карте составляют в среднем всего 18 мкК. В соответствии с эффектом Сакса-Вольфа в этом месте следовало бы ожидать наличие очень большого супервойда. Так и оказалось. Согласно совместному исследованию английских и венгерских астрономов, там находится самая большая область пустоты во всей наблюдаемой вселенной. Супервойд находится на расстоянии 3 млрд световых лет от Земли, и простирается примерно на 1.8 млрд световых лет [3], [4]. В нем могли бы уместиться около 10 000 галактик. Причина появления пустоты такого размера пока не ясна.

Выводы.

  1. Эффект Сакса-Вольфа – влияние ускоренного расширения Вселенной на взаимодействие фотона с гравитационными полями.
  2. Большое количество флуктуаций (не всех!) температуры реликтового излучения вызвано эффектом Сакса-Вольфа.
  3. Эффект Сакса-Вольфа не может быть объяснен другими причинами, кроме как ускоренным расширением Вселенной, поэтому его наличие безусловно доказывает такое расширение.
  4. Эффект Сакса-Вольфа проверен наблюдательными данными с высокой степенью достоверности.

 

Источники:

[1]  Радиогалактики и космология. Верходанов О., Парийский  Ю. 2009

[2] Dark Energy Detected with Supervoids and Superclusters Benjamin R. Granett, Mark C. Neyrinck, & István Szapudi Institute for Astronomy, University of Hawaii, 2680 Woodlawn Dr, Honolulu, HI, а так же https://lenta.ru/news/2008/08/04/darkenergy/

[3] Сообщение агентства Интерфакс от 21 апреля 2015 года. 

[4] «Элементы». Как объяснить загадочное холодное пятно реликтового излучения.

[5] Реликтовое излучение. Обзор. Часть 1.

[6] Википедия. Эффект Сакса-Вольфа.

Вступите в группу, и вы сможете просматривать изображения в полном размере

Это интересно
0

2программист 21.03.2020
Пожаловаться Просмотров: 638  
←  Предыдущая тема Все темы Следующая тема →


Комментарии временно отключены