| Часть серии по |
| Физическая космология |
|---|
 |
|
КатегорияНаблюдательная космология - это изучение структуры, эволюции и происхождения Вселенной посредством наблюдений с использованием таких инструментов, как телескопы и детекторы космических лучей .
Ранние наблюдения [ править ]
Наука физической космологии, как она практикуется сегодня, получила предметный материал, определенный в годы после дебатов Шепли-Кертиса, когда было установлено, что Вселенная имеет больший масштаб, чем галактика Млечный Путь . Это осаждали наблюдения, свидетельствовавших размер и динамику космоса , которые могут быть объяснены Альберта Эйнштейн «с общей теорией относительности . На начальном этапе космология была спекулятивной наукой, основанной на очень ограниченном количестве наблюдений и характеризовавшейся спором между теоретиками устойчивого состояния и сторонниками Большого взрыва.космология. Он не был до 1990 - х лет и за ее пределы , что астрономические наблюдения могли бы устранить конкурирующие теории и вести науку к «Золотому веку космологии» , который был возвестили Дэвид Шрамм в Национальной академии наук коллоквиума в 1992 году [1]
Закон Хаббла и лестница космических расстояний [ править ]
Измерения расстояний в астрономии исторически были и продолжают сопровождаться значительной неопределенностью измерений. В частности, хотя звездный параллакс можно использовать для измерения расстояния до ближайших звезд, ограничения на наблюдения, наложенные трудностью измерения крошечных параллаксов, связанных с объектами за пределами нашей галактики, означали, что астрономам пришлось искать альтернативные способы измерения космических расстояний. С этой целью в 1908 году Генриетта Суон Ливитт открыла стандартное свечное измерение переменных цефеид, которое обеспечило Эдвину Хабблу ступеньку на космической лестнице расстояний, которая ему понадобится для определения расстояния доспиральная туманность . Хаббл использовал 100-дюймовый телескоп Хукера в обсерватории Маунт Вильсон, чтобы идентифицировать отдельные звезды в этих галактиках и определять расстояние до галактик, выделяя отдельные цефеиды. Это твердо подтвердило, что спиральная туманность находится далеко за пределами галактики Млечный Путь. Определение расстояния до «островных вселенных», как их окрестили в популярных средствах массовой информации, позволило установить масштаб Вселенной и раз и навсегда уладить спор Шепли-Кертиса. [2]
В 1927 году, объединив различные измерения, в том числе измерения расстояний Хаббла и определения красных смещений этих объектов Весто Слайфер , Жорж Леметр первым оценил константу пропорциональности между расстояниями галактик и тем, что было названо их «скоростями удаления». значение около 600 км / с / Мпк. [3] [4] [5] [6] [7] [8] Он показал, что это теоретически ожидалось в модели Вселенной, основанной на общей теории относительности . [3] Двумя годами позже Хаббл показал, что связь между расстояниями и скоростями была положительной корреляцией и имела наклон около 500 км / с / Мпк.[9] Эта корреляция стала бы известна как закон Хаббла и послужила бы наблюдательной основой для теорий расширяющейся Вселенной, на которых все еще основана космология. Публикация наблюдений Слайфера, Виртца, Хаббла и их коллег и принятие теоретиками их теоретических выводов в свете общей теории относительности Эйнштейна считается началом современной космологической науки. [10]
Обилие нуклидов [ править ]
Определение космического содержания элементов имеет историю, восходящую к ранним спектроскопическим измерениям света от астрономических объектов и идентификации линий излучения и поглощения, которые соответствовали определенным электронным переходам в химических элементах, идентифицированных на Земле. Например, элемент гелий был впервые идентифицирован по его спектроскопической сигнатуре на Солнце, прежде чем он был выделен в виде газа на Земле. [11] [12]
Расчет относительного содержания был достигнут путем соответствующих спектроскопических наблюдений измерениям элементного состава метеоритов .
Обнаружение космического микроволнового фона [ править ]
Реликтовое было предсказано в 1948 году Джордж Гамов и Ральф Альфер , и Альферу и Роберт Херман , как из - за горячего Большого взрыва модели. Более того, Альфер и Герман смогли оценить температуру [13], но их результаты не получили широкого обсуждения в обществе. Их предсказание было переоткрыто Робертом Дике и Яковом Зельдовичем в начале 1960-х годов, когда первое опубликованное признание реликтового излучения как обнаруживаемого явления появилось в краткой статье советских астрофизиков А.Г. Дорошкевича и Игоря Новикова.весной 1964 года. [14] В 1964 году Дэвид Тодд Уилкинсон и Питер Ролл, коллеги Дике из Принстонского университета , начали конструировать радиометр Дике для измерения космического микроволнового фона. [15] В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вудро Вильсон в Кроуфорд-Хилле, где находится Bell Telephone Laboratories в соседнем городке Холмдел, штат Нью-Джерси, построили радиометр Дике, который они намеревались использовать в экспериментах по радиоастрономии и спутниковой связи. Их прибор имел превышение антенной температуры 3,5 К.чего они не могли объяснить. Получив телефонный звонок из Кроуфорд-Хилла, Дике язвительно заметил: «Мальчики, нас обманули». [16] Встреча между группами из Принстона и Кроуфорд-Хилла определила, что температура антенны действительно связана с микроволновым фоном. Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию по физике 1978 года за свое открытие.
Современные наблюдения [ править ]
Сегодня наблюдательная космология продолжает проверять предсказания теоретической космологии и привела к уточнению космологических моделей. Например, данные наблюдений о темной материи сильно повлияли на теоретическое моделирование структуры и образования галактик . При попытке откалибровать диаграмму Хаббла с помощью точных стандартных свечей сверхновых , в конце 1990-х годов были получены наблюдательные доказательства наличия темной энергии . Эти наблюдения были включены в структуру из шести параметров, известную как модель Lambda-CDM.который объясняет эволюцию Вселенной с точки зрения составляющего ее материала. Впоследствии эта модель была подтверждена детальными наблюдениями за космическим микроволновым фоном, особенно в эксперименте WMAP .
Сюда включены современные наблюдения, которые напрямую повлияли на космологию.
Опросы Redshift [ править ]
С появлением автоматических телескопов и усовершенствованием спектроскопов , было сделано несколько совместных работ по нанесению на карту Вселенной в пространстве с красным смещением . Комбинируя красное смещение с данными углового положения, обзор красного смещения отображает трехмерное распределение материи в небесном поле. Эти наблюдения используются для измерения свойств крупномасштабной структуры Вселенной. Great Wall , обширная сверхскопления галактик более 500 миллионов световых лет ширина, обеспечивает драматический пример крупномасштабной структуры, красное смещение обследование может обнаружить. [17]
Первое исследование было красного смещение CfA Redshift обследование , начались в 1977 году с первоначальным сбором данных завершен в 1982 г. [18] В последнее время 2dF Галактика Redshift обследование определило крупномасштабную структуру одной секции Вселенной, измерения Z -величины для более чем 220 000 галактик; сбор данных был завершен в 2002 году, а окончательный набор данных был выпущен 30 июня 2003 года. [19] (В дополнение к картированию крупномасштабных структур галактик, 2dF установил верхний предел массы нейтрино .) Другое примечательное исследование, Sloan Digital Обзор неба (SDSS) продолжается с 2011 г.[update]и стремится получить измерения примерно на 100 миллионах объектов. [20] SDSS зарегистрировал красное смещение галактик до 0,4 и принимал участие в обнаружении квазаров за пределами z = 6. В обзоре красного смещения DEEP2 используются телескопы Кека с новым спектрографом "DEIMOS" ; Продолжение пилотной программы DEEP1, DEEP2 предназначено для измерения слабых галактик с красным смещением 0,7 и выше, и поэтому планируется обеспечить дополнение к SDSS и 2dF. [21]
Космические микроволновые фоновые эксперименты [ править ]
После открытия реликтового излучения были проведены сотни экспериментов с космическим микроволновым фоном, чтобы измерить и охарактеризовать сигнатуры излучения. Самый известный эксперимент - это, вероятно, спутник NASA Cosmic Background Explorer (COBE), который находился на орбите в 1989–1996 годах и который обнаружил и количественно оценил крупномасштабные анизотропии на пределе своих возможностей обнаружения. Вдохновленные первоначальными результатами COBE о чрезвычайно изотропном и однородном фоне, серия наземных и аэростатных экспериментов позволила количественно оценить анизотропию реликтового излучения в меньших угловых масштабах в течение следующего десятилетия. Основная цель этих экспериментов состояла в том, чтобы измерить угловой масштаб первого акустического пика, для которого COBE не имел достаточного разрешения. Измерения смогли исключитькосмические струны как ведущая теория формирования космической структуры, и предполагаемая космическая инфляция была правильной теорией. В течение 1990-х годов первый пик был измерен с возрастающей чувствительностью, а к 2000 году эксперимент BOOMERanG сообщил, что самые высокие флуктуации мощности происходят на масштабах примерно в один градус. Вместе с другими космологическими данными эти результаты предполагали, что геометрия Вселенной плоская . Ряд наземных интерферометров обеспечили измерения флуктуаций с более высокой точностью в течение следующих трех лет, включая очень малую матрицу , интерферометр угловой шкалы (DASI) иКосмический фоновый формирователь изображения (CBI). DASI впервые обнаружил поляризацию CMB, а CBI предоставил первый спектр E-моды с неопровержимым доказательством того, что он не в фазе со спектром T-моды.
В июне 2001 года НАСА запустило вторую космическую миссию CMB, WMAP , чтобы сделать гораздо более точные измерения крупномасштабной анизотропии на всем небе. Первыми результатами этой миссии, раскрытыми в 2003 году, были подробные измерения углового спектра мощности до шкалы ниже градуса, жестко ограничивая различные космологические параметры. Результаты в целом согласуются с ожидаемыми от космической инфляции.а также различные другие конкурирующие теории и подробно доступны в центре обработки данных НАСА для космического микроволнового фона (CMB) (см. ссылки ниже). Хотя WMAP обеспечил очень точные измерения больших угловых флуктуаций реликтового излучения (структуры на небе размером с Луна), у него не было углового разрешения для измерения флуктуаций меньшего масштаба, которые наблюдались с использованием предыдущих наземных наблюдений. на основе интерферометров.
Третья космическая миссия, Planck , была запущена в мае 2009 года. Planck использует как радиометры HEMT, так и технологию болометров и измеряет анизотропию реликтового излучения с более высоким разрешением, чем WMAP. В отличие от двух предыдущих космических миссий, Planck - это результат сотрудничества НАСА и Европейского космического агентства (ESA). Его детекторы были опробованы на телескопе Antarctic Viper в качестве эксперимента ACBAR (Arcminute Cosmology Bolometer Array Receiver ), который позволил получить самые точные измерения в малых угловых масштабах на сегодняшний день, а также на телескопе-шаре Archeops .
Дополнительные наземные инструменты, такие как телескоп Южного полюса в Антарктиде и предлагаемый проект Clover , космологический телескоп Атакама и телескоп QUIET в Чили , предоставят дополнительные данные, недоступные из спутниковых наблюдений, возможно, включая поляризацию в B-моде.
Наблюдения в телескоп [ править ]
Радио [ править ]
Самыми яркими источниками низкочастотного радиоизлучения (10 МГц и 100 ГГц) являются радиогалактики, которые можно наблюдать до чрезвычайно больших красных смещений. Это подмножества активных галактик, которые имеют протяженные детали, известные как доли и струи, которые простираются от галактических ядер на расстояния порядка мегапарсеков . Поскольку радиогалактики такие яркие, астрономы использовали их для исследования огромных расстояний и ранних этапов эволюции Вселенной.
Инфракрасный [ править ]
Наблюдения в дальнем инфракрасном диапазоне, включая субмиллиметровую астрономию , выявили ряд источников на космологических расстояниях. За исключением нескольких атмосферных окон , большая часть инфракрасного света блокируется атмосферой, поэтому наблюдения обычно проводятся с аэростатов или космических инструментов. Текущие наблюдательные эксперименты в инфракрасном диапазоне включают NICMOS , спектрограф Cosmic Origins , космический телескоп Спитцера , интерферометр Кека , стратосферную обсерваторию инфракрасной астрономии и космическую обсерваторию Гершеля . Следующий большой космический телескоп, запланированный НАСА,Космический телескоп Джеймса Уэбба также будет исследовать в инфракрасном диапазоне.
Дополнительный инфракрасный обзор, двухмикронный обзор всего неба , также был очень полезен для выявления распределения галактик, как и другие оптические обзоры, описанные ниже.
Оптические лучи (видимые человеческим глазом) [ править ]
Оптический свет по-прежнему является основным средством, с помощью которого происходит астрономия, а в контексте космологии это означает наблюдение далеких галактик и скоплений галактик, чтобы узнать о крупномасштабной структуре Вселенной, а также об эволюции галактик . Обзоры красного смещения были обычным средством, с помощью которого это было достигнуто с помощью некоторых из самых известных, включая Обследование красного смещения галактики 2dF , Цифровой обзор неба Sloan и предстоящий Большой синоптический обзорный телескоп . Эти оптические наблюдения обычно используют фотометрию или спектроскопию для измерения красного смещения галактики, а затем с помощьюЗакон Хаббла , определите его расстояние по модулю искажения красного смещения из-за пекулярных скоростей . Кроме того, положение галактик, видимых на небе в небесных координатах, можно использовать для получения информации о двух других пространственных измерениях.
Очень глубокие наблюдения (то есть чувствительные к тусклым источникам) также являются полезным инструментом в космологии. Hubble Deep Field , Hubble Deep Field Ультра , Hubble Deep Field Экстремальный и Hubble Deep Field South являются примерами этого.
Ультрафиолет [ править ]
См. Ультрафиолетовая астрономия .
Рентген [ править ]
См. Рентгеновскую астрономию .
Гамма-лучи [ править ]
См. Гамма-астрономия .
Наблюдения за космическими лучами [ править ]
См. Обсерваторию космических лучей .
Будущие наблюдения [ править ]
Космические нейтрино [ править ]
Модель Большого взрыва предсказывает, что Вселенная заполнена нейтринным фоновым излучением , аналогичным космическому микроволновому фоновому излучению . Микроволновый фон - это пережиток того времени, когда Вселенной было около 380000 лет, но нейтринный фон - это пережиток того времени, когда Вселенной было около двух секунд.
Если бы это нейтринное излучение можно было наблюдать, это было бы окном в самые ранние стадии Вселенной. К сожалению, сейчас эти нейтрино были бы очень холодными, поэтому их фактически невозможно наблюдать напрямую.
Гравитационные волны [ править ]
См. Также [ править ]
- Большой взрыв
- Космический фон
Ссылки [ править ]
- ^ Артур М. Sackler коллоквиумы Национальной академии наук: Физическая космология; Ирвин, Калифорния: 27–28 марта 1992 г.
- ^ «Островная вселенная» - это отсылка к умозрительным идеям, продвигавшимся различными схоластическими мыслителями 18-19 веков. Самым известным ранним сторонником таких идей был философ Иммануил Кант , опубликовавший ряд трактатов по астрономии в дополнение к своим наиболее известным философским трудам. См. Kant, I., 1755. Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels , Часть I, JF Peterson, Königsberg and Leipzig.
- ^ a b Лемэтр, Г. (1927). "Un Universe homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extra-galactiques". Annales де ла Société Научных де Брюссель . 47 : 49–56. Полномочный код : 1927ASSB ... 47 ... 49L .Частично переведено в Lemaître, G. (1931). «Расширение Вселенной, Однородная Вселенная постоянной массы и увеличивающегося радиуса с учетом радиальной скорости внегалактических туманностей» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 91 (5): 483–490. Bibcode : 1931MNRAS..91..483L . DOI : 10.1093 / MNRAS / 91.5.483 .
- ^ ван ден Берг, С. (2011). «Любопытный случай уравнения Леметра № 24». Журнал Королевского астрономического общества Канады . 105 (4): 151. arXiv : 1106.1195 . Bibcode : 2011JRASC.105..151V .
- ^ Блок, DL (2012). "Закон эпонимии Жоржа Леметра и Стиглера". In Holder, RD; Миттон, С. (ред.). Жорж Лемэтр: жизнь, наука и наследие . Жорж Лемэтр: Жизнь . Библиотека астрофизики и космических наук. 395 . С. 89–96. arXiv : 1106,3928 . Bibcode : 2012ASSL..395 ... 89B . DOI : 10.1007 / 978-3-642-32254-9_8 . ISBN 978-3-642-32253-2. S2CID 119205665 .
- Перейти ↑ Reich, ES (27 июня 2011 г.). «Эдвин Хаббл в затруднительном положении с переводом» . Новости природы . DOI : 10.1038 / news.2011.385 .
- ↑ Ливио, М. (2011). «Трудности перевода: разгадка тайны пропавшего текста». Природа . 479 (7372): 171–173. Bibcode : 2011Natur.479..171L . DOI : 10.1038 / 479171a . PMID 22071745 . S2CID 203468083 .
- ^ Ливио, М .; Рис, А. (2013). «Измерение постоянной Хаббла». Физика сегодня . 66 (10): 41. Bibcode : 2013PhT .... 66j..41L . DOI : 10.1063 / PT.3.2148 .
- ^ Хаббл, Э. (1929). «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей» . Труды Национальной академии наук . 15 (3): 168–73. Bibcode : 1929PNAS ... 15..168H . DOI : 10.1073 / pnas.15.3.168 . PMC 522427 . PMID 16577160 .
- ^ Этот популярный рассмотрение вторит в Time Magazine «ы листинг Эдвином Хабблом в их время 100 список самых влиятельных людей 20го века. Майкл Лемоник вспоминает : «Он открыл космос и тем самым основал космологию». [1]
- ^ Энциклопедия химических элементов , стр. 256
- ^ Оксфордский словарь английского языка (1989), sv "helium". Получено 16 декабря 2006 г. из Oxford English Dictionary Online. Также из цитаты: Thomson, W. (1872). Rep. Brit. Доц. xcix: «Франкланд и Локьер находят желтые выступы, образующие очень четкую яркую линию недалеко от D, но до сих пор не отождествляемую с земным пламенем. Кажется, это указывает на новое вещество, которое они предлагают назвать гелием».
- ^ Гамов, Г. (1948). «Происхождение элементов и разделение галактик». Физический обзор . 74 (4): 505. Полномочный код : 1948PhRv ... 74..505G . DOI : 10.1103 / Physrev.74.505.2 .Гамов, Г. (1948). «Эволюция Вселенной». Природа . 162 (4122): 680–2. Bibcode : 1948Natur.162..680G . DOI : 10.1038 / 162680a0 . PMID 18893719 . S2CID 4793163 . Альфер, РА; Герман, Р. (1948). «Об относительном изобилии элементов». Физический обзор . 74 (11): 1577. Bibcode : 1948PhRv ... 74.1577A . DOI : 10.1103 / Physrev.74.1577 .
- ↑ AA Penzias (1979). «Происхождение стихий» (PDF) . Нобелевская лекция . 205 (4406): 549–54. Bibcode : 1979Sci ... 205..549P . DOI : 10.1126 / science.205.4406.549 . PMID 17729659 . Проверено 4 октября 2006 года .
- ^ RH Dicke, "Измерение теплового излучения на микроволновых частотах", Rev. Sci. Instrum. 17 , 268 (1946). Эта базовая конструкция радиометра использовалась в большинстве последующих экспериментов с космическим микроволновым фоном.
- ^ AA Penzias и RW Wilson, "Измерение избыточной температуры антенны при 4080 Мс / с", Astrophysical Journal 142 (1965), 419. RH Dicke, PJE Peebles, PG Roll и DT Wilkinson, "Cosmic Black Body Radiation," Astrophysical Journal 142 (1965), 414. История представлена в PJE Peebles, Principles of Physical Cosmology(Princeton Univ. Pr., Princeton 1993).
- ^ Геллер, MJ; Хакра, JP (1989), "Отображение Вселенной", Science , 246 (4932): 897-903, Bibcode : 1989Sci ... 246..897G , DOI : 10.1126 / science.246.4932.897 , PMID 17812575 , S2CID 31328798
- ^ См. Официальный сайт CfAдля более подробной информации.
- ^ Шон Коул; и другие. (Сотрудничество 2dFGRS) (2005). "Обзор красного смещения галактик 2dF: анализ спектра мощности окончательного набора данных и космологические последствия". Пн. Нет. R. Astron. Soc . 362 (2): 505–34. arXiv : astro-ph / 0501174 . Bibcode : 2005MNRAS.362..505C . DOI : 10.1111 / j.1365-2966.2005.09318.x . S2CID 6906627 . Домашняя страница 2dF Galaxy Redshift Survey
- ^ Домашняя страница SDSS
- ^ Марк Дэвис; и другие. (Коллаборация DEEP2) (2002). «Научные цели и первые результаты обзора красного смещения DEEP2» . Конференция по Астрономические телескопы и приборостроения, Waikoloa, Гавайи, 22-28 августа 2002 года .
