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Fragen Sie Ethan Nr. 54: Was ist das früheste Signal des Universums, das wir aufgezeichnet haben?

Gibt es eine Möglichkeit, über die Barriere hinauszuschauen, die vor diesem Moment im Leben des Universums existiert, als es transparent wurde?


Menschen - Forscher und Denker - wollten schon früh die Form ihrer Welt herausfinden. Und das haben wir immer getan, indem wir Geschichten erzählt haben. Es ist schwer zuzulassen, dass die Wahrheit einer guten Geschichte im Wege steht.
- Adam Savage

Nach einer kurzen Pause freue ich mich, die Rückkehr unserer Kolumne bekannt zu geben. Jede Woche laden wir Sie ein, Ihre Fragen und Vorschläge zu senden, um eine detaillierte Antwort auf diese Fragen zu erhalten, wobei alle Möglichkeiten wissenschaftlicher Erkenntnisse genutzt werden. Aufgrund der langen Abwesenheit habe ich mich entschlossen, Ihnen drei Antworten gleichzeitig zu geben, dank Gerard, der fragt:
Zwei astronomische Fragen:
1) Grundsätzlich sollte die Ladung der Materie die Gravitationswellen nicht beeinflussen. Ist es möglich, dass sie uns helfen, über die Zeit von CMB hinauszuschauen? Das heißt, um die Reliktstrahlungsbarriere zu überwinden?
2) Photonen werden von geladenen Teilchen stärker gestreut als von neutralen Wasserstoffatomen. Werden Photonen bestimmter Frequenzen von geladenen Teilchen stärker gestreut als andere?

Und eine persönliche Frage: Wie sind Sie zur Astronomie gekommen? Wegen eines Lehrers im College? Wegen eines Verwandten? Weil du ins Planetarium gegangen bist?

Beginnen wir mit den ersten beiden Fragen und der Gegenwart.



Wenn wir das Universum betrachten, wäre es natürlich zu denken, dass das, was wir sehen, nur dadurch begrenzt ist, wie viel Licht wir sammeln können. Wenn wir ein entferntes oder schwaches Objekt finden müssen, müssen wir Licht aus einem größeren Bereich (mit einem Teleskop mit größerer Apertur) oder über einen längeren Zeitraum (mit einer längeren Belichtung) sammeln, und wir werden es sehen. Wir verwenden diese Technik ziemlich oft - so haben wir Bilder wie Hubble Deep Field, Hubble Ultra Deep Field und in jüngerer Zeit das Hubble eXtreme Deep Field (unten) erhalten.



Aber wir sehen diese Galaxien, wenn auch sehr weit entfernt, weil das Licht die Sichtlinie durch einen fast leeren Raum ohne Hindernisse zu uns erreichte. Obwohl neutrale Materie - Gas und Staub - Licht bestimmter Wellenlängen absorbiert und wieder emittiert, befand sich das Universum nicht immer in einem solchen Zustand, wenn Materie in stabilen und neutralen Zuständen existierte.

Wenn das Universum heißer, jünger und dichter war, waren neutrale Atome aufgrund hoher Temperaturen und hoher kinetischer Energien der Umgebung nicht stabil. Der Weltraum ist bereits 13,8 Milliarden Jahre alt und kalt und leer. Aber im Alter von mehreren hunderttausend Jahren war er so heiß und dicht, dass keine neutralen Atome entstehen konnten! Das Universum war ein ionisiertes Plasma aus Elektronen, Kernen, Photonen und anderen Teilchen.



Das ist schlecht, da Photonen zu dieser Zeit wenig zu sagen haben. Wenn das Universum ionisiert ist, werden Photonen sehr gut von freien Elektronen gestreut. Gerards zweite Frage war: Werden Photonen bestimmter Frequenzen effizienter gestreut als andere? Für Energien, die für ein mehrere tausend Jahre altes Universum typisch sind, haben sich hochfrequente Photonen bei Kollision mit Elektronen zu niedrigeren Photonen verschoben (Compton-Streuung), niederfrequente Photonen bei Kollision mit hochenergetischen Elektronen zu höheren Photonen verschoben (Compton-Rückstreuung), aber wie hoch ist die allgemeine Kollisionswahrscheinlichkeit? ?

Dies ist das Profil von Thomson:


Es hängt nicht von der Energie, Frequenz und Wellenlänge der Photonen ab, daher die Antwort auf die zweite Frage: Nein, Photonen aller Frequenzen werden zu oft gestreut, um Informationen über die Zeiten vor der Reliktstrahlung zu speichern und zu übertragen.

Gravitationswellen haben solche Probleme jedoch nicht.



Gravitationswellen (oder Gravitonen, wenn Sie die Beschreibung in Form von Partikeln mögen) sind Wellen im Gewebe des Kosmos selbst. Sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, verzerren aber nur den Raum. Sie werden emittiert, aber soweit wir wissen, werden sie nicht durch Änderungen in der Konfiguration der Massen absorbiert.

Und obwohl wir normalerweise über gewöhnliche astrophysikalische Quellen sprechen, die diese Wellen aussenden - Neutronensterne, Schwarze Löcher, Weiße Zwerge, Umlaufsysteme und Supernovae -, sollten die Momente, die zum Urknall führten, sie auch erschaffen haben!



Während der Ära der kosmischen Inflation , die dem Urknall vorausging und dazu führte , gab es zwei Arten von Quantenfluktuationen, die im gesamten Universum auftraten und sich ausbreiteten. Ein Typ sind Schwankungen in allen vorhandenen Vektor-, Spin- und skalaren Quantenfeldern. Sie führten zu Dichteschwankungen und später zum Auftreten von Regionen, die sich dann in Sterne, Galaxien und Cluster oder riesige leere Räume verwandelten. Ein anderer Typ waren Schwankungen in den Tensorquantenfeldern des Universums, die zu Gravitationsstrahlung führten. Diese Strahlung kann im Prinzip durch verbesserte Versionen von bodengestützten oder weltraumgestützten Laserinterferometern erfasst werden. Obwohl sie im Vergleich zu unseren aktuellen Projekten stark verbessert werden sollten.



Die Inflation gibt sehr spezifische Klassen von Vorhersagen darüber, wie das Spektrum der von ihr erzeugten Gravitationswellen aussehen sollte, und verschiedene Modelle machen Vorhersagen, die sich in diesen Details unterscheiden.

Wenn sich das Inflationsmodell als falsch herausstellt, sollte das Spektrum der im frühen Universum geborenen Gravitationswellen völlig anders sein.



In jedem Fall gilt Folgendes:
  • Im frühen Universum - mit einem sehr heißen, dichten und expandierenden Zustand mit Energien, die höher sind als die, die wir in terrestrischen oder astrophysikalischen Labors erreichen können - sollten Gravitationswellen aufgetreten sein
  • Diese Wellen hätten sich mit Ausnahme der Rotverschiebung, die durch Materie, Strahlung und Raum verläuft, vom Moment ihres Ursprungs bis zum heutigen Tag nicht verändert.
  • Wellen müssen abhängig von den Frequenzen einen bestimmten Satz von Amplituden haben. Unabhängig davon, ob Inflation war oder nicht, sollten Messungen der Gravitationsstrahlung im Hintergrund zusätzliche Informationen über die Geburt des Universums liefern


Wenn die Inflationstheorie richtig ist, sind die einzigen realen Variablen, abgesehen von einer geringfügigen Abweichung des Spektrums, die Amplituden der Tensorschwankungen aus dem frühen Universum.



Dies äußert sich in der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung und insbesondere in bestimmten Polarisationsmodi von Photonen. Durch genaues Messen dieser Modi - und BICEP2 und Planck versuchen dies zu tun - können wir mehr über die Weltrauminflation erfahren.



Deshalb, Gerard, öffnen uns Gravitationswellen in den frühesten Stadien der Entwicklung des Universums wirklich ein Fenster. Nur weil moderne Technologien es uns nicht erlauben, sie zu berühren, heißt das nicht, dass wir nicht danach streben und nicht in die Entwicklung von Technologien investieren sollten, die es uns ermöglichen, die frühen Stadien des Lebens des Universums direkt zu untersuchen. Grundsätzlich müssen wir dies in einer Generation erreichen können, wenn die entsprechenden Ressourcen investiert werden.

Zu einer anderen Frage: Was hat mein Interesse an Astronomie geweckt? Zwei Dinge sind mir passiert, als ich jung war, und sie werden dich wahrscheinlich überraschen. Meine Geschichte unterscheidet sich von den meisten Geschichten von Astronomen und Astrophysikern.



Ich habe es immer geliebt zu campen. Für ein Kind, das in New York und Umgebung aufgewachsen ist, war die Gelegenheit, die Wälder, Berge, Lagerfeuer und den dunklen Himmel zu berühren, selten für mich, aber gleichzeitig die beste aller Freuden, an die ich mich seit meiner Kindheit erinnere. Insbesondere erinnerte ich mich an eine Erfahrung, die ich mit 11 gemacht hatte: Ich liege einfach mit einem anderen Mann in meinem Alter und seinem älteren Bruder auf einem Feld auf meinem Rücken.

Dann konnte ich immer noch ohne Brille sehen, und wir konnten wahrscheinlich mehrere tausend Sterne sehen. Und wir sahen auf, sprachen über alles und über nichts und schränkten unsere Vorstellungskraft nicht ein. Es war sehr schön und es schien mir, dass hinter jedem Fragment, das ich sah, eine Art Geschichte steckte, und ich wollte wirklich Teil dieser Geschichten werden. Es ist seltsam, dass mir nichts anderes - ob ich das Planetarium besuchte, mit Lehrern arbeitete, Bücher las, Bilder betrachtete oder das Teleskop benutzte - solche Gefühle gab. Es war die Erfahrung, als ich auf dem Rücken lag und in den dunklen Sternenhimmel schaute, die mir ein unvergessliches Gefühl gab.

Einige Jahre später, als ich 13 bis 14 Jahre alt war, segelte ich in einem Sommercamp nachts auf einem Boot und hatte ein ähnliches Gefühl. Aber damals kannte ich die Mathematik schon besser.



Und es wurde für mich interessant: Wenn Sie lange genug mit dem Boot in eine Richtung fahren, kehren Sie schließlich an denselben Ort zurück. Und was passiert, wenn Sie lange genug in eine Richtung im Weltraum fliegen? Wirst du zum selben Punkt zurückkehren?

Als ich in den Himmel schaute und über die mathematische und physikalische Struktur des Universums nachdachte, über höhere Dimensionen und wie das Universum im großen Maßstab aussieht, fühlte ich das gleiche Gefühl der Überraschung, Neugier und Beteiligung. Mangels einer besseren Beschreibung hatte ich das Gefühl, dass ich über diese Dinge Bescheid wissen musste. Nicht dass ich etwas Bestimmtes gesehen, etwas Bestimmtes gelernt oder eine bestimmte Person getroffen hätte - das war genau der Gedanke, der ein Feuer in mir entzündete.

Das Leben führte mich in verschiedene Richtungen, aber ich kehrte immer zu ähnlichen Fragen und Gefühlen zurück, und - ich weiß, das klingt albern - ich habe das Gefühl, dass in mir eine endlose Quelle der Leidenschaft für dieses Wissensgebiet steckt, die niemals zerstört werden kann. Und genau das habe ich mit Hilfe der beiden von mir beschriebenen Ereignisse entdeckt.

Source: https://habr.com/ru/post/de394861/

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