Física en el borde del universo.
En el campo de la cosmología, las preguntas interesantes generalmente están bien cubiertas en artículos científicos. Revelar los secretos de la energía oscura, la fuente de la expansión acelerada del Universo, es uno de los mayores misterios de la ciencia moderna. La materia oscura, partículas que pueden explicar la gran cantidad de rarezas observables del Universo, aún no se ha dado a los científicos que buscan evidencia directa de su existencia. La física del agujero negro, con sus paradojas de la curvatura del espacio y el tiempo y la atención reciente gracias al éxito de taquilla, Interstellar siempre está listo para causar exclamaciones admirables.Todas estas áreas de investigación son desarrolladas activamente por la comunidad cosmológica, y no solo son conceptos que atraen la atención de personas que no están relacionadas con los científicos. Pero si visita una universidad donde trabajan los cosmólogos, o una conferencia sobre cosmología, escuchará informes sobre otras áreas interesantes de nuestra ciencia, expandiendo el conocimiento científico, desde las teorías de la inflación hasta la detección de ondas gravitacionales y otras. En la no ficción, se les presta relativamente poca atención, en comparación con los "Tres Grandes": materia oscura, energía oscura y física de agujeros negros. Me gustaría describir dos áreas que son parte de la cosmología y merecen la misma atención: comprender la naturaleza de los rayos cósmicos de energías súper elevadas y marcar el universo de las edades oscuras.
Rayos cósmicos de ultra alta energía
La atmósfera de la tierra es constantemente bombardeada por partículas desde todas las direcciones en el espacio. Estas partículas no son como meteoritos o desechos espaciales, sino que son partículas separadas o núcleos de átomos. Pero aparte de esto, no se sabe nada de ellos, ya que no medimos los rayos cósmicos directamente. Cuando un rayo entra en la atmósfera, choca con sus partículas. Esto provoca una reacción en cadena de partículas secundarias, que cae en un área de superficie bastante grande, la llamada amplia precipitación de aire [ducha de aire]. Construimos un detector de tal ducha en un área de 2590 km2. - Este es un observatorio. Pierre Auger en la ciudad argentina de Mendoza. Las capacidades del detector son capaces de detectar partículas que caen en ellas y recrear la dirección y la energía entrantes del rayo cósmico que generó un evento específico.
La energía de los rayos cósmicos observada por el Observatorio Auger puede variar en diez órdenes de magnitud. Los rayos de mayor energía, llamados rayos cósmicos de ultra alta energía (UHECR), transportan 1 J de energía por partícula. Aproximadamente esa cantidad de energía que gastas para levantar una taza de café de la mesa y tomar un sorbo, mientras toda esta energía está contenida en una partícula.Otro ejemplo: en el Gran Colisionador de Hadrones, el más grande y poderoso de los construidos, operan con energías del orden de 10 -6 J. La energía observada por UHECR es un millón de veces mayor.
Fuentes observadas de rayos cósmicos (círculos negros). Puntos rojos: la ubicación de los núcleos galácticos activos, considerados fuentes de UHECR.Hay muchas veces más rayos con energías bajas que con altas: alrededor de 10 6 rayos con una energía promedio y alrededor de 1 UHECR aparecen en un kilómetro cuadrado por año . Esta es una razón por la cual es difícil determinar la dirección exacta de donde provienen los UHECR: son demasiado raros. También es difícil decir que acelera estos rayos a tales energías. Hasta ahora, estamos pensando en explosiones de supernovas, asociaciones de estrellas de neutrones, aceleración de la materia por agujeros negros, explosiones de rayos gamma y otras explicaciones más exóticas. Ninguna de las explicaciones ha sido confirmada.
Radiación con una longitud de 21 cm.
Después de la aparición de la radiación cósmica de fondo de microondas, los siglos oscuros han llegado al Universo . Durante este período, no había materia luminosa brillante en él. Sin estrellas, galaxias, supernovas, púlsares, quásares, nada que emitiera luz visible, radiación ultravioleta o rayos X. En resumen, no había nada que mirar a través del telescopio.Pero la materia ordinaria en forma de elementos ligeros neutros, principalmente hidrógeno, colisionó y se acumuló. Algunos bultos se convirtieron en estrellas y galaxias, otros permanecieron en forma de gas disperso. Por el momento, la mejor manera de construir un mapa de la distribución de la materia ordinaria y recolectar observaciones que nutran nuestros modelos para el desarrollo del Universo es observar todo lo que brilla. Pero, ¿cómo recopilar información sobre las edades oscuras? Permanece inexplorado y hasta ahora inaccesible el momento en que la materia aún no se ha reunido en objetos luminosos.
En la Edad Media, había regiones con una densidad de materia aumentada (azul) y reducida (negra), pero ninguna estrella las iluminabaUna forma prometedora de estudiar las edades oscuras es medir transiciones de 21 cm en hidrógeno neutro. El hidrógeno consiste en un protón y un electrón, y ambos tienen un giro. La orientación mutua de sus giros (tanto si miran en una dirección como en la opuesta) determina el estado de energía del átomo. Los giros unidireccionales conducen a un estado de energía ligeramente más alto que los multidireccionales. Los objetos tienden a las energías más bajas, por lo que un átomo de hidrógeno con espines unidireccionales puede cambiar espontáneamente a un estado donde los espines son multidireccionales. Como este nivel es más bajo y la energía debe conservarse, se emite un fotón en este proceso. La cantidad exacta de energía emitida en este proceso es conocida, y corresponde a una longitud de onda de fotones de 21.1 cm (frecuencia 1420.40575 MHz). (línea de radio neutral de hidrógeno ).Nuestras expectativas para el brillo de la radiación de 21 cm dependen de lo que sucede alrededor de las nubes de hidrógeno neutro, y esto hace que esta radiación sea un detector sorprendente para diferentes áreas de la física. Por ejemplo, si una nueva estrella comienza a brillar cerca, medimos ciertos indicadores en el espectro de radiación correspondientes al tiempo de "encendido" de la estrella. Ahora tenemos pocos datos sobre los primeros momentos de la formación de estrellas, que comenzaron a aparecer en algún lugar 400 millones de años después del Big Bang, y posiblemente mucho antes. Además, la observación de tales fenómenos puede ayudar a responder una pregunta de cosmología: por qué nuestro Universo está tan ionizado, es decir, por qué hay tantos átomos cargados positivamente en las nubes de gas observadas en comparación con el número de neutrales. La formación del KMFI indica queque los átomos neutros aparecieron en el Universo muy temprano, por lo que algo tenía que cargar un gas neutro. Qué es, dónde y cuándo comenzó, aún no lo sabemos.
Genial ¡Midamos todas las ondas de luz de 21 cm y todos estarán felices! Pero no es tan simple. Conocemos el tiempo de emisión de un fotón particular, en particular por su desplazamiento al rojo. A medida que el espacio se expande, aumenta la longitud de los fotones que vuelan en él. Por lo tanto, el fotón de 21 cm emitido hace 13 mil millones de años tendrá una longitud de onda más larga que el emitido hace mil millones de años, porque el primer fotón fue testigo de 12 mil millones de años de expansión del Universo. Pero sabemos exactamente cómo calcular la longitud de desplazamiento del fotón emitido, por lo que sabemos de qué época proviene.
Al observar una línea de radio de 21 cm, hay dos obstáculos principales que los científicos intentan sortear. Para los fotones emitidos en la edad oscura, el desplazamiento al rojo condujo al estiramiento de la onda a 1 metro. Dado que la longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia, se puede calcular que su frecuencia estará en la región de 1 GHz. Es a esta frecuencia que emiten las estaciones de radio FM que escucha en el camino al trabajo. Las señales de radio generadas por el hombre eliminan todas las señales de radio cósmicas, por lo que los observatorios de 21 cm deberían funcionar en lugares de silencio de radio o en el espacio [ en el original, por alguna razón, aunque la frecuencia de las ondas del medidor estará en la región de 300 MHz, y la radio funcionará a frecuencias aproximadamente 100 MHz - aprox.] Uno de los mejores lugares para tal observatorio sería la parte posterior de la luna: la rotación sincrónica lo oculta de la Tierra y brinda protección constante contra las transmisiones de radio.
Pero en la Tierra, todo es más complicado. Si observa luz visible a través de un telescopio, entonces para aislarse de la luz que lo está molestando, debe moverse hacia la sombra. Para buscar lugares oscuros, puede usar la curvatura de la Tierra, es decir, al alejarse de las grandes ciudades para que no sean visibles hasta el horizonte, la Tierra lo cubrirá. Pero con esa frecuencia de radio, este número no funciona. La parte superior de la atmósfera refleja perfectamente estas ondas de radio, por lo que ocultar su fuente más allá del horizonte no ayudará. Un experimento para medir la intensidad de 21 cm de las edades oscuras, SCI-HI, ahora está probando diseños de detectores en uno de los lugares más libres de radio en la isla de Guadalupe en México.
La cosmología es un campo de investigación activo y cautivador, incluso sin tener en cuenta los campos científicos populares como la materia oscura, la energía oscura y los agujeros negros. Los dos temas descritos en el artículo solo abren preguntas profundas a las que los cosmólogos buscan respuestas. Dado que la descripción de las noticias científicas suele estar adornada con resultados vívidos o conclusiones, a veces parece que casi hemos encontrado respuestas a las últimas preguntas importantes sobre la evolución del Universo. Pero solo estamos parados en el acantilado, mirando el cañón de los nuevos límites de la cosmología, que apenas estamos comenzando a estudiar, esperando que nuestros ojos se acostumbren a ellos.Source: https://habr.com/ru/post/es397397/
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