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La physique à la limite de l'univers



Dans le domaine de la cosmologie, les questions intéressantes sont généralement bien couvertes dans les articles scientifiques. Révéler les secrets de l'énergie noire, la source de l'expansion accélérée de l'Univers, est l'un des plus grands mystères de la science moderne. La matière noire, particules pouvant expliquer le grand nombre de bizarreries observables de l'Univers, n'a pas encore été donnée aux scientifiques à la recherche de preuves directes de son existence. La physique des trous noirs, avec ses paradoxes de la courbure de l'espace et du temps et l'attention récente grâce au blockbuster, Interstellar est toujours prête à provoquer des exclamations admiratives.

Tous ces domaines de recherche sont activement développés par la communauté cosmologique, et ce ne sont pas seulement les concepts qui attirent l'attention de personnes qui ne sont pas liées aux scientifiques. Mais si vous visitez une université où travaillent des cosmologistes ou une conférence sur la cosmologie, vous entendrez des rapports sur d'autres domaines intéressants de notre science, élargissant les connaissances scientifiques, des théories de l'inflation à la détection des ondes gravitationnelles et autres. Dans la non-fiction, on leur accorde relativement peu d'attention par rapport aux "Big Three": matière noire, énergie noire et physique des trous noirs. Je voudrais décrire deux domaines qui font partie de la cosmologie et méritent la même attention: comprendre la nature des rayons cosmiques des énergies super hautes et marquer l'univers des âges sombres.



Rayons cosmiques à ultra haute énergie


L'atmosphère de la Terre est constamment bombardée de particules de toutes les directions dans l'espace. Ces particules ne sont pas comme des météorites ou des débris spatiaux, mais sont des particules ou des noyaux d'atomes séparés. Mais à part cela, on ne sait rien d'eux, car nous ne mesurons pas directement les rayons cosmiques. Lorsqu'un rayon pénètre dans l'atmosphère, il entre en collision avec ses particules. Cela provoque une réaction en chaîne de particules secondaires, qui tombe sur une assez grande surface - la soi-disant pluie abondante [douche d'air]. Nous avons construit un détecteur d'une telle douche sur une superficie de 2590 km2. - Ceci est un observatoire. Pierre Auger dans la ville argentine de Mendoza. Les capacités des détecteurs sont capables de détecter les particules qui y tombent et de recréer la direction et l'énergie entrantes du rayon cosmique qui a généré un événement spécifique.



L'énergie des rayons cosmiques observée par l'Observatoire Auger peut varier de dix ordres de grandeur. Les rayons énergétiques les plus élevés, appelés Rayons Cosmiques Ultra Haute Energie (UHECR), transportent 1 J d'énergie par particule. À peu près autant d'énergie que vous dépensez pour soulever une tasse de café de la table et prendre une gorgée, tandis que toute cette énergie est contenue dans une particule.

Autre exemple: au Grand collisionneur de hadrons, le plus grand et le plus puissant de ceux construits, ils fonctionnent avec des énergies de l'ordre de 10 -6 J. L'énergie observée par l'UHECR est un million de fois supérieure.


Sources observées de rayons cosmiques (cercles noirs). Points rouges - l'emplacement des noyaux galactiques actifs, considérés comme des sources de l'UHECR.

Il y a plusieurs fois plus de rayons à faible énergie qu'à haute intensité - environ 10 6 rayons avec une énergie moyenne et environ 1 UHECR apparaissent sur un kilomètre carré par an . C'est une des raisons pour lesquelles il est difficile de déterminer la direction exacte d'où proviennent les UHECR - ils sont trop rares. Il est également difficile de dire qu'il accélère ces rayons vers de telles énergies. Jusqu'à présent, nous pensons aux explosions de supernova, aux associations d'étoiles à neutrons, à l'accélération de la matière par les trous noirs, aux sursauts gamma et à d'autres explications plus exotiques. Aucune des explications n'a été confirmée.



Rayonnement d'une longueur de 21 cm


Après l'apparition du rayonnement de fond des micro-ondes cosmiques, des siècles sombres sont venus dans l'Univers . Pendant cette période, il n'y avait pas de matière lumineuse brillante en elle. Pas d'étoiles, de galaxies, de supernovae, de pulsars, de quasars - rien qui émettrait de la lumière visible, des rayons ultraviolets ou des rayons X. Bref, il n'y avait rien à regarder à travers le télescope.

Mais la matière ordinaire sous forme d'éléments légers neutres - principalement de l'hydrogène - est entrée en collision et s'est accumulée. Certains morceaux se sont transformés en étoiles et galaxies, d'autres sont restés sous forme de gaz dispersé. Pour le moment, la meilleure façon de construire une carte de la distribution de la matière ordinaire et de recueillir des observations qui nourrissent nos modèles de développement de l'Univers est d'observer tout ce qui brille. Mais comment collecter des informations sur les âges sombres? Elle reste inexplorée et jusqu'ici inaccessible au moment où la matière ne s'est pas encore rassemblée en objets lumineux.


Au Moyen Âge, il y avait des régions avec une densité de matière accrue (bleue) et réduite (noire), mais aucune étoile ne les éclairait

Une façon prometteuse d'étudier les âges sombres est de mesurer des transitions de 21 cm dans l'hydrogène neutre. L'hydrogène se compose d'un proton et d'un électron, et ils ont tous deux un spin. L'orientation mutuelle de leurs spins (qu'ils regardent dans une direction ou dans l'autre sens) détermine l'état énergétique de l'atome. Les spins unidirectionnels conduisent à un état d'énergie légèrement supérieur à ceux multidirectionnels. Les objets tendent vers les énergies les plus basses, donc un atome d'hydrogène avec des spins unidirectionnels peut spontanément basculer dans un état où les spins sont multidirectionnels. Ce niveau étant plus faible et l'énergie devant être conservée, un photon est émis dans ce processus. La quantité exacte d'énergie émise dans ce processus est connue et correspond à une longueur d'onde photonique de 21,1 cm (fréquence 1420,40575 MHz). (ligne radio à hydrogène neutre ).

Nos attentes pour la luminosité d'un rayonnement de 21 cm dépendent de ce qui se passe autour des nuages ​​d'hydrogène neutre, ce qui fait de ce rayonnement un détecteur étonnant pour différents domaines de la physique. Par exemple, si une nouvelle étoile commence à briller à proximité, nous mesurons certains indicateurs dans le spectre de rayonnement correspondant au temps de "marche" de l'étoile. Nous avons maintenant peu de données sur les premiers moments de la formation des étoiles, qui ont commencé à apparaître quelque 400 millions d'années après le Big Bang, et peut-être beaucoup plus tôt. De plus, l'observation de tels phénomènes peut aider à répondre à une question de cosmologie: pourquoi notre univers est-il si ionisé, c'est-à-dire pourquoi il y a tant d'atomes chargés positivement dans les nuages ​​de gaz observés par rapport au nombre de neutres. La formation du KMFI indique queque les atomes neutres sont apparus très tôt dans l'Univers, donc quelque chose a dû charger un gaz neutre. Ce que c'est, où et quand cela a commencé, nous ne le savons pas encore.



Super! Mesurons toutes les ondes lumineuses de 21 cm et tout le monde sera heureux! Mais ce n'est pas si simple. On connaît le temps d'émission d'un photon particulier notamment par son redshift. À mesure que l'espace s'étend, les longueurs de photons qui y volent augmentent. Par conséquent, le photon de 21 cm émis il y a 13 milliards d'années aura une longueur d'onde plus longue que celle émise il y a 1 milliard d'années, car le premier photon a connu 12 milliards d'années d'expansion de l'Univers. Mais nous savons exactement comment calculer la longueur de décalage du photon émis, nous savons donc de quelle époque il provient.



Lors de l'observation d'une ligne radio de 21 cm, les scientifiques tentent de contourner deux obstacles principaux. Pour les photons émis dans les âges sombres, le décalage vers le rouge a conduit à l'étirement de l'onde à 1 mètre. La longueur d'onde étant inversement proportionnelle à la fréquence, on peut calculer que leur fréquence sera de l'ordre de 1 GHz. C'est à cette fréquence que les stations de radio FM que vous écoutez sur le chemin du travail émettent. Les signaux radio générés par l'homme emportent tous les signaux radio cosmiques, donc les observatoires de 21 cm devraient fonctionner soit dans des lieux de silence radio, soit dans l'espace [ dans l'original, pour une raison quelconque, bien que la fréquence des ondes du mètre soit en réalité de l'ordre de 300 MHz, et la radio fonctionnera à des fréquences environ 100 MHz - env.]. L'un des meilleurs endroits pour un tel observatoire serait l'arrière de la lune - la rotation synchrone la cache de la Terre et offre une protection constante contre les émissions radio.



Mais sur Terre, tout est plus compliqué. Si vous observez la lumière visible à travers un télescope, alors pour vous isoler de la lumière qui vous dérange, vous devez vous déplacer dans l'ombre. Pour rechercher des endroits sombres, vous pouvez utiliser la courbure de la Terre - c'est-à-dire qu'en vous éloignant des grandes villes pour qu'elles ne soient pas visibles jusqu'à l'horizon, vous serez couvert par la Terre depuis elles. Mais avec une telle fréquence radio, ce nombre ne fonctionne pas. La partie supérieure de l'atmosphère reflète parfaitement ces ondes radio, donc même cacher leur source au-delà de l'horizon n'aidera pas. Une expérience pour mesurer l'intensité de 21 cm des âges sombres, SCI-HI, teste actuellement des conceptions de détecteurs dans l'un des endroits les plus privés de radio sur l'île de Guadalupe au Mexique.



La cosmologie est un domaine de recherche actif et captivant, même sans tenir compte des domaines scientifiques populaires tels que la matière noire, l'énergie noire et les trous noirs. Les deux sujets décrits dans l'article n'ouvrent que des questions profondes auxquelles les cosmologistes cherchent des réponses. Étant donné que la description des nouvelles scientifiques est généralement agrémentée de résultats ou de conclusions vives, il semble parfois que nous ayons presque trouvé des réponses aux dernières grandes questions sur l'évolution de l'Univers. Mais nous nous tenons seulement à la falaise, regardant le canyon des nouvelles limites de la cosmologie, que nous commençons à peine à étudier, en attendant que nos yeux s'y habituent.

Source: https://habr.com/ru/post/fr397397/

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