Geekly articles weekly

Tanya Ethan No. 54: Apa sinyal paling awal dari jagat raya yang kita catat?

Adakah cara untuk melihat melampaui penghalang yang ada sebelum saat itu dalam kehidupan Semesta, ketika ia menjadi transparan?


Sejak awal, orang-orang - peneliti dan pemikir - ingin mengetahui bentuk dunia mereka. Dan kami selalu melakukan ini dengan menceritakan kisah. Sulit untuk membiarkan kebenaran menghalangi cerita yang bagus.
- Adam Savage

Setelah istirahat sebentar, saya senang mengumumkan kembalinya kolom kami. Setiap minggu, kami mengundang Anda untuk mengirim pertanyaan dan saran Anda untuk menerima jawaban terperinci untuk mereka, menggunakan semua kemungkinan pengetahuan ilmiah. Karena lama absen, saya memutuskan untuk memberi Anda tiga jawaban sekaligus dalam satu, terima kasih kepada Gerard, yang bertanya:
Dua pertanyaan astronomi:
1) pada prinsipnya, muatan materi seharusnya tidak mempengaruhi gelombang gravitasi. Apakah mungkin mereka akan membantu kita melihat melampaui waktu CMB? Artinya, untuk mengatasi penghalang radiasi peninggalan?
2) Foton tersebar oleh partikel bermuatan lebih dari oleh atom hidrogen netral. Akankah foton frekuensi tertentu tersebar lebih dari yang lain oleh partikel bermuatan?

Dan pertanyaan pribadi: bagaimana Anda menjadi tertarik pada astronomi? Karena seorang guru di perguruan tinggi? Karena seorang kerabat? Karena pergi ke planetarium?

Mari kita mulai dengan dua pertanyaan pertama dan sekarang.



Ketika kita melihat Alam Semesta, adalah wajar untuk berpikir bahwa apa yang kita lihat hanya dibatasi oleh seberapa banyak cahaya yang dapat kita kumpulkan. Jika kita perlu menemukan objek yang jauh atau redup, kita perlu mengumpulkan cahaya dari area yang lebih besar (dengan teleskop dengan aperture yang lebih besar) atau untuk periode waktu yang lebih lama (dengan paparan yang lebih lama), dan kita akan melihatnya. Kami menggunakan teknik ini cukup sering - ini adalah bagaimana kami mendapat gambar seperti Hubble Deep Field, Hubble Ultra Deep Field, dan, baru-baru ini, Hubble eXtreme Deep Field (di bawah).



Tetapi kita melihat galaksi-galaksi ini, walaupun sangat jauh, karena cahaya mencapai garis pandang melalui ruang yang hampir kosong bagi kita tanpa hambatan. Meskipun materi netral - gas dan debu - menyerap dan sekali lagi memancarkan cahaya dengan panjang gelombang tertentu, Semesta tidak selalu dalam kondisi seperti itu ketika materi ada dalam kondisi stabil dan netral.

Ketika Semesta lebih panas, lebih muda, dan lebih padat, atom netral tidak stabil karena suhu tinggi dan energi kinetik yang tinggi dari lingkungan. Ruang sudah 13,8 miliar tahun, dan itu dingin dan kosong. Tetapi pada usia beberapa ratus ribu tahun, dia begitu panas dan padat sehingga atom-atom netral tidak dapat muncul! Alam semesta adalah plasma elektron terionisasi, inti, foton, dan partikel lainnya.



Ini buruk, karena foton tidak banyak bicara tentang waktu itu. Ketika alam semesta terionisasi, foton tersebar dengan sangat baik oleh elektron bebas. Pertanyaan kedua Gerard adalah: apakah foton frekuensi tertentu tersebar lebih efisien daripada yang lain. Untuk energi yang tipikal dari alam semesta berumur beberapa ribu tahun, foton frekuensi tinggi bergeser ke foton yang lebih rendah ketika bertabrakan dengan elektron (hamburan Compton), foton frekuensi rendah bergeser ke foton yang lebih tinggi ketika bertabrakan dengan elektron berenergi tinggi (hamburan balik Compton), tetapi berapa probabilitas umum tabrakan ?

Ini adalah profil dari Thomson:


Itu tidak tergantung pada energi, frekuensi dan panjang gelombang foton, jadi jawaban untuk pertanyaan kedua: tidak, foton dari semua frekuensi tersebar terlalu sering untuk menyimpan dan mengirimkan informasi tentang waktu sebelum radiasi peninggalan.

Tetapi gelombang gravitasi tidak memiliki masalah seperti itu.



Gelombang gravitasi (atau graviton, jika Anda menyukai deskripsi dalam hal partikel) adalah gelombang dalam jalinan kosmos itu sendiri. Mereka bergerak dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa, tetapi hanya mengubah ruang. Mereka dipancarkan, tetapi, sejauh yang kita tahu, mereka tidak diserap oleh perubahan dalam konfigurasi massa.

Dan meskipun kita biasanya berbicara tentang sumber astrofisika biasa yang memancarkan gelombang ini - bintang neutron, lubang hitam, kerdil putih, sistem orbit dan supernova - momen-momen yang mengarah ke Dentuman Besar seharusnya juga menciptakan mereka!



Selama era inflasi kosmik yang mendahului dan menyebabkan Big Bang , ada dua jenis fluktuasi kuantum yang terjadi dan menyebar ke seluruh alam semesta. Salah satu jenis adalah fluktuasi dalam semua bidang kuantum vektor, putaran, dan skalar yang ada. Mereka menyebabkan fluktuasi kepadatan, dan kemudian ke penampilan daerah, yang kemudian akan berubah menjadi bintang, galaksi dan cluster, atau ruang kosong yang besar. Dan tipe lain adalah fluktuasi dalam medan kuantum tensor Semesta, yang menyebabkan radiasi gravitasi. Radiasi ini pada prinsipnya dapat dideteksi oleh versi yang ditingkatkan dari interferometer laser berbasis-darat atau berbasis-ruang. Meskipun mereka harus sangat ditingkatkan dibandingkan dengan proyek kami saat ini.



Inflasi memberikan kelas prediksi yang sangat spesifik tentang spektrum gelombang gravitasi yang telah diciptakannya, dan model yang berbeda membuat prediksi yang berbeda dalam detail ini.

Jika model inflasi ternyata salah, spektrum gelombang gravitasi yang lahir di awal Semesta harus sepenuhnya berbeda.



Bagaimanapun, yang berikut ini akan benar:
  • Di alam semesta awal - dengan keadaan yang sangat panas, padat dan berkembang, dengan energi lebih tinggi dari apa yang dapat kita capai di laboratorium terestrial atau astrofisika - gelombang gravitasi seharusnya muncul
  • Gelombang-gelombang ini tidak akan berubah, kecuali pergeseran merah, melewati materi, radiasi, dan ruang, dari saat asalnya hingga hari ini.
  • Gelombang harus memiliki satu set amplitudo tertentu, tergantung pada frekuensinya. Apakah inflasi itu atau tidak, pengukuran radiasi gravitasi latar belakang harus memberi kita informasi tambahan tentang kelahiran Alam Semesta


Jika teori inflasi benar, satu-satunya variabel nyata, terlepas dari sedikit penyimpangan spektrum, akan menjadi amplitudo fluktuasi tensor dari Alam Semesta awal.



Ini akan terwujud dalam radiasi latar belakang gelombang mikro, dan khususnya dalam mode polarisasi foton tertentu. Dengan mengukur mode-mode ini secara akurat - dan BICEP2 dan Planck mencoba melakukan ini - kita dapat mempelajari lebih lanjut tentang inflasi ruang angkasa.



Karena itu, Gerard, gelombang gravitasi benar-benar membuka jendela bagi kita pada tahap paling awal dari perkembangan Semesta. Hanya karena teknologi modern tidak memungkinkan kita untuk menyentuhnya bukan berarti kita tidak harus berjuang untuk ini, dan tidak boleh berinvestasi dalam pengembangan teknologi yang akan memungkinkan kita untuk secara langsung menyelidiki tahap awal kehidupan Semesta. Pada prinsipnya, kita harus dapat mencapai ini dalam satu generasi jika sumber daya yang sesuai diinvestasikan di dalamnya.

Mengenai pertanyaan lain: apa yang membangkitkan minat saya pada astronomi. Dua hal terjadi pada saya ketika saya masih muda, dan mereka mungkin akan mengejutkan Anda. Kisah saya berbeda dari sebagian besar kisah para astronom dan astrofisikawan.



Saya selalu suka pergi berkemah. Bagi seorang anak yang dibesarkan di New York dan daerah sekitarnya, kesempatan untuk menyentuh hutan, gunung, api unggun, dan langit yang gelap jarang terjadi bagi saya, tetapi pada saat yang sama kesenangan terbaik yang saya ingat sejak kecil. Secara khusus, saya ingat satu pengalaman yang saya dapatkan di 11: Saya hanya berbaring di lapangan di punggung saya dengan pria lain seusia saya dan kakak laki-lakinya.

Lalu aku masih bisa melihat tanpa kacamata, dan kami mungkin bisa melihat beberapa ribu bintang. Dan kami melihat ke atas, berbicara tentang segala sesuatu dan tentang tidak ada, dan tidak menahan imajinasi kami. Sangat indah dan bagi saya, di balik setiap fragmen yang saya lihat ada semacam cerita, dan saya benar-benar ingin menjadi bagian dari kisah-kisah ini. Sungguh aneh bahwa tidak ada yang lain - apakah itu mengunjungi planetarium, bekerja dengan guru, membaca buku, melihat gambar, menggunakan teleskop - memberi saya perasaan seperti itu. Itu adalah pengalaman ketika saya berbaring telentang dan memandangi langit yang gelap dan berbintang yang memberi saya perasaan yang tak terlupakan.

Beberapa tahun kemudian, ketika saya berusia 13-14 tahun, di sebuah kamp musim panas, saya berlayar di atas kapal di malam hari, dan saya memiliki perasaan yang serupa. Tetapi pada saat itu saya sudah lebih tahu matematika.



Dan itu menjadi menarik bagi saya: setelah semua, jika Anda bepergian dengan kapal dalam satu arah yang cukup lama, Anda akan kembali ke tempat yang sama. Dan apa yang terjadi jika Anda terbang cukup lama dalam satu arah di ruang angkasa? Apakah Anda akan kembali ke titik yang sama?

Ketika saya melihat ke langit dan berpikir tentang struktur matematika dan fisik Alam Semesta, tentang dimensi yang lebih tinggi dan bagaimana Alam Semesta terlihat dalam skala besar, saya merasakan perasaan terkejut, keingintahuan, dan keterlibatan yang sama. Karena tidak ada deskripsi yang lebih baik, saya merasa perlu tahu tentang hal-hal ini. Bukannya saya melihat sesuatu yang spesifik, belajar sesuatu yang spesifik, atau bertemu orang tertentu - itu adalah pemikiran yang menyalakan api dalam diri saya.

Hidup membawa saya ke arah yang berbeda, tetapi saya selalu kembali ke pertanyaan dan perasaan yang serupa, dan - Saya tahu itu terdengar konyol - Saya merasa bahwa di dalam diri saya ada hasrat yang tak ada habisnya untuk bidang pengetahuan ini yang tidak pernah dapat dihancurkan. Dan saya menemukan ini tepat dengan bantuan dua peristiwa yang saya jelaskan.

Source: https://habr.com/ru/post/id394861/

More articles:


All Articles