Geekly articles weekly

Fisika pada Batas Semesta



Di bidang kosmologi, pertanyaan menarik biasanya dibahas dengan baik dalam makalah ilmiah. Mengungkap rahasia energi gelap, sumber percepatan perluasan Alam Semesta, adalah salah satu misteri terbesar sains modern. Materi gelap, partikel yang dapat menjelaskan sejumlah besar keanehan yang dapat diamati dari Semesta, belum diberikan kepada para ilmuwan yang mencari bukti langsung keberadaannya. Fisika lubang hitam, dengan paradoksnya tentang kelengkungan ruang dan waktu dan perhatian baru-baru ini berkat blockbuster, Interstellar selalu siap untuk menimbulkan seruan mengagumi.

Semua bidang penelitian ini dikembangkan secara aktif oleh komunitas kosmologis, dan tidak hanya konsep yang menarik perhatian orang yang tidak terkait dengan ilmuwan. Tetapi jika Anda mengunjungi universitas tempat kosmolog bekerja, atau konferensi kosmologi, Anda akan mendengar laporan tentang bidang menarik lainnya dari sains kami, memperluas pengetahuan ilmiah, dari teori inflasi hingga deteksi gelombang gravitasi dan lainnya. Dalam non-fiksi, perhatian relatif kecil diberikan kepada mereka, jika dibandingkan dengan "Tiga Besar": materi gelap, energi gelap dan fisika lubang hitam. Saya ingin menggambarkan dua bidang yang merupakan bagian dari kosmologi dan layak mendapatkan perhatian yang sama: memahami sifat sinar kosmik dari energi super dan menandai alam semesta dari zaman kegelapan.



Sinar Kosmik Energi Ultra Tinggi


Atmosfer bumi terus-menerus dibombardir oleh partikel-partikel dari segala arah di ruang angkasa. Partikel-partikel ini tidak seperti meteorit atau puing-puing angkasa, tetapi merupakan partikel atau inti atom yang terpisah. Namun terlepas dari ini, tidak ada yang diketahui tentang mereka, karena kita tidak mengukur sinar kosmik secara langsung. Ketika sinar memasuki atmosfer, ia bertabrakan dengan partikel-partikelnya. Ini menyebabkan reaksi berantai partikel sekunder, yang jatuh pada area permukaan yang cukup besar - yang disebut curah hujan udara luas [air shower]. Kami membangun detektor pancuran seperti itu di area 2590 km2. - Ini sebuah observatorium. Pierre Auger di kota Argentina, Mendoza. Kapasitas detektor mampu mendeteksi partikel yang jatuh ke dalamnya dan menciptakan kembali arah dan energi yang masuk dari sinar kosmik yang menghasilkan peristiwa tertentu.



Energi sinar kosmik yang diamati oleh Auger Observatory dapat bervariasi hingga sepuluh kali lipat. Sinar energi tertinggi, yang disebut Sinar Kosmik Energi Ultra Tinggi (UHECR), membawa 1 J energi per partikel. Tentang banyak energi yang Anda habiskan untuk mengangkat secangkir kopi dari meja dan minum sedikit, sementara semua energi ini terkandung dalam satu partikel.

Contoh lain: di Large Hadron Collider, yang terbesar dan terkuat dari yang dibangun, mereka beroperasi dengan energi urutan 10 -6 J. Energi yang diamati oleh UHECR sejuta kali lebih besar.


Sumber yang diamati dari sinar kosmik (lingkaran hitam). Titik merah - lokasi inti galaksi aktif, sumber yang dianggap sebagai UHECR.

Ada berkali-kali lebih banyak sinar dengan energi rendah dibandingkan dengan yang tinggi - sekitar 10 6 sinar dengan energi rata-rata dan sekitar 1 UHECR muncul pada satu kilometer persegi per tahun . Ini adalah salah satu alasan mengapa sulit untuk menentukan arah yang tepat dari mana UHECR datang - mereka terlalu jarang. Sulit juga mengatakan bahwa sinar ini mempercepat energi-energi tersebut. Sejauh ini, kita berpikir tentang ledakan supernova, asosiasi bintang neutron, percepatan materi oleh lubang hitam, semburan sinar gamma, dan lainnya, penjelasan yang lebih eksotis. Tidak ada penjelasan yang dikonfirmasi.



Radiasi dengan panjang 21 cm


Setelah munculnya radiasi latar gelombang mikro kosmik, abad-abad gelap telah datang di Semesta . Selama periode ini, tidak ada materi bercahaya terang di dalamnya. Tidak ada bintang, galaksi, supernova, pulsar, quasar - tidak ada yang dapat memancarkan sinar tampak, ultraviolet atau radiasi sinar-X. Singkatnya, tidak ada yang bisa dilihat melalui teleskop.

Tetapi materi biasa dalam bentuk elemen cahaya netral - terutama hidrogen - bertabrakan dan terakumulasi. Beberapa benjolan berubah menjadi bintang dan galaksi, yang lain tetap dalam bentuk gas yang tersebar. Saat ini, cara terbaik untuk membangun peta distribusi materi biasa dan mengumpulkan pengamatan yang memberi makan model kita untuk pengembangan Semesta adalah dengan mengamati segala sesuatu yang bersinar. Tetapi bagaimana cara mengumpulkan informasi tentang zaman kegelapan? Itu masih belum dijelajahi dan sejauh ini tidak dapat diakses saat materi belum berkumpul menjadi benda bercahaya.


Dalam Abad Kegelapan, ada daerah dengan peningkatan kepadatan materi (biru) dan berkurang (hitam), tetapi tidak ada bintang yang menyalakannya

Salah satu cara yang menjanjikan untuk mempelajari zaman kegelapan adalah mengukur transisi 21 cm dalam hidrogen netral. Hidrogen terdiri dari satu proton dan satu elektron, dan keduanya memiliki putaran. Orientasi timbal balik dari spin mereka (apakah mereka melihat satu arah, atau sebaliknya) menentukan keadaan energi atom. Putaran unidirectional menyebabkan tingkat energi sedikit lebih tinggi daripada yang multidirectional. Objek cenderung ke energi terendah, sehingga atom hidrogen dengan putaran searah dapat secara spontan beralih ke keadaan di mana putarannya multidireksional. Karena level ini lebih rendah dan energi harus dilestarikan, foton dikeluarkan dalam proses ini. Jumlah pasti energi yang dipancarkan dalam proses ini diketahui, dan itu sesuai dengan panjang gelombang foton 21,1 cm (frekuensi 1420,40575 MHz). (saluran radio hidrogen netral ).

Harapan kami untuk kecerahan radiasi 21 cm tergantung pada apa yang terjadi di sekitar awan hidrogen netral, dan ini menjadikan radiasi ini sebagai detektor luar biasa untuk berbagai bidang fisika. Misalnya, jika bintang baru mulai bersinar dekat, kami mengukur indikator tertentu dalam spektrum radiasi yang sesuai dengan waktu "on" dari bintang tersebut. Kami sekarang memiliki sedikit data tentang saat-saat pertama pembentukan bintang, yang mulai muncul di suatu tempat 400 juta tahun setelah Big Bang, dan mungkin jauh sebelumnya. Selain itu, pengamatan fenomena semacam itu dapat membantu menjawab satu pertanyaan kosmologi: mengapa Alam Semesta kita begitu terionisasi, yaitu, mengapa ada begitu banyak atom bermuatan positif di awan gas yang diamati dibandingkan dengan jumlah yang netral. Pembentukan KMFI menunjukkan hal itubahwa atom netral muncul di Semesta sangat awal, jadi sesuatu harus mengisi gas netral. Apa itu, di mana dan kapan dimulai, kita belum tahu.



Hebat! Mari kita ukur semua gelombang cahaya 21 cm dan semua orang akan senang! Tapi itu tidak sesederhana itu. Kita tahu tentang waktu emisi foton tertentu dengan pergeseran merahnya. Saat ruang mengembang, panjang foton yang terbang di dalamnya meningkat. Oleh karena itu, foton 21-cm yang dipancarkan 13 miliar tahun lalu akan memiliki panjang gelombang lebih panjang daripada yang dipancarkan 1 miliar tahun yang lalu, karena foton pertama menyaksikan ekspansi alam semesta sebanyak 12 miliar tahun. Tapi kami tahu persis bagaimana menghitung panjang offset foton yang dipancarkan, jadi kami tahu dari era mana foton itu berasal.



Ketika mengamati garis radio 21 cm, ada dua kendala utama yang para ilmuwan coba lewati. Untuk foton yang dipancarkan di zaman kegelapan, pergeseran merah menyebabkan peregangan gelombang menjadi 1 meter. Karena panjang gelombang berbanding terbalik dengan frekuensi, dapat dihitung bahwa frekuensinya akan berada di wilayah 1 GHz. Pada frekuensi inilah stasiun radio FM yang Anda dengarkan saat bekerja memancarkan. Sinyal radio yang dihasilkan manusia membersihkan semua sinyal radio kosmik, sehingga observatorium 21-cm harus bekerja baik di tempat-tempat radio diam atau di ruang angkasa [ dalam aslinya, untuk beberapa alasan, meskipun frekuensi sebenarnya dari gelombang meter akan berada di wilayah 300 MHz, dan radio bekerja pada frekuensi sekitar 100 MHz - sekitar.] Salah satu tempat terbaik untuk observatorium semacam itu adalah bagian belakang bulan - rotasi sinkron menyembunyikannya dari Bumi dan memberikan perlindungan konstan dari siaran radio.



Tapi di Bumi, semuanya lebih rumit. Jika Anda mengamati cahaya yang terlihat melalui teleskop, maka untuk mengisolasi diri dari cahaya yang mengganggu Anda, Anda perlu bergerak ke dalam bayangan. Untuk mencari tempat-tempat gelap, Anda dapat menggunakan kelengkungan Bumi - yaitu, dengan menjauh dari kota-kota besar sehingga mereka tidak terlihat ke cakrawala, Anda akan dilindungi oleh Bumi dari mereka. Tetapi dengan frekuensi radio yang demikian, angka ini tidak berfungsi. Bagian atas atmosfer dengan sempurna mencerminkan gelombang radio ini, sehingga menyembunyikan sumbernya di luar cakrawala tidak akan membantu. Satu percobaan untuk mengukur intensitas 21 cm dari zaman kegelapan, SCI-HI, sekarang menguji desain detektor di salah satu lokasi paling bebas radio di Pulau Guadalupe di Meksiko.



Kosmologi adalah bidang penelitian yang aktif dan menawan, bahkan tanpa memperhitungkan bidang sains populer seperti materi gelap, energi gelap, dan lubang hitam. Dua topik yang dijelaskan dalam artikel ini hanya membuka pertanyaan mendalam yang mana kosmolog mencari jawaban. Karena deskripsi berita ilmiah biasanya dibumbui dengan hasil atau kesimpulan yang jelas, kadang-kadang tampaknya kita hampir menemukan jawaban atas pertanyaan besar terakhir tentang evolusi Semesta. Tetapi kita hanya berdiri di tebing, memandangi ngarai batas baru kosmologi, yang baru saja kita pelajari, menunggu mata kita untuk terbiasa dengannya.

Source: https://habr.com/ru/post/id397397/

More articles:


All Articles