Gaismas sarežģītie ceļi
Publicēts: 6.01.2015
Einšteins paredzēja to esamību, modernie mūsdienu teleskopi tās atrod, bet Klauss Dolags tās veido datorā. Tās ir gravitācijas lēcas. Maksa Planka Astrofizikas institūta un Minhenes universitātes observatorijas pētnieki izmanto šo fizikālo fenomenu, lai "svērtu" galaktiku kopas un pētītu izvairīgo Visuma sastāvdaļu, kuru dēvē par tumšo matēriju.
Debesis virs Prinsipe bija apmākušās. Noskaņojums nometnē, kas bija uzcelta kokosriekstu plantācijā, nebija priecīgs. Šie vīri nedēļām ilgi bija ceļojuši no Anglijas līdz vulkāniskajai saliņai Gvinejas līcī. Viņi vēlējās pierādīt drosmīgā vācu fiziķa Alberta Einšteina teoriju, kas apgalvoja, ka masīva objekta gravitācija deformē telpu, līdzīgi kā svina bumba deformē gumijas plāksni. Ja, piemēram, koka lodi mēs ripinātu svina bumbas virzienā, tā novirzītos no taisnās trajektorijas un, atkarībā no ātruma, virzītos pa vairāk vai mazāk izliektu trajektoriju. 1919. gada 29. maijā Prinsipe salā varēja pārbaudīt vispārīgās relativitātes teoriju. Tikai laikapstākļi varēja visu sabojāt!
Astronoma Artūra Stenlija Edingtona vadītā ekspedīcija nebija paņēmusi līdzi nedz svina bumbu, nedz gumijas plāksni. Viņiem līdzi bija kamera un teleksops. Ar šiem instrumentiem pētnieki grasījās nofotografēt pilno Saules aptumsumu. Uzdevums bija vienkāršs. Ja masīvs objekts izliec telpu, tad arī Saulei vajadzētu izliekt to zvaigžņu gaismu, kas ceļo tuvu garām Saulei. Tas nozīmē, ka to zvaigžņu, kas atrodas tuvu Saulei Zemes debesīs, pozīcija būs izmainījusies attiecībā pret pārējo laiku. Lai pārliecinātos par teorijas pareizību, Edingtons šīs zvaigznes bija nofografējis pirms sešiem mēnešiem un tagad ar nepacietību vēroja mākoņiem klātās Saules satumšošanos.
Pacietība un neatlaidība vainagojās ar panākumiem. Aptumsuma maksimumā mākoņi uz brīdi pašķīrās un Edingtonam izdevās nofotografēt divus kadrus. Zvaigžņu izmainītās pozīcijas pierādīja, ka vispārīgās relativitātes teorija ir pareiza.
Lai arī Edingtona izmantoto instrumentu mērījumu kļūda bija ļoti tuva prognozētajām zvaigžņu nobīdēm, viņš nav vienīgais pētnieks, uz kura darbiem tiek balstīti vispārīgās relativitātes pierādījumi. Kopš tā laika gravitācijas efekts ir izmērīts atkārtoti daudzas reizes un par tā esamību šaubu nav. Klausam Dolagam nav jāpierāda, ka gravitācijas lēcas pastāv. Viņš izmanto šo fenomenu, lai svērtu galaktiku kopas un meklētu Visuma apslēpto matēriju. Vēl jo vairāk, viņa komandai nav nepieciešamas skaidras debesis, Dolags rada virtuālās debesis, kurās lūkojas virtuāli teleskopi.
Lai šo labāk saprastu, dosimies vēl kādā vēsturiskā ceļojumā. Einšteins 1936. gadā žurnālā Science rakstīja, ka gadījumā, ja Saule izliec zvaigznes gaismas ceļu, tā darbojas kā lēca, pastiprinot gaismu no tālākā objekta. Gaismai no viena objekta ceļojot cauri gravitācijas lēcai, var veidoties dažādi deformētas viena un tā paša objekta projekcijas.
1937. gadā Šveices astronoms Frics Cvikijs izteica pieņēmumu, ka galaktika varētu kalpot kā lēca, pastiprinot un deformējot aiz tās esošu tālāku galaktiku gaismu. Atkarībā no lēcas, novērotāja un novērojamā objekta novietojuma, veidojas dažādi viena un tā paša objekta attēli. Ja visi trīs novietoti precīzi uz sistēmas optiskās ass, vistālāk esošais objekts projicēsies kā gredzens. Mūsdienās zināms, ka ne tikai atsevišķas galaktikas var darboties kā lēcas, bet visbiežāk tieši kompaktas galaktiku kopas, kurās sakoncentrēta ļoti liela masa, darbojas kā spēcīgi palielināmie stikli.
Praktisko pielietojumu gravitācijas lēcas efektam Einšteins savā laikā nesaskatīja, jo uzskatīja, ka efekts ir pārāk niecīgs. "Protams, mums nav nekādas cerības novērot šo fenomenu tiešā veidā," rakstīja Einšteins.
1979. gadā tika atklāts pirmais kvazārs, kura gaismu pastiprināja starp kvazāru un Zemi esoša galaktika. Palielināto attēlu forma un tips atbilst optikas un gravitācijas likumiem. Tādejādi, izpētot šos attēlus, iespējams analizēt ne tikai iegūto attēlu, bet arī pašu lēcu, tās materiālu, masas izvietojumu utml.
"Tās ir lielākās struktūras Visumā, kuras kopā notur gravitācija," galaktiku kopas apraksta Klauss Dolags. "Tādēļ to gravitācijas lēcas efekts ir visizteiktākais."
Piemēram, galaktiku kopa Abell 2218, kas atrodas aptuveni 2 miljardu gaismas gadu attālumā Pūķa zvaigznājā. Ar lielajiem teleskopiem iegūtajos attēlos redzami dažādu krāsu un formu loki, kas īstenībā ir galaktikas, kas atrodas vēl vismaz 6 miljardu gaismas gadu attālumā aiz Abell 2218. Nebūtu šīs lēcas, mēs tālās galaktikas neredzētu vispār. Kopa Abell 1689 šādā veidā ir palīdzējusi ieraudzīt dažas no vistālākajām mūsdienās zināmajām galaktikām.
Tā kā gaismas ātrums ir konstants un ierobežots, tālu objektu novērojumi vienlaicīgi ir arī ceļojumi atpakaļ laikā. Visums kopš Lielā Sprādziena ir būtiski mainījies. Tādejādi gravitācijas lēcas ne tikai ļauj ieraudzīt tālus objektus, bet arī ielūkoties Visuma attīstības dažādos etapos.
"Viena no lietām, kuru cenšas izskaidrot kosmoloģija, ir, kādēļ no sākotnēji salīdzinoši vienmērīgi izvietotas matērijas, izveidojās galaktikas un galaktiku kopas," pastāstīja Dolags.
Mūsdienās tiek uzskatīts, ka Visuma struktūras veidošanā piedalījusies tumšā matērija.
Aplūkojot jau minēto Abell 2218, ir skaidrs, ka ar redzamo matēriju nepietiek, lai noturētu kopā šo milzīgo kopu, kā arī redzamās matērijas gravitācijas lēcas efekts nebūtu tik izteikts, kā redzams iegūtajos attēlos.
"Gravitācijs lēcas ir vienīgā tiešā metode, ar kuras palīdzību iespējams noteikt tumšās matērijas daudzumu," paskaidroja Klauss Dolags.
Saskaņā ar standarta modeli Visums radās pirms 13,7 miljardiem gadu. Tas strauji izpletās un kvantu līmenī esošais neviendabīgums sāka izpausties makroskopiski un ir novērojams mūsdienās, pētot relikto mikroviļņu fona starojumu, kas sniedz informāciju par laika posmu aptuveni 380 000 gadus pēc Lielā Sprādziena.
Visums joprojām turpina izplesties, bet pēdējos piecus miljardus gadu izplešanās ātrums ir izrādījies lielāks nekā prognozētais. Noslēpumainais spēks, kas liek Visumam izplesties arvien ātrāk un ātrāk, ir nodēvēts par tumšo enerģiju un sastāda aptuveni 73% no Visuma. Aptuveni 23% sastāda tumšā matērija. Tas nozīmē, ka nieka 4% atvēlēti tai matērijas daļai, kuru mēs redzam kā galaktikas, zvaigznes, planētas, miglājus utt.
Klauss Dolags savās simulācijās ņem vērā gan tumšo enerģiju, gan tumšo matēriju, kā arī barionu gāzi. No šīm sastāvdaļām programmatūra būvē galaktikas un galaktiku kopas.
"Tā kā mēs ņemam vērā barionu matēriju, mēs varam atveidot galaktiku un galaktiku kopu parādīšanos dažādos viļņu garumos, piemēram, rentgenstaros," skaidroja Dolags, kura mākslīgais kosmoss ir veidots no diviem slāņiem. Virtuālajam teleskopam tuvākajā slānī ir daži simti līdz tūkstoši galaktiku, aiz kurām otrajā slānī atrodas neskaitāmi daudz citu galaktiku. Priekšplānā esošās galaktikas darbojas kā gravitācijas lēcas, kuru parametrus mainot, iespējams vērot, kā mainās iegūtie attēli.
Salīdzinot simulācijās iegūtos datus ar reāliem novērojumiem, iespējams precizēt mūsdienās izmantojamās galaktiku kopu masas noteikšanas metodes, precīzāk aprakstīt masas izvietojumu galaktiku kopās, kā arī labāk izprast dažādu parametru ietekmi uz novērotajiem tālāko galaktiku attēliem.
Max Planck Institute for Astrophysics
Komentāri
Andis tieši 6.01.2015 domāja šādi:
Bet vai var būt tā, ka patiesībā Visums jau sen kā saraujas, tikai mēs vēl to neredzam un gaisma, kas pie mums atnāk, rāda vēl veco izplešanās bildi?
Nelabojams tieši 7.01.2015 domāja šādi:
Diez vai, jo novērojumu dati neliecina par jebkādu mehānismu, kas izplešanos varētu "apmest" otrādi. Šķiet, uz šādu jautājumu korekta atbilde pagaidām nav iespējama.
Hihi, ienāca prātā, ka pirms kāda laika te viens "alternatīvais" cepās, ka šie deformētie galaktiku attēli esot astronomu instrumentu defekti, jo tas nesaskanot ar viņa Visuma uzbūves teoriju.
mario tieši 7.01.2015 domāja šādi:
kas ir barions un no kā viņš sastāv?
Nelabojams tieši 7.01.2015 domāja šādi:
Sasodīts, es vispār labprāt skaidroju lietas, bet šoreiz tiešām gribas pajautāt - tev tāds vārdiņš "google" ir zināms?
Andris R tieši 7.01.2015 domāja šādi:
... vienkārši, mario, vairāk uzticas StaSpace :))...
Redaktors tieši 8.01.2015 domāja šādi:
Barionu matērija ir tā parastā, aptaustāmā matērija, kas ir mums apkārt un veido visādi redzamo Visuma daļu.
mario tieši 8.01.2015 domāja šādi:
nelabojam, nav jau jāpsiho uzreiz! es tikai biju pajautājis. piekrītu tam ko andris r teica, jo tā arī ir. uzticos starspace lapai. laimīgu visiem jauno gadu!
Redaktors tieši 8.01.2015 domāja šādi:
Paldies par labajiem vārdiem un tev arī veiksmīgu 2015!