Физики уточнили вклад межзвездной пыли в поляризацию реликтового излучения
Физики из США и России численно смоделировали эволюцию межзвездной пыли под действием магнитных полей и рассчитали поляризацию излучаемых ей электромагнитных волн. Как и ожидалось, найденный спектр и отношение амплитуд E-мод и B-мод совпадают с наблюдениями обсерватории «Планк», измерявшей в 2009–2013 годах спектр реликтового излучения. Тем не менее, благодаря проработанности модели ученым удалось заметить новые эффекты — например, увидеть, что отношение амплитуд мод зависит от угла между средним магнитным полем пыли и направлением наблюдений. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Реликтовое микроволновое излучение — это самая далекая наблюдаемая с Земли структура, а потому оно является хорошим источником информации о ранних этапах жизни Вселенной. Это излучение возникло примерно через 400 тысяч лет после Большого взрыва, когда заполнявшие объем Вселенной электроны, протоны и альфа-частицы стали соединяться в атомы водорода и гелия (этот процесс называется рекомбинацией), а фотоны практически перестали поглощаться средой и смогли свободно «путешествовать» по пространству. Из-за неоднородности Вселенной реликтовое излучение получилось неравномерным — фотоны, приходящие из более горячих областей, в среднем имеют чуть большую энергию, чем фотоны из холодных областей. Правда, разница эта сравнительно невелика — порядка 0,02 кельвина при средней температуре излучения около 2,7 кельвинов. В рамках теории инфляции, которая в настоящее время принята большинством космологов, неоднородность Вселенной объясняется «раздутием» квантовых флуктуаций во время ее расширения. Подробнее про этот процесс можно прочитать в нашем материале «Инфляция космических масштабов».
Кроме того, из-за комптоновского рассеяния фотонов на атомах движущейся среды реликтовое излучение оказалось поляризовано — колебания векторов электрического и магнитного поля приобрели выделенные направления, которые меняются от точки к точке. Получившееся в итоге векторное поле можно схематически представить, отмечая стрелкой направление и величину вектора поляризации в каждой точке неба или рисуя силовые линии — кривые, которые касаются направлений в каждой своей точке.
Наряду с неоднородностями вещества, теория инфляции предсказывает, что в молодой Вселенной должны возникать реликтовые гравитационные волны. Когда эти волны распространяются в среде, они ускоряют и замедляют ее атомы — а в результате комптоновского рассеяния фотоны реликтового излучения «чувствуют» это движение, и поляризационная картина изменяется. Когда гравитационных волн нет, поле поляризации напоминает электрическое — другими словами, его можно представить как результат статического распределения зарядов. Такой тип поля называют E-модой. В противном случае на картину накладываются B-моды — векторные поля, совпадающие с магнитным полем некоторой системы постоянных токов. Сравнивая величину B-мод и E-мод, наблюдаемых в реликтовом излучении, можно проверить этот эффект и подтвердить теорию инфляции. Подробнее про измерение амплитуды B-мод можно прочитать в статье «Реликтовые гравитационные волны: последний штрих в картине происхождения Вселенной?».
Тем не менее, такие измерения надо проводить очень осторожно, поскольку на реликтовое излучение может накладываться излучение, которое рождается в совершенно других процессах и напоминает искомые B-моды. Дополнительно осложняет ситуацию тот факт, что амплитуда B-мод очень мала, и зарегистрировать их сложно. Впервые о регистрации B-мод заявила в 2014 году группа BICEP2 — однако последовавшие наблюдения спутника «Планк», имеющие более высокую точность и выполненные в другом диапазоне частот, показали, что сигнал можно практически полностью списать на излучение межзвездной пыли, которое имеет такую же поляризацию. Несмотря на то, что астрономы выбрали сравнительно «чистый» участок неба, даже небольшого количества хватило для «засветки» данных. Чтобы убрать эту «засветку», надо, во-первых, более точно измерить спектр микроволнового излучения, а во-вторых, разработать теоретическую модель, которая будет давать правильные предсказания для сигнала пыли. И хотя в ближайшее десятилетие чувствительность экспериментов должна вырасти примерно в сто раз, существующие модели не позволяют точно оценить вклад пыли в B-моды.
В новой статье физики Алексей Крицук (Alexei Kritsuk), Рафаэль Флогер (Raphael Flauger), и Сергей Устюгов (Sergey Ustyugov) представили результаты численного моделирования, которые согласуются с результатами наблюдений BICEP2 и «Планк» и позволяют подробно проследить, как спектр излучения пыли меняется со временем. В отличие от предыдущих работ, ученые не использовали феноменологические модели и не делали приближений, касающихся состояния пыли, но работали напрямую с уравнениями магнитной гидродинамики (magnetohydrodynamics, MHD), допускающими существование горячей нестабильной плазмы (на которую приходится более 90 процентов объема) наряду с холодным и молекулярным газом (составляющими около половины массы пыли).
Разработанная физиками программа имитировала состояние межзвездной среды в окрестностях солнечной системы и уже использовалась авторами ранее для исследования межзвездных турбулентностей. На этот раз исследователи смоделировали эволюцию пыли, помещенной в куб со стороной 200 парсек, в течение 30 миллиардов лет, и рассчитали зависимости для плотности, скорости, давления и вектора магнитной индукции. Затем ученые связали найденные параметры с интенсивностью электромагнитных волн, излучаемых пылью, а также рассчитали для них параметры Стокса. Наконец, зная эти параметры, исследователи нашли направление и величину вектора поляризации в каждой точке рассматриваемого объема, построили карту поляризации и вычислили спектр возникающих E-мод и B-мод.
В результате ученые обнаружили, что рассчитанный и измеренный обсерваторией «Планк» спектр, а также отношение амплитуд мод совпадают в широком диапазоне частот. В то же время, моделирование выявило некоторые тонкие детали, которые нельзя было заметить напрямую. Например, оказалось, что видимое отношение амплитуд E/B зависит от того, с какой стороны наблюдатель смотрит на газ: в плоскости, перпендикулярной оси среднего магнитного поля E/B ≈ 1,7, а в параллельной плоскости E/B ≈ 1,9. При уменьшении напряженности поля эта разница сглаживается. Измерения спутника «Планк» дают значение E/B ≈ 1,92. Правда, пока еще нельзя с уверенностью сказать, как направлено поле в исследованной области — для надежности нужно собрать данные в более широком диапазоне частот, чтобы заметить, как отношение уменьшается на более широких частотах, и подтвердить, что статистически значимое отклонение действительно есть.
Авторы статьи надеются, что результаты их трехмерного моделирования помогут в будущем построить более точную теоретическую модель, выделяя наиболее важные вклады в поляризацию излучения межзвездной пыли. Кроме того, эта работа показывает, как информацию о состоянии межзвездной пыли, которая практически невидима для телескопов, можно получить с помощью измерений микроволнового фона.
Как и все взаимодействия, теоретически гравитацию можно проквантовать, и тогда распространение гравитационных волн и притяжение тел будет описываться с помощью гравитонов — гипотетических частиц со спином, равном двойке (то есть это тензорные частицы). Число этих частиц, родившихся во время Большого взрыва и заполняющих наблюдаемую Вселенную, можно оценить по величине тензорных возмущений (B-мод) в реликтовом излучении — например, по расчетам физика-теоретика Дона Пейджа в видимой Вселенной может находиться до 10112 гравитонов, что на двадцать порядков больше числа «обычных» частиц. Правда, в своих расчетах физик использовал результаты спутника «Планк», ограничивающие отношение амплитуд тензорных и скалярных возмущений во время инфляции величиной r < 0,1. Эта величина вычисляется по флуктуациям спектра реликтового излучения, а не по его поляризации; тем не менее, результаты новой статьи независимо показывают, что эта оценка, а вместе с ней и число гравитонов, могут быть завышены. Кроме того, нужно помнить, что теорию квантовой гравитации до сих пор так и не построили, а экспериментальное подтверждение существования гравитонов ученые пока не нашли.
Дмитрий Трунин
Какую физику несут на себе маркерные доски из игры Control
Мнение редакции может не совпадать с мнением автора
Есть такая вещь — профдеформация. В моем случае она приняла довольно необычную форму. В марте у меня вышел материал, в котором я разобрал содержание маркерных досок в интерьерах института Black Mesa из ремейка первой части Half-Life. Досок в игре больше тридцати, на их исследование у меня ушло довольно много времени и сил. С тех пор я замечаю доски везде — и в мире реальном, и в мире виртуальном — и начинаю их внимательно изучать. Например, когда у меня случилась командировка в новосибирский Институт ядерной физики имени Будкера, я пристально рассматривал местные доски, вместо того чтобы слушать о том, как работает тамошний электрон-позитронный коллайдер. А вернувшись домой, я поставил Control. Этот шутер от третьего лица, разработанный финской студией Remedy Entertainment, рассказывает историю простой (но на самом деле не совсем) девушки Джесси, которая внезапно становится директором Федерального Бюро Контроля — секретной правительственной организации, которая занимается поиском, изучением и контролем за сверхъестественными предметами и явлениями. Новая должность открывает для нее связи с неким потусторонним управляющим органом под названием Совет, о котором нам мало что известно. Его символизирует черная перевернутая пирамида, с которой Джесси регулярно будет взаимодействовать. Игра вдохновлена коллективным творчеством людей из проекта SCP Foundation, который возник в темных глубинах имиджбордов лет 15 назад (а то и больше) и продолжает пополняться новыми записями по сей день. В «Контроле» значительную часть персонала Бюро составляют ученые. А где ученые, там должны быть лаборатории, а внутри, естественно, должны быть доски, на которых что-то написано. Лаборатории и доски по мере прохождения игры ты действительно встречаешь здесь и там. Правда, есть несколько странностей. Львиная доля непустых досок посвящена физике или математике. Причем физика там встречается весьма современная — это мы с вами еще увидим. Вместе с тем, в локациях почти невозможно найти хоть какой-нибудь физический прибор, повсюду только камеры да антенны. Более того, игровая вселенная дает технологиям в Бюро ограничение сверху: приборы и гаджеты не должны быть совершеннее, чем оборудование, бывшее в ходу в 1970-е годы. Это якобы связано с особенностями Старейшего дома — здания с паранормальными свойствами, в котором расположено Бюро. Странным также кажется отсутствие биологических досок, хотя этому аспекту происходящего уделяется в игре довольно много времени. Все маркерные доски в Control можно разбить на три группы: пустые доски, доски с ненаучным — сюжетным — содержанием, доски с физикой/математикой. Вторая категория интересна тем, что каждая такая доска есть только в одном экземпляре и все они содержательно связаны с местами, в которых установлены. Их чтение позволяет глубже проникнуть в сюжет и законы игрового мира. Научные же доски, напротив, повторяются из локации в локацию, а также не имеют отношения к тому, в каком месте стоят. По сути, как и пустые доски, это просто элементы интерьера. Их всего десять. Как я искал доски Поначалу я фиксировал местоположение в игре каждой уникальной доски с научным содержанием, но в конечном итоге просто обратился к ресурсам игры, распаковав их с помощью вот этой программы. Именно эти текстуры, конвертированные в графический формат, представлены ниже. Помимо этого, я пытался взять комментарий у людей, имевших отношение к созданию игры. Remedy мне не ответили, зато откликнулся один из сотрудников российской студии Blacksteinn, который участвовал в разработке в статусе Texture Artist. Увы, именно досками он не занимался и помочь мне не смог. В конечном итоге цепочка оборвалась на украинской студии Room 8, которые также работали над игрой. На момент написания этого текста ответ от них я так и не получил. Поэтому высококачественных исходников досок, в отличие от прошлого раза, добыть не удалось. Но качество изображений хотелось все же улучшить. Поскольку я профан в этом деле, я напрямую спросил у ChatGPT, на каком сайте можно бесплатно сделать апскейл изображений низкого разрешения с рукописным текстом. Бот посоветовал мне ресурс, который использует программный пакет с замечательным названием waifu2x. «Он был изначально разработан для увеличения разрешения аниме-изображений, но также хорошо работает с рукописными текстами», — написал мне бот. Не соврал. Чтобы увидеть улучшенное изображение, нажмите на лупу во время просмотра картинок. Доски Эта доска состоит из двух частей. В верхней части приведены параметры магнитооптического и зеемановского замедлителей, используемых в ловушках для атомов рубидия. В этом легко убедиться, если открыть диссертацию французского физика Лукаса Бегина, откуда они были переписаны от руки (см страницу 45). Лукасу я написал письмо, но ответа так и не получил. Отличаются лишь подписи к параметрам: «MOT parameters» и «Zeeman parameters» заменены на «control parameters» и «triangle parameters». Эти термины не имеют отношения к атомным ловушкам, их скорее можно встретить в работах по численным вычислениям. Впрочем, здесь едва ли имеет смысл копать так глубоко: слово control — одно из самых главных в словаре игры, а triangle может быть отсылкой к черной перевернутой пирамиде. В нижней части изображен рисунок к хрестоматийной задаче механики о скольжении бруска по наклонной плоскости. Его можно встретить практически в любом пособии или учебнике. Самая первая схема иллюстрирует перемещение материальной точки в декартовой системе координат из точки e в точку a по прямой; приведены формулы для векторов скорости и ускорения в дифференциальном виде. Это все простая механика, а точнее — кинематика. Все остальное не имеет очевидного или однозначного отношения к физике. Кое-что, однако, можно сказать про список имен. Это сотрудники Remedy, которые делали дизайн уровней. Я списался с, как мне показалось, руководителем этой команды, Масао Огино, но он ответил, что текстурами занимались другие люди — кто именно, он не вспомнил. Для этой доски авторы перерисовали картинку из вот этой статьи в Communications Physics. Эта статья также посвящена охлаждению атомов рубидия, однако она напрямую не связана с диссертацией выше, а их авторы не работали вместе. В этом исследовании физики изучали наведенный светом магнетизм в атомах, запертых в узлах оптической решетки. Авторы статьи ответили, что не знали об использовании их работы в игре, но в целом были обрадованы этим фактом — особенно те, что помоложе, — а руководитель группы даже похвастался моей находкой у себя в твиттере. Слева приведена школьная таблица производных от обратных тригонометрических функций. В англоязычных источниках их часто обозначают через минус первую степень. Система выражений справа имеет более специфичную природу. Это формула для функции оптических потерь звездной короны в зависимости от ее температуры, взятая, по-видимому, отсюда. Зависимость выглядит довольно причудливой; на соответствующий график можно посмотреть здесь. Картинка снизу выглядит как иллюстрация к простой кинематической задаче. Ее источник мне найти не удалось. Еще один образец научной дизайн-эклектики. Слева мы видим рисунок, который встречается в уже знакомой нам диссертации Лукаса Бегина, — это схема фиксации атомов в луче света. Справа — выражения и график, описывающие пульсацию в выпрямителе напряжения. Целиком этот кусок можно найти на сайте с вопросами для инженеров-электриков, а также в отрывке какого-то учебника (какого конкретно — мне выяснить не удалось). Снизу — тоже электрические цепи, но уже более простого уровня. Удивительно, где я нашел источник этого изображения — это кадр из YouTube-видео (на 65 секунде), на котором разбирается школьная задача о последовательном и параллельном соединении конденсаторов. Я не сразу нашел источник этого изображения, но все-таки выяснил, что изначально оно было создано разработчиками или дизайнерами Ziteboard — кроссплатформенной интернет-доски. С помощью математических выкладок они демонстрировали работоспособность их детища. Человек с ником Skalkaz выложил некоторые из них в Викимедию, откуда, по видимому, их взяли работавшие над Control люди (ниже будет еще одна такая доска). Этим человеком оказался один из членов команды Ziteboard (вероятно, даже руководитель, кстати, физик по образованию). Он очень удивился использованию своих артов и был польщен. Skalkaz обещал, что найдет время, чтобы пройти игру и найти в ней свои доски. Формулы сверху слева описывают окислительно-восстановительный процесс, в котором медь растворяется, а серебро, наоборот, выпадает в осадок. Если захочется подробнее почитать об этом, источник вот в этом онлайн-справочнике. Ниже — школьные формулы для физики волн с чьей-то презентации, есть тут. Справа виднеются формулы для верхней (UCL) и нижней (LCL) контрольных границ. Эти величины вводят в теории управления различными процессами. Там они нужны, чтобы контролировать параметры этих самых процессов (смотрите, опять control). В таком виде формулы встречаются во множестве мест, например здесь. Последний рисунок — иллюстрация к дифракции на щели. Его можно найти в учебном пособии Бостонского университета. Слева приведена таблица некоторых ядерных превращений и количество энергии, которая при этом образуется. Целиком таблицу можно увидеть в справочнике университета штата Джорджия (нужен VPN). В правой части иллюстрация к явлению конструктивной интерференции волн. В самом начале нас встречает выражение для гамильтониана множества взаимодействующих частиц в координатном представлении, записанное в общей форме. В таком виде его можно встретить во множестве учебников по квантовой механике, например, здесь. Ниже мы видим стационарное уравнение Шрёдингера для массивной частицы в некотором потенциале. Ошибка в фамилии великого физика (Shrodinger вместо Schrödinger) существенно сужает поиск источника: формула взята либо отсюда, либо из этого видео. Наконец, справа размещено очень громоздкое дифференциальное уравнение второго порядка. Его источник найти не удалось, но, судя по обозначениям, это часть какой-то задачи из релятивистской квантовой механики электрона — похожие обозначения можно найти тут. Это вторая доска, позаимствованная у Ziteboard. Ее можно найти на Викимедии, погуглив вместе слова «typical», «mathematical» и «whiteboard». Подозреваю, что именно таким путем эта и шестая доски попали в игру. Комментируя эту гипотезу, Skalkaz отметил, что много лет назад он выбирал такое название для файлов из SEO-соображений и теперь рад, что не прогадал. Помимо обычной перестановки формул и графиков авторы текстуры сделали еще одно небольшое изменение. Обратите внимание на левый верхний угол: в отрывке, посвященному формированию дождя, оригинальная гора была заменена на прямоугольную конструкцию с синей точкой внизу. Осмелюсь предположить, что конструкция — это тот самый Старейший дом, прототипом которого стало здание по адресу Нью-Йорк, Томас-Стрит, 33. В этом случае синяя точка может быть Розовым Фламинго — предметом с паранормальными свойствами, который способен вызывать дождь. Что-то еще? Да. Кроме маркерных досок в игре можно найти классические меловые. Все три — уникальные и встречаются только раз. Одна из них имеет сюжетное наполнение, другая содержит шифр, разгадав который, первые три игрока могли получить бесплатную цифровую копию музыкального альбома группы «Socks and Ballerinas». Третья же доска имеет несколько более глубокое научное содержание. На ней изображена одна из реакций синтеза метамфетамина. Надпись «BLUE» подсказывает, что это отсылка к сериалу Breaking Bad, герои которого занимались изготовлением голубого метамфетамина. Эту пасхалку подтверждает и антураж лаборатории, в которой висит доска. Кроме досок, кое-какую научную информацию можно найти на разнообразных тетрадных листках и блокнотах. Здесь по большей части электротехника, связанная с записью на магнитные ленты и передачей аналоговых сигналов. На втором листке внизу можно заметить шкалу звуковых волн. Это, кстати, единственная физика, хоть как-то связанная с сюжетом игры. Согласно ему, в Старейший дом проникают враждебные силы, имеющие акустическую природу — как ни странно, надписи на белых маркерных досках практически ничего нам об этом не говорят. Последнее, что есть научного в текстурах игры, это небольшие блокнотные зарисовки. Что в итоге? Несмотря на свою схожесть, маркерные доски в Control и Black Mesa сильно отличаются по своей роли и организованности. Здесь они никак не связаны ни с сюжетом, ни с помещением, в котором их может найти Джесси. Они гораздо более эклектичны и собирают порой физику и математику совсем разных областей и уровней. Наконец, они не уникальны и повторяются. Причина, по которой все они имеют физико-математическую направленность, остается загадкой. Любопытно также, почему сложность содержания варьируется от школьных задач до фундаментальной квантовой теории. Вполне вероятно, что это эхо работы над предыдущей игрой Remedy — Quantum Break, где физике уделено гораздо больше сюжетного времени. Надеюсь, в будущем я найду время рассказать вам и про этот шутер.