Опубликована 3D-модель реликтового излучения Вселенной для печати

в 13:37, , рубрики: 3D-печать, stl, астрономия, реликтовое излучение, теория большого взрыва, метки:

Опубликована 3D-модель реликтового излучения Вселенной для печати - 1

Не знаете, чем украсить рабочий стол? Как вам такой вариант: маленькая копия ранней Вселенной. А именно, сферы реликтового излучения — заполняющего Вселенную микроволнового фонового излучения, возникшего в эпоху первичной рекомбинации водорода.

Это не просто красивый сувенир, а научно выверенная модель, составленная по данным космической обсерватории «Планк». Её можно использовать как учебное пособие. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.

Согласно теории Большого взрыва, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму из электронов, протонов и фотонов. В этой плазме фотоны постоянно излучались, сталкивались с другими частицами и поглощались. По мере расширения Вселенной космологическое красное смещение вызывало остывание плазмы, так что на определённом этапе замедлившиеся электроны стали соединяться с замедлившимися протонами, образуя первые во Вселенной атомы (этот процесс называется первичной рекомбинацией водорода). Это случилось примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, при температуре плазмы около 3000 °K.

С этого времени некоторые фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Реликтовое излучение — те древние фотоны, которые излучила плазма ранней Вселенной после Большого взрыва в сторону будущего расположения Земли. Спустя 13,8 млрд лет фотоны до сих пор идут к нам, потому что расширение Вселенной пока что продолжается.

Сейчас температура излучения составляет около 2,7 °K. Оно поступает со всех сторон практически равномерно.

Наблюдаемая Вселенная в преломлении через реликтовое излучение называется поверхностью последнего рассеяния. Это самый удалённый объект, который мы можем наблюдать.

Интересным феноменом реликтового излучения является его анизотропия, то есть неоднородность. В марте 2013 года специалисты Европейского космического агентства опубликовали самую подробную карту реликтового излучения, составленную по результатам сбора данных космической обсерваторией «Планк», начиная с 2009 года.

Опубликована 3D-модель реликтового излучения Вселенной для печати - 2

На этой карте чётко видны два странных явления. Первое — изменение амплитуды температур в двух половинах Вселенной.

Опубликована 3D-модель реликтового излучения Вселенной для печати - 3
Изменение амплитуды температур в двух половинах Вселенной

Второй феномен — необычно большое холодное пятно, хорошо заметное на карте. Раньше специалисты считали, что это ошибка измерения. Но обсерватория «Планк» предоставила более точную информацию, подтвердив эффект.

Опубликована 3D-модель реликтового излучения Вселенной для печати - 4
Сравнение разрешения астрономических спутников, регистрирующих реликтовое излучение

По мнению учёных, неравномерность реликтового излучения — температурные флуктуации — объясняется колебаниями плазмы в крошечной ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва.

Традиционно температурные флуктуации отображаются областями разного цвета. Например, самые горячие области — красным, а самые холодные — синим. Эти области проецируются на плоскую карту с помощью стандартной стереографической проекции. Были попытки создать компьютерные 3D-модели сферы реликтового излучения, которые пользователь мог вращать и рассматривать на экране. Но в этом случае информация об анизотропии передавалась по тому же визуальному принципу через цветовую шкалу.

Магистранты кафедры физики Имперского колледжа Лондона предложили новый способ визуализации при помощи 3D-печати. На спроектированной ими сфере реликтового излучения области разных температур ощущаются не только визуально, но и тактильно. По их мнению, портативная сфера реликтового излучения, которую можно взять в руку, имеет ряд преимуществ в учебной и научной работе, а особенно полезна для людей с нарушениями зрения.

Раньше 3D-печать уже применяли для визуализации математических функций и результатов моделирования сложных систем.

Опубликована 3D-модель реликтового излучения Вселенной для печати - 5
Треугольник Пенроуза — одна из невозможных фигур, которую попытались распечатать на 3D-принтере Книлл и Славковски, авторы научной работы «Иллюстрация математики с помощью 3D-принтеров»

Сфера реликтового излучения — ещё один пример полезного применения 3D-печати для научных целей. Для преобразования научных данных космической обсерватории «Планк» в формат STL молодые британские учёные использовали программы MeshLab, Cura, Blender!, Netfabb и другие.

Научная работа опубликована в журнале European Journal of Physics (doi: 10.1088/0143-0807/38/1/015601).

Файлы для печати выложены отдельно на научном хостинге Zenodo.

128_scaled.stl — STL-файл для печати монохромной версии (исследователи использовали принтер Ultimaker).
cmbhollow.wrl — VRML-файл для окрашивания изделия в ZPrinter.

Опубликована 3D-модель реликтового излучения Вселенной для печати - 6

Аналогичный метод подходит для визуализации других научных данных, в том числе результатов астрономических наблюдений. Например, для печати топографических карт планет, моделей поверхностей и внутренней структуры звёзд, распределения звёзд в галактиках, распределения вещества в масштабной модели Вселенной. В каком-то смысле данную работу можно рассматривать как первый концептуальный образец для большого количества потенциальных вариантов использования.

Автор: alizar

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля