- PVSM.RU - http://www.pvsm.ru -

Опубликована 3D-модель реликтового излучения Вселенной для печати

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 [1] — 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 [2]». 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 [3], 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 [4]. 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 [5]. 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 [6] и результатов моделирования сложных систем [7].

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 [8]»

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 [5] в журнале European Journal of Physics (doi: 10.1088/0143-0807/38/1/015601).

Файлы для печати выложены отдельно [9] на научном хостинге [10] Zenodo.

128_scaled.stl [11] — STL-файл для печати монохромной версии (исследователи использовали принтер Ultimaker).
cmbhollow.wrl [12] — 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 [13]


Сайт-источник PVSM.RU: http://www.pvsm.ru

Путь до страницы источника: http://www.pvsm.ru/3d-pechat/203770

Ссылки в тексте:

[1] реликтового излучения: https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background

[2] Планк: http://sci.esa.int/planck/

[3] самую подробную карту реликтового излучения: https://habrahabr.ru/post/173841/

[4] стереографической проекции: https://ru.wikipedia.org/wiki/Стереографическая_проекция

[5] новый способ визуализации при помощи 3D-печати: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0143-0807/38/1/015601

[6] визуализации математических функций: https://arxiv.org/abs/1306.5599

[7] результатов моделирования сложных систем: http://iopscience.iop.org/article/10.1209/0295-5075/104/48001/meta

[8] Иллюстрация математики с помощью 3D-принтеров: https://arxiv.org/pdf/1306.5599v1.pdf

[9] выложены отдельно: https://zenodo.org/record/60215

[10] хостинге: https://www.reg.ru/?rlink=reflink-717

[11] 128_scaled.stl: https://zenodo.org/record/60215/files/128_scaled.stl

[12] cmbhollow.wrl: https://zenodo.org/record/60215/files/cmbhollow.wrl

[13] Источник: https://geektimes.ru/post/281974/