Галактики. Темная энергия. Теплая материя

Сб, 09/13/2014 - 12:54

Карта окрестностей Млечного пути. Показаны 19 его спутников.
J.Bullock, M.Geha & R.Powell

Три спутника Млечного Пути — Уилман-1 (W1), вторая карликовая галактика в созвездии Льва (Leo II) и карликовая галактика в созвездии Печи (Fornax). Несмотря на разительные отличия внешнего вида, 25-кратную разницу линейных масштабов и 10 000-кратную разницу в светимости, у всех этих галактик масса — около 10 миллионов масс Солнца. J.Bullock, M.Geha & R.Powell


Столкновение двух галактических скоплений MACSJ0025.4-1222 привело к отделению обычного межгалактического газа (показан красным), частицы которого остановились, от темной материи (показана синим), которая столкновения не заметила. Внизу — аналогичное скопление «Пуля». // NASA/ESA/CXC/M Bradac/UCSB/S Allen/Stanford

Галактика, в которой мы живем, — Млечный Путь — настоящий исполин по галактическим меркам. Среди галактик местной группы лишь Туманность Андромеды может тягаться с нашим домом по количеству звезд, размерам и массе. Однако сферы влияния гигантов давно поделены, и нашу галактику окружают десятки, а может, и сотни галактик-спутников.
Сейчас известны по крайней мере 23 спутника нашей галактики. Некоторые из них светятся, как миллиарды солнц, и жителям Южного полушария нашей планеты отлично знакомы Магеллановы облака — крупнейшие спутники нашей Галактики, не заметить которые на ночном небе невозможно даже невооруженным глазом.

В самых крохотных же спутниках едва набирается несколько тысяч звезд, и непосредственно увидеть их не получится даже через самый крупный телескоп. Звезды этих карликов просто теряются на изображении среди мириад светил нашей Галактики. В таких случаях астрономам приходится восстанавливать трехмерную структуру всего звездного поля, и иногда они с удивлением обнаруживают, что рассыпанные по полю зрения звезды на деле находятся далеко за границей Млечного Пути, превращаясь вдруг в карликовую галактику.

У галактик обнаружилась минимальная масса — какой бы крохотной на вид она не казалась, она не может быть легче 10 миллионов масс Солнца. Весь недобор звездной массы компенсирует темная материя, свойства которой благодаря этому открытию стали чуть яснее

Благодаря огромному массиву данных Слоановского цифрового обзора неба (SDSS) и возросшей мощности компьютеров и алгоритмов делать это в последние годы стало проще, и половина упомянутых выше 23 спутников Млечного Пути открыта именно таким образом. Приятно отметить, что большая их часть обнаружена выпускниками Московского университета Василием Белокуровым и Сергеем Копосовым, работающими сейчас в Великобритании и Германии. Недавно им и их коллегам удалось найти даже крохотную галактику, сопровождающую другой карлик в его движении вокруг Млечного Пути.

Ученые под руководством Луиса Стригари из Калифорнийского университета смогли измерить массы 18 спутников нашей Галактики. Самые крупные из сателлитов — например, Большое и Малое Магеллановы облака — в список Стригари и его коллег не попали: о них все давно известно. Однако и те 18 галактик, что остались, невероятно разнообразны. Например, самый яркий спутник в этом списке — карликовая галактика в созвездии Печи — светится, как 20 миллионов солнц. Светимость же самой скромной галактики — Уилман-1, находящейся в созвездии Большой Медведицы, — не дотягивает даже до тысячи солнечных.

Тем не менее масса таких разных спутников оказалась одинаковой — 10 миллионов масс Солнца. Разброс значений — всего в полтора-два раза в ту и другую сторону, и это при разнице светимостей на 4 с лишним порядка!

Если быть более строгим, в работе измерялась полная масса вещества в радиусе 300 парсек (примерно тысячи световых лет) от центра галактики, то есть речь скорее идет о средней плотности в центре, а не, собственно, массе. Тем не менее мы, вслед за астрономами, будем говорить именно о массе, не забывая значение этой меры.

То обстоятельство, что галактики весят куда больше всех входящих в них звезд и газа, уже полвека не удивляет астрономов. Большая часть массы в нашей Вселенной — это так называемое темное вещество, или темная материя. Более того, считается, что если бы не эта загадочная материя, физическую природу которой пока никто не знает, галактики, как мы их знаем, вообще не смогли бы образоваться — силы притяжения их вещества не хватило бы, чтобы собрать на себя достаточно газа и сформировать звезды.

Не новость и то обстоятельство, что в карликовых галактиках доля темной материи гораздо больше. Эта тенденция давно подмечена: например, в гигантском Млечном Пути темной материи примерно 90%, а в карликовых галактиках ее доля зашкаливает за 99%.

Самый интересный результат — это именно измерение минимальной массы галактики. Поскольку Стригари и его коллеги изучали самые хиленькие карликовые сфероидальные спутники Млечного Пути, можно считать, что то значение, которое они нащупали, — и есть тот самый минимум. Ученые даже проверили, не может ли значение массы галактик, которое они измерили по скорости движения звезд в них, быть искажено влиянием Млечного Пути. Никаких признаков тому найти не удалось, а значит, скорее всего, галактик легче 107 масс Солнца действительно нет.

Это минимальное значение может пролить свет на три вещи: процессы образования звезд и галактик, природу темной материи и законы гравитации.

И если среди физиков найдется совсем немного сомневающихся в необходимости уточнять законы гравитации, то каждая крупица знаний о звездообразовании или физической природе темной материи — на вес золота. Звездообразование — слишком сложное явление, в которое одновременно вовлечены столько физических процессов, что не то что описать аналитически, но даже тупо смоделировать все их подробности в памяти компьютера пока не удается. Природа же темной материи — вообще тайна за семью печатями. Из каких частиц она состоит, каковы их свойства, почему они не взаимодействуют с обычным веществом иначе как через силу тяготения и взаимодействуют ли частицы темной материи друг с другом — все это совершенно не известно.

Если исключить вариант с изменением законов гравитации в таких масштабах, то из существования минимальной массы галактик можно сделать два альтернативных вывода. Либо в скоплениях темной материи меньших масс не образуются звезды, и эти «галактики» так и остаются темными, либо сгустков темной материи легче 10 миллионов солнечных масс просто нет.

И тот, и другой вариант, с точки зрения современной физики, не исключены и грубо соответствуют теориям так называемых холодной и теплой темной материи. (Последнюю не надо путать с горячей темной материей, от которой ученые отказались в 80–90-х годах прошлого века.)

Теория холодной темной материи предполагает, что частицы, ее составляющие, достаточно массивны и движутся с очень небольшими скоростями. Такая темная материя может образовывать сгустки самых разных масс, причем происходит это последовательно и иерархически. Сначала образуются микрогало, масса которых меньше земной, потом они собираются в кучки, те — в группы и так далее вплоть до масс карликовых галактик. Карликовые галактики, притянув на себя газ из обычного вещества, собираются в галактики полноценные, те за миллиарды лет сливаются в гигантские спиральные образования вроде Млечного пути или Туманности Андромеды, а эти гиганты уже сливаются в массивные эллиптические галактики, вокруг которых к тому времени уже скапливаются огромные скопления галактик.

Тот факт, что мы не видим галактик массой менее 107 солнечных масс, с точки зрения этой теории означает, что для запуска процесса звездообразования необходимо набрать не меньшее количество массы в пределах одного сгустка темной материи. Такое объяснение очень хорошо согласуется с другим наблюдательным фактом: первые звезды в нашей Вселенной возникли, судя по всему, примерно через 100 миллионов лет после Большого взрыва, давшего ей начало. До этого момента наш мир наполнял по большей части нейтральный водород, а после атомы в межгалактическом пространстве распались на отдельные ядра и электроны — как говорят астрономы, произошла реионизация.

И именно через 100 миллионов лет после Большого взрыва, в соответствии с теорией холодной темной материи, должны были появиться первые сгустки материи массой в 10 миллионов масс Солнца (точнее, определенной плотности, смотрите выше). Тем не менее такое совпадение нельзя воспринимать, как прямое подтверждение варианта с холодной темной материей. Во-первых, никто не гарантирует, что реионизацию вызвали именно звезды, а не квазары, к примеру. Кроме того, чтобы уверенно говорить о чем-то в данном случае, неплохо бы сначала все-таки понять, почему для появления звезд нужны именно сгустки в 10 миллионов раз массивнее Солнца.

Для «теплой» темной материи наличие минимальной массы — прямое следствие из теории.

В этом случае предполагается, что темную материю образуют относительно легкие частицы, движущиеся с большими скоростями. Их быстрое движение просто не позволяет создавать стабильные сгустки небольших размеров — частицы проскакивают их быстрее, чем успевают почувствовать притяжение друг друга. При этом теория дает четкое соотношение между минимальной массой стабильных сгустков и массами отдельных частиц. Значению 107 масс Солнца соответствуют частицы с энергией покоя в несколько кэВ, то есть в сотню-другую раз легче электрона.

Как искать такие частицы в лаборатории — пока никто не знает. Ученые надеются увидеть следы появления частиц темной материи в данных, которые получит Большой адронный коллайдер (LHC). Тем не менее, он скорее «заточен» под тяжелые элементы холодной темной материи, чем под легкие элементы теплой. Так что там скорее удастся найти подтверждение холодной теории, которая, кстати, до сих пор остается общепринятой.

Не в пользу теории теплой материи и предварительные результаты эксперимента PAMELA на борту Международной космической станции.

Астрофизиков уже давно будоражат слухи, что этому прибору удалось найти избыток позитронов в составе первичных космических лучей. Наиболее естественное объяснение такому избытку — распад или аннигиляция частиц темной материи в центре нашей галактики, конечным итогом которого является образование электронов и позитронов. Поскольку электроны в сотни раз массивнее предполагаемых частиц теплой темной материи, образовываться из последних они не могут. Тем не менее, слухи об этих результатах остаются слухами, и из конференции в конференцию демонстрируя слайды, на которых виден этот избыток, авторы международного эксперимента отказываются что-либо публиковать…

Астрономы нашли в 5,7 миллиардах световых лет от Земли в направлении на созвездие Кита еще одно место на небе, где обычное вещество и темную материю можно увидеть по отдельности. Поскольку два вида вещества одинаково охотно участвуют в гравитационном взаимодействии, которое правит на астрономических масштабах, обычно они сваливаются в одну и ту же гравитационную яму и их очень трудно отделить друг от друга.

Различить два вида материи помогло столкновение двух гигантских галактических скоплений MACSJ0025.4-1222. Обычный газ — через прямое столкновение атомов друг с другом и через взаимодействие вмороженных в него магнитных полей затормозился в месте столкновения. Облака же темной материи, которые очень слабо взаимодействуют друг с другом, пролетели дальше, не заметив столкновения. Сами галактики, которые составляют лишь малую долю обычного вещества (межгалактический газ сильно разрежен, но занимает огромный объем), также по большей части пролетели мимо.

Несколько лет назад, в августе 2006 года, был найден первый случай такого столкновения — скопление галактик 1E 0657-56 в созвездии Киля, известное теперь не иначе, как Bullet cluster, или «скопление Пуля».

Пронаблюдать месторасположения тех и других помогли наблюдения в рентгеновском и оптическом диапазонах. Межгалактический газ в скоплениях галактик ярко светится в рентгене, поскольку, падая в эту потенциальную яму, частицы сильно ускоряются и при столкновениях друг с другом разогреваются до температур в миллионы кельвинов. Именно это свечение, показанное на иллюстрации тонами красного, и зафиксировал орбитальный телескоп Chandra.

Обнаружить, где прячется темная материя, которая ничего не излучает, помогло явление гравитационного линзирования — искривления лучей света при их прохождении около массивных объектов. Измеряя с помощью оптического Космического телескопа имени Хаббла небольшие искажения формы галактик, расположенных за MACS J0025, астрономы под управлением Маруси Брадач из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (она же нашла и «Пулю») смогли выяснить распределение основной тяготеющей массы в скоплении; на иллюстрации она изображена синим.

Такие столкновения можно использовать не только для того, чтобы доказать существование скрытой материи; как показал пример «Пули», у сторонников альтернативных теорий находятся способы объяснить и эти случаи. Однако, приняв основную на данный момент теорию темной материи, можно попытаться из полученных данных о столкновении оценить силу взаимодействия между ее частицами. Пока точности наблюдений не хватает, чтобы установить ее значение — по этим данным, «темные» частицы могут взаимодействовать исключительно силой гравитации, признаков других сил, действующих между ними, не видно.

Другие материалы рубрики


  • Прошло без малого сто лет с того момента, как были открыты космические лучи-потоки заряженных частиц, приходящих из глубин Вселенной. С тех пор сделано много открытий, связанных с космическими излучениями, но и загадок остается еще немало. Одна из них, возможно, наиболее интригующая: откуда берутся частицы с энергией более
    1020 эВ, то есть почти миллиард триллионов электрон-вольт, в миллион раз большей, чем будет получена в мощнейшем ускорителе — Большом адронном коллайдере (LHC)? Какие силы и поля разгоняют частицы до таких чудовищных
    энергий?

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • ...Тесное сходство протона и нейтрона наводит на мысль, что здесь существует симметрия. И действительно, на ядерный процесс никак не отразится, если можно было бы заменить все протоны на нейтроны, или наоборот. Это свойство получило название — симметрия изотопического спина, или изотопическая симметрия. Название связано с тем, что ядра, отличающиеся только числом нейтронов, называются изотопами. Нынешнему состоянию Вселенной соответствует равное количество протонов и нейтронов, которые находятся в постоянном движении. Но какая причина вызывает эти движения и вообще изменения в природе?..

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • В своей ранней молодости Марс, похоже, подвергся удару, навсегда изменившему облик планеты. Объект размером с Плутон врезался в планету с севера, разделив ее на две половины — низкий север и высокий юг. Крупнейший кратер Солнечной системы сохранился до наших дней.



  • Наблюдения на рентгеновской обсерватории «Чандра» показали наличие большого числа маломассивных рентгеновских двойных звезд в эллиптических и линзовидных галактиках, а также в балджах — центральных сферических компонентах — дисковых галактик. Распределение источников по светимостям хорошо описывается двумя компонентами, граница между которыми соответствует светимости порядка (2-3) 1038 эрг/с. Т.к. эта величина примерно соответствует максимальной (т.н. Эддингтоновской) светимости объекта с массой 1.4 Мо, то возможно, что более мощные источники являются аккрецирующими черными дырами, а менее мощные — нейтронными звездами. Т.о. с некоторой долей уверенности можно говорить, что мы видим в галактиках ранних типов — эллиптических и линзовидных — тесные двойные системы как с черными дырами (самые яркие источники), так и с нейтронными звездами (менее яркие).



  • О спонтанном возникновении вещества из пустого пространства говорят как о рождении “из ничего”, которое близко по духу рождению ex nihilo в христианской доктрине. Для физики пустое пространство совсем не “ничего”, а весьма существенная часть Вселенной, а мысль о рождении самого пространства может показаться вообще странной. Однако в каком-то смысле это все время происходит вокруг нас. Расширение Вселенной есть не что иное, как непрерывное “разбухание” пространства. С каждым днем доступная современным телескопам область Вселенной возрастает на 1018 кубических световых лет. Здесь полезна аналогия с резиной. Если упругий резиновый жгут вытянуть, его “становится больше”. Пространство напоминает суперэластик тем, что оно, насколько известно физикам, может неограниченно долго растягиваться не разрываясь. Растяжение и искривление пространства напоминает деформацию упругого тела тем, что “движение” пространства происходит по законам механики точно так же, как и движение обычного вещества. В данном случае это законы гравитации. Квантовая теория в равной мере применима как к веществу, так и к пространству и к времени.
    Действительно, благодаря собственной физической природе Вселенная возбуждает в себе всю энергию, необходимую для “создания” материи — это есть космический бутстрэп (bootstrap — в переводе “зашнуровка”, в переносном смысле — отсутствие иерархии в системе элементарных частиц).



  • ...Несмотря на то, что идея коллапса кажется простой (при сжатии ядра выделяется энергия гравитационной связи, за счет которой выбрасываются внешние слои вещества), трудно понять процесс в деталях. В конце жизни у звезды с массой более 10 масс Солнца образуется слоеная структура, с глубиной появляются слои все более тяжелых элементов.
    Ядро состоит в основном из железа, а равновесие звезды поддерживается квантовым отталкиванием электронов.
    Но в конце концов масса звезды подавляет электроны, которые вжимаются в атомные ядра, где начинают реагировать с протонами и образовывать нейтроны и электронные нейтрино. В свою очередь, нейтроны и оставшиеся протоны прижимаются друг к другу все сильнее, пока их собственная сила отталкивания не начнет действовать и не остановит коллапс.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...Уходить от Солнца на еще большее расстояние, по подсчетам швейцарского астрофизика, нет смысла. Потому что в стадии красного гиганта Солнце пробудет всего несколько миллионов лет, а затем станет снова быстро сжиматься, превратится в белого карлика и начнет деградировать как источник энергии. И тогда Земле, чтобы получать достаточное количество тепла и света, понадобится орбита меньшая, чем сейчас у Меркурия. Но при таком приближении к светилу силы притяжения довольно скоро остановят вращение Земли вокруг ее оси. Планета будет повернута к Солнцу всегда одной стороной. Значит, жизнь на Земле быстро погибнет: на ночной стороне — от тьмы и холода, а на освещенной — от жары и губительного для всего живого ультрафиолетового и рентгеновского излучения, идущего от белого карлика.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Космические фонтаны из водяного льда, пара и смеси других веществ, поднимающиеся над равнинами луны Сатурна, давно интригуют специалистов. Не хотят сходиться уравнения, описывающие энергетику этого мира, столь удаленного от Солнца. Однако все встает на свои места, если учесть новое открытие: волнующая активность Энцелада по геологическим меркам — мимолетный эпизод.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Этот взрыв потряс не только часть Вселенной, но и земную астрономию! Громадная звезда вдруг стала сверхновой, и ее разорвало на куски с таким шиком, что даже бывалые астрономы заявили, что никогда такого не видали. А ведь должна была вести себя тихо-тихо. Ученые подозревают, что такое разрушительное событие может в любой момент повториться у нас прямо под боком. Возможно, даже завтра. Или прямо сейчас.



  • Варварские наклонности некоторых звезд иногда возмущают. Пока одни отнимают вещество у ближайших тел, другие поступают еще более нагло и жестоко. Они скидывают со звезд газопылевые диски, которые могли бы дать начало новой планетной системе, а то и новым формам жизни. Но не со всех, а лишь с тех, кто решается переступить опасную черту.