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


  • Судя по многочисленным публикациям, посвященным современной астрофизике, она находится на подъеме. Положение дел даже сравнивают с революционной ситуацией, сложившейся в физике в начале прошлого века. Но если тогда истина рождалась в спорах, сейчас новые понятия проникают в астрофизику практически без сопротивления. При этом ключевые положения старой теории, вместо того, чтобы обрести окончательную ясность, заменяются наборами гипотез. Современный астрофизик подробно объяснит, что такое космологический вакуум или антигравитация, но на вопрос о происхождении галактик даст расплывчатый ответ, включающий несколько возможных сценариев.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • За последнее время вблизи Земли пролетели несколько сравнительно крупных небесных тел. Сильную тревогу вызвало в 1936 г. прохождение астероида Адонис на расстоянии около 2 млн. км от Земли. А настоящую панику вызвал в 1937 г. астероид Гермес, имеющий диаметр ≈1,5 км, промчавшийся лишь на расстоянии 800 тыс. км от Земли (удвоенное расстояние до Луны). Позже (в 1992 г.) большой ажиотаж был связан с приближением к Земле малой планеты Тоутатис. Астероид диаметром около полукилометра пролетел мимо Земли 19 мая 1996 г. на расстоянии всего 450 тыс. км.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Однако сторонники потоков воды провели всестороннее исследование гипотезы о жидкой углекислоте и других средах. Были детально рассмотрены практически все ее аспекты и сделаны убедительные выводы. Например, в аккуратной работе Стьюарта и Ниммо, вышедшей в 2002 году, результаты сформулированы следующим образом: «Мы нашли, что ни конденсированный CO2, ни клатраты CO2 не могут быть накоплены в коре Марса в достаточных количествах... Таким образом, мы заключаем, что овраги не могут быть образованы жидким CO2. В свете этих результатов потоки жидкой воды остаются предпочтительным механизмом формирования свежих протоков на поверхности».


  • 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.



  • ...Теперь вы должны быть предельно внимательны. Следующие несколько секунд окажутся решающими, поэтому вы включаете высокоскоростную регистрирующую систему для детальной записи всех приходящих сведений. Через 61 с R3D3 сообщает, что все системы пока функционируют нормально, горизонт - на расстоянии 8000 км и приближается со скоростью 15 тыс. км/с. Проходит 61,6 с. Еще все в порядке, до горизонта осталось 2000 км, скорость - 30 тыс. км/с (или 0,1 скорости света, так что цвет излучения начинает меняться все заметнее). А затем, в течение следующей 0,1 с вы с изумлением замечаете, что излучение из зеленого становится красным, инфракрасным, микроволновым, затем приходят радиоволны и наконец все исчезает. Через 61,7 с все кончено - лазерный луч пропал. R3D3 достиг скорости света и исчез за горизонтом.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Итак, знакомимся с действующими лицами драмы. Коричневый карлик 2M1207 спектрального класса M8 (его можно увидеть хорошо вооруженным глазом в созвездии Центавр) и его небольшой компаньон — планета 2M1207b. Последняя уже несколько лет как мучает ученых своими загадками. И вот теперь новейшее исследование позволило предположить: странные особенности данного объекта объясняются тем, что он рожден в результате совсем недавнего столкновения двух планет.



  • ...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


  • ...Среди прочих лептонов в 1936 году, среди продуктов взаимодействий космических лучей, был открыт мюон. Он оказался одной из первых известных нестабильных субатомных частиц, которая во всех отношениях, кроме стабильности, напоминает электрон, то есть имеет тот же заряд и спин и участвует в тех же взаимодействиях, но имеет бóльшую массу. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. На долю мюона приходится значительная часть фонового космического излучения, которое регистрируется на поверхности Земли счетчиком Г. Гейгера...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • ...Пока ваш звездолет выбирается из гравитационной ловушки Гаргантюа, вы строите планы возвращения домой. К тому моменту, когда вы достигнете Млечного Пути, Земля станет на 2,4 млрд. лет старше, чем во время вашего старта. Изменения в человеческом обществе будут настолько велики, что вы не испытываете особого желания возвращаться на Землю. Вместо этого вы и команда звездолета решаете освоить пространство вокруг какой-нибудь подходящей вращающейся черной дыры. Ведь именно энергия вращения дыры в квазаре 8C 2975 позволяет квазару «проявить себя» во Вселенной, поэтому энергия вращения дыры меньших размеров может стать источником энергии для человеческой цивилизации.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Юпитер называют планетой загадок. В статье высказывается гипотеза о причинах феномена «горячих теней» — наиболее таинственного и малоисследованного процесса, наблюдаемого в атмосфере гигантской планеты.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3