Астрофизические загадки, которые могут быть разгаданы в ближайшие 10 лет

 

Наука существует, пока существуют загадки. Конечно, мы уже очень много знаем о космосе, и число новых данных быстро растет — ежедневно появляется несколько десятков новых оригинальных статей по астрофизике. Но все равно остаются серьезные вопросы, на которые нет четкого ответа. Мы определили десять проблем физики космоса, решение которых может существенно дополнить или даже изменить картину мира. Над каждой из них работают ученые планеты, используя самое современное и дорогое оборудование.

1 Что такое темное вещество?

Эта загадка известна с 30-х годов прошлого века. Уже тогда швейцарский астроном Фриц Цвикки пришел к выводу, что реальная масса скоплений галактик гораздо больше, чем масса всего того, что можно было наблюдать в них непосредственно в телескопы. Все указывало на то, что в космосе кроме привычного для нас вещества есть еще нечто, обладающее массой, но нами невидимое. Эту загадочную субстанцию принято называть «темным веществом».

Вещество-невидимка составляет примерно 25% всей материи Вселенной. Проблема в том, что частицы темного вещества очень слабо взаимодействуют друг с другом и с обычным веществом. Настолько слабо, что это взаимодействие до сих пор никак не удавалось зафиксировать, — мы видим только результат гравитационного влияния этих частиц.

Сегодня даже консервативно настроенные ученые полагают, что в течение ближайшего десятилетия удастся «ухватить за бороду» час­тицы темной материи. Самое заманчивое — поймать их в лаборатории. Подобные эксперименты проходят в глубоких шахтах, чтобы уменьшить число помех из-за частиц космических лучей.

Оптимисты считают, что новые данные о темном веществе можно будет получить на ускорителях, например на Большом адронном коллайдере (LHC). Однако, на мой взгляд, это куда менее вероятно.

Сами астрофизики тоже не сидят сложа руки. Частицы темного вещества могут аннигилировать (по-простому — взаимоуничтожаться). В результате возникает гамма-излучение, а также появляются пары вполне «нормальных» частиц и античастиц, например электрон и позитрон. Астрономы с помощью наземных и космических устройств пытаются поймать гамма-сигналы и потоки античастиц, которые могут быть следами темной материи.
 

Некоторые инструменты

CDMS-2 (Cryogenic Dark Matter Search) — темное вещество ищут в специальной подземной обсерватории при очень низких температурах: чуть выше абсолютного нуля. Сейчас работы идут в штате Миннесота на глубине 600 метров. В 2007 и 2008 годах удалось зарегистрировать всего два события, которые можно истолковать как след темного вещества.

EDELWEISS-2 — европейская коллаборация по поиску темного вещества. Эксперимент начался в 2009 году и проходит в глубокой подземной лаборатории Модан в автомобильном тоннеле Фрежюс во Франции. Принцип поиска тот же, что и в предыдущем эксперименте.

H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) — международный проект, комплекс из четырех 12-метровых телескопов, начавший работу в 2004 году в Намибии. Инструмент предназначен для поиска источников частиц с энергией более 100 гигаэлектрон-вольт. Предполагается, что именно в этом диапазоне энергий удастся обнаружить свидетельства существования темного вещества.

MAGIC-2 (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cerenkov II) — гамма-телескоп, построенный на Канарских островах в 2009 году. Состоит из двух 17-метровых зеркал и весит более 600 тонн.

PAMELA — к Памеле Андерсон это не имеет никакого отношения. Речь идет о международном космическом проекте, в котором участвуют Россия (МИФИ, ФИАН и ФТИ РАН), а также Италия, Швеция, Германия и Индия. Аппаратура установлена на борту российского спутника «Ресурс» и уже выдала крайне интересный результат, связанный с избытком позитронов в сравнении с предсказаниями Стандартной модели. Некоторые исследователи как раз и связывают этот избыток с аннигиляцией частиц темной материи.

AMS — этот магнитный спектрометр разработан в ЦЕРНе и совсем недавно установлен на Международной космической станции. С его помощью исследуют потоки античастиц.

2 Что такое темная энергия?

Последние сто лет известно, что Вселенная расширяется. Обсуждалась и возможность ускоренного расширения, но особенно популярной эта тема стала с 1998 года. Тогда наблюдения далеких сверхновых показали, что галактики разбегаются друг от друга со все большей и большей скоростью. Этот результат не вызывает сомнений. Непонятно только, как его объяснить.

Наиболее популярная гипотеза состоит в том, что ответственность за ускоренное расширение несет неизвестная нам «темная энергия», составляющая ни много ни мало 70% плотности Вселенной.

Что это такое и какими свойствами она обладает, физики толком объяснить не могут. Просто не знают. Но именно это нечто и заставляет Вселенную расширяться все быстрее и быстрее.

Пока единственный способ изучать темную энергию — это анализировать подробности эволюции Вселенной, как она расширялась в разные эпохи. Есть основания полагать, что вслед за короткой начальной стадией очень быстрого расширения (инфляции) последовал период длительностью примерно 5–7 млрд лет, когда Вселенная расширялась замедленно. Но потом торможение сменилось ускорением, которое продолжается по сей день. Почему и как это происходит? Какие законы регулируют действие темной энергии? Похоже, что скоро мы будем знать об этом несколько больше.

Отличный исследовательский материал тут представляют взрывы далеких сверхновых. Именно по ним можно определять темпы расширения в разные моменты времени, ведь далекие объекты мы видим такими, какими они были в прошлом.
 

Некоторые инструменты

«Спектр-Рентген-Гамма» — российская астрофизическая обсерватория, которую планируют запустить в следующем году. Обещают, что она сможет найти более миллиона новых ядер активных галактик и до 100 тыс. новых скоплений галактик.

WFIRST — американский космический телескоп нового поколения. Очень продвинутый и очень дорогой, больше $1,6 млрд. От него ждут очень многого: обнаружения планет, похожих на Землю, темной материи, темной энергии и т. д. Этот телескоп сможет разглядывать объекты, удаленные от нас на 13 млрд световых лет. Запустить эту штуку планируют в 2020 году, если будут деньги. Двумя годами раньше ожидается запуск европейского телескопа Euclid, от которого тоже ждут разгадки тайны темной энергии.

South Pole Telescope — радиотелескоп, установленный в Антарктиде. С его помощью американские ученые недавно обнаружили скопление галактик, расположенное на расстоянии 7,5 млрд световых лет от Земли.

Atacama Cosmology Telescope — еще один очень мощный телескоп для наблюдения в микроволновом диапазоне. Он расположен в чилийской пустыне.

3 Была ли стадия инфляции?

Наша Вселенная началась со стадии инфляции. В самый первый момент своего существования она с огромной скоростью рас­ширялась под влиянием некоего особого физического поля. Такова стандартная гипотеза.

Однако в последнее время некоторые физики склоняются к идее, что такой стадии не было. Расширение Вселенной шло примерно теми же темпами, что и сейчас (естественно, со всеми оговорками про эволюцию, ускоренное и замедленное расширение). Решить, кто прав, помогут наблюдения.

Впрочем, на мой взгляд, существенный прогресс здесь в ближайшие десять лет маловероятен. Даже если он и произойдет, это случится благодаря физике элементарных частиц, а не астрофизике. В любом случае надо изучать все, что осталось нам на память от самых ранних стадий развития Вселенной: реликтовое излучение и первичные гравитационные волны.
 

Некоторые инструменты

Planck — спутник, который изучает реликтовое излучение, несущее в себе воспоминания о раннем детстве Вселенной.

LISA (Laser Interferometer Space Antenna) — космический интерферометр, с помощью которого предполагалось изучать гравитационные волны. Красивой астрофизической идее помешал финансовый кризис. Американское агентство NASA отказалось от участия в этом проекте: уж больно он дорогой.

4 Какими были свойства первых звезд и галактик?

История Вселенной изучена неравномерно. Мы точно знаем, что произошло спустя 300 тыс. лет после Большого взрыва. Именно в этот момент вещество стало потихоньку «отклеиваться» от излучения. А вот что было потом?

Что тогда творилось в космосе, совершенно непонятно. Наступают «темные времена». Известно только, что первые звезды загораются спустя примерно сотню миллионов лет после 300-тысячелетнего рубежа. Потом постепенно начинают расти первые галактики. Как это было? Какие процессы к этому привели? Интересно было бы на это посмотреть…

Ответив на вопросы, связанные с рождением и свойствами первых звезд, можно будет разобраться и с тайной возникновения сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Зародыши этих монстров могли возникать из первых очень массивных звезд. А могли и в результате коллапса больших облаков газа. Как было на самом деле, должны прояснить наблюдения.
 

Некоторые инструменты

JWST (James Webb Space Telescope) — космический телескоп имени Джеймса Вебба. Для американцев это приоритет номер один. На его создание выделяются гигантские деньги (речь идет о многих миллиардах долларов). NASA готово пожертвовать любым другим проектом, но не телескопом Вебба. Ожидается, что именно он сможет увидеть «первый свет» во Вселенной.

SKA (Square Kilometer Array) — гигантская система наземных радиотелескопов, которую вот-вот начнут строить. Главные задачи этого инструмента также будут связаны с космологией и первыми галактиками.

5 Какова природа черных дыр?

Все любят черные дыры. Если кто-то и боится, то тоже любя. Всем интересно. И первый вопрос: а есть ли они на самом деле? Вообще-то большинство экспертов не сомневаются в их существовании. Но парадокс в том, что наблюдать их в принципе нельзя. Даже факт их наличия во Вселенной подтверждается только косвенными экспериментами.

У черных дыр нет поверхности в привычном смысле этого слова. То, что ограничивает их пределы, принято называть горизонтом событий. О том, что происходит за этим горизонтом, мы принципиально судить не можем. Там черная дыра.

Изнутри черной дыры за горизонт не прорваться. Ни вещество, ни излучение — не может выйти из черной дыры обратно, если что туда провалилось, то уже навсегда. Доказать существование этого горизонта не так-то просто.
 

Некоторые инструменты

LIGO (США) и Virgo (Италия) — самые крупные детекторы гравитационных волн. Они рассчитаны на регистрацию сигнала, идущего из места страшной катастрофы — слияния черных дыр или нейтронных звезд. Такое вполне возможно, ведь есть же двойные сис­темы, состоящие из очень массивных звезд. С возрастом звезды превращаются в черные дыры, которые могут поглотить друг друга. После установки на LIGO и Virgo нового оборудования они смогут регистрировать по нескольку слияний двойных черных дыр в год. Значит, мы будем видеть, как горизонт взаимодействует с горизонтом. Очень интригующе!

IXO (International X-ray Observatory) — рентгеновская обсерватория. Летя к черной дыре, вещество образует диск, в котором оно разогревается до высоких температур, его можно наблюдать в рентгеновском диапазоне. Для этого и пригодилась бы IXO. Но тут в космические дела снова вмешался кризис: создание обсерватории пока под вопросом, а Европа уже отказалась от сходного проекта Simbol-X. Правда, скоро будет запущен американский рентгеновский спутник NuSTAR. Хоть какая-то надежда.

6 Откуда летят космические лучи сверхвысоких энергий?

На Земле мы строим гигантские дорогие машины, чтобы разгонять частицы до высоких энергий. Такие штуки очень полезны. Но между тем природа располагает какими-то механизмами, которые позволяют ей сообщать частицам гораздо большие энергии.

Примерно раз в год на Землю, на территорию размером с крупный город, из космоса прилетает по одной частице с энергией в сто миллионов раз большей, чем максимальная энергия частиц, достижимая на Большом адронном коллайдере. Получается, что за время существования Земли на нее попало более миллиона миллиардов таких частиц, что, кстати, показывает, что ничего страшного при этом не происходит.

В последние годы удалось показать, что эти частицы прилетают из тех областей Вселенной, которые лежат за пределами нашей галактики. Пока мы точно не знаем, какие объекты являются их источниками. Основными подозреваемыми считают активные ядра галактик. Но каким образом частицы ускоряются до таких колоссальных энергий? Этого мы тоже не знаем.
 

Некоторые инструменты

Обсерватория имени Пьера Оже — это самый мощный инструмент для изучения космических частиц с очень большими энергиями. Расположена она в Аргентине. На огромной площади расставлены более тысячи детекторов и 24 телескопа. Установка дорогая, но оно того стоит.

7 Как взрываются сверхновые?

Большие звезды (как минимум раз в десять тяжелее Солнца) заканчивают свою жизнь торжественным взрывом. Исчерпав запасы термоядерного горючего, ядра таких звезд начинают стремительно сжиматься. Происходит взрыв, и их периферийные области теряют связь с центром и стремительно удаляются от него, при этом выделяется огромная энергия. Со стороны это выглядит как колоссальная вспышка — ярче целой галактики. У астрофизиков это принято называть вспышкой сверхновой.

Пока расчеты не позволяют как следует разобраться в механизме этих катаклизмов. А хочется. Ведь почти все атомы тяжелее железа образовались именно в результате таких взрывов. В каждом из нас есть немало атомов, побывавших в пламени вспышки сверхновой.

Мы видим много вспышек сверхновых и используем их, например, для определения космических расстояний. Но вот поймать сигнал из недр взрывающейся звезды очень трудно. Единственный способ — ловить нейтрино. Эта частица практически не взаимодействует с остальным веществом. Для нее вся Вселенная прозрачна. Поэтому если мы и можем надеяться хоть на какое-то послание из глубины сверхновой, это может быть только нейтрино.

Дело это трудное. Лишь однажды, в 1987 году, когда вспышка произошла в близкой карликовой галактике — Большом Магеллановом Облаке, — удалось поймать несколько нейтрино. Но это слишком мало, чтобы сильно продвинуться в решении загадки.
 

Некоторые инструменты

IceCube — гигантская установка в Антарктиде, использующая лед как детектор. Оптимисты полагают, что она сможет в ближайшие годы зарегистрировать несколько десятков нейтрино от какой-нибудь вспышки сверхновой.

Antares — проект, аналогичный IceCube, только вместо льда — много-много тонн воды, а вместо суровой Антарктиды — теплое море у побережья Франции.

8 Что находится внутри нейтронных звезд?

Самое плотное вещество во Вселенной существует в недрах нейтронных звезд. После взрыва сверхновой звездное ядро продолжает сжиматься по причине всем знакомой гравитации. Сжимается оно до тех пор, пока не превратится в шарик размером около 20 км в диаметре, но с массой как у Солнца.

Средняя плотность такого объекта равна примерно плотности атомного ядра, а в центре превосходит ее раз в десять. В лабораторных условиях достичь такого состояния вещества невозможно. Поэтому и законы, описывающие его, мы понимаем плохо. Известно только, что все вещество, которое образует такой шарик, существует там исключительно в виде нейтронов. Только эти частицы «выживают» при подобных температурах и плотностях. Собственно, поэтому такие звезды и называются нейтронными.

Можно предположить и следующую стадию развития событий.При очень высокой плотности материя переходит в новое состояние, когда кварки уже не заперты внутри протонов, нейтронов или других частиц. Такое состояние вещества называется кварковым. Можно предположить, что при слиянии нейтронных звезд, когда «клочки летят по закоулочкам», в межзвездное пространство выбрасываются комочки этого самого кваркового вещества — страпельки. Их можно пытаться поймать, например, изучая космические лучи.
 

Некоторые инструменты

Если одновременно точно измерить массу и радиус у нейтронной звезды, то задача будет практически решена. Пока это не удалось, значит, надо двигаться дальше. Здесь особенно важна работа космических рентгеновских телескопов. А еще можно искать страпельки с помощью аппаратов типа AMS. Надежд что-то поймать не очень много, но они есть.

9 Сколько существует планет земного типа?

Самый большой прогресс в астрофизике мы видим в изучении экзопланет, то есть планет, которые вращаются вокруг других звезд. Счет им идет на сотни, хотя первую открыли менее 20 лет назад. А уже скоро счет пойдет на тысячи.

В ближайшие годы можно рассчитывать даже на обнаружение планет земного типа с кислородной атмосферой, которые вращаются на таком расстоянии от своей звезды, что вода там находится в жидком состоянии. То есть планет, пригодных для жизни.
 

Некоторые инструменты

Kepler — американский космический аппарат, созданный специально для поиска экзопланет. Несколько месяцев назад с его помощью составлен список из 1200 кандидатов в экзопланеты. А ведь еще недавно каждая открытая за пределами Солнечной системы планета считалась великим событием. Прогресс, однако.

10 Как объяснить «аномалию пионеров»?

Кроме естественных космических объектов есть еще и искусственные. Например, спутники. С ними тоже не все ясно.

Создатели спутников просчитывают их скорости и траектории с максимальной точностью. Учитываются все известные гравитационные воздействия и вообще все, с чем может столкнуться спутник в открытом космосе. И тем не менее некоторые из них ведут себя странно. Наиболее известна так называемая аномалия «Пионеров». Американские спутники «Пионер-10» и «Пионер-11», летящие за пределы Солнечной системы, замедляются чуть сильнее, чем должно быть по расчетам. Почему? Споры об этом идут уже много лет. С другой стороны, несколько спутников (NEAR, Rosetta, Galileo) приобрели «лишнюю» скорость после гравитационных маневров около Земли.

Наиболее консервативное объяснение состоит в том, что в случае «Пионеров» есть неучтенное тепловое излучение самого аппарата. Периодически появляются работы, в которых авторы показывают, какую часть эффекта можно объяснить таким образом. Понять природу всех пролетных аномалий пока не получается.

Возможно, понадобятся специальные спутники или модификации планируемых аппаратов, которые смогут внести ясность. Скорее всего, никакой «новой физики» для объяснения подобных эффектов не понадобится, но кто знает?

http://rusrep.ru/article/2011/06/15/universe_secrets/