Дмитро Вібе: Живемо ми в звичайній галактиці? Чи можна всьому цьому вірити.

Темне манить і зачаровує. Темрява - друг молоді. Нас тьми, і тьми, і тьми. У кіно цинічні дотепні Темні часто є більш симпатичними, ніж правильні занудні Світлі. Незважаючи на численні астрофізичні загадки, пов'язані зі світловим речовиною, уяву сильніше хвилює темна матерія. Розбір нестиковок з випромінюванням здається не більше ніж уточненням вже відомих деталей, темрява ж обіцяє відкрити двері в нову фізику.

Не дивно, що з дослідженнями темної матерії (ТМ) присвячена величезна кількість статей, опублікованих у фаховій літературі. (До речі, по-російськи, напевно, правильніше говорити «темна речовина», проте Гугл дає на порядок більше посилань за запитом «темна матерія», що є калькою з англійського «dark matter».) Як можна досліджувати те, що не світиться, якщо єдине джерело інформації в астрономії - електромагнітне випромінювання? Та так само, як і багато іншого, - за непрямими ознаками.

Нагадаю коротко суть проблеми. Основним фактором, що рухають предмети на великих масштабах, в нашому Всесвіті є гравітація. Спостерігаючи за рухом тіл, можна робити висновки про гравітаційне поле, в якому вони рухаються, і силу-силенну, яка породжує це поле. Так ось, в цілому ряді випадків гравітаційне поле як ніби-то є, а джерело його побачити не вдається. Зокрема, рух зірок в галактиках і галактик в скупченнях відбувається зі швидкостями, сильно не відповідають розподілу «світлого» речовини, яке можна спостерігати безпосередньо. Звідси і виникає припущення про наявність ще і «темного» речовини, яка сама не світиться, але проявляє себе через гравітаційний вплив на світяться тіла.

На існування темної речовини вказує кілька різних свідчень, які узгоджуються між собою. Тому для відмови від припущення про темному речовині недостатньо знайти інше пояснення, наприклад, тільки руху зірок в галактиках. Проте спроби «закрити» темна речовина не припиняються. Тільки за останні десять днів з'явилося два великих дослідження, так чи інакше «копають» під ТМ.

Світ галактик вражає вигадливістю форм: від невигадливих прямокутників до мережива спіральних рукавів. Країна, що для позначення таких різних об'єктів використовується одне і те ж слово.
Серед інших астрономічних новин останнього часу чільне місце належить прямокутної галактиці. Система сама по собі незвичайна, але не особливо. У галактик різних типів «ящікообразние» (boxy) ізофоти (лінії рівної поверхневої яскравості) зустрічаються не так уже й рідко. Вважається, що подібна незграбність виникає в результаті злиття галактик, а ці події у Всесвіті не виняток, а, скоріше, правило (хоча в прес-релізі і присутній в м'якій формі традиційне «should not exist»). Так що, якщо галактиці LEDA 074886 і властива деяка унікальність, то полягає вона не стільки в її формі, скільки в поєднанні форми з іншими властивостями, зокрема з наявністю внутрішнього зоряного диска.

Але цікаво інше: галактика «смарагдового огранювання» за образом і іншим характеристикам навіть близько не нагадує гігантську спіральну зоряну систему, яка дала життя терміну «галактика». Строго кажучи, спочатку слово «галактика» взагалі була не терміном, а ім'ям власним, що позначав шикарну білясту смугу, яка перекреслює все зоряне небо. Грецька міфологія пов'язує її походження з молоком, бризнувшей з грудей богині Гери під час спроби годування Геракла, і слово «галактика» родинно, наприклад, словами «лактоза» або «лактація».

З часів Галілея відомо, що Галактика є «екліптика для зірок», тобто проекція на небосхил гігантської плоскою зоряної системи, членом якої є Сонце. Думка про те, що таких «зоряних островів» у Всесвіті має бути безліч, відвідувала уми протягом століть, але науковий фундамент під нею з'явився лише на початку XX століття, коли вдалося розрізнити в Туманності Андромеди окремі зірки. За ним було визначено відстань до Туманності Андромеди, і воно явно перевищила найсміливіші оцінки розмірів Галактики. До середини 1920-х років була доведена позагалактична природа і багатьох інших туманностей.

Спочатку вони так і називалися - позагалактичні туманності. Згодом для них став повсюдно використовуватися термін «галактики», з тією відмінністю, що наша Галактика пишеться з великої літери, а інші - з маленької. Галактики здавалися природної наступним етапом ієрархії самогравитирующих систем: одиночні і кратні зірки, розсіяні зоряні скупчення (сотні і тисячі зірок), кульові зоряні скупчення (сотні тисяч зірок), галактики (мільярди зірок), і далі, до груп і скупчень галактик.

Згодом наглядові інструменти і методики удосконалювалися, що дозволило відкривати все більш дрібні і (або) тьмяні галактики. З'явилося безліч класів карликових галактик - еліптичні карлики, сфероїдальні карлики, сині компактні карлики, неправильні карлики, ультракомпактні карлики, приливні карлики ... Схоже на класифікацію драконів з «31 червня» Прістлі: мечохвости, копьехвостий, Рогохвости, рибохвостий, лютий велетенський вінтохвостий ...

З позицій класифікації важливо, що чим потужніший наші телескопи, тим сильніше населення карликових галактик перекривається з населенням кульових скупчень. І тим очевидніше постає питання недосконалості термінології, подібний до того, що на початку 2000-х років постало перед людьми, охочими коректно використовувати термін «планета».

Звичайно, проблема з галактиками не така актуальна, як проблема з планетами. Одна справа - вирішувати, вісім або дев'ять планет в Сонячній системі. Інша справа - галактики, яких, хоч так їх визнач, хоч сяк, все одно сила-силенна. Проте галактика - один з фундаментальних об'єктів Всесвіту, і розуміння того, що ми, виявляється, не можемо толком сказати, що це таке, призводить до деякого дискомфорту. В результаті в астрономічній літературі ні-ні та й з'являться міркування на цю тему.

Останнє опубліковано в архіві препринтів в середині березня. Автори - Бет Уіллман і Джей Стрейдер - вважають, що в визначенні галактики важливо піти від якихось кількісних обмежень. Тому що як тільки ти вирішиш називати галактикою все, що має діаметр більше, скажімо, ста парсеків, як тут же відкривають щось меншого розміру, що теж, начебто, має ставитися до галактик. Уіллман і Стрейдер пропонують таке визначення: галактикою називається гравітаційно пов'язана група зірок, властивості якої не можуть бути описані поєднанням баріонів речовини і ньютонівської гравітації.

Здавалося б, з першою частиною все відносно зрозуміло. Справжня галактика складається із зірок, які утримуються від розльоту силами тяжіння. Тут, правда, є потенційні еволюційні шорсткості. Спочатку в галактиці (зокрема, в Галактиці) зірок немає; вона складається тільки з газу, який поступово переходить в зірки в процесі еволюції системи. Стало бути, галактика стає галактикою не відразу, а поступово. Але на це, врешті-решт, можна закрити очі. Над моментом перехід не-галактики в галактику повинні були ламати голову цивілізації, які жили мільярди років тому, а зараз в більшості галактик домінують саме зірки, а не газ.

З другою частиною дещо складніше. Уіллман і Стрейдеру здається некоректним відрізняти галактики від скупчень за наявністю темної речовини, оскільки його поки ніхто не бачив, тому вони пропонують більш обережну формулювання. Масу зоряної угруповання можна оцінити двома способами - за сумарною світності зірок і за швидкостями їх руху (припускаючи, що угруповання перебуває в динамічній рівновазі і зірки рухаються за законами ньютонівської гравітації). Перша оцінка дає масу видимого, баріонів речовини, друга - «гравітаційну» масу. Якщо обидві оцінки приблизно збіглися, значить, система описується поєднанням видимих \u200b\u200bбаріонів і закону всесвітнього тяжіння і на галактику не тягне.

А ось якщо гравітаційна маса виявилася більша за масу видимої речовини, об'єкт слід вважати галактикою! Хоча навіть самі автори визнають, що в багатьох випадках цей критерій може виявитися оманливим. Зокрема, оцінка гравітаційної маси справедлива лише для систем, в яких рух зірок «вляглося», прийшло в рівновагу з власним гравітаційним полем системи. А якщо система в недалекому минулому пройшла через якийсь катаклізм, про який ми не знаємо, наприклад, зазнала тісне зближення або зіткнення з іншою системою? Зірки в ній будуть рухатися швидше, ніж при рівновазі, і оцінка гравітаційної маси виявиться сильно завищеною.

Крім того, швидкості зірок дуже важко виміряти, тому іноді пропонується непрямий критерій: наявність зірок кількох поколінь. У маломасивних скупченнях перший епізод зореутворення опинявся і останнім, оскільки перші ж спалаху наднових викидали зі скупчення залишки газу, яке не увійшло до зірки. У більш масивних галактиках частина газу зберігалася після першого епізоду і ставала сировиною для подальших спалахів зореутворення. За цим критерієм в галактики довелося б перекваліфікувати найпотужніший кульове скупчення в нашій Галактиці - Омега Центавра. Але його гравітаційна маса узгоджується з видимою, як годиться як раз скупченню!

Ще одна близька система, яку за наявністю кількох поколінь зірок слід віднести до галактик, - Willman 1 (по імені Бет Уіллман). Але яка ж це галактика ?! Це непорозуміння, світність якого лише в кілька сотень разів перевершує світність Сонця. По всій видимості, в даному випадку ми спостерігаємо не повноцінну галактику, а руїни, що залишилися на місці колись існувала «нормальної» галактики. Але чи потрібно називати систему галактикою тільки за те, що в якомусь далекому минулому вона і насправді нею була? Поки ж виходить, що ми одним і тим же терміном позначаємо навіть не групи, а групки з декількох тисяч зірок і системи-монстри, кількість зірок в яких обчислюється трильйонами.

Може здатися, що це не така вже й велика проблема. Ми ж не мучимося сумнівами, називаючи деревом і стометрову секвойю, і саджанець яблуні. (Правда, навіть скромна ромашка і секвойя розрізняються по масі в меншу кількість разів, ніж найбільша і найменша галактика.) Але за пошуками коректного визначення ховається не просто бажання розкласти все по поличках, а бажання розділити два (або більше) кардинально різні шляхи освіти структур у Всесвіті.

http://www.computerra.ru/own/wiebe/668671/

print

У лютому 2003 р американські вчені винесли на суд наукової громадськості "дитяче фото" нашого Всесвіту - карту реліктового випромінювання, яка дозволяє заглянути в догалактіческую епоху, безпосередньо послідувала за Великим Вибухом. З її допомогою астрономи спробували з максимальною можливою точністю відповісти на питання, з чого зроблений Космос. Відповідь виявився невтішним: лише 4% маси Всесвіту припадає на ясна нам "звичайне" речовина, що складається з атомів. На інші 96% вона складається з субстанцій з простими, але звучними іменами - темна матерія (23%) і темна енергія (73%). Що, крім назв, відомо про них на сьогоднішній день?

Наука за останні сотні років завдала кілька відчутних ударів по самосвідомості людини. Спочатку з центру Всесвіту була видалена "колиска людства" Земля, потім - Сонце. Потім з'ясувалося, що наша Галактика - не єдина в Космосі, і навіть не найбільша, а всього лише один з багатьох мільярдів зоряних островів, розташований чи то на задвірках великого скупчення галактик, то чи взагалі за його межами - отака глуха всесвітня провінція, сповнена усвідомлення власної важливості, але безнадійно далека від метрополії.

Але якщо на Землі провінціал завжди може знайти розраду в мріях про столицю, у Всесвіті ми, як з'ясовується, позбавлені навіть цієї можливості. Не тільки міста і країни, великі і малі, бідні і багаті, але і вся Земля, і Сонце, і Чумацький Шлях, і всі галактики виявилися раптом лише блискучим нальотом, тонкою позолотою на таємничій, непроникно чорної основі. Злети і падіння цивілізацій, утворення і руйнування планет, вибухи зірок і зіткнення галактик, а також всі інші події, які, як нам здається, заповнюють Всесвіт, насправді мають до її життя таке ж відношення, яке вузька смуга прибою має до життя Світового океану.

Міжзоряний простір не порожньо

При простому погляді на зоряне небо досить важко припустити, що крім зірок і планет у Всесвіті є щось ще. Однак трохи пильніше вивчення доводить, що це не так. Мабуть, одним з перших астрономів, зазіхнули на порожнечу, був російський учений В. Я. Струве, засновник Пулковської обсерваторії. В середині XIX століття він виявив, що кількість зірок в одиниці об'єму зменшується з віддаленням від Сонця. Вчений пов'язав це спадання з тим, що на шляху до спостерігача світло зірок слабшає пропорційно пройденій відстані в результаті взаємодії з якоюсь речовиною. Спочатку це поглинає речовину було названо темним.

Прикметник "темний" в астрономії використовується за своїм прямим значенням - "не світиться". Оскільки єдиним джерелом інформації про далекому космосі для нас є світло, заодно дуже доречним виявляється й інше значення слова "темний" - неясний, незрозумілий. У наш час природа міжзоряного поглинає речовини ніяких сумнівів уже не викликає - це просто пил, мікроскопічні частинки, що складаються із з'єднань вуглецю і кремнію. Пил розсіяна в просторі нерівномірно. Вона зібрана в щільні хмари, які майже повністю блокують світло розташованих за ними зірок. На тлі зоряної розсипи такі хмари видно, як чорні беззоряні провали. За старою звичкою астрономи все ще називають такі хмари темними, хоча це і несправедливо. Пил не тільки поглинає випромінювання зірок, а й сама світиться, правда, не в видимому, а в інфрачервоному, субміліметровому і радіодіапазоні. Але ніяких принципових труднощів реєстрація цього випромінювання у сучасних астрономів не викликає.

З появою радіотелескопів стало ясно, що пил - не головний "наповнювач" простору між зірками. На кожен грам пилу в міжзоряному просторі доводиться 100 грамів газу, який являє собою головним чином суміш водню і гелію. І якщо всередині галактик в міжзоряному газі зосереджено всього кілька відсотків маси (інше зібрано в зірках), то в просторі між галактиками газу набагато більше. В скупченнях маса міжгалактичного газу в кілька разів перевищує сумарну масу самих "зіркових островів". Може здатися, що галактичні рої правильніше було б називати не скупченнями галактик, а гігантськими хмарами газу з невеликою зоряно-галактичної "домішкою". Але навіть така зневажлива формулювання не відображає справжнього стану речей!

Темна матерія

Наш світ - це царство гравітації. З усіх фундаментальних сил вона одна володіє дальнодействием, достатнім для подолання космічних відстаней. Тому основною характеристикою будь-якого астрономічного об'єкта є його маса. Її можна оцінити як за спостереженнями самого об'єкта (наприклад, масу зірки можна наближено визначити за формою ліній в її спектрі), так і по гравітаційному дії, яке він справляє на інші об'єкти. Якщо оцінки, отримані двома цими способами, приблизно збігаються, значить, з нашими теоретичними уявленнями про природу об'єкта все в порядку. Їх розбіжність вказує на те, що ми чогось не розуміємо або щось не беремо до уваги. Сильна розбіжність в двох оцінках маси є ймовірним ознакою якихось дуже великих помилок.

Але які можуть бути складності з уявленнями про структуру, скажімо, скупчень галактик? Ось вони - галактики, видно навіть в невеликий телескоп. Ось він - гарячий газ, що заповнює простір між ними. Його, правда, в звичайний телескоп не побачиш, але за допомогою рентгенівських телескопів цей газ спостерігався вже неодноразово. Знаходимо сумарну масу всіх галактик, додаємо до неї масу газу і отримуємо повну масу скупчення. Для типового скупчення галактик, скажімо, скупчення в сузір'ї Діви, ця маса дорівнює кільком десяткам трильйонів сонячних мас.

Масу скупчення галактик можна визначити і іншим способом. Єдина сила, яка пов'язує скупчення в єдине ціле, - це гравітація. Для скупчення галактик, як і для Землі, існує друга космічна швидкість. Якщо швидкість галактики перевищує "другу космічну" для даного скупчення, галактика здатна вирватися з його гравітаційних обіймів і відправитися у вільний політ. Величина швидкості залежить від маси скупчення: чим масивніше скупчення, тим швидше повинна рухатися галактика, щоб залишити його.

Ще в 30-і роки XX століття американський астроном Фріц Цвіккі звернув увагу на те, що галактики в скупченнях рухаються швидше за другу космічну швидкість! Скупчення з настільки стрімко пересуваються членами просто не можуть існувати. Але вони існують, а значить в чомусь ми помиляємося. Але як можна помилитися, якщо все скупчення лежить перед нами як на долоні? Або не всі?

Результат Цвикки означав, що всій видимій маси типового скупчення недостатньо, щоб утримати що входять до нього галактики від розльоту. Значить, вирішив Цвикки, в скупченнях галактик є також і невидима речовина, яке ніяк не проявляє себе в випромінюванні, але вносить істотний, а точніше сказати, визначальний внесок в гравітаційне поле скупчення. Щоб пояснити високі галактичні швидкості, доводиться припустити, що "темного" речовини в скупченнях галактик в десяток разів більше, ніж "світиться" речовини всіх видів. Ось і виходить, що скупчення галактик насправді являє собою скупчення НЕ галактик і не газу, а конденсацію незрозуміло чого з невеликою домішкою газу і галактик. Проблема з'ясування природи цієї загадкової сутності з тих пір відома в астрономії як проблема прихованої маси, а саму цю сутність називають темною речовиною або темною матерією.

Пізніше з'ясувалося, що не тільки скупчення галактик, але і самі галактики містять приховану масу. Як відомо, наша Галактика (точніше її видима частина!) Являє собою плоский обертається газо-зірковий диск. Сонце віддалене від центру Галактики на 25000-30000 світлових років і здійснює повний оборот приблизно за 200 млн. Років, рухаючись по своїй галактичної орбіті зі швидкістю близько 220 км / с. Речовину, що світиться в диску сильно сконцентровано до ядра Галактики. Сила тяжіння, що управляє орбітальним рухом зірок, як відомо, зменшується обернено пропорційно квадрату відстані, тому логічно припустити, що зірки на периферії диска, далеко від основної маси Галактики, будуть рухатися повільніше, ніж зірки, близькі до ядра.

На жаль, в 70-і роки XX століття з'ясувалося, що ні в нашій, ні в інших схожих галактиках це зовні логічне припущення не виконується. Навіть дуже далекі від центру зірки і газові хмари мчать по своїх орбітах з великими швидкостями, немов не бажаючи знати, що там, де вони знаходяться, галактика вже практично закінчилася. Де ж джерело цього тяжіння в просторі, яке здається майже порожнім? Відповідь була знайдена швидко. Якщо прихована маса є в скупченнях галактик, чому не бути їй і в самих галактиках? Необхідна кількість темної речовини - приблизно те ж, що і в скупченнях. Наприклад, щоб описати рух зірок на околицях нашої Галактики, потрібно допустити, що вона оточена великим "темним гало", розміри і маса якого щонайменше в кілька разів перевершують розміри і масу видимого диска.

Спочатку багатьом вченим припущення про існування темної речовини здавалося надто штучним. Однак до теперішнього часу про нього накопичено так багато спостережних даних, що відмахнутися від прихованої маси, мабуть, все-таки не вдасться. Залишилося тільки з'ясувати, що вона з себе представляє. На щастя, теорія не стоїть на місці, і в даний час на роль темної речовини Придивіться вже кілька кандидатів.

Звичайно, з точки зору простоти хотілося б припустити, що темна речовина складається зі звичних астрофізикам об'єктів, які мають масу, але при цьому або не випромінюють зовсім, або випромінюють настільки слабо, що в сучасні астрономічні інструменти видно лише на дуже невеликій (в галактичних масштабах ) відстані. Таких об'єктів вченим відомо безліч: коричневі і білі карлики, нейтронні зірки, чорні діри, планети, компактні газові хмари. Оскільки всі вони складаються або перебували в минулому зі звичайних протонів і нейтронів, які у фізиці узагальнено називаються баріонами, сформований з цих об'єктів темна речовина називається баріонним.

На жаль, дуже важко пояснити, звідки б навколо Галактики могло взятися велика кількість подібних об'єктів. Кожен з них виникає не на порожньому місці і до перетворення в темна речовина залишає в еволюції галактики той чи інший слід. Припустимо, наприклад, що темне гало складається з нейтронних зірок. Вони являють собою залишки масивних зірок, які завершують свій життєвий шлях грандіозним вибухом - спалахом наднової. Навряд чи вибух мільярдів наднових навколо Галактики міг пройти для неї безслідно.

Тому зараз кращою вважається гіпотеза про небаріонної темній речовині, що складається з особливих, поки не відомих елементарних частинок, які мають специфічний набором властивостей, зокрема, майже не взаємодіють з "звичайним" речовиною і тому досі уникають виявлення. У свій час вважалося, що темною матерією можуть виявитися нейтрино, проте результати останніх експериментів і спостережень на нейтронних телескопах доводять, що маса нейтрино хоча і не дорівнює нулю, але все-таки занадто мала, щоб списати на неї все "зникле" речовина.

Нейтраліно - ваш надійний суперпартнери!

Швидше за все, мова все-таки йде про частки нового типу. Потрібно відзначити, що фізиками існування таких частинок не тільки не заперечується, але навпаки всіляко вітається, оскільки узгоджується з уточненими за останнім часом уявленнями про будову речовини, зокрема, про двох основних видах елементарних частинок - ферміонів і бозонів. У нашому порівняно холодному світі сама матерія складається з ферміонів (наприклад, протонів і нейтронів), а бозони (наприклад, фотони) забезпечують перенесення взаємодії між ними. Але при дуже високій температурі, в порівнянні з якою меркне навіть температура в зіркових надрах, різниця між частинками матерії і частками-переносниками стирається, і вони починають вести себе однаково. Теорія тотожності фермионов і бозонів при високих температурах носить назву теорії суперсиметрії. Про енергіях, необхідних для її експериментальної перевірки, фізики поки можуть тільки мріяти, але вони впевнені, що докази суперсиметрії залишилося чекати кілька років. Велика робота в цьому напрямку ведеться в багатьох лабораторіях світу, зокрема на російських нейтронних обсерваторіях в Баксані (Північний Кавказ) і на Байкалі.

Тим часом, в Природі експеримент з отримання елементарних частинок надвисоких енергій вже проведено! Правда, закінчився він досить давно, більше 10 млрд. Років тому, але сліди його проведення оточують нас з усіх боків, та й самі ми є нічим іншим, як результатом цього грандіозного експерименту, названого вченими Великим Вибухом! Теорія суперсиметрії пророкує, що в перші частки секунди після народження Всесвіту все її частки були рівні й однакові, але потім Всесвіт розширилася, охолола, і рівності в ній не стало ... Цікаво, що поряд з протонами, нейтронами, електронами, фотонами, нейтрино і іншими відомими елементарними "цеглинками" теорія суперсиметрії пророкує народження цілого зоопарку невідомих часток. Втім, швидше за варто говорити не про зоопарк, а про ковчег - ці невідомі частинки утворюють пари з відомими частками: у кожного фермиона є парний з ним бозон і навпаки. Щоб підкреслити суперсиметричних цієї спільноти, такі пари називаються суперпартнери.

Все гіпотетичні частинки - суперпартнери відомих частинок - мають загальну властивість: вони дуже слабо взаємодіють із звичайною речовиною, значно перевершуючи в цьому відношенні навіть всепроникні нейтрино. На науковому жаргоні їх іноді називають "вімпами", від англійського скорочення WIMP - "weakly interacting massive particles", тобто слабовзаємодіючих масивні частинки. Побачити вімпи дуже складно, але їх можна "відчути" - як і все, що володіє масою, вони створюють навколо себе гравітаційне поле. Після Великого Вибуху подібних частинок мало залишитися величезна кількість, і їх сукупний гравітаційний вплив цілком можуть відчувати на собі цілі галактики. Ось вам і темна речовина! Цей факт дуже знаменний, бо наочно демонструє, як властивості гігантських скупчень галактик і взагалі макросвіту можуть бути пов'язані з властивостями мікросвіту.

Найбільш вірогідним претендентом на роль темної речовини вважається найлегша суперсиметричних частка нейтраліно, маса якої перевищує масу протона в сотню разів. З нею і іншими вімпами конкурує інша невидима частка - аксіон, - існування якої передбачається інший сучасної фізичної теорією - квантової хромодинаміки.

Наша Галактика і інші зоряні системи занурені в хмари з нейтраліно, аксионів і інших невидимих \u200b\u200bчастинок. Ці хмари, як зараз вважається, в догалактіческую епоху послужили гравітаційними "затравки", на які стягувалося звичайне речовину, що стала будівельним матеріалом для перших поколінь зірок. Науковою мовою ці затравки називають первинними флуктуаціями щільності. І хоча з часів їх виникнення спливло багато води, властивості цих флуктуацій навіки відображені у вигляді просторових варіацій інтенсивності реліктового випромінювання. Саме вивчаючи ці варіації, вчені встановили, що тільки 4% маси Всесвіту припадає на звичайне атомне речовина. Ще 23% зайняті небаріонної темною матерією (нейтраліно, Аксион та ін.). Що являють собою решту 73%? Ми можемо вважати себе акціонерами АТВТ "Всесвіт", які на чергових зборах виявили, що їм навіть приблизно невідомо, кому належить контрольний пакет!

Найбільший промах Ейнштейна

Одне з пророцтв ейнштейнівської теорії відносності полягало в тому, що Всесвіт не може існувати вічно. Дійсно, якщо визнати її царством однієї тільки гравітації, тобто тяжіння, потрібно погодитися і з тим, що з часом все речовина у Всесвіті має стягтися в одну точку. Самому Ейнштейну ця перспектива не подобалася настільки, що він насильно ввів в свої рівняння так званий лямбда-член - гіпотетичне "всесвітнє відштовхування", яке повинно було протидіяти всесвітнього тяжіння. Однак в 1929 р з'ясувалося, що Всесвіт розширюється. Це означало, що взаємною тяжінню галактик протистоїть їх розбігання, породжене Великим Вибухом, а необхідність у взаємному відштовхуванні нібито відпадає. Широко відомо визнання Ейнштейна, зроблену ним радянсько-американському астрофізику Георгію Гамову, що він вважає винахід лямбда-члена своїм найбільшим промахом. Але минав час, і ця помилка перестала бути настільки очевидною: як пише той же Гамов, космологічна стала "продовжує піднімати свою гидку голову". Правда, тепер у неї з'явилося безліч інших імен - антигравітація, квінтесенція, енергія вакууму і, звичайно, темна енергія.

Відкриття нестаціонарності Всесвіту змусило вчених (і не тільки їх) задуматися про те, чим закінчиться її розширення. Подальшу долю нашого світу зручно характеризувати, порівнюючи середню щільність речовини у Всесвіті з якимсь критичним значенням. Якщо щільність більше критичної, сили гравітації рано чи пізно зупинять розліт галактик, і він зміниться загальним стисненням, яке знову стягне Всесвіт в точку. Якщо щільність менше критичної, розширення Всесвіту триватиме нескінченно ... На сьогоднішній день спостережувані властивості Космосу найкращим чином описуються так званою інфляційної теорією, в розробці якої велику роль зіграли радянські і російські фізики. Відповідно до неї, в перші частки секунди свого існування Всесвіт пережила катастрофічний "роздування" (саме так перекладається з англійської мови слово "inflation"), в ході якого її розмір збільшився в 10 50 раз. Все неоднорідності і викривлення, які були наявні у Всесвіті до цього, в процесі роздування розглядалися - саме тому так і вийшло, що ми живемо в такому однорідному і плоскому (в геометричному сенсі!) Світі.

Інфляційна теорія серед іншого передбачає, що середня щільність речовини у Всесвіті повинна бути в точності дорівнює критичної. Власне кажучи, саме щодо критичної щільності і розраховані всі відсотки, які вже неодноразово згадувалися в цій статті. Проблема очевидна - після вишкрібання всіх засіків в космічному просторі вдалося набрати речовини лише на 27% критичної щільності. Де взяти решту 73%?

Що ж, в просторі не залишилося речовини, але залишилося сам простір. Чому ми повинні вважати, що воно нічого не важить? Подібно до того, як в геодезії все висоти відраховуються від якогось нульового рівня (в Росії - від нуля кронштадтського футштока), у фізиці можна вважати, що всі енергії відраховуються від нульової енергії - енергії вакууму, яка зовсім не зобов'язана бути рівною нулю. У цій початкової енергії і може бути прихована відсутня щільність. Оскільки раніше астрономи вже назвали невидима речовина темною матерією, здалося логічним застосувати теж прикметник і до невидимої енергії.

прискорення Всесвіту

Може здатися, що концепція темної енергії, що називається, "притягнута за вуха": замість того щоб чесно зізнатися в провалі інфляційної теорії, так і всієї космології Великого Вибуху, вчені приписують енергію порожнечі! Щоб уникнути подібних звинувачень, необхідно з'ясувати, якими властивостями повинна володіти темна енергія, і спробувати виявити ці властивості в результатах астрономічних спостережень. І такі результати були отримані! У 1998 році група американських астрономів під керівництвом Адама Ріса повідомила про знаменний факт - Всесвіт не просто розширюється, вона розширюється з прискоренням. До цього висновку вчені прийшли, спостерігаючи вибухи наднових в далеких галактиках.

Більшість способів вимірювання відстані в астрономії засноване на порівнянні видимої яскравості об'єкта з його істинним блиском, який, звичайно, повинен бути відомий. Джерела з відомої істинної яскравістю називають "стандартними свічками". Наднові типу Ia, пов'язані, як вважають, з термоядерними вибухами на білих карликів, видно на дуже великих відстанях і відрізняються завидною постійністю блиску, що робить їх незамінним інструментом для вимірювання космологічних відстаней.

З іншого боку, в близьких (по космологічним масштабами) околицях нашої Галактики діє закон Хаббла - відстань до галактики прямо пропорційно швидкості її руху по променю зору. Променеву швидкість легко визначити за спектром - ефект Доплера зрушує лінії в червону частину спектру, якщо джерело віддаляється від нас, і в синю частину, якщо джерело наближається. Оскільки величина зсуву пропорційна швидкості, закон Хаббла дозволяє по спектральним спостереженнями оцінювати відстань до далеких об'єктів - за умови, що далеко від Чумацького Шляху розширення Всесвіту підпорядковується тим самим закономірностям, - або виявляти відхилення від цих закономірностей.

Саме до цього способу і вдалися Рис і його колеги. За видимої яскравості декількох наднових вони визначили відстань до них - воно виявилося досить значним, кілька мільярдів світлових років. Потім за допомогою закону Хаббла вирахували швидкість, з якою повинні були б віддалятися від нас ці наднові, якби розширення Всесвіту кілька мільярдів років тому відбувалося з тією ж швидкістю, що і зараз. Реальна швидкість наднових виявилася істотно нижче значення, передбаченого законом Хаббла - зараз Всесвіт розширюється швидше, ніж кілька мільярдів років тому!

Вчені легко сприйняли б зворотний результат - у Всесвіті, яка підкоряється закону всесвітнього тяжіння, логічно очікувати, що розширення з часом сповільнюється. Але прискорення означає, що крім тяжіння у Всесвіті дійсно існує і сила відштовхування, або просто антигравітація, причому в даний час на космологічних відстанях вона явно перевершує гравітацію. З огляду на сенсаційність цього висновку, в результатах групи Ріса багато вчених, включаючи і самих авторів цього відкриття, намагалися знайти помилку, але поки ці спроби успіхом не увінчалися. Доводиться визнати, що темна енергія дійсно існує! Тим більше, що її кількість, обчислене за спостереженнями наднових, збіглося з тим, що було оцінено за спостереженнями флуктуацій інтенсивності реліктового випромінювання - близько 70%.

Нові способи порівняння теоретичних передбачень космології з даними спостережень з'явилися у вчених завдяки накопиченим в останні роки даних про координатах сотень тисяч галактик. У лютому 2002 р вчені з Великобританії оцінили значення всіх основних космологічних параметрів, скомбінувавши дані про реліктовому випромінюванні з характеристиками великомасштабного розподілу 250 тис. Галактик, відстані до яких були визначені в ході виконання огляду 2dF на Англо-Австралійському телескопі. Попередньо обчислені значення залишаться прекрасно узгоджуються з даними інших досліджень. І в цій роботі виявилося неможливим обійтися без темної енергії! Абсолютно незалежно від результатів групи Ріса Джордж Ефстатіу і його колеги оцінили, що її внесок в повну щільність Всесвіту дорівнює 65-85%.

Темна вода у хмарах

Космологія давно вже перестала бути "чистою наукою". В основі сучасних уявлень про будову і еволюцію Всесвіту лежить значний обсяг наглядових і експериментальних даних. Про це потрібно пам'ятати тим, хто вважає себе готовим до створення власної Теорії Всесвіту. Часто доводиться чути про те, що "офіційна" наука нетерпима до нових ідей і вперто відкидає все те, що не вписується в сформовану систему знань. Історія становлення космології - пряме спростування цієї тези. На різних її етапах спокійно обговорювалися і до сих пір обговорюються такі, наприклад, дивні гіпотези, як змінність фундаментальних постійних - гравітаційної постійної, скажімо, або навіть швидкості світла. Деякі з цих гіпотез канули в Лету, інші продовжують існувати, обростають експериментальними доказами і новими прихильниками.

Яка доля чекає темну матерію і темну енергію? Чи не з'явиться через десяток років більш успішна фізична концепція, в яку впишуться і дивацтва в русі галактик, і властивості реліктового випромінювання? Поки більш-менш реальна альтернатива є тільки у гіпотези про темну матерію. Це так звана теорія МОНД - Модифікована Ньютоновская Динаміка, розроблена в середині 1980-х років ізраїльським фізиком М. Мілгрома. Відповідно до цієї теорії, звичайна запис закону всесвітнього тяжіння - зі зворотним пропорційністю квадрату відстані - діє лише до певної межі. Якщо прискорення тіла, яке викликається силою гравітації, виявляється менше приблизно 10 -10 м / с 2, в закон всесвітнього тяжіння потрібно вносити поправку, яка і пояснює дивне рух зірок на околицях спіральних галактик. На жаль, у теорії МОНД відсутня релятивістське продовження, тому вона нездатна пояснити явища, що виходять за рамки простих динамічних задач.

В цілому, потрібно визнати, що темна матерія і темна енергія, які спочатку були лише гіпотетичними концепціями, введеними в теорію, щоб примирити її з спостереженнями, дуже добре вписуються в сучасну картину світу. Важливо, що з їх допомогою вченим вдалося зв'язати між собою два полюси фізики - космологію і фізику елементарних частинок. Проте, пряме експериментальне виявлення двох цих сутностей залишається справою майбутнього. Поки цього не сталося, будемо готові до будь-яких несподіваних поворотів!

107 Responses to Дмитро Вібе. Темна матерія і темна енергія

Цей сайт використовує Akismet для боротьби зі спамом.

Дмитро Вібе: Вчені в шоці

Але проблема не тільки в цьому. Часто в новинах науки доводиться читати про відкриття, що спростовують ту чи іншу теорію. Іноді текст настільки галасливий, що спонукає зайнятися дослідженням: звідки ростуть ноги у чергової сенсації. Ось тут-то найчастіше і виявляється, що журналісти додали в новина тільки плутанину і арифметичні помилки. Дух сенсаційності існував уже в першоджерелі, яким для журналіста є прес-реліз. Автори релізів самі сміливо пишуть про щоденні переворотах в науці. Існує навіть комплект шаблонних формулювань, якими в релізах прийнято підкреслювати значимість відкриття: «вчені розмірковують над», «вчені чешуть в потилиці», «вченим довелося повернутися до класних дощок» і, зрозуміло, «суперечить загальноприйнятій теорії».

У вересні минулого року по ЗМІ пробігла новина про переворот в загальноприйнятої теорії зореутворення. Я розхвилювався: ця тема потрапляє в область моїх інтересів, і мені тривожно було читати про те, що «первісна зірка, виявлена \u200b\u200bастрономами на зовнішніх краях нашої галактики, може обрушити всі сучасні уявлення про те, як утворюються зірки у Всесвіті». Інші повідомлення також містили похмурі слова: «суперечить науці», «абсолютно не вкладається в загальноприйняту теорію зореутворення» та ін. Мені було б сумно, якби моя улюблена тематика відразу звалилася, і тому я пішов по слідах, впевнений, що крах науки придумали журналісти.

З книги Цифровий журнал «Компьютерра» № 92 автора Журнал «Компьютерра»

Дмитро Вібе: Трохи холодної води у сонця Дмитро Вібе Опубліковано 28 жовтня 2011 року Вода - основа життя на Землі. Її роль в біохімічних процесах неймовірно велика, і нам, безумовно, сильно пощастило, що на нашій планеті вода настільки багата.

З книги Цифровий журнал «Компьютерра» № 94 автора Журнал «Компьютерра»

Дмитро Вібе: Море інформації, в якому ми тонемо Дмитро Вібе Опубліковано 07 листопада 2011 року Сучасна наука організована таким чином, що ключовим результатом діяльності вченого або групи вчених є стаття в професійному

З книги Цифровий журнал «Компьютерра» № 98 автора Журнал «Компьютерра»

Дмитро Вібе: місячно-сонячно-планетний календар Дмитро Вібе Опубліковано 09 грудня 2011 року після затемнення, яке трапиться десятого грудня, настане тривала перерва: наступне повне затемнення нашого супутника відбудеться тільки в квітня 2014

З книги Цифровий журнал «Компьютерра» № 99 автора Журнал «Компьютерра»

Дмитро Вібе: Маленька, але дуже горда комета Дмитро Вібе Опубліковано 16 грудня 2011 року Комета Лавджоя увійшла в наше життя всього пару тижнів тому. Невже тільки для того, щоб відразу ж назавжди піти? Звичайно, безглуздо говорити про мертву крижаний

З книги Цифровий журнал «Компьютерра» №№ 103, 104 автора Журнал «Компьютерра»

Дмитро Вібе: Сліди небачених планет Дмитро Вібе Опубліковано 20 січня 2012 року Пошук невідомих планет в Сонячній системі - спорт досить старий. Першим мисливцем за планетами нового часу став Вільям Гершель, який після випадкового

З книги Цифровий журнал «Компьютерра» № 120 автора Журнал «Компьютерра»

Дмитро Вібе: Спітцер, телескоп і людина Дмитро Вібе Опубліковано 12 травня 2012 року Лайман Спітцер-молодший в Росії та ближньому зарубіжжі відомий, мабуть, в основному як автор двох монографій - «Фізика повністю іонізованого газу» і «Фізичні

З книги Цифровий журнал «Компьютерра» № 124 автора Журнал «Компьютерра»

Дмитро Вібе: Коли таємне стане явним Дмитро Вібе Опубліковано 08 червня 2012 після мого епічного провалу зі спостереженнями транзиту Венери хочеться написати що-небудь епічне. І я вирішив написати про нашу науку. Точніше, про те, чим вона

З книги Цифровий журнал «Компьютерра» № 125 автора Журнал «Компьютерра»

Дмитро Вібе: Звідки чекати неприємностей Дмитро Вібе Опубліковано 15 червня 2012 після попередньої колонки колеги дорікнули мене в тому, що мої скарги на відсутність журналістів на з'їзді Астрономічного товариства кілька недоречні - я сам там

З книги Цифровий журнал «Компьютерра» № 127 автора Журнал «Компьютерра»

Дмитро Вібе: Чому ми бачимо людину на Місяці? Дмитро Вібе Опубліковано 29 червня 2012 року Одна з найфундаментальніших астрономічних картинок - діаграма Герцшпрунга-Рассела. По ній одній можна розповісти третину всієї астрономії. Простота і ємність

З книги Компьютерра PDA N163 (10.03.2012-16.03.2012) автора Журнал «Компьютерра»

З книги Цифровий журнал «Компьютерра» № 140 автора Журнал «Компьютерра»

Дмитро Вібе: В тихій глобуле чорти водяться Дмитро Вібе Опубліковано 24 вересня 2012 року З доісторичних часів відомо, що на рівному зоряному «килимі» місцями трапляються дірки - ділянки, на яких зірок або видно дуже мало, або зовсім не

З книги Цифровий журнал «Компьютерра» № 141 автора Журнал «Компьютерра»

Дмитро Вібе: Вітаю річницею запуску Дмитро Вібе Опубліковано 05 жовтня 2012 року Дивлюся випуски новин від 4 жовтня. Напруженість на Близькому Сході (ось вже новина на всі часи!), Навчання МНС, знайдений у вічній мерзлоті мамонт - і, в

З книги Цифровий журнал «Компьютерра» № 143 автора Журнал «Компьютерра»

Дмитро Вібе: Алмаз і гарячі над-Землі Дмитро Вібе Опубліковано 19 жовтня 2012 року Скажіть, які асоціації викликає у вас слово «вуглець»? Напевно щось чорне, бруднити. І це природно: він же вуглець. А вугілля - це те, від чого

З книги Цифровий журнал «Компьютерра» № 147 автора Журнал «Компьютерра»

Дмитро Вібе: Навіщо купувати телескоп Дмитро Вібе Опубліковано 12 листопада 2012 року Моє знайомство з аматорським телескопом відбулося в 1981 році в глухому сибірському селі на березі Бірюса. Там начисто відсутнє вуличне освітлення, тому небо

З книги Цифровий журнал «Компьютерра» № 149 автора Журнал «Компьютерра»

Дмитро Вібе: А ви вже закупили сірники і сіль? Дмитро Вібе Опубліковано 27 листопада 2012 года На днях в поштову скриньку впало лист від мережі супермаркетів, в якій я маю щастя володіти дисконтною карткою. Зазвичай я такі листи видаляю, не читаючи. Чи не

З книги Цифровий журнал «Компьютерра» № 158 автора Журнал «Компьютерра»

Дмитро Вібе: Кому платити за світло знань Дмитро Вібе Опубліковано 31 січня 2013 годаКоллега Сергій Попов в своєму ЖЖ підняв два питання щодо організації науково-популярних лекцій силами діючих вчених (то, що іноді називається «Трибуною вченого»): чи має

Але є такі люди - вони прекрасно чують,
Як зірка з зіркою говорить.
- Ю. Кім

Вид нічного неба, посипаного зірками, з давніх-давен вселяє в душу людини благоговіння і захоплення. Тому навіть при деякому зниженні загального інтересу до науки астрономічні новини іноді просочуються в засоби масової інформації, щоб струсити уяву читача (або слухача) повідомленням про таємниче квазарі на самій околиці Всесвіту, про що вибухнула зірці або про чорну діру, що сховалася в надрах далекої галактики. Цілком природно, що рано чи пізно у зацікавленої людини виникає законне питання: «Та годі, вже не водять вони мене за ніс?» Дійсно, по астрономії написано безліч книг, знімаються науково-популярні фільми, проводяться конференції, постійно зростають тиражі і обсяги професійних астрономічних журналів, і все це - продукт простого розглядання неба?

На цьому знімку показана оболонка, скинута під час спалаху повторної нової Т Компаса (T Pyxidis). Яскрава точка в центрі оболонки - подвійна зірка, що складається зі звичайної зірки і зоряного залишку (білого карлика). Речовина зірки перетікає на білий карлик, поступово накопичуючись на його поверхні. Коли маса накопиченого речовини перевищує певний критичний межа, в системі відбувається вибух. З якихось причин (можливо, в результаті взаємодії з залишками попередніх вибухів) скинута оболонка розпадається на тисячі крихітних світяться вузликів. Крім спектроскопічного дослідження цих вузликів, спостерігаючи за ними на протязі декількох років можна безпосередньо бачити, як вони розлітаються геть від системи. © Shara, Williams, Gilmozzi, and NASA. Зображення з сайту hubblesite.org

Візьмемо, приміром, фізику, хімію або біологію. Там все зрозуміло. Предмет дослідження цих наук можна «помацати» - якщо не безпосередньо потримати в руках, то, по крайней мере, піддати всебічному дослідженню в експериментальних установках. Але як можуть астрономи з такою ж упевненістю стверджувати, наприклад: «У подвійній системі, віддаленій від нас на 6 тис. Світлових років, речовина зривається з червоної зірки, закручується в тонкий диск і накопичується на поверхні білого карлика», пред'являючи як доказ знімок , на якому не видно ні червона зірка, ні карлик, ні тим більше диск, а наявний лише яскрава точка в оточенні ще кількох таких же, хіба що не настільки яскравих? Ця впевненість - не наслідок завищеної самооцінки. Вона виникає з вміння зв'язати міріади розрізнених спостережних фактів в єдину, взаємопов'язану, внутрішньо несуперечливу картину Всесвіту, при цьому успішно пророкуючи відкриття нових явищ.

Основу основ наших знань про Всесвіт становить переконаність в тому, що вся вона (або, принаймні, вся її видима частина) керується тими ж фізичними законами, що відкриті нами на Землі. Це уявлення виникло не на порожньому місці. Не можна навіть сказати, що фізичні закони спочатку відкривалися на Землі, а потім знаходили підтвердження в Космосі. Фізики ніколи не розглядали нашу планету у відриві від решти Всесвіту. Закон всесвітнього тяжіння був виведений Ньютоном за спостереженнями Місяця, а першим його «тріумфом» став розрахунок орбіти комети Галлея. Гелій був виявлений спочатку на Сонце і лише потім на Землі.

Від радіохвиль до гамма-променів

Уявлення про єдність фізичних законів дозволяє зробити дуже важливе допущення. Нехай ми не можемо, наприклад, проникнути в надра зірки або в ядро \u200b\u200bгалактики, щоб безпосередньо побачити там відбуваються. Але ми можемо логічно вивести ці процеси, спостерігаючи вироблений ними результат. Результатом цих в переважній більшості випадків виявляється світло, точніше електромагнітне випромінювання в дуже широкому діапазоні частот, яке ми безпосередньо і реєструємо. Все інше - крім випромінювання - являє собою продукт теоретичної інтерпретації спостережень, суть якої полягає для астрономів в простій формулі «Про - С», тобто «спостережуване» ( observed) мінус «обчислене» ( computed). Щоб зрозуміти природу будь-якого об'єкта, потрібно побудувати його модель, Тобто фізико-математичний опис відбуваються в ньому процесів, а потім за допомогою цієї моделі обчислити, яке випромінювання має народжуватися в цьому об'єкті. Далі залишається порівняти передбачення моделі з результатами спостережень і, якщо порівняння виявилося недостатньо переконливим, то або змінити параметри наявної моделі, або придумати нову, більш вдалу.

Порівнювати є з чим, бо світло несе в собі колосальний обсяг інформації. Навіть побіжного погляду на зірки досить, щоб помітити - вони розрізняються за кольором. Це вже дуже важлива інформація, оскільки колір залежить від температури. Іншими словами, просто подивившись на зірки неозброєним поглядом і припустивши, що на них діють відомі нам закони випромінювання (скажімо, закон зміщення Віна), ми вже можемо сказати, що поверхні зірок мають різну температуру - від двох-трьох тисяч градусів (червоні зірки) до десятків тисяч градусів (білі і блакитні зірки).

Колір і температура Найпростішим видом випромінювання є теплове - тобто випромінювання, пов'язане з температурою тіла. Теплове випромінювання гріє змерзлі долоні стомленого мандрівника, розвівши на узбіччі дороги невеликий багаттячко; тепловим випромінюванням висвітлюють наші оселі лампочки розжарювання; саме теплове випромінювання мільярди років несе на Землю сонячну енергію. Формально нагріте тіло випромінює у всьому діапазоні довжин хвиль (або частот), але є певна довжина хвилі, на яку припадає максимум випромінюваної енергії. Для джерела випромінювання з максимально простими властивостями, який у фізиці називається абсолютно чорним тілом, ця довжина хвилі обернено пропорційна температурі: λ \u003d 0,29 / T, де довжина хвилі виражена в сантиметрах, а температура - в Кельвіна. Це співвідношення називають законом зміщення Віна. Візуально саме ця довжина хвилі (зрозуміло, в поєднанні з кривою спектральної чутливості ока) визначає видимий колір нагрітого тіла. В спектрах зірок розподіл енергії випромінювання по довжинах хвиль дещо відрізняється від «чернотельного», однак зв'язок між «кольором» і температурою зберігається. Слово «колір» тут взято в лапки, оскільки замість суб'єктивного опису (червоний, жовтий, блакитний і ін.) В астрономії використовуються менш мальовничі, але куди більш чіткі кількісні показники - так звані показники кольору.

Звичайно, в реальності все складніше, оскільки випромінювання тіла не завжди пов'язано з тим, що воно має певну температуру. Іншими словами, воно може мати і нетепловую природу, як, наприклад, синхротронное або мазерного. Однак це можна легко встановити, визначивши не тільки «колір», тобто частоту, на яку припадає максимум випромінювання, але і всю форму спектра, тобто розподіл випромінюваної енергії по частотах. Сучасна апаратура дозволяє реєструвати випромінювання в величезному частотному діапазоні - від гамма до радіохвиль.

Хоча загальна форма спектра зірки або іншого об'єкта вже говорить багато про що (наприклад, про природу випромінювання - теплове воно чи ні і якщо теплове, то якій температурі відповідає), в спектрі є і значно більш ємний носій інформації - лінії. При певних умовах речовина випромінює (якщо воно випромінює само) або поглинає (якщо його висвітлює інше джерело) світло лише на певних частотах. Конкретний набір частот залежить від індивідуального розподілу енергетичних рівнів атомів, іонів або молекул речовини, а це означає, що за наявністю тієї чи іншої спектральної лінії можна зробити висновок, що в випромінюють або поглинає речовині присутні ці атоми і молекули. За інтенсивністю лінії, по її формі, поляризації, а також по відношенню інтенсивностей різних ліній одного і того ж атома або молекули можна визначити зміст даного елемента в атмосфері зірки, ступінь іонізації, щільність речовини, його температуру, напруженість магнітного поля, прискорення сили тяжіння. .. якщо речовина рухається, його спектр, в тому числі лінії, зсувається як ціле через ефект Доплера: в синю сторону спектра, якщо речовина наближається до нас, в червону - якщо речовина видаляється. Це означає, що зі зміщення ліній щодо «лабораторного положення» ми можемо робити висновки, наприклад, про рух як зірки в цілому, якщо зміщується весь спектр, так і окремих шарів її атмосфери, якщо лінії, що утворюються на різних глибинах, зміщуються по-різному .

Першу карту сонячного спектра побудував на початку XIX століття знаменитий оптик Йозеф Фраунгофер. Найбільш помітним темним лініях в спектрі Сонця він привласнив буквені позначення, деякі з яких застосовуються астрономами досі ( верхній малюнок). У другій половині XIX століття з'ясувалося, що положення ліній поглинання ( темних) В спектрі Сонця збігається з положенням ліній випромінювання ( світлих) В лабораторних спектрах різних хімічних елементів. З порівняння наведених тут спектрів видно, що фраунгоферові лінії h, G ", F і C належать водню, а подвійна лінія D - натрію. Рис. З сайту optics.ifmo.ru

У спектрі зірки, подібної до Сонця, кількість спектральних ліній (в даному випадку, ліній поглинання) вимірюється багатьма тисячами, тому можна без перебільшення сказати, що про зоряних атмосферах (де знаходиться речовина, яке проявляє себе у вигляді ліній) ми знаємо майже все. Майже - тому що сама теорія освіти спектрів неідеальна, хоча і продовжує безперервно вдосконалюватися. У будь-якому випадку, випромінювання зірок несе в собі величезну кількість інформації, яку потрібно тільки вміти розшифрувати. Недарма в популярних текстах спектри люблять порівнювати з відбитками пальців.

Гори гори моя зоря

Але атмосфера - лише невелика частка речовини зірки. Що ми можемо сказати про її надрах? Адже заглянути туди можна тільки теоретично - озброївшись фізичними законами. (Втім, зараз астрономи активно освоюють методи сейсмології, по «тремтіння» спектральних ліній вивчаючи особливості поширення звукових хвиль в надрах зірок і так відновлюючи їх внутрішню будову.) Знаючи температуру і щільність на поверхні зірки (наприклад, Сонця), а також припустивши, що її власна гравітація врівноважується тепловим і світловим тиском (інакше б зірка розширювалася або стискалася), можна прорахувати зміну температури і щільності з глибиною, діставшись до самого центру світила, і заодно спробувати відповісти на питання, що саме змушує Сонце і інші зірки світитися.

Конвективні руху в приповерхневих областях Сонця генерують звукові хвилі, які йдуть углиб зірки, пронизують її наскрізь, відбиваються від поверхні і знову занурюються в надра (див. Рисунок ліворуч). Цей процес повторюється багато разів, в результаті чого кожна ділянка сонячної поверхні немов «дихає», або вібрує. На малюнку праворуч показаний один з режимів сейсмологічних коливань поверхні Сонця (сині ділянки піднімаються, червоні - опускаються). За даними вимірів з борту космічної сонячної обсерваторії SOHO частота коливань в цьому режимі приблизно дорівнює 3 міллігерцам. © GONG (Global Oscillation Network Group). Зображення з сайту gong.nso.edu

Вивчення історії Землі показало, що енерговиділення Сонця протягом декількох мільярдів років залишалося майже незмінним. Це означає, що передбачуваний джерело сонячної (зоряної) енергії повинен бути дуже «довгограючим». В даний час відомий тільки один підходящий варіант - це ланцюжок термоядерних реакцій, що починається реакцією перетворення водню в гелій. Припустивши, що саме вона становить основу зоряної енергетики, можна побудувати теоретичні моделі еволюції зірок різних мас - еволюційні треки, які дозволяють описати зміна зовнішніх параметрів зірки (її світності і поверхневої температури) в залежності від процесів, що відбуваються в її надрах. Звичайно, ми позбавлені можливості спостерігати за зіркою протягом усього її життя. Зате в зоряних скупченнях ми можемо спостерігати, як виглядають зірки різних мас, але приблизно одного віку.

Відстані і віки Визначення відстаней в астрономії - це, як правило, багатоступенева процедура, тому систему астрономічних «еталонів довжини» іноді образно називають «сходами відстаней». В її основі лежать визначення відстаней в Сонячній системі, точність яких завдяки радіолокаційним методам в ряді випадків досягла вже міліметрових значень. З цих вимірювань виводиться величина головного астрономічного еталона довжини, який без особливих вишукувань так і називається - « астрономічна одиниця». Одна астрономічна одиниця являє собою середнє відстань від Землі до Сонця і дорівнює приблизно 149,6 млн. Км Наступна сходинка «сходи відстаней» - метод тригонометричних паралаксів. Орбітальний рух Землі призводить до того, що протягом року ми опиняємося то по одну сторону Сонця, то по іншу і в результаті дивимося на зірки під дещо різними кутами. На земній небосхилі це виглядає як коливання зірки навколо деякого середнього положення - так званий річний паралакс. Чим далі зірка, тим менше розмах цих коливань. Визначивши, наскільки сильно змінюється видиме положення зірки через річного руху, можна визначити відстань до неї за допомогою звичайних геометричних формул. Іншими словами, відстань, визначене за паралаксу, що не обтяжене жодними додатковими припущеннями, а його точність обмежена тільки точністю вимірювання параллактического кута. З методом паралаксів пов'язана ще одна одиниця виміру астрономічних відстаней: парсек. Один парсек - це відстань, з якого радіус земної орбіти видно під кутом в одну секунду. Біда в тому, що навіть для найближчих зірок паралактичний кут дуже малий. Наприклад, для α Центавра він дорівнює всього лише трьох чвертей кутовий секунди. Тому за допомогою навіть найсучасніших кутомірних інструментів вдається визначити відстані до зірок, віддалених від нас не більше ніж на кілька сотень парсек. Для порівняння, відстань до центру Галактики одно 8-10 тис. Парсек. На наступній сходинці сходів знаходяться «фотометричні» відстані, тобто відстані, засновані на вимірі кількості світла, що надходить від джерела випромінювання. Чим далі від нас він знаходиться, тим тьмяніше стає. Тому, якщо нам якимось чином вдасться визначити його справжню яскравість, то ми, порівнявши її з видимою яскравістю, оцінимо відстань до об'єкта. На відносно невеликих відстанях поза конкуренцією з початку XX століття залишаються цефеїди - особливий рід змінних зірок, у яких справжня яскравість пов'язана простим співвідношенням з їх періодом. На більш значних відстанях в якості «стандартних свічок» застосовуються найновіші типу Ia. Спостереження свідчать, що в максимумі блиску їх справжня яскравість завжди приблизно одна і та ж. Нарешті, на найбільших удалениях єдиним вказівкою на відстань до об'єкта служить поки закон Хаббла - виявлена \u200b\u200bамериканським астрономом пряма пропорційність між відстанню і зміщенням ліній у червону область спектра. Важливо відзначити, що поза Сонячною системою єдиним прямим методом визначення відстаней є метод паралаксів. Всі інші методи в тій чи іншій мірі спираються на різні припущення. З віками ситуація набагато менш певна. Настільки менше, що не завжди буває зрозуміло навіть, що саме називати віком. У межах Сонячної системи крім звичайних геологічних методів для оцінки віку поверхонь небесних тіл використовується, наприклад, ступінь їх покриття метеоритними кратерами (за умови, що відома середня частота падіння метеоритів). Колір поверхні астероїдів поступово змінюється під впливом космічних променів (це явище називається «космічної ерозією»), тому її вік можна приблизно оцінити за кольором. Вік остигаючих космічних об'єктів, позбавлених джерел енергії, - коричневих і білих карликів - оцінюють по їх температурі. Оцінки віку пульсарів спираються на швидкості уповільнення їх періодів. Приблизно визначити вік розлітається оболонки наднової можна, якщо вдається виміряти її розмір і швидкість розширення. З віками зірок справа йде трохи краще. Правда, більшу частину часу життя зірки вона проводить на стадії центрального горіння водню, коли зовні з нею відбувається дуже мало змін. Тому, дивлячись, наприклад, на зірку, подібну Сонця, важко сказати, утворилася вона 1 млрд років назад або 5 млрд років тому. Ситуація спрощується, якщо нам вдається спостерігати групу зірок приблизно одного віку, але різних мас. Таку можливість нам надають зоряні скупчення. (Зірки в них, звичайно, утворюються не зовсім одночасно, але в більшості випадків розкид віку окремих зірок менше середнього віку скупчення.) Теорія зоряної еволюції пророкує, що зірки різних мас еволюціонують по-різному - чим масивніше зірка, тим швидше вона закінчує свій « Зоряний шлях". Тому чим старше скупчення, тим нижче опускається планка максимальної маси населяють його зірок. Наприклад, в дуже молодому зоряному скупченні Arches (Арки), розташованому поблизу центру Галактики, є зірки з масою в десятки сонячних мас. Такі зірки живуть не більше декількох мільйонів років, стало бути, саме такий максимальний вік цього скупчення. А ось в кульових скупченнях найбільш важкі зірки мають масу не більше 2 мас Сонця. Це говорить про те, що віки кульових скупчень вимірюються мільярдами років.

Теоретичні моделі зоряної еволюції пророкують, що зірки різних мас вибудовують своє життя по-різному: масивні зірки швидко спалюють відведені їм великі запаси палива, живучи яскраво, але недовго. Зірки малих мас, навпаки, витрачають себе дуже економно, розтягуючи своє скромне кількість водню на мільярди років. Іншими словами, теорія передбачає, що чим старше зоряне скупчення, тим менше буде в ньому масивних зірок. Саме таку картину дають нам спостереження. У молодих зоряних скупченнях (з віками порядку декількох мільйонів років) трапляються іноді зірки з масами в кілька десятків мас Сонця; в скупченнях середнього віку (десятки і сотні мільйонів років) верхня межа мас зірок опускається до десятка мас Сонця; нарешті, в найстаріших скупченнях ми практично не бачимо зірок масивніше Сонця.

Звичайно, на це можна заперечити, що ми використовуємо для підтвердження теорії зоряної еволюції віки зоряних скупчень, визначені за допомогою цієї самої теорії. Але правильність визначення віку скупчень підтверджується і іншими фактами. Наприклад, скупчення, які з точки зору теорії зоряної еволюції здаються наймолодшими, практично завжди оточені залишками молекулярного хмари, з якого вони утворилися. Самі ж старі скупчення - кульові - старі не тільки з точки зору теорії зоряної еволюції, вони ще й дуже бідні важкими елементами (в порівнянні з тим же Сонцем), що цілком узгоджується з їх поважним віком. В ту далеку епоху, коли вони народилися, важкі елементи в Галактиці ще не встигли синтезуватися у великих кількостях.

Зоряні скупчення, що населяють галактичний диск, астрономи називають розсіяними. Вхідні в них зірки (як правило, не більше декількох сотень) досить сильно розкидані в просторі, так що іноді буває навіть важко відрізнити реальне скупчення від випадкового групування зірок на небосхилі. Ці скупчення в більшості своїй дуже молоді. Іноді в них ще можна спостерігати залишки речовини, з якої сформувалися зірки скупчення. На знімку зліва показано одне з найвідоміших розсіяних скупчень - NGC 346 в супутнику нашої Галактики Малому Магеллановій хмарі (віддаленому від нас на 210 000 світлових років) у сузір'ї Тукана (Tucana). Знімок отриманий за допомогою Космічного телескопа ім. Хаббла в липні 2004 року (© NASA, ESA, and A.Nota, STScI / ESA). справа ми бачимо зовсім інше зоряне сімейство - кульове скупчення M15 в сузір'ї Пегаса (Pegasus) в 40 000 світлових років від Землі (© NASA and STScI / AURA). Зірки кульових скупчень дуже старі (див. Врізку «Відстані і віки») і маломасивні, зате їх дуже багато. Якщо типове розсіяне скупчення включає в себе сотні зірок, то в кульовому їх рахунок може йти на мільйони - і це при порівнянних розмірах! Ареал проживання кульових скупчень не обмежений диском - вони утворюють навколо нашої Галактики своєрідне сферически-симетричне хмара радіусом в десятки тисяч парсеків. (Зображення з сайту hubblesite.org)

Правда, синтез важких елементів - це теж пророцтво теорії зоряної еволюції! Але і воно підтверджується незалежними спостереженнями: за допомогою спектроскопії ми накопичили безліч даних про хімічний склад зірок, і теорія зоряної еволюції прекрасно пояснює ці дані не тільки з позиції змісту конкретних елементів, але і з позиції їх ізотопного складу.

У загальному і цілому можна, напевно, закінчити розмову про теорії зоряної еволюції так. У ній навряд чи можна знайти якесь одне конкретне пророцтво, яке підтверджувало б якийсь один аспект теорії. Швидше, ми маємо в своєму розпорядженні складну теоретичну картину життя зірок різних мас і хімічного складу, починаючи від ранніх еволюційних стадій, коли термоядерні реакції в зірці тільки загорілися, до останніх етапів еволюції, коли масивні зірки вибухають як наднові, а маломасивні скидають оболонки, оголюючи компактні гарячі ядра. Вона дозволила зробити незліченні теоретичні передбачення, які знаходяться в прекрасному згоді з вельми складною спостережної картиною, що вбирає в себе дані про температури, масах, світність, хімічний склад, просторовому розподілі мільярдів зірок самих різних типів - від яскравих блакитних гігантів до білих карликів.

Народження зірок і планет

Теорія зоряної еволюції досягла таких вражаючих висот не без причини. Зірки яскраві, компактні, численні, тому їх легко спостерігати. На жаль, далеко не в усьому Всесвіт ділиться інформацією настільки ж охоче. Картина Всесвіту стає істотно більш розпливчатою і фрагментарною, коли ми переходимо, наприклад, від зірок до міжзоряному середовищі - газу і пилу, що заповнює більшу частину простору в дискових галактиках, подібних до Чумацького Шляху. Випромінювання міжзоряної речовини дуже слабо, тому що речовина це або дуже розріджене, або дуже холодно. Спостерігати його набагато складніше, ніж випромінювання зірок, але, тим не менше, воно теж дуже інформативно. Просто інструменти, що дозволяють в деталях досліджувати міжзоряне середовище, з'явилися в розпорядженні астрономів лише недавно, буквально в останні 10-20 років, тому не дивно, що в цій галузі залишається поки багато «білих плям».

Одне з найбільш значних «плям» пов'язано, як не дивно, теж з зірками - ми до сих пір толком не знаємо, звідки вони беруться. Точніше сказати, у нас є загальне уявлення про зореутворення, але далеко не таке ясне, як про подальшу еволюції зірок. Можна з упевненістю говорити про те, що зірки утворюються в молекулярних хмарах в результаті стиснення газо-пилових конденсацій. Зі спостережень ми знаємо, що, по-перше, молоді зірки завжди знаходяться в молекулярному газі, а по-друге, поруч з уже «готовими» молодими зірками в молекулярних хмарах спостерігаються і так звані дозвездной ядра - щільні газо-пилові згустки, спектри яких явно вказують на те, що ці згустки стискаються. Однак ми не можемо поки сказати, як з'являються ці згустки і чому вони починають стискатися. Точніше, є дві основні версії зореутворення. Згідно з однією з них, молекулярні хмари утримуються від стиснення магнітним полем (магнітне поле в молекулярних хмарах дійсно є), а дозвездной ядра з'являються там, де підтримка магнітного поля з якихось причин слабшає. Згідно з іншою версією, рушійною силою зореутворення є спостережувана в хмарах турбулентність: дозвездной ядра утворюються там, де випадково стикаються хаотичні потоки речовини. Однак обсяг наглядових даних поки занадто малий, щоб можна було з упевненістю віддати перевагу одному з цих механізмів (або запропонувати третій, четвертий ...).

Трохи краще йдуть справи з теорією утворення планет: за сучасними уявленнями, вони утворюються в газо-пилових дисках у молодих зірок. Знову ж, безпосередньо утворення планет в них ніхто не бачив, але самі ці диски спостерігаються у великій кількості. Завдяки цьому отримані непрямі свідчення того, що пилинки в молодих дисках на певному еволюційному етапі починають злипатися, поступово збільшуючись у розмірах, - на цій стадії у дисків змінюється форма спектра в інфрачервоному діапазоні. У деяких «протопланетних» дисках виявлені аномальні структурні деталі - вигини і «дірки», - які можуть бутивикликані тяжінням вже утворилися в них планет.

Цей знімок диска у молодої зірки β Живописця (β Pictoris) отримано за допомогою Космічного телескопа ім. Хаббла в 2003 році. На ньому видно, що крім основного диска в системі є і вторинний, нахилений щодо основного на 4-5 °. Астрономи вважають цей вторинний диск непрямим свідченням на користь того, що в системі β Живописця є планета, тяжіння якої порушило нормальний перебіг речовини в основному диску і призвело до його «роздвоєння». © NASA, ESA, ACS Science Team, D.Golimowski (Johns Hopkins University), D.Ardila (IPAC), J.Krist (JPL), M.Clampin (GSFC), H.Ford (JHU), and G.Illingworth (UCO / Lick)

Інші світи і краю

Одна з найгарячіших астрономічних тим сьогодні - позасонячні планети, перша з яких була відкрита в 1995 році. Основний метод їх виявлення - метод променевих швидкостей - заснований на ефекті Доплера: планета своїм тяжінням змушує зірку описувати невеликий еліпс навколо центру мас системи. Якщо орбіта планети не строго перпендикулярна променю зору, половину її періоду зірка наближається до спостерігача, половину періоду - віддаляється від нього. В результаті лінії в спектрі зірки трохи «з'їжджають» то вправо, то вліво від середнього положення. Строго кажучи, такі коливання говорять про наявність супутника, але не дозволяють впевнено стверджувати, що це саме планета, а не коричневий карлик або дуже маломасивних зірка (якби це була «нормальна» зірка, її просто було б видно). Над подібними спостереженнями тяжіє «прокляття синуса i», Де i - кут між площиною орбіти планети і площиною небосхилу. За розмахом коливань спектральних ліній визначається не маса, а її твір на sin i. Сенс цього множення простий: якщо орбіта лежить точно в площині небосхилу, ніяких коливань в спектрі ми не побачимо, навіть якщо супутник зірки дуже масивний. Тому на адресу методу променевих швидкостей до сих пір висловлюються сумніви. По-перше, виявлене з його допомогою тіло може і не бути планетою, по-друге, коливання променевих швидкостей, взагалі кажучи, можуть бути пов'язані і з рухами в атмосфері зірки ...

У переважній більшості випадків доказом існування планети є тільки регулярні коливання променевої швидкості «батьківської» зірки. У кількох випадках до них додаються регулярні і синхронізувати з коливаннями променевої швидкості падіння яскравості зірки - затемнення. Лише в парі непідтверджених випадків планету вдалося спостерігати у вигляді світиться точки поруч із зіркою. Тому майте на увазі - якщо в астрономічній новини вам попалося барвисте зображення планети в іншої зірки, це завжди фантазія художника ... (На рис. Зображено газовий гігант ( великий блакитний вгорі картинки), Що обертається навколо білого карлика і мілісекундного пульсара B1620-26 ( дві яскраві точки внизу картинки) В кульовому скупченні M4. Астрономи припускають, що це планета, оскільки її маса занадто мала для зірки або коричневого карлика.) Graphic: NASA and G.Bacon (STScI)

Інша справа, якщо площину орбіти планети майже перпендикулярна площині небосхилу, тобто майже паралельна променю зору. У цьому випадку ми можемо розраховувати побачити затемнення зірки планетою. І, починаючи з 1999 року, такі затемнення дійсно спостерігаються! Поки, правда, відомо лише кілька прикладів позасонячних планет, параметри яких вдалося одночасно визначити і по затемнень, і по методу променевих швидкостей. Затемнення в цих системах відбуваються саме тоді, коли їх пророкує метод променевих швидкостей, вселяючи надію на те, що в більшості випадків «планетні» коливання ліній в спектрах зірок дійсно пов'язані з планетами.

До речі, оскільки в такий затменной системі кут i приблизно дорівнює 90 °, а sin i, Відповідно, близький до одиниці, то визначена за методом променевих швидкостей мінімальна маса планети близька до її істинної масі. Тому в даному випадку можна впевнено відрізнити планету від коричневого карлика.

побачити невидиме

Говорячи про невидимий, не можна, звичайно, не сказати про найбільш інтригуючих астрономічних об'єктах. Поняття про чорні діри - об'єктах з настільки потужною гравітацією, що відірватися від них не може навіть світло, - з'явилося в науці ще в XVIII столітті завдяки англійцю Джону Мічелл і французу П'єру Лапласу. На початку XX століття німецький вчений Карл Шварцшильда надав цій ідеї математичну обгрунтованість, вивівши чорні діри як наслідок із загальної теорії відносності. Іншими словами, чорні діри були передбачені теоретично задовго до того, як можна було подумати про те, щоб знайти свідоцтва їх реального існування в природі. Та й як можна говорити про відкриття об'єктів, побачити які неможливо не просто через тимчасове недосконалості апаратури, а за визначенням? Цілком природно, що основним аргументом на користь того, щоб назвати якийсь масивний об'єкт чорною дірою, стала його невидимість. Першим кандидатом в чорні діри на початку 1970-х років виявився невидимий компаньйон подвійної системи Лебідь X-1. Він має масу більш як 5 мас Сонця, але всі спроби виявити його власне випромінювання успіхом не увінчалися. Про його наявності говорить лише гравітаційний вплив, який він чинить на речовина видимого компонента. Як з'ясовується, дуже складно придумати іншу фізичну сутність, яка мала б настільки великою масою і залишалася при цьому невидимою.

Ще більш переконливий доказ реальності чорних дір отримано в останні роки для ядра нашої Галактики. Причому воно випливає не з якихось складних теорій, немає, а зі звичайної небесної механіки, яка описує рух супутника навколо головного тіла. Протягом останнього десятиліття вчені відстежують рух кількох зірок навколо міста геометричного центру Галактики. Орбіта однієї з цих зірок промальована майже повністю - вона обертається навколо центру по витягнутому еліпсу так, немов знаходиться в полі тяжіння об'єкта з масою в кілька мільйонів сонячних мас. Радіус об'єкта не перевищує декількох десятків астрономічних одиниць - такий розмір орбіти цієї зірки. Природно, будь-який тяжіє об'єкт може бути тільки менше орбіти свого супутника. Уявіть собі: мільйони сонячних мас речовини упаковані в розмір Сонячної системи і залишаються при цьому невидимими! Тут потрібно згадати ще про одного великого науковому принципі - так званої бритві Оккама: не потрібно множити сутності без необхідності, з усіх пояснень віддаючи перевагу самому простому. Чорна діра, якою б екзотикою вона не здавалася, на сьогоднішній день залишається найбільш простимвирішенням цієї загадки. Хоча це, звичайно, не гарантує, що в майбутньому не буде знайдено ще більш просте рішення.

Орбіти зірок в ядрі нашої Галактики. Довжина двухконечной стрілки у верхньому правому куті приблизно дорівнює 1600 астрономічним одиницям. Ця карта побудована Андреа Гез і її колегами з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі за даними багаторічних спостережень на Телескопі ім. Кека). Зірочкою позначено місце, де має перебувати тіло, тяжіння якого змушує зірки рухатися по цих траєкторіях. Закони небесної механіки дозволяють визначити, що маса цього тіла становить кілька мільйонів сонячних мас. Особливо цікаві орбіти зірок S0-2 і S0-16, які підходять до невидимого тіла на відстань всього в кілька десятків астрономічних одиниць, накладаючи тим самим дуже серйозне обмеження на його розмір. Мал. з сайту www.astro.ucla.edu

В принципі, сказане стосується і квазарів - надзвичайно яскравим і дуже компактних джерел випромінювання, неймовірно високу світність яких пояснюють виділенням енергії при акреції (падінні) речовини на чорну діру. Матерія не падає безпосередньо на дірку, а закручується навколо неї, утворюючи тонкий аккреційний диск. Це пов'язано з тим, що під обертається системі гравітація (центрального об'єкта або всієї системи цілком) в напрямку, перпендикулярному осі обертання, врівноважується відцентровою силою, тому стиснення відбувається тільки паралельно осі обертання, «сплющуючи» систему в плоский млинець.

Рух газу в диску описується законами Кеплера (тому такі диски називають іноді «кеплерівської»). Хоча ім'я Кеплера зазвичай пов'язують з гіпотезою про те, що планети Сонячної системи обертаються навколо Сонця по еліпсах, проте закони Кеплера в рівній мірі застосовні і до руху по колу (яка представляє собою окремий випадок еліпса).

Один з проявів законів Кеплера стосовно до дисків полягає в тому, що шари на різних відстанях від центру рухаються з різними швидкостями і в результаті «труться» одна об одну, перетворюючи кінетичну енергію орбітального руху в теплову енергію і далі в енергію випромінювання. Це пояснення може виявитися не єдиним, але на сьогоднішній день воно є найпростішим. Зрештою, якщо відволіктися від масштабів явища, джерелом розігріву (і світіння) речовини в аккреционного моделі є тертя - куди вже простіше? Жахлива енергетика квазарів вимагає, щоб об'єкт, на який «падає» речовина, був дуже потужним і геометрично маленьким (чим менше внутрішній радіус диска, тим більше в ньому виділяється енергії). В ядрі активної галактики NGC 4258 «кеплерівської» диск вдалося спостерігати безпосередньо, тобто не просто розгледіти дуже плоску газову структуру, а виміряти швидкість руху речовини в ній і продемонструвати, що це саме диск, що обертається «по Кеплеру». Квазари розташовуються в центрах галактик, тобто саме там, де в нашій та інших галактиках виявлені об'єкти, дуже схожі на чорні діри ... Логічно припустити, що масивні компактні об'єкти в квазарах також представляють собою чорні діри.

Ще один космічний невидимка - темна матерія, тобто матерія, що проявляє себе в гравітації, але не в випромінюванні. Ідею про її існування висловив астроном Фріц Цвіккі. Він звернув увагу на те, що швидкості руху галактик в скупченнях занадто великі, щоб їх можна було пояснити тяжінням тільки видимої речовини. В скупченнях галактик повинно бути щось ще, Невидиме, але володіє гравітаційним полем. Пізніше подібні аномалії виявилися і в русі зірок усередині галактик. Гіпотезу про темній речовині критикують на тій підставі, що вона, начебто, порушує все той же правило Оккама: виявивши неясності в рухах зірок і галактик, астрономи не стали пояснювати їх з позицій існуючих теорій, а відразу ж ввели нову сутність - темна речовина. Але критика ця, на мій погляд, несправедлива. По-перше, «темна речовина» саме по собі сутністю не є. Це просто констатація факту, що рух зірок в галактиках і галактик в скупченнях не описується тільки тяжінням видимої речовини. По-друге, пояснити це тяжіння наявними сутностями виявляється не так-то легко.

Взагалі, на роль темної речовини годяться будь-які масивні невидимі (за допомогою сучасних засобів спостереження) об'єкти. Скажімо, за темну матерію цілком могли б зійти заповнюють простір коричневі карлики або так звані «чорні» карлики, тобто остиглі, холодні і тому невидимі білі карлики. Однак у цих об'єктів є великий недолік: їх можна залучити для опису темної матерії, але не вдається безболісно вписати в сучасну картину Всесвіту. Білий карлик - це не тільки кілька десятих сонячної маси невидимої речовини, але ще і чимало вуглецю і азоту, синтезованих зіркою - попередницею цього білого карлика. Якщо ми припустимо, що простір заповнений остиглими білими карликами, ми відповімо на питання про природу темної матерії, але змушені будемо зайнятися нелегкими пошуками відповіді на інше питання - куди поділися викинуті цими карликами атоми С і N, які повинні були проявитися в хімічному складі зірок наступних поколінь? Крім того, і у білих, і у коричневих карликів є ще один спільний недолік: вони не утворюються самі по собі. Разом з ними повинні були в неабияких кількостях утворюватися і більш масивні зірки. Ці зірки, вибухнувши в кінці свого життєвого шляху як наднові, просто розмели б галактику по навколишньому простору. Ось так і виходить, що невідомі науці елементарні частинки виявляються не екзотичним, а найбільш легко зрозумілим кандидатом на роль темної матерії. Втім, спроби пояснити аномальне рух зірок невидимими «звичайними» об'єктами тривають.

«Матеріальність» темної матерії також заперечується. Зараз публікується досить багато робіт з теорії МОНД - модифікованої ньютонівської динаміці. Відповідно до неї, при рухах з дуже малими прискореннями в формули для ньютоновского тяжіння потрібно вводити поправки. Неврахування цих поправок і призводить до того, що виникає ілюзія додаткової маси.

помацати руками

Твердження, що астрономи не можуть доторкнутися досліджувані ними об'єкти, не завжди справедливо. По крайней мере, в межах Сонячної системи дещо ми можемо не тільки в подробицях сфотографувати, але і «помацати» (хоча б за допомогою автоматів). Тому не дивно, що її пристрій відомо нам досить непогано. Навряд чи хтось буде заперечувати той факт, що Земля обертається навколо Сонця і що разом з нею навколо Сонця обертається ще безліч різноманітних тел. Ми розуміємо сили, під впливом яких рухаються ці тіла, і вміємо пророкувати їх рух. Власне, саме вивчення руху небесних тіл привело до появи самого точного розділу астрономії - небесної механіки.

Згадаймо хоча б історію відкриття першого астероїда - Церери. Італійський астроном Дж. Пиацци відкрив її в першу ніч XIX століття і тут же втратив. Однак знання траєкторії, по якій повинна рухатися Церера (якщо вірні наші уявлення про будову Сонячної системи), дозволило німецькому математику К. Гауса передбачити її положення на майбутні дати, і через рік після відкриття Церера була знайдена знову, і саме там, де їй належало бути.

Тут можна згадати ще хрестоматійну історію про відкриття Нептуна «на кінчику пера», але набагато кращим доказом розуміння небесно-механічного пристрою Сонячної системи є його практичне використання. Зараз рідкісний політ міжпланетного космічного апарату обходиться без так званого гравітаційного маневру - траєкторію польоту прокладають таким хитрим чином, щоб на різних її ділянках апарат прискорювався тяжінням великих планет. Завдяки цьому вдається економити чимало палива.

Говорячи коротко, ми дуже добре (хоча і не ідеально) розбираємося в русітіл Сонячної системи. Гірше йде справа з розумінням їх індивідуальної природи. За прикладами не потрібно далеко ходити. Марсіанські канали - яка це була чудова ілюзія! Астрономи-спостерігачі малювали карти марсіанської меліораційної мережі, астроботаніка висували сміливі гіпотези про життєвий цикл марсіанських рослин, натхненні ними фантасти малювали картини контакту з марсіанами (чомусь одна одної страшніше) ... Перші ж знімки Червоної планети, отримані космічними апаратами, розвіяли ці фантазії навіть не в пил - в дим. Хай би вже ще канали виявилися чимось не тим, за що їх приймали. Ні, вони просто були відсутні! Нав'язливе бажання побачити на Марсі щось «таке» зіграло зі спостерігачами злий жарт. При ближчому розгляді Червона планета виявилася абсолютно мертвої.

Зараз наше уявлення про Марсі кардинально відрізняється від того, що мало місце лише якихось 50 років тому. До Марсу злітало безліч зондів, на ньому побували спусковий апарат, в тому числі марсоходи, що проїхали по його поверхні значну кількість кілометрів. Побудовано найдокладніші карти рельєфу, температур, мінерального складу, магнітного поля поверхні Марса. Сміливо можна стверджувати, що принаймні про поверхні і атмосфері Марса ми знаємо майже все. Чи означає це, що в марсіанських дослідженнях не залишилося місця припущенням? О ні!

Біда в тому, що активна фаза життя Марса давно закінчилася. Незважаючи на близькість Червоної планети ми все одно бачимо тільки результат, але не мають змоги спостерігати процес. Доводиться вдаватися до аналогій. Зрештою, Земля і Марс не так вже сильно відрізняються один від одного. Чому б не припустити, що подібні форми рельєфу на обох планетах сформовані подібними процесами? Перші ж знімки марсіанської поверхні принесли землянам не тільки сумну новину про відсутність каналів. На них виявилося і дещо цікаве - висохлі річкові русла. Нехай на сучасному Марсі немає води, але вона була там в далекому минулому! Бо що, крім поточної води, здатне залишити такі сліди? Додайте до цього слоистость гірських порід Марса, дуже схожу на будову земних осадових порід, і наявність мінералів, які на Землі утворюються тільки в рідкому середовищі ... Одним словом, вся сукупність даних про Марс говорить про те, що колись, швидше за все дуже давно і дуже недовго, водойми на ньому були. Але всі ці дані є, звичайно, непрямими доказами. І саме тут проходить межа, за якою читач або слухач астрономічної новини повинен бути насторожі. Бо від результату спостереження до висновку з нього пролягає ланцюжок логічних умовиводів і додаткових припущень, яка в текст популярної новини потрапляє не завжди (це, втім, вірно у відношенні не тільки астрономії, а й інших наук).

Цей схил одного з кратерів на Марсі був кілька разів сфотографований американським космічним зондом Mars Global Surveyor. На знімку, отриманому в вересні 2005 року, чітко видно свіжий слід ... чого? Зовні він виглядає так, немов залишений прорвалися на поверхню і тут же замерзлими грунтовими водами. Але чи є це єдино можливим поясненням? © NASA

Ще наочний приклад - Європа, один з галілеєвих супутників Юпітера. Спектральний аналіз показує, що поверхня цього супутника складається з водяного льоду. Але середня щільність речовини Європи (3 г · см -3) в три рази перевищує щільність води, а значить, більшу частину супутника становить кам'яне ядро, оточене менш щільною водяною оболонкою. Диференціація будови Європи, тобто поділ на більш тугоплавкое ядро \u200b\u200bі легкоплавкую оболонку, говорить про те, що надра цього супутника піддавалися і, можливо, зазнають значного нагрівання. Джерело цього нагріву - швидше за все, приливну взаємодію з Юпітером і іншими супутниками планети-гіганта.

Супутник Юпітера Європа, на відміну від більшості тіл Сонячної системи, досить гладкий і майже повністю позбавлений метеоритних кратерів. Його поверхня, що складається з водяного льоду, постійно розгладжується, зберігаючи з деталей рельєфу лише густу мережу неглибоких тріщин. Рухливість кори Європи говорить про те, що під нею прихований якийсь менш твердий матеріал, однак це може бути не товща води, а всього лише пухка волога маса, схожа на підталий сніг. Зображення отримане за допомогою Міжпланетної станції Galileo (воно складено зі знімка з низьким дозволом, зробленого 28 липня 1996 року під час першого обльоту Юпітера станцією «Галілео», і знімки з високою роздільною здатністю, зробленого 31 травня 1998 року у час 15-го обльоту). © NASA / JPL / University of Arizona / University of Colorado; фото з сайту photojournal.jpl.nasa.gov

Цікавість ситуації полягає в тому, що приливної тепла цілком достатньо, щоб підтримувати частина водної оболонки Європи в рідкому стані. Іншими словами, під крижаною кіркою Європи може ховатися океан ... З цим узгоджується і будова поверхні супутника. Вона постійно «омолоджується», про що говорить практично повна відсутність метеоритних кратерів, та й розгалужена мережа розломів і тріщин свідчить на користь тектонічної активності, яка може бути пов'язана з рухливістю твердого льоду на рідкої підкладці. Рідка вода, постійне джерело тепла (приливні деформації), доступність з'єднань вуглецю (в Сонячній системі вони є майже повсюдно) - що ще потрібно для зародження життя? І ось вже готовий яскравий заголовок: «На супутнику Юпітера є живі істоти!». Однак очевидно, що до польоту на Європу дослідного зонда наявність підлідного океану залишиться гіпотезою, а можливе існування в ньому вогнищ життя - і зовсім фантазією.

Кінець епохи антропоцентризму Кому-то це, можливо, здасться дивним, але переконливі докази того, що Сонячна система знаходиться нЕ в центрі Всесвіту, були отримані лише на початку XX століття. Американський астроном Харлоу Шеплі отримав їх, вивчаючи просторовий розподіл кульових зоряних скупчень (ШЗС). У той час було вже відомо, що кульові скупчення розкидані по небу нерівномірно, зосередившись в основному тільки в одній половині небосхилу. Але тільки Шеплі вдалося виявити дійсні масштаби цієї нерівномірності. Визначивши відстані до кульових скупчень за спостереженнями цефеїд в них (див. Врізку «Відстані і віки»), він встановив, що скупчення розподілені в просторі сферически-симетрично, причому центр цього розподілу не просто не збігається з Сонцем, але віддалений від нього на десятки тисяч світлових років! Шеплі здогадався, що центр системи ШЗС збігається з істинним центром нашої Галактики, але протягом багатьох років відмовлявся визнати, що крім неї у Всесвіті можуть існувати й інші «зоряні острови». Гігантський розмір Галактики настільки потряс самого Шеплі, що він просто не міг уявити, що у Всесвіті залишається місце для чогось ще. Тим часом, в 1924 році американський же астроном Едвін Хаббл за допомогою найбільшого в той час 2,5-метрового телескопа Паломарской обсерваторії вперше, як кажуть астрономи, «дозволив на зірки» Туманність Андромеди. Іншими словами, він довів, що її туманне світіння на ділі породжується міріадами окремих зірочок, зібраних в єдину систему, подібну до Чумацького Шляху. Так було доведено, що Сонце розташовується не в центрі Галактики, а на її околиці, а сама Галактика є лише однією з багатьох сотень мільярдів зоряних систем.

Чи можна всьому цьому вірити?

На жаль, віддаленість більшості астрономічних об'єктів і значна тривалість більшості астрономічних процесів призводять до того, що докази в астрономії, як правило, є непрямими. Причому чим далі ми віддаляємося від Землі в просторі і часі, тим непрямих доказів. Здавалося б, є всі підстави ставитися до тверджень астрономів з недовірою! Але сила цих тверджень - не в «Залізобетон» доказів, а в тому, що ці докази складаються в єдину картину. Сучасна астрономія - не зібрання розрізнених фактів, а система знань, в якій кожен елемент пов'язаний з іншими, як пов'язані один з одним окремі шматочки мозаїки-пазла. Від загальної кількості зірок, що народжуються в рік, залежить кількість наднових - значить, швидкість зореутворення повинна узгоджуватися з темпом спалахів наднових. Цей темп, в свою чергу, узгоджується зі спостережуваним кількістю синтезованого при спалахах радіоактивного ізотопу алюмінію. Причому багато хто з цих зв'язків були спочатку передбачені, а потім виявлені під час спостережень. Було спочатку передбачено, а потім виявлено реліктове випромінювання, спочатку передбачені, а потім виявлені нейтронні зірки ... Була передбачена форма протопланетних дисків, наявність різноманітних молекул в молекулярних хмарах ...

Кожен з елементів цієї мозаїки, взятий окремо, малозначим, але разом вони складаються в досить міцну картину, яка тісно пов'язана з успіхами «земної» фізики. Наскільки можна довіряти цій картині? Звичайно, якісь з елементів мозаїки обгрунтовані краще, ніж інші. З одного боку, сучасні уявлення про природу темної матерії можуть піддатися перегляду. А ось підібрати адекватну заміну, наприклад, для термоядерного механізму виробництва енергії в надрах зірок навряд чи вдасться. Ще на початку XX століття в цій області залишався деякий простір для фантазії, але зараз термоядерний механізм узгоджений з дуже великою кількістю спостережних даних. Якщо у когось виникне тепер бажання придумати власний механізм, він повинен буде пояснити як мінімум всі ці ж дані, не втративши при цьому узгодженості із суміжними елементами мозаїки.

помилки астрономів На жаль, і на стару буває помилка. Відстань астрономічних об'єктів і складність їх дослідження призводять іноді до того, що інтерпретація спостережень виявляється неоднозначного, або зовсім невірною. Коли є детальний спектр об'єкта в широкому діапазоні, пояснити спостереження відносно легко. Але що робити, якщо від спектра вдалося виміряти тільки шматочок, та й той з невисокою якістю? Саме так часто буває з далекими і тому дуже тьмяними об'єктами. Наприклад, в 1999 році на звання найдальшої з відомих галактик Всесвіту претендувала галактика STIS 123627 + 621 755. Фрагмент її спектра, виміряного за допомогою Космічного телескопа ім. Хаббла, відповідав величезному червоному зсуву - 6,68 (див. Spectroscopic identification of a galaxy at a probable redshift of z \u003d 6.68 // Nature. 15 April 1999. V. 398. P. 586-588). На той час це був рекорд, і тому дослідження галактики STIS 123627 + 621755 вирішено було продовжити. Однак, вийшовши за межі спектрального діапазону, дослідженого на «Хабблі», астрономи виявили, що там подібність з галактикою на околиці Всесвіту вже відсутня. Повний спектр об'єкта виявився не тільки не схожим на спектр галактики на червоному зсуві 6,68, а й взагалі не схожим на спектр галактики! (Cм. Evidence against a redshift z\u003e 6 for the galaxy STIS123627 + 621 755 // Nature. 30 November 2000. V. 408. P. 560-562.) В іншому прикладі помилка в інтерпретації результатів спостережень виявилася серйознішою. Йшлося про спостереження явища «мікролінзування» - якщо на промені зору між далекою зіркою і спостерігачем виявляється якесь масивне тіло, його гравітаційне поле діє як лінза, викривляє хід променів фонової зірки і призводить до короткочасного збільшення її яскравості. У 2001 році астрономи з Інституту Космічного телескопа (США) повідомили про те, що під час спостережень кульового скупчення M22 вони помітили шість таких ось раптових збільшень яскравості зірок скупчення (див. Gravitational microlensing by low-mass objects in the globular cluster M22 // Nature. 28 June 2001. V. 411. P. 1022-1024). Стислість сплесків говорила про те, що маса гравітаційних мікролінз дуже мала - менше маси Юпітера. Ці спостереження послужили приводом для оголошення про те, що в кульовому скупченні M22 виявлені вільно літаючі планети. Однак детальне вивчення знімків M22 показало, що скачки яскравості ніякого відношення до фонових зірок на мають. Уявне збільшення блиску відбувалося тоді, коли прямо в зображення зірки під час зйомки потрапляла частка космічних променів (див. A Re-examination of the "Planetary" Lensing Events in M22 // astro-ph / 0112264, 12 Dec 2001). Зірок в кульовому скупченні так багато, і розташовані вони так густо, що точне попадання космічних променів в зірку виявилося не таким вже малоймовірним подією.

Я б сказав так: основи сучасної астрономічної картини світу можуть виявитися неточними тільки цілком. Тобто ми можемо помилятися не в окремих фрагментах, а у всій фізиці відразу. Наприклад, якщо виявиться, що зірки - це все-таки не зірки, а дірочки в кришталевому небосхилі, в які якийсь жартівник пускає випромінювання різного спектрального складу ...

Ознакою надійності елемента астрономічної картини може, звичайно, служити його довголіття. І в цьому відношенні астрономія здається цілком благополучній наукою: її базові концепції не змінюються вже багато десятиліть (потрібно враховувати, що сучасній астрофізиці всього-то від народження півтораста років). Теорія термоядерного синтезу розроблена в 1930-і роки, розбігання галактик відкрито в 1920-і роки, теорія зореутворення зараз бурхливо еволюціонує, але ключовим поняттям в ній залишається, наприклад, гравітаційна нестійкість, основні принципи якої були сформульовані Дж. Джинси на самому початку XX століття ... Можна, напевно, сказати, що концептуально в астрономії нічого не змінювалося з тих пір, як Харлоу Шеплі довів, що Сонце знаходиться не в центрі Галактики, а Хаббл довів, що Туманність Андромеди - це позагалактичний об'єкт. Звичайно, з початком Космічної ери сильно змінилися наші уявлення про планетах, але ранні фантазії про Марсі і Венері були породжені скоріше науковим романтизмом, ніж наукові передбачення.

Як читати астрономічні новини

На жаль, уявлення цієї чудової картини в ЗМІ залишає бажати багато кращого. Тому до читання астрономічних новин в пресі потрібно підходити дуже обачно. Як правило, вони засновані на прес-релізах, які в багатьох випадках переводяться на російську мову або переказуються на ньому досить безграмотно. Причому загальна солідність видання, який публікує новина, теж нічого не гарантує. Тому, якщо в новини щось здалося вам невиразним, надуманим, перебільшеним, нелогічним, не поспішайте звинувачувати в цьому наведених у цих пунктах вчених! Якщо повідомлення вас дійсно зацікавило, постарайтеся знайти хоча б вихідний прес-реліз.

Якщо ж повідомлення захопило вас настільки, що вам хочеться влаштувати його критичний розбір, не вважайте за працю прочитати оригінальну роботу! Благо, більшу частину астрономічних статей можна знайти в інтернеті абсолютно безкоштовно. Правда, щоб читати їх, необхідно знати англійську мову.

Дмитро Вібе,
доктор фізико-математичних наук,
провідний науковий співробітник Інституту астрономії РАН