Глава 33. Ускоренное расширение Вселенной. Темная материя и темная энергия.

Газодинамический способ обнаружения темной материи — с помощью рентгеновского излучения горячего газа в скоплениях. Температура и плотность газа может быть определена на основе энергии и потока рентгеновских лучей, затем можно рассчитать температуру газа (из термодинамики), что дает возможность оценить массовый профиль всего скопления, опираясь на равновесие давления и гравитации. На этом основаны многие из публикаций по работе рентгеновской орбитальной обсерватории «Чандра». В целом, в этих публикациях было показано отношение барионной массы к полной массе на уровне 12—15 %, что не сильно противоречит данным с орбитальной обсерватории «Планк» дающим оценку в районе 15,5—16 %.

Рис.33/4. Скопление Пули: HST + телескоп «Чандра». Полное распределение массы полученной из обработки сильного и слабого гравитационного линзирования показано синим, а рентгеновское излучение горячего газа показано красным.

Хорошим примером применения двух последних методов и газодинамического метода является исследование уникального скопления Пули, где, как выяснилось в ходе анализа снимков в разных диапазонах, темная и барионная материя оказались четко разделены в результате прямого столкновения двух галактических скоплений. Это уникальное разделение было вызвано тем, что горячий газ одного скопления столкнулся с горячим газом другого скопления, нагрелся еще больше, замедлился и застрял в центре новообразованного скопления, а темная материя обоих первоначальных скоплений предположительно прошла сквозь друг друга, не нагреваясь, не излучая, не замедляясь, и в результате оказалась распределенной симметрично по обе стороны от скопления Пуля. Этот вариант доказательства наличия темной материи не зависит от Ньютоновой механики и гравитации на дальних дистанциях, и потому считается лучшим прямым обоснованием гипотезы темной материи.

Согласно опубликованным в марте 2013 года данным наблюдений космической обсерватории «Планк», общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит на 4,9 % из обычной (барионной) материи, на 26,8 % из темной материи и на 68,3 % из темной энергии. Таким образом, Вселенная на 95,1 % состоит из темной материи и темной энергии.

Рис.33/5. Уточнение распределения материи во Вселенной по результатам исследований обсерватории «Планк».

Наконец, общая теория относительности однозначно связывает темп расширения Вселенной со средней плотностью вещества, заключенного в ней. В предположении о том, что средняя кривизна пространства равна нулю, то есть в нем действует геометрия Эвклида, а не Лобачевского (что надежно проверено, например, в экспериментах с реликтовым излучением), эта плотность должна быть равна 10^-29 г/см³Плотность же видимого вещества примерно в 20 раз меньше. Недостающие 95% от массы Вселенной и есть темная материя. Обратите внимание, что измеренное из скорости расширения Вселенной значение плотности равно критическому. Два значения, независимо вычисленные совершенно разными способами, совпали! Если в действительности плотность Вселенной в точности равна критической, это не может быть случайным совпадением, а представляет собой следствие какого-то фундаментального свойства нашего мира, которое еще предстоит понять и осмыслить.

Что же мы знаем сегодня о темной материи, составляющей 95% массы Вселенной? Почти ничего. Но что-то всё же знаем. Прежде всего, нет никаких сомнений в том, что темная материя существует — об этом неопровержимо свидетельствуют факты, приведенные выше. А еще нам доподлинно известно, что темная материя существует в нескольких формах.

Рис.33/6. Виды материи во Вселенной.

А)От 0,3% до 3% скрытой массы заключается в нейтрино — пусть масса их чрезвычайно мала, но количество во Вселенной примерно в миллиард раз превышает количество нуклонов: в каждом кубическом сантиметре содержится в среднем 300 нейтрино.

Б)Небольшая (4–5%) часть темной материи — это обычное вещество, которое не испускает или почти не испускает собственного излучения и поэтому невидимо. Это не так давно открытые массивные галообъекты – тела, находящиеся на периферии галактических дисков. Природа таких объектов до конца не установлена - это могут быть очень холодные коричневые карлики, результат окончательной смерти белых карликов, или холодные блуждающие планетоподобные тела.

В)В качестве главных кандидатов на небарионную темную материю выступают так называемые WIMP (сокращение от английского Weakly Interactive Massive Particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). Особенность WIMP состоит в том, что они почти никак не проявляют себя во взаимодействии с обычным веществом. Именно поэтому они и есть самая настоящая невидимая темная материя, и именно поэтому их чрезвычайно сложно обнаружить. Масса WIMP должна быть как минимум в десятки раз больше массы протона. Поиски WIMP ведутся во многих экспериментах в течение последних 20–30 лет, но, несмотря на все усилия, они до сих пор обнаружены не были.

Существует гипотеза, что значительную часть темной материи составляют первичные черные дыры, образовавшиеся в первую секунду после Большого взрыва.

Но, если следовать разработанной модели, темная материя в галактике, например в нашей Галактике Млечного Пути, будет падать в центр, стягиваться в ядро галактики гораздо сильнее, чем в другие регионы. Однако, все прямые астрономические наблюдения показывают обратную картину: темная материя образует гало вокруг галактики.

Интересной гипотезой о сущности темной материи является гипотеза других измерений. Согласно ей, гравитация принимается как уникальный тип взаимодействия, который может действовать на наше пространство из дополнительных измерений. Это предположение помогает объяснить, почему гравитация слабее - так как она может взаимодействовать с массивной материей в дополнительных измерениях, проникать сквозь барьер, недоступный другим, ядерным и электрическим взаимодействиям. Отсюда следует, что эффект темной материи может быть логично объяснен взаимодействием видимой материи из наших обычных измерений с массивной материей из других (дополнительных, невидимых) измерений через гравитацию. При этом остальные типы взаимодействий эти измерения и эту материю в них не могут никак ощутить, не могут с ней взаимодействовать. Материя в других измерениях (фактически в параллельной Вселенной) может формироваться в структуры (галактики, скопления галактик) похожим на наши измерения способом или формировать свои, экзотические структуры, которые в наших измерениях ощущаются как гравитационное гало вокруг видимых галактик.

Опубликованное в 2012 году исследование движения более 400 звезд, расположенных на расстояниях до 13 000 световых лет от Солнца, не нашло свидетельств присутствия темной материи в большом объеме пространства вокруг Солнца. Согласно предсказаниям теорий, среднее количество темной материи в окрестности Солнца должно было составить примерно 0,5 кг в объеме Земного шара. Однако измерения дали значение 0,00±0,06 кг темной материи в этом объеме. Это означает, что попытки зарегистрировать темную материю на Земле, например, при редких взаимодействиях частиц темной материи с «обычной» материей, вряд ли могут быть успешными.

В последней строке таблицы на рис. 33/6 указана еще одна составляющая скрытой массы Вселенной – темная энергия.

Наблюдения некоторых сверхновых, проведенные в 1997 - 1998 гг., показали, что постоянная Хаббла меняется со временем таким образом (ускорение расширения во времени), что дает повод говорить об инфляционном характере расширения Вселенной на современном этапе ее эволюции.

Рис.33/7. Снимки наиболее удаленной сверхновой, сделанные космическим телескопом «Хаббл». Наряду с другими они послужили обоснованием гипотезы о существовании темной энергии. Вверху - часть звездного неба вблизи сверхновой 1997ff; слева - вид галактики, в которой она находится (указана стрелкой); справа - эта же, но уже затухающая сверхновая.

Загадочный фактор, способный вызвать такое поведение, получил название темная энергия. Темная энергия (англ. dark energy) в космологии — гипотетический вид энергии, введенный в математическую модель Вселенной ради объяснения наблюдаемого ее расширения с ускорением. Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя — как видимая, так и невидимая (темная материя). На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, было постулировано существование неизвестного вида энергии с отрицательным давлением. Ее назвали «темной энергией».

Гипотеза о существовании темной энергии (чем бы она ни являлась) решает и так называемую «проблему невидимой массы». Теория Большого Взрыва объясняет формирование в молодой Вселенной легких химических элементов, таких как гелий, дейтерий и литий. Теория крупномасштабной структуры Вселенной объясняет формирование структуры Вселенной: образование звезд, квазаров, галактик и скоплений галактик. Обе эти теории предполагают, что плотность обычной материи и темной материи составляет около 30 % от критической плотности, требуемой для образования «закрытой» Вселенной, то есть плотности, необходимой, чтобы форма Вселенной была плоской.

Рис.33/8. Сравнение точности измерения реликтового излучения. Вверху – радиотелескоп Пензиаса и Вилсона; посередине орбитальная лаборатория СOBE; внизу – орбитальная лаборатория WMAP.

Измерения реликтового излучения Вселенной, проведенные спутником WMAP, показывают, что форма Вселенной действительно очень близка к плоской. Следовательно, некая ранее неизвестная форма невидимой энергии должна давать отсутствующие 70 % плотности Вселенной.

Рис.33/9. Результаты работы орбитальной лаборатории WMAP.

Существует три варианта объяснения сущности темной энергии:

-темная энергия есть космологическая константа — неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной (другими словами, постулируется ненулевая энергия и давление вакуума);

-темная энергия есть некое динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.

-темная энергия есть модифицированная гравитация на расстояниях порядка размера видимой части Вселенной.

К настоящему времени (2017 год) все известные надежные наблюдательные данные не противоречат первой гипотезе, так что она принимается большинством астрономов. Окончательный выбор между вариантами требует очень длительных и высокоточных измерений скорости расширения Вселенной, чтобы понять, как эта скорость изменяется со временем. Темпы расширения Вселенной описываются космологическим уравнением состояния. Разрешение уравнения состояния для темной энергии является одной из самых насущных задач современной наблюдательной космологии. Сущность темной энергии является предметом споров. Известно, что она очень равномерно распределена, имеет низкую плотность, и не взаимодействует сколько-нибудь заметно с обычной материей посредством известных фундаментальных типов взаимодействия — за исключением гравитации. Поскольку гипотетическая плотность темной энергии невелика (порядка 10^-29 г/см³), ее вряд ли удастся обнаружить лабораторным экспериментом. Темная энергия может оказывать такое глубокое влияние на Вселенную (составляя 70 % всей энергии) только потому, что она однородно наполняет пустое (в иных отношениях) пространство.

Имеется гипотеза, что темной энергии нет вообще, а ускоренное расширение Вселенной объясняется неизвестными свойствами сил гравитации, которые начинают проявляться на расстояниях порядка размера видимой части Вселенной.

О темной энергии можно сказать еще меньше, чем о темной материи. Во-первых, она равномерно распределена по Вселенной, в отличие от обычного вещества и других форм темной материи. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько вне их. Во-вторых, она обладает несколькими весьма странными свойствами, понять которые можно, лишь анализируя уравнения теории относительности и интерпретируя их решения. Например, темная энергия испытывает антигравитацию: за счет ее присутствия темп расширения Вселенной растет. Темная энергия как бы расталкивает саму себя, ускоряя при этом и разбегание обычной материи, собранной в галактиках. А еще темная энергия обладает отрицательным давлением, благодаря которому в веществе возникает сила, препятствующая его растяжению.

Главный кандидат на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, что и соответствует отрицательному давлению. Еще один кандидат — гипотетическое сверхслабое поле, получившее название «квинтэссенция». Надежды на прояснение природы темной энергии связывают прежде всего с новыми астрономическими наблюдениями. Продвижение в этом направлении, несомненно, принесет человечеству радикально новые знания, поскольку в любом случае темная энергия должна представлять собой совершенно необычную субстанцию, абсолютно непохожую на то, с чем имела дело физика до сих пор.

Рис.33/10. Ускоренное расширение Вселенной в наше время.

По имеющимся оценкам, ускоряющееся расширение Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад. Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию темной материи и барионной материи. Плотность барионной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность темной энергии. В конце концов, темная энергия начинает преобладать. Например, когда объем Вселенной удваивается, плотность барионной материи уменьшается вдвое, а плотность темной энергии остается почти неизменной (или точно неизменной — в варианте с космологической константой).

Если ускоряющееся расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, то в результате галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик рано или поздно выйдут за горизонт событий и станут для нас невидимыми, поскольку их относительная скорость превысит скорость света. Это не является нарушением специальной теории относительности. На самом деле невозможно даже определить «относительную скорость» в искривленном пространстве-времени. Относительная скорость имеет смысл и может быть определена только в плоском пространстве-времени, или на достаточно малом (стремящемся к нулю) участке искривленного пространства-времени. Любая форма коммуникации далее пределов горизонта событий становится невозможной, и всякий контакт между объектами теряется. Земля, Солнечная система, наша Галактика, и наше Сверхскопление будут видны друг другу и в принципе достижимы путем космических полетов, в то время как вся остальная Вселенная исчезнет вдали.

Рис.33/11. Сценарии будущего Вселенной: Большой Разрыв (BigRip), медленное остывание (ConstantDarkEnergy), Большое Сжатие (BigCrunch).

Существуют и более экзотические гипотезы о будущем Вселенной. Одна из них предполагает, что фантомная энергия приведет к т. н. «расходящемуся» расширению. Это подразумевает, что расширяющая сила действия темной энергии продолжит неограниченно увеличиваться, пока не превзойдет все остальные силы во Вселенной. По этому сценарию, темная энергия со временем разорвет все гравитационно связанные структуры Вселенной, затем превзойдет силы электростатических и внутриядерных взаимодействий, разорвет атомы, ядра и нуклоны и уничтожит Вселенную в Большом Разрыве.

С другой стороны, темная энергия может со временем рассеяться или даже сменить отталкивающее действие на притягивающее. В этом случае гравитация возобладает и приведет Вселенную к Большому Сжатию. Некоторые сценарии предполагают «циклическую модель» Вселенной. Хотя эти гипотезы пока не подтверждаются наблюдениями, они и не отвергаются полностью. Решающую роль в установлении конечной судьбы Вселенной (развивающейся по теории Большого Взрыва) должны сыграть точные измерения темпа ускорения.

Итак, наш мир на 95% состоит из чего-то, о чем мы почти ничего не знаем. Можно по-разному относиться к такому не подлежащему никакому сомнению факту. Он может вызывать тревогу, которая всегда сопутствует встрече с чем-то неизвестным. Или огорчение, оттого что такой долгий и сложный путь построения физической теории, описывающей свойства нашего мира, привел к констатации: большая часть Вселенной скрыта от нас и неизвестна нам.

Но большинство физиков сейчас испытывают воодушевление. Опыт показывает, что все загадки, которые ставила перед человечеством природа, рано или поздно разрешались. Несомненно, разрешится и загадка темной материи. И это наверняка принесет совершенно новые знания и понятия, о которых мы пока не имеем никакого представления. И возможно, мы встретимся с новыми загадками, которые, в свою очередь, также будут разгаданы. Но это будет совсем другая история, которую можно будет прочесть лишь через несколько десятилетий.

https://geektimes.ru/post/286852/видео(хаббл).

Глава 34. Обнаружение планет возле других звезд.

Экзопланета — планета, находящаяся вне Солнечной системы. Долгое время задача обнаружения планет возле других звезд была неразрешимой, так как планеты чрезвычайно малы и тусклы по сравнению со звездами, а сами звезды находятся далеко от Солнца (ближайшая — на расстоянии 4,24 световых года). Первые экзопланеты были обнаружены в конце 1980-х годов.

На 2017 год достоверно подтверждено существование 3704 экзопланет в 2774 планетных системах, из которых в 621 имеется более одной планеты. По проекту «Кеплер» на февраль 2017 года числилось еще 4706 надежных кандидатов, однако для получения ими статуса подтвержденных планет требуется их повторная регистрация с помощью наземных телескопов.

Общее количество экзопланет в Галактике Млечного Пути в настоящее время оценивается не менее чем в 100 миллиардов, из которых ~ от 5 до 20 миллиардов, возможно, являются «землеподобными». Также, согласно текущим оценкам, около 34 % солнцеподобных звезд имеют в обитаемой зоне планеты, сравнимые с Землей. Общее количество экзопланет, напоминающих Землю и обнаруженных к августу 2016 года, составляет 216.

Подавляющее большинство открытых экзопланет обнаружено с использованием различных непрямых методик, а не визуального наблюдения. Большинство известных экзопланет — газовые гиганты и более походят на Юпитер, чем на Землю. Очевидно, это объясняется тем, что легче обнаружить короткопериодичные массивные планеты.

В конце 1980-х годов многие группы астрономов начали систематическое измерение скоростей ближайших к Солнцу звезд, ведя специальный поиск экзопланет с помощью высокоточных спектрометров.

Впервые экзопланета была найдена в 1988 году у оранжевого субгиганта Гамма Цефея A (Альраи), но ее существование было подтверждено лишь в 2002 году.

В 1989 году сверхмассивная планета (или коричневый карлик) была найдена около звезды HD 114762 A. Однако, ее планетный статус был подтвержден только в 1999 году.

В 1995 году астрономы с помощью сверхточного спектрометра обнаружили покачивание звезды 51 Пегаса с периодом 4,23 суток. Планета, вызывающая покачивания, напоминает Юпитер, но находится в непосредственной близости от светила. В среде астрономов планеты подобного типа называют «горячими юпитерами».

Первая экзопланета типа «суперземля», обращающаяся вокруг нормальной звезды (а не пульсара), была обнаружена в 2005 году около звезды Глизе 876. Ее масса — 7,5 масс Земли.

Рис.34/1. Планетная система звезды Глизе876.

В 2004 году было получено первое изображение (в инфракрасных лучах) кандидата в экзопланеты у коричневого карлика 2M1207.

13 ноября 2008 года впервые удалось получить изображение сразу целой планетной системы — снимок трех планет, обращающихся вокруг звезды HR 8799 в созвездии Пегаса. Это первая планетная система, открытая у горячей белой звезды класса А. Все открытые ранее планетные системы (за исключением планет у пульсаров) были обнаружены вокруг звезд классов F-M.

Рис.34/2. Планета Фомальгаут b по результатам повторных исследований 2012 года.

13 ноября 2008 года также впервые удалось обнаружить планету Фомальгаут b, вращающуюся вокруг звезды Фомальгаут. Это открытие было подтверждено в 2012 г.

В 2011 году было объявлено об открытиипяти одиночных юпитероподобных экзопланет.

В сентябре 2011 года было объявлено об открытии двух экзопланет KIC 10905746b и KIC 6185331 b по анализу данных, собранных телескопом «Кеплер». Планеты были найдены астрономами-любителями среди данных, которые профессиональные астрономы по тем или иным причинам отсеяли, и если бы не помощь добровольцев, то эти планеты, вероятно, остались бы не открытыми.

5 декабря 2011 года телескопом «Кеплер» была обнаружена первая экзопланета типа «суперземля» в обитаемой зоне — Kepler-22 b.

20 декабря 2011 года телескопом «Кеплер» у звезды Кеплер-20 были обнаружены первые экзопланеты размером с Землю и меньше — Kepler-20 e (радиусом 0,87 земного и массой от 0,39 до 1,67 масс Земли) и Kepler-20 f (0,045 массы Юпитера и 1,03 радиуса Земли).

22 февраля 2012 года ученые обнаружили первую экзопланету типа «суперземля», расположенную от Земли на расстоянии 40 световых лет и предположительно являющуюся планетой-океаном — GJ 1214 b. Период обращения планеты вокруг звезды — красного карлика — 38 часов, расстояние составляет около 2 миллионов километров. Температура на поверхности планеты составляет примерно 230 °C.

В 2015 году была обнаружена экзопланета, похожая на молодой Юпитер.

В феврале 2017 года было объявлено, что вокруг звезды TRAPPIST-1 обнаружено семь планет, близких к размеру Земли.

Рис.34/3. Планетная система звезды Траппист-1 в сравнении с размерами планет Солнечной системы.

Важные открытия в поиске экзопланет были сделаны орбитальным телескопом «Кеплер» (НАСА), который способен одновременно отслеживать 100 тыс. звезд. «Кеплер» был запущен 7 марта 2009 года. Планировалось обнаружить около 50 планет, размерами идентичными Земле, и порядка 600 планет, в 2,2 раза превосходящих Землю по размеру. «Кеплер» обращается вокруг Солнца по орбите радиусом в одну астрономическую единицу. Расчетный срок эксплуатации был определен в 3,5 года. Позднее было объявлено о продлении миссии до 2016 года, однако в мае 2013 года телескоп вышел из строя. К этому времени «Кеплер» достоверно открыл 132 экзопланеты.

Рис.34/4. Планеты, обнаруженные телескопом «Кеплер» в представлении