Астрономия

Гало комкующейся тёмной материи с различными плотностями и огромной, рассеянной структурой, которую предсказывают симуляции. Для масштаба показана светлая часть галактики. Поскольку тёмная материя есть везде, она должна быть и в нашей Солнечной системе. Так почему же мы её до сих пор не увидели?

Согласно огромному объёму свидетельств, большая часть Вселенной состоит из некоей массы загадочного типа, которую мы ни разу не измерили напрямую. Протоны, нейтроны и электроны – и вообще вся материя, состоящая из частиц, входящих в Стандартную Модель – из которой состоят планеты, звёзды и галактики, обнаруживаемые нами по всей Вселенной, составляет лишь 15% её общей массы. Остальное состоит из чего-то совершенно другого: холодной тёмной материи. Но если тёмная материя есть повсюду и в огромных количествах, почему мы не увидели в Солнечной системе? Именно такой вопрос задаёт наш читатель:

Все свидетельства наличия тёмной материи и тёмной энергии относятся к далёкому космосу. Довольно подозрительно, что мы не видим никаких свидетельств их существования здесь, в нашей Солнечной системе. Никто никогда не сообщал ни о каких аномалиях в орбитах планет. Однако их очень точно измерили. Если Вселенная на 95% тёмная, такие эффекты можно было бы измерить локально.

Так ли это? Это была одна из первых мыслей, пришедших мне в голову, когда я впервые узнал о тёмной материи (ТМ) 17 лет назад. Давайте разбираться и выяснять истину.

В межзвёздном пространстве атомы способны связываться в молекулы, включая органические, точно так же, как и на планетах. Если ингредиенты жизни есть повсюду, то и жизнь может быть повсеместной

С тех пор, как люди подняли глаза к небу, к планетам, звёздам и галактикам за пределами нашего родного мира, наше воображение наполнялось возможностями жизни на других планетах. Подходя к вопросу с научной точки зрения, мы всё ещё ждём первой подтверждённой информации о наличии жизни за пределами Земли. Сложные и различные формы жизни на Земле являются результатом более четырёх миллиардов лет эволюции, но в космосе ингредиенты жизни встречаются повсюду. Мы начали обнаруживать органические молекулы в других местах Солнечной системы, в межзвёздном пространстве и даже вокруг других звёзд. Как долго нам ещё ждать до обнаружения первых признаков жизни за пределами нашего мира? Есть несколько способов, которые мы используем для поисков жизни, и какой из них увенчается успехом, остаётся только гадать.

В минувшие выходные я посетил в Минске конференцию по тестированию программного обеспечения. Расписание удалось составить так, что перед началом конференции получилось прочитать лекцию в планетарии, а после ее закрытия — посетить обсерваторию и заглянуть в павильон «Космос» минского музея авиационной техники. Под катом фотографии и немного текста.


Обсерватория минского планетария

Новая инициатива по отправке сообщений в космос может стать наилучшим шансом узнать, одиноки ли мы во Вселенной. Есть только одна проблема: что, если мы не одиноки?

16 ноября 1974 несколько сотен астрономов, официальных лиц и других высоких чинов собрались в северо-западной части Пуэрто-Рико в окружении тропических лесов, в четырёх часах езды от Сан-Хуана. Целью собрания было повторное открытие обсерватории Аресибо, в то время – крупнейшего радиотелескопа в мире. Огромное строение – гигантская тарелка из бетона и алюминия, диаметром, сравнимым с высотой Эйфелевой башни, неправдоподобно раскинувшаяся в известняковом углублении посреди горных джунглей – была обновлена с тем, чтобы увеличить её точность в десять раз и гарантировать, что она переживёт сезон ураганов.

Чтобы отметить повторное открытие, астрономы, обслуживающие обсерваторию, решили временно превратить наиболее чувствительное из всех созданных устройств для прослушивания космоса в машину, способную ему отвечать. После нескольких речей собравшаяся толпа в молчании находилась на краю телескопа, пока система почти три минуты выдавала громкий писк, состоящий из двух нот, разносившийся в удушливой дневной жаре. Слушатели не могли разобрать это сообщение, но, тем не менее, ощущение от прослушивания двух этих нот, дрожащих в воздухе, многих тронуло до слёз.

Несколько лет научный мир говорит о возможности существования девятой планеты в Солнечной системе (Плутон, прости). Возможно, этот объект находится на внешней границе Солнечной системы, гораздо дальше, чем планеты внешнего круга. Пока что прямых доказательств нет, но зато постепенно накапливаются косвенные.

Впервые ученые заявили о возможности присутствия в Солнечной системе огромного объекта в 2016 году. Тогда астрономы из США Майк Браун и Константин Батыгин продолжительное время вели наблюдение за астероидами и кометами на внешних областях Солнечной системы. Оказалось, что эти объекты ведут себя несколько странно.

Изображение с марсохода Оппортьюнити демонстрирует часть «Долины Марафона», как она выглядит с северной части. Изображение было сделано камерой марсохода Pancam 13 марта 2015.

О мире можно узнать очень многое, изучая его атмосферу. К примеру, на Земле оптические свойства света, проходящего через нашу атмосферу, сообщают нам о её составе, коэффициенте отражения, плотности и прочем. Если бы наша атмосфера была гораздо тоньше и менее плотной, небо было бы не таким голубым, закаты – не такими красными, и в целом яркость неба была бы меньше. На Марсе плотность атмосферы составляет 0,7% от Земной, так что даже с меньшей гравитацией его атмосфера очень тонкая и разреженная по сравнению с нашей. Так почему же на изображениях, полученных с марсоходов, марсианское небо кажется таким ярким? Именно такой вопрос задаёт наш читатель:

Мы, физики, знаем, что яркость небо приобретает благодаря солнечному свету, рассеивающемуся на материи атмосферы. Яркость неба напрямую связана с массой материи атмосферы. Но что мы видим на изображениях, полученных с Кьюриосити, Спирит и Оппортьюнити? Невероятно яркое небо и невероятно расплывчатые горы. Как вы можете это объяснить?

Все это — лишь фантазия художника, которая, впрочем, основана на реальных данных, полученных астрономами

Человек может полететь к звездам лишь в отдаленном будущем, если это вообще когда-нибудь случится. Проблема в разработке космического корабля с двигателем, способным донести команду к соседней звезде за вменяемое время. Для этого нужен особенный двигатель, такое же специфическое топливо, система жизнеобеспечения и много чего еще. Технологии пока просто не позволяют нам путешествовать не то, что к звездам, но даже к соседним планетам.

Все это — чисто технологические ограничения. Полет же фантазии безграничен. И мечтают не только обычные люди, но и ученые. Специалисты НАСА, например, на днях выложили в сеть интерактивную визуализацию далекого мира — экзопланеты Kepler-16b, открыв возможность побродить по поверхности чужого мира.

И звёзды в ней уже довольно старые

На большой фотографии слева в основном видны галактики крупного скопления MACS J1149+2223. Гравитационное линзирование гигантского скопления усилило свет от обнаруженной недавно галактики MACS 1149-JD примерно в 15 раз. Справа вверху более детально показана увеличенная часть картинки, а ещё больше она увеличена справа внизу.

Мы заглядывали так далеко в космос, насколько позволяют нам наилучшие из наших телескопов, но пока ещё не увидели мест, где не было бы звёзд и галактик. Существует большой разрыв между первой из найденных нами галактик, GN-z11, существовавшей, когда Вселенной было всего 400 млн лет, и остаточным свечением Большого взрыва, сохранившимся с тех пор, когда Вселенной было 380 000 лет. Между ними должны присутствовать какие-то первые звёзды, но у нас нет возможностей напрямую заглянуть на такое расстояние. И пока у нас не будет телескопа им. Джеймса Уэбба, мы сможем оперировать только непрямыми свидетельствами.

Взгляд на чрезвычайно отдалённую часть Вселенной открывает нам галактики, движущиеся от нас с огромными скоростями. На таких расстояниях галактик видно больше, они меньше по размеру, не такие развитые и удаляются с большими красными смещениями, чем те, что расположены недалеко

Когда вы смотрите на удалённую Вселенную, вы повсюду видите галактики – во всех направлениях, на все миллионы и миллиарды световых лет. Человечеству доступны для наблюдения примерно два триллиона галактик, а общая сумма всего, что есть во Вселенной, гораздо больше и невероятнее, чем большинство из нас может себе представить. Один из наиболее сбивающих с толку фактов состоит в том, что все видимые нами галактики в среднем подчиняются одному правилу: чем дальше они от нас, тем быстрее, по-видимому, они движутся в сторону от нас. Это открытие, сделанное Эдвином Хабблом со своими помощниками в 1920-х, привело нас к картине расширяющейся Вселенной. Но что означает, что Вселенная расширяется? Наука знает это, а теперь будете знать и вы!

У НАСА всегда много задумок. Часть из них реализуется, и вполне успешно, а часть — умирает еще на стадии концепта. Проблема часто не в том, что сама идея была плохой, просто все это разбивается о суровую реальность — недостаток финансов, отсутствие одобрение чиновников и т.п. В настоящее время агентство планирует две миссии на спутник Юпитера, планетоид Европу. Пока что обе миссии находятся на этапе рассмотрения.

Одна из них — Europa Clipper, позволит изучить Европу при помощи максимального с ней сближения — расстояние до поверхности составит всего 25 километров. Научные инструменты Clipper смогут оценить состояние льда планетоида, а также узнать о различных проявлениях активности Европы — например, геологической. Есть и вторая миссия — она еще более амбициозна и предусматривает возможность осуществления посадки, отбора образцов и поиска следов жизни в этих образцах.

Хотя большая часть тёмной материи в Галактике существует в огромном гало, окутывающем нас, каждая отдельная частица ТМ движется по эллиптической орбите под воздействием гравитации. Если частицы ТМ являются античастицами сами себе, и мы придумаем, как их запрячь – они могут стать идеальным источником энергии.

Всё, что мы когда-либо находили во Вселенной, от материи до излучения, можно разбить на мельчайшие составляющие. Всё в этом мире состоит из атомов, которые состоят из ядер и электронов, а ядра состоят из кварков и глюонов. Свет тоже состоит из частиц – фотонов. Даже гравитационные волны, теоретически, состоят из гравитонов: частиц, которые однажды мы сможем получить и зарегистрировать. А что насчёт тёмной материи? Непрямые свидетельства её существования неоспоримы и ошеломляющи, но обязательно ли она должна состоять из частиц? Именно об этом спрашивает нас читатель:

Если тёмную энергию можно определить, как энергию, присущую ткани пространства, может ли быть так, что то, что мы воспринимаем, как «тёмная материя», также является неотъемлемой функцией пространства – сильно или слабо связанной с тёмной энергией? То есть, вместо того, чтобы ТМ состояла из частиц, не может ли она пронизывать всё пространство гравитационными эффектами (однородными или неоднородными), которые могут объяснить наши наблюдения – что-то вроде «тёмной массы»?

Давайте посмотрим на свидетельства и увидим, что они говорят нам о существующих возможностях.

Уравнение Дрейка – математическая формула вероятности обнаружить во Вселенной жизнь или продвинутую цивилизацию

В 1961 году известный астроном Фрэнк Дрейк предложил формулу, ставшую известной, как "уравнение Дрейка". Оно использует несколько множителей и пытается оценить количество внеземных разумных цивилизаций, существующих в нашей Галактике в любой момент [точнее, числа внеземных цивилизаций в Галактике, с которыми у человечества есть шанс вступить в контакт / прим. перев.]. Со времени её появления было запущено несколько проектов, пытающихся найти свидетельства существования внеземных цивилизаций, известных под общим названием «поиск внеземного разума» (search for extra-terrestial intelligence, SETI).

Существует большой набор научных доказательств, поддерживающих картину расширения Вселенной и Большой взрыв. А вот вопрос конечности или бесконечности Вселенной пока не решён

Если вы посмотрите на любые окружающие вас объекты Вселенной, и увидите, что все они будут двигаться в сторону от вас, что вы решите? Может, что у вас есть отталкивающая сила? Или что ткань пространства расширяется? Что вы находитесь в центре произошедшего когда-то взрыва и всё разлетается в стороны от его центра? Все эти и некоторые другие варианты могут казаться разумными, но учёные почему-то всё время говорят о «расширяющейся Вселенной», будто бы другие альтернативы не годятся. Почему? Наш читатель спрашивает об этом:

Откуда нам известно, что расширяется пространство? По отношению к чему? Красное смещение разлетающихся галактик могло бы быть и в бесконечном пространстве, а не обязательно в расширяющемся.

Ответ на этот вопрос вытекает непосредственно из наблюдений за Вселенной.

Одинокий астероид на границе Солнечной системы может выглядеть примерно так

Астероиды — интереснейшие объекты для изучения, поскольку они дают массу информации о происхождении Солнечной системы. При этом астероиды бывают очень разными. Основная масса таких объектов сосредоточена в поясе астероидов, но меньшая часть их разбросана по всей системе. Недавно один такой объект-отшельник был обнаружен на внешних границах Солнечной системы.

Как утверждают астрономы, сформирован он был, скорее всего, в основном астероидном поясе, который расположен между газовым гигантом Юпитером и соседом Земли Марсом. Но позже по какой-то причине он был выброшен очень далеко от места появления. Расстояние от пояса астероидов до текущего местоположения объекта составляет несколько миллиардов километров.

Восемь планет нашей Солнечной системы и наше Солнце, с соблюдением масштаба их размеров, но не масштаба орбит. Невооружённым глазом тяжелее всего увидеть Меркурий. Все планеты движутся по эллиптическим орбитам.

Лучшие научные теории — простые, незамысловатые, эффективно предсказывают результаты наблюдений и содержат внутреннюю элегантность. Простейшие уравнения Ньютона F = ma и Эйнштейна E = mc² содержат выдающиеся сведения и позволяют вывести из них столько всего; модели кварков и Общей теории относительности легко описать, но это невероятно глубокие теории, управляющие взаимодействиями частиц; такие идеи, как суперсимметрия, теория великого объединения и теория струн расширяют известные физике симметрии до новых уровней. Применяя новые математические техники ко Вселенной, мы ищем более глубокую истину в реальности, чем наш сегодняшний уровень её понимания.

Изначальная модель «элегантной Вселенной», Mysterium Cosmographicum [Тайна мироздания] Кеплера была симметричной, красивой и основанной на математике, не применявшейся ранее. Но наша предостерегающая история о том, как она оказалась ещё и огромным научным провалом.

Прошло уже два года после анонса проекта разработки полета автоматических станций (или станции) к Альфа Центавра, который получил название Starshot. Авторы идеи — Стивен Хокинг и Юрий Мильнер. К сожалению, Хокинга с нами больше нет, но его идеи продолжают жить, включая и план отправки робота к соседней звезде. Стоит напомнить, что на текущий момент уровень развития технологий не позволяет человеку реализовать этот проект — расчет делается на то, что к середине века необходимые инструменты появятся, и к Альфа Центавра полетят первые посланники человечества, пускай и электронно-механические.

Сам проект обсуждать пока не стоит, поскольку слишком уж много здесь различных нюансов, на эту тему можно написать целую книгу, да и не одну. Но один аспект стоит того, чтобы о нем поговорить — световой парус. Весь расчет строится на то, что аппарат будет разгоняться до высоких скоростей за счет мощных лучей лазера, направляемых на парус с обратной стороны с Земли. Отличным результатом в этом случае будет набор скорости, равный 20% от скорости света. В противном случае от такой миссии нет никакого толку — к моменту появления результатов о самом проекте никто не будет помнить (возможно, и человечество прекратит свое существование).

Недавнее неожиданное открытие говорит о том, что ранняя Вселенная выглядела совсем не так, как считалось ранее. Первоначальные теории, говорящие о том, что в этом расхождении виновата тёмная материя, подвергаются критике

Новости по поводу первых звёзд во Вселенной всегда кажутся какими-то странными. В прошлом июле Ренан Баркана, космолог из Тель-Авивского университета получил электронное письмо от своего давнего коллеги, Джада Боумана. Боуман руководит небольшой группой из пяти астрономов, построивших и введших в строй радиотелескоп в отдалённой части западной Австралии. Его цель – обнаружить шёпот первых звёзд. Боуман с командой обнаружили не совсем понятный сигнал. И он попросил Баркану помочь ему обдумать, что именно могло вызвать такой сигнал.

InSight полетел на Марс, осталось дождаться прибытия аппарата



В эту субботу, 5 мая, агентство НАСА отправило на Марс научно-исследовательский аппарат InSight. Его главная задача — изучение марсианских горных пород на глубине доступной для бура. Кататься по поверхности Красной планеты, как Opportunity или Curiosity этот аппарат не будет, он должен оставаться на месте. Тем не менее, научная ценность его не ниже, а возможно и выше, чем у роверов, которые уже колесят по Марсу.

Интересно, что с 2008 года Insigth стал первым посадочным модулем для НАСА, отправленным к соседу Земли. Если все пойдет так, как и рассчитано, то система достигнет Марса уже 26 ноября. После того, как она сядет на планету, запустится проверка научных приборов. Если с ними все хорошо, то сразу начнет свою работу сейсмометр и тепловой зонд. Эти два инструмента позволят составить локальную тепловую карту планеты, а также узнать, что собой представляют марсотрясения.

[Этот пост является переводом статьи от Сабины Хоссенфельдер]

«Краткая история времени» Стивена Хокинга была одна из первых научно-популярных книг, прочитанных мною, и я ее возненавидела. Возненавидела, потому что не понимала. Фрустрация от этой книги стала одной из основных причин, почему я стала физиком — ну, по крайней мере, я знаю, кого винить в этом.

Глицин найден, в частности, на поверхности кометы Чурюмова-Герасименко

Сложные органические соединения — повсюду. Они есть на нашей планете, на планетоидах и планетах, находили их и на поверхности комет и в межзвездном пространстве. Но каков процесс их образования в космосе? На днях ученые прояснили это, воссоздав условия открытого космоса. Специалистам удалось получить аминокислоту глицин, направив пучок электронов тонкие пленки вещества в условиях сверхвысокого вакуума и низких температур.

По мнению ряда астрономов и планетологов, именно такие условия являются характерными для образования сложных органических молекул в межзвездной среде, кометах и ледяных спутниках планет. Статья, о которой идет речь, опубликована в журнале The Journal of Chemical Physics, короткое изложение можно найти в препринте здесь.