Наука существует, пока существуют загадки. Конечно, мы уже очень много знаем о космосе, и число новых данных быстро растет — ежедневно появляется несколько десятков новых оригинальных статей по астрофизике. Но все равно остаются серьезные вопросы, на которые нет четкого ответа. Мы определили десять проблем физики космоса, решение которых может существенно дополнить или даже изменить картину мира. Над каждой из них работают ученые планеты, используя самое современное оборудование.
Что такое темное вещество?
Эта загадка известна с 30-х годов прошлого века. Уже тогда швейцарский астроном Фриц Цвикки пришел к выводу, что реальная масса скоплений галактик гораздо больше, чем масса всего того, что можно было наблюдать в них непосредственно в телескопы. Все указывало на то, что в космосе кроме привычного для нас вещества есть еще нечто, обладающее массой, но нами невидимое. Эту загадочную субстанцию принято называть «темным веществом».
Вещество-невидимка составляет примерно 25% всей материи Вселенной. Проблема в том, что частицы темного вещества очень слабо взаимодействуют друг с другом и с обычным веществом. Настолько слабо, что это взаимодействие до сих пор никак не удавалось зафиксировать, — мы видим только результат гравитационного влияния этих частиц.
Сегодня даже консервативно настроенные ученые полагают, что в течение ближайшего десятилетия удастся «ухватить за бороду» частицы темной материи. Самое заманчивое — поймать их в лаборатории. Подобные эксперименты проходят в глубоких шахтах, чтобы уменьшить число помех из-за частиц космических лучей.
Оптимисты считают, что новые данные о темном веществе можно будет получить на ускорителях, например на Большом адронном коллайдере (LHC). Однако, на мой взгляд, это куда менее вероятно.
Сами астрофизики тоже не сидят сложа руки. Частицы темного вещества могут аннигилировать (по-простому — взаимоуничтожаться). В результате возникает гамма-излучение, а также появляются пары вполне «нормальных» частиц и античастиц, например электрон и позитрон. Астрономы с помощью наземных и космических устройств пытаются поймать гамма-сигналы и потоки античастиц, которые могут быть следами темной материи.
Что такое темная энергия?
Последние сто лет известно, что Вселенная расширяется. Обсуждалась и возможность ускоренного расширения, но особенно популярной эта тема стала с 1998 года. Тогда наблюдения далеких сверхновых показали, что галактики разбегаются друг от друга со все большей и большей скоростью. Этот результат не вызывает сомнений. Непонятно только, как его объяснить.
Наиболее популярная гипотеза состоит в том, что ответственность за ускоренное расширение несет неизвестная нам «темная энергия», составляющая ни много ни мало 70% плотности Вселенной.
Что это такое и какими свойствами она обладает, физики толком объяснить не могут. Просто не знают. Но именно это нечто и заставляет Вселенную расширяться все быстрее и быстрее.
Пока единственный способ изучать темную энергию — это анализировать подробности эволюции Вселенной, как она расширялась в разные эпохи. Есть основания полагать, что вслед за короткой начальной стадией очень быстрого расширения (инфляции) последовал период длительностью примерно 5–7 млрд лет, когда Вселенная расширялась замедленно. Но потом торможение сменилось ускорением, которое продолжается по сей день. Почему и как это происходит? Какие законы регулируют действие темной энергии? Похоже, что скоро мы будем знать об этом несколько больше.
Отличный исследовательский материал тут представляют взрывы далеких сверхновых. Именно по ним можно определять темпы расширения в разные моменты времени, ведь далекие объекты мы видим такими, какими они были в прошлом.
Какими были свойства первых звезд и галактик?
История Вселенной изучена неравномерно. Мы точно знаем, что произошло спустя 300 тыс. лет после Большого взрыва. Именно в этот момент вещество стало потихоньку «отклеиваться» от излучения. А вот что было потом?
Что тогда творилось в космосе, совершенно непонятно. Наступают «темные времена». Известно только, что первые звезды загораются спустя примерно сотню миллионов лет после 300-тысячелетнего рубежа. Потом постепенно начинают расти первые галактики. Как это было? Какие процессы к этому привели? Интересно было бы на это посмотреть…
Ответив на вопросы, связанные с рождением и свойствами первых звезд, можно будет разобраться и с тайной возникновения сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Зародыши этих монстров могли возникать из первых очень массивных звезд. А могли и в результате коллапса больших облаков газа. Как было на самом деле, должны прояснить наблюдения.
Какова природа черных дыр?
Все любят черные дыры. Если кто-то и боится, то тоже любя. Всем интересно. И первый вопрос: а есть ли они на самом деле? Вообще-то большинство экспертов не сомневаются в их существовании. Но парадокс в том, что наблюдать их в принципе нельзя. Даже факт их наличия во Вселенной подтверждается только косвенными экспериментами.
У черных дыр нет поверхности в привычном смысле этого слова. То, что ограничивает их пределы, принято называть горизонтом событий. О том, что происходит за этим горизонтом, мы принципиально судить не можем. Там черная дыра.
Изнутри черной дыры за горизонт не прорваться. Ни вещество, ни излучение — не может выйти из черной дыры обратно, если что туда провалилось, то уже навсегда. Доказать существование этого горизонта не так-то просто.
Что находится внутри нейтронных звезд?
Самое плотное вещество во Вселенной существует в недрах нейтронных звезд. После взрыва сверхновой звездное ядро продолжает сжиматься по причине всем знакомой гравитации. Сжимается оно до тех пор, пока не превратится в шарик размером около 20 км в диаметре, но с массой как у Солнца.
Средняя плотность такого объекта равна примерно плотности атомного ядра, а в центре превосходит ее раз в десять. В лабораторных условиях достичь такого состояния вещества невозможно. Поэтому и законы, описывающие его, мы понимаем плохо. Известно только, что все вещество, которое образует такой шарик, существует там исключительно в виде нейтронов. Только эти частицы «выживают» при подобных температурах и плотностях. Собственно, поэтому такие звезды и называются нейтронными.
Можно предположить и следующую стадию развития событий.При очень высокой плотности материя переходит в новое состояние, когда кварки уже не заперты внутри протонов, нейтронов или других частиц.
Такое состояние вещества называется кварковым. Можно предположить, что при слиянии нейтронных звезд, когда «клочки летят по закоулочкам», в межзвездное пространство выбрасываются комочки этого самого кваркового вещества — страпельки. Их можно пытаться поймать, например, изучая космические лучи.
Сколько существует планет земного типа?
Самый большой прогресс в астрофизике мы видим в изучении экзопланет, то есть планет, которые вращаются вокруг других звезд. Счет им идет на сотни, хотя первую открыли менее 20 лет назад. А уже скоро счет пойдет на тысячи.
В ближайшие годы можно рассчитывать даже на обнаружение планет земного типа с кислородной атмосферой, которые вращаются на таком расстоянии от своей звезды, что вода там находится в жидком состоянии. То есть планет, пригодных для жизни.
NASA открыло бюро путешествий на экзопланеты и разработало для этого образовательный интерактивный сайт. Совместив астрономические данные с представлениями художников о поверхности экзопланет, ученые создали постеры и 360-градусные изображения.
NASA подчеркивает, что доступные на сайте https://exoplanets.nasa.gov/alien-worlds/exoplanet-travel-bureau/ панорамы – лишь предположения о том, как могут выглядеть экзопланеты, так как о каждой из них известно немного. На интерактивных изображениях можно увидеть планету TRAPPIST-1d и кроваво-красное небо, а также экзопланету Kepler-16b, вращающуюся вокруг своих двух солнц. Изображение Kepler-186f показывает ее обороты вокруг красной звезды и позволяет увидеть, как она может выглядеть в зависимости от того, есть ли на ней атмосфера или нет.
