Эмбрионы галактик: темное дело

      Комментарии к записи Эмбрионы галактик: темное дело отключены

Эмбрионы галактик: темное дело

    Кое-какие астрологи считают, что часть чёрной материи гало смогут составлять компактные тучи холодного водорода. Они смогут существовать, но пока их никто не замечал Гравитационное линзирование разрешает достаточно совершенно верно определять массу больших объектов, к примеру таких, как большие галактические скопления, находящиеся в миллиардах световых лет от наблюдателей Измеряя интенсивность света от объектов «сзади» этих скоплений, возможно вычислить их полную ее распределение и массу (продемонстрировано белыми контурными линиями).
    Учитывая регистрируемое излучение, возможно вычислить долю массы, вносимую чёрной материей Интернациональный опыт Edelweiss II, проводимый физиками из Франции, России и Германии, ставил целью обнаружение слабо взаимодействующих с простой материей частиц. На снимке — германиевый криогенный детектор. Барионы — это частицы, складывающиеся из трех кварков разных цветов, связанных между собой сильным сотрудничеством.
    К барионам относятся, например, нейтроны и протоны, лежащие в базе «простого» вещества Аксионный телескоп CAST (CERN Axion Solar Telescope) пробует найти аксионы, каковые должны рождаться в недрах Солнца при рассеянии тепловых фотонов на электронах. В случае если аксионы существуют, то в магнитном поле они должны распадаться на рентгеновские фотоны, каковые возможно зафиксировать посредством детекторов Один из срезов сравнительно не так давно выстроенной карты распределения чёрной материи участка небосвода. Распределение простой барионной (слева) и чёрной (справа) материи Путь света во Вселенной искривляется разными массивными объектами

Ави Лёуб, доктор наук астрофизики в Гарварде: «Чуть ли первые галактики показались бы без чёрной материи. Им были нужны зародыши, области с повышенной плотностью, стягивающие на себя окружающее вещество посредством собственного тяготения. Если бы еще не успевшая остыть Вселенная в возрасте нескольких сотен тысяч лет состояла только из излучения и обычного вещества, то тёплый фотонный газ скоро уничтожил бы подобные флуктуации.

А вот чёрная материя не может «спариваться» с фотонами, исходя из этого она и смогла их законсервировать. Более того, без ее спасительного тяготения отечественная Вселенная расширялась бы столь скоро, что в ней по большому счету не имели возможность появиться какие-либо упорядоченные структуры».

Кое-какие ученые считают, что чёрная материя — это уже узнаваемые космические тела, такие как холодные останки белых карликов, газовые планеты-гиганты либо неактивные нейтронные звезды, не испускающие электромагнитного излучения (другими словами не являющиеся пульсарами). Другие вычисляют носителями скрытой массы элементарные частицы, быть может, еще не открытые. Так, предполагается, что чёрная материя состоит или из «простого» барионного вещества (барионы — трехкварковые частицы, к числу которых относятся нейтроны и протоны), или из объектов небарионной природы.

Но, существует еще одна догадка, в соответствии с которой возможными кандидатами на звание чёрной материи считаются черные дыры, сгустки гравитационного поля.

Гравитационные линзы

Чёрная материя не имеет возможности состоять лишь из космического газа. Тёплый ионизированный газ в скоплениях галактик ярко светится в рентгеновском диапазоне, что разрешает оценить его массу. В большинстве случаев она не превышает 15−17% динамической массы скопления, а для галактических гало данный показатель еще меньше.

В космосе имеется кроме этого нейтральный водород, что выдает собственный присутствие излучением и поглощением 21-см радиоволн. Но и его через чур мало.

Еще недавно астрологи предполагали, что чёрная материя галактической свиты концентрируется в плотных несветящихся сгустках. Им придумали наименование Massive Compact Halo Objects — массивные компактные объекты гало, сокращенно MACHO. MACHO любой природы своим тяготением должны искривлять световые волны, проходящие в их окрестности. В случае если MACHO находится совершенно верно между нашей планетой и звездой, то он «стягивает» на себя свет звезды и тем самым увеличивает ее видимый блеск.

Данный эффект именуется гравитационным микролинзированием. Возможность измерять трансформации яркости в первый раз пришла в голову норвежскому астрологу Сюру Рефсдалу еще в 1960-х. В первой половине 80-х годов прошлого века аспирантка Кембриджского университета Мария Петру разглядела данный эффект в собственной диссертации, но не опубликовала ее.

В итоге официально пальма первенства досталась принстонскому астрофизику Богдану Пачинскому, что во второй половине 80-ых годов двадцатого века внес предложение применять гравитационное микролинзирование для поиска чёрной материи и четко растолковал, как это сделать.

«Мачо», «Эрос» и другие

В первой половине 90-ых годов двадцатого века поисками компактных носителей чёрной материи занялись участники интернационального проекта MACHO, каковые пользовались для наблюдений 127-сантиметровым зеркальным телескопом постройки 1868 года, установленным в австралийской обсерватории Маунт Стромло. Данный инструмент был оснащен панорамным фотоэлектрическим детектором, разрешающим в один момент регистрировать трансформации яркости около миллиона звезд.

Соперничающая франко-чилийская несколько EROS (Experience pour la Recherche d Objets Sombres) прибегла к помощи 50-см широкоугольного телескопа Южной Европейской обсерватории в чилийских Андах. Обе группы смотрели за звездами двух соседних галактик, Магеллановых туч. А в ходе проекта OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) американские и польские астрологи принялись искать чёрную материю и в отечественной галактике.

В общем итоге три группы зарегистрировали много случаев микролинзирования. Наблюдения в рамках программы MACHO проводились до 1999 года, EROS — до 2003-го, а OGLE продолжает их и поныне. Нельзя исключать, что кое-какие случаи возможно растолковать отклонением световых лучей телами с массой около половины солнечной. Но таких тел мало.

Результаты проекта MACHO продемонстрировали, что суммарная масса компактных объектов не превышает 20% массы чёрной материи галактических гало, а EROS по большому счету отдает им не больше 7%.

Но это не свидетельствует, что попытка поиска чёрной материи при помощи гравитационных линз всецело провалилась. В январе 2007 года интернациональная несколько COSMOS (Cosmic Evolution Survey) опубликовала собственного рода томограмму чёрной материи для сектора небосвода размером в 1,6 квадратных градуса, расположенного вблизи направления на северный полюс отечественной Галактики.

Гравитационное линзирование (в этом случае без приставки «микро») сотен тысяч далеких галактик разрешило выяснить, как в этом пространственном конусе распределялась чёрная материя впредь до эры, в то время, когда возраст Вселенной составлял только около шести миллиардов лет. Оказалась страно прекрасная трехмерная карта (два пространственных измерения и одно временное).

Чёрная материя предстает в виде облака, которое 7−8 млрд. лет назад было практически гомогенным, но позднее фрагментировалось на отдельные «комки». На временных срезах карты прекрасно видно, что галактики предпочитают группироваться на протяжении нитеобразных уплотнений чёрной материи и особенно в территориях пересечения таких нитей, где ее притяжение особенно громадно. В целом эти выводы согласуются с моделью холодной чёрной материи, но более конкретных указаний на ее природу они не содержат.

какое количество модель

Чисто астрономические объяснения природы чёрной материи в лучшем случае смогут претендовать на описание только малой ее части. В соответствии с современной космологии все 1078 нуклонов существовали уже через 100 секунд по окончании Громадного взрыва, но их суммарная масса образовывает всего 4% от общей массы Вселенной (эта величина всецело соответствует астрономическим и астрофизическим наблюдениям). По последним данным, взятым в 2006 году, еще 22% полной массы Вселенной приходятся на небарионную материю, а остальные 74% — на вакуумное поле, которое активизирует расширение космоса (девять лет назад американский физик Майкл Тернер по аналогии с чёрной материей назвал его чёрной энергией).

Это вовсе не свидетельствует, что проекты типа MACHO не имеют смысла. В итоге, источники электромагнитного излучения (по большей части звезды, пульсары и горячий газ) не исчерпывают всей барионной материи, хоть и воображают ее господствующую часть (несколько лет назад было доказано, что ионизированного газа в космосе значительно больше, чем вычисляли ранее).

Потому, с позиций астрологов, погоня за барионной компонентой чёрной материи в полной мере оправдана, не смотря на то, что в целом и не через чур перспективна. «Гравитационное микролинзирование продемонстрировало, что компактные объекты с массой от земной до ста солнечных в лучшем случае снабжают не больше 20% от массы галактических гало, — говорит доктор наук астрофизики Гарвардского университета Ави Лёуб. — Такими объектами, к примеру, смогут быть коричневые карлики — тусклые протозвезды с массой не более десятой доли массы Солнца, излучающие в красной части видимого спектра и в ИК-диапазоне. Маленькое число их найдено в диске отечественной Галактики. Если они имеется и в гало, то отнюдь не в изобилии».

Сообщённое относится и к остывшим белым карликам, каковые тянут на половину солнечной массы. Но эти тела образуются по окончании взрыва новых звезд, выбрасывающих в пространство углерод и азот. Загрязнений нужного уровня в гало не отыскано. Само собой разумеется, возможно высказать предположение, что существуют механизмы очистки гало от аналогичного мусора, но науке они малоизвестны. Исходя из этого белые карлики также не лучшие кандидаты.

Это же справедливо и для нейтронных звезд, масса которых образовывает около полутора солнечных.

Кое-какие астрологи считают, что часть чёрной материи гало смогут составлять компактные тучи холодного водорода, размеры которых не превышают десятых долей светового года (в противном случае бы их увидели радиоастрономы). Такие тучи смогут существовать, но пока их никто не замечал.

Правила отбора

Астрологи пока не нашли носителей скрытой массы, но у физиков уже припасено много гипотетических частиц — кандидатов на эту роль. Каковы требования к таким частицам? основное и Первое — если они и распадаются, то очень редко. Соотношение чёрной и простой материи сохраняется чуть ли не с момента Громадного взрыва. Все это время общее число барионов оставалось неизменным либо практически неизменным.

Действительно, теоретики допускают, что протоны смогут распасться, но, в случае если это кроме того и без того, время их жизни неизмеримо превышает возраст Вселенной. Следовательно, частицы чёрной материи должны также владеть в случае если и не безотносительной, то очень высокой стабильностью.

Второе условие — ненулевая личная масса (масса спокойствия). Безмассовые частицы, такие как фотоны, движутся со скоростью света. Исходя из этого они заведомо не смогут скапливаться в гравитационных ловушках и вырабатывать облака, каковые нашли астрологи.

По данной же причине частицы чёрной материи не смогут перемещаться с околосветовыми скоростями, причем ни в наши дни, ни в молодости мироздания (в противном случае откуда бы взялись галактики и первые звезды?). Получается, что чёрная материя обязана складываться из хватает «холодных» частиц, не способных к через чур стремительному перемещению.

Пункт третий — эти частицы обязаны быть электронейтральными. Заряженные частицы поглощают и излучают фотоны, и исходя из этого их легко найти. Строго говоря, так же смогут вести себя и нейтральные корпускулы.

К примеру, частица может включать хорошую и отрицательную «половинки», и тогда при нулевом заряде она будет владеть дипольным моментом. О аналогичных тонкостях речи нет, но отсутствие заряда — условие непременное.

Кроме электромагнитного сотрудничества, у природы имеется еще три — сильное, не сильный и гравитационное. Чёрная материя, очевидно, ощущает гравитацию. Нет ничего неосуществимого в том, что ее частицы кроме этого участвуют в не сильный и сильном сотрудничествах. Действительно, возможность их важных столкновений с электронами и нуклонами только мелка, в противном случае бы космическая чёрная материя показала собственный присутствие куда активней.

Для не сильный сотрудничеств такое условие выполняется без неприятностей, а по отношению к сильным его нужно обеспечить некими особенными особенностями частиц.

Нейтрино

Годятся ли на роль носителей чёрной материи уже узнаваемые частицы? Единственный вероятный кандидат — нейтрино, слабовзаимодействующие лептоны, каковые рождались в изобилии практически сразу после Громадного взрыва. на данный момент в среднем на любой барион приходится миллиард нейтрино.

Недавно их вычисляли безмассовыми, но опыты продемонстрировали, что нейтрино наверняка имеют массу спокойствия, хоть и весьма мелкую.

Но при детальном рассмотрении нейтрино отпадают. Во-первых, они через чур «горячи» (их скорость приближается к световой), а во-вторых, легковесны. Масса протона равна 938 МэВ, а масса нейтрино, по всей видимости, не превышает 0,3 эВ.

Нетрудно вычислить, что суммарная масса всех нейтрино как минимум втрое меньше массы барионной материи, а ведь нам нужно, дабы она превышала последнюю более чем в пять раз.

Действительно, до сих пор обращение шла только о тех нейтрино, каковые появляются в реакциях бета-распада ядер. Теоретики не исключают, что практически сразу после Громадного взрыва имели возможность появиться и куда более тяжелые, а потому относительно «холодные» нейтрино, не принимающие участия кроме того в не сильный сотрудничествах (предложивший эти частицы Бруно Понтекорво назвал их «стерильными»).

Легчайшие из стерильных нейтрино с массой от одного до нескольких кэВ способны прожить весьма долго и посему в полной мере годятся на роль носителей скрытой массы. Но стерильное нейтрино иногда может спонтанно распасться на простое легкое нейтрино и рентгеновский квант, и это свечение возможно найти посредством рентгеновского телескопа.

Сравнительно не так давно было высказано предположение, что стерильные нейтрино содействовали формированию первых звезд не только своим тяготением. «Для рождения звезды водородное облако должно стянуться под действием гравитации. Наряду с этим газ разогревается, кинетическая энергия частиц растет. Для предстоящего сжатия газу нужно дать избыточную тепловую энергию через испущенное излучение.

Атомарный водород делает это нехотя, а вот молекулы испускают тепловые фотоны весьма легко, и для охлаждения облака необходимо часть атомов H перевести в молекулы H2. Возможность слияния двух атомов водорода в молекулу легко при соударении мала, но, в случае если один из них ионизирован, образование молекул идет намного стремительнее.

Как раз к таковой ионизации и имели возможность привести рентгеновские кванты, появляющиеся при распаде стерильных нейтрино, — пояснил «Популярной механике» один из авторов данной догадки Александр Кусенко, астрономии и профессор физики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. — У модели стерильных нейтрино имеется еще парочка преимуществ. С их помощью возможно в полной мере конечно растолковать, из-за чего простые нейтрино имеют ненулевую массу, что и само по себе очень принципиально важно.

Помимо этого, возможно продемонстрировать, что при взрывах сверхновых выброс стерильных нейтрино (в отличие от простых) не симметричен довольно магнитного поля. Исходя из этого они придают звезде ускорение благодаря эффекту отдачи. Этим возможно растолковать высокие скорости пульсаров, каковые рождаются на свет в следствии аналогичных взрывов.

В случае если хоть один процент нейтрино, порожденных взрывом сверхновой, составляли бы стерильные частицы, этого хватило бы, чтобы разогнать нейтронную звезду до тысячи километров в секунду, что часто и отмечается».

Аксионы и нейтралино

Однако стерильное нейтрино не самый популярный кандидат на роль носителя скрытой массы. Более важным претендентом вычисляют гипотетическую частицу, которая, вероятнее, «весит» не больше 0,0001 электронвольта. Во второй половине 70-ых годов двадцатого века ее придумали Стивен Фрэнк и Вайнберг Вилчек (потом нобелевские лауреаты), причем без всякой связи с чёрной материей.

Они желали растолковать, из-за чего сильное сотрудничество практически в любое время сохраняет амплитуды процессов, каковые отличаются друг от друга одновременным обращением пространственных координат и заменой частиц на античастицы (так называемая CP-симметрия), не смотря на то, что этого делать и не обязано. Вайнберг и Вилчек внесли предложение прекрасное ответ (основанное на более ранней работе Роберто Печчеи и Элен Квинн), которое потребовало введения новой частицы с целым поясницей.

Вилчек дал ей имя «аксион», позаимствовав наименование популярного тогда стирального порошка — потому, что изобретенный им бозон «отстирал» теорию сильного сотрудничества от данной неприятности. Скоро доктор наук Сеульского университета Джин Ким, новосибирский физик Ариэль Житницкий, доктор наук университета Джонса Хопкинса другие физики и Майкл Дайн заключили , что аксионы могут быть носителями скрытой массы.

В случае если аксионы существуют, то они, как и первичные нейтрино, появились на протяжении Громадного взрыва, но в намного большем количестве. В следствии сотрудничества с одним из существовавших тогда полей они утратили кинетическую энергию и с того времени остаются фактически неподвижными. Эти первичные аксионы должны воображать собой газ из весьма холодных частиц, заполняющий космическое пространство.

Они также будут рождаться в недрах звезд в следствии столкновения тепловых фотонов с протонами и электронами. Следовательно, источником аксионов может оказаться и отечественное Солнце.

Второй перспективный кандидат — нейтралино. Это гипотетические тяжелые нейтральные частицы (диапазон весов от десяти ГэВ до нескольких ТэВ), принимающие участие в не сильный сотрудничестве. Нейтралино появляются в контексте теории суперсимметрии, которая требует, дабы любой фермион владел партнером-бозоном, а любой бозон — партнером-фермионом.

Эти «суперпартнеры», в большинстве случаев, не смогут быть носителями чёрной материи, но теория разрешает выступить в этом качестве некоторым их комбинациям, каковые ведут себя как единые частицы — нейтралино. «Кстати, это не единственная возможность, — додаёт доктор наук Лёуб. — Самая легкая из частиц-суперпартнеров должна быть стабильной, и потому ее также можно считать хорошим претендентом на роль носителя чёрной материи. Сложность в том, что суперпартнеры простых частиц еще не открыты, хоть и нельзя исключать, что удастся взять доказательства их существования, в то время, когда в ЦЕРНе получит Громадной адронный коллайдер».

Опыт — критерий истины

Как же ученые пробуют найти носители чёрной материи экспериментально? «В апреле японская орбитальная рентгеновская обсерватория Suzaku вела наблюдение двух звездных скоплений, в которых чёрной материи в 400 раза больше, чем простой, — поясняет Александр Кусенко. — Цель опыта заключалась в обнаружении рентгеновской подписи распада стерильных нейтрино». Подобные работы проводятся и на вторых рентгеновских телескопах.

Поиск аксионов базируется на том, что в сильных магнитных полях они должны преобразовываться в фотоны (а фотоны — в аксионы). На данный момент на нескольких экспериментальных установках с замечательными магнитами (к примеру, несколько итальянских университетов PVLAS, американский опыт ADMX в Ливерморской Национальной лаборатории, японский опыт CARRACK II в университете Киото) предпринимаются попытки распознать как первичные, так и солнечные аксионы.

Нейтралино возможно найти тем же способом, что и нейтрино. Потому, что эти частицы участвуют в не сильный сотрудничестве, они смогут, не смотря на то, что и весьма редко, сталкиваться с ядрами атома, порождая сигналы, каковые в принципе поддаются детектированию. Опыты для того чтобы рода уже давно осуществляются в разных государствах, но пока еще с нулевым результатом.

Совершенно верно так же ничего не дали попытки отыскать следы нейтралинных превращений в территориях высокой плотности космической чёрной материи, но надежды ученые не теряют.

Черные дыры

Черные дыры, каковые появляются при взрывах самых массивных звезд, помой-му выглядят совершенными кандидатами на роль чёрной материи — сильное тяготение и никаких излучений. Но первичным сырьем для них помогает все та же барионная материя, так что они входят в отведенные ей 4% неспециализированной массы Вселенной. Это же касается и громадных черных дыр, расположенных в активных ядрах галактик, каковые к тому же не имеют отношения к галактическим гало.

По большому счету говоря, черные дыры не обязаны иметь барионное происхождение. В соответствии с некоторым теоретическим моделям, они имели возможность появиться спустя 10 микросекунд по окончании Громадного взрыва, еще до рождения барионов, а следовательно, их неспециализированная масса не подпадает под четырехпроцентный предел. Вычисления говорят о том, что любая подобная дыра может тащить на 50−100% массы Солнца.

Возможно высказать предположение, что они имеются в галактических гало и были распознаны на протяжении наблюдений гравитационного микролинзирования. Но само их существование — до тех пор пока ничем не подтвержденная догадка.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№56, июнь 2007).

жизнь эмбриона.mov


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: