Свет и тьма Вселенной

Иллюстрация: Иоганн Кеплер.

"И, смотря во мрак глубокий, долго ждал я, одинокий…" (Эдгар Алан По, «Ворон»).

«Смотря во мрак глубокий» - это изречение больше всего подходит астрономам. То, что они обнаружили за последние годы, несомненно, достойно удивления, и свидетельствует о крупных невидимых субстанциях Вселенной - темные звезды, темная материя (темное вещество или скрытая масса) и темная энергия.

Около четырехсот лет тому назад великий астроном Иоганн Кеплер понял, что уже то, что небо темное ночью, ведает нам нечто глубокое о природе Вселенной.

Если бы Вселенная была бесконечной и равномерно заполненной светящимися звездами, рассуждал Кеплер, то взгляд в любую сторону должен, в конечном счете, встретить поверхность звезды. Следовательно, никаких темных промежутков не должно быть между звездами, и небо не должно быть темным ночью! Объяснение этого Кеплер видел в том, что Вселенная конечна, а не бесконечна. Тем не менее, теория относительности Эйнштейна показала, что конечная Вселенная должна быть искривленной и свет звезд должен быть сплошным, так что объяснение Кеплера здесь не работало.

Поглощение отдаленного света межзвездным газом не будет эффективно, поскольку газ должен, в конечном счете, нагреваться и светиться. Группы звезд и галактики с большими промежутками между ними могли бы в принципе объяснить ситуацию, но это должно было бы усложнить наблюдения галактик и фона космического излучения, который показывает, что Вселенная имеет границу видимых размеров.

Объяснение пришло от самих звезд. Звезды не живут вечно. Их срок жизни недостаточен для того, чтобы свет от границ Вселенной дошел до Земли за время жизни звезд - она успевает угаснуть, прежде чем заполнить обширные пространства Вселенной достаточным излучением и заставить светиться ночное небо. Расширение Вселенной также помогает рассеянию излучения звезд.

Схематическая иллюстрация Черной Дыры: Темные Звезды CXC/A.Hobart

Ньютон открыл Закон Всемирного Тяготения и заставил астрономов задуматься над тем, что некоторые звезды могут сжиматься и становиться темными, потому что их гравитация могла быть такой сильной, что ничто, даже свет, не мог бы покинуть пределов такой звезды . Эти темные звезды были названы черными дырами и за последние тридцать лет астрономы накопили впечатляющее количество данных для доказательства существования двух типов черных дыр.

Масса черных дыр показывает, что они являются сжатыми остатками звезд, по крайней мере, в 20 раз больших, чем Солнце. Явные кандидаты в черные дыры обнаружены пока лишь на орбите вокруг нормальной звезды. По мере того, как вещество из нормальной звезды падает к черной дыре, оно выдает заметное рентгеновское излучение до того, как исчезнет в черной дыре, чтобы никогда уже не возвратиться оттуда. Число этих страшных гравитационных малюток в нашем Млечном Пути оценивается в несколько десятков или сотен миллионов.

Радио, инфракрасные, оптические и рентгеновские лучи показывают, что значительно большие черные дыры, называющиеся супермассивными, существуют в центре большинства галактик. Эти черные дыры имеют массу, колеблющиеся от нескольких миллионов до нескольких миллиардов масс Солнца. Супермассивная черная дыра в центре Млечного Пути имеет массу только около 3 миллионов солнечных масс.

Фото: NASA/CXC/MIT/F.K.Baganoff et al.

Как супермассивные черные дыры формируются, пока не понятно. Предполагают, что они могли сформироваться через прямой коллапс облака вещества в центре галактики, или через слияние черных дыр, или постепенным приростом окружающего газа из галактики, или комбинацией всего перечисленного выше. Их прирост мог бы зависеть от доступности окружающего газа, или от соседних черных дыр, которые могли бы захватываться при вращении галактики.

Один важный аспект, который был обнаружен несколько лет назад, состоит в том, что масса центральной супермассивной черной дыры галактики приблизительно соотносится с массой центральной части галактики. Например, Млечный Путь, в котором центр Галактики имеет сравнительно небольшое ядро, имеет и меньшую супермассивную черную дыру, чем в других галактиках. Любая успешная теория образования супермассивных черных дыр должна принять во внимание отношение дыры/ядра галактики.

Результаты с «Чандра» и других рентгеновских телескопов, и Телескопа Хаббл позволили рассмотреть возможность, которая все предполагает существование другого типа черной дыры. Эти черные дыры, чьи массы могли быть в районе несколько сот (до тысячи) солнечных масс, названы промежуточными черными дырами. Они могли быть остатками чрезвычайно огромных звезд, сформированных в начале эволюции Вселенной. Или они формировались бы через быстрое слияние многих меньших черных дыр в центрах плотных звездных групп (шаровых скоплений). Они могут быть необыкновенно мощными звездными черными дырами. Подтверждения этому нет, но все указывает на это.

Звездные, супермассивные, и, возможно, черные дыры промежуточной массы являются примерами скрытого вещества называемого темным веществом (скрытой массой). Темное вещество является материалом, который не может быть увиден с любым типом телескопов, но может обнаруживаться через свои гравитационные эффекты. Эти эффекты наблюдаются, как специфические на орбитах звезд и газа в группах галактик и галактике. Астрономы пришли к осторожному выводу, что большая часть вещества во Вселенной, приблизительно 80 процентов, существует в виде темного вещества. Осторожному, из-за того, что они не знают, что это такое. Два известных типа темного материала, нейтронные звезды и черные дыры, считаются незначительной частью общего количества темного вещества.

Темная Энергия, иллюстрация: CXC/M.Weiss

Независимо от того, каков темный материал, он сформировал Вселенную такой, какой который мы ее знаем. Без гравитационного потенциала темного вещества, похоже, Вселенная оставалась бы слишком устойчивой в гравитационном отношении, чтобы сформировать галактики, звезды, и планеты.

Через анализ наблюдений галактик и групп галактики, и с помощью теоретических предпосылок формирования таких структур, астрофизики могут определить, из чего должно состоять темное вещество (материя). Кандидат, который наилучшим образом воспроизводит наблюдаемую Вселенную, является общим классом темной материи называемой "холодный темный материал" - гипотетические субатомные частицы оставшиеся из плотной ранней Вселенной. Холодный темный материал получает свое имя с предположения, что эти темные частицы материала перемещались медленно, когда галактики и группы галактики начали формироваться.

Что мог холодный темный материал? Одна возможность предложенная теорией суперструн для элементарных частиц - neutralino, которые могли производится в избытке в первую триллионную долю секунды Большого Взрыва, и предположительно имели массу около 100 масс протонов. В другом конце спектра масс - axion, который имеет массу значительно меньше, чем протон или даже электрон. Но ни они, ни любая другая из многих других темных частиц в кандидаты для скрытой массы, не наблюдались когда-либо экспериментально. Но даже наиболее неуловимая частица может оставить след, и астрономы и физики-экспериментаторы могут изумляться, что когда-нибудь скоро, природа темного материала может проявить себя. Тем не менее, решение проблемы скрытой массы (темного вещества) могло быть лишь «куском пирога» по сравнению с достижением знаний в природе темной энергии.

Иллюстрация: Richard Mushotzky(GSFC/NASA),ROSAT,ESA,NASA

Несколько лет назад астрономы обнаружили, что свет от звезд, которые взорвались миллиарды лет тому назад, слишком слаб. Наилучшее объяснение этому в том, что они более отдаленные, чем казалось первоначально, и который подразумевает, что расширение Вселенной должно ускоряться.

Этот удивительный результат может объясняться, если пространство между галактиками заполняется невидимой и недоступной для обнаружения темной энергией. Хотя астрофизики не имеют объяснения, какая из себя эта темная энергия, они соглашаются, что сама природа намекает на связь пространства и энергии между собой.

Темная энергия имеет независимую субстанцию, которая, по мере того, как Вселенная расширяется, создает более темную энергию. Такое неопределенное и такое неподходящее для Вселенной поведение могло, в конечном счете, кончиться очень плохо. Полученные данные допускают возможность развития Вселенной, которая через несколько миллиардов лет, благодаря все возрастающей темной энергии могла бы свернуть пространство так быстро, что группы галактик должны были бы быть раскиданы. Это сопровождалось бы разрушением индивидуальных галактик, таких, как, например, Млечный Путь, затем солнечных систем, и, наконец, все небесные тела и остальное вещество должно измельчиться ускоряющимся пространством. Вселенная должна захлопнуться в "большом рипе (хлопке)".

Изображения и дополнительная информация доступны в: News   Chandra observatory center

Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics 60 Garden Street, Cambridge, MA 02138 USA

• Сайт 'Галактика' © 2002-2024