Пять загадок Вселенной, которые мы почти разгадали - фото

Пять загадок Вселенной, которые мы почти разгадали

29 октября 2019, 20:00

Человек только начал исследовать Вселенную, но уже нашел много необъяснимого и противоречивого

Коротко:

Что такое нейтронные звезды, пульсары, квазары и магнетары

Почему астрофизики опровергают открытия своих коллег

Какие исследования изменили наше понимание Вселенной

Видео дня

Изучение Вселенной помогло нам понять ничтожную часть процессов, которые происходят в бесконечном пространстве вокруг Земли. Тем не менее, даже это понимание может быть неправильным, поскольку с каждым годом ученые заходят все дальше в своих исследованиях и разрушают достоверность трудов предшественников. К сожалению или к счастью, это — единственный путь к разгадке хотя бы некоторых основных загадок Вселенной для нас.

В связи с этим, НВ представляет пять самых интересных открытий в астрофизике за последнее время.

.

Путаница с нейтронными звездами

quantamagazine.org

Фото: quantamagazine.org

Нейтронные звезды — это очень плотные космические объекты, диаметр которых составляет от 10 до 20 км, а масса приблизительно равна массе Солнца. Нейтронные они потому что их сердцевина в основном состоит из нейтронов — тяжелых элементарных частиц без электрического заряда.

Как и черные дыры, нейтронные звезды являются конечным этапом эволюции некоторых обычных звезд и появляются вследствие их взрыва — сверхновой вспышки. В результате от звезды остается только очень тяжелый, плотный и небольшой объект, собственно, — нейтронная звезда. Если нейтронная звезда еще и вращается — ее называют пульсаром. Если же нейтронная звезда имеет очень сильное магнитное поле — это магнетар.

Магнетары — объекты с самым сильным магнитным полем в известной нам Вселенной. Это поле может быть в квадриллионы раз сильнее, чем магнитное поле нашего Солнца. При этом, диаметр магнетаров — около 20−30 км. Проще говоря, магнетары являются очень сильно намагниченными пульсарами, которые испускают мощные вспышки рентгеновского и гамма-излучения.

До недавнего времени ученые полагали, что магнетары появляются из-за так называемого эффекта динамо: если во время рождения нейтронной звезды она вращается очень быстро (около 1000 оборотов в секунду) это может создать мощнейшее магнитное поле. Эффект динамо также предполагал, что вспышки сверхновых должны быть сильнее и испускать большее количество энергии, в отличии от тех вспышек, после которых создаются обычные нейтронные звезды.

Недавно астрофизики из Университета Амстердама опубликовали исследование, которое противоречит предыдущим теориями о формировании магнетаров. Ученые проанализировали остатки от суперновых вспышек, после которых появились магнетары. Всего известно 10 таких вспышек, но только три из них испускали достаточное количество радиоактивного излучения, чтобы их можно было исследовать детально.

После определения состава газов в этих вспышках астрофизики определили, что сверхновые звезды, из которых сформировались магнетары, весили в 20−30 раз больше Солнца. Это идет вразрез с эффектом динамо, согласно которому магнетары образуются после взрыва гораздо более тяжелых звезд.

Согласно новому исследованию, магнетары имеют «ископаемое магнитное поле». По словам ученых, если их магнетары и обычные нейтронные звезды появляются после сверхновых вспышек одинаковой мощности — дело в первоначальной силе магнитного поля звезды. Если этот показатель будет высоким — он сохранится и во время ее взрывая, делая нейтронную звезду магнетаром.

Несмотря на то, что новые данные астрофизиков из Нидерландов о появлении магнетаров противоречат предыдущим, ученые не отбрасывают идею с эффектом динамо и говорят, что эти теории могут дополнять друг друга. Пока известно лишь 10 сверхновых вспышек после которых появились магнетары, и только три из них можно исследовать. Поэтому, ученым нужно больше информации для точного подтверждения или опровержения существующих теорий. Сейчас, к примеру, им предстоит выяснить, почему одинаковые звезды могут иметь очень мощные и слабые магнитные поля.

В мире астрофизики это далеко не единственный спор, который помогает ученым прийти к истине. В связи с этим, НВ представляет пять загадок Вселенной, к разгадке которых мы приблизились в последнее время.

Невозможная нейтронная звезда

NASA

Фото: NASA

Пока астрономы из Университета Вирджиния не сделали свое открытие летом 2019-го, другие ученые считали, что масса всех нейтронных звезд примерно равна массе Солнца. Предполагалось, что если нейтронная звезда будет весить в несколько раз больше Солнца — она разрушится из-за чрезвычайной плотности энергии внутри маленького объекта.

Но американские исследователи недавно наши объект J0740+6620 — пульсар с диаметром примерно в 30 км, который весит в 2,17 раз больше Солнца. Из-за того, что этот пульсар миллисекундный — вращается несколько сотен раз в секунду — ученые смогли измерить его вес благодаря эффекту Шарпио.

Этот эффект предусматривает гравитационную задержку сигнала и измерение веса пульсара с помощью измерения частоты его вращения в двоичной системе — пульсар и белый карлик на его орбите. Радиоволны, которые исходят из магнитных полюсов пульсара, поддаются гравитационному воздействию белого карлика. В определенные моменты, когда белый карлик двигается вокруг пульсара, он приближается к прямой, которая позволяет соединить наблюдателя на Земле с пульсаром, а точнее — радиоволнами от его вращения.

Ранее ученые находили пульсары PSR J2215+5135 и PSR B1957+20, масса которых составляла якобы в 2,27 и в 2,4 больше, чем массы Солнца. Но, эти показатели получили с помощью радиальной скорости, выведенной из спектра, что является менее надежным методом, чем эффект Шарпио.

«Нейтронные звезды так же загадочны, как и очаровательны. Эти объекты размером с город являются по сути гигантскими атомными ядрами. Они настолько массивны, что их внутренности приобретают странные свойства. Обнаружение максимальной массы, которую позволяют физика и природа, может многому научить нас в этом иначе недоступном царстве астрофизики», — говорили авторы открытия рекордной по массе нейтронной звезды.

Обнаружение структуры Вселенной

CC

Фото: CC

Если новые исследования о нейтронных звездах опровергают предыдущие гипотезы, то свежая работа астрофизиков из Японии, Европы и США подтверждает общепринятую теорию о существовании самой крупной структуры Вселенной — галактических нитей или филаментов, которые появились незадолго после Большого взрыва и объединяют разные галактики.

Эти филаменты состоят из газообразного водорода, и являются питательными трубопроводами для всех наблюдаемых нами галактик. На их пересечении, вероятно, появляются самые тяжелые объекты в известной нам Вселенной — сверхмассивные черные дыры. Таким образом, галактические нити — это самая крупная структура, которая является источником жизни для черных дыр и, соответственно, всех других космических объектов. Конечно, только в теории.

На практике галактические нити не получалось увидеть, поскольку они очень тусклые, и у ученых были лишь косвенные доказательства их существования, вроде необъяснимого искажения света от далеких галактик. Но, благодаря спектрометру MUSE, который установлен на телескопах VLT в Чили, астрофизики впервые засекли огромные филаменты.

Ультрафиолетового излучение позволило увидеть процесс ионизации нейтрального газообразного водорода, которое также называют излучением Лайман-альфа. Найденные филаменты связывали галактики в кластере SSA22 в созвездии Водолея, и они простираются в длину на расстояние в три миллиона световых лет (более одного мегапарсека). Поскольку обнаруженные галактические нити расположены на расстоянии примерно в 12 млрд световых лет от нас — это подтверждает, что они были сформированы сразу после Большого взрыва.

По подсчетам ученых, не менее 60% газа во Вселенной должно находиться именно в таких филаментах. Поэтому, обнаружение галактических нитей также может стать отправной точкой для решения проблемы нехватки материи во Вселенной. «Наблюдения самых тусклых и самых больших структур во Вселенной являются ключом к пониманию того, как Вселенная эволюционировала во времени, как галактики развиваются и созревают, и как изменяющаяся среда вокруг галактик создала то, что мы видим сейчас», — писали астрофизики.

Новая постоянная Хаббла

NASA, ESA and A. Feild (STScI)

Фото: NASA, ESA and A. Feild (STScI)

В этом исследовании современные астрофизики осмелились исправить одно из важнейших открытий в исследовании космоса, которое принадлежит американскому астроному Эдвину Хабблу. В начале прошлого века Хаббл определил, что космические объекты, которые находятся на большем расстоянии от нашей планеты, удаляются от нас быстрее, чем те, которые расположены вблизи. Именно этот парадокс и называется расширением Вселенной, а скорость этого расширения назвали постоянной Хаббла.

До августа 2019-го постоянная Хаббла составляла 67,4 (км/с)/мегапарсек (один парсек = 3,26 световых лет или 30,8 трлн км). Это подсчитали ученые из Европейского космического агентства (ESA) с помощью телескопа Planck. Астрофизики, которые анализируют данные из телескопа Hubble, названного в честь упомянутого того самого Эдвина Хаббла, решили проверить точность этой постоянной.

В качестве измерительного прибора ученые использовали скопление звезд-цефеидов в Большом Магеллановом Облаке на расстоянии около 7 тыс. световых лет от нас. Для этих звезд характерно постоянное мерцание, с помощью которого можно еще раз измерить скорость расширения Вселенной, и которое является альтернативой к хаббловскому методу измерения этого показателя, основанному на так называемом реликтовом излучении.

Подсчеты, основанные на частоте мерцания цефеидов показали, что постоянная Хаббла составляет 73,4 (км/с)/мегапарсек. Но, и это значение может быть неправильным. Дело в том, что цефеиды могут быть менее или более ярким в разные периоды своего существования, что добавляет больше неизвестных в уравнение, с помощью которого можно рассчитать скорость расширения Вселенной.

Астроном из Чикагского университета и член одной из команд, которые анализируют данные с телескопа Hubble Барр Мадор заявил, что они нашли еще один способ уточнить постоянную Хаббла — измерение мерцаний Красных гигантских звезд. Дело в том, что эти звезды являются одинаково яркими в конце своего существования, что упрощает наблюдение за ними с Земли. Новые данные могут подтвердить, что в течение десятков лет постоянная Хаббла была неточной и ученые неправильно измеряли расстояния к самым отдаленным объектам во Вселенной.

Неизвестная сила на краю Солнечной системы

NASA’s Goddard Space Flight Center

Фото: NASA’s Goddard Space Flight Center

Открытие стало возможным благодаря позабытым зондам Voyager-1 и Voyager-2, которые запустили еще в конце 1970-х, а в прошлом году они преодолели границы Солнечной системы. Сейчас Voyager-1 находится на расстоянии в 147,5 астрономических единиц (а.е.) от Земли (22 млрд км), а Voyager-2 — 122 а.е. (18 млрд км). Это делает их самыми отдаленными искусственными космическими аппаратами от Земли, которые исследуют глубокий космос.

Проанализировав данные о скорости солнечного ветра на краю Солнечной системы, которые прислали эти зонды, ученые определили, что давление в этом регионе гораздо выше, чем предполагалось ранее. Оказалось, что в гелиосферной мантии ударная волна от Солнца распространяется со скоростью около 300 километров в секунду. Это примерно в тысячу раз быстрее, чем скорость солнечного ветра в воздухе.

Гелиосфера — это огромный шар вокруг Солнечной системы, который заканчивается за несколько миллионов километров после Плутона. Границы гелиосферы — гелиопауза — одновременно являются границами Солнечной системы с межзвездным пространством.

До полученных данных от зондов Voyager ученые считали, что ближе к краю Солнечной системы давление (вызванное частицами вроде ионов и электронов, которые нагреваются и ускоряются за счет магнитных полей и создают солнечный ветер), потихоньку снижается и выравнивается за счет встречного давления из межзвездного пространства, которое создают другие звездные системы. Во время большей солнечной активности, когда наша звезда выбрасывает большее количество плазмы, давление в гелиосфере растет, равно как и снижается во время меньше активности Солнца.

Получается, что прямо перед своей смертью легендарные зонды Voyager запутали ученых еще больше, и заставили их искать другие факторы, из-за которых давление так далеко от Солнца все равно растет. Этими факторами могут быть влияние частиц, магнитных сил или космических объектов, о которых пока не знают астрофизики и, соответственно, не учитывают их в своих расчетах.

«Вопрос, почему космические лучи ведут себя по-разному внутри и снаружи гелиосферы, остается открытым», — говорили авторы исследования.

Новый тип галактик

CC

Фото: CC

Ну и, напоследок, одно из самых загадочных открытий в исследовании Вселенной за последнее время: несколько месяцев назад астрономы из Университета Мэриленд обнаружили, что сразу шесть галактик типа LINER, для который характерна низкая ионизация ядерной эмиссии и, соответственно, крайне низкая яркость, превратились в квазары — самые яркие объекты во Вселенной.

Квазары или квази-звезды получили свое название из-за того, что астрономы путали их с обычными звездами. Находясь в обозримом нам космическом пространстве, они имели такую же яркость, как и звезды, но при этом были расположены гораздо дальше. Будучи на расстоянии более 10 млрд световых лет от нас, свет от квазаров все равно все равно виден из Земли. Это означает, что квазары испускают невероятно огромное количество энергии и являются одними из самых мощных объектов, известных человеку.

Скорее всего, в центре квазаров расположены самые большие сверхмассивные черные дыры, которые пожирают другие объекты и вокруг них создается ярчайший аккреционный диск, — область трения, где гравитационное усилие уничтожает все вокруг и выделяет огромное количество энергии. Появление сразу шести квазаров за такой короткий промежуток времени — крайне необычное явление, которое происходит впервые в истории космических наблюдений.

«Сперва мы подумали, что наблюдали случайное разрушение, которое происходит, когда звезда подходит слишком близко к сверхмассивной черной дыре и исчезает. Но позже мы обнаружили, что ранее находившаяся в состоянии покоя черная дыра начинает изменяться, в результате чего получается яркий квазар. Наблюдение за шестью из этих переходов, все из которых расположены в относительно спокойных галактиках LINER, позволяет предположить, что мы определили совершенно новый класс активного галактического ядра», — писали авторы открытия.

В теории, создание квазара должно занимать тысячи лет, но недавние наблюдения продемонстрировали, что это может произойти моментально по космическим меркам. Такое преобразование противоречит известным человеку законам формирования звезд и других космических объектов.

Не исключено, что астрономы из США обнаружили абсолютно новый тип галактик, который может перечеркнуть теории и предположения других ученых о появлении и существовании квазаров. В дальнейшем авторы открытия хотят выяснить, почему огромное количество космического материала вроде газа и пыли в разных галактиках резко начали поглощаться черной дырой, формируя мощные квазары.

Делитесь материалом




Радіо НВ
X