П’ять загадок Всесвіту, які ми майже розгадали - фото

П’ять загадок Всесвіту, які ми майже розгадали

29 жовтня 2019, 20:00

Людина тільки почала досліджувати Всесвіт, але вже знайшла багато незрозумілого і суперечливого

Коротко:

Що таке нейтронні зірки, пульсари, квазари і магнетари

Чому астрофізики спростовують відкриття своїх колег

Які дослідження змінили наше розуміння Всесвіту

Відео дня

Вивчення Всесвіту допомогло нам зрозуміти незначну частину процесів, які відбуваються в нескінченному просторі навколо Землі. Проте, навіть це розуміння може бути неправильним, оскільки з кожним роком вчені заходять все далі в своїх дослідженнях і руйнують достовірність праць попередників. На жаль чи на щастя, це — єдиний шлях до розгадки хоча б деяких основних загадок Всесвіту для нас.

У зв’язку з цим, НВ представляє п’ять найцікавіших відкриттів у астрофізиці за останній час.

.

Плутанина з нейтронними зірками

quantamagazine.org

Фото: quantamagazine.org

Нейтронні зірки — це дуже щільні космічні об'єкти, діаметр яких становить від 10 до 20 км, а маса приблизно дорівнює масі Сонця. Нейтронні вони бо їхня серцевина в основному складається з нейтронів — важких елементарних частинок без електричного заряду.

Як і чорні діри, нейтронні зірки є кінцевим етапом еволюції деяких звичайних зірок і з’являються внаслідок їх вибуху — наднового спалаху. В результаті від зірки залишається тільки дуже важкий, щільний і невеликий об'єкт, власне, — нейтронна зірка. Якщо нейтронна зірка ще й обертається — її називають пульсаром. Якщо ж нейтронна зірка має дуже сильне магнітне поле — це магнетар.

Магнетари — об'єкти з найсильнішим магнітним полем у відомому нам Всесвіті. Це поле може бути в квадрильйон раз сильніше, ніж магнітне поле нашого Сонця. При цьому, діаметр магнетарів — близько 20−30 км. Простіше кажучи, магнетари є дуже сильно намагніченими пульсарами, які випускають потужні спалахи рентгенівського і гамма-випромінювання.

До недавнього часу вчені вважали, що магнетари з’являються через так званий ефект динамо: якщо під час народження нейтронної зірки вона обертається дуже швидко (близько 1000 оборотів за секунду) це може створити надпотужне магнітне поле. Ефект динамо також припускав, що спалахи наднових повинні бути сильніше і випускати більшу кількість енергії, на відміну від тих спалахів, після яких створюються звичайні нейтронні зірки.

Нещодавно астрофізики з Університету Амстердама опублікували дослідження, яке суперечить попереднім теоріями про формування магнетарів. Вчені проаналізували залишки від супернових спалахів, після яких з’явилися магнетари. Всього відомо 10 таких спалахів, але тільки три з них випускали достатню кількість радіоактивного випромінювання, щоб їх можна було досліджувати детально.

Після визначення складу газів у цих спалахах астрофізики визначили, що наднові зірки, з яких сформувалися магнетари, важили в 20−30 разів більша за Сонце. Це йде врозріз з ефектом динамо, згідно з яким магнетари утворюються після вибуху набагато важчих зірок.

Згідно з новим дослідженням, магнетари мають «викопне магнітне поле». За словами вчених, якщо їх магнетари і звичайні нейтронні зірки з’являються після наднових спалахів однакової потужності — справа у вихідній силі магнітного поля зірки. Якщо цей показник буде високим — він збережеться і під час її вибуху, роблячи нейтронну зірку магнетаром.

Незважаючи на те, що нові дані астрофізиків з Нідерландів про появу магнетарів суперечать попереднім, вчені не відкидають ідею з ефектом динамо і кажуть, що ці теорії можуть доповнювати одна одну. Поки відомо лише 10 наднових спалахів після яких з’явилися магнетари, і тільки три з них можна досліджувати. Тому, вченим потрібно більше інформації для точного підтвердження або спростування існуючих теорій. Зараз, наприклад, їм належить з’ясувати, чому однакові зірки можуть мати дуже потужні та слабкі магнітні поля.

У світі астрофізики це далеко не єдина суперечка, яка допомагає вченим прийти до істини. У зв’язку з цим, НВ представляє п’ять загадок Всесвіту, до розгадки яких ми наблизилися останнім часом.

Неможлива нейтронна зірка

NASA

Фото: NASA

Поки астрономи з Університету Вірджинія не зробили своє відкриття влітку 2019 го, інші вчені вважали, що маса всіх нейтронних зірок приблизно дорівнює масі Сонця. Передбачалося, що якщо нейтронна зірка буде важити в кілька разів більше за Сонце — вона зруйнується через надзвичайну щільність енергії всередині маленького об'єкту.

Але американські дослідники недавно наші об'єкт J0740 + 6620 — пульсар з діаметром приблизно в 30 км, який важить в 2,17 разів більша за Сонце. Через те, що цей пульсар мілісекунди — обертається кілька сотень разів в секунду — вчені змогли виміряти його вагу завдяки ефекту Шарп.

Цей ефект передбачає гравітаційну затримку сигналу і вимірювання ваги пульсара за допомогою вимірювання частоти його обертання в двійковій системі — пульсар і білий карлик на його орбіті. Радіохвилі, які виходять з магнітних полюсів пульсара, піддаються гравітаційному впливу білого карлика. У певні моменти, коли білий карлик рухається навколо пульсара, він наближається до прямої, яка дозволяє з'єднати спостерігача на Землі з Пульсаром, а точніше — радіохвилями від його обертання.

Раніше вчені знаходили пульсари PSR J2215 + 5135 і PSR B1957 + 20, маса яких становила нібито в 2,27 і в 2,4 більше, ніж маси Сонця. Але, ці показники отримали за допомогою радіальної швидкості, виведеної зі спектра, що є менш надійним методом, ніж ефект Шарпіо.

«Нейтронні зірки так само загадкові, як і чарівні. Ці об'єкти розміром з місто є по суті гігантськими атомними ядрами. Вони настільки масивні, що їхні нутрощі набувають дивних властивостей. Виявлення максимальної маси, яку дозволяють фізика і природа, може багато чому навчити нас в цьому інакше недоступному царстві астрофізики», — говорили автори відкриття рекордної за масою нейтронної зірки.

Виявлення структури Всесвіту

CC

Фото: CC

Якщо нові дослідження про нейтронні зірки спростовують попередні гіпотези, то свіжа робота астрофізиків з Японії, Європи і США підтверджує загальноприйняту теорію про існування найбільшої структури Всесвіту — галактичних ниток або філаментів, які з’явилися незадовго після Великого вибуху і об'єднують різні галактики.

Ці філаменти складаються з газоподібного водню, і є живильними трубопроводами для всіх спостережуваних нами галактик. На їх перетині, ймовірно, з’являються найважчі об'єкти у відомому нам Всесвіті — надмасивні чорні діри. Таким чином, галактичні нитки — це найбільша структура, яка є джерелом життя для чорних дір і, відповідно, всіх інших космічних об'єктів. Звичайно, тільки в теорії.

На практиці галактичні нитки не виходило побачити, оскільки вони дуже тьмяні, і у вчених були лише непрямі докази їх існування, на кшталт незрозумілого спотворення світла від далеких галактик. Але, завдяки спектрометру MUSE, який встановлено на телескопах VLT у Чилі, астрофізики вперше засікли величезні філаменти.

Ультрафіолетове випромінювання дозволило побачити процес іонізації нейтрального газоподібного водню, яке також називають випромінюванням Лайман-альфа. Знайдені філаменти пов’язували галактики в кластері SSA22 у сузір'ї Водолія, і вони простягаються в довжину на відстань у три мільйони світлових років (більше одного мегапарсека). Оскільки виявлені галактичні нитки розташовані на відстані приблизно в 12 млрд світлових років від нас — це підтверджує, що вони були сформовані відразу після Великого вибуху.

За підрахунками вчених, не менше 60% газу у Всесвіті має перебувати саме в таких філаментах. Тому, виявлення галактичних ниток також може стати відправною точкою для вирішення проблеми нестачі матерії у Всесвіті. «Спостереження найбільш тьмяних і великих структур у Всесвіті є ключем до розуміння того, як Всесвіт еволюціонував у часі, як галактики розвиваються і дозрівають, і як змінюється середовище навколо галактик створило те, що ми бачимо зараз», — писали астрофізики.

Нова постійна Хаббла

NASA, ESA and A. Feild (STScI)

Фото: NASA, ESA and A. Feild (STScI)

У цьому дослідженні сучасні астрофізики наважилися виправити одне з найважливіших відкриттів в дослідженні космосу, яке належить американському астроному Едвіну Хабблу. На початку минулого століття Хаббл визначив, що космічні об'єкти, які знаходяться на більшій відстані від нашої планети, віддаляються від нас швидше, ніж ті, які розташовані поблизу. Саме цей парадокс і називається розширенням Всесвіту, а швидкість цього розширення назвали константою Хаббла.

До серпня 2019-го константа Хаббла становила 67,4 (км/с) / мегапарсек (один парсек = 3,26 світлових років або 30,8 трлн км). Це підрахували вчені з Європейського космічного агентства (ESA) за допомогою телескопа Planck. Астрофізики, які аналізують дані з телескопа Hubble, названого в честь згаданого того самого Едвіна Хаббла, р ешілі перевірити точність цієї постійної.

В якості вимірювального приладу вчені використовували скупчення зірок-цефеїд в Великій Магеллановій Хмарі на відстані близько 7 тис. Світлових років від нас. Для цих зірок характерно постійне мерехтіння, за допомогою якого можна ще раз виміряти швидкість розширення Всесвіту, і яке є альтернативою до Хаббловском методу вимірювання цього показника, заснованого на так званому реліктовому випромінюванні.

Підрахунки, засновані на частоті мерехтіння цефеїд показали, що постійна Хаббла становить 73,4 (км/с)/мегапарсек. Але, і це значення може бути неправильним. Справа в тому, що цефеїди можуть бути менш або більш яскравим в різні періоди свого існування, що додає більше невідомих у рівняння, за допомогою якого можна розрахувати швидкість розширення Всесвіту.

Астроном з університету Чикаго і член однієї з команд, які аналізують дані з телескопа Hubble Барр Мадор заявив, що вони знайшли ще один спосіб уточнити постійну Хаббла — вимір мерехтінь Червоних гігантських зірок. Справа в тому, що ці зірки є однаково яскравими в кінці свого існування, що спрощує спостереження за ними із Землі. Нові дані можуть підтвердити, що протягом десятків років константа Хаббла була неточною і вчені неправильно вимірювали відстані до найвіддаленіших об'єктів у Всесвіті.

Невідома сила на краю Сонячної системи

NASA’s Goddard Space Flight Center

Фото: NASA’s Goddard Space Flight Center

Відкриття стало можливим завдяки забутим зондам Voyager-1 і Voyager-2, які запустили ще в кінці 1970-х, а минулого року вони подолали межі Сонячної системи. Зараз Voyager-1 знаходиться на відстані в 147,5 астрономічних одиниць (а.о.) від Землі (22 млрд км), а Voyager-2 — 122 а.о. (18 млрд км). Це робить їх найвіддаленішими штучними космічними апаратами від Землі, які досліджують глибокий космос.

Проаналізувавши дані про швидкість сонячного вітру на краю Сонячної системи, які надіслали ці зонди, вчені визначили, що тиск в цьому регіоні набагато вище, ніж передбачалося раніше. Виявилося, що в геліосферній мантії ударна хвиля від Сонця поширюється зі швидкістю близько 300 кілометрів на секунду. Це приблизно в тисячу разів швидше, ніж швидкість сонячного вітру в повітрі.

Геліосфера — це величезна куля навколо Сонячної системи, яка закінчується за кілька мільйонів кілометрів після Плутона. Межі геліосфери — геліопауза — одночасно є межами Сонячної системи з міжзоряним простором.

До отриманих даних від зондів Voyager вчені вважали, що ближче до краю Сонячної системи тиск (викликаний частинками на кшталт іонів та електронів, які нагріваються і прискорюються за рахунок магнітних полів і створюють сонячний вітер), потихеньку знижується і вирівнюється за рахунок зустрічного тиску з міжзоряного простору, який створюють інші зоряні системи. Під час більшої сонячної активності, коли наша зірка викидає більшу кількість плазми, тиск у геліосфері зростає, так само як і знижується під час меншої активності Сонця.

Виходить, що прямо перед своєю смертю легендарні зонди Voyager заплутали вчених ще більше, і змусили їх шукати інші чинники, через які тиск так далеко від Сонця все одно зростає. Цими факторами можуть бути вплив частинок, магнітних сил або космічних об'єктів, про які поки не знають астрофізики і, відповідно, не враховують їх у своїх розрахунках.

«Питання, чому космічні промені поводяться по-різному всередині та зовні геліосфери, залишається відкритим», — говорили автори дослідження.

Новий тип галактик

CC

Фото: CC

Ну і, наостанок, одне з найзагадковіших відкриттів у дослідженні Всесвіту за останній час: кілька місяців тому астрономи з Університету Меріленд виявили, що відразу шість галактик типу LINER, для яких характерна низька іонізація ядерної емісії і, відповідно, вкрай низька яскравість, перетворилися на квазари — найяскравіші об'єкти у Всесвіті.

Квазари або квазі-зірки отримали свою назву через те, що астрономи плутали їх зі звичайними зірками. Перебуваючи в доступному для огляду нам космічному просторі, вони мали таку ж яскравість, як і зірки, але при цьому були розташовані набагато далі. Будучи на відстані більше 10 млрд світлових років від нас, світло від квазарів все одно все одно видно з Землі. Це означає, що квазари випускають неймовірно величезну кількість енергії і є одними з найпотужніших об'єктів, відомих людині.

Найімовірніше, в центрі квазарів розташовані найбільші надмасивні чорні діри, які пожирають інші об'єкти і навколо них створюється яскравий аккреційний диск, — область тертя, де гравітаційне зусилля знищує все навколо і виділяє величезну кількість енергії. Поява відразу шести квазарів за такий короткий проміжок часу — вкрай незвичайне явище, яке відбувається вперше в історії космічних спостережень.

«Спершу ми подумали, що спостерігали випадкове руйнування, яке відбувається, коли зірка підходить надто близько до надмасивної чорної діри і зникає. Але пізніше ми виявили, що чорна діра, яка раніше перебувала в стані спокою, починає змінюватися, в результаті чого виходить яскравий квазар. Спостереження за шістьма з цих переходів, всі з яких розташовані у відносно спокійних галактиках LINER, дозволяє припустити, що ми визначили абсолютно новий клас активного галактичного ядра», — писали автори відкриття.

У теорії, утворення квазара має займати тисячі років, але нещодавні спостереження продемонстрували, що це може статися моментально за космічними мірками. Таке перетворення суперечить відомим людині законам формування зірок та інших космічних об'єктів.

Не виключено, що астрономи з США виявили абсолютно новий тип галактик, який може перекреслити теорії та припущення інших вчених про появу й існування квазарів. Надалі автори відкриття хочуть з’ясувати, чому величезна кількість космічного матеріалу на зразок газу і пилу в різних галактиках різко почали поглинатися чорною дірою, формуючи потужні квазари.

Приєднуйтесь до нас у соцмережах Facebook, Telegram та Instagram.

Діліться матеріалом




Радіо НВ
X