Первое прямое доказательство существования темной материи
Статья
Катастрофическое столкновение двух галактических скоплений снабдило астрономов первым прямым доказательством существования темной материи. По крайней мере, в этом уверены члены группы Дугласа Клоу (Douglas Clowe) из Аризонского университета (University of Arizona) в Тусоне, совершившей это новое открытие, подробная информация о котором должна появиться на страницах научного журнала Astrophysical Journal Letters. Взаимодействие отдельных струй галактического вещества позволило пронаблюдать воздействие на проходящие световые лучи исключительно темной материи, и это событие, по мнению ученых, можно счесть окончательным опровержением теорий, воспринимающих концепцию темного вещества как всего лишь недоразумение, иллюзию, порожденную недостатком наших знаний о природе гравитации.
Гравитационное влияние изолированных облаков, состоящих из темной материи, в истории астрономии наблюдалось впервые. Ведь обычно это совершенно невозможно, поскольку темное вещество и обычная (барионная) материя слишком основательно перемешаны, чтобы их гравитационное воздействие наблюдалось одно от другого независимо. Но тут на помощь ученым, как уже говорилось, пришел космический катаклизм, "расслоивший" искомые ингредиенты.
Объект, получивший обозначение 1E0657-56 (так называемое "Скопление Пули" - "Bullet Cluster" - по форме облака), представляет собой место столкновения двух скоплений галактик, которые 100 миллионов лет назад "врезались" друг в друга на скорости 4700 километров в секунду. Как правило, большая часть обычной материи в таких скоплениях содержится в форме горячего газа, который астрономы могут "визуализировать" с помощью космической рентгеновской обсерватории NASA "Чандра" (Chandra, затрачено было свыше 100 часов работы обсерватории). Однако в данном случае выяснилось, что гравитационное поле скопления сосредоточено в основном не в газовых облаках.
Выявить характер этого гравитационного поля удалось благодаря помощи другой знаменитой космической обсерватории - телескопа "Хаббл" (Hubble Space Telescope) - и наземного 6,5-метрового телескопа "Магеллан" (Magellan) Южной европейской обсерватории (European Southern Observatory - ESO) в Чили. Наблюдались искажения, вызванные эффектом гравитационного линзирования (gravitational lensing), при котором деформируемое пространство (в согласии с Общей теорией относительности Эйнштейна) словно в гигантской линзе усиливает свет от отдаленных фоновых галактик.
Эти наблюдения показали, что два скопления, которые прошли друг сквозь друга, теперь снова разделились (по крайней мере, это касается движения массивных "облаков" темной материи), но все-таки в процессе "сцепления" "спутались" своими облаками, состоящими из горячего газа, которые и оставили после себя тянущиеся газовые хвосты. Разделение произошло, потому что темная материя не испытывает никакого сопротивления, проходя через что-либо, а вот "обдираемый" видимый газ галактических скоплений сопротивление очень даже испытывает - ведь обычное вещество участвует в электромагнитных взаимодействиях между атомами, а вовсе не исключительно в гравитационных, как вещество темное. Отсюда и тот самый эффект естественного природного "сепаратора".
Клоу считает, что данные наблюдения доказывают существование темной материи: "Вы не можете объяснить полученные результаты просто с помощью каких-либо модифицированных теорий гравитации", - говорит он.
Космолог Шон Кэрролл (Sean Carroll) из Чикагского университета (University of Chicago, штат Иллинойс, США), не являющийся членом вышеозначенной группы, в основном согласен с их выводами: "Этот результат, вне всякого сомнения, доказывает, что такая вещь как темная материя действительно реально существует, - говорит он. - Теории, которые модифицируют поведение силы тяжести [на дальних расстояниях] для того, чтобы "покончить" со всей этой темной материей, теперь можно считать более или менее исключенными". Однако он тем не менее все-таки отметил возможность того, что поведение гравитации может как-то отличаться от того, что следует из стандартных теорий - вне зависимости от того, как решится дело с темным веществом. Как говорится, "если вы параноик, то это еще не значит, что за вами никто не следит".
Проблема темного вещества в астрофизике возникла тогда, когда выяснилось, что вращение галактик (включая наш собственный Млечный путь) невозможно корректно описать, если учитывать лишь содержащуюся в них обычную видимую материю (все они в таком случае должны были бы разлететься и рассеяться). Необходимо еще присутствие таинственной формы невидимой материи, действие которой проявляется исключительно при гравитационном взаимодействии с другой материей, ну а ее запасы во Вселенной превосходят массу обычной материи раз в шесть. До сих пор неясно, какова природа этого самого темного вещества, и поэтому некоторые ученые берутся утверждать, что какая-нибудь простая модификация классических законов гравитации (классических - это значит в редакции Ньютона или Эйнштейна) могла бы объяснить все парадоксальные наблюдения - без всякой потребности в сомнительной темной материи. Как правило, в этих теориях сила гравитации, порождаемая обычной материей (а другой там и нет) увеличивается с ростом космических масштабов по сравнению с той, что предсказывают теории Ньютона и Эйнштейна.
На иллюстрации:
Скопления желтоватых галактик слева и справа (меньшего размера) проходят сквозь друг друга, забрав с собой свою темную материю (синий цвет - это условно, конечно). Однако их газовые облака (красный) остаются, "сдираются". Изображение M Markevitch/ D Clowe/NASA/STScI/CXC/CfA/Magellan/U Arizona/ESO WFI с сайта New Scientist
Источники:
Cosmic smash-up provides proof of dark matter - New Scientist
Team finds 'proof' of dark matter - BBC News
NASA Finds Direct Proof of Dark Matter - NASA
Dark Matter Observed: Most Direct Measurement of Dark Matter Allows Study of its Nature - Stanford Linear Accelerator Center
Ссылки:
Черная кошка обнаружена
NASA открыло темную материю
NASA Announces Dark Matter Discovery
A direct empirical proof of the existence of dark matter - arXiv.org
Strong and weak lensing united III: Measuring the mass distribution of the merging galaxy cluster 1E0657-56 - arXiv.org
9
комментариев
|
Обсудить
СправкаТемное вещество (dark matter) составляет приблизительно 23% массового-энергетического "бюджета" Вселенной. Нормальное вещество, материал звезд, планет и людей, вносит только 4%. (Остальную часть Вселенной составляет еще более таинственная вещь, названная темной энергией - dark energy)
Некоторая малая часть темного вещества была уже идентифицирована и больше не является тайной. Трудноуловимые частицы нейтрино, про которые когда-то думали, что они имеют массу покоя, равную нулю, подобно фотонам, теперь признаны имеющими некий ненулевой вес и составляют часть этого самого "бюджета". Холодные мертвые звезды, найденные недавно в большом количестве, также вносят свой скромный вклад в этот общий зачет.
СправкаЭффект гравитационного микролинзирования (gravitational microlensing) был предсказан в соответствии с Общей теорией относительности Эйнштейна. Микролинзирование происходит из-за деформирования пространства вокруг массивного объекта вроде звезды. "Исковерканное" таким образом пространство ведет себя подобно линзе, собирая и увеличивая свет от фоновой звезды. Фоновая звезда с точки зрения земного наблюдателя на какое-то короткое время внезапно увеличивает свою яркость и остается такой до тех пор, пока эти две звезды выстроены в линию, на продолжении которой находится Земля. К сожалению, такого рода события случаются довольно беспорядочным образом и, разумеется, уже не повторяются, что и делает соответствующие исследования довольно трудоемкими.
Статьи по теме
Чрезвычайно важный космологический параметр - так называемая постоянная Хаббла, определяющая темпы расширения Вселенной, - был рассчитан независимым образом с использованием наблюдений космической рентгеновской обсерватории NASA "Чандра".
90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.
Наша Вселенная может оказаться на 15% обширней и старше, чем считалось до сих пор. В пользу такого заключения свидетельствуют новые измерения расстояния до одной из ближайших галактик - М33 из созвездия Треугольника.
Солнечная система в своем движении через космическое пространство может регулярно сталкиваться с чрезвычайно разреженными скоплениями экзотических элементарных частиц, сохранившимися со времен раннего детства Вселенной. Об этом свидетельствуют вычисления швейцарских физиков.
До недавнего времени предполагалось, что таинственное темное вещество распределяется равномерно в массивном ореоле вокруг каждой галактики. Это не совсем верно. Такие ореолы действительно существуют, но состоят они из тысяч отдельных скоплений, которые можно воспринимать как своеобразные "темные" спутниковые галактики.
После многих лет изучения квазара Q0957+561 ученые стали сомневаться, что имеют дело со ставшей уже привычной для современных физиков "черной дырой", и взамен из "запасников" вынимают достаточно экзотичные концепции.
Удалось выявить местонахождение двух обширных облаков горячего межзвездного газа, которые могут быть связаны с некоторой частью таинственной скрытой материи. Компьютерное моделирование показывает, что эта невидимая материя должна формировать паутинообразную структуру из газовых облаков, внутри которых образуются скопления галактик. Эти облака до сих пор никто не мог обнаружить из-за их чрезвычайно низкой плотности.
Три "голые" галактики, не окруженные темной материей, были найдены международной группой астрономов. Открытие наносит серьезный удар по убеждению, долгое время царившему в умах астрофизиков, согласно которому все галактики окружены скрытыми "темными" ореолами. Ученые приходят к мысли, что некий таинственный фактор в эволюции галактик "раздевает" их, лишает темного вещества.
Астрономы смогли представить первые прямые свидетельства самоубийственного поведения ранних галактик, ультрафиолетовая радиация которых препятствовала дальнейшему формированию звезд.
Астрономы обнаружили новый тип разогретого межгалактического газа, с помощью которого можно локализовать невидимое присутствие темного вещества во Вселенной. Газовое облако, в триллион раз массивнее, чем наше Солнце, и в 150 раз более горячее, окружает нашу местную группу галактик, в которую входит Млечный путь, туманность Андромеды и еще приблизительно 30 мелких галактик.
Изучение обновленных "звездных 3D-атласов" позволило выявить небывалые гигантские структуры, поперечник которых составляет свыше миллиарда световых лет, установить новые закономерности в распределении галактик в космическом пространстве и найти очередные свидетельства в пользу концепции темной энергии.
Разработана новая теория, способная объяснить ускоряющееся расширение Вселенной, причиной которого ныне считается загадочная "темная энергия". Другой возможный кандидат - это "рябь" в пространстве и времени, возникшая на самых ранних этапах развития нашего космоса. Зона этой "ряби" простирается далеко за пределы той области окружающего нас мира, которую мы можем наблюдать с помощью любых телескопов.
Полученные космической рентгеновской обсерваторией "Чандра" снимки ионизированного газа в скоплениях галактик позволили астрономам применить новый метод определения массы и энергии, содержащихся в нашей Вселенной. Было получено независимое подтверждение небывалого явления: примерно 6 млрд лет назад стадия замедляющегося расширения Вселенной прекратилась и сменилась стадией ускоренного расширения, продолжающегося до сих пор.
Наблюдения за отдаленными квазарами показывают, что основная часть энергии во Вселенной содержится в форме таинственной "темной энергии". Долгое время считалось, что модель расширяющейся Вселенной, по крайней мере, на современном ее этапе, позволяет обойтись без этой новой сущности.
Астрономы составили самую детальную на текущий момент 3D-модель окружающей нас Вселенной и уверены, что эта карта позволяет откинуть все сомнения по поводу "темной энергии": она действительно существует и заполняет весь космос.
Две галактики-соседки - туманность Андромеды и наш Млечный путь - имеют, вероятно, гораздо больше общего, чем думали ранее, по крайней мере, они прошли сходный путь эволюции в течение своих первых миллиардов лет и должны были быть едва ли не близняшками.
Открытие в 2003 году трех "голых" галактик - то есть не окутанных "шубой"-гало из темной материи - вызвало большое оживление в среде астрофизиков и инициировало немедленные попытки найти другие подобные объекты. Однако новые детальные исследования изолированных галактик в рентгеновском диапазоне не привели к подтверждению новой теории, согласно которой галактики могут формироваться или эволюционировать множеством разных способов.
Международная группа физиков из Брукхэвенской лаборатории сообщила о том, что в экспериментах с элементарными частицами удалось обнаружить серьезные отклонения от теоретических предсказаний, даваемых Стандартной моделью. Измерялось колебание мюонов в магнитном поле. Нарушение Стандартной модели - это уже вполне ожидаемое событие, многие ученые полагают, что благодаря этому откроются горизонты новой физики элементарных частиц.
Найден новый компаньон Млечного пути, который оказался настолько обширным, что это само по себе прежде препятствовало его выявлению: данное скопление охватывает на небе пространство, почти в 5 тысяч раз превышающее размеры полной луны!
Удалось выявить 19 новых "гравитационно линзированных" галактик, причем восемь из них могут служить хорошими примерами так называемых "колец Эйнштейна" - возможно, самого впечатляющего проявления феномена гравитационного линзирования.
Группа европейских астрономов изучила очень необычное явление: одинокий яркий квазар, лишенный сколько-нибудь заметной окружающей его галактики. Для объяснения феномена предлагаются даже совершенно немыслимые вещи.
С помощью программы Слоановского цифрового обзора неба удалось выявить ранее никем не замеченную группу звезд. Эти данные могут пролить новый свет на историю формирования звездного ореола Млечного пути, а также разрешить загадку с предсказанием модели преобладания во Вселенной так называемого "холодного темного вещества".
Недавно появилась интересная теория, которая претендует ни много ни мало, как на раскрытие всех основных тайн современной космологической науки. Эта теория "призрачного конденсата" появилась в прошлом году. Предполагается, что межзвездный вакуум заполнен своеобразной "жидкостью" или "флюидом" из призрачных частиц. Однако согласно последним вычислениям, черные дыры, населяющие нашу Вселенную, могли бы очень быстро "выхлебать" любую подобную "жидкость".
Во времена одного из самых ранних периодов своей истории Вселенная была почти вся сплошь "затянута" туманом из атомов водорода и гелия. Даже яркое ультрафиолетовое излучение самых первых звезд в новорожденных галактиках не могло пробиться через эту всепоглощающую завесу из газа, что дало астрономам повод назвать эту космическую эру "темными веками". Только по прошествии сотен миллионов лет первородные звезды смогли постепенно разогреть и ионизировать окружающий газ, преобразовав непроницаемый океан космоса в современное прозрачное космическое пространство. Возможно даже, что переионизация протекала в ходе двух различных фаз, связанных с первым и вторым поколениями звезд.
Многие западные издания выстраивают своеобразные хит-парады научных достижений уходящего 2003 года. Мы публикуем один из таких списков, составленный редакцией издания PhysicsWeb.
На этой выразительной фотографии, полученной с помощью космического телескопа "Хаббл", запечатлена пыльная спиральная галактика, которая, вращаясь, проходит через другую большую яркую галактику NGC 1275. Рентгеновское и радиоизлучение с большой вероятностью указывают на наличие черной дыры в центре этой яркой галактики. NGC 1275 находится от нас на расстоянии примерно 235 млн световых лет в созвездии Персея.
Ученые, работающие с орбитальной рентгеновской обсерваторией "Чандра", получили снимок юной Вселенной, которая моложе своего нынешнего состояния приблизительно на 5 млрд лет. На картинке запечатлена область из созвездия Большой Медведицы, известная под названием "Северо-западная дыра Локмана".
Новые данные от зонда WMAP обеспечили космологов информацией, позволяющей нарисовать реальную картину раннего этапа в развитии Вселенной. Кроме того, определен возраст нашего мира с беспрецедентной точностью. Он составляет 13,7 млрд лет. Самое большое удивление ученые испытали, когда при анализе данных выяснилось, что первая генерация звезд появилась спустя всего лишь 200 млн лет после Большого взрыва.
Открытие пока еще не обнаруженного типа нейтрино может помочь в разрешении целого ряда астрофизических загадок, начиная с выяснения природы темной материи и заканчивая тайной рождения первых звезд.
Тщательный анализ наблюдений редкого "учетверенного" квазара, осуществленных космической рентгеновской обсерваторией "Чандра", позволил получить свидетельства того, что отдельная звезда в расположенной между нами и этим квазаром галактике смогла резко увеличить рентгеновское излучение, доходящее от этого квазара до нас. Это открытие дает в руки астрономам новый и чрезвычайно точный инструмент для изучения газовых потоков вокруг сверхмассивных черных дыр, наблюдаемых как квазары.
Международная группа астрономов обнаружила новую "рекордную" по удаленности от нас галактику во Вселенной. Расположенная приблизительно в 13 млрд световых лет от Земли, она выглядит такой, какой была спустя всего лишь 750 млн лет после Большого взрыва, когда Вселенной исполнилось только 5 % от ее нынешнего возраста. "Ископаемая" галактика была идентифицирована объединенными усилиями космического телескопа "Хаббл" и пары телескопов Кек на Гавайях. Кроме земной и околоземной техники астрономам на помощь также пришел эффект естественной "космической гравитационной линзы", которая усилила яркость отдаленного объекта.
В настоящее время известно уже множество примеров наблюдений галактик, действующих подобно "гравитационным линзам". Лучи света, проходя рядом с ними, отклоняются мощным гравитационным полем. За счет такого "линзирования" на небе появляется несколько дополнительных видимых изображений какого-нибудь отдаленного объекта, расположенного за такой галактикой - например, это может быть яркий квазар. Теперь астрофизики раскрыли важную тайну, связанную с этим феноменом.
Канадским астрономам из Университета Торонто удалось измерить протяженность и определить форму массивных невидимых галактических ореолов, состоящих, согласно современным теориям, из темного вещества. Выяснилось, что размеры таких ореолов могут в 5-8 раз превышать видимые размеры галактик (то есть светящееся вещество - звезды). Ученые использовали в своих целях эффект, называемый "гравитационным линзированием".
Астрономы Слоановского цифрового обзора неба объявили о получении еще одного независимого свидетельства существования таинственной темной энергии. Исследователи нашли своеобразный отпечаток темной энергии (или, как они называют это явление, "тень" темной энергии) путем изучения корреляций между изображениями миллионов галактик, полученных в ходе реализации программы SDSS, и картой распределения вариаций температуры реликтового излучения, "нарисованной" зондом WMAP.
С помощью космического инфракрасного телескопа "Спитцер" удалось найти редкую разновидность сталкивающихся галактик, сердцевины которых окутаны облаками, состоящими из крошечных кристаллов, напоминающих по своему составу обыкновенное битое стекло.
Квартет Роберта - семейство, состоящее из четырех очень разных галактик, расположенных на расстоянии приблизительно 160 миллионов световых лет от нас в центре южного созвездия Феникса.
Мощнейший японский оптический телескоп "Субару", установленный на вершине потухшего вулкана Мауна-Кеа на Гавайских островах, смог получить наиболее четкое и детальное изображение спиральной галактики NGC 2403, уже сослужившей науке немалую службу.
Инфракрасный космический телескоп ISO заснял раннюю стадию столкновения между двумя галактиками, носящими название "Антенны". Получено первое прямое свидетельство того, что ударные волны, произведенные столкновениями галактик, способны приводить к формированию новых звезд.
Таинственные гигантские космические "пузыри"-"блобы", которые раньше считались просто исполинскими межзвездными облаками, ничего кроме газа внутри себя не содержащими, на самом деле заключают в своей сердцевине сталкивающиеся и сливающиеся группы сверхъярких галактик.
Современные теории, которые призваны объединить эйнштейновскую относительность с квантовой механикой и тем самым решить одну из сверхзадач всей современной физики, привели к шокирующему предсказанию: фундаментальные константы не только могут, но даже обязаны изменяться в пространстве и времени. Однако теперь с помощью исследования спектров отдаленных квазаров удалось наложить строгие ограничения на возможные вариации во времени одной из важнейших физических констант - постоянной тонкой структуры.
В результате столкновения двух галактик родилась новая звездная система с необычным внешним видом и причудливой внутренней системой движения звездного вещества, эта особенность сама по себе является причиной яростного звездообразования. Прекрасно прорисованные детали темной зоны можно рассмотреть на этой фотографии центральной части M64, полученной с помощью космического телескопа "Хаббл".
Ядро галактики NGC 6240 представляет собой систему из двух супермассивных коллапсаров, и в будущем ей грозят серьезные потрясения. Это доказали немецкие астрономы из Института внеземной физики имени Макса Планка с помощью орбитальной рентгеновской обсерватории "Чандра". Открытие подтверждает теории формирования супермассивных черных дыр.
Новости по теме
