Темные тайны Вселенной

Пока есть вопросы, кто-то обязательно будет пытаться искать на них ответы. В случае науки – это нераскрытые тайны космоса. Кажется, что мы уже очень много знаем о Вселенной, но это и близко не так. Каждый день ученые, отвечая на одни вопросы, получают ряд новых. Это как замкнутый круг, но от того он становится только интереснее. Сегодня мы расскажем вам про темные тайны Вселенной, которые, на наш взгляд наиболее интересны. Потому что их объяснение может полностью изменить наше понятие о Вселенной. Над решением каждой из этих загадок трудятся лучшие умы планеты на протяжении многих лет. 

Что такое темное вещество?

Темное вещество или темная материя будоражит умы ученых со всего мира еще с 30-ых годов двадцатого столетия. Известный швейцарский астроном Фриц Цвикки в то самое время сделал вывод о том, что действительная масса галактических скоплений намного больше массы наблюдаемых через телескоп объектов. Его исследования указали на то, что космос содержит что-то с огромной массой, но это что-то невозможно увидеть. Так это вещество и назвали темной материей.

Понять, что такое темное вещество, очень трудно, ведь по сути оно практически не взаимодействует с обычной материей, но каким-то образом составляет около 25% материи всей Вселенной. Взаимодействие двух материй на столько мало, что даже не удается зафиксировать его. Все, что ученым удалось увидеть, это результат гравитационного влияния обеих частиц.

На сегодня обстоятельства вокруг темной материи складываются более позитивно. Даже самые отъявленные скептики в рядах ученых считают, что в ближайшие десять лет нам таки удастся заполучить частицы того самого темного вещества. Наиболее эффективный способ – открыть их лабораторным путем. Такие исследования уже проводятся глубоко под землей, чтобы уменьшить помехи космических лучей.

Некоторые считают, что БАК (Большой адронный коллайдер) может помочь в получении новой информацией о темном веществе, чтобы наконец понять, что это такое. Но достигнуть какого-либо результата таким способом будет куда сложнее, чем в лаборатории.

Астрофизики также не дремлют и уже определили, что частицы темной материи могут подвергаться аннигиляции. После чего появляется гамма-излучение и античастицы. Астрономы уже во всю пытаются поймать гамма-сигналы и античастицы на просторах космоса, которые могут оказаться следами темного вещества.

Что такое темная энергия?

Схема развития Вселенной от Большого взрыва до наших дней

Ученые любят добавлять эпитет «темный» к тому, что еще не изучено, и чье существование даже толком не доказано. Это случилось с темной материей, а теперь вот и темной энергией.

Вселенная постоянно расширяется, и это уже ни для кого не секрет. А недавно была заявлена и возможность ускоренного расширения благодаря наблюдению за сверхновыми. Эти исследования показали, что галактики отдаляются все с большей и большей скоростью. Данный вывод уже никто не ставит под сомнение, но вот объяснить его тоже никто не может.

Здесь на сцену и выходит темная энергия. Что такое темная энергия? Не много не мало, 70% плотности всей Вселенной, по мнению ученых. Которая и отвечает за ускоренное расширение.

Что это конкретно, и в чем она выражена, никто пока не может объяснить. Но все считают, что именно темная энергия и заставляет Вселенную расширяться быстрее.

Единственный метод изучения темной энергии – исследование эволюции Вселенной и ее расширения в разные временные промежутки. Пока ученые сходятся на том, что за инфляцией Вселенной – начальном этапе быстрого расширения – произошел длительный период медленного расширения, а потом снова началось ускорение, которое идет до сих пор. Почему и как? Не спрашивайте, потому что никто сейчас не может дать на это ответ. Но, кажется, уже скоро мы узнаем о темной энергии что-то новое.

Помощь в исследовании темной материи окажут взрывы сверхновых. Наблюдая за ними, мы может понять темпы расширения в разные временные промежутки, ведь самые далекие объекты мы видим в прошлом, а не в настоящем.

Была ли стадия инфляции?

Художник показывает расширение Вселенной по аналогии с надуванием воздушного шара

О том, была ли стадия инфляции Вселенной мало кто задумывается. Для нас уже практически очевидно, что Вселенная с самого начала стала расширяться с невероятной скоростью, находясь под действием какого-то физического поля.

Но всегда есть «но». Наука стала бы религией, принимай она на веру все вокруг без каких-либо «но». Вот и начались недавно споры в ученой среде о том, что никакой инфляции и не было вовсе. А Вселенная расширялась в том же темпе, что и сейчас.

Разбираться в этом вопросе сейчас очень сложно. Да и, кажется, не там ученые ищут ответ. Скорее всего он кроется не в астрофизике, а в физике элементарных частиц. Однако все равно нужно изучать реликтовое излучение и гравитационные волны Вселенной, оставшиеся от самых ранних этапов ее развития.

Какими были свойства первых звезд и галактик?

Так будет выглядеть крупнейший в мире радиотелескоп SKA,
предполагаемая стоимость которого $1,6  млрд

История эволюции Вселенной изучена нами не полностью, а лишь определенные ее отрывки. Мы уже знаем, что происходило через 300 тысяч лет после Большого взрыва. Но то, что было потом, для нас пока еще остается загадкой.

Что происходило на просторах Вселенной так и не понято учеными по сей день. По классике жанра назовем этот период темными временами. Первые звезды начали появляться спустя еще сто миллионов лет, потом стали образовываться и первые галактики. Как это происходило и почему, нам не известно.

Если мы когда-нибудь узнаем, какими были свойства первых звезд и галактик, можно будет ответить и на вопросы о появлении сверхмассивных черных дыр в центрах этих самых галактик. Считается, что первые такие черные дыры возникали из массивных звезд или коллапса огромных облаков газа. Что было на самом деле, сейчас сказать трудно и даже невозможно. Но, это только сейчас, потому что наука не стоит на месте, и быть может, мы когда-нибудь найдем ответы на все интересующие нас вопросы.

Как возникли черные дыры?

Черная дыра (справа) пожирает звезду (слева)

Говоря о темных тайнах Вселенной, нельзя не упомянуть самые темные объекты в ней. Такие, куда не проникает даже свет – черные дыры. Черные дыры, пожалуй, самые интересные объекты в космосе. Они и пугают, и притягивают одновременно. И, как мы все знаем, притягивают они не только внимание земных ученых, но и всю материю вокруг себя. Абсолютное большинство ученых даже не сомневаются в существовании черных дыр, но все же тень сомнения присутствует, ибо их наличие на просторах Вселенной подтверждается лишь косвенно путем экспериментов.

Черные дыры не имеют границ и поверхности в привычном нам смысле. Они ограничиваются лишь горизонтом событий. Что происходит за ним, остается загадкой. За ним черная дыра, а вот что внутри, неизвестно.

Известно лишь то, что, попав за горизонт событий, обратно уже не выбраться. Ничто не способно покинуть черную дыру: ни материя, ни излучение. Если что-то попало туда, то насовсем. Однако, доказать существование того самого горизонта тоже не легко. Возможно, понять, как возникли черные дыры, мы сможем, когда наконец хотя бы увидим черную дыру через телескоп.

Откуда летят космические лучи сверхвысоких энергий?

Высокоэнергетические космические лучи лупят в атмосферу Земли

Миллиарды денежных средств и прочих ресурсов тратятся на создание огромных аппаратов на подобие большого адронного коллайдера. А все для того, чтобы разгонять там частицы и сталкивать их друг с другом. Машины такие, конечно, полезны, но ведь сама природа способна передавать частицам такую же энергию и даже намного большую.

Каждый год на поверхность Земли из космоса прилетают частицы, несущие в себе колоссальную энергию, примерно в сто миллионов раз большую, чем та, которую можно достичь на БАКе. За всю земную историю таких частиц на ее поверхность упало уже больше миллиона миллиардов. Это доказывает то, что никакого вреда такие падения Земле не приносят.

Откуда летят космические лучи сверхвысоких энергий? Точного ответа пока нет, иначе эта история не попала бы в перечень темных тайн Вселенной. Установлено лишь, что частицы эти летят из отдаленных уголков Вселенной где-то за границами нашей галактики. Что запускает их, тоже неизвестно. Самая популярная гипотеза говорит о том, что это активные ядра галактик. Однако, как именно частицы получают такую неимоверную энергию, пока тоже непонятно.

Как взрываются сверхновые?

Звезда заканчивает свой век. Так происходят вспышки сверхновых

Сверхмассивные звезды заканчивают свой век огромным взрывом. Ядро умирающей звезды быстро сжимается, исчерпав запасы энергии. Что приводит к феерическому взрыву. Отдельные области звезды отдаляются от центра, выделяя огромное количество энергии, что со стороны выглядит как неимоверная вспышка ярче самой галактики. В астрофизике такое явление называется вспышкой сверхновой.

Сегодняшние исследования не могут полностью разобраться в физике этих процессов. А это очень интересно на самом деле. Хотя бы потому, что почти все атомы тяжелее железа появляются именно из-за таких взрывов. Даже в каждом человеке есть множество атомов, вышедших из вспышки сверхновой.

Взрывы сверхновых используются в науке для расчетов космических расстояний. Однако поймать такой сигнал неимоверно тяжело. Единственный известный в настоящее время способ – ловить нейтрино. Данная частица почти не имеет никакого взаимодействия с материей, и вся Вселенная для нее прозрачна. Из этого следует, что, если мы и получим какой-то сигнал из ядра умирающей сверхновой, это будет именно нейтрино.

Но поймать нейтрино просто невероятно тяжело и даже кажется невозможным. Один раз за всю историю, в далеком 1987-ом ученым таки удалось словить несколько нейтрино из вспышки в близкой к нам карликовой галактике Большое Магеллановое Облако. Но для ответа на глобальный вопрос: «Как взрываются сверхновые?» собранных крупиц информации не хватает.

Что находится внутри нейтронных звезд?

Нейтронная звезда с сильным магнитным полем — магнетар

В недрах нейтронных звезд находится самое плотное из всех открытых человечествам веществ во Вселенной. Когда сверхновая взрывается, ее ядро продолжает сжатие из-за гравитации. И происходит это до тех пор, пока оно не сожмется в небольшой шар примерно 20км диаметром, но масса его будет равной массе самого Солнца.

Плотность такого шара примерно равна плотности атомного ядра, а в самом центре и вовсе больше ее раз в десять. Получить такое вещество в лаборатории не представляется возможным. От того и свойства их нам не известны. Мы знаем только, что этот шар состоит из особого вещества в виде нейтронов. Потому что в таких температурах не может выжить ничто, кроме них. От этого такие звезды и называются нейтронными. Что находится внутри нейтронных звезд, пока толком непонятно. Можно лишь предполагать, что материя в такой большой плотности переходит в какое-то другое состояние, в котором кварки не заперты внутри частиц.

Это состояние вещества назвали кварковым. Снова же предположение говорит о том, что при слиянии нейтронных звезд частицы того самого вещества выбрасываются в космос, и поймать можно, изучая космические лучи.

Сколько существует планет земного типа?

Возможно, так выглядит поверхность экзопланеты

Самая перспективная задача астрофизики – нахождение и изучение экзопланет. Она же является чуть ли не приоритетной. Экзопланетами называют небесные тела, схожие по строению с Землей. Уже сейчас счет таких планет, идет на сотни, а скоро перейдет и на тысячи, хотя еще каких-то двадцать лет назад была открыта первая из них. И вы только представьте, сколько существует планет земного типа во всей Вселенной?

Поэтому ученые с оптимизмом говорят, что в ближайшие годы могут обнаружить планеты, схожие с землей, с кислородной атмосферой и водой в жидком состоянии. То бишь, пригодных для жизни.

Что такое аномалия пионеров?

Космический аппарат Pioneer — первый прибор, вылетевший за границы Солнечной системы

Помимо естественных спутников есть еще и искусственно созданные. И даже с ними не все до конца понятно. Их разработчики рассчитывают скорость и траекторию с минимальными погрешностями. Они учитывают буквально все, что может произойти со спутником в открытом: действие гравитации, возможные столкновения и многое другое. Но даже после таких скрупулезных расчетов некоторые спутники ведут себя странновато. Самой известной подобной ситуацией является аномалия пионеров. Спутники США Пионер-10 и 11, летят далеко за пределы солнечной системы и все время сильно замедляются. Немного, но все же чуть сильнее, чем должно было быть, судя по расчетам. Почему так происходит и что такое аномалия пионеров неизвестно. Однако несколько других спутников наоборот получили большую, чем нужно скорость, после маневров около Земли.

Самое скептическое объяснение говорит о том, что у Пионеров просто есть какое-то неучтенное тепловое излучение, исходящее от них самих. Ученые периодически публикуют научные работы, где пытаются объяснить природу аномалии пионеров. Но пока что внятно это сделать не получается.

Может нужны более модифицированные спутники, которые помогут понять все эти аномалии, а может ничего нового и не понадобится, а объяснение уже лежит на поверхности.

Фотографии: NASA, ESA and R. Massey (California Institute of Technology); SPL/East News; SPL/East News (3); SPDO/TDP/DRAO/Swinburne Astronomy Productions (2); ASS/AP; University of California Santa Cruz; JPL-Caltech/NASA (2); NASA