10 загадок, скрытых в небесах

Моделирование образования дисковой галактики (А. Кравцов и др., с сайта http://cosmicweb.uchicago.edu/Показана область размером 144 килопарсека. На момент формирования галактики прошло примерно полтора миллиарда лет после начала расширения вселенной

Основная необычность черных дыр связана с тем, что у них нет поверхности. А есть так называемый горизонт событий. Из-под горизонта ничто не может попасть обратно в нашу вселенную. Если предмет туда провалился, то это уже навсегда. Вот доказательство существования горизонта у так называемых кандидатов в черные дыры и является актуальнейшей астрофизической задачей.

Сделать это непросто, хотя и достигнуты существенные успехи в закрытии многих моделей, претендовавших на статус альтернативы черным дырам. Тем не менее, важно как можно ближе подобраться к тому, чтобы видеть наблюдательные проявления горизонта. В ближайшем будущем должна появиться интересная возможность.

Уже построено несколько крупных детекторов гравитационных волн, самые крупные из них это две установки: LIGO в США и Virgo в Италии. Они рассчитаны на регистрацию сигнала от слияний двойных компактных объектов нейтронных звезд или черных дыр. Такие пары должны возникать из двойных систем, состоящих из двух массивных звезд. Двойные нейтронные звезды мы даже уже открыли благодаря наблюдениям радиопульсаров. Расчеты показывают, что после монтажа на установках LIGO и Virgo нового оборудования детекторы смогут ежегодно регистрировать несколько слияний двойных черных дыр. А это значит, что мы будем видеть, как горизонт взаимодействует с горизонтом и как колеблется горизонт получившейся в результате слияния черной дыры. Это очень интригующе!

Изучение нейтронных звезд важно и для ядерной физики

Пока же мы можем изучать черные дыры в аккрецирующих источниках. В них вещество из межзвездной среды или со второй звезды в двойной системе течет в черную дыру, образуя диск. В аккреционном диске газ разогревается до высоких температур, и его можно наблюдать в основном в рентгеновском диапазоне. Поэтому важно запускать новые рентгеновские обсерватории. К сожалению, и тут финансовый кризис и проблемы с JWST привели к тому, что под вопросом оказался проект Международной рентгеновской обсерватории (IXO), а Европа уже отказалась от амбициозного проекта Simbol-X. Зато будет запущен важный американский рентгеновский спутник NuSTAR. Кроме того, изучение черной дыры в центре нашей галактики активно идет в радио- и миллиметровых диапазонах, в которых Галактика практически прозрачна, значит, мы можем видеть и самые центральные ее области. Будем надеяться и на то, что спутник Радиоастрон, являющийся основой системы радиоинтерферометров с уникально большим разрешением, внесет свою лепту.

6. Откуда летят космические лучи сверхвысоких энергий

На Земле мы строим гигантские дорогие машины, чтобы разгонять частицы до высоких энергий. Природа имеет какой-то механизм, чтобы делать нечто большее. Примерно раз в год на Землю, на площадь, равную площади крупного города, прилетает по частице с энергией в сто миллионов раз больше, чем максимальная энергия частиц на LHC. Значит, за время существования Земли на нее попало более миллиона миллиардов таких частиц, что, кстати, показывает, что ничего страшного при этом не происходит.

В последние годы удалось показать (в первую очередь благодаря Обсерватории им. Пьера Оже), что подобные частицы прилетают с больших внегалактических расстояний. Но пока мы точно не знаем, какие объекты являются источниками (основными подозреваемыми считаются активные ядра галактик), а также не знаем, как частицы ускоряются до таких колоссальных энергий. В первую очередь необходимо достаточно точно измерить направления прихода для достаточно большого количества частиц (а также их энергию). Можно надеяться, что несколько последующих лет работы Обсерватории Оже позволят решить эту задачу.

7. Уравнение состояния нейтронных звезд. Кварковое вещество

Самое плотное вещество в доступной для наблюдений части Вселенной содержится в недрах нейтронных звезд.

Нейтронные звезды это остатки массивных звезд. После коллапса ядра звезды и взрыва сверхновой остается шарик размером около 20 км с массой, превышающей массу Солнца. Средняя плотность такого объекта примерно равна плотности атомного ядра, а в центре превосходит ее раз в десять. В лабораториях мы не можем изучать такое состояние вещества, а потому плохо понимаем законы, его описывающие. И это уже не какая-то далекая астрофизическая проблема это пробел в ядерной физике, который хочется заполнить.

Одна из интригующих возможностей связана с гипотезой о кварко-вом веществе. Возможно, что при очень высокой плотности материя переходит в новое состояние, когда кварки уже не заперты внутри протонов, нейтронов или других частиц. Если кварковое вещество есть в недрах нейтронных звезд, то при их слиянии, когда клочки летят по закоулочкам, в межзвездное пространство выбрасываются комочки кваркового вещества - страпельки. Их можно пытаться поймать, например, изучая космические лучи.

В ближайшие годы будут открыты земноподобные планеты в зонах обитания у звезд типа Солнца.

Таким образом, есть два направления в астрофизических исследованиях, которые могут рассказать нам, как ведет себя очень-очень плотное вещество. Это либо исследования нейтронных звезд (в основном в рентгеновском диапазоне), при которых одновременно точно измерят массу и радиус искомого объекта, либо поиск стра-пелек с помощью аппаратов типа AMS. Надежд что-то поймать не так много, но они есть.

8. Механизм взрыва сверхновых

Массивные звезды заканчивают свою жизнь в результате взрыва. Исчерпав запасы термоядерного топлива, их внутренности начинают сжиматься, что заканчивается колоссальным выделением энергии. На короткое время звезда становится ярче целой галактики.

Взрыв сверхновой это страшно интересно. Там очень сложная физика. Расчеты пока не позволяют толком разобраться в механизме этих катаклизмов. А хочется. Почти все атомы тяжелее железа образовались именно в результате таких взрывов. То есть в нас самих, дорогие читатели, есть немало атомов, побывавших в пламени вспышки сверхновой.

Мы видим много вспышек сверхновых и пользуемся этим, например, для определения расстояний в космологии. Но вот поймать сигнал из самых недр взрывающейся звезды очень трудно. Единственный способ ловить нейтрино. Лишь однажды, в 1987 г., когда вспышка произошла в близкой карликовой галактике Большом Магеллановом облаке, удалось поймать несколько таких частиц. Но это слишком мало, чтобы сильно продвинуться в решении загадки. Сейчас построено несколько крупных детекторов для поиска астрофизических нейтрино. Оптимисты полагают, что установка IceCube в Антарктиде или какие-то ее конкуренты (например, европейский морской проект ANTARES у побережья Франции) смогут в ближайшие годы зарегистрировать несколько десятков нейтрино от какой-нибудь вспышки сверхновой в не очень далекой галактике.

9. Количество планет земного типа в зоне обитания

Колоссальный, самый быстрый прогресс в астрофизике мы видим в изучении экзопланет, т.е. планет около других звезд. Счет им идет на сотни, хотя первую открыли менее 20 лет назад. А скоро благодаря работе спутника Кеплер (Kepler) счет пойдет на тысячи. В ближайшие годы в принципе можно рассчитывать на обнаружение в зоне обитания (там, где на поверхности планет может существовать вода в жидком виде) у звезды, похожей на Солнце, планеты типа Земли, да еще и с кислородной атмосферой. Вероятно, для надежного результата потребуется ввести в строй следующие поколения спутников и телескопов, но и тут речь идет максимум о ближайших 15-20 годах.

Уже сейчас мы можем открывать планеты с земной массой в зонах обитания у солнцеподобных звезд.

С помощью крупных телескопов мы также можем изучать состав атмосфер планет-гигантов.

А в ближайшие годы мы получим как минимум неплохую статистику по земноподобным планетам в зонах обитания. Для этого не нужны даже новые инструменты: спутника Кеплер и имеющихся наземных телескопов вполне достаточно.

10. Аномалия Пионеров и пролетные аномалии

Существует загадка, связанная с поведением некоторых искусственных спутников. Наиболее известна так называемая аномалия «Пионеров», однако есть и другие.

Американские космические аппараты Пионер-10 и Пионер-11, покидающие Солнечную систему, замедляются слегка сильнее, чем следует из расчетов. Уже много лет идут споры, что является тому причиной. Кроме того, несколько аппаратов (NEAR, Rosetta, Galileo) приобрели лишнюю скорость после гравитационных маневров около Земли. Часто две эти проблемы объединяют вместе: есть, скажем, основания полагать, что у Пионеров эффект появился после маневра в гравитационном поле Сатурна.

Наиболее консервативное объяснение поведения Пионеров состоит в рассмотрении неучтенного асимметричного теплового излучения самого аппарата (и устройств на нем). Периодически появляются работы, в которых авторы демонстрируют, какую часть эффекта удается так объяснить. Последняя статья такого рода появилась в апреле 2011 г. Но другие пролетные аномалии она не объясняет.

Возможно, понадобятся специальные спутники или модификации планируемых аппаратов, которые помогут внести ясность. Например, информацию могут дать маневры аппаратов Juno и BepiColombo, которые будут запущены в ближайшее время, а также данные со станции New Horizons, которая сейчас летит к окраинам Солнечной системы. Скорее всего, никакой экзотики (новой физики) для объяснения эффектов не понадобится, но кто знает?

Мы рассмотрели десятку астрофизических загадок и перечислили наблюдательные задачи, которые могут стать ключевыми в поиске ответов. Разумеется, были названы и некоторые наблюдательные проекты и программы, в рамках которых эти результаты могут быть получены. Однако этим всё, конечно, не ограничивается. Во-первых, есть множество более частных проблем, которые, тем не менее, очень важны. Астрофизика захватывающая и быстро развивающаяся наука. Поэтому не только проблемы из второй десятки, но, возможно, и из третьей сотни заслуживают внимания. Кроме того, очень многие частные проблемы так или иначе связаны с большими ключевыми задачами, для решения которых нужен комплексный подход (люди строят Шартрский собор, а не просто доски пилят). Во-вторых, список, конечно же, очень субъективен. В-третьих, в список не попали интересные загадки, которые, по мнению автора, вряд ли будут решены в ближайшее время. К ним, например, относятся поиски экзотических объектов, таких, как первичные черные дыры или космические струны. Наконец, мы сознательно избегали проблем в духе что было, когда ничего не было, и как выглядит сингулярность в черной дыре. С наблюдательной точки зрения к ним трудно подступиться, да и без них интересного хватает.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.astronet.ru/

Дата добавления: 03.11.2012