Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

14 сентября 2015 года в двух отделениях Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), расположенных в Хэнфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана), одновременно зафиксировали гравитационно-волновой «писк», длившийся менее секунды, с резко возросшей частотой. Источник этого сигнала, согласно самым лучшим моделям, был определен как пара закручивающихся по спирали и сливающихся черных дыр. Их массы были эквивалентны 36 и 29 M⊙, что помещает их в верхнюю категорию черных дыр звездной массы. За это удивительное достижение, к которому команда LIGO готовилась 25 лет, в 2017 году была присуждена Нобелевская премия по физике.
17 августа 2017 года две обсерватории LIGO и недавно введенная в эксплуатацию обсерватория VIRGO в Италии обнаружили более слабое, но гораздо более продолжительное гравитационное излучение от двух сливающихся нейтронных звезд. Третья гравитационно-волновая обсерватория позволила астрономам провести триангуляцию области неба, в которой находился источник, чтобы проводить последующие телескопические наблюдения по всему электромагнитному спектру. Оказалось, что в эллиптической галактике, отдаленной от нас на 130 млн световых лет, произошло интенсивное слияние. Это привело к образованию килоновой, которую можно было отслеживать в обсерваториях с помощью гамма-телескопов и рентгеновских телескопов. Гигантский взрыв высвободил огромное облако нейтронов, которые затем вновь собрались в «бродячий цирк» тяжелых атомных ядер. Теперь некоторые астрофизики считают, что золото в наших ювелирных изделиях и уран в наших реакторах родились из подобных столкновений нейтронных звезд.
С первого открытия, произошедшего в 2015 году, мы обнаружили гравитационно-волновые сигналы от более чем двадцати случаев слияния. Тем временем по всему миру в режиме реального времени создаются новые инструменты. И именно сейчас зарождается гравитационно-волновая астрономия, которая обещает найти гораздо больше остатков слившихся и взорвавшихся компактных звезд — это белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, — а также охарактеризовать коллапс ядра сверхновых, понять процессы нуклеосинтеза тяжелых элементов, отследить слияния сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик и, возможно, когда-нибудь выявить сам Большой взрыв.
 Темная материя 
Вероятность существования темной материи в галактиках и в более обширном космосе становится все более очевидной. Исторически сложилось так, что первое научно обоснованное предположение о невидимой форме материи сделал в 1930-х годах швейцарский астроном Фриц Цвикки, славившийся своей вспыльчивостью. С помощью представления об этой материи, которую мы сейчас именуем «темной», Цвикки, сотрудник Калифорнийского технологического института, объяснял высокие скорости движения галактик в изобилующих ими галактических скоплениях. Целый рой этих галактик обладал такой скоростью, ограничить которую гравитация видимых звезд, газа и пыли внутри них просто не могла, — и, по всей видимости, в скоплениях присутствовало что-то еще. Цвикки назвал это «скрытой массой», но на самом деле она не скрывается, а скорее присутствует в некой странно «темной» форме.
В 1970-х годах Вера Рубин и Кент Форд из Института Карнеги обнаружили, что звезды в отдельных спиральных галактиках движутся по орбите вокруг соответствующих галактических центров с такой скоростью, что никакая видимая материя, присутствующая в этих галактиках, была не в силах удержать их на местах. Эти исследователи также предположили, что некая невидимая субстанция предоставляет необходимый гравитационный «клей». Их идея получила дальнейшую поддержку, когда радиоастрономы вычислили орбиты газовых облаков в спиральных галактиках и когда оказалось, что радиусы этих орбит выходят далеко за пределы звезд, а кривые вращения, вопреки ожидаемому радиальному падению скоростей, оставались устойчиво ровными (рис. 13.2).
 
Для меня решающим аргументом в пользу того, что темная материя пронизывает и галактики, и межгалактическое пространство, стали снимки «Хаббла», которые случайно оказались на луче зрения, направленном к более отдаленным галактикам. На них слабо различимы фоновые объекты, которые смешиваются с галактиками на переднем плане. Наблюдаемое искривление этих объектов можно в полной мере объяснить эффектами гравитационного линзирования фоновых галактик, осуществленного темной материей того скопления, которое находится на переднем плане. Анализ этих эффектов выявил присутствие гравитирующей темной материи как внутри отдельных галактик в тех или иных скоплениях, так и в пространстве, разделившем эти галактики. Астрономы пришли к выводу, что темная материя преобладает над всеми другими формами видимой материи в 8,5 раза. Это открытие не может не тревожить, поскольку сейчас доля темной материи, которую мы можем обнаружить в космической бездне, не превышает 15 %. Единственный выход — найти для этой материи, обладающей тяготением, но невидимой, приемлемых кандидатов.
Рис. 13.2. Кривые вращения ближайших спиральных галактик в разбивке по типам показывают, что орбитальные скорости остаются практически неизменными, несмотря на увеличение радиуса. Такое поведение противоречит ожиданиям, связанным с радиальным ослаблением звездного света в этих галактиках. Вместо этого ученые предполагают, что с увеличением радиуса суммарные массы этих галактик продолжают линейно расти. (По источнику: D. A. Popolo, со ссылкой на источник: A. Bosma, “Nonbaryonic Dark Matter in Cosmology”, Int. J. Mod. Phys. D23 [2014] 1430005 arXiv:1305.0456 [astro-ph. CO].)
 Обычная темная материя 
Объекты, состоящие из «обычных» протонов, нейтронов и электронов, при определенных обстоятельствах могут быть темными. Например, одинокая планета или спутник, удаленные от какой- либо звезды, не будут ни отражать звездный свет в сколь-либо великой мере, ни испускать заметное излучение. Отдельные черные дыры, холодные нейтронные звезды и белые карлики могут просто не попасть на наши детекторы. Несомненно, некоторые из этих межзвездных странников наполняют и наш Млечный Путь, и другие галактики. Ученые даже назвали такие объекты массивными астрофизическими компактными объектами гало (англ. massive astrophysical compact halo object, MACHO). Вопрос только в том, хватит ли их, чтобы объяснить долю в 85 %, которая приходится на невидимую, но гравитирующую материю. До сих пор астрономы, ведущие ее поиски, стремятся обнаружить объекты размером с планету или спутник, которые не принадлежат ни к протопланетным дискам, ни к зрелым солнечным системам, которых в нашей родной Галактике очень много. Даже если бы все звезды во всех галактиках содержали планетные системы и половина из этих систем скрылась во тьме, количество пропавшей материи составило бы лишь небольшой процент от необходимой величины. Такой же недостаток характерен и для предложенных оценок других MACHO.
Еще одно ограничение для обычной темной материи связано с процессом нуклеосинтеза, происходившим в течение первых нескольких минут после Большого взрыва. За это время нейтроны и протоны сливались в атомные ядра гелия-4, а также, в ультрамалых количествах, в атомные ядра дейтерия, гелия-3 и лития. Одиночные нейтроны распадаются обратно на протоны и электроны примерно за пять минут, и поэтому весь активный нуклеосинтез должен был произойти до достижения этого временного предела. Конечная продолжительность, в свою очередь, ограничивала количество ядерного вещества, которое можно было выделить из хаоса. Чтобы сопоставить относительные количества водорода, гелия-4 и других изотопов, наблюдающихся в современной Вселенной, астрофизики предполагают, что плотность всей этой обычной материи составляет всего 2–5 % от уровня, необходимого для того, чтобы ткань пространства-времени стала «плоской». Топологически плоский космос — это одно из главных открытий, сделанное в результате недавнего картирования космического микроволнового фона (см. гл. 9). И чтобы его объяснить, нам нужно гораздо больше темной материи и непомерная доля темной энергии (о ней чуть ниже).