Астрономы, использующие космический телескоп НАСА/ЕКА "Хаббл", наблюдали самую маленькую экзопланету, в атмосфере которой был обнаружен водяной пар. Планета GJ 9827d, размером всего в два раза больше земного диаметра, может быть примером планет с водяными атмосферами в нашей галактике.
"Это был бы первый случай, когда мы можем напрямую показать через обнаружение в атмосфере, что эти планеты с водяными атмосферами действительно могут существовать вокруг других звезд", - сказал член команды Бьорн Беннеке из Университета де Монреаль. "Это важный шаг к определению распространенности и разнообразия атмосфер на планетах с твердой поверхностью".
Однако пока рано говорить о том, измерил ли "Хаббл" спектроскопически небольшое количество водяного пара в рассеянной атмосфере, богатой водородом, или атмосфера планеты в основном состоит из воды, оставшейся после испарения первичной атмосферы водорода/гелия под воздействием звездного излучения.
"Наша программа наблюдений была специально разработана с целью не только обнаружения молекул в атмосфере планеты, но и конкретно для поиска водяного пара. Любой результат будет замечательным - будь то доминирование водяного пара или его незначительное присутствие в атмосфере, преимущественно состоящей из водорода", - сказал ведущий автор научной статьи Пьер-Алекси Рой из Университета де Монреаль.
"До сих пор мы не могли напрямую обнаружить атмосферу такой маленькой планеты. И теперь мы медленно входим в эту область," добавил Беннеке. "В какой-то момент, когда мы изучаем маленькие планеты, должен произойти переход, когда в этих мирах больше не будет водорода, и у них будут атмосферы, больше похожие на Венеру (где преобладает углекислый газ)."
Так как температура планеты примерно такая же, как на Венере, около 425 градусов Цельсия, она определенно была бы негостеприимным, жарким миром, если бы атмосфера преимущественно состояла из водяного пара.
На данный момент у команды есть две возможности. Планета все еще удерживает оболочку, богатую водородом, с примесью воды, что делает ее мини-Нептуном. В качестве альтернативы, это может быть более теплой версией луны Юпитера Европы, под корой которой в два раза больше воды, чем на Земле. "Планета GJ 9827d может быть наполовину водой, наполовину камнем. И там будет много водяного пара над некоторым меньшим телом с твердой поврехностью," сказал Беннеке.
Если у планеты осталась еще атмосфера, богатая водой, то она должна была сформироваться подальше от своей звезды-хозяина, где температура низкая и вода была бы в виде льда. В этом сценарии планета затем мигрировала ближе к звезде и получила больше излучения. Водород затем нагрелся и улетучился или все еще улетучивается из-за слабой гравитации планеты. Альтернативная теория заключается в том, что планета сформировалась близко к горячей звезде, с небольшим количеством воды в своей атмосфере.
Программа Хаббла наблюдала планету во время 11 транзитов — событий, когда планета проходила перед своей звездой — на протяжении трех лет. Во время транзитов свет звезды фильтруется через атмосферу планеты и несет спектральный отпечаток молекул воды. Если на планете есть облака, они находятся достаточно низко в атмосфере, чтобы не полностью скрывать видимость атмосферы для Хаббла, и Хаббл может исследовать водяной пар над облаками.
Открытие Хаббла открывает дверь к более детальному изучению планеты. Это хорошая цель для космического телескопа NASA/ESA/CSA Джеймса Уэбба для проведения инфракрасной спектроскопии с целью поиска других молекул в атмосфере.
Планета GJ 9827d была открыта космическим телескопом NASA Кеплер в 2017 году. Она совершает оборот вокруг красного карлика каждые 6,2 дня. Звезда, GJ 9827, находится в 97 световых годах от Земли в созвездии Рыбы.
Одной из ключевых задач телескопа Джеймса Уэбба, созданного НАСА/ЕКА/ККА, является изучение ранней Вселенной. Теперь, благодаря непревзойденному разрешению и чувствительности инструмента NIRCam Уэбба, впервые удалось увидеть, что находится в локальной среде галактик в самой ранней Вселенной. Это позволило решить одну из самых загадочных тайн астрономии — почему исследователи обнаруживают свет от атомов водорода, который должен был быть полностью заблокирован первозданной газовой средой, образовавшейся после Большого взрыва. Новые наблюдения Уэбба показали наличие маленьких, тусклых объектов вокруг тех самых галактик, которые демонстрируют 'непонятное' излучение водорода. В сочетании с передовыми симуляциями галактик в ранней Вселенной, наблюдения показали, что источником этого излучения водорода является хаотичное слияние соседних галактик.
Свет распространяется с конечной скоростью (300 000 километров в секунду), и чем дальше находится галактика, тем дольше свет от нее доходит до нашей Солнечной системы. Наблюдения за самыми далекими галактиками позволяют не только исследовать дальние уголки Вселенной, но и изучать Вселенную такой, какой она была в прошлом. Для изучения самой ранней Вселенной астрономам требуются исключительно мощные телескопы, способные наблюдать за очень далекими — и, следовательно, очень тусклыми — галактиками. Одной из ключевых возможностей Уэбба является его способность наблюдать за этими самыми далекими галактиками и, следовательно, изучать раннюю историю Вселенной. Международная команда воспользовалась удивительными возможностями Уэбба для решения давней загадки астрономии.
Самые ранние галактики были местами активного и энергичного формирования звезд и, как таковые, были богаты источниками света, испускаемого атомами водорода (излучение Лаймана-альфа [1]). Однако, в эпоху реионизации [2] эти области активного формирования звезд окружало огромное количество нейтрального водородного газа (т.н. "звездные ясли"). Кроме того, пространство между галактиками было заполнено нейтральным газом больше, чем теперь. Газ может очень эффективно поглощать и рассеивать такое излучение водорода [3], поэтому астрономы давно предсказывали, что обильное излучение Лаймана-альфа, испущенное в самой ранней Вселенной, сегодня не должно быть видно. Но эта теория не всегда выдерживала критику, так как астрономы и ранее наблюдали примеры очень раннего излучения водорода, что представляло собой загадку: как же так получается, что мы видим это излучение водорода, которое, по идее, должно было давно быть поглощено или рассеяно? Исследователь из Кембриджского университета и главный исследователь нового исследования Каллум Уиттен поясняет:
"Одной из самых загадочных проблем, которую представляли предыдущие наблюдения, было обнаружение света от атомов водорода в самой ранней Вселенной, который должен был быть полностью заблокирован первозданной нейтральной газовой средой, образовавшейся после Большого Взрыва. Ранее было предложено множество гипотез для объяснения этого 'непонятного' излучения."
Прорыв произошел благодаря исключительному сочетанию углового разрешения и чувствительности Уэбба. Наблюдения с помощью инструмента NIRCam Уэбба позволили разрешить меньшие, более тусклые галактики, окружающие яркие галактики, от которых исходило 'непонятное' излучение водорода. Другими словами, окружение этих галактик оказалось гораздо более оживленным местом, чем мы ранее думали, наполненным маленькими, тусклыми галактиками. Важно, что эти меньшие галактики взаимодействовали и сливались друг с другом, и Уэбб показал, что слияния галактик играют важную роль в объяснении загадочного излучения от самых ранних галактик. Серхио Мартин-Альварес, член команды из Стэнфордского университета, добавляет:
"Там, где Хаббл видел только большую галактику, Уэбб видит кластер меньших взаимодействующих галактик, и это открытие оказало огромное влияние на наше понимание неожиданного излучения водорода от некоторых первых галактик."
Затем команда использовала передовые компьютерные симуляции для изучения физических процессов, которые могли бы объяснить их результаты. Они обнаружили, что быстрое накопление звездной массы за счет слияния галактик приводило к сильному излучению водорода и способствовало утечке этого излучения через каналы, очищенные от нейтрального газа. Таким образом, высокая скорость слияния ранее не наблюдаемых меньших галактик представляла собой убедительное решение давней загадки 'непонятного' раннего излучения водорода.
Команда планирует провести последующие наблюдения за галактиками на разных стадиях слияния, чтобы продолжить развивать свое понимание того, как излучение водорода выбрасывается из этих изменяющихся систем. В конечном итоге это позволит им улучшить наше понимание эволюции галактик.
Эти результаты были опубликованы сегодня в журнале Nature Astronomy.
Примечания
[1] Излучение Лаймана-альфа - это свет, испускаемый на длине волны 121,567 нанометров, когда электрон в возбужденном атоме водорода переходит из возбужденного состояния орбитали n = 2 в основное состояние n = 1 (самое низкое энергетическое состояние, которое может иметь атом). Квантовая физика диктует, что электроны могут существовать только в очень конкретных энергетических состояниях, и это означает, что определенные энергетические переходы — такие как переход электрона в атоме водорода с орбитали n = 2 на n = 1 — можно идентифицировать по длине волны света, испускаемого во время этого перехода. Излучение Лайман-альфа важно во многих областях астрономии, частично потому, что водород так распространен во Вселенной, и также потому, что водород обычно возбуждается энергичными процессами, такими как активное звездообразование. Соответственно, излучение Лайман-альфа может использоваться как признак того, что здесь происходит активное звездообразование.
[2] Эпоха реионизации была очень ранним этапом в истории Вселенной, который произошел после рекомбинации (первой стадии после Большого взрыва). Во время рекомбинации Вселенная остыла настолько, что электроны и протоны начали объединяться, образуя нейтральные атомы водорода. Во время реионизации начали формироваться более плотные облака газа, создавая звезды и в конечном итоге целые галактики, свет которых постепенно реионизировал водородный газ.
[3] Нейтральный водородный газ состоит из атомов водорода, находящихся в самом низком энергетическом состоянии, которое они могут иметь, каждый с электроном в орбитали n = 1. Поскольку свет, испускаемый атомом водорода во время излучения Лаймана-альфа, несет энергию атомного перехода с орбитали n = 2 в n = 1, когда он попадает на нейтральный атом водорода, он имеет точно такое количество энергии, чтобы ионизировать атом и поднять его электрон на следующую доступную орбиталь. Это означает, что нейтральный газ легко поглощает и блокирует излучение Лайман-альфа.
Дополнительная информация
Вебб является самым крупным и мощным телескопом, когда-либо запущенным в космос. В рамках международного соглашения о сотрудничестве ЕКА обеспечило запуск телескопа с использованием ракеты-носителя "Ариан-5". Совместно с партнерами ЕКА вело разработку адаптаций "Ариан-5" для миссии Вебба и пользовалось услугами по запуску компании Arianespace. ЕКА также предоставило спектрограф NIRSpec и 50% среднеинфракрасного инструмента MIRI, который был разработан и построен консорциумом европейских институтов, финансируемых на национальном уровне (Европейский консорциум MIRI) в партнерстве с JPL и Университетом Аризоны.
Уэбб является международным партнерством между NASA, ЕКА и Канадским космическим агентством (CSA).
Международная команда астрономов в этом исследовании состоит из: Callum Witten (Institute of Astronomy, University of Cambridge, UK [IoA] and Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, UK [Kavli]), Nicolas Laporte (Kavli and Cavendish Laboratory, University of Cambridge, UK [Cavendish]) Sergio Martin-Alvarez (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Stanford University, USA), Debora Sijacki (IoA and Kavli), Yuxuan Yuan (IoA and Kavli) Martin G. Haehnelt (IoA and Kavli), William M. Baker (Kavli and Cavendish), James S. Dunlop (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, UK), Richard S. Ellis (Department of Physics and Astronomy, University College London, UK [UCL]), Norman A. Grogin (Space Telescope Science Institute, USA [STScI]), Garth Illingworth (Department of Astronomy and Astrophysics, University of California, Santa Cruz, USA), Harley Katz (Department of Physics, University of Oxford, UK), Anton M. Koekemoer (STScI), Daniel Magee (UCO/Lick Observatory, University of California, Santa Cruz, USA), Roberto Maiolino (Kavli, Cavendish and UCL), William McClymont (Kavli and Cavendish), Pablo G. Pérez-González (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, Spain) Dávid Puskás (Kavli and Cavendish), Guido Roberts-Borsani (Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, USA), Paola Santini (INAF - Osservatorio Astronomico di Roma, Italy), Charlotte Simmonds (Kavli and Cavendish).
Image Credit: ESA/Webb, NASA & CSA, S. Finkelstein (UT Austin), M. Bagley (UT Austin), R. Larson (UT Austin), A. Pagan (STScI), C. Witten, M. Zamani (ESA/Webb)
Около 5 млн пет назад извержение Черной быры в галактике NGC 4945 запустило безумие звездных рождений и выстрелило огромным облаком газа в межгалактическое пространство.
Смотрите ролик (на английском), как два рентгеновских телескопа записали эту историю.
Исследователи из Космического центра имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, обнаружили рентгеновскую активность, которая проливает свет на эволюцию галактик.
Рентгеновские лучи очерчивают гигантские облака холодного газа в близлежащей спиральной галактике NGC 4945. По-видимому, газ был выброшен через галактику после того, как ее центральная сверхмассивная черная дыра взорвалась примерно 5 миллионов лет назад.
"В научном сообществе есть постоянный спор о том, как эволюционируют галактики," сказала Кимберли Уивер, астрофизик из Космического центра имени Годдарда, которая возглавила работу. "Мы находим сверхмассивные черные дыры в центрах почти всех галактик размером с Млечный Путь, и открытым по-прежнему остается вопрос, насколько велико их влияние на галактики по сравнению с процессами формирования звезд. Изучение близлежащих галактик - таких, как NGC 4945, которые, как мы думаем, мы видим в период перехода, помогает нам создавать более точные модели того, как звезды и черные дыры вызывают изменения в галактиках."
Регионы активного формирования звезд видны на снимках 2.2-метрового телескопа Европейской Южной Обсерватории в Чили как яркие розовые области. Активное ядро галактики при этом почти скрыто от нас в мощных облаках пыли.
Credit: ESO
NGC 4945 — активная галактика, расположенная примерно в 13 миллионах световых лет от нас в южном созвездии Центавра.
Активная галактика имеет необычно яркое и переменное ядро, питаемое сверхмассивной черной дырой, которая нагревает окружающий диск из газа и пыли за счет гравитации и силы трения. Черная дыра медленно поглощает материал вокруг себя, что создает случайные колебания в излучаемом свете диска. Как и в большинстве активных галактик, черная дыра и диск NGC 4945 скрыты плотным тороидальным облаком пыли, которое блокирует часть этого света.
Ядра активных галактик также могут создавать струи частиц высокой скорости и создавать сильные ветра, содержащие газ и пыль.
NGC 4945 также является галактикой с активным формированием звезд: она формирует звезды с гораздо большей скоростью, чем наша. Ученые оценивают, что она производит эквивалент массы 18 звезд, подобных нашему Солнцу, каждый год, что почти в три раза превышает скорость формирования звезд во Млечном Пути. Почти все звездообразование сосредоточено в центре галактики. Взрыв звездных рождений длится от 10 до 100 миллионов лет и заканчивается как только исчерпывается исходный материал для создания новых звезд.
Эта анимация показывает разницу между двумя видами спиральной галактики NGC 4945. Первое изображение, синим - визуальный диапазон, получено Оптическим Монитором телескопа XMM-Newton. На него наложена контурная карта линии железа К-альфа, полученная прибором EPIC. Второе изображение показывает наполнение контуров, где более яркие цвета указывают на большую концентрацию рентгеновского излучения.
Credit: Weaver et al., ESA/XMM-Newton
Уивер, научный руководитель проекта NASA для миссии XMM-Newton, и ее команда изучали NGC 4945 с помощью этого телескопа. В своих данных они увидели то, что ученые называют линией железа K-альфа. Этот эффект возникает, когда очень энергичный рентгеновский свет от диска черной дыры встречается с холодным газом в другом месте. (Газ имеет температуру около минус 400 градусов по Фаренгейту или минус 200 градусов по Цельсию.) Железная линия является обычным явлением в активных галактиках, но до этих наблюдений ученые считали, что она возникает на гораздо более близких к черной дыре расстояниях.
"Чандра делала карту распределения линии железа K-альфа в других галактиках. Здесь она помогла нам изучить отдельные яркие рентгеновские источники в облаке, чтобы исключить другие потенциальные источники, кроме черной дыры," сказала Дженна Канн, соавтор исследования и аспирант в Годдарде. "Но линия NGC 4945 простирается так далеко от ее центра, что нам потребовалось широкое поле зрения XMM-Newton, чтобы увидеть ее полностью."
Смотрите, как ученые отфильтровали возможные источники рентгеновского сигнала (линия железа К-альфа) на этой анимации. Первое изображение показывает контуры линии железа в галактике NGC 4945 от телескопа XMM-Newton. На втором изображении, команда исследователей использовала данные Чандры, чтобы отфильтровать посторонние источники - такие, как двойные звезды. На итоговом снимке, они убрали рентгеновские лучи, исходящие из активного ядра галактики. Линия железа по-прежнему подсвечивает огромное количество холодного газа в галактике.
Credit: Weaver et al. 2024, ESA/XMM-Newton
Поскольку NGC 4945 видна нам с ребра, XMM-Newton смогла отобразить протяженность ее железной линии как вдоль, так и над плоскостью галактики, проследив ее на расстояние 32 000 и 16 000 световых лет соответственно — на порядок дальше, чем наблюдаемые ранее линии железа.
Научная команда считает, что холодный газ, выделенный линией, является реликтом струи частиц, извергавшейся из центральной черной дыры галактики примерно 5 миллионов лет назад. Скорее всего, струя была направлена внутрь галактики, а не в космическое пространство, создавая сверхмощный ветер, который до сих пор толкает холодный газ через галактику. Он даже мог спровоцировать взрыв звездных рождений, который мы наблюдаем и сейчас.
Уивер и ее коллеги продолжат наблюдать за NGC 4945, чтобы попробовать найти другие способы, которыми черная дыра влияет на эволюцию галактики. Те же рентгеновские лучи от диска, которые в настоящее время выделяет холодный газ, также могут начать его рассеивать. Поскольку для формирования звезд необходим этот газ, ученые могут измерить, как активность вокруг черной дыры галактики может подавить ее фазу взрывного формирования звезд.
"Есть ряд свидетельств, указывающих на то, что черные дыры играют важную роль в некоторых галактиках, определяя их историю звездообразования и судьбу," сказал соавтор Эдмунд Ходжес-Клак, астрофизик из Годдарда. "Мы изучаем множество галактик, таких как NGC 4945, потому что, хотя физика везде примерно одинакова от черной дыры до черной дыры, влияние, которое они оказывают на свои галактики, сильно различается. XMM-Newton помог нам обнаружить галактическое ископаемое, о котором мы даже не подозревали — но это, вероятно, только первый случай из многих."
Обсерватория XMM-Newton ЕКА была запущена в декабре 1999 года из Куру, Французская Гвиана. НАСА финансировало элементы инструментального пакета XMM-Newton и обеспечивает Гостевую Обсерваторию НАСА в Годдарде, которая поддерживает использование обсерватории американскими астрономами.
Массив CHARA сделал два фото звезды RW Цефея в условных цветах - одно в декабре 2022 года (слева), когда звезда потускнела, и одно в июле 2023 года (справа), когда звезда восстановила свою обычную яркость. Пятнистый вид обусловлен пылью, созданной огромным выбросом массы из звезды. Звезда огромна, но она находится так далеко, что кажется примерно в миллион раз меньше полной Луны на небе, и ее можно разрешить только интерферометром.
Credit: CHARA/ Університет штата Джорджия
Бетельгейзе - не единственная звезда-гигант, проходящая через "Великие потускнения" :-/
Помните "Великое Потускнение" Бетельгейзе? В конце 2019 года этот красный сверхгигант в созвездии Ориона стал на 1.2 звездной величины тусклее обычного. Подробные наблюдения звезды с помощью Очень Большого Телескопа в Чили, возможные благодаря относительно небольшому расстоянию Бетельгейзе в 640 световых лет, показали, что южное полушарие диска звезды потемнело. Свет временно блокировался огромным облаком пыли, которое, вероятно, конденсировалось из массивного выброса звездного вещества. По мере того как облако медленно расширялось и рассеивалось, звезда восстановила свою первоначальную яркость.
Но Бетельгейзе больше не одинока. В конце 2022 года хорошо известная переменная звезда RW Цефея — желтый сверхгигант и одна из крупнейших звезд в Галактике — пережила "Великое Потускнение", вызванное аналогичным событием. По словам Нарсиредди Анугу (Государственный университет Джорджии), примерно раз в столетие сверхгиганты и гипергиганты могут испытывать огромные выбросы массы с поверхности, "но они должны происходить более или менее в нашем направлении, чтобы вызвать значительное затемнение звезды."
Несколько астрономов, включая членов Американской ассоциации наблюдателей переменных звезд, отметили, что RW Цефея померкла примерно до одной трети своей обычной яркости. Выяснить, что произошло, непросто — ибо невозможно разрешить ее диск с помощью одного телескопа. Ситуация усугубляется, учитывая большое расстояние до нее - в десятки раз дальше от Земли, чем Бетельгейзе. Однако интерферометр, состоящий из нескольких телескопов, соединенных вместе для значительного увеличения пространственного разрешения, может справиться с этой задачей.
Анугу возглавил международную команду астрономов, которая использовала интерферометр из шести телескопов в Маунт Уилсон, массив CHARA (Center for High Angular Resolution Astronomy), чтобы получить изображения RW Цефея в декабре 2022 года и снова в июле 2023 года, когда звезда почти вернулась к своей обычной яркости. Изображения команды, представленные на 243-м собрании Американской астрономической ассоциации в Новом Орлеане и опубликованные в журнале The Astronomical Journal, напоминают изображения Бетельгейзе, сделанные Европейским Очень Большим Телескопом около четырех лет назад. В случае с RW Цефея западная часть диска звезды, по-видимому, заблокирована пылью. (Квадратная форма звезды является артефактом изображения из-за расположения телескопов CHARA.)
Дополнительные спектроскопические наблюдения звезды, полученные с помощью 3,5-метрового телескопа обсерватории Апачи-Пойнт, показали, что затемнение RW Цефея было гораздо менее выраженным в ближнем инфракрасном, чем в визуальном диапазоне, что подтверждает сценарий с облаком пыли: частицы пыли поглощают видимый свет гораздо эффективнее, чем инфракрасный, который проходит почти без препятствий.
Если это уже второе "Великое Потускнение" гигантской звезды, наблюдаемое всего за несколько лет, можем ли мы ожидать еще? - Вероятно, - говорит Анугу, - потому, что астрономы теперь уделяют этому гораздо больше внимания. В частности, относительно холодный гипергигант VY Большого Пса может показать аналогичное поведение, которое потребует интерферометрических наблюдений. "На самом деле", - говорит Анугу, - "огромное падение яркости звезды Ро Кассиопеи, наблюдавшееся в 1946 году, могло иметь аналогичное происхождение."
Группа астрофизиков под руководством Миреи Монтес, исследователя из Института астрофизики Канарских островов (IAC), обнаружила самую большую и разреженную галактику, зарегистрированную до сих пор. Исследование было опубликовано в журнале "Астрономия и астрофизика" и использовало данные, полученные с помощью Большого канарского телескопа (GTC) и радиотелескопа Грин-Бэнк (GBT).
Нубе - это практически невидимая карликовая галактика, открытая международной исследовательской группой под руководством Института астрофизики Канарских островов (IAC) при сотрудничестве с Университетом Ла-Лагуна (ULL) и другими учреждениями.
Название было предложено пятилетней дочерью одного из исследователей группы и связано с разреженным видом объекта. Его поверхностная яркость так слаба, что она оставалась незамеченной в различных предыдущих обзорах этой части неба, как будто это был какой-то призрак. Это связано с тем, что его звезды настолько рассеяны в таком большом объеме, что "Нубе" (испанское слово "Облако") была почти незаметна.
Эта вновь открытая галактика обладает рядом специфических свойств, отличающих ее от ранее известных объектов. Исследовательская группа оценивает, что Нубе - это карликовая галактика, в десять раз более тусклая, чем другие ее типа, но также в десять раз более протяженная, чем другие объекты с сопоставимым количеством звезд. Чтобы показать, что это значит для тех, кто немного разбирается в астрономии, эта галактика составляет одну треть размера Млечного Пути, но имеет массу, сопоставимую с массой Малого Магелланова Облака.
"С нашими современными знаниями мы не понимаем, как может существовать галактика с такими экстремальными характеристиками", - объясняет Мирея Монтес, первый автор статьи, исследователь в IAC и ULL.
На протяжении нескольких лет Игнасио Трухильо, второй автор статьи, анализировал, опираясь на изображения SDSS (Sloan Digital Sky Survey), определенную полосу неба в рамках проекта Legado del IAC Stripe 82. В одном из обзоров данных они заметили тусклое пятно, которое показалось достаточно интересным, чтобы начать исследовательский проект.
Следующим шагом стало использование ультраглубоких многоцветных изображений с Большого канарского телескопа (GTC), чтобы подтвердить, что это пятно в обзоре не является какой-то ошибкой, а представляет собой чрезвычайно разреженный объект. Из-за его слабой яркости трудно определить точное расстояние до Нубе. Используя наблюдение, полученное с помощью радиотелескопа Грин-Бэнк (GBT) в Соединенных Штатах, авторы оценили расстояние до Нубе в 300 миллионов световых лет, хотя последующие наблюдения с радиотелескопа Very Large Array (VLA) и оптического телескопа Уильяма Гершеля (WHT) на обсерватории Роке-де-лос-Мучачос, Ла-Пальма, должны помочь им установить, верно ли это расстояние. "Если галактика окажется ближе, она все равно будет очень странным объектом и создаст серьезный вызов астрофизике", - комментирует Игнасио Трухильо.
Еще один вызов современной модели темной материи?
Общее правило заключается в том, что галактики имеют гораздо большую плотность звезд в своих внутренних регионах, и эта плотность быстро падает с увеличением расстояния от центра. Однако, по словам Монтес, в Нубе "плотность звезд меняется очень мало по всему объекту, поэтому он такой тусклый, и мы не могли хорошо его наблюдать, пока у нас не появились ультраглубокие изображения с GTC".
Нубе ставит астрономов в тупик. На первый взгляд, команда объясняет, что нет взаимодействия или других признаков ее странных свойств. Космологические симуляции не могут воспроизвести ее "экстремальные" характеристики, даже на основе различных сценариев. "Мы остаемся без удовлетворительного объяснения в рамках современной космологической модели, модели холодной темной материи", - объясняет Монтес.
Модель холодной темной материи может воспроизводить крупномасштабные структуры во Вселенной, но есть сценарии на малых масштабах, такие как случай с Нубе, для которых она не может дать хорошего ответа. Мы показали, как различные теоретические модели не могут ее воспроизвести, что делает ее одним из самых экстремальных случаев, известных до сих пор. "Возможно, что с этой галактикой и подобными, которые мы можем найти, мы сможем найти дополнительные подсказки, которые откроют новое окно в понимании Вселенной", - комментирует Монтес.
"Одна из привлекательных возможностей заключается в том, что необычные свойства Нубе показывают нам, что частицы, составляющие темную материю, имеют чрезвычайно малую массу", - говорит Игнасио Трухильо. Если это так, то необычные свойства этой галактики были бы демонстрацией свойств квантовой физики, но в галактическом масштабе. "Если эта гипотеза подтвердится, это будет одним из самых красивых доказательств природы, объединяющих мир самого маленького с миром самого большого", - заключает он.
Галактика Нубе. Композитный снимок из цветного и черно-белого изображения для исключения фона.
Credit: GTC/Mireia Montes
Ссылка на статью: M. Montes, I. Trujillo, et al. “An almost dark galaxy with the mass of the Small Magellanic Cloud”. A&A, 2024. DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202347667
Загадочный Всплеск Энергии Исходит от Слияния Галактик
Для невооруженного глаза небо кажется обманчиво спокойным. Но для радиоастрономов существуют мощные всплески энергии, которые вспыхивают по всему небу, как вспышки фотокамер на стадионе. Извержение излучения может на короткое время даже затмить целую галактику. Взрывы приходят так быстро и уходят, затухая менее чем за пару секунд, что они получили название быстрых радиовсплесков (БРВ). Хотя механизм их возникновения неизвестен, он должен включать экстремальную физику, возможно, столкновение черных дыр или нейтронных звезд: их трудно точно привязать к чему-либо. Астрономам, использующим Хаббл, пришлось заглянуть на полпути к Большому Взрыву, чтобы найти местоположение самого далекого и яркого БРВ на сегодняшний день. Он взорвался среди компактной группы нескольких ранних галактик, которые, возможно, находятся в процессе слияния. Совпадение или подсказка? Обнаружение БРВ в странном месте может помочь астрономам раскрыть их тайну.
Астрономы, использующие космический телескоп Хаббл, обнаружили редкое событие в необычном месте.
Это явление называется быстрым радиовсплеском (БРВ), мимолетным взрывом энергии, который может на несколько миллисекунд затмить целую галактику. За последние несколько лет было обнаружено сотни БРВ. Они вспыхивают по всему небу, как вспышки фотокамер на стадионе, но источники этих интенсивных всплесков излучения остаются непонятными.
Этот новый БРВ особенно странный потому, что он произошел на полпути через всю Вселенную, что делает его самым далеким и мощным обнаруженным примером такого явления на сегодняшний день.
И это еще не все! БРВ вспыхнул в месте, где никто не мог бы и подумать: в скоплении галактик, существовавших, когда вселенной было всего 5 миллиардов лет. Большинство предыдущих БРВ были найдены в изолированных галактиках.
FRB20220610A впервые был обнаружен 10 июня 2022 года радиотелескопом Австралийского квадратного километра (ASKAP) в Западной Австралии. Европейская южная обсерватория с Очень Большим Телескопом в Чили подтвердила, что БРВ пришел из далекого места. БРВ был в четыре раза более энергичным, чем ближайшие БРВ.
«Для точного определения места, откуда пришел БРВ, потребовались острое зрение и чувствительность Хаббла», - сказала ведущий автор Алекса Гордон из Северо-Западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс. «Без изображений Хаббла оставалось бы загадкой, исходит ли это из одной монолитной галактики или из какой-то взаимодействующей системы. Именно такие среды — такие странные — подталкивают нас к лучшему пониманию тайны БРВ».
Четкие изображения Хаббла предполагают, что этот БРВ возник в среде, где может быть до семи галактик на возможном пути к слиянию, что также может быть очень важным, говорят исследователи.
«Мы в конечном итоге пытаемся ответить на вопросы: что их вызывает? Кто их предшественники и каковы их истоки? Наблюдения Хаббла предоставляют зрелищный вид на удивительные типы сред, порождающих эти загадочные события», - сказал соисследователь Вен-фай Фонг, также из Северо-Западного университета.
Хотя астрономы не пришли к консенсусу относительно возможного механизма, стоящего за этим необычным явлением, обычно считается, что БРВ должны включать какой-то компактный объект, например, черную дыру или нейтронную звезду. Один экстремальный тип нейтронной звезды называется магнетаром — самым интенсивно магнитным типом нейтронной звезды во Вселенной. У него магнитное поле настолько сильное, что, если бы магнетар находился на полпути между Землей и Луной, он стер бы магнитную полосу на кредитных картах всех людей в мире. Гораздо хуже, если бы астронавт приблизился на несколько сотен миль к магнетару, он бы фактически растворился, потому что каждый атом в его теле был бы нарушен. (прим. перев.: какой ужас)
"Возможные механизмы включают в себя какое-то резкое звездотрясение или, в качестве альтернативы, взрыв, вызванный, когда перекручивающиеся магнитные линии поля магнетара разрываются и вновь соединяются. Подобное явление происходит на Солнце, вызывая солнечные вспышки, но магнитное поле магнетара в триллион раз сильнее магнитосферы Солнца. Разрыв линий мог бы создавать вспышку БРВ или ударную волну, которая сжигает окружающую пыль и нагревает газ до состояния плазмы.
Может быть несколько разновидностей магнетаров. В одном случае, это может быть взрывающийся объект, вращающийся вокруг черной дыры, окруженной диском материала. Другой альтернативой является пара вращающихся нейтронных звезд, чьи магнитосферы периодически взаимодействуют, создавая полость, где могут происходить взрывы. Оценивается, что магнетары активны около 10 000 лет, прежде чем они успокоятся, поэтому ожидается, что их можно будет найти там, где происходит бурное рождение звезд. Но это, по-видимому, не относится ко всем магнетарам.
В ближайшем будущем эксперименты с БРВ увеличат свою чувствительность, что приведет к беспрецедентному количеству обнаруженных БРВ на этих расстояниях. Хаббл сыграет решающую роль в характеристике сред, в которых происходят эти БРВ. Астрономы скоро узнают, насколько особенной была среда этого БРВ.
«Нам просто нужно продолжать находить все больше и больше этих БРВ, как близких, так и далеких, и во всех этих разных типах сред», - сказала Гордон.
Результаты представлены на 243-м собрании Американского астрономического общества в Новом Орлеане, Луизиана.
Космический телескоп Хаббл - это проект международного сотрудничества между NASA и ESA. Управление телескопом осуществляется Научно-космическим центром NASA в Гринбелте, штат Мэриленд. Научные операции Хаббла и Уэбба проводятся Научным институтом космического телескопа (STScI) в Балтиморе, штат Мэриленд. STScI управляется для NASA Ассоциацией университетов по астрономическим исследованиям в Вашингтоне, округ Колумбия.
Прим. перев. :рискнул перевести Fast Radio Burst(FRB) как "Быстрый Радиовсплеск" (БРВ).
Терминология, использованная в последних переведенных мной пресс-релизах настолько свежа, что "печется" прямо на наших глазах... Если знаете лучшие русские эквиваленты, подсказывайте в комментариях.
На этом художественном изображении представлен коричневый карлик W1935, который находится в 47 световых годах от Земли.
Астрономы, использующие космический телескоп Джеймса Уэбба NASA, обнаружили инфракрасное излучение метана, исходящее от W1935, что явилось сюрпризом, поскольку коричневый карлик холоден и у него нет звезды-компаньона; следовательно, нет очевидного источника энергии для нагрева его верхней атмосферы и свечения метана.
Команда предполагает, что излучение метана может быть связано с процессами, создающими полярные сияния, показанные здесь красным цветом.
Инфракрасное излучение метана намекает на нагрев атмосферы за счет полярных сияний.
Астрономы, использующие космический телескоп Джеймса Уэбба, обнаружили коричневый карлик (объект, более массивный, чем Юпитер, но меньше звезды) с инфракрасным излучением метана в его верхней атмосфере.
Это открытие стало сюрпризом, поскольку коричневый карлик, W1935, холоден и не имеет звезды-компаньона; следовательно, нет очевидного источника энергии для его верхней атмосферы. Команда предполагает, что излучение метана может быть связано с процессами, создающими полярные сияния.
Эти результаты представлены на 243-м собрании Американского астрономического общества в Новом Орлеане.
Чтобы помочь объяснить загадку инфракрасного излучения метана, команда обратилась к нашей Солнечной Системе. Излучение метана является обычным явлением на газовых гигантах, таких, как Юпитер и Сатурн. Нагрев верхней атмосферы, который обеспечивает это излучение, связан с полярными сияниями.
На Земле полярные сияния создаются, когда энергичные частицы, выброшенные в космос Солнцем, захватываются магнитным полем Земли. Они спускаются в нашу атмосферу вдоль магнитных линий поля около полюсов Земли, сталкиваясь с молекулами газа и создавая зловещие танцующие завесы света. У Юпитера и Сатурна есть аналогичные процессы вследствие взаимодействия магнитосферы с солнечным ветром, что обогащается вкладом от близлежащих активных спутников - таких, как Ио (для Юпитера) и Энцелад (для Сатурна).
Для изолированных коричневых карликов, таких, как W1935, отсутствие звездного ветра, который мог бы способствовать процессу полярных сияний и объяснить дополнительную энергию в верхней атмосфере, необходимую для излучения метана, пока является загадкой. Команда предполагает, что помочь объяснить это излучение могут либо какие-то не учитываемые еще внутренние процессы, подобные атмосферным явлениям Юпитера и Сатурна, либо внешние взаимодействия с межзвездной плазмой или каким-то близким активным спутником.
Детективная История
Открытие полярных сияний разворачивалось как детективная история. Команда под руководством Джеки Фэрти, астронома из Американского музея естественной истории в Нью-Йорке, получила время на телескопе Уэбба для исследования 12 холодных коричневых карликов. Среди них были W1935 – объект, открытый гражданским ученым Дэном Каселденом, который работал с проектом Backyard Worlds зоониверса – и W2220, объект, открытый с помощью Инфракрасного обзорного телескопа широкого поля NASA. Уэбб показал в мельчайших деталях, что W1935 и W2220 оказались почти клонами друг друга по составу. Они имели схожую яркость, температуру, а также похожие спектральные линии воды, аммиака, угарного газа и углекислого газа. Поразительным исключением стало то, что в отличие от линий поглощения, наблюдаемых у W2220, W1935 показал еще и эмиссионные линии метана - на отдельной длине волны инфракрасного диапазона - области специализации космического телескопа Уэбба.
«Мы ожидали увидеть метан, потому что метан повсеместно присутствует на этих коричневых карликах. Но вместо поглощения света мы увидели совсем противоположное: метан светился. Моя первая мысль была: что за черт возьми? Почему из этого объекта исходит излучение метана?» - сказала Фэрти.
Команда использовала компьютерные модели, чтобы выяснить, что может стоять за этим излучением. Моделирование показало, что у W2220 было ожидаемое распределение энергии по атмосфере: чем выше, тем холоднее. С другой стороны, W1935 показал неожиданный результат. Лучшая модель предполагала инверсию температуры, когда атмосфера становилась теплее с увеличением высоты.
«Эта инверсия температуры действительно загадочна», - сказал Бен Бернингем, соавтор из Университета Хартфордшира в Англии и ведущий специалист по построению моделей. «Мы видели подобное явление на планетах с близкой звездой, которая может нагревать стратосферу, но наблюдать такое в объекте без очевидного внешнего источника тепла - это дико».
Астрономы с помощью Космического Телескопа Джеймса Уэбба изучили 12 холодных коричневых карликов, два из которых - W1935 и W2220 - оказались похожими, как близнецы по своему составу, яркости и температуре. Но в отличие от W2220, W1935 показал эмиссию, а не поглощение метана. Команда считает, что эмиссия метана может происходить во время процессов, создающих полярные сияния.
NASA, ESA, CSA, and L. Hustak (STScI)
Подсказки из нашей Солнечной системы
В поисках подсказок команда обратилась к планетам нашей собственной Солнечной системы. Газовые гиганты могут служить аналогами того, что происходит более чем в 40 световых годах от нас в атмосфере W1935.
Команда поняла, что инверсии температуры являются заметными на планетах - таких как Юпитер и Сатурн. Все еще продолжаются работы по пониманию причин их стратосферного нагрева, но ведущие теории для Солнечной системы включают внешний нагрев за счет полярных сияний и внутренний транспорт энергии из глубин атмосферы (при этом первое является ведущим объяснением).
Кандидаты на Коричневые Карлики с Полярными Сияниями в Контексте
Это не первый случай, когда полярное сияние использовалось для объяснения наблюдений коричневого карлика. Астрономы обнаружили радиоизлучение, исходящее от нескольких более теплых коричневых карликов, и предположили, что наиболее вероятным объяснением являются полярные сияния. Поиски проводились с помощью наземных телескопов, таких как обсерватория Кек, для обнаружения инфракрасных подписей от этих радиоизлучающих коричневых карликов для дальнейшей характеристики явления, но результаты были неоднозначными.
W1935 является первым кандидатом на коричневый карлик с полярными сияниями за пределами солнечной системы с излучением метана. Это также самый холодный кандидат на коричневый карлик с полярными сияниями за пределами нашей солнечной системы с эффективной температурой около 400 градусов по Фаренгейту (200 градусов по Цельсию), что примерно на 600 градусов по Фаренгейту теплее, чем на Юпитере.
В нашей солнечной системе солнечный ветер является основным фактором, способствующим процессам полярных сияний, при этом активные спутники, такие как Ио и Энцелад, также играют определенную роль для таких планет, как Юпитер и Сатурн, соответственно. У W1935 совсем нет спутника-звезды, поэтому звездный ветер не может способствовать этому явлению. Пока еще предстоит выяснить, может ли активный спутник играть роль в излучении метана на W1935.
«С W1935 у нас теперь есть замечательное расширение явлений солнечной системы без какого-либо звездного излучения, которое помогло бы в объяснении», - отметила Фэрти. «С Уэббом мы действительно можем «открыть капот» химии и разобраться, насколько схож или отличен процесс полярных сияний за пределами нашей солнечной системы», - добавила она.
Космический телескоп Джеймса Уэбба является ведущей космической научной обсерваторией мира. Уэбб раскрывает тайны нашей солнечной системы, заглядывает за ее пределы к далеким мирам вокруг других звезд и исследует загадочные структуры и происхождение нашей вселенной и нашего места в ней. Уэбб является международной программой под руководством NASA при участии партнеров - Европейского космического агентства (ESA) и Канадского космического агентства.
Новые наблюдения в инфракрасном свете предполагают недавнее масштабное столкновение.
С 1980-х планетная система вокруг звезды Бета Живописца продолжает удивлять ученых. Даже после десятилетий изучения она все еще хранит в себе сюрпризы.
Космический телескоп Джеймса Уэбба открыл захватывающую новую главу истории Бета Живописца, в которую входят новые подробности о составе ее диска и никогда ранее не наблюдавшийся пылевой след, напоминающий хвост кошки. Согласно гипотезы группы астрономов эта особенность является относительно новым дополнением к планетной системе — хвостом, "не таким старым, как само время."
Бета Живописца, молодая планетная система, расположенная всего в 63 световых годах от нас, продолжает интриговать ученых даже после десятилетий глубокого изучения. Она обладает первым дисковым облаком пыли, обнаруженным у другой звезды — диском обломков, образованных столкновениями астероидов, комет и планетезималей. Наблюдения космического телескопа Хаббл показали второй диск обломков в этой системе, наклоненный по отношению к внешнему диску, который был замечен первым. Теперь команда астрономов, использующих космический телескоп Джеймса Уэбба для изображения системы Бета Живописца (Beta Pictoris), обнаружила новую, ранее не видимую структуру.
Команда, возглавляемая Изабель Реболлидо из Центра астробиологии в Испании, использовала NIRCam (камеру ближнего инфракрасного (ИК) диапазона) и MIRI (инструмент среднего ИК-диапазона) Уэбба для исследования состава ранее обнаруженных основного и вторичного дисков обломков Бета Живописца. Результаты превзошли их ожидания, показав резко наклоненную ветвь пыли, напоминающую хвост кошки, которая тянется от юго-западной части вторичного диска обломков.
«Бета Живописца — это диск обломков, в котором есть все: у нее есть действительно яркая, близкая звезда, которую мы можем очень хорошо изучить, и сложная околозвездная среда с многокомпонентным диском, экзокометами и двумя сфотографированными экзопланетами», - сказала Реболлидо, ведущий автор исследования. «Хотя ранее и были наблюдения с Земли в этом диапазоне длин волн, у них не было такой чувствительности и пространственного разрешения, которые у нас теперь есть с Уэббом, поэтому они не обнаружили эту особенность»."
Портрет Звезды Улучшен с Помощью Уэбба
Даже с использованием Уэбба, или JWST, наблюдение за Бета Живописца в правильном диапазоне длин волн — в данном случае, в среднем инфракрасном — было решающим для обнаружения "хвоста кошки", так как он появлялся только в данных MIRI. Данные Уэбба в среднем инфракрасном диапазоне также показали различия в температуре между двумя дисками Бета Живописца, что, вероятно, связано с различиями в их составе.
«Мы не ожидали, что Уэбб откроет, что у Бета Живописца есть два разных типа материала, но MIRI ясно показал, что материал вторичного диска и "хвоста кошки" горячее, чем основной диск», - сказал Кристофер Старк, соавтор исследования в Космическом центре полетов Годдарда NASA в Гринбелте, штат Мэриленд. «Пыль, которая формирует этот диск и хвост, должна быть очень темной, поэтому мы с трудом видим ее в визуальном диапазоне, но в среднем инфракрасном она светится».
Чтобы объяснить более высокую температуру этой пыли, команда предположила, что она может быть высокопористым «органическим огнеупорным материалом», похожим на вещество, найденное на поверхностях комет и астероидов в нашей солнечной системе. Например, предварительный анализ материала, взятого с астероида Бенну миссией OSIRIS-REx NASA, показал, что он очень темный и богат углеродом, и очень похож на то, что обнаружил MIRI у Бета Живописца.
Загадочное Начало Хвоста Требует Дальнейших Исследований
Однако остается один важный вопрос: что может объяснить форму хвоста кошки, уникально изогнутую особенность, не похожую на то, что видно в дисках вокруг других звезд?
Реболлидо и команда моделировали различные сценарии в попытке воссоздать хвост кошки и раскрыть его происхождение. Хотя для дальнейших исследований и тестирования требуется больше времени, команда представляет убедительную гипотезу о том, что хвост кошки является результатом образования пыли, произошедшего всего сто лет назад.
«Что-то происходит — например, столкновение — и образуется много пыли», - поделился Маршалл Перрин, соавтор исследования в Институте космического телескопа в Балтиморе, штат Мэриленд. «Сначала пыль движется в том же орбитальном направлении, что и ее источник, но затем она начинает рассеиваться. Свет от звезды отталкивает самые маленькие, пушистые частицы пыли от звезды быстрее, в то время как более крупные зерна не двигаются так сильно, создавая длинную прядь пыли».
«Хвост кошки чрезвычайно необычен, и динамическое моделирование его изгиба оказалось сложным», - объяснил Старк. «Наша модель требует пыли, которая может быть быстро вытолкнута из системы, что снова предполагает, что она состоит из органического огнеупорного материала».
Предпочтительная модель команды объясняет резкий угол хвоста от диска как простую оптическую иллюзию. Наша перспектива в сочетании с изогнутой формой хвоста создает наблюдаемый угол хвоста, в то время как на самом деле дуга материала отходит от диска всего под углом пяти градусов. Учитывая яркость хвоста, команда оценивает количество пыли в хвосте кошки как эквивалентное большому астероиду главного пояса, распределенному на протяжении 16 миллиардов км.
Недавнее образование пыли в дисках обломков Бета Живописца также может объяснить недавно замеченное асимметричное расширение наклоненного внутреннего диска, как показано в данных MIRI и видимое только с противоположной стороны хвоста. Недавнее столкновение с образованием пыли также может объяснить особенность, ранее замеченную Атакамской крупномасштабной миллиметровой/субмиллиметровой обсерваторией в 2014 году: скопление угарного газа (CO), расположенное рядом с "хвостом кошки". Поскольку излучение звезды должно разрушить CO примерно за сто лет, это все еще присутствующее скопление газа может быть оставшимся свидетельством того же события.
«Наши исследования предполагают, что Бета Живописца может быть еще более активной и хаотичной, чем мы думали ранее», - сказал Старк. «JWST продолжает удивлять нас, даже когда речь идет о хорошо изученных объектах. У нас появилось совершенно новое окно в эти планетные системы».
Эти результаты были представлены на конференции на 243-м собрании Американского астрономического общества в Новом Орлеане, Луизиана.
Космический телескоп Джеймса Уэбба является ведущей космической научной обсерваторией мира. Уэбб раскрывает тайны нашей солнечной системы, заглядывает за ее пределы к далеким мирам вокруг других звезд и исследует загадочные структуры и происхождение нашей вселенной и нашего места в ней. Уэбб является международной программой под руководством NASA при участии партнеров - Европейского космического агентства (ESA) и Канадского космического агентства.
Внутри атома действуют три основные силы, но гравитация на таких масштабах поразительно слаба. Могут ли это объяснить дополнительные измерения?
Идея, что силы, частицы и взаимодействия, которые мы сейчас наблюдаем - всего лишь часть большей структуры во много измерений, очень интригует и захватывает, но также сильно ограничивает. Если во Вселенной существуют дополнительные измерения, вот какими они могут и не могут быть.
Credit: Rogilbert/public domain via Wikimedia Comons
С тех пор как впервые были количественно оценены силы четырех основных взаимодействий, физики мучались вопросом, почему гравитация настолько слабее всех остальных.
В конце 1990-х было выдвинуто радикальное предположение, что одна из возможных причин может заключаться в том, что на очень малых масштабах гравитация может "утекать" в дополнительные измерения, что еще больше ослабляет ее в больших масштабах.
Это идея, которую, безусловно, стоит исследовать, но пока для нее не было найдено никаких доказательств. Вот что должен знать каждый.
У гравитации есть одна проблема, с которой никто не чувствует себя комфортно и о которой даже физики редко говорят. Если вы возьмете любые две частицы с массой — например, два электрона, два кварка внутри протона или нейтрона или даже составные частицы, такие как два протона — вы сможете рассчитать силу всех четырех основных взаимодействий между ними. Когда вы проведете эти расчеты для сильного и слабого ядерных взаимодействий, электромагнитного взаимодействия и гравитации, вы обнаружите нечто, что вас может удивить: сила гравитации, особенно на малых расстояниях, гораздо, гораздо слабее любых других сил. Внутри нейтрона, например, сила гравитации более чем на 30 порядков величины (фактор примерно ~10^30) слабее каждого из трех других основных взаимодействий.
Почему так? Хотя никто точно этого не знает, есть одно изумительное предложение, выдвинутое еще в 1998 году, которое говорит о том, что, возможно, гравитация так слаба потому, что в отличие от других сил, на очень малых расстояниях она может "утекать" в дополнительные измерения. Это сценарий, который Кертис "Овид" По предлагает рассмотреть нам на этой неделе, спрашивая:
"Я читал предложение о том, что гравитация, возможно, так слаба по сравнению с другими силами, потому что, в отличие от них, она действует в большем количестве измерений... Если это возможно, не могло бы быть так, что темная материя это материя за пределами наших обычных трех (очевидных) физических измерений, и именно поэтому мы видим гравитацию, но не материю?"
Это интересное предположение: что может скрываться в этих дополнительных измерениях, если они действительно существуют? Давайте выясним.
Начнем не с рассмотрения силы или пространства высшего измерения, а с чего-то попроще: со света, исходящего от звезды. Перемещаясь все дальше и дальше от этой звезды, излучаемый свет образует сферическую форму. Увеличивая расстояние между вами и звездой, вы обнаружите, что наблюдаемая яркость светового источника (звезды) кажется уменьшающейся пропорционально квадрату расстояния: яркость снижается в четыре раза с каждым удвоением расстояния. Это происходит потому, что:
свет распространяется сферически,
площадь поверхности сферы радиусом R составляет 4πR²,
и по мере того как свет распространяется на большие расстояния, его наблюдаемая яркость снижается пропорционально ~1/R².
Это легко понять интуитивно, и таким же образом можно представить себе гравитацию и электромагнетизм: чем дальше вы находитесь от источника, например, массивной или электрически заряженной частицы, тем слабее это взаимодействие влияет на вас. Сила гравитации между любыми двумя массами убывает как ~1/R², электрическая сила между двумя заряженными частицами убывает как ~1/R² и - так же как свет распространяется в сферической форме, покидая источник - вы можете представить, что сила взаимодействия убывает точно таким же образом.
Соотношение яркость-расстояние, и как световой поток от источника уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Спутник в два раза дальше от Земли кажется в четыре раза слабее; время перемещения света увеличивается всего лишь вдвое, а количество данных уменьшается вчетверо. Гравитация, свет, звук и электромагнетизм - все падают обратно пропорционально квадрату расстояния.
Но вот гипотетический вопрос для размышления: как бы все три из этих явлений — способ распространения света, уменьшение силы гравитации или уменьшение электромагнитной силы — изменялись бы с расстоянием, если бы мы жили во Вселенной не с тремя пространственными измерениями?
Мы действительно можем проверить это экспериментально во многих системах конденсированного состояния (на основе материалов), которые ограничивают определенные явления поверхностью (которая в основном двумерна) или даже линией или кабелем (которая в основном одномерна), чтобы увидеть, как работает такое распространение. Вместо трехмерной сферы вещи могут распространяться только в
либо круге (для двумерного случая),
либо ограничены той же "точкой" при распространении вдоль линии (для одномерного случая).
Это означает, что вместо уменьшения как ~1/R² (трехмерный случай) двумерная система будет уменьшаться только как ~1/R (поскольку длина окружности, распространяющейся, равна просто 2πR), в то время как одномерная система останется постоянной, так как нет "направления", где вообще происходит распространение.
Хотя проще всего реализовать подобное с помощью света (например, в одномерном оптоволоконном кабеле), существует множество физических эффектов и явлений, которые можно ограничить двумя или одним измерениями, вместо того чтобы позволять им свободно распространяться по всем трём пространственным измерениям.
Яркость света на конце оптоволоконного кабеля такая же, как и яркость самого источника внутри кабеля, вплоть до потерь света при внутренних отражениях. Здесь нет измерений, куда может рассеяться свет, он может только перемещаться.
Credit: Nicolas delafraye via Adobe Stock
С меньшим числом измерений для распространения — или, если хотите, для "расширения" — сигналы ослабевают медленнее с увеличением расстояния. Примером может служить источник света, встроенный в стеклянную пластину, где свет может распространяться по этой стеклянной пластине, но не может выйти за ее пределы. Эта стеклянная пластина будет большой в двух измерениях (например, в измерениях длины и ширины), но мала в третьем измерении (например, в измерении глубины).
Если вы - наблюдатель, находящийся близко к источнику света — другими словами, наблюдатель, расстояние до которого до источника света мало по сравнению с глубиной третьего измерения — то свет будет распространяться для вас как сфера, что означает, что его яркость будет уменьшаться так, как это происходит для источника в трех измерениях: примерно как ~1/R².
Однако, если вы наблюдатель, находящийся далеко от источника света — другими словами, наблюдатель, расстояние до которого от источника света велико по сравнению с глубиной третьего измерения, но все же мало по сравнению с размерами двух других измерений (длина и ширина) — тогда свет будет:
распространяться как сфера на первой части своего пути (уменьшаясь как ~1/R²), пока он не достигнет конца измерения "глубины",
а затем распространяться как круг на оставшейся части своего пути, при этом яркость света в дальнейшем будет уменьшаться только как ~1/R.
Когда вы находитесь близко к источнику, с вашей точки зрения его яркость уменьшается быстрее, и может распространяться в большем числе измерений, но когда вы находитесь подальше, его яркость с вашей точки зрения уменьшается медленнее, и распространяется в меньшем числе измерений.
Эта художественная инсталляция представляет собой тонкие цилиндры и подсвеченные тонкие панели стекла. Изнутри одной из панелей свет, как кажется, распространяется в виде сферы, в трех измерениях, когда мы находимся близко к его источнику, но вдалеке от него может распространяться только в двух измерениях (по-прежнему находясь внутри панели)
Подумайте об этом минутку: в большем количестве измерений сигналы ослабевают быстро, в то время как в меньшем количестве измерений сигналы ослабевают медленнее, и в "одномерном случае", вообще не ослабевают.
Как только вы это осмыслили, вы могли бы начать задаваться вопросом: "Хорошо, но что это имеет отношение к объяснению того, почему гравитация, как сила, так сильно слабее всех других основных сил?"
Вот здесь и вступает в игру идея Больших Дополнительных Измерений. Впервые предложенная в 1998 году командой ученых, состоящей из Нима Аркани-Хамеда, Саваса Димопулоса и Гии Двали (где ее иногда называют моделью "ADD", по фамилиям авторов), она предполагает, что возможно, существуют дополнительные пространственные измерения — одно или даже больше — и что хотя бы одно из них может быть большим по физическому объему. (Под "большим" в этом контексте подразумевается "больше по сравнению с планковским масштабом, примерно ~10-35 метров", а не "макроскопически большим".)
Если это так, то возможно, в то время как три другие основные силы ограничены "распространением" только в наших традиционных трех пространственных измерениях, сила гравитации могла бы на расстоянии меньше масштаба больших дополнительных измерений распространяться не только в традиционных трех, но и в любых других больших дополнительных измерениях.
Визуализация трехмерной модели тора - космоса, где вся наблюдаемая нами Вселенная может быть всего лишь небольшой частью общей структуры. Представляя себе нашу Вселенную (или любое другое трехмерное пространство) втиснутыми в двухмерные границы, наше трехмерное пространство может в действительности быть границей пространства с более высокими измерениями. И, хотя есть определенные ограничения свойств и числа таких экстра-измерений, подобная возможность все равно существует, и тогда можно "срезать углы" через экстра-измерения для перемещения между двумя точками быстрее, чем разрешает Специальная Теория Относительности.
Прежде чем возразить, учтите, что в 1998 году у нас были экспериментальные данные о поведении трех квантовых сил на масштабах, которые исследовались на ускорителях частиц, таких как Fermilab и LEP, до масштабов примерно ~10^(-18) метров. Эти данные показывали, что они "распространяются" только в трех измерениях до этого крошечного масштаба. (С тех пор Большой Адронный Коллайдер в CERN уточнил эти ограничения, добавив дополнительную значащую цифру: до ~10^(-19) метров.) Если бы существовали какие-либо дополнительные измерения, которые эти три силы — сильные, слабые и электромагнитные — могли бы ощутить, они могли бы существовать только на масштабах, меньших чем эти.
Но для гравитации, будучи такой невероятно слабой силой, очень сложно обнаруживать гравитационные эффекты на аналогичных малых масштабах. На самом деле, в 1998 году мы исследовали природу гравитационной силы в лабораторных экспериментах только до миллиметровых (~10^(-3) метра) масштабов! Другими словами, было 15 порядков величины для игры — от миллиметровых масштабов до аттометровых масштабов — где, если бы существовало одно или несколько дополнительных измерений, где гравитация (но не другие силы) могла бы "распространяться", это могло бы быть объяснением разницы в 30+ порядков величины, которую мы видим сегодня, в нашем макроскопическом мире, между силой гравитационного взаимодействия и всеми другими.
Это изображение оптически левитирующей микросферы в вакууме представляет собой лабораторию для тестирования гравитации и природы закона обратной квадратной пропорциональности вплоть до масштаба микрона. Несмотря на все разнообразие очень точных экспериментов, не было обнаружено никаких отклонений, которые могли бы свидетельствовать о наличии экстра-измерений.
Но этот вопрос не оставался долго нерешенным. Новый ряд экспериментов, включая те, что использовали микроскопические силовые датчики и оптически левитирующие микросферы в вакууме, показали, что гравитация подчинялась закону силы ~1/R² вплоть до микронных масштабов, демонстрируя, что нет "утечки" или "распространения" гравитационной силы в дополнительные измерения на этих меньших масштабах.
Однако есть патологии, о которых стоит побеспокоиться. Если в природе существуют большие дополнительные измерения — и помните, под "большими" имеется в виду только больше, чем планковский масштаб, или ~10^(-35) метров — они приводили бы к образованию микроскопических квантовых черных дыр (или гравитонов Калуцы-Клейна) на достаточно мощных ускорителях частиц; отсутствие какого-либо подобного сигнала на Большом Адронном Коллайдере ограничивает энергетический масштаб любых вероятных дополнительных измерений уровнем выше примерно ~6 ТэВ.
Отдельно, на основе наблюдений гамма-лучей нейтронных звезд, таких как при помощи телескопа NASA Fermi-LAT, мы можем дополнительно ограничить сценарии с дополнительными измерениями, исключая любой сценарий с одним большим дополнительным измерением.
Эта компьютерная симуляция нейтронной звезды показывает, вокруг нее как закручиваются заряженные частицы вдоль сверхсильный электрических и магнитных полей. Возможно, что нейтронная звезда сформировалась внутри останков сверхновой SN1987A, но эта область слишком полна пыли и газа, чтобы можно было бы обнаружить ее пульс.
На данный момент самые сильные прямые ограничения на размер одного или нескольких дополнительных измерений исходят из точной молекулярной спектроскопии, показывающей, что размер любого такого измерения, как видно только от гравитационной силы, должен быть меньше ~0,6 микрона. Это соответствует энергетическому масштабу, который примерно в 100 раз выше масштаба электрослабого объединения (около ~100 ГэВ), что подрывает первоначальную мотивацию к сценарию больших дополнительных измерений для объяснения, почему гравитация так слаба по сравнению с другими наблюдаемыми силами.
В эпоху до Большого Адронного Коллайдера (БАК) среди физиков была большая надежда, что на нем будет обнаружена какая-либо новая фундаментальная частица или взаимодействие — что-то, отличное от бозона Хиггса, что-то, что выведет нас за рамки Стандартной модели. Одна из причин привлекательности сценария больших дополнительных измерений заключается в том, что, если бы это было верно, это бы привело к ожиданию того, что те же модификации теории, которые привели бы к "утечке" гравитации в эти дополнительные измерения, объяснили бы слабость гравитационной силы и также привели бы к прогнозу появления новых частиц на энергиях БАК.
Однако теперь, когда эти надежды разрушены, поскольку в существующих данных БАК не показано никаких фундаментально новых частиц или взаимодействий, должен быть представлен какой-то новый способ стабилизации масштаба этих предполагаемых дополнительных измерений. Другими словами, должна быть предложена новая теоретическая курьезность — некоторый дополнительный тип новой физики, не просто гипотеза о существовании этих дополнительных измерений.
В теории в нашей Вселенной может быть больше трех измерений - пока эти "экстра" измерения находятся ниже определенного критического размера, который мы можем достичь при помощи наших экспериментов. В диапазоне размеров между ~10^(-19) и 10^(-35) м, по-прежнему нет никаких проблем с существованием четвертого (или даже большего) пространственного измерения, но пока ничего, что происходит во Вселенной, нельзя объяснить наличием пятого измерения
Credit: Public Domain/retrieved from Fermilab Today
Все становится еще сложнее, если кто-то хочет "скрыть" какую-то новую физику в одном из этих дополнительных измерений, например, темную материю, как это было предложено автором вопроса. Каким-то образом темная материя должна существовать в этих дополнительных измерениях, но не пересекаться с нашими собственными, наблюдаемыми тремя пространственными измерениями, в то время как гравитационный эффект этой темной материи каким-то образом "проникнет" в наши три пространственных измерения, позволяя темной материи образовывать те скопления, которые она образует.
Именно поэтому, когда физики говорят о новых идеях, выходящих за рамки Стандартной модели, одним из обсуждаемых вопросов является количество новых «свободных параметров», которые необходимо ввести для объяснения явлений. Хорошая идея (по крайней мере, "хорошая" для теоретического физика) даст много объяснений за счет относительно небольшого количества новых введенных свободных параметров. Темная энергия - отличный пример, так как, вводя всего один новый свободный параметр, можно объяснить:
наблюдаемое (ускоренное) расширение Вселенной,
прекращение роста космической структуры в масштабе ниже красного смещения примерно z = 0,7,
продвинутый возраст Вселенной,
и наблюдаемый факт пространственной плоскости, несмотря на низкую общую плотность вещества.
Тогда как в случае больших дополнительных измерений нам приходится вводить несколько новых параметров, только чтобы этот сценарий не противоречил уже существующим измерениям.
Возможно, что наша Вселенная, заключенная в трех пространственных и одном временном измерениях, на самом деле всего лишь маленький компонент Вселенной более высоких измерений, к которым у нас нет доступа. Но для такого сценария приходится учитывать большое разнообразие накладываемых ограничений.
И это большое испытание для любой новой теоретической идеи. Обычно мы просто не поворачиваем ручку и не говорим: "А что, если Вселенная была бы таковой?" Вместо этого мы смотрим на аспекты Вселенной, которые мы можем и не можем в настоящее время объяснить, и на начальном этапе задаемся двумя вопросами:
1. Если я внесу новую модификацию или дополнение в мою теорию, объяснит ли это то, что в настоящее время не может быть объяснено иначе?
2. И не "испортит" ли эта модификация то, что я уже могу объяснить без дополнительных модификаций или дополнений к теории?
Есть множество новых идей, которые успешны - даже с всего одним новым свободным параметром - но которые требуют всяких теоретических изгибов, чтобы выдержать второй вопрос. В случае больших дополнительных измерений надежда заключалась в том, что эта модификация объяснит слабость гравитации, одновременно предоставляя объяснение частицам, которые скоро будут открыты.
- недостаточное количество недавно обнаруженных частиц Калуца-Клейна,
- и необходимое предположение либо о "скрытых областях", либо о других состояниях, не относящихся к Стандартной модели,
все это сегодня преследует сценарий "больших дополнительных измерений". Конечно, нет доказательств того, что целый ряд новых модификаций не является именно тем, что природа приготовила для нас, но пока мы не найдем некоторые прямые доказательства, поддерживающие этот сценарий, он будет просто продолжать быть еще одной идеей "а что если…".
ГАО
Гринвич
Пулково
Таутенбург
Торунь
Видео > 
Наши ролики > 
Мессье и его звери
Светопись
Про Вселенную
Внегалактический Вестник
Интервью
Обсерватории
ESOCast
Hubblecast
Прекрасная Вселенная Чандры
Скрытая Вселенная Спитцера
NASA/eClips
JPL
Экзопланеты
Звезды
Розетта
Космос - детям
DVD > 
Радио > 
Звукопись
Читаем Бредбери
Галерея
Меркурий
Луна
Марс
Кометы
Хаббл
Чандра
Спитцер
Кеплер
WISE
Планк
Ферми
Свифт
JWST
ESO
Кек
CFHT
ЕSA
GAIA
NASA
Новые Горизонты
JPL
Итэн Зигель
Фил Плейт
Рекомендую
Сообщения
