Один из постулатов квантовой физики говорит, что материя может возникать с помощью одного только света (фотонов). На практике проверка этого требует колоссальных энергий и ещё ни разу не проверялось в лаборатории. Группа учёных из США и Японии нашла условия, при которых такой эксперимент становится возможным с использованием современных лазеров.

Источник изображения: SciTechDaily.com

Следует сказать, что косвенно синтез материи из энергии света был реализован в лаборатории и не один раз за последние два–три года. Учёные разгоняли ионы золота и других тяжёлых металлов до релятивистских скоростей. На такой скорости ионы были окружены облаками фотонов, что вело к столкновениям между фотонами при сближении ионов металлов. В этих столкновениях рождались частицы и античастицы (обычно электроны и позитроны). Иначе говоря, фотон-фотонные взаимодействия порождали материю, что прекрасно регистрировалось научными приборами.

Повторить подобный эксперимент с одними только лазерными лучами — воспроизвести чистый эксперимент перехода энергии в материю — это подняться на другой уровень науки. Как это сделать, рассказала группа исследователей из Университета Осаки и Калифорнийского университета в Сан-Диего. Они использовали моделирование, чтобы продемонстрировать, как можно экспериментально производить материю исключительно из света, что в будущем может помочь проверить давние теории об эволюции Вселенной.

«Наше моделирование демонстрирует, что при взаимодействии с интенсивными электромагнитными полями лазера плотная плазма может самоорганизовываться, образуя фотон-фотонный коллайдер, — объяснил доктор Сугимото (Sugimoto), ведущий автор исследования, ранее опубликованного в журнале Physical Review Letters. — Этот коллайдер содержит плотную популяцию гамма-лучей, в десять раз более плотных, чем плотность электронов в плазме, и энергия которых в миллион раз превышает энергию фотонов в лазере».

При столкновениях фотона с фотоном в коллайдере образуются электрон–позитронные пары, а позитроны ускоряются электрическим полем плазмы, создаваемым лазером. В результате получается позитронный пучок.

«Это первое моделирование ускорения позитронов в рамках линейного процесса Брейта–Уилера в релятивистских условиях, — сказал профессор Арефьев, соавтор исследования. — Мы считаем, что наше предложение экспериментально осуществимо, и с нетерпением ждем реализации в реальном мире». Доктор Вячеслав Лукин, директор программ Национального научного фонда США, который поддержал работу, добавил: «Это исследование показывает потенциальный способ исследовать тайны Вселенной в лабораторных условиях. Будущие возможности сегодняшних и будущих мощных лазерных установок стали еще более интригующими».

Физика процесса. Источник изображения: Yasuhiko Sentoku

Суть процесса в том, что облучаемая доступными сегодня лазерами плазма в состоянии близком к критическому, способна самоорганизоваться и не только произвести позитроны (и электроны), но также ускорить их до ультрарелятивистских энергий. Лазерный импульс накапливает электроны на своем переднем крае, создавая сильное продольное электрическое поле плазмы. Поле создает движущийся гамма-коллайдер (своеобразный фронт волны, где происходят столкновения гамма-квантов), который генерирует позитроны с помощью линейного процесса Брейта-Уилера — аннигиляции двух гамма-квантов в электрон-позитронную пару. В то же время ускорителем для позитронов служит плазменное поле, а не лазер, как показано на иллюстрации выше.

Именно открытие позитронного ускорения обещает возможность создать установку для первого в истории преобразования чистой энергии в материю. Для этого будет достаточно использовать доступные лазеры с интенсивностью 10²² Вт/см². Моделирование показало, что позитронный пучок приобретёт энергию уровня гигаэлектрон-вольт с углом расхождения около 10 ° с зарядом 0,1 pC (10⁶ электронов в импульсе). Ранее считавшееся фантастикой станет реальностью, но совсем не так, как в кино. Репликаторы из этого вряд ли получатся. Но подтверждение Стандартной модели и, не исключено, новая физика — это достойная награда за открытие.

В обзорах неба по программе IAC Stripe82 было обнаружено нечто, что наводило на мысль о существовании там тусклой галактики. Такие объекты крайне ценны для понимания природы тёмной материи, но их находят недостаточно часто. Учёные загорелись желанием найти ещё одну тусклую галактику, для чего воспользовались радиотелескопом. Выстрел оказался точно в цель!

Галактика Nube в окружении. Источник изображения: Montes 2023

В радиодиапазоне стала видна неразличимая в оптике галактика, которая получила название Nube (облако или лёгкая накидка по-испански). При оценке массы галактики в 26 млрд солнечных масс, масса обнаруженных в ней звёзд была всего лишь 390 млн солнечных масс. Всё остальное в галактике — это невидимая тёмная материя. Галактика Nube оказалась очень разреженной (диффузной). Половина её массы распределена на 22 тыс. световых лет — это четверть диаметра Млечного Пути.

Согласно космологической гипотезе о тёмной материи, галактики должны быть окружены её сгустками. К этим сгусткам должно тяготеть обычное вещество, включая звёзды. Тем самым большие галактики, такие, как наша, должны быть окружены карликовыми галактиками. Некоторые из них мы наблюдаем, но для полного соответствия теории карликовых галактик открыто очень мало.

Не видишь галактику? А она есть! Врезка показывает объект в радиодиапазоне

Большинство из них могут оставаться достаточно тусклыми, чтобы их можно было увидеть при обычном обзоре неба. Открытая случайно галактика Nube служит тому подтверждением. Она не вошла в каталог, подготовленный для соответствующего обзора, и была открыта только волею случая и благодаря настойчивости учёных. И таких галактик может быть множество, стоит только специально поискать. Чем больше таких объектов будет обнаружено, тем точнее будет становиться моделирование тёмной материи.

В конце концов, мы не увидели ещё ни одной чёрной дыры, но в их существовании уже почти никто не сомневается. Точку в этом деле поставила математика. Точно также может произойти с тёмной материей. Объём собранных данных со временем поможет построить такую точную модель её поведения, что в её существовании уже никто не будет сомневаться.

Европейское космическое агентство сообщило, что «охотник за тёмной материей», как неофициально называют космическую обсерваторию «Евклид» (Euclid), к работе пока не готов. Период ввода в эксплуатацию продлён на неопределённое время для решения трёх неожиданно возникших проблем. Они не угрожают проведению миссии, но могут усложнить наблюдения неба.

Источник изображений: ESA

Обсерватория «Евклид» была запущена в начале июня этого года на ракете Falcon 9. К концу июля она добралась к месту базирования — точке Лагранжа L₂ на удалении около 1,5 млн км за Землёй, частично прикрывшись ею как зонтиком от Солнца. На этом хорошие новости закончились. Первые тестовые снимки показали, что на некоторых из них присутствует неожиданная засветка от Солнца. По горячим следам сообщалось, что в свето- и теплоизоляции камер возникла щель, куда могли попадать лучи Солнца.

Как теперь пояснили в ЕКА, засветка происходит от отражения Солнца от распорки двигательной установки (см. фото ниже), что хорошо видно на представленных снимках. Удивительно, как этот момент не учли при проектировании обсерватории. Понадеялись на изоляцию? Но она, как видим, не спасла чувствительные приборы телескопа от порчи засветкой. Этой напасти можно избежать, если в процессе производства снимков ориентировать телескоп с учётом аномалии.

По оценке специалистов, засветка портит около 10 % изображений. Казалось бы, что это немного, но камера обсерватории наводится на новый участок неба каждые 75 минут. За шесть лет работы обсерватории набежит уйма времени на коррекцию, что наверняка сократит срок работы телескопа. В целом миссия обсерватории будет выполнена, но, похоже, с менее желаемым результатом.

Второй неожиданной проблемой стали сбои в системе точного наведения телескопа. Приборы наведения на целевые звёзды в ряде случаев их не находили. Происходило это с тусклыми звёздами, чему мешал, например, свет от ярких галактик. Для решения этой проблемы специалисты миссии переписали программы работы блока наведения на цель и в ближайшее время намерены испытать апгрейд на обсерватории в реальных условиях.

Третьей проблемой снова стало наше Солнце. Датчики камер телескопа защищены от высокоэнергетических частиц и космических лучей. Но на ряде тестовых снимков «Евклида» образовались засветки от попадания таких частиц. Всему виной растущая активность нашей звезды, заявили учёные. На Солнце происходит всё больше и больше вспышек, как и растёт их сила, что начинает сильнее и чаще бомбардировать датчики обсерватории. Прогнозируется, что высокоэнергетические частицы испортят не больше 3 % снимков. В принципе, при наличии критического уровня засветки от частиц испорченные изображения участков неба можно будет переснять, а также убрать из обработки засвеченные пиксели. Неприятно, но работать можно. Спутники Starlink создают больше похожих проблем для наблюдений с Земли, и ничего.

Обсерватория «Евклид» должна проработать шесть лет. За это время она сделает снимки 30 % неба, меняя кадр каждые 75 минут. Это будет колоссальный объём данных, который будет касаться, в первую очередь, картографирования и классификации галактик на глубину до 10 млрд лет. Точное определение положения галактик в пространстве-времени позволит ещё точнее измерить скорость расширения Вселенной и массу вещества в ней, включая неуловимую тёмную материю.

Несмотря на бесконечность космических расстояний, разбросанные по Вселенной галактики не являются изолированными островками вещества. С самого рождения Вселенной между скоплениями материи тянутся нити из тёмного и обычного вещества, соединяя всё и вся единой сетью космической паутины. До сих пор такие нити наблюдались только вблизи «вселенских фонарей» — квазаров. Но теперь у учёных появился инструмент для обнаружения нитей в любом месте Вселенной.

Реконструкция космической паутины в объёме пространства. Источник изображения: Caltech/R. Hurt/IPAC

Астрофизик Кристофер Мартин (Christopher Martin) из Калифорнийского технологического института разработал методику и инструмент для непосредственного получения изображений космической паутины даже в неосвещённых уголках Вселенной, например, на ранних этапах её эволюции, когда звёзд и галактик было мало и, следовательно, было мало излучения, которое могло бы подсветить нити космической паутины. Между тем, эти нити тянутся из прошлого и трансформируются, являясь проводником вещества во Вселенной и инструментом её эволюции.

Считается, что около 60 % первичного водорода, рождённого после Большого взрыва, сосредоточено в нитях космической паутины. Они абсорбируют водород из межгалактической среды и переносят его в галактики для стимулирования в них звёздообразования. Картографирование этих маршрутов много расскажет об эволюции Вселенной в прошлом и позволит моделировать её будущее развитие. Но для этого пришлось решить одну проблему: холодные атомы водорода в межгалактической среде — это крайне слабый источник излучения, который практически невозможно было регистрировать приборами на Земле.

Последовательное детектирование космической паутины. Источник изображения: Nature Astronomy

Исследователь из Калтеха в 2019 году провёл моделирование и понял, каким образом он может обнаруживать космическую паутину даже в самых тёмных уголках Вселенной. Регистрация излучения водорода велась по линии Лайман-альфа, а фоновое излучение, которое не позволяло детектировать полезный сигнал, вычиталось в процессе сравнения сигналов с разных участков неба. Фактически сумматор выступал фильтром полезного сигнала. Так у телескопа им. Кека на Гавайях появился прибор Keck Cosmic Web Imager (KCWI).

Прибор учитывает смещение света в красный диапазон спектра, что позволяет следить за изменениями космической паутины во времени, а не только в пространстве. На основе проделанных наблюдений учёный построил реальную 3D-модель эволюции космической паутины в той области пространства, где она никогда ничем не была подсвечена — в период от 12 до 10 млрд лет назад. И это правильное решение — начинать распутывать клубок эволюции Вселенной с того момента, когда нитей было сравнительно мало.

«Мы очень рады, — сказал один из коллег астрофизика по институту, — что этот новый инструмент поможет нам узнать о более отдалённых нитях и об эпохе формирования первых звёзд и чёрных дыр».

Астрономы подтвердили, что Вселенная на 69 % состоит из тёмной энергии и на 31 % из материи, большая часть которой тёмная. Команда учёных под руководством Мохамеда Абдуллы (Mohamed Abdullah) из Национального исследовательского института астрономии и геофизики Египта (NRIAG) и Университета Чиба (Япония) применила новый метод, основанный на анализе массы и количества галактик в скоплениях, для оценки распределения материи в космосе. Эти данные совпали с результатами, полученными ранее с помощью спутника «Планк» (Planck).

Источник изображения: Hubble

Вопрос о том, из чего состоит Вселенная, давно волнует учёных. Современные космологи разделяют всё содержимое Вселенной на тёмную и видимую составляющие. Материя, включающая звёзды, галактики, атомы и другие элементы, а также загадочную тёмную материю, составляет всего 31 % от общей массы Вселенной. Оставшиеся 69 % приходятся на тёмную энергию, природа которой до сих пор остаётся загадкой.

Стоит отметить, что наиболее точные данные об устройстве космоса до сих пор поступали от спутника «Планк» Европейского космического агентства (ESA), который картографировал Вселенную, изучая космическое микроволновое излучение — остаточное излучение от Большого взрыва, произошедшего около 13,8 млрд лет назад. Именно благодаря спутнику «Планк» астрономы смогли установить «золотой стандарт» измерений общего количества материи во Вселенной.

Скопление галактик SDSSJ0146-0929 достаточно массивно для того, чтобы сильно исказить окружающее пространство. Видна масса звезд и газа в каждой галактике, однако тёмная материя увеличивает массу этого скопления. Источник изображения: NASA

«Космологи считают, что только около 20 % всей материи представлены обычной или „барионной“ материей. Около 80 % [всей материи] составляет тёмная материя, природа которой пока неизвестна, но, возможно, она состоит из ещё не открытых субатомных частиц», — отметил Абдулла. Тем не менее, учёные постоянно стремятся проверять и дополнять данные спутника «Планк», используя различные методы, что и стало основной задачей нового исследования.

Для подтверждения этих данных команда учёных применила метод определения соотношения массы и плотности скопления (Cluster Mass-Richness Relation, MRR). Реализация этого метода оказалась непростой задачей из-за сложности точного измерения массы галактических скоплений, большая часть которых представлена тёмной материей. То, что астрономы видят в скоплении, не всегда отражает реальную картину.

Космический микроволновый фон. Его сравнили с современным распределением галактик, чтобы отследить тёмную материю. Источник изображения: ЕКА

Однако команда нашла способ обойти эту проблему, используя количество галактик в каждом скоплении как индикатор его общей массы. «Мы осознали, что более массивные скопления содержат больше галактик. Таким образом, анализируя количество галактик, можно сделать выводы о массе самого скопления», — объяснил один из учёных. Так, команда проанализировала количество галактик в каждом скоплении из своей выборки, что позволило им оценить общую массу каждого из них.

Исследователи сравнили количество и массу галактик на единицу объёма с прогнозами, полученными на основе численного моделирования. Команда активно использовала данные проекта «Слоановский цифровой небесный обзор» (Sloan Digital Sky Survey), создав каталог галактических скоплений под названием GalWeight. Сравнивая данные каталога с результатами моделирования, учёные смогли оценить общее количество материи во Вселенной. Для определения расстояний до скоплений и выявления принадлежности галактик к конкретным скоплениям, команда использовала спектроскопические исследования, что позволило им получить более точные данные.

Работа учёных показала, что новый метод измерения массы Вселенной является достаточно надёжным и может быть использован при анализе новых астрономических данных. Джиллиан Уилсон (Gillian Wilson) подчеркнула, что метод MRR имеет большой потенциал и может быть применён к новым данным, которые становятся доступными благодаря крупномасштабным астрономическим обзорам галактик с использованием таких инструментов, как телескопы Dark Energy Survey, Dark Energy Spectroscopic Instrument, Euclid, eROSITA и орбитальной обсерватории «Джеймс Уэбб» (James Webb Space Telescope).

Первый год наблюдений космической обсерватории «Джеймс Уэбб» принёс множество открытий, включая обнаружение самых древних галактик, появившихся на самой заре нашей Вселенной, когда ей было всего 300 млн лет. Группа учёных поставила под сомнение это открытие, заявив, что эти объекты могут быть звёздами из тёмной материи — первыми, которые человечество увидело в свои инструменты.

Источник изображения: Pixabay

Наши знания о Вселенной очень и очень неполны. Значительную часть из них представляют теоретические модели. Наблюдения, особенно с помощью самого современного оборудования, позволяют подтвердить или опровергнуть ту или иную теорию. Космическая обсерватория им. Джеймса Уэбба стала таким инструментом, который позволил заглянуть в эпоху детства и юности Вселенной. Инфракрасные датчики «Уэбба» способны уловить свет, который летел к нам свыше 13 млрд лет, и поэтому ушёл в инфракрасный диапазон — длина волны банально растянулась во время этого эпического полёта и стала невидима в оптическом диапазоне.

Инструменты «Уэбба» обнаружили три объекта возрастом от 300 до 400 млн лет после Большого взрыва — это JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 и JADES-GS-z11-0. Спектральный анализ излучения этих объектов показал, что им действительно столько лет, как на это указывает величина их красного смещения. Фактически, это одни из самых молодых галактик во Вселенной, масса которых находится в районе 100 млн солнечных масс. Однако учёные Космин Илие (Cosmin Ilie) и Джиллиан Паулин (Jillian Paulin) из Колгейтского университета и Кэтрин Фриз (Katherine Freese) из Техасского университета в Остине поставили под сомнение это открытие и опубликовали научную работу, в которой обосновали альтернативную версию идентификации этих объектов.

Согласно математическому моделированию учёных, все три открытых объекта — это звёзды из тёмной материи. Для гипотетических звёзд III-го населения (таковые пока не наблюдались) масса в 100 млн солнечных масс была бы нормой. Наука предполагает, что первые звёзды в нашей Вселенной должны отличаться от наблюдаемых нами звёзд, и в этом свете объекты JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 и JADES-GS-z11-0 вполне могут оказаться звёздами, а не галактиками. Первыми звёздами.

Вещество этих звёзд также может отличаться от вещества в наблюдаемых звёздах. В нашей Вселенной мы видим в звёздах процесс термоядерной реакции, когда водород превращается в гелий. В первых звёздах веществом может быть тёмная материя. Вместо реакции синтеза такие звёзды горят в процессе реакции аннигиляции частиц и античастиц тёмного вещества. Теория это допускает, хотя мы пока не имеем понятия, что такое эта тёмная материя, кроме разве что почти полной уверенности, что это действительно частицы, а не поле, например.

К сожалению, чувствительности «Уэбба» не хватает, чтобы обнаружить линии гелия в столь отдалённых от нас по времени объектах. В таком случае мы могли бы точно узнать, идут ли в них термоядерные реакции или нет, и сказать, «тёмные» звёзды это или обычные молодые галактики. Остаётся надеяться на моделирование, которое, кстати, очень удачно может объяснить и появление сверхмассивных чёрных дыр (звезда в 100 млн масс Солнца может сразу коллапсировать в сверхмассивную чёрную дыру), и наличие неуловимого звёздного населения III, и присутствие тёмной материи и много чего ещё, на что официально признанная астрофизическая теория развития Вселенной пока не может дать убедительного ответа.

Аэрокосмическая компания SpaceX запустила в космос орбитальную обсерваторию Европейского космического агентства (ESA) Euclid («Евклид»), которая предназначена для изучения тёмной материи и тёмной энергии. Ракета Falcon 9 с космическим телескопом на борту стартовала с площадки космодрома на мысе Канаверал во Флориде, а первая ступень носителя совершила мягкую посадку на специальную плавучую платформу примерно через восемь минут после запуска.

Источник изображения: SpaceX

Космическая обсерватория Euclid отделилась от второй ступени носителя примерно через 41 минуту после старта и продолжила движение к месту назначения в точке Лагранжа L2 системы Солнце-Земля на расстоянии 1,5 млн км от нашей планеты. Расположение в точке Лагранжа позволит телескопу находиться на относительно стабильной орбите. Запущенный в прошлом году телескоп «Джеймс Уэбб» Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) США также находится на этой орбите.

Принято считать, что тёмная материя и тёмная энергия составляют большую часть Вселенной, но наблюдать эти явления в видимом спектре волн нельзя. Для изучения тёмной материи и тёмной энергии телескоп Euclid будет использовать систему формирования изображений в видимой части спектра VISible Imager (VIS), а также спектрометр и фотометр ближнего инфракрасного диапазона Near Infrared Spectrometer and Photometer (NISP). За время проведения исследовательской миссии Euclid, которая рассчитана на шесть лет, обсерватория сделает снимки миллиардов галактик и звёзд. Эти данные помогут учёным узнать больше о тёмной материи и тёмной энергии. Если всё пойдёт по плану, то телескоп начнёт передавать данные на Землю в следующем году.

Источник изображения: ATG / ESA, CC BY-SA

Любопытно, что изначально для запуска обсерватории Euclid планировалось использовать российскую ракету-носитель «Союз». Запуск должен был состояться с космодрома Куру во Французской Гвиане, а в роли оператора пуска выступала компания Arianespace. Однако после обострения ситуации на Украине сотрудничество по многим совместным проектам в космосе между Россией и западными странами было прекращено.

Учёные Калифорнийского университета в Санта-Барбаре пропустили мощный луч света через два химических соединения и открыли экзотический материал из субатомных квазичастиц. Новый материал они назвали «бозонным коррелированным изолятором» — это высокоупорядоченный кристалл из экситонов, которые относятся к субатомным квазичастицам. И он представляет собой новое состояние вещества.

Формирование кристалла электронами и «дырками» — художественная иллюстрация. Источник изображения: ucsb.edu

Субатомные частицы можно разделить на фермионы и бозоны. Они отличаются друг от друга спином и особенностями взаимодействия. Фермионы, а это, например, кварки и электроны, рассматриваются как строительные блоки материи — из них образуются атомы, а частицы эти характеризуются полуцелым спином. Бозоны же являются переносчиками взаимодействия — к ним, в частности, относятся фотоны — и считаются своего рода клеем Вселенной, поскольку связывают воедино фундаментальные силы природы. Эти частицы имеют целые спины; несколько бозонов могут находиться в одной и той же точке пространства одновременно, тогда как фермионы собираться вместе «не любят».

При этом известен случай, когда два фермиона образуют бозон. Если отрицательно заряженный электрон образует связь с положительно заряженной «дыркой» (квазичастицей), то вместе они формируют бозонную квазичастицу, называемую экситоном. Американские учёные решили изучить взаимодействие экситонов, наложив решётку дисульфида вольфрама на аналогичную решётку диселенида вольфрама и образовав узор, который называется муаром. Далее на обе решётки учёные направили сильный луч света, из-за чего экситоны начали активно сталкиваться и образовали новую кристаллическую материю с нейтральным зарядом — бозонный коррелированный изолятор.

Исследователи отметили, что это новое состояние вещества впервые было создано в системе «реальной» материи, а не синтетической системе, что даёт ключи к новому пониманию поведения бозонов. И прокладывает пути к созданию бозонных материалов нового типа.

Европейское космическое агентство сообщило, что космическая обсерватория «Евклид» (Euclid) проходит этап заправки топливом перед запуском в космос. Заправка осуществляется на предприятии Astrotech во Флориде недалеко от места будущего старта. Обсерватория будет запущена на ракете SpaceX Falcon 9, хотя первоначально она должна была лететь на «Союзе». Целью «Евклида» станет поиск следов тёмной материи и энергии во Вселенной.

Источник изображения: ESA

«Евклид» — это европейский проект. Обсерватория будет выведена в точку Лагранжа L₂ на удалении 1,5 млн км от Земли, где уже работает обсерватория «Джеймс Уэбб». «Евклид» будет смотреть на небо как в видимом диапазоне, так и в ближнем инфракрасном, поэтому чем дальше он от Солнца, тем лучше будет его работа. Научная программа обсерватории рассчитана на шесть лет. Но её продолжительность будет зависеть, в том числе, от расхода топлива.

Для доставки обсерватории в точку базировании, ежемесячной коррекции положения в пространстве и для последующей утилизации обсерватория будет заправлена 140 кг гидразина. Это топливо будет питать десять двигателей обсерватории, и будет храниться в одном баке. За стабилизацию телескопа в процессе съёмки будут отвечать шесть импульсных газовых двигателей на азоте. На борту «Евклида» четыре бака для азота под высоким давлением, которые вмещают 70 кг газа.

Непосредственной работой обсерватории «Евклид» станет съёмка галактик на удалении до 10 млрд световых лет. Обсерватория охватит участок до 30 % неба, на котором отметит миллиарды галактик на всю глубину наблюдения до этапа юности Вселенной и определит их красное смещение. Эти данные позволят с высочайшей точностью вычислить параметры поведения как тёмной материи, так и тёмной энергии. Телескоп не сможет напрямую увидеть эти объекты и явления, но их воздействие на Вселенную он определит с предельно возможной для современной науки точностью.

По поведению галактик во времени можно будет узнать, как росло ускорение их разлёта — это путь для уточнения свойств тёмной энергии, а трансформация галактик во времени даст характеристики для вычисления свойств тёмной материи. Тем самым «Евклид» предоставит информацию для лучшего моделирования поведения «тёмной» стороны Вселенной. Дождёмся запуска, до которого остались считанные дни — запланирован он на июль 2023 года, но точной даты пока нет.

В данных, собранных европейским астрометрическим спутником «Гайя» (Gaia), обнаружена звёздная система с необычным поведением. Похожая на Солнце звезда вращается вокруг невидимого объекта в 11 раз тяжелее её. Такое поведение не укладывается в общепринятые модели эволюции парных систем. Звезда расположена слишком близко к невидимке, чтобы заподозрить в партнёре чёрную дыру. Неужели там обнаружена мифическая бозонная звезда из тёмной материи?

Источник изображения: Pixabay

Звезда и её невидимый партнёр вращаются вокруг общего центра масс на расстоянии 1,4 а.е. друг от друга. Это примерно равно расстоянию от Марса до Солнца с периодом обращения 188 дней. Теоретически невидимым объектом может быть чёрная дыра, но она должна была образоваться после взрыва достаточно большой звезды. Звезда должна была взорваться с филигранной точностью, чтобы не допустить разрушения соседки на таком близком расстоянии. Подобный сценарий с большим трудом укладывается в известные нам модели поведения наблюдаемых двойных систем.

Но всё становится проще, если в невидимом партнёре заподозрить бозонную звезду, вещество которой также прочат в частицы тёмной материи. Некоторые теории допускают, что тёмная материя может собираться в сгустки планетарного и звёздного масштабов. Данная работа как раз обосновывает вероятность развития одного из таких сценариев, когда тёмное вещество собралось в компактный объект типа звезды.

Учёные не настаивают на своей трактовке событий, но призывают внимательно проследить за указанной звёздной системой. Возможно это приведёт к удивительным открытиям, о чём они сообщают в препринте на сайте arXiv.

Несколько лет назад астрономы из Университета Торонто, Университета Принстона, Даремского университета, а также инженеры Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) приступили к реализации проекта по запуску уникального телескопа Super Pressure Balloon-Borne Imaging Telescope (SuperBIT) для наблюдения гравитационного линзирования. Теперь же опубликованы первые снимки, сделанные этим необычным телескопом.

Туманность Тарантул в видимом и ультрафиолетовом свете / Источник изображения: utoronto.ca

Главная особенность SuperBIT в том, что он находится не в космосе, а на высоте в 33,5 км над поверхностью Земли, практически над атмосферой планеты. Туда он был доставлен с помощью огромного стратостата размером со стадион. Расположение на границе атмосферы позволит телескопу создавать изображения, по качеству сопоставимые с тем, что делают космические обсерватории. Стратостат с телескопом был запущен с территории Новой Зеландии в начале этой недели.

Столкновение двух галактик / Источник изображения: utoronto.ca

Первыми объектами наблюдения SuperBIT стали туманность Тарантул, которая преимущественно состоит из ионизированного водорода и располагается на расстоянии 179 тыс. световых лет от нашей планеты в Большом Магеллановом Облаке, галактике-спутнике Млечного Пути, а также столкновение двух галактик NGC 4038 и NGC 4039. При условии сохранения стабильных ветров во время сезона SuperBIT в течение примерно трёх месяцев совершит несколько кругосветных путешествий вокруг южного полушария Земли, делая снимки разных объектов Вселенной в тёмное время суток и заряжая свои солнечные батареи днём.

Телескоп SuperBIT перед запуском / Источник изображения: Columbia Scientific Balloon Facility

Научная цель проекта заключается в измерении гравитационного линзирования. Данный эффект возникает в процессе изменения траектории движения света объектами большой массы. Поскольку тёмная материя может наблюдаться только через гравитационные эффекты, линзирование остаётся одним из немногих доступных способов лучше узнать её природу. Предполагается, что SuperBIT поможет понять, способны ли частицы тёмной материи отталкиваться друг от друга. Для этого учёные намерены картировать места расположения тёмной материи вокруг скоплений галактик, сталкивающихся с другими скоплениями. Хотя тёмную материю нельзя увидеть, SuperBIT поможет нанести её на карту, отталкиваясь от того, как она искривляет проходящие лучи света.

Международный коллектив астрономов разработал самую подробную на сегодняшний день карту распределения материи во Вселенной. Она включает в себя описание не только объектов обычной материи, из которой сформировались планеты, звёзды, чёрные дыры и галактики; но также тёмной материи — неизученной невидимой массы, которая создаёт более высокую гравитацию, необъяснимую с позиции обычной материи.

Южный полярный телескоп. Источник изображения: pole.uchicago.edu

Фактическое распределение материи в пространстве не вполне соответствует ожиданиям учёных, а значит, в текущей стандартной космологической модели чего-то не хватает. Предполагается, что в момент Большого взрыва вся материя Вселенной была собрана в сингулярность — единую точку с бесконечной плотностью и чрезвычайно высокой температурой, которая внезапно взорвалась и извергла кварки, которые сформировали протоны и нейтроны. Спустя несколько сотен тысяч лет образовались атомы водорода и гелия, из которых стали формироваться объекты Вселенной.

Дальнейшее распределение этих атомов — своего рода детективная работа, исходной информацией для которой является то, как выглядит Вселенная сегодня. Около 75 % материи во Вселенной до сих пор остаются совершенно невидимыми для современных методов наблюдения — эта тёмная материя обнаруживается лишь косвенно, поскольку она создаёт более сильное гравитационное поле, чем должно быть, исходя из свойств обычной материи. Это проявляется, например, в том, что галактики вращаются быстрее, чем должны, а также в эффекте гравитационного линзирования. Когда нечто имеет очень высокую массу, например, скопление тысяч галактик, гравитационное поле оказывается достаточно сильным, чтобы искривлять пространство и время: проходящий через такую гравитационную линзу свет меняет траекторию и может усиливаться.

Карты неба на основе данных Dark Energy Survey (слева) и Южного полярного телескопа (справа). Источник изображения: sciencealert.com

При создании карты материи Вселенной учёные сравнивали данные о гравитационных линзах, собранные в рамках проекта Dark Energy Survey в ближнем ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, а также полученные Южным полярным телескопом, который осуществляет измерение слабого космического микроволнового фона — реликтового излучения, возникшего в эпоху первичной рекомбинации водорода вскоре после Большого взрыва. Два источника информации обеспечили перекрёстную проверку данных.

Итоговая карта была построена на положениях галактик, их линзировании и линзировании космического микроволнового фона — эти данные можно использовать для выстраивания гипотез о распределении материи во Вселенной. Далее её можно будет сравнивать с другими моделями и симуляциями эволюции Вселенной, что позволит понять, соответствует ли теория фактическому распределению материи. Учёные уже провели несколько сравнений и обнаружили, что построенная ими карта преимущественно соответствует моделям за исключением небольших различий: материя распределяется более равномерно, чем предсказывает теория.

Итоги работы представлены в трёх публикациях американского научного журнала Physical Review D.

Согласно новым исследованиям, наша галактика Млечный Путь оказалась заметно легче, чем предполагалось по оценённой ранее плотности распределения материи во Вселенной. В нашей галактике оказалось только 10 % обычного вещества, тогда как в остальной Вселенной его в среднем 16 %, а всё остальное и у нас и в остальной части пространства — это тёмная материя. В Млечном пути её оказалось на 6 % больше, что удивительно.

Радиотелескоп DSA-110. Источник изображения: Caltech

Новые данные об объёме барионной (обычной или регистрируемой) материи в Млечном Пути получены после изучения загадочных быстрых радиовсплесков (Fast Radio Bursts, FRB). Первый такой радиосигнал миллисекундной длительности и мощности в несколько дней светимости Солнца был случайно зарегистрирован в 2007 году. Природа этого явления остаётся неизвестной и для её разгадки, в частности, в США под патронатом Калтеха создаётся радиотелескоп Deep Synoptic Array (DSA-110). Радиотелескоп будет состоять из 110 разнесённых «тарелок», первые 65 из которых начали принимать данные примерно год назад.

Массив DSA-110 должен будет помочь в привязке FRB к небесным объектам — он будет максимально точно определять, откуда исходит радиосигнал, что поможет в поиске его источников. За 2022 год обсерватория засекла 30 событий FRB, что больше, чем за все годы с момента регистрации первого события 15 лет назад. Кроме главной цели обсерватории — привязки FRB к объектам на небе — анализ принятого радиосигнала позволяет получить и другие данные. Например, узнать о распределении материи на пути следования радиоимпульса от неизвестного источника к Земле.

В зависимости от того, какие частоты в принятом радиосигнале отсутствуют (поглощены на пути следования сигнала), мы можем точно рассчитать, какой и сколько материи было на пути радиоимпульса. Это ведёт к количественной оценке вещества в нашей галактике. Млечный Путь оказался более прозрачным, чем остальная Вселенная: в нём меньше 10 % барионного вещества и более 90 % тёмной материи.

Астрономы считают, что этого можно было ожидать. Существующие модели эволюции галактик допускают сценарии, когда материя на определенных этапах изгоняется из гало галактик, а на других — втягивается обратно. Впрочем, наблюдения продолжатся и обещают принести много нового в понимание процессов во Вселенной. Статья о работе доступна на сайте arXiv.org по ссылке.