1930-е: первые указания на тёмную материю

В 1930-х произошло множество увлекательных событий. Расширяющаяся Вселенная стала общепризнанной. Были идентифицированы сверхновые и остатки сверхновых; тогда же появился сам термин. Была разработана первоначальная идея Большого взрыва, или «первичного атома», как его называли. Но, пожалуй, самым важным стало первое указание на тёмную материю: её обнаружили, наблюдая относительные скорости отдельных галактик внутри одного скопления галактик.

Расхождение между:

массой, определяемой по свету звёзд, то есть звёздной массой, и

массой, определяемой по движению галактик, то есть гравитационной массой,

оказалось огромным и стало первым доказательством существования тёмной материи. Хотя к этому не относились серьёзно почти 40 лет, до работ Веры Рубин и измерений кривых вращения отдельных галактик, также невозможно переоценить и космологическое значение работы Фрица Цвикки.

1940-е: развитие теории Большого взрыва

Хотя идея экстраполяции расширения Вселенной назад во времени существовала давно, именно в 1940-х годах Георгий Гамов и его соавторы Ральф Альфер и Роберт Герман начали разрабатывать последствия горячего, плотного, быстро расширяющегося и довольно однородного начального состояния. Это привело к ряду ключевых предсказаний:

космическая паутина структуры, формирующаяся иерархически, и более примитивные галактики в прошлом: сначала образуются структуры меньшего масштаба, а более крупные созревают позже;

остаточное излучение («первичный огненный шар»), которое испытывает красное смещение и охлаждается, образуя сегодняшний фон низкоэнергетического излучения;

ранний этап ядерного синтеза, в котором образуются элементы тяжелее водорода;

реликтовая популяция нейтрино и антинейтрино, образующая фон ещё более холодный, чем остаточное излучение.

К сегодняшнему дню все эти предсказания подтвердились. Их корни восходят к Гамову и его коллегам — первым, кто стал развивать эти идеи.

Слева — художественное изображение внутренности массивной звезды на последней, предшествующей сверхновой, стадии горения кремния. При горении кремния в ядре образуются железо, никель и кобальт. Справа — изображение остатка сверхновой Кассиопея A, полученное обсерваторией Chandra; показаны такие элементы, как железо (синий), сера (зелёный) и магний (красный). Выброшенный звёздный материал может светиться в инфракрасном диапазоне за счёт тепла на протяжении десятков тысяч лет, а выбросы сверхновых могут быть асимметричными и содержать пространственно разделённые элементы, как показано здесь. В подходящей среде этот асимметричный материал может неравномерно включаться в будущие поколения звёзд. Источник: NASA/CXC/M. Weiss (иллюстрация слева); NASA/CXC/GSFC/U. Hwang & J. Laming (изображение справа) (см. фото 1)

1950-е: понимание ядерной физики внутри звёзд

Впрочем, когда речь шла о происхождении элементов, Большой взрыв был не единственной рассматриваемой возможностью. Элементы также образуются в результате ядерного синтеза в звёздах, и мы долго не знали, как именно это происходит. В 1950-х годах группа учёных разобралась в этом.

Астрономическую часть представляли Марта и Джеффри Бербиджи; теоретическую физику — Фред Хойл; ядерные эксперименты — Уильям, или Вилли, Фаулер. Вместе они разработали теорию того, как тяжёлые элементы создаются в звёздах из одного лишь водорода. Открытие тройного альфа-процесса и предсказанного Хойлом возбуждённого состояния углерода подтвердило правильность всей концепции. Теперь мы знаем, что, за исключением самых лёгких элементов, именно звёздный нуклеосинтез отвечает за большую часть тяжёлых атомов во Вселенной.

1960-е: найдено решающее доказательство Большого взрыва — CMB

В середине 1960-х годов была введена в работу новая антенна, предназначенная для радиолокации: рупорная антенна в Холмделе. Во время её калибровки операторы Арно Пензиас и Роберт Вильсон обнаружили надоедливый гул — источник шума, приходивший со всех направлений неба. Они перепробовали всё: повторно калибровали антенну, выключали и включали её, направляли на землю (гул исчезал), и даже чистили её и убирали птиц, облюбовавших антенну. Наконец их посетил рецензент, который указал им на статью группы Боба Дикке из Принстона. Эта статья позволила отождествить этот «гул» с предсказанным фоновым излучением Большого взрыва. Так было открыто космическое микроволновое фоновое излучение, или CMB, cosmic microwave background, также называемое реликтовым излучением, и с тех пор модель Большого взрыва вошла в научную повестку.

На этом фото Арно Пензиас и Роберт Вильсон, совместно открывшие космическое микроволновое фоновое излучение, сняты вместе с рупорной антенной в Холмделе, которую они использовали для его обнаружения. Хотя многие источники могут создавать фоны низкоэнергетического излучения, свойства CMB, в том числе идеально чёрнотельный спектр и одинаковая температура во всех направлениях, подтверждают его космологическое происхождение. По мере того как остаточное свечение Большого взрыва продолжает испытывать красное смещение, для его обнаружения потребуются всё более крупные телескопы, чувствительные к более длинным волнам и к всё меньшей плотности числа фотонов. Источник: NASA, реставрация Bammesk / Wikimedia Commons (см. фото 2)

1970-е: рождение теории инфляции

На протяжении 1970-х годов произошло много важных событий. Тёмная материя вышла на первый план благодаря наблюдениям вращающихся галактик, началось картирование космической паутины, в CMB были обнаружены первые неоднородности, началось проектирование разработки космических телескопов: они дают доступ к диапазонам длин волн, которые невозможно наблюдать с поверхности Земли.

Однако размышления над загадками Вселенной, или наблюдаемыми фактами, которые мы не могли объяснить или предсказать (например, почему она везде имеет одинаковую температуру, почему темп расширения и плотность энергии так идеально сбалансированы и почему не осталось высокоэнергетических реликтов), привели к рождению идеи космической инфляции. Хотя основателем идеи обычно считают Алана Гута, который предложил её в 1979 году, примерно в то же время её рассматривали многие другие, в том числе Роберт Браут, Алексей Старобинский и Эдвард «Рокки» Колб. Сегодня она вытеснила Большой взрыв в качестве нашей главной космогонической истории происхождения, но сама идея восходит ещё к концу 1970-х годов.

1980-е: рождение нейтринной астрономии

В 1980-х годах мы строили огромные резервуары с жидкостью, окружённые фотоэлектронными умножителями: не для обнаружения нейтрино, а для поиска распада протонов. Протон, конечно, не распался, поэтому всё, что мы видели, было «фоном» солнечных нейтрино. Затем произошло беспрецедентное событие: вспышка сверхновой в Большом Магеллановом Облаке, галактике-спутнике всего в 165 000 световых лет от нас. Детектор зарегистрировал десятки нейтрино, причём за целых четыре часа до прихода первого света от сверхновой. Так мы стали регистрировать не только свет, но и частицы. К настоящему времени наш охват распространился на многие миллионы световых лет, и нейтринная астрономия стала полноценной самостоятельной наукой.

Событие с выделением нейтрино, которое можно распознать по кольцам черенковского излучения, появляющимся на фотоэлектронных умножителях, установленных на стенках детектора, демонстрирует успешную методику нейтринной астрономии. На этом изображении показано несколько таких событий; оно относится к серии экспериментов, прокладывающих путь к лучшему пониманию нейтрино. Нейтрино, зарегистрированные в 1987 году, ознаменовали начало нейтринной астрономии и превращение экспериментов по поиску распада нуклона в эксперименты по детектированию нейтрино. Источник: коллаборация Super-Kamiokande (см. фото 3)

1990-е: ускоряющаяся Вселенная и тёмная энергия

Вселенная расширяется, это факт. Но будет ли она расширяться вечно, или расширение когда-нибудь остановится и сменится обратным сжатием? Измеряя стандартизованные объекты на разных расстояниях, мы могли проследить эволюцию нашего космологического расширения и получить ответ. Используя данные по сверхновым типа Ia, две независимые группы первыми пришли к ответу в конце 1990-х годов.

К удивлению, они обнаружили, что Вселенная не только продолжит расширяться, но и само расширение ускоряется: это требовало ввести новую форму энергии, которая доминирует в космическом энергетическом балансе, тёмную энергию. Хотя в начале XXI века мы весьма точно определили свойства тёмной энергии, именно её открытие в 1998 году стало величайшим космологическим достижением 1990-х.

2000-е: детальные измерения CMB раскрыли состав Вселенной

Из чего состоит Вселенная? Чтобы ответить на этот вопрос, можно посмотреть на неоднородности космического микроволнового фона, флуктуации уровня микрокельвинов на фоне с температурой около 3К, и на то, как эти неоднородности коррелируют на разных космологических масштабах. Хотя с тех пор к ним присоединились другие независимые свидетельства, и хотя ACT, SPT и Planck превзошли первоначальную точность WMAP, достигнутую в её первых результатах 2003 года, именно эти неоднородности в CMB впервые дали нам картину Вселенной, которая:

расширяется со скоростью около 70 км/с/Мпк;

имеет возраст около 13,8 млрд лет;

состоит примерно на 70% из тёмной энергии;

примерно на 25% из тёмной материи;

и лишь примерно на 5% из обычной материи, с небольшой примесью фотонов и нейтрино.

Хотя с тех пор возникло много дополнительных загадок, эта общая согласованная картина остаётся верной и сегодня.

Карта флуктуаций температуры CMB по данным Planck (вверху) и измеренный спектр мощности температурных флуктуаций (в середине). Две нижние панели показывают смоделированные флуктуации температуры на различных угловых масштабах, которые должны проявляться в CMB во Вселенной с измеренным количеством излучения и далее либо с 70% тёмной энергии, 25% тёмной материи и 5% обычной материи (слева), либо во Вселенной из 100% обычной материи без тёмной материи (справа). Хорошо видны различия в числе пиков, а также в их высоте и положении. Источник: ESA / коллаборация Planck (вверху и в середине); E. Siegel / CMBfast (внизу) (см. фото 4)

2010-е: рождение гравитационно-волновой астрономии

Конечно, в этом десятилетии произошло и многое другое: выявление хаббловского напряжения, бум открытий экзопланет, первые изображения Плутона с близкого расстояния и первое изображение горизонта событий чёрной дыры. Но крупнейшей революцией стала регистрация слияний чёрных дыр совершенно новым способом — гравитационно-волновой астрономией.

Первые гравитационные волны были замечены, когда парные детекторы Advanced LIGO впервые включились в 2015 году, а объявление о них последовало уже в 2016 году. Теперь, десять лет спустя, насчитывается уже 390 подтверждённых регистраций, и доказательств достаточно даже для определения происхождения этих чёрных дыр. Вместо одного излучения у нас теперь есть три способа наблюдения Вселенной: свет, частицы и гравитационные волны.

2020-е: открытие объектов типа «маленькая красная точка»

В 2021 году был запущен космический телескоп «Джеймс Уэбб», JWST, — самый мощный космический телескоп за всю историю. Он показал нам множество удивительных сторон Вселенной, но одним из крупных сюрпризов, до сих пор не получивших полного объяснения, являются галактики типа «маленькая красная точка», которые он наблюдает. Являются ли они гибридами галактик и квазаров? Возникают ли они как следствие эволюции огромных сверхмассивных звёзд? Похоже, они указывают на то, что чёрные дыры появились раньше галактик, в которых мы их находим; неужели это действительно может быть правдой? И, возможно, они объясняются повышенной активностью сверхмассивных чёрных дыр; но действительно ли это верный ответ?

Если выделить всего лишь по одному открытию на каждое из последних 20 десятилетий, можно увидеть, насколько впечатляюще продвинулось наше понимание Вселенной. С каждым новым открытием появляется гораздо больше вопросов, которые мы умеем задавать. Пока мы продолжаем предпринимать попытки задавать Вселенной вопросы о ней самой, мы неизбежно будем открывать новые факты о нашей общей реальности.

Хотя мы не можем предсказать, что найдём в ближайшие десятилетия, мы знаем, что должны продолжать наблюдения. В конце концов, сам акт открытия — величайшая часть занятия наукой.

Телеграм: t.me/ainewsline

Источник: vk.com

Комментарии: