Международная группа учёных утверждает, что ей удалось разгадать одну из сложнейших загадок астрофизики без необходимости дополнять существующие модели: учёные уверены, что обнаружили в чёрных дырах энергию вакуума, которая способствует расширению Вселенной.

Источник изображения: Alexander Antropov / pixabay.com

О расширении Вселенной учёные знают с двадцатых годов прошлого века, но в течение нескольких десятков лет считалось, что под действием гравитационных сил этот процесс должен замедляться. В девяностые астрономы при помощи космического телескопа «Хаббл» (Hubble) обнаружили, что происходит прямо противоположное: чем дальше объект, тем быстрее он от нас удаляется, а значит, с течением времени расширение Вселенной ускоряется. Поэтому в модели того времени ввели «тёмную энергию», которая заставляет объекты отталкиваться друг от друга. Признаки этой энергии учёные ищут повсюду, и в рамках нового исследования стало ясно, что скрываться она может внутри чёрных дыр.

Вопреки тому, чего можно было ожидать, вакуум не совсем пуст — из случайных флуктуаций производится так называемая энергия вакуума, которая может работать против гравитационных сил и воздействовать на процессы расширения Вселенной. В некоторых моделях предполагается, что энергия вакуума может обнаруживаться в чёрных дырах, и учёные утверждают, что в новом исследовании это было подтверждено наблюдениями. Для обоснования этого тезиса учёные изучили эволюцию сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик за последние 9 млрд лет. Такие чёрные дыры набирают массу за счёт поглощения пыли, газа, звёзд и других чёрных дыр, но в гигантских эллиптических галактиках, в которых газ и пыль закончились, они должны были прекратить свой рост. Однако сравнение далёких и близких эллиптических галактик показало, что сверхмассивные чёрные дыры в их центре продолжают набирать массу за счёт какого-то другого механизма. И если это энергия вакуума, то они способствуют расширению Вселенной, наращивая по мере этого свою массу — этот процесс назвали «космологической связью».

Авторы исследования утверждают, что предложенная ими модель отличает высокая точность — она не требует введения новых элементов в существующие модели, а предлагает закрывать пробелы чёрными дырами, как и предсказывала общая теория относительности Эйнштейна. Кроме того, современные модели предполагают, что чёрные дыры содержат так называемую сингулярность — точку, в которой нарушаются законы физики. Поэтому для их описания либо находят какие-то обходные пути, либо говорят, что существующие модели неполны. Если же чёрные дыры действительно содержат энергию вакуума, то сингулярностями можно больше не оперировать, и это может стать крупным прорывом в формировании научной картины мира. Но подтверждение новой модели потребует дальнейших исследований и наблюдений.

Результаты исследования учёные изложили в научных журналах The Astrophysical Journal и The Astrophysical Journal Letters.

Космическая обсерватория «Джеймс Уэбб» провела серию наблюдений, в ходе которых делаются так называемые снимки глубокого поля. Камеры телескопа день за днём открывались на 4–6 часов в сутки для сбора света из одной и той же области пространства. Это позволяет заглянуть так далеко в юную Вселенную, куда до сих пор глаз человека не смотрел. Улов учёных оказался настолько внушительным, что даже поверхностный анализ займёт несколько месяцев.

Нажмите для увеличения. Источник изображения: NASA, ESA, CSA, I. Labbe и R. Bezanson. Обработка изображения: Alyssa Pagan (STScI)

В этот раз наблюдения проводились в области скопления Пандора (Abell 2744). Это область, где несколько крупных скоплений галактик собираются в одно мегаскопление. Подобное сосредоточение массы в космическом пространстве настолько сильно искажает гравитацию вокруг себя (пространство-время по Эйнштейну), что свет от далёких объектов искажается вплоть до увеличения. Этот эффект называется гравитационным линзированием и позволяет лучше рассмотреть далёкие объекты — звёзды и галактики — если те находятся близко к линии зрения на массивные образования и при этом расположены далеко за ними.

Область Abell 2744 ранее рассматривал телескоп «Хаббл» и тоже делал снимок глубокого поля в этом месте пространства. Телескоп «Уэбб» тоже три раза снимал эту область, но с небольшой экспозицией. Снимок глубокого поля области скопления Пандоры «Джеймс Уэбб» делал в сумме 30 часов и включил остальные наблюдения для создания более полного панорамного изображения.

По данным «Уэбба», снимок запечатлел свыше 50 тыс. объектов, видимых в инфракрасном диапазоне, что в принципе было недоступно «Хабблу». За счёт эффекта гравитационного линзирования получены изображения далёких галактик во времена молодой Вселенной. На основе этого наблюдения астрономы начали отбор кандидатов для дальнейшего более детального изучения этих объектов.

В частности, для подтверждения возраста кандидатов будут изучаться спектры таких галактик для определения величины красного смещения, которая служит точным подтверждением возраста звёзд и галактик. Провести эти работы команда астрономов надеется летом этого года, но все полученные «Уэббом» данные выкладываются в открытый доступ и могут свободно изучаться другими командами учёных.

Астроном-любитель Джузеппе Донатьелло (Giuseppe Donatiello) обессмертил своё имя, сделав ручной анализ снимков неба, отправленных в открытый доступ. Среди россыпи слабых звёзд на одном из изображений энтузиаст выявил три далёкие галактики. Это открытие было позже подтверждено снимком с «Хаббла» и стало частью важного исследования, а новые галактики получили имя Донатьелло (II, III и IV).

Нажмите для увеличения. Источник изображения: NASA/ESA Hubble Space Telescope

Проанализированные энтузиастом данные были получены в рамках шестилетних наблюдений по программе Dark Energy Survey (DES). Программа призвана изучать крупномасштабные объекты во Вселенной и эффект её расширения. Наблюдения проводятся на 4-м телескопе им. Виктора Бланко в Чили. Ещё до попадания данных в открытый доступ информацию просеивает алгоритм, но, как мы вновь убедились, компьютеры не всесильны. Три далёких галактики в шуме и россыпях слабых звёзд смог различить только натренированный человеческий глаз.

Увеличенная центральная область снимка

Все три новых галактики являются спутниками хорошо известной галактики Скульптор (NGC 253). Это означает, что эти объекты гравитационно связаны друг с другом и с более массивным компаньоном NGC 253. Именно этот вопрос был предметом исследований группы астрономов, которые использовали «Хаббл» для подтверждения открытия Донатьелло и связи найденных им галактик с галактикой Скульптор.

Группа британских учёных открыла существование такой формы льда, которая ещё не обнаруживалась. Этот лёд выглядит как мелкий порошок, но по своим свойствам и структуре больше похож на жидкую воду. На Земле нет естественных условий для образования подобных форм, но в космосе и на холодных лунах планет-гигантов его может быть в избытке. Изучение новой формы льда поможет продвинуться в понимании всех свойств воды, как основы биологической жизни и не только.

Лёд в шаровой мельнице. Источник изображения: Christoph Salzmann

Науке известно 20 форм кристаллического льда и только две формы аморфного льда. В земных условиях повсеместно встречается обычный кристаллический лёд формы I_h и, реже, две других формы кристаллического льда: один только в верхних слоях атмосферы (I_с), а другой в Антарктиде (XI). Две известные аморфные формы льда распространены в космических условиях, где недостаточно тепла для роста кристаллов и такой лёд по структуре напоминает жидкую воду, вот только одна аморфная форма льда имеет плотность ниже плотности воды (0,94 г/см³), а другая — выше (1,13 г/см³). Аморфный лёд с плотностью воды или стекловидная форма воды не был обнаружен, и это не позволяло учёным до конца понять некоторые загадочные состояния воды.

Слева аморфная структура льда, похожая на воду. Справа структура кристаллического льда. Источник изображения: University of Cambridge

Учёные из Университетского колледжа Лондона и Кембриджского университета провели эксперимент, который лежал на поверхности, но почему-то не был поставлен. Они охладили обычный лёд в шаровой мельнице до температуры жидкого гелия и перемололи лёд до состояния порошка с практически полным разрушением кристаллической структуры. На выходе получился лёд с аморфной структурой, как у воды, и, что самое удивительное, плотность такого льда оказалась примерно такой же, как у воды — около 1.

Плотность и структура новой формы льда, которую назвали льдом средней плотности (MDA), была подтверждена спектральным, рентгеновским и другими методами. Также выяснилось, что при кристаллизации, которая запускается после определённого нагрева льда средней плотности, выделяется неожиданно много энергии. Учёные предположили, что благодаря такому свойству многокилометровые залежи подобного льда на ледяных лунах планет-гигантов являются источниками естественных тектонических процессов на этих небесных телах.

Один из авторов исследования сказал: «Существующие модели воды должны быть заново проверены. Они должны быть способны объяснить существование аморфного льда средней плотности. Это может стать отправной точкой для окончательного объяснения свойств жидкой воды».

Современные астрономические приборы не обладают достаточной чувствительностью для массового открытия экзопланет размерами с Землю. Поэтому среди 5200 открытых экзопланет землеподобных планет менее 1,5 %, а планет в пригодной для возникновения жизни зоне обитания и того меньше — всего около дюжины. Тем ценнее находка новых миров, похожих на Землю в зоне пригодной для жизни. Недавно был обнаружен ещё один такой мир.

Планета у красного карлика глазами художника. Источник изображения: NASA/Ames Research Center/Daniel Rutter

Команда астрономов из Института астрономии Общества Макса Планка в Гейдельберге, а также Обсерватории Калар Альто в Испании получила данные, которые свидетельствуют о наличии планеты с массой 1,36 массы Земли у красного карлика Wolf 1069 спектрального класса M. Планета обнаружена методом транзита, когда она проходит по диску звезды в своём орбитальном движении и на время снижает её видимую яркость.

Снижение яркости происходило раз в 15,6 суток, что говорит о соответствующем периоде обращения экзопланеты Wolf 1069 b вокруг своей звезды. Из этого учёные сделали вывод, что планета находится на удалении примерно 1/15 расстояния от звезды, если за сравнение брать удаление Земли от Солнца. Для экзопланеты Wolf 1069 b это неопасная дистанция, поскольку звезда такого класса светит намного слабее Солнца. Так, согласно расчётам, экзопланета получает на 35 % меньше лучистой энергии, чем Земля.

Более того, анализ данных показывает, что экзопланета Wolf 1069 b находится в приливном захвате или постоянно обращена к звезде одной стороной. Даже в таком режиме на солнечной стороне Wolf 1069 b температура будет порядка -23 °C. Но если у экзопланеты есть атмосфера (а на данном уровне развития науки мы не можем это определить), то температура попадёт в условно комфортные для возникновения биологической жизни 13 °C.

Расположение экзопланеты Wolf 1069 b в обитаемой зоне своей звезды

По мере появления у нас новых инструментов — сверхбольших телескопов и спектрометров, что произойдёт к концу текущего десятилетия и позже, учёные смогут получать детальные данные о наличии и составах атмосфер у экзопланет. Это тем более касается объектов на сравнительно небольшом удалении от нас, как в случае звезды Wolf 1069, до которой всего 31 световой год. Как минимум это будет один из первых кандидатов для подробного изучения условий для возникновения там биологической жизни.

Проект SYSTEM Sounds представил волшебное «пение» пространства вокруг одной из самых красивых звёзд нашей галактики — цефеиды RS Кормы (RS Puppis). Эта звезда переменной яркости окружена облаками пыли, в которых её свет рассеивается волнами. Такая картина достойна кисти художника и, как оказалось, нотной тетради композитора. Привязав на изображении яркость к громкости звука и высоту тона к направлению, картину удалось превратить в симфонию.

Источник изображения: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-Hubble/Europe Collaboration

Это не первый проект SYSTEM Sounds. Ранее мы могли послушать «ужасающе» звуки чёрной дыры. С одной стороны, подобные проекты несут на себе груз просветительских задач, привлекая к познанию мира своей яркостью. Но в этом есть также научная цель. Перевод изображений в звуковой ряд помогает обнаруживать трудно различимые детали, включая поиск закономерностей и отсеивание шума. Например, понижение частоты звучания магнитосферы Ганимеда, записанной зондом «Юнона», помогло улучшить анализ происходящих там процессов.

Снимок пространства вокруг звезды RS Кормы был сделан телескопом «Хаббл». «Сонификация» перевела изображение пространства в волшебное стереофоническое звучание, которое по мере сужения круга к звезде становится всё громче, завершаясь единым слиянием звуков.

Выбор для этих целей одной из цефеид — звёзд переменной яркости — был сделан не случайно. За счёт чёткой периодичности в смене яркости мы можем точно знать о её настоящей светимости и, тем самым, легко рассчитывать расстояние до таких звёзд. Это настоящие маяки в ближней к нам Вселенной. Перевод света в звук даёт больше информации о таких звёздах, а в таких случаях данных много никогда не бывает. Во всяком случае, это просто красиво.

В журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society группа астрономов опубликовала результаты многолетнего исследования, в ходе которого впервые удалось напрямую измерить массу одиночного белого карлика — останков звезды типа нашего Солнца. До этого массу белых карликов измеряли лишь в двойных системах. Оценить массу одиночного объекта не представлялось возможным, но теперь у учёных такой инструмент есть.

Источник изображений: NASA

При наблюдении звёздного неба существует такой феномен, как гравитационное линзирование или микролинзирование. Подобные явления возникают, когда свет от далёких-далёких звёзд проходит рядом с массивными объектами от невидимых чёрных дыр до звёзд. Массивные объекты преломляют свет настолько сильно, насколько они большей массы. Это смещает далёкие звёзды со своих видимых позиций в небе и тем сильнее, чем тяжелее объект на переднем плане. По этим смещениям и можно вычислить массу объекта. Другое дело, как уловить тот редкий момент, когда интересующее нас небесное тело будет проходить над фоновыми звёздами и проявит себя в эффекте микролинзирования?

На помощь учёным пришёл проект Gaia Европейского космического агентства. Астрометрическая космическая лаборатория Gaia в настоящий момент определила точные координаты и скорости более чем 2 млрд звёзд. По этим данным можно точнейшим образом прогнозировать бесчисленное множество наблюдений, чем воспользовались астрономы из Калифорнийского университета в Санта-Крузе. Астрономы узнали, когда одиночный белый карлик LAWD 37 будет проходить на фоне нужной звезды и несколько лет наблюдали, как он искажал свет от неё.

Помог в наблюдениях телескоп «Хаббл». У этого инструмента отличные возможности для контрастных снимков, поскольку свет даже от тусклого белого карлика в 400 раз превосходил яркость света от фоновой звезды, что очень и очень затрудняло измерения. Измерение «скачков» фоновой звезды по небу учёные сравнили с попыткой измерить длину автомобиля на Луне земным наблюдателем. Кстати, такие же наблюдения астрономы планируют на «Джеймсе Уэббе», для которого видимый свет представляет собой меньшую помеху («Уэбб» преимущественно работает в инфракрасном диапазоне, в отличие от «Хаббла»).

Расчёты показали, что белый карлик LAWD 37 имеет 56 % массы Солнца. Знание этой величины и диаметра потухших остатков звезды позволит уточнить плотность её вещества и физические и химические реакции в её недрах. Чем точнее и больше астрономы смогут измерять массы белых карликов, тем точнее будет модель эволюции звёзд, к семейству которых также принадлежит наше Солнце.

Через пять млрд лет Солнце точно также превратит весь свой водород в гелий, сбросит оболочку, а его ядро превратится в то, что мы называем белым карликом — остывающую млрд лет массу вещества. Многие сочтут такие знания бесполезными, но они приближают нас к пониманию множества других процессов во Вселенной, в которой всё связано между собой и нет ничего лишнего.