Холодное пятно и гигантская дыра во Вселенной

Маноа (США) - В 2004 году астрофизики обнаружили на карте космического излучения микроволнового фона Вселенной необычно огромное "холодное пятно". Физика Большого Взрыва предполагает, что в ранней Вселенной были теплые и холодные пятна различных размеров, однако, гигантская величина этого самого крупного объекта во Вселенной вызвала у ученых недоумение. Сейчас астрономы США полагают, что нашли объяснение этому феномену.

Как сообщает группа, возглавляемая доктором Иштваном Сцапуди (István Szapudi) - Институт астрономии, Гавайский университет, Маноа - это, вероятно, "самая крупная отдельная структура во Вселенной, когда-либо идентифицированная людьми".

Для объяснения "холодного пятна" есть два предположения:

1. Если само "холодное пятно" - остаток Большого Взрыва, то это может быть признаком еще неизвестных экзотических физических процессов в ранней Вселенной, которые стандартная модель космологии (Теория Большого Взрыва) объяснить не в состоянии.
2. Теоретически возможно, что пятно вызывает космический объект, находящийся на переднем плане и изменяющий на пути к нам микроволновое фоновое излучение. Если он находится между космическим микроволновым фоном и нами, то должен представлять собой крайне редко встречающуюся во Вселенной обширную структуру.

Таинственное "холодное пятно" на карте космического микроволнового фонового излучения
Фото: Gergy Kránicz(графика), ESA Planck Collaboration

В предыдущих наблюдениях астрономы обнаружили первые признаки того, что в направлении "холодного пятна" встречается меньше звезд и галактик, чем обычно. Сцапуди и его коллеги исследовали эту область неба в видимом свете с помощью телескопа Pan-STARRS на Гавайях, а в инфракрасном - по данным космического телескопа "WISE".

Астрономы обнаружили, перед холодным пятном находится огромное пустое пространство - Суперпустота Эридана, простирающаяся на 1,8 млрд. световых лет. "Размер этой зоны с удивительно низкой плотностью поразительно велик: она охватывает до 20 °”, - говорит Иштван Сцапуди. Плотность галактик и концентрация темной материи там значительно ниже, чем обычно во Вселенной.

Суперпустота Эридана начинается от нас примерно в трех миллиардах световых лет - и поэтому был измерен весь космос, даже относительно близкий. Маловероятно, что два таких редких объекта, как "холодное пятно" и эта разряженная зона, лишь случайно находятся в одном направлении - вероятность этого примерно 1:20000.

Такой пустой регион Вселенной, безусловно, мог бы объяснить, почему космическое фоновое микроволновое излучение кажется здесь холоднее, чем где-либо: если оно пересекает "дыру во Вселенной", то та, по словам исследователей, должна терять энергию.

Однако в этой гипотезе есть некоторые нестыковки: в соответствии с полученными ранее данными, "супер-пустота" может давать охлаждение около 20 микрокельвинов, а гигантское пятно примерно на 70 микрокельвинов холоднее, чем остальная часть микроволнового фона. Это может зависеть от того, что пустой регион еще больших размеров, считают астрономы. Проверить теорию должны дальнейшие исследования.

Источник: mnras.oxfordjournals.org

У нашей Галактики, Млечного пути, здоровый вес

Млечный Путь

Наша Галактика состоит примерно из 100 млрд. звезд, большинство которых находится в ее диске. Будучи в середине этого диска, мы воспринимаем Млечный Путь в виде небесной ленты. Эта уникальная перспектива позволяет ученым исследовать его изнутри. С другой стороны, недостающий взгляд "с птичьего полета" затрудняет определение размеров Млечного Пути и его массы, для измерения которой все способы были до сих пор бессильны. Оценки колебались в интервале 400 %. Сейчас астрономы разработали для этого метод, работающий как точные весы.

Международная группа ученых во главе с Андреасом Кюппером (Andreas Küpper) - Колумбийский университет, Нью-Йорк,США - создаала метод, с помощью которого Млечный Путь можно измерить с непревзойденной точностью. Для этого астрономы использовали звездные потоки шаровых скоплений, что помогло "взвесить" Млечный Путь и определить позицию Земли в Галактике.

"Шаровые скопления представляют собой группы от нескольких тысяч до миллионов звезд, возникшие вместе, когда Вселенная была очень молода. Они вращаются вокруг нашей Галактики много миллиардов лет и медленно распадаются. При этом они оставляют след в небе".
Андреас Кюппер

Эти звездные потоки сравнительно легко обнаружить в ночном небе, так как они имеют более высокую плотность, чем их окружение и так же, как инверсионный след, отчетливо выделяются на облачном небе.

Эта карта северного звездного составлена по данным исследования Sloan Digital Sky. Паломар 5 - самый яркий их открытых потоков послужил весами для Млечного Пути Фото: A. Bonaca, Йельский университет/Данные: SDSS

В своей работе астрономы пользовались данными исследования Sloan Digital Sky, составлявшего на протяжении десяти лет карты северного неба.

Звездный поток Паломар-5, который исследователи использовали, чтобы доказать точность своего метода, был обнаружен десять лет назад. С помощью последних данных, ученые смогли заметить регулярные колебания плотности вдоль потока. В 2010 году Кюппер предсказал это с помощью численного моделирования.

Было создано несколько миллионов моделей потока Паломар-5. Исследователи сравнили их с наблюдениями и обнаружили, что лишь в очень реалистичной модели Млечного Пути образец плотности, сгенерированный компьютером, напоминал наблюдаемый. Чтобы из миллионов моделей отфильтровать самую вероятную, они должны были полагаться на статистические методы, которые находят применение в генетике и используются поисковыми системами для сортировки результатов поиска.

Говоря об этом, Павел Кроупа (Pavel Kroupa), профессор Института радиационной и ядерной физики им. Гельмгольца в Боннском университете, высоко оценил их метод.

"Как Фридрих Вильгельм Аргеландер совершил своим ’Боннским обозрением’ 200 лет назад переворот в астрономии, так и современные исследования открывают совершенно новые способы понимания нашей Вселенной".
Павел Кроупа

Своими новыми "весами" исследователи добились беспрецедентной точности - 20 %, определив массу Млечного Пути (его звезд и газа) в радиусе 60000 световых лет. Ученые сочли, что у нашей Галактики "здоровый вес", составляющий 210 млрд. солнечных масс: не чрезмерно тяжелый и не слишком легкий, подчеркнул Кроупа. Большие отклонения противоречили бы другим независимым измерениям. Однако в будущем, когда получат данные других звёздных потоков, появится общая картина Млечного Пути, включающая темную материю.

Источник: idw-online.de

Небесные верблюды, газели и гигантский лев

Петер Апиан

Низко над северным горизонтом можно увидеть ночью пастуха с собакой и овцами. На северо-востоке в небе поднимаются четыре верблюда, а в зените появляется старая женщина с тремя юными девушками. Так видели небо не только древние греки, но и бедуины в регионе кочевья арабов доисламского периода. Картограф Петер Апиан (Petrus Apianus) в начале шестнадцатого столетия показал нам некоторые из этих забытых фигур, которые представляет его вращающаяся карта созвездий на небе, видимом из Европы.

Современные и древние представления небесной карты созвездий

Стадо овец, верблюдов и женщина с тремя девушками - это Цефей с Драконом и Большой Медведицей Фото: Stellarium

Пастух - для нас Цефей. Верблюды - это часть нашего Дракона, а старуху с тремя девушками мы знаем как Большую Медведицу. Кроме того, в Аравии видели хорошо знакомого нам Льва. Разумеется, он тогда был гораздо больше и включал в себя звезды из созвездий Девы, Лодки, Ворона, Рака, Близнецов и Малого Пса. К этому созвездию относятся и убегающие от Льва Газели, драматическая сцена с которыми разыгрывается после погружения в темноту большей части небосвода.

Сотни звезд входят в созвездия животных или людей

Вращающаяся карта Апиана: небо, видимое из Европы

На небесной карте созвездий есть птицы, лягушки, гиены, овцы и много других представителей живой природы. Наш Заяц был в небе бедуинов группой из четырех верблюдов, пьющих воду из реки Млечного Пути. Пять звезд Девы представляли у них лающих собак.

Реже на небе попадались бытовые вещи: так квадрат Ворона казался бедуинам шатром, раскинутым в пустыне. Несколько названий звезд сохранилось до наших дней, например, Альдебаран и Бетельгейзе - модификации арабской Руки Великана.

Нельзя сказать, что древние видели в небе что-то неправильно: если применить немного фантазии, то в расположении звезд можно увидеть почти всё, что существует на Земле.

Солнце опоздало на "бэби-бум" звезд Млечного Пути

Солнца еще не существовало, когда в нашей молодой Галактике разразился звездный "бэби-бум": пик звездообразования был 10 млрд. лет назад. Тогда бесчисленные звезды Млечного Пути создавались из газообразного водорода, сжимавшегося под действием гравитационных сил в 30 раз быстрее, чем сейчас. Но Солнце возникло лишь спустя 5 млрд. лет, когда темп рождения звезд снизился до минимума.

Однако позднее возникновение нашего светила, возможно, способствовало эволюции планет Солнечной системы. В этот период появилось больше элементов, которые были тяжелее водорода и гелия, так как более массивные звезды рано завершили свой жизненный цикл и обогатили Галактику веществами, служившими строительным материалом для планет и даже жизни на Земле.

У астрономов нет фотографий по которым можно было бы проследить, как образовались звезды галактики Млечный Путь. Но им удалось изучить историю подобных объектов, найденных далеко во Вселенной, масса которых соответствует массе Млечного Пути. Заглядывая в глубины Вселенной, можно "перенестись назад во времени", так как свет далеких звезд достиг Земли только сейчас. Из этих исследований, растянутых во времени более, чем на 10 млрд. лет, исследователи собрали альбом изображений, содержащих около 2000 снимков галактик, напоминающих Млечный Путь.

Вид ночного неба с гипотетической планеты в раннем Млечном Пути 10 млрд. лет назад. Бурное звездобразование: светящиеся розовые облака водорода, бесчисленные новорожденные звезды, голубовато-белые молодые звездные скопления
Иллюстрация: NASA, ESA, Z. Levay (STScI)

Новая перепись дает наиболее полную картину и о том, как такие галактики, как Млечный Путь, превратились за последние 10 млрд. лет в современные величественные спиральные галактики. Исследование охватывает данные от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного световых диапазонов, объединяя наблюдения, сделанные орбитальными телескопами "Хаббл" и "Спитцер" (НАСА), космическим телескопом "Гершель" (ЕКА, и наземными телескопами, в том числе "Магеллановым Телескопом Баада" обсерватории Лас-Кампанас (Чили).

"Это исследование позволяет нам понять, на что мог быть похож в прошлом Млечный Путь", - сказал Кейси Папович (Casey Papovich) из Texas A&M University в Колледж-Стейшне (Техас, США), ведущий автор сообщения. Анализ подтвердил результаты предыдущих исследований, которые показали, что развитие Млечного Пути начиналось с маленьких звездных сгустков. Крошечная галактика заглатывала большие объемы газа, что вызвало вспышку процесса образования звезд.

Снимки Хаббла (НАСА) показывают развитие галактики, соответствующей по массе Млечному Пути Монтаж: NASA, ESA, Папович (Texas A&M University), Фергюсон (STScI), Фабер (Университет Калифорнии, Санта-Крус) и Лаббе (Leiden University)

Эти шесть снимков Хаббла, сделанные НАСА, показывают, как с течением времени развивались галактики, по массе подобные Млечному Пути: справа изображение молодой галактики, как она выглядела 11,3 млрд. лет назад, переживая бум звездообразования; в центре - 10,3 млрд. лет назад огненная буря рождения звезд достигает своего пика; затем Галактика 8,9 млрд. лет назад, когда она приняла форму спирали, а самые старые звезды находятся в ее центральной области; почти 3 млрд. лет спустя - Галактика выросла еще больше, а звезды выглядят красноватыми.

Астрономами была выявлена прочная взаимосвязь между формированием звезд в галактиках и ростом галактической звездной массы. Наблюдения продемонстрировали, что с сокращением рождения звезд, замедляется также рост галактик. "Я думаю, что данные свидетельствуют о том, что рост большинства таких галактик, как Млечный Путь, можно объяснить их звездообразованием", - сказал Папович.

Источник:  hubblesite.org

Звездные скопления выталкивают своих гигантов

По сравнению с некоторыми из сородичей, Солнце - почти карлик. Многие звезды достигают  его десятикратной массы, а есть такие, что больше нашего светила даже в 200 раз и сияют, как миллион солнц. Это сияние стоит им потери длительности жизни: по астрономическим меркам звезды-гиганты живут недолго. Через несколько миллионов лет они взрываются как сверхновые: остаются нейтронные звезды или черные дыры.

Большое значение имеет распределение в пространстве таких недолговечных звезд, оказывающих огромное влияние на эволюцию галактик. Однако, как это происходит, оставалось до сих пор загадкой. Разобраться в процессе удалось команде астрофизиков из Университета Бонна, выяснивших, что гигантские звезды выталкивают друг друга из звездных скоплений, как бильярдные шары.

Гигантские звезды и звездные скопления

Астрономы спорят, как возникают эти яркие солнца. Многие из них оказываются вдали от известных молодых звездных кластеров, поэтому некоторые ученые считают, что такие звезды возникли там случайно. Другие придерживаются мнения, что их образуют только в очень молодые плотные газовые звездные скопления. Но это противоречит замеченному распределению массивных звезд на просторах нашей Галактики.

Из кластера NGC3603 выброшено в просторы Млечного Пути не меньше восми тяжелых звезд Фото: NASA, ESA

Павел Кроупа (Pavel Kroupa), Зойнгкиунг Ох (Seungkyung Oh) и Ян Пфламм-Альтенбург (Jan Pflamm-Altenburg) из Университета Бонна (Германия) впервые смогли представить решение этой дилеммы. Для этого исследователи работали на протяжении трех лет с компьютерными моделями всех популяций звездных скоплений, найденных в Млечном Пути. Результаты применимы и для других подобных галактик.

Танцующие парные звезды

Команда исследователей сумела показать, как распределяются тяжелых звезды Млечного Пути, которые видимо, выталкивают друг друга из кластеров. "Очень молодые звездные скопления действуют как ускорители, как своего рода космические усилители", - поясняет Кроупа. В очень плотных центрах скоплений звезды-тяжеловесы встречаются часто и обмениваются при этом значительными количествами двигательной и гравитационной энергии.

Большинство этих объектов - на одиночные звезды: они вращаются со своими партнерами очень близко друг к другу, как в венском вальсе. "Все эти пары соединены друг с другом гравитацией и обладают огромными связанными энергиями", - говорит астрофизик. Если такие пары встречаются, некоторые партнеры разлетаются, а другие жмутся друг к другу еще теснее или даже сливаются. В таких случаях, потенциальная энергия между партнерами еще больше возрастает, а затем может переноситься в другую звездную систему или одиночной звезде.

Бешеные звезды-гиганты

При столкновении наскольких бильярдных шаров их импульс передается друг другу и один часто выскакивает. Так происходит и с "тяжеловесами", несущимися сквозь Млечный Путь со скоростью более миллиона км/час. Большинство же солнц - по отношению к другим звездам - достигают лишь 70000 км/час.

Скопление Трапеция Ориона постоянно выбрасывает в пространство звезды-гиганты

Особенно интересным был результат очень подробных расчетов, показавший ранее неизвестное явление: звездными скоплениями, например, молодым кластером Трапеция Ориона из астеризма (различимая группа звезд) Меч Ориона выбрасывается очень много тяжелых звезд - в некоторых случаях даже все.

Команда исследователей Университета Бонна считает полученные результаты подтверждением того, что тяжелые звезды не могут возникать где-то в галактике случайно, хотя их там и находят. "Эти результаты имеют важное значение для понимания эволюции галактик ", - подчеркивает Кроупа.

Источник: The Astrophysical Journal

Информация, попавшая в черную дыру, не исчезает

В новом исследовании американских астрофизиков проведены математические расчеты и доказана возможность восстановления информации, поглощенной черными дырами.

Человечество давно влекут непостижимые тайны черных дыр, но самой большой загадкой является вопрос, что происходит с материей, когда она ими всасывается вовнутрь. Ученые больше не считают, что информация о материи безвозвратно теряется и восполнить ее невозможно. Недавняя теория предоставляет математическое решение "парадокса потерь", уже более 40 лет занимающего физиков, исследующих черные дыры. Эта теория утверждает, что информация, которая входит в черную дыру, продолжает в той или иной форме там существовать. Данная гипотеза фактически опровергает теорию Стивена Хокинга о разрушении материи черными дырами.

Предположение Хокинга о черных дырах

Знаменитый физик предположил, что черная дыра, излучающая энергию, в конечном счете исчерпывает себя и умирает. Это означало, что вся информация о материи, которую поглотила черная дыра, просто исчезает, а исчезновение информации в черной дыре прямо противоречит принципам квантовой механики, утверждающим, что вся информация должна сохраняться.

Новая теория черных дыр

Новое исследование, бросившее вызов Хокингу, проведено ведущим автором работы, Деяном Стойковичем (Dejan Stojkovic), доктором философии и адъюнкт-профессором физики - Университет штата Нью-Йорк, Буффало, США. В статье, опубликованной в Physical Review Letters, утверждается, что мы можем найти информацию о том, что находится внутри черной дыры, наблюдая за испускаемыми ею частицами. Кроме того, можно вычислить особенности самого объекта, который первоначально сформировал эту черную дыру.

Результаты Стойковича демонстрируют, что материя внутри нее сохраняется, а это противоречит теории Хокинга о черных дырах.

Черная дыра: информация внутри сохраняется

Стойкович вычислил, что наблюдатель, находящийся вне черной дыры, может восстановить информацию о материи, угодившей внутрь, анализируя не только испускаемые ею частицы, но и тонкие взаимодействия между ними. Очевидно, научному сообществу уже какое-то время было известно о такого рода корреляциях, но это первая работа, осуществившая к данной проблеме математический подход. Вначале многие ученые считали такие корреляции неэффективными, так как они были крайне малыми, но Стойкович подсчитал, что эти взаимодействия со временем становятся достаточно большими, чтобы существенно влиять на расчеты.

Физика черных дыр продолжает оставаться горячей темой дебатов в среде астрофизиков. Хотя эта новая гипотеза и предлагает решение, полученные результаты могут просто "подкинуть дров" в огонь продолжающейся дискуссии.

Ранняя Вселенная: фейерверк звездообразования

Сегодняшние скопления галактик возникали не постепенно - они родились в настоящем взрыве звездообразования. На это указывают данные космических телескопов "Планк" и "Гершель". С их помощью астрономы сделали уникальный снимок ранней Вселенной - взгляд в детство сразу 230 молодых галактик и скоплений.

Такие галактики, как наш Млечный Путь, не одиночки: они образуют вместе с другими крупные галактические кластеры. Наша космическая родина - сверхскопление Ланиакея (Laniakea).

Как образовались массивные скопления галактик

До сих пор было проведено только несколько отдельных наблюдений галактических скоплений или обширных структур в ранней Вселенной. "Не было известно, возникали ли молодые галактики постепенно, как марафонцы, которые распределяют свою силу, или же они были сформированы рывками", - объясняет соавтор работы, Бренда Фрай (Brenda Frye) - университет Аризоны, США.

Чтобы ответить на этот вопрос, астрономы использовали данные космического телескопа "Планк", который записывает космическое фоновое излучение с беспрецедентной точностью и дает тем самым ключ к пониманию истории нашей Вселенной.

Как правило, при такой постановке вопроса фоновые сигналы исключают, потому что они искажают значения излучения, полученные из тех времен, когда после Большого Взрыва прошло всего несколько сотен тысяч лет. Тем не менее, исследователи с успехом использовали именно эти сигналы для поиска галактических скоплений в ранней Вселенной.

Карта Космоса в субмиллиметровом диапазоне. Черные точки соответствуют недавно обнаруженным прото-кластерам Фото: © ESA/Planck Collaboration

200 галактических скоплений

В данных "Планка" астрономы наткнулись на 234 места, в которых излучение сильно колебалось, что указывало на появление примерно через три млрд. лет после Большого Взрыва больших скоплений массы.

Последующие наблюдения в инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах, выполненные космическим телескопом Herschel, показали, что это молодые скопления галактик. "В отличие от предыдущих наблюдений, при которых были найдены один или два молодых кластера, мы обнаружили с одной попытки сразу 200 таких скоплений", - сообщает Фрай.

Изображения прото-галактического кластера, сделанное космическим телескопом Herschel Фото: © ESA/Planck Collaboration/Dole и др.

Каждая из этих галактик в юных звездных скоплениях производила от нескольких сотен до более тысячи солнечных масс в год. Для сравнения, сейчас в Млечном Пути превращается за год в звезду только одна солнечная масса. "Мы были абсолютно шокированы мощными сигналами этих галактик", - говорит ведущий автор Эрве Доул (Hervé Dole) - Институт космической астрофизики, Орсэ. "Найти так много пылевых галактик, столь интенсивно образующих звезды в таких плотных группах, было большой неожиданностью".

Спринт вместо марафона

"Кажется, будто эти молодые галактики возникали не медленно, а довольно драматическим способом, - сказала Фрай. - Их сверкающее интенсивное звездообразование создало настоящий фейерверк в ранней Вселенной". Формирование первого кластера напоминало скорее спринт, чем не марафон.

Однако астрономы определили точный возраст и светимость не у всех недавно открытых галактик. Тем не менее, исследователи видят в них наиболее вероятных предшественников огромных галактических скоплений современной Вселенной. "Мы должны еще многое узнать об этой новой популяции, - сказал Доул. - Но мы полагаем, что они являются недостающей до сих пор частью головоломки формирования космологической структуры".

Источник: Astronomy & Astrophysics