10 загадок, скрытых в небесах

Мы обсуждаем 10 астрофизических проблем, решения которых можно ожидать в ближайшие 10 лет. Эти решения могут заметно изменить картину мира, как дополнив ее, так и переписав некоторые фрагменты, если стандартные на сегодняшний день предположения не будут подтверждены.

Наука существует, пока существуют загадки — вопросы, которые задает нам природа. Несмотря на то, что мы уже очень многое знаем и число новых результатов быстро растет (в астрофизике появляется несколько десятков новых оригинальных статей в день), перед учеными стоит несколько серьезных проблем.

Некоторые из них возникли недавно — например, связанные с темной энергией или свойствами экзопланет; некоторые ждут своего решения уже многие десятилетия. Перечислим десятку загадок, которые могут быть решены в течение ближайших десяти лет. А могут быть и не решены…

1. Природа темного вещества

Начнем с очень важной и интересной загадки, которая известна с 30-х годов прошлого века. Есть серьезные основания полагать, что в ближайшие годы она будет, наконец, окончательно разрешена.

Появились достаточно надежные наблюдательные данные о том, что около четверти плотности вселенной связано с каким-то видом частиц, слабо взаимодействующих друг с другом и с обычным веществом. Подтверждение этой гипотезы и определение свойств пока еще неуловимых частиц — одна из самых актуальных задач не только астрофизики, но и всей физики.

Самое заманчивое — поймать частицы в лаборатории. В мире работает несколько экспериментов такого рода (CDMS-II, EDELWEISS-II, ZEPLIN, XENON100, PICASSO). Установки прячутся в глубоких шахтах, чтобы уменьшить число ложных срабатываний из-за космических лучей.

Загадка темной материи может быть решена в ближайшие годы

Даже консервативно настроенные коллеги считают, что в течение ближайшего десятилетия развитие техники эксперимента (например, создание экспериментов EURECA, DARWIN или подобных им) позволит «ухватить за бороду» частицы темной материи. Или же будут поставлены настолько жесткие ограничения, что сама гипотеза может оказаться под вопросом.

Оптимисты полагают, что данные по темному веществу можно будет получить на ускорителях, например уже на LHC. Однако такая перспектива маловероятна, поскольку для большинства обсуждаемых параметров частиц ускорительные эксперименты не могут пока выдать достаточной информации.

Крайне важно и интересно увидеть первые звезды и галактики

Наконец, сами астрофизики тоже не сидят сложа руки. Предполагается, что частицы темного вещества могут иногда аннигилировать. В этом случае должно рождаться гамма-излучение, а также будут появляться пары частица—античастица (например, электрон — позитрон). Соответственно, астрономы используют спутники (такие, как гамма-обсерватория имени Ферми) и наземные установки, так называемые черенковские телескопы (такие, как H.E.S.S. и MAGIC), для поиска гамма-сигнала от аннигиляции. Космические телескопы могут непосредственно регистрировать гамма-лучи, а наземные наблюдают оптические вспышки, вызванные гамма-квантами в атмосфере. Кроме того, в космических экспериментах PAMELA и AMS исследуются потоки античастиц (в первую очередь позитронов), улавливаемых непосредственно в космосе. Инструмент AMS, разработанный в ЦЕРНе, только недавно установили на Международной космической станции. А PAMELA уже давно работает на борту российского спутника «Ресурс» и выдала крайне интересный результат, связанный с избытком позитронов в сравнении с предсказаниями стандартной модели. Некоторые исследователи как раз и связывают этот избыток с аннигиляцией частиц темной материи, хотя многие с ними не согласны.

2. Природа темной энергии

Возможность ускоренного расширения вселенной в разных контекстах обсуждается почти сто лет. Но в применении к современной вселенной об этом стали говорить лишь с 1998 г. Тогда по наблюдениям далеких сверхновых удалось показать, что прямо сейчас вселенная расширяется всё быстрее и быстрее. За прошедшие годы факт роста темпа разбегания галактик удалось показать разными независимыми методами, и этот результат не вызывает сомнений. Непонятно только, как его интерпретировать.

Наиболее популярная интерпретация состоит в предположении существования «темной энергии». Это может быть свойством вакуума, может быть каким-то пока неизвестным физическим полем, в том числе и меняющимся со временем. Вопрос о причине ускоренного расширения вселенной является одним из важнейших для современной науки, поскольку связан с базовыми свойствами картины мира. С точки зрения стандартной картины он сводится к вопросу о природе темной энергии.

Пока основным способом изучения свойств темной энергии является изучение изменения темпа расширения вселенной со временем. Поэтому основные программы по изучению свойств темной энергии связаны с космологическими наблюдениями и уточнениями космологических параметров. Можно наблюдать далекие сверхновые и по ним определять темп расширения в разные моменты времени. Для этого есть несколько программ на наземных телескопах, а также планируются специальные космические проекты, такие, как инфракрасные телескопы WFIRST (планируемый NASA) и Euclid (который в основном развивает ESA). Кроме этого можно изучать распределение галактик, и по параметрам этой так называемой крупномасштабной структуры определять космологические параметры. Наконец, важным объектом стали скопления галактик. Например, изучение эффекта Сюняева — Зельдовича, связанного с рассеянием фотонов реликтового излучения на горячих электронах в скоплениях галактик, также позволяет с высокой точностью определять свойства вселенной, в том числе и имеющие отношение к темной энергии. Для этого на Земле работают такие установки, как South Pole Telescope (в Антарктиде), Atacama Cosmology Telescope (в сухой пустыне в Южной Америке), а в космос будет запущен российский спутник «Спектр-Рентген-Гамма».

3. Была ли стадия инфляции

В современной космологии собственно Большой взрыв — когда возникает горячая, расширяющаяся, заполненная веществом наша вселенная — связывают с окончанием стадии инфляции, когда пространство с огромной скоростью расширялось под влиянием особого физического поля, называемого инфлатоном. Это стандартная гипотеза, но существуют и ее конкуренты. К счастью, существуют и некоторые наблюдательные предсказания, способные подтвердить правильность инфляционной модели уже в ближайшее время.

Ожидания связаны в первую очередь с работой спутника «Планк» (Planck). Он изучает так называемое реликтовое излучение, оставшееся нам в наследие от стадии горячей вселенной. Реликтовое излучение несет в себе отпечаток процессов и условий, царивших во вселенной на ранних стадиях ее развития. В частности, в некоторых вариантах инфляционной модели поляризация реликтового излучения может дать информацию о первичных гравитационных волнах. Обнаружение таких следов в свойствах реликтового излучения станет серьезнейшим аргументом в пользу справедливости инфляционной модели.

Можно надеяться найти космологические гравитационные волны непосредственном образом. Для этой цели планировалось запустить космический интерферометр LISA, а затем развить этот подход и реализовать проект Big Bang Observer, в котором будет работать несколько систем, подобных LISA. В таких схемах важно очень точно измерять расстояния между спутниками, составляющие десятки миллионов километров. Проходящая гравитационная волна слегка меняет расстояние между спутниками, что и нужно измерить. К сожалению, мировой финансовый кризис сделал эти дорогие проекты трудноосуществимыми в ближайшей перспективе. NASA уже отказывается от участия в проекте LISA из-за его высокой стоимости и необходимости закончить проект следующего космического телескопа (JWST), на который уходит много сил и средств. Big Bang Observer соответственно совсем откладывается.

С проблемой инфляции, определения условий в ранней вселенной и, возможно, с пониманием самого возникновения вселенной связаны интересные концепции типа «мира на бране». В таких моделях наш трехмерный мир является лишь «поверхностью» в многомерной Вселенной. Свойства большого внешнего мира влияют на процессы в нашей вселенной, но обнаружить это очень трудно. К сожалению, совсем не очевидно, что в этой области в ближайшие годы возможен заметный прогресс с точки зрения экспериментов и наблюдений. Кроме того, эти вопросы стоит отнести к сфере фундаментальной физики, а не астрофизики.

Есть и другие задачи, также находящиеся в ведении физиков. Упомянем такую проблему: почему во вселенной так мало антивещества? Считается, что в какой-то момент во вселенной появился небольшой (на уровне одной миллиардной) избыток того, что мы теперь называем веществом. Основная доля частиц проаннигилировала, а из остатков сделано всё, что мы видим. Так вот, объяснение этой асимметрии вещества и антивещества — крайне важная задача. Но, на мой взгляд, существенный прогресс здесь в ближайшие 10 лет, во-первых, маловероятен, а во-вторых, если он и произойдет, то главными героями будут не астрофизики.

4. Какими были свойства первых звезд и галактик

Мы многое знаем о свойствах вселенной спустя 300 тыс. лет после начала расширения, поскольку видим реликтовое излучение. Но потом наступают «темные времена». Первые звезды загораются спустя примерно сотню миллионов лет. Затем постепенно начинают расти первые галактики. Сейчас это лишь сценарий, модель. Требуется еще получить непосредственные наблюдательные данные.

Эта задача довольно сложна с технической точки зрения. Нужно строить гигантские установки, работающие в диапазонах, недоступных с поверхности Земли. Основным астрофизическим проектом NASA, оттянувшим на себя колоссальные средства и силы, является Космический телескоп им. Джемса Вебба (JWST). Как полагают, именно он сможет увидеть «первый свет» во вселенной (если проект не закроют из-за его все возрастающей стоимости).

Кроме этого, на Земле скоро начнется строительство гигантской системы радиотелескопов — SKA. Главные задачи этого инструмента также будут связаны с космологией и первыми галактиками. Кстати, у России еще есть шанс принять участие в создании установки. Равно как и получить доступ к создаваемой Atacama Large Millimeter Array, которую строит Европейская южная обсерватория. Надо только стать членом этой организации.

Работа установок LIGO и VIRGO может много рассказать о черных дырах

Решение основных проблем, связанных с рождением и свойствами первых звезд и галактик, позволит решить еще целый комплекс проблем, связанных с возникновением и ростом сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Зародыши этих монстров могут возникать в результате коллапса первых очень массивных звезд. А могут и прямо в результате коллапса больших облаков газа. Потом они набирают массу вместе с галактиками. Значит, изучив рождение и поведение первых звезд и галактик, мы получим в руки все необходимые данные для понимания эволюции сверхмассивных черных дыр.

5. Природа черных дыр. Наличие горизонта

Все любят черные дыры. Кто-то и боится, но тоже любя. Всем интересно. И первый вопрос: а есть ли они на самом деле?

Основная «необычность» черных дыр связана с тем, что у них нет поверхности. А есть так называемый горизонт событий. Из-под горизонта ничто не может попасть обратно в нашу вселенную. Если предмет туда провалился, то это уже навсегда. Вот доказательство существования горизонта у так называемых «кандидатов в черные дыры» и является актуальнейшей астрофизической задачей.

Сделать это непросто, хотя и достигнуты существенные успехи в «закрытии» многих моделей, претендовавших на статус альтернативы черным дырам. Тем не менее, важно как можно ближе подобраться к тому, чтобы видеть наблюдательные проявления горизонта. В ближайшем будущем должна появиться интересная возможность.

Уже построено несколько крупных детекторов гравитационных волн, самые крупные из них — это две установки: LIGO в США и Virgo в Италии. Они рассчитаны на регистрацию сигнала от слияний двойных компактных объектов — нейтронных звезд или черных дыр. Такие пары должны возникать из двойных систем, состоящих из двух массивных звезд. Двойные нейтронные звезды мы даже уже открыли — благодаря наблюдениям радиопульсаров. Расчеты показывают, что после монтажа на установках LIGO и Virgo нового оборудования детекторы смогут ежегодно регистрировать несколько слияний двойных черных дыр. А это значит, что мы будем видеть, как горизонт взаимодействует с горизонтом и как колеблется горизонт получившейся в результате слияния черной дыры. Это очень интригующе!

Изучение нейтронных звезд важно и для ядерной физики

Пока же мы можем изучать черные дыры в аккрецирующих источниках. В них вещество из межзвездной среды или со второй звезды в двойной системе течет в черную дыру, образуя диск. В аккреционном диске газ разогревается до высоких температур, и его можно наблюдать — в основном в рентгеновском диапазоне. Поэтому важно запускать новые рентгеновские обсерватории. К сожалению, и тут финансовый кризис и проблемы с JWST привели к тому, что под вопросом оказался проект Международной рентгеновской обсерватории (IXO), а Европа уже отказалась от амбициозного проекта Simbol-X. Зато будет запущен важный американский рентгеновский спутник NuSTAR. Кроме того, изучение черной дыры в центре нашей галактики активно идет в радио- и миллиметровых диапазонах, в которых Галактика практически прозрачна, значит, мы можем видеть и самые центральные ее области. Будем надеяться и на то, что спутник «Радиоастрон», являющийся основой системы радиоинтерферометров с уникально большим разрешением, внесет свою лепту.

6. Откуда летят космические лучи сверхвысоких энергий

На Земле мы строим гигантские дорогие машины, чтобы разгонять частицы до высоких энергий. Природа имеет какой-то механизм, чтобы делать нечто большее. Примерно раз в год на Землю, на площадь, равную площади крупного города, прилетает по частице с энергией в сто миллионов раз больше, чем максимальная энергия частиц на LHC. Значит, за время существования Земли на нее попало более миллиона миллиардов таких частиц, что, кстати, показывает, что ничего страшного при этом не происходит.

В последние годы удалось показать (в первую очередь благодаря Обсерватории им. Пьера Оже), что подобные частицы прилетают с больших — внегалактических — расстояний. Но пока мы точно не знаем, какие объекты являются источниками (основными подозреваемыми считаются активные ядра галактик), а также не знаем, как частицы ускоряются до таких колоссальных энергий. В первую очередь необходимо достаточно точно измерить направления прихода для достаточно большого количества частиц (а также их энергию). Можно надеяться, что несколько последующих лет работы Обсерватории Оже позволят решить эту задачу.

7. Уравнение состояния нейтронных звезд. Кварковое вещество

Самое плотное вещество в доступной для наблюдений части Вселенной содержится в недрах нейтронных звезд.

Нейтронные звезды — это остатки массивных звезд. После коллапса ядра звезды и взрыва сверхновой остается «шарик» размером около 20 км с массой, превышающей массу Солнца. Средняя плотность такого объекта примерно равна плотности атомного ядра, а в центре превосходит ее раз в десять. В лабораториях мы не можем изучать такое состояние вещества, а потому плохо понимаем законы, его описывающие. И это уже не какая-то далекая астрофизическая проблема — это «пробел» в ядерной физике, который хочется заполнить.

Одна из интригующих возможностей связана с гипотезой о кварковом веществе. Возможно, что при очень высокой плотности материя переходит в новое состояние, когда кварки уже не заперты внутри протонов, нейтронов или других частиц. Если кварковое вещество есть в недрах нейтронных звезд, то при их слиянии, когда «клочки летят по закоулочкам», в межзвездное пространство выбрасываются комочки кваркового вещества — страпельки. Их можно пытаться поймать, например, изучая космические лучи.

В ближайшие годы будут открыты земноподобные планеты в зонах обитания у звезд типа Солнца

Таким образом, есть два направления в астрофизических исследованиях, которые могут рассказать нам, как ведет себя очень-очень плотное вещество. Это либо исследования нейтронных звезд (в основном в рентгеновском диапазоне), при которых одновременно точно измерят массу и радиус искомого объекта, либо поиск страпелек с помощью аппаратов типа AMS. Надежд что-то поймать не так много, но они есть.

8. Механизм взрыва сверхновых

Массивные звезды заканчивают свою жизнь в результате взрыва. Исчерпав запасы термоядерного топлива, их внутренности начинают сжиматься, что заканчивается колоссальным выделением энергии. На короткое время звезда становится ярче целой галактики.

Взрыв сверхновой — это страшно интересно. Там очень сложная физика. Расчеты пока не позволяют толком разобраться в механизме этих катаклизмов. А хочется. Почти все атомы тяжелее железа образовались именно в результате таких взрывов. То есть в нас самих, дорогие читатели, есть немало атомов, побывавших в пламени вспышки сверхновой.

Мы видим много вспышек сверхновых и пользуемся этим, например, для определения расстояний в космологии. Но вот поймать сигнал из самых недр взрывающейся звезды очень трудно. Единственный способ — ловить нейтрино. Лишь однажды, в 1987 г., когда вспышка произошла в близкой карликовой галактике — Большом Магеллановом облаке, удалось поймать несколько таких частиц. Но это слишком мало, чтобы сильно продвинуться в решении загадки. Сейчас построено несколько крупных детекторов для поиска астрофизических нейтрино. Оптимисты полагают, что установка IceCube в Антарктиде или какие-то ее конкуренты (например, европейский морской проект ANTARES у побережья Франции) смогут в ближайшие годы зарегистрировать несколько десятков нейтрино от какой-нибудь вспышки сверхновой в не очень далекой галактике.

9. Количество планет земного типа в зоне обитания

Колоссальный, самый быстрый прогресс в астрофизике мы видим в изучении экзопланет, т.е. планет около других звезд. Счет им идет на сотни, хотя первую открыли менее 20 лет назад. А скоро благодаря работе спутника «Кеплер» (Kepler) счет пойдет на тысячи. В ближайшие годы в принципе можно рассчитывать на обнаружение в зоне обитания (там, где на поверхности планет может существовать вода в жидком виде) у звезды, похожей на Солнце, планеты типа Земли, да еще и с кислородной атмосферой. Вероятно, для надежного результата потребуется ввести в строй следующие поколения спутников и телескопов, но и тут речь идет максимум о ближайших 15-20 годах.

Уже сейчас мы можем открывать планеты с земной массой в зонах обитания у солнцеподобных звезд.

С помощью крупных телескопов мы также можем изучать состав атмосфер планет-гигантов.

А в ближайшие годы мы получим как минимум неплохую статистику по земноподобным планетам в зонах обитания. Для этого не нужны даже новые инструменты: спутника «Кеплер» и имеющихся наземных телескопов вполне достаточно.

10. Аномалия «Пионеров» и пролетные аномалии

Существует загадка, связанная с поведением некоторых искусственных спутников. Наиболее известна так называемая «аномалия «Пионеров»», однако есть и другие.

Американские космические аппараты «Пионер-10» и «Пионер-11», покидающие Солнечную систему, замедляются слегка сильнее, чем следует из расчетов. Уже много лет идут споры, что является тому причиной. Кроме того, несколько аппаратов (NEAR, Rosetta, Galileo) приобрели «лишнюю» скорость после гравитационных маневров около Земли. Часто две эти проблемы объединяют вместе: есть, скажем, основания полагать, что у «Пионеров» эффект появился после маневра в гравитационном поле Сатурна.

Наиболее консервативное объяснение поведения «Пионеров» состоит в рассмотрении неучтенного асимметричного теплового излучения самого аппарата (и устройств на нем). Периодически появляются работы, в которых авторы демонстрируют, какую часть эффекта удается так объяснить. Последняя статья такого рода появилась в апреле 2011 г. Но другие пролетные аномалии она не объясняет.

Возможно, понадобятся специальные спутники или модификации планируемых аппаратов, которые помогут внести ясность. Например, информацию могут дать маневры аппаратов Juno и BepiColombo, которые будут запущены в ближайшее время, а также данные со станции New Horizons, которая сейчас летит к окраинам Солнечной системы. Скорее всего, никакой экзотики («новой физики») для объяснения эффектов не понадобится, но кто знает?

Мы рассмотрели десятку астрофизических загадок и перечислили наблюдательные задачи, которые могут стать ключевыми в поиске ответов. Разумеется, были названы и некоторые наблюдательные проекты и программы, в рамках которых эти результаты могут быть получены. Однако этим всё, конечно, не ограничивается. Во-первых, есть множество более частных проблем, которые, тем не менее, очень важны. Астрофизика — захватывающая и быстро развивающаяся наука. Поэтому не только проблемы из «второй десятки», но, возможно, и из третьей сотни заслуживают внимания. Кроме того, очень многие частные проблемы так или иначе связаны с большими ключевыми задачами, для решения которых нужен комплексный подход (люди строят Шартрский собор, а не просто доски пилят). Во-вторых, список, конечно же, очень субъективен. В-третьих, в список не попали интересные загадки, которые, по мнению автора, вряд ли будут решены в ближайшее время. К ним, например, относятся поиски экзотических объектов, таких, как первичные черные дыры или космические струны. Наконец, мы сознательно избегали проблем в духе «что было, когда ничего не было», и «как выглядит сингулярность в черной дыре». С наблюдательной точки зрения к ним трудно подступиться, да и без них интересного хватает.

Сергей Попов