html текст
All interests
  • All interests
  • Design
  • Food
  • Gadgets
  • Humor
  • News
  • Photo
  • Travel
  • Video
Click to see the next recommended page
Like it
Don't like
Add to Favorites

Астрофизика во время футбола: проверка ОТО на галактических масштабах и недостающее барионное вещество

Эллиптическая галактика ESO 325-G004

Рис. 1. Эллиптическая галактика ESO 325-G004. Далекая галактика линзируется на ней, в результате чего образуется кольцо Эйнштейна (на врезке). Оно становится заметно после вычитания из исходного снимка излучения галактики ESO 325-G004 (без такой обработки кольцо Эйнштейна затмевается светом от центральной области галактики). Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Пока мир следил за играми группового этапа Чемпионата мира по футболу, наука не стояла на месте. В конце июня вышли две статьи с весьма нетривиальными астрофизическими результатами. В первой статье ученые, воспользовавшись тем, что галактика ESO 325-G004 линзирует более далекую галактику, смогли посчитать массу ESO 325-G004 двумя способами и благодаря этому оценить значение параметра γ, который в рамках общей теории относительности должен быть равен 1. Вычисленное значение хорошо согласуется с требованием ОТО. Во второй работе удалось зафиксировать следы, которые оставили в спектре далекого блазара два облака крайне горячего межгалактического газа. Ранее такие облака никак не «проявлялись», так что ученые наконец смогли обнаружить хотя бы часть недостающего барионного вещества Вселенной.

В конце июня в журналах Science и Nature вышли две статьи с важными результатами, которые подтверждают, что наши представления об устройстве Вселенной довольно хорошо отражают действительность.

В статье группы ученых из университетов Британии, Германии и США во главе с Томасов Коллеттом (Thomas E. Collett), опубликованной 22 июня в Science проверяется применимость общей теории относительности (ОТО) на основе измерений, выполненных за границами нашей Галактики. Это — самая точная на сегодняшний день верификация этой теории в масштабах нескольких тысяч световых лет. Стоит отметить, что именно таковы характерные размеры самых компактных карликовых галактик.

Проверки ОТО на разных космических масштабах производились не раз и, несомненно, будут повторяться. В немалой степени это связано с открытым в конце прошлого века ускорением расширения Вселенной, которое сейчас мало кем оспаривается (еретики есть, но их немного). В рамках Стандартной космологической модели это ускорение, как известно, приписывается воздействию темной энергии, природа которой пока остается невыясненной. Однако его можно объяснить и без привлечения этой гипотезы, если тем или иным способом изменить уравнения гравитационного поля — другими словами, отказаться от ОТО. Конкурирующих теорий здесь хватает, однако их убедительность сильно подрывается тем фактом, что в распоряжении астрономов пока что нет наблюдений, которые бы явно противоречили эйнштейновской теории.

Теоретической базой нового исследования стало уравнение для метрики слабого гравитационного поля в расширяющейся Вселенной фридмановского типа с пространством постоянной кривизны. В сопутствующих координатах оно выглядит так: \[\mathrm{d}s^2= a^2(\tau) \left[-(1 + 2\mathrm{\Phi})\mathrm{d}\tau^2 + (1 -2 \mathrm{\Psi})g_{ij}\mathrm{d}x^i\mathrm{d}x^j \right],\]

где τ — одна из форм временной координаты (это конформное время (см. particle horizon), которое позволяет физически естественным образом определять временные промежутки в расширяющейся Вселенной), xi и xj — пространственные координаты, gij — трехмерный метрический тензор, a(τ) — масштабный фактор Вселенной. Φ и Ψ — два гравитационных потенциала, причем Φ — потенциал ньютоновского поля тяготения, а Ψ — потенциал, связанный с искривлением трехмерного пространства. В теории Эйнштейна оба потенциала в точности совпадают, и поэтому их отношение γ = Ψ/Φ всегда равно единице. В то же время многие альтернативные теории, претендующие на объяснение ускоряющегося расширения Вселенной без привлечения темной энергии, рассматривают γ в качестве масштабно-зависимого переменного параметра. Поэтому измерения этой величины на разных масшатабах считаются одним из самых перспективных способов проверки ОТО.

Такие измерения не раз проводились, однако полученные результаты пока неоднозначны. В пределах Солнечной системы γ совпадает с единицей с точностью до тысячных долей процента. Однако этот результат вполне ожидаем, поскольку искривление пространства солнечной гравитацией очень незначительно. А наблюдения в масштабах десятков и сотен миллионов световых лет позволили определить величину γ с погрешностью 20–30 процентов. В результате вопрос о ее постоянстве или изменчивости остается открытым.

Коллетт и его коллеги работали с данными наблюдений гигантской эллиптической галактики ESO 325-G004, расположенной в созвездии Центавра на расстоянии 465 млн световых лет от Солнца. Они использовали показания двух инструментов: спектроскопа MUSE (Multi-Unit Spectroscopic Explorer), установленного на телескопе Yepun (одном из четырех восьмиметровых телескопов комплекса VLT Европейской Южной обсерватории, расположенной на горе Серро-Параналь в Чили), и обзорной камеры ACS (Advanced Camera for Surveys) космического телескопа «Хаббл». Спектроскоп MUSE позволил собрать данные о скоростях звезд, входящих в состав ESO 325-G004, и на этой основе оценить ее динамическую массу (см. вириальная масса). Камера ACS дала возможность измерить радиус кольца Эйнштейна (см. Einstein ring), возникшего благодаря гравитационному линзированию галактикой ESO 325-G004 света другого звездного скопления, удаленного от нас примерно на 10 миллиардов световых лет (рис. 1). Этот радиус зависит от массы линзирующей галактики, так что его определение дает возможность оценить эту массу вторым и совершенно независимым способом. Соотношение между обеими оценками массы дается формулой Mdin = (1 + γ)/2·Mlensing. Легко видеть, что при γ = 1 обе оценки совпадают, а в противном случае они различны. Стоит отметить, что оба набора измерений дали достаточно точные результаты благодаря сравнительной близости ESO 325-G004 к нашей Галактике.

Теоретический анализ собранных данных показал, что в центре ESO 325-G004 лежит черная дыра, тянущая на 3,8 миллиардов солнечных масс. Но это был, так сказать, дополнительный бонус. Куда важнее, что измеренное численное значение параметра γ лежит в диапазоне 0,97 ± 0,09. Этот результат справедлив в масштабах радиуса кольца Эйнштейна, который в данном случае составил примерно 2 килопарсека (около 6 тысяч световых лет, угловой радиус — примерно три секунды дуги). Таким образом, ОТО впервые выдержала испытание при проверке ее применимости на космических дистанциях этого порядка. Этот результат позволяет отсеять несколько альтернативных моделей динамики Вселенной.

Двумя днями раньше, 20 июня, в журнале Nature появилась статья международной группы астрономов и астрофизиков, возглавляемой сотрудником Национального астрофизического института Италии Фабрицио Никастро (Fabrizio Nicastro). Возможно, им удалось хотя бы частично разрешить старую загадку, которую обычно называют проблемой недостающих барионов. Согласно Стандартной космологической модели, масс-энергетический баланс Вселенной примерно на 70% обеспечен вкладом темной энергии, и еще на 25% — темной материи. Оставшиеся 5 процентов вещества Вселенной почти целиком состоят из барионной компоненты — ядер водорода, гелия и более тяжелых элементов (конечно, есть еще электроны, нейтрино и фотоны, однако их вклад пренебрежимо мал). Эта оценка сделана на основе анализа флуктуаций спектра реликтового излучения, которые несут на себе «отпечаток» процессов первичного нуклеосинтеза в только что возникшей Вселенной. Более того, изучение оптических спектров очень далеких квазаров убедительно показывает, что все «вычисленные» барионы действительно существовали на ранней стадии эволюции Вселенной, когда ее возраст не превышал 2–3 миллиардов лет.

Однако здесь-то и возникает проблема. До сих пор максимально полный учет барионной материи, содержащейся в звездном веществе, холодном внутригалактическом газе, галактических гало и так называемой теплой и горячей межгалактической среде (warm–hot intergalactic medium, WHIM) обеспечивал выявление лишь 61% «расчетного» количества барионов (к слову, звезды содержат всего лишь 7% их общей массы). Правда, при этом удалось учесть лишь вещество самой низкотемпературной (её-то и называют теплой) компоненты WHIM, где температура газа лежит в диапазоне от ста тысяч до полумиллиона градусов. В силу столь «скромного» нагрева эта компонента почти полностью состоит из нейтрального водорода. Поскольку его атомы сохраняют свои электроны, они могут излучать фотоны разных энергий, которые надежно регистрируются астрономической аппаратурой. Изучение этих спектров, выполненное в последние годы, показало, что теплая компонента WHIM содержит около 15% барионного вещества Вселенной — то есть, примерно четверть его полной массы, обнаруженной до сих пор. Весьма существенный дефицит в 39% оставался необнаруженным.

В 2012 году двое из числа авторов обсуждаемой статьи в Nature Чарльз Данфорт (Charles Danforth) и Майкл Шулл (Michael Shull) предложили решение этой проблемы. Они предположили, что недостающие барионы в основном укрыты в исполинских струях очень горячего (нагретого до миллионов и десятков миллионов градусов) газа, соединяющих скопления и сверхскопления галактик. Наличие этих струй, так называемых филаментов, надежно установлено многочисленными наблюдениями. Филаменты заполнены самой горячей компонентой WHIM, содержающей практически полностью ионизированный водород.

Предложенное объяснение наблюдаемого барионного дефицита при всей его убедительности непросто проверить. С одной стороны, сверхгорячий водород внутри филаментов чрезвычайно разрежен (от одной до десяти частиц на кубический метр), да и размеры филаментов сравнительно невелики (1–10 мегапарсек). С другой стороны, оставшиеся без электронов протоны не могут быть источником характерных линейчатых спектров, позволяющих установить наличие этого газа. Однако филаменты могут содержать следовые количества сильно ионизированных атомов других элементов, содержащих часть электронов в связанном состоянии. Эти ионы могут генерировать излучение с вполне опознаваемыми спектральными характеристиками, лежащее в ультрафиолетовой и/или рентгеновской зоне. Правда, ожидаемая интенсивность таких сигналов чрезвычайно мала, так что их детектирование — очень непростой вызов для исследователей.

Теперь эту задачу удалось по крайней мере частично решить благодаря аппаратуре европейской космической рентгеновской обсерватории XMM-Newton. Никастро и его коллеги с ее помощью накопили данные об излучении очень яркого рентгеновского блазара 1ES 1553+113, удаленного от Млечного Пути не менее чем на 2200 мегапарсек (около 7 миллиардов световых лет). По пути к Земле это излучение прошло через два филамента межгалактического горячего газа, расположенных на разных расстояниях от нашей Галактики (их красные смещения равны 0,36 и 0,43, рис. 2). Пересекая филаменты, оно переводило в возбужденные состояния сильно ионизированные атомы кислорода, содержащие всего по паре (вместо положенных восьми) электронов. Эти ионы с заброшенными на верхние энергетические уровни электронами в свою очередь порождали вторичное рентгеновское излучение, которое и регистрировала обсерватория. Сбор этой информации, выполненный в 2015–17 годах, потребовал весьма длительного времени (1,75 миллиона секунд — это почти 490 часов), что позволило обеспечить значительное превышение сигнала над шумом. Накопленные данные позволили установить концентрацию кислородных ионов в филаменте и на этой основе вычислить его барионную компоненту — правда, в весьма широком диапазоне значений.

Рис. 2. Схема исследования спектра блазара 1ES 1553+113

Рис. 2. Схема исследования спектра блазара 1ES 1553+113. В его рентгеновской области были обнаружены следы, которые, как считают ученые, возникли из-за прохождения света от блазара через два филамента межгалактического горячего газа. Изображение из популярного синопсиса к обсуждаемой статье в Nature

Авторы пришли к заключению, что перенос сведений о находящихся внутри этих двух филаментов ионов водорода и других элементов на всё космическое пространство позволяет учесть от 9 до 40 процентов общего барионного наполнения Вселенной. Легко видеть, что верхняя граница этого сегмента практически точно соответствует наблюдаемому барионному дефициту, однако нижняя сильно ему уступает. Так что дополнительные наблюдения, конечно, необходимы, но неплохой задел уже имеется.

Справедливости ради надо отметить, что предположения, на которых основана приведенная оценка барионной плотности, еще нуждаются в уточнении. Красное смещение блазара 1ES 1553+113 установлено лишь приблизительно, известно лишь, что оно не может быть меньше 0,41. Это не ставит под сомнение возможность прохождения его света через ближайший из двух филаментов, но вопрос о «просвечивании» более удаленного филамента пока остается открытым. Также не исключено, что излучение блазара хотя бы частично поглощается не филаментами, а внутригалактическим газом, однако Никастро и его соавторы считают такую возможность маловероятной.

В общем, работы еще много, однако начало положено. Никастро и члены его команды планируют продолжить исследования с помощью приборов как обсерватории XMM-Newton, так и американского орбитального рентгеновского телескопа «Чандра». Однако окончательного решения проблемы космического барионного дефицита, вероятно, придется ждать до запуска европейской космической обсерватории Athena (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics), намеченного на 2028 год.

Источники:
1) Thomas E. Collett, Lindsay J. Oldham, Russell J. Smith, Matthew W. Auger, Kyle B. Westfall, David Bacon, Robert C. Nichol, Karen L. Masters, Kazuya Koyama, Remco van den Bosch. A precise extragalactic test of General Relativity // Science. 2018. DOI: 10.1126/science.aao2469.
2) F. Nicastro, J. Kaastra, Y. Krongold, S. Borgani, E. Branchini, R. Cen, M. Dadina, C. W. Danforth, M. Elvis, F. Fiore, A. Gupta, S. Mathur, D. Mayya, F. Paerels, L. Piro, D. Rosa-Gonzalez, J. Schaye, J. M. Shull, J. Torres-Zafra, N. Wijers & L. Zappacosta. Observations of the missing baryons in the warm–hot intergalactic medium // Nature. 2018. DOI: 10.1038/s41586-018-0204-1.

Алексей Левин

Читать дальше
Twitter
Одноклассники
Мой Мир

материал с elementy.ru

1

      Add

      You can create thematic collections and keep, for instance, all recipes in one place so you will never lose them.

      No images found
      Previous Next 0 / 0
      500
      • Advertisement
      • Animals
      • Architecture
      • Art
      • Auto
      • Aviation
      • Books
      • Cartoons
      • Celebrities
      • Children
      • Culture
      • Design
      • Economics
      • Education
      • Entertainment
      • Fashion
      • Fitness
      • Food
      • Gadgets
      • Games
      • Health
      • History
      • Hobby
      • Humor
      • Interior
      • Moto
      • Movies
      • Music
      • Nature
      • News
      • Photo
      • Pictures
      • Politics
      • Psychology
      • Science
      • Society
      • Sport
      • Technology
      • Travel
      • Video
      • Weapons
      • Web
      • Work
        Submit
        Valid formats are JPG, PNG, GIF.
        Not more than 5 Мb, please.
        30
        surfingbird.ru/site/
        RSS format guidelines
        500
        • Advertisement
        • Animals
        • Architecture
        • Art
        • Auto
        • Aviation
        • Books
        • Cartoons
        • Celebrities
        • Children
        • Culture
        • Design
        • Economics
        • Education
        • Entertainment
        • Fashion
        • Fitness
        • Food
        • Gadgets
        • Games
        • Health
        • History
        • Hobby
        • Humor
        • Interior
        • Moto
        • Movies
        • Music
        • Nature
        • News
        • Photo
        • Pictures
        • Politics
        • Psychology
        • Science
        • Society
        • Sport
        • Technology
        • Travel
        • Video
        • Weapons
        • Web
        • Work

          Submit

          Thank you! Wait for moderation.

          Тебе это не нравится?

          You can block the domain, tag, user or channel, and we'll stop recommend it to you. You can always unblock them in your settings.

          • elementy.ru
          • эволюция
          • ученые
          • университет
          • исследования
          • домен elementy.ru

          Get a link

          Спасибо, твоя жалоба принята.

          Log on to Surfingbird

          Recover
          Sign up

          or

          Welcome to Surfingbird.com!

          You'll find thousands of interesting pages, photos, and videos inside.
          Join!

          • Personal
            recommendations

          • Stash
            interesting and useful stuff

          • Anywhere,
            anytime

          Do we already know you? Login or restore the password.

          Close

          Add to collection

             

            Facebook

            Ваш профиль на рассмотрении, обновите страницу через несколько секунд

            Facebook

            К сожалению, вы не попадаете под условия акции