Что нового узнал «Планк» о реликтовом излучении? Как астрономы рассмотрели галактику с помощью телескопа длиной в 10 миллиардов световых лет? Что нового узнали ученые про недопланету Макемаке и «пустыню коричневых карликов»? Об этом и многом другом (включая любовь ученых к Дугласу Адамсу) читайте в свежем обзоре астрономических препринтов на «Ленте.ру».
Международная команда ученых, вовлеченных в работу космической обсерватории Планка, опубликовала результаты первых 15 месяцев работы миссии. Это, пожалуй, главная за последние несколько недель новость для специалистов. Описание наблюдений, приборов, методик обработки данных и собственно изложение результатов уместилось более чем в 30 объемных статьях, список авторов каждой из которых состоит из двух-трех сотен имен. Первая из них посвящена обзору наиболее значительных результатов работы телескопа.
Получивший свое имя в честь великого немецкого физика Макса Планка, полутораметровый телескоп Европейского космического агентства был выведен на орбиту в мае 2009 года. Его разместили на расстоянии в 1,5 миллиона километров от Земли в так называемой точке Лагранжа L2. В этой точке гравитационное и центробежное ускорения компенсируют друг друга, что позволяет космическому аппарату долго сохранять свое положение относительно Земли и Солнца неизменным.
Детекторы излучения обсерватории Планка рассчитаны на работу в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Такой выбор определялся задачами миссии. Главная из них — подробные наблюдения реликтового фона микроволнового излучения. «Реликтового» потому, что речь идет о фотонах, дошедших до нас со времен «детства» Вселенной — когда прошло всего 350-400 тысяч лет после Большого взрыва. Характеристики этого излучения — распределение неоднородностей его яркости по небу, поляризация — могут многое рассказать как о ранних этапах эволюции Вселенной, так и о ее свойствах в целом.
Конечно, обсерватория Планка — не первая в выполнении этой задачи. Микроволновой фон уже изучался в рамках схожих миссий — американскими спутниками COBE и WMAP. Современная космология во многом обязана именно их результатам. Однако новый прибор обладает лучшей чувствительностью, лучшим угловым разрешением и большим спектральным диапазоном, а значит, позволит экспериментально проверить более тонкие эффекты теорий эволюции Вселенной как таковой.
Что же мы узнали в результате 15-месячной работы прибора? Например то, что, по новым данным, мир состоит на 4,8 процента из обычного вещества (предыдущая оценка — по данным WMAP — 4,6 процента), на 25,4 процента из темной материи (против 22,7 процента) и на 70 процентов (против 73 процентов) из загадочной темной энергии, ответственной за ускоренное расширение пространства. Впрочем, различия между новыми и старыми числами столь малы, что в пределах ошибок измерений они практически совпадают. Кроме того, обсерватория Планка уточнила постоянную Хаббла, от которой зависит оценка возраста Вселенной. Новое значение H0 = 68 км/c/Мпк (читается «километров в секунду на мегапарсек») означает, что с момента Большого взрыва прошло 13,80 миллиарда (плюс-минус несколько десятков миллионов) лет. Тогда как предыдущие 70 км/c/Мпк соответствовали 13,75 миллиарда лет (правда, с ошибкой в сотню миллионов лет). Так что нет оснований говорить, что за три года, прошедшие с момента публикации последних результатов WMAP, Вселенная «постарела» на 30 с лишним миллионов лет.
Кроме того, из анализа полученных данных удалось более уверенно установить количество типов нейтрино (а точнее — легких частиц, почти не взаимодействующих с веществом), наличествующее в нашем мире. Сегодня открыты три типа этой частицы (электронное, мюонное и тау-нейтрино), но эксперименты не отвергали возможность существования и четвертого типа. «Планк» же показал, что подобных частиц с суммарной (по всем типам) массой менее одного электрон-вольта (то есть почти в миллион раз легче чем электрон) все же не больше трех. Так что заниматься поисками четвертой подобной частицы уже не надо.
Опубликованные результаты также претендуют на закрытие важного вопроса, касающегося распределения неоднородностей микроволнового фона по небу. Эта проблема (проблема негауссовости) возникла по результатам работы предыдущих миссий, и заключается она в том, что, грубо говоря, свойства более холодных и более горячих пятен в неоднородностях микроволнового фона различны. Для науки это весьма существенный факт, так как он может быть следствием особенностей самых ранних этапов жизни Вселенной. Однако в данных «Планка» какой либо асимметрии ученые не обнаружили. И даже та небольшая анизотропия на масштабе в десяток угловых градусов, на которую обращается внимание в статье, не имеет высокой статистической значимости.
Следующий новый результат — «Планк» подтвердил наличие небольшого (но теперь значимого!) отличия спектра первоначальных возмущений материи от однородного. В первом приближении считается, что возмущения пространственной плотности энергии Вселенной, возникшие еще в момент Большого взрыва и выросшие потом до размеров галактик и их скоплений, имели равномерное распределение по размерам (принято говорить, что соответствующий спектральный индекс равен единице). Измерения же «Планка» позволили авторам утверждать, что это распределение не равномерно, хоть и близко к таковому (со спектральным индексом 0,96). Этот результат очень важен для теории инфляции, описывающей события, происходившие, в некотором смысле, в момент Большого взрыва.
Наконец, стоит отметить, что «Планк», в дополнение к прочему, сделал еще вот что: установил, что пространство Вселенной все-таки плоское с точностью до одной десятой процента (то есть мы живем в мире, в котором на больших масштабах справедлива школьная геометрия); экспериментально подтвердил предсказанный эффект гравитационного красного смещения микроволнового излучения, вызванный неоднородностями на пути к Земле (эффект Сакса-Вольфа); а также позволил составить каталог новых галактических и внегалактических источников.
И хотя в целом результаты «Планка» не вызвали особой сенсации (популярность разошедшегося по соцсетям реконструированного «эха» Большого взрыва не в счет), с точки зрения специалистов, они весьма интересны и, без сомнения, полезны. К тому же работа миссии, строго говоря, еще не закончена. Часть данных все еще ждет своего окончательного анализа и публикации. Среди них — данные измерения поляризации микроволнового фона, которые, возможно, позволят обнаружить следы реликтовых гравитационных волн — возмущений пространства-времени, распространяющихся со скоростью света. Это будет хорошим тестом для теории космологической инфляции, которая является на сегодняшний день основополагающей теорией первых мгновений жизни Вселенной.
В наблюдениях на космическом телескопе Хаббла была обнаружена галактика, свет от которой шел до нас почти 13 миллиардов лет (при возрасте Вселенной в 13,8 миллиарда), сообщается в статье австралийских, европейских и американских астрономов. Точнее, обнаружен соответствующий объект-кандидат, так как изучение столь далекого источника составляет весьма непростую задачу. Более того, открытие стало возможным только благодаря тому, что свет древнего звездного скопления прошел сквозь поле тяготения другой, более близкой, группы галактик, сыгравшей в данном случае роль линзы, усилившей его яркость. По сути, тут образовался природный телескоп с фокусным расстоянием в 10 миллиардов световых лет — самый «длинный» из тех, которыми когда-либо обладало человечество.
И в самом деле, если вы не можете разобрать мелкий текст в сомнительном договоре, вы наверняка возьмете лупу. Если вы захотите подробно разглядеть далекую галактику, вы возьмете телескоп, который по своим базовым принципам — та же лупа: он перенаправляет лучи света, падающие на объектив, так, чтобы интересующий вас объект можно было рассмотреть во всех подробностях. Но как быть, если интересный источник расположен настолько далеко, что разглядеть его не под силу даже современным большим телескопам? Здесь на помощь астрономам приходит сама природа.
Общая теория относительности (ОТО), являющаяся общепринятой теорией гравитации, предсказывает, что под влиянием тяготения свет будет менять направление своего распространения. Так, луч света от далекой звезды или галактики, проходя рядом с достаточно массивным телом, испытает преломление, в чем-то похожее на преломление в линзе объектива телескопа. Поэтому массивные тела могут играть роль гравитационных линз, а само явление называется гравитационным линзированием. Впервые этот эффект был обнаружен при наблюдении солнечного затмения 29 мая 1919 года Эддингтоном (изображения звезд рядом с Солнцем оказались несколько смещены).
Сегодня ученые знают много примеров гравитационного линзирования и стараются использовать его для определения характеристик разных массивных объектов. А также для изучения наиболее далеких и слабых галактик и квазаров, поскольку при наблюдении сквозь гравитационное поле галактики-линзы яркость далекого источника усиливается. Так и возникает природный «телескоп» длиной в миллиарды световых лет. И тот, что описывается в данной работе, является «самым длинным» из известных на сегодняшний день, так как расстояние до галактики-линзы составляет около 10 миллиардов световых лет (то есть ее красное смещение z = 1,7), что является рекордом.
Расстояние же до самого объекта составляет около 13 миллиардов световых лет, то есть он находится на красном смещении z = 8. Надо отметить, что расстояния до обоих объектов измерены не в спектральных наблюдениях (с измерением скорости их удаления и вычисления расстояния по закону Хаббла), а менее точным фотометрическим способом. Однако этот результат остается интересным потому, что мы, вероятно, наблюдаем галактику, свет от которой начал свое путешествие к нам в так называемую эпоху реионизации. В это интересное (для астрономов) время самые первые звезды во Вселенной своим излучением начали вновь ионизовывать заполняющий Вселенную водород, успевший к тому моменту стать нейтральным и прозрачным. Процессы, происходившие в ту эпоху, свойства ее звездного населения, во многом отличного от современного, являются одной из наиболее актуальных задач современной астрономии. Обнаружение еще одного объекта из тех времен — уже почти что событие. (При том, что сегодня мы знаем несколько кандидатов и в более далекие галактики). Теперь, говорят авторы, необходимо сделать следующий шаг при помощи того же телескопа Хаббла — измерить спектр этого далекого источника, а значит, более точно измерить расстояние до него и лучше понять его природу.
Астрономы из Университета Флориды (США) проанализировали имеющиеся наблюдательные данные по так называемым коричневым карликам — самым легким космическим телам, в которых могут идти хоть какие-нибудь термоядерные реакции. Оказалось, что существуют два типа коричневых карликов, которые отличаются физикой своего происхождения, — условно говоря, «недозвезды» и «сверхпланеты». Первые возникли так же, как звезды, в результате коллапса молекулярного облака, а вторые — как планеты, в протопланетном диске своей звезды-хозяйки.
Коричневые карлики — объекты с массами от 12 до 80 масс Юпитера — являются, пожалуй, самым многочисленным звездным населением Галактики. Возможно, их даже больше, чем всех «нормальных» звезд вместе взятых. Удивительно, но при этом впервые наблюдать коричневых карликов удалось всего менее 20 лет назад, и на сегодняшний день их известно не более пяти десятков.
В коричневых карликах из-за слишком малой массы не могут идти стандартные термоядерные реакции горения водорода, которые подпитывают энергией нормальные звезды (в том числе и наше Солнце). Тем не менее в их недрах могут гореть другие легкие элементы — изотоп водорода дейтерий, литий, бериллий, бор. Энерговыделение в этих реакциях невелико, поэтому температуры коричневых карликов не превышают 1-2 тысяч градусов. Соответственно, и светимость таких объектов очень и очень мала — поэтому-то их так сложно обнаружить в непосредственных наблюдениях.
Легче всего заметить коричневые карлики, когда они обращаются вокруг обычных ярких звезд. Тогда они влияют на них так же, как тяжелые планеты — заставляют звезду-хозяйку вращаться вокруг общего центра масс системы, что сказывается на ее радиальной скорости, измеряемой по эффекту Доплера. Причем из-за того, что коричневый карлик существенно тяжелее обычной планеты, обнаружить его среди компаньонов яркой звезды гораздо легче. Однако даже в этом случае такие объекты попадаются нам в планетных системах крайне редко. Это и называли «пустыней коричневых карликов» — одним из многих поэтических словосочетаний, которыми астрономы любят обозначить какой-нибудь природный феномен.
Для того чтобы лучше понять свойства этого типа объектов, авторы обсуждаемой статьи собрали из разных источников информацию обо всех известных на сегодня коричневых карликах — компаньонах звезд типа Солнца и проанализировали различные зависимости между их наблюдаемыми параметрами.
Выяснилось, что популяции коричневых карликов с массами до 42,5 массы Юпитера и больше этой величины (граница в известной степени условная) обладают разными свойствами. Для первых, «сверхпланет», они таковы: чем меньше масса карлика, тем более вытянутой может быть его орбита (то есть тем выше эксцентриситет). Самые тяжелые из таких карликов всегда имеют достаточно округлые орбиты. У вторых же, «недозвезд», степень вытянутости орбиты не зависит от массы и может варьировать в очень широких пределах. Авторы интерпретируют этот результат как существование двух классов коричневых карликов, отличающихся способом образования.
Кроме факта такого разделения, из наблюдений также выводится оценка максимально возможной массы, которую может набрать планета, формирующаяся в протопланетном диске — это около 40 масс Юпитера. Интересно, что подобные оценки уже делались ранее теоретически и они хорошо согласуются с полученным значением.
Физик отдела геологии и науки о планетах Калифорнийского технологического института опубликовал результаты аккуратного анализа покрытия (то есть затмения) одной из звезд карликовой планетой Макемаке. Наблюдение позволило более точно оценить размеры и форму этого малого тела Солнечной системы.
Макемаке — одна из карликовых планет, «родственница» Плутона, чья орбита находится на расстоянии 45 астрономических единиц от Солнца, в поясе Койпера. Это третья по величине карликовая планета нашей системы, открытая в 2005 году. Изучение таких планет — это изучение вещества на дальних рубежах нашей планетной системы, оставшегося со времени ее формирования во многом неизменным.
Один из методов изучения малых тел — наблюдения затмений ими звезд фона. Угловые размеры звезд, из-за их удаленности, существенно меньше видимых размеров малых планет, поэтому звезда затмевается полностью на небольшой промежуток времени — от нескольких секунд до нескольких минут. Протяженность затмения (астрономы говорят — покрытия) и вид кривой блеска такого события позволяют уточнить орбиту малого тела, его размеры, особенности поверхности и даже наличие атмосферы. При этом, если наблюдать покрытие одновременно из нескольких точек, то для разных наблюдателей, из-за параллактического эффекта, звезда будет проходить за разными участками малого тела, что добавит информации и о форме последнего.
Покрытие звезды NOMAD 1181-0235723 карликовой планетой Макемаке происходило 23 апреля 2011 года. Его наблюдали одновременно на 8 станциях, располагающихся в Южной Америке. В результате аккуратного анализа полученных данных мы теперь знаем, что Макемаке имеет линейные размеры около полутора тысяч километров, при этом ее полярный диаметр на десяток километров меньше экваториального, то есть она немного «сплющена», что вполне предсказуемо для вращающихся тел. Карликовая планета не имеет постоянной атмосферы, хотя, возможно, иногда на ней образуется временный газообразный слой азота. Макемаке имеет достаточно большое альбедо — она отражает до 80 процентов падающего света, что означает, что ее поверхность по своим свойствам напоминает лед.
По результатам наблюдений ученый также попытался вычислить плотность этой планеты и получил оценку в 2 грамма на кубический сантиметр. Однако достоверность такого результата вызывает сомнения даже у автора. Возможно, последующие затмения позволят лучше уточнить характеристики Макемаке.
Недавно двое исследователей из Германии указали на то, что основные параметры стандартной космологической модели могут быть получены из комбинирования всего лишь трех чисел — 23, 42 и числа Пи. Основываясь на этом тезисе, они сформулировали новую концепцию, названную ими «конспирологической космологией». Такое название появилось из того, что выбранные числа, по мнению авторов, отнюдь не произвольны, но были выбраны некоей внешней силой (называемой Они), создавшей нашу Вселенную и управляющей ходом событий в ней. Если таковая сила вообще объективно существует, в чем авторы до конца не уверены.
Действительно, рассуждают ученые, на протяжении большей части истории человечества из всех возможных космологических теорий предпочтение отдавалось именно теории разумного творения в том или ином ее виде. Но если вопрос о том, когда или как была создана Вселенная, обсуждался непрерывно, то вопрос «зачем она была создана?» — и вообще «кому это выгодно?» — ранее никогда не ставился. Этот пробел требуется заполнить. Однако подобный вопрос является типичным в первую очередь для конспирологических теорий. Именно в их основе всегда лежит убеждение, что все происходящее в Мире контролируется немногочисленными Посвященными из Закулисья. Под Миром может пониматься как отдельная страна, так и вся цивилизация. Наши авторы же распространили этот принцип на Вселенную в целом.
Итак, кому было выгодно создавать Вселенную? Раз этот вопрос принципиально конспирологичен, то и искать ответ на него надо конспирологическими методами. То есть, во-первых, используя точные (то есть количественные) знания (благо миссия «Планк» принесла нам новые уточненные значения параметров космологической модели), а во-вторых, трактуя их наиболее широким способом.
Начинают авторы с определения набора основных Конспирологических Постоянных. В первую очередь они выделяют число 23. Оно равно сумме трех последовательных простых чисел: 5 + 7 + 11 (что уже точно неспроста). И, кроме того, это единственное целое число, которое находится в интервале от Пи в степени e (~ 22.4) до e в степени Пи (~ 23.1). Без сомнений, число Пи наполнено сакральным значением. Число Эйлера e, как отмечают авторы, стало быть, тоже.
Следующее выделяемое ими число — 42. Его связь с эволюцией Вселенной отмечал еще Дуглас Адамс. Оно соединяет в себе научную методологию (то есть анализ количественного ответа на вопрос, который неизвестен) и творение, так как отсылает к истории о том, что мир и был создан для того, чтобы найти ответ на этот вопрос. Кроме того, если записать число 42 в двоичной системе счисления, то получится 101010 — пара 10 три раза. То есть, опять-таки, число 23. Вообще, в конспирологии принято уравнивать величины просто по принципу их схожести, которая может быть или близкой (конспирологическое равенство в узком смысле) или далекой (тогда смысл будет широким).
Конечно, к этим двум сакральным числам необходимо еще добавить число Пи и всевозможные их комбинации. Отдельно авторы выделяют число 23*42 = 966, которое они предлагают назвать Суперконспирологической постоянной.
И вот, комбинируя все эти величины, можно, оказывается, получить набор основных параметров современной космологической модели. Например, доля барионного вещества во Вселенной — 4,2 процента — явно отсылает нас к числу 42. Значение постоянной Хаббла, характеризующей скорость расширения Вселенной H0 = 72 км/c/Мпк, почти равно 23*pi (свежее значение H0 немного меньше, но это неважно). Доля темной материи — 23 (двадцать три) процента, а доля загадочной темной энергии 72 процента от всей гравитационной энергии Вселенной, что опять же равно 23*pi. Число же 966 явно соответствует величине 0,966, близкой к показателю спектра первоначальных возмущений плотности материи, которая, как показали результаты миссии «Планк», несколько отличается от единицы.
Таким образом, заключают авторы, столь замечательные совпадения с комбинациями, которые можно получить при помощи означенных сакральных чисел, делает весьма обоснованной гипотезу о том, что а) либо наша Вселенная была создана некой разумной силой (возможно, в ходе эксперимента на коллайдере), которая, как любое конспирологическое Закулисье, не может не подавать нам знаков о своем существовании; б) либо Вселенной, в обычном понимании этого слова, не существует, и весь мир — не более чем иллюзия. Например, компьютерная программа, созданная для каких-то особых целей, известных только Им.
В действительности авторы гораздо шире развивают свою теорию, ссылаясь на многие авторитетные исторические, литературные и философские источники. Желающие могут прочесть оригинал их статьи самостоятельно. Ведь еще один главный принцип конспирологии — не уступать давлению авторитетов, но уметь мыслить самостоятельно.
Однако читателям наверняка уже стало понятно, какое место обсуждаемая статья занимает в череде научных публикаций, ежедневно появляющихся в архиве электронных препринтов. Эта работа была подготовлена специально к первоапрельскому выпуску архива («для Писем в Журнал Относительной Бесполезности», как отмечается в комментариях). Она написана голландским астрономом Йоргом Рахеном (Jorg Rachen), имеющим отношение к космической обсерватории Планка, и Уте Гахлингс (Ute Gahlings) — философом из Германии (насколько можно судить по результатам поверхностного поиска информации в Сети). Такие шуточные работы, как правило, оформляются по всем правилам серьезной научной статьи и отличаются от нее только содержанием. Впрочем, то, что физики иногда шутят, известно еще со времен Ричарда Фейнмана.