Субгало, которые явно темнят
Американские астрофизики из Калифорнийского университета в Санта-Крузе (University of California, Santa Cruz - UCSC) воспользовались самым мощным суперкомпьютером NASA, принадлежащим Исследовательскому центру имени Эймса (Ames Research Center), для того, чтобы наиболее точно смоделировать процессы формирования и эволюции ореола из темной материи, окружающего нашу галактику Млечный путь. Начальные условия были выбраны в соответствии с уточненными данными, полученными от зонда для исследования анизотропии микроволнового фона WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), которые были обнародованы в марте этого года. В качестве отправного пункта фигурировало состояние Вселенной, прожившей свои первые 50 миллионов лет после Большого взрыва. На основе этого состояния вычислялось взаимодействие между 234 миллионами частиц темного вещества на протяжении более чем 13,7 миллиарда лет космологического времени, что и позволило получить аналог того ореола, каковым должен был бы обзавестись Млечный путь. Моделирование потребовало нескольких месяцев работы и мощности 300-400 процессоров (что эквивалентно 320 тысячам "однопроцессорных" часов). Таким образом удалось не только "разглядеть" в беспрецедентных деталях очертания ореола, но и сделать кое-какие выводы об эволюции собственно видимого светящегося галактического вещества.
Уже известно, что практически каждая галактика окружена "шубой" из таинственного темного вещества, однако присутствие этой материи может быть выявлено только косвенными методами - путем изучения эффектов, вызванных гравитационным взаимодействием с обычным (барионным) веществом или с излучением. Истинная природа темного вещества все еще остается тайной, хотя и известно, что на его долю приходится примерно 82 процента всей материи Вселенной. Возможно, астрономы в будущем смогут выявить скопления темного вещества в пределах ореола Млечного пути с помощью гамма-телескопов, но это произойдет лишь в том случае, если темное вещество хотя бы частично состоит из частиц, способных порождать гамма-излучение (например, если это окажутся гипотетические пока нейтралино (neutralino) - частицы, предсказанные в соответствии с теорией суперсимметрии - нейтралино могут взаимоуничтожаться при столкновениях с испусканием гамма-квантов). Пока подобное гамма-излучение не обнаружено, но современным инструментам, возможно, просто не хватает чувствительности. Астрономы ожидают интересных результатов от космической обсерватории GLAST (Gamma Ray Large Area Space Telescope), работающей в гамма-диапазоне, запуск этого телескопа NASA наметило на 2007 год. Если не получится с гамма-излучением, останется уповать на эффекты микролинзирования (искажение изображений удаленных звезд, вызванное гравитацией в данном случае скоплений темной материи)
Невидимый ореол (гало) гораздо обширней видимой светящейся галактики, которая размещается в самой сердцевине почти сферического "кокона" из темной материи. Компьютерные модели показывают, что более плотных концентраций темного вещества в этом ореоле следует ожидать в центральной его части, где расположены так называемые субгало ('subhalos'). Новая работа, выполненная под руководством Юрга Дайменда (Jürg Diemand, публикация предпринята в "Астрофизическом журнале" (Astrophysical Journal - ApJ)), демонстрирует наличие намного более обширной субструктуры, чем это было в каком-либо предыдущем исследовании (соответствующую мультипликацию можно скачать отсюда - MPEG, 4,6 МБ).
"Мы находим почти 10 тысяч субгало, на порядок больше, чем в ходе любого предыдущего моделирования... Это было предсказано теоретически, но нам это впервые удалось показать в ходе компьютерной симуляции", - пояснил один из соавторов статьи, профессор астрономии и астрофизики из UCSC Пьеро Мадау (Piero Madau). Поперечник каждого такого субгало составляет по крайней мере несколько тысяч световых лет.
А Юрг Дайменд указывает на то, что их новые результаты обостряют ситуацию с так называемой "проблемой недостачи спутников" ("missing satellite problem"). Эта проблема заключается в том, что количество скоплений нормального светящегося вещества в окрестностях нашей Галактики - в форме карликовых спутниковых галактик - не соответствует количеству скоплений темного вещества, получаемых согласно компьютерным моделям: "Астрономы продолжают поиски новых карликовых галактик, однако до сих пор удалось обнаружить всего лишь около 15 таких галактик, что не идет ни в какое сравнение с теми 120 субгало из темной материи, что должны появиться, если верить результатам нашего моделирования. Почему такой разрыв в числах - пока еще неясно..."
Так, моделирование заставляет говорить сразу о пяти возможных сверхмассивных субгало (каждое из которых превосходит массу 30 миллионов солнц) и множестве более мелких структур, заключенных в пределах внутреннего (10 процентов от общей величины) ореола галактики-хозяйки. Однако в реальности на таком расстоянии от центра Галактики наблюдается всего лишь одна-единственная карликовая галактика (Стрелец). Не исключено, что обширные скопления темного вещества в ближайших галактических окрестностях все же присутствуют, но не сопровождаются видимыми спутниковыми галактиками. Возможно также и то, что даже в окрестностях нашей Солнечной системы распределение темного вещества может быть более сложным, чем мы привыкли считать.
Новое моделирование может также снабдить астрономов-наблюдателей полезным инструментом для поиска самых старых звезд в нашей Галактике - сформировавшихся спустя 500 миллионов лет после Большого взрыва. Ведь в рамках модели можно проследить, как эти "звездные окаменелости" возникли и где таятся теперь - в карликовых ли галактиках, на определенных галактических орбитах, в ореоле из рассеянных звезд...
На иллюстрации:
12 миллиардов лет назад Вселенная была гораздо компактнее, чем сейчас, все ее вещество содержалось в области размером 2,6 миллиона лет. С тех пор в космосе стало гораздо просторнее, но некоторая часть невидимой материи сохранилась в столь же концентрированном виде и сформировала обширный ореол Млечного пути. Иллюстрация: J Diemand/M Kuhlen/P Madau/UCSC с сайта New Scientist
Источники:
Supercomputer study shows Milky Way's halo of dark matter in unprecedented detail - UC Santa Cruz - Press Release
Milky Way's dark matter modelled in best detail yet - New Scientist
Ссылки:
Гало темной материи с массой порядка земной как первые структуры в ранней Вселенной - Обзоры препринтов astro-ph
Мини-гало с массой Земли разрушаются приливами из-за тесных сближений со звездами - Обзоры препринтов astro-ph
Носители скрытой массы в Галактике и в галактических окрестностях - "Астронет"
Справка
Темное вещество
Темное вещество (dark matter) составляет приблизительно 23% массового-энергетического "бюджета" Вселенной. Нормальное вещество, материал звезд, планет и людей, вносит только 4%. (Остальную часть Вселенной составляет еще более таинственная вещь, названная темной энергией - dark energy)
Некоторая малая часть темного вещества была уже идентифицирована и больше не является тайной. Трудноуловимые частицы нейтрино, про которые когда-то думали, что они имеют массу покоя, равную нулю, подобно фотонам, теперь признаны имеющими некий ненулевой вес и составляют часть этого самого "бюджета". Холодные мертвые звезды, найденные недавно в большом количестве, также вносят свой скромный вклад в этот общий зачет.
Статьи по теме
Первое прямое доказательство существования темной материи
По мнению ученых, новое открытие можно считать окончательным опровержением теорий, воспринимающих концепцию темного вещества как всего лишь недоразумение, иллюзию, порожденную недостатком наших знаний о природе гравитации.
Раз в 10 000 лет Земля купается в темной материи
Солнечная система в своем движении через космическое пространство может регулярно сталкиваться с чрезвычайно разреженными скоплениями экзотических элементарных частиц, сохранившимися со времен раннего детства Вселенной. Об этом свидетельствуют вычисления швейцарских физиков.
Темной энергии - не меньше 9 миллиардов лет
Некая таинственная сущность, именуемая темной энергией, присутствовала в нашем мире в течение по крайней мере 2/3 его истории и способствовала ускоренному расширению всей Вселенной последние 5-6 миллиардов лет. Такой вывод сделала группа американских астрономов под руководством Адама Рисса.
Столкновение галактик дает жизнь новым звездам
Удивительную картину сталкивающихся галактик удалось рассмотреть в новых подробностях благодаря космическому телескопу "Хаббл". Новые наблюдения позволили сделать вывод о том, что большинство наблюдаемых звездных скоплений со временем рассеивается, разметав свои звезды по всему объему взаимодействующих галактик.
Нашу Галактику засасывает неведомый Мальстрем
Движение нашей Галактики определяется взаимодействием с самыми массивными объектами, в число которых входит сверхскопление Шепли и так называемый Великий Аттрактор. Теперь выясняется, что Великий Аттрактор - это не просто умозрительная точка равнодействия приложенных сил, а реальное самостоятельное сверхскопление, не связанное напрямую со сверхскоплением Шепли.
Среди карликовых галактик найдены хоббиты
Ускорившиеся темпы открытий новых спутников Млечного пути заставляют предположить, что еще очень много таких "компаньонов" остаются незамеченными, ну а это в свою очередь можно считать вызовом существующим моделям темного вещества в виде "теплых", быстро перемещающихся частиц.
Первые галактики были самоубийцами
Астрономы смогли представить первые прямые свидетельства самоубийственного поведения ранних галактик, ультрафиолетовая радиация которых препятствовала дальнейшему формированию звезд.
Картографы Вселенной обнаружили новые гигантские структуры
Изучение обновленных "звездных 3D-атласов" позволило выявить небывалые гигантские структуры, поперечник которых составляет свыше миллиарда световых лет, установить новые закономерности в распределении галактик в космическом пространстве и найти очередные свидетельства в пользу концепции темной энергии.
Убийца небесных карликов не любит регби
Описание движения звездных потоков от разорванных Млечным путем карликовых галактик позволило заключить, что ореол из темной материи вокруг нашей Галактики имеет сферическую форму, а вовсе не вытянут наподобие мяча для регби, как считалось ранее.
Первые звезды были зажжены стерильными нейтрино
Открытие пока еще не обнаруженного типа нейтрино может помочь в разрешении целого ряда астрофизических загадок, начиная с выяснения природы темной материи и заканчивая тайной рождения первых звезд.
Ореол помог признать в Андромеде сестрицу
Две галактики-соседки - туманность Андромеды и наш Млечный путь - имеют, вероятно, гораздо больше общего, чем думали ранее, по крайней мере, они прошли сходный путь эволюции в течение своих первых миллиардов лет и должны были быть едва ли не близняшками.
Новый гигантский компаньон Млечного пути
Найден новый компаньон Млечного пути, который оказался настолько обширным, что это само по себе прежде препятствовало его выявлению: данное скопление охватывает на небе пространство, почти в 5 тысяч раз превышающее размеры полной луны!
Сверхновые мультики от Большого Магелланова облака
Астрономы обнаружили слабое "видеоэхо" от трех древних сверхновых, вспышки которых можно было наблюдать на Земле несколько веков назад. Это "эхо" было отражено межзвездными газовыми облаками, удаленными от первоисточника на сотни световых лет.
Очаг, лишившийся дома
Группа европейских астрономов изучила очень необычное явление: одинокий яркий квазар, лишенный сколько-нибудь заметной окружающей его галактики. Для объяснения феномена предлагаются даже совершенно немыслимые вещи.
Открыт самый мелкий спутник Млечного пути
Астрономам, занимающимся анализом данных от автоматизированного Слоановского цифрового обзора неба, удалось добавить к "контингенту" карликовых галактик Млечного пути очень "мелкий" тринадцатый спутник.
"Чандра": Выявлено местонахождение потерянной материи
Удалось выявить местонахождение двух обширных облаков горячего межзвездного газа, которые могут быть связаны с некоторой частью таинственной скрытой материи. Компьютерное моделирование показывает, что эта невидимая материя должна формировать паутинообразную структуру из газовых облаков, внутри которых образуются скопления галактик. Эти облака до сих пор никто не мог обнаружить из-за их чрезвычайно низкой плотности.
4 миллиарда лет назад Солнце участвовало в абордаже
Периферия нашей планетной системы сформировалась под влиянием молодой звезды, прошедшей неподалеку от Солнца более четырех миллиардов лет тому назад. Компьютерная модель подтверждает, что в ходе подобного сближения наше светило вполне могло захватить и удержать своим тяготением множество твердых тел из окружения этой звезды.
Одинокие галактики стесняются обнажаться
Открытие в 2003 году трех "голых" галактик - то есть не окутанных "шубой"-гало из темной материи - вызвало большое оживление в среде астрофизиков и инициировало немедленные попытки найти другие подобные объекты. Однако новые детальные исследования изолированных галактик в рентгеновском диапазоне не привели к подтверждению новой теории, согласно которой галактики могут формироваться или эволюционировать множеством разных способов.
Найден таинственный новый компаньон Млечного пути
С помощью программы Слоановского цифрового обзора неба удалось выявить ранее никем не замеченную группу звезд. Эти данные могут пролить новый свет на историю формирования звездного ореола Млечного пути, а также разрешить загадку с предсказанием модели преобладания во Вселенной так называемого "холодного темного вещества".
Черные дыры разрушили теорию призрачных частиц
Недавно появилась интересная теория, которая претендует ни много ни мало, как на раскрытие всех основных тайн современной космологической науки. Эта теория "призрачного конденсата" появилась в прошлом году. Предполагается, что межзвездный вакуум заполнен своеобразной "жидкостью" или "флюидом" из призрачных частиц. Однако согласно последним вычислениям, черные дыры, населяющие нашу Вселенную, могли бы очень быстро "выхлебать" любую подобную "жидкость".
"Чандра" открывает новый этап в исследованиях темной энергии
Полученные космической рентгеновской обсерваторией "Чандра" снимки ионизированного газа в скоплениях галактик позволили астрономам применить новый метод определения массы и энергии, содержащихся в нашей Вселенной. Было получено независимое подтверждение небывалого явления: примерно 6 млрд лет назад стадия замедляющегося расширения Вселенной прекратилась и сменилась стадией ускоренного расширения, продолжающегося до сих пор.
После Большого взрыва свет не спешил "отделяться от тьмы"
Во времена одного из самых ранних периодов своей истории Вселенная была почти вся сплошь "затянута" туманом из атомов водорода и гелия. Даже яркое ультрафиолетовое излучение самых первых звезд в новорожденных галактиках не могло пробиться через эту всепоглощающую завесу из газа, что дало астрономам повод назвать эту космическую эру "темными веками". Только по прошествии сотен миллионов лет первородные звезды смогли постепенно разогреть и ионизировать окружающий газ, преобразовав непроницаемый океан космоса в современное прозрачное космическое пространство. Возможно даже, что переионизация протекала в ходе двух различных фаз, связанных с первым и вторым поколениями звезд.
Мюоны указывают путь к невидимой вселенной
Международная группа физиков из Брукхэвенской лаборатории сообщила о том, что в экспериментах с элементарными частицами удалось обнаружить серьезные отклонения от теоретических предсказаний, даваемых Стандартной моделью. Измерялось колебание мюонов в магнитном поле. Нарушение Стандартной модели - это уже вполне ожидаемое событие, многие ученые полагают, что благодаря этому откроются горизонты новой физики элементарных частиц.
Самые выдающиеся открытия 2003 года: темная энергия, пентакварки, бозе-конденсаты, квантовые компьютеры и др.
Многие западные издания выстраивают своеобразные хит-парады научных достижений уходящего 2003 года. Мы публикуем один из таких списков, составленный редакцией издания PhysicsWeb.
На крупнейшей карте Вселенной обнаружили темную энергию
Астрономы составили самую детальную на текущий момент 3D-модель окружающей нас Вселенной и уверены, что эта карта позволяет откинуть все сомнения по поводу "темной энергии": она действительно существует и заполняет весь космос.
Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе
90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.
"Твикинг" гравитации покончит с потребностью в странных силах
Факт существования темной энергии, казалось бы, однозначно подтвержден наблюдениями за удаленными сверхновыми и экспериментами с микроволновым космическим фоном. Однако теперь группа американских физиков показывает, что факт непрерывно ускоряющегося расширения Вселенной, который лег в основу подобной гипотезы, можно объяснить и не призывая на помощь мистическую "дарк энерджи".
Столкновение двух безумных гигантских колес на скорости 10 млн км в час
На этой выразительной фотографии, полученной с помощью космического телескопа "Хаббл", запечатлена пыльная спиральная галактика, которая, вращаясь, проходит через другую большую яркую галактику NGC 1275. Рентгеновское и радиоизлучение с большой вероятностью указывают на наличие черной дыры в центре этой яркой галактики. NGC 1275 находится от нас на расстоянии примерно 235 млн световых лет в созвездии Персея.
Неуловимая темная материя блуждает как пьяный матрос
До недавнего времени предполагалось, что таинственное темное вещество распределяется равномерно в массивном ореоле вокруг каждой галактики. Это не совсем верно. Такие ореолы действительно существуют, но состоят они из тысяч отдельных скоплений, которые можно воспринимать как своеобразные "темные" спутниковые галактики.
Найдены "голые" галактики, лишенные "шубы" из темной материи
Три "голые" галактики, не окруженные темной материей, были найдены международной группой астрономов. Открытие наносит серьезный удар по убеждению, долгое время царившему в умах астрофизиков, согласно которому все галактики окружены скрытыми "темными" ореолами. Ученые приходят к мысли, что некий таинственный фактор в эволюции галактик "раздевает" их, лишает темного вещества.
Ученые продолжают собирать "семейный альбом" фотографий Вселенной: юность (5 млрд лет назад)
Ученые, работающие с орбитальной рентгеновской обсерваторией "Чандра", получили снимок юной Вселенной, которая моложе своего нынешнего состояния приблизительно на 5 млрд лет. На картинке запечатлена область из созвездия Большой Медведицы, известная под названием "Северо-западная дыра Локмана".
Астрономы обнаружили "потерявшиеся" барионы
Астрономы обнаружили новый тип разогретого межгалактического газа, с помощью которого можно локализовать невидимое присутствие темного вещества во Вселенной. Газовое облако, в триллион раз массивнее, чем наше Солнце, и в 150 раз более горячее, окружает нашу местную группу галактик, в которую входит Млечный путь, туманность Андромеды и еще приблизительно 30 мелких галактик.
Обнародован "портрет" юной Вселенной, полученный зондом WMAP
Новые данные от зонда WMAP обеспечили космологов информацией, позволяющей нарисовать реальную картину раннего этапа в развитии Вселенной. Кроме того, определен возраст нашего мира с беспрецедентной точностью. Он составляет 13,7 млрд лет. Самое большое удивление ученые испытали, когда при анализе данных выяснилось, что первая генерация звезд появилась спустя всего лишь 200 млн лет после Большого взрыва.
Вселенная во власти "темной энергии": новое доказательство
Наблюдения за отдаленными квазарами показывают, что основная часть энергии во Вселенной содержится в форме таинственной "темной энергии". Долгое время считалось, что модель расширяющейся Вселенной, по крайней мере, на современном ее этапе, позволяет обойтись без этой новой сущности.
На суперкомпьютере удалось смоделировать солнечную корону
Удалось с беспрецедентной точностью смоделировать и предсказать состояние атмосферы Солнца на пять дней вперед. Этот опыт будет положен в основу самых точных прогнозов магнитных бурь, представляющих опасность для нашей планеты и ее обитателей.