меню содержание news244 news245 news246
Суперкомпьютер смоделировал детальную структуру темной энергии
вокруг Млечного Пути
|
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 прос-
торнее, 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
Тёмная материя в Млечном пути в наш дни
Американские астрофизики из Калифорнийского университета в Санта-Крузе ( University of California,
Santa Cruz - UCSC) воспользовались самым мощным суперкомпьютером NASA, принадлежащим Ис-
следовательскому центру имени Эймса (Ames Research Center), для того, чтобы наиболее точно смоде-
лировать процессы формирования и эволюции ореола из темной материи, окружающего нашу галакти-
ку Млечный путь. Начальные условия были выбраны в соответствии с уточненными данными, полу-
ченными от зонда для исследования анизотропии микроволнового фона WMAP ( Wilkinson Microwave
Anisotropy Probe), которые были обнародованы в марте этого года. В качестве отправного пункта фигу-
рировало состояние Вселенной, прожившей свои первые 50 миллионов лет после Большого взрыва.
На основе этого состояния вычислялось взаимодействие между 234 миллионами частиц темного ве-
щества на протяжении более чем 13,7 миллиарда лет космологического времени, что и позволило по-
лучить аналог того ореола, каковым должен был бы обзавестись Млечный путь. Моделирование по-
требовало нескольких месяцев работы и мощности 300-400 процессоров ( что эквивалентно 320 тыся-
чам "однопроцессорных" часов). Таким образом удалось не только "разглядеть" в беспрецедентных де-
талях очертания ореола, но и сделать кое-какие выводы об эволюции собственно видимого светящего-
ся галактического вещества.
Распределение тёмной материи в Млечном пути 13,3 миллиарда лет назад, через 460
миллионов лет после Большого Взрыва. Практически, это начальные условия модели-
рования
Распределение тёмной материи в Млечном пути в разные периоды. Верхний ряд: 12,8;
12,0 и 10,3 миллиарда лет назад; нижний ряд: 6,8, 3,4 миллиарда лет назад и настоящее
время
Четыре самых крупных субгало тёмной материи в наши дни. Как видно, внутри этих
субгало находятся пятнышки поменьше - субсубгало
Уже известно, что практически каждая галактика окружена "шубой" из таинственного темного вещест-
ва, однако присутствие этой материи может быть выявлено только косвенными методами - путем изу-
чения 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 бу-
дущем смогут выявить скопления темного вещества в пределах ореола Млечного пути с помощью гам-
ма-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 - нейтра-
лино могут взаимоуничтожаться при столкновениях с испусканием гамма-квантов). Пока подобное
гамма-излучение не обнаружено, но современным инструментам, возможно, просто не хватает чувст-
вительности. 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 (заодно он поищет "местные" чёрные дыры). Если не получится с гамма-излуче-
нием, останется уповать на эффекты микролинзирования (искажение изображений удаленных звезд,
вызванное гравитацией в данном случае скоплений темной материи).
Карта распределения гамма-излучения, вызванного, по мнению исследователей,
аннигиляцией в тёмной материи. На врезке слева - направление, противопо-
ложное движению к центру галактики. Справа - самое крупное субгало тёмной
материи
Невидимый ореол (гало) гораздо обширней видимой светящейся галактики, которая размещается в са-
мой 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 руковод-
ством Юрга Дайменда (Jurg Diemand, публикация предпринята в "Астрофизическом журнале" ( Astro-
physical 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).
Кстати, модель пригодится не только для получения знаний о пока что невидимых скоплениях тёмной
материи, но и для изучения самых древних звёзд нашей галактики.
"Первые малые галактики сформировались очень давно - около 500 миллионов лет после Большого
Взрыва. А в нашей галактике до сих пор есть звёзды, сформировавшиеся в то время - эдакие ископае-
мые звёздной эволюции. Наша имитация объясняет условия, в которых эти звёзды сформировались,
и то, как они попали в карликовые галактики, находящиеся в гало Млечного пути", - сказал Диман.
Часть суперкомпьютера Columbia, использовавшегося для отслеживания эволюции тёмной
материи ( фото NASA Ames Research Center/Tom Trower ).
"Мы находим почти 10 тысяч подструктур меньшего размера (субгало), что 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 "про-
блемой недостачи спутников" ("missing satellite problem"). Эта проблема заключается в том, что количес-
тво скоплений нормального светящегося вещества в окрестностях нашей Галактики - в форме карлико-
вых спутниковых галактик - не соответствует количеству скоплений темного вещества, получаемых
согласно компьютерным моделям: "Астрономы продолжают поиски новых карликовых галактик, одна-
ко до сих пор удалось обнаружить всего лишь около 15 таких галактик, что не идет ни в какое сравне-
ние 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 реаль-
ности на таком расстоянии от центра Галактики наблюдается всего лишь одна-единственная карлико-
вая галактика (Стрелец). Не исключено, что обширные скопления темного вещества в ближайших га-
лактических окрестностях все же присутствуют, но не сопровождаются видимыми спутниковыми га-
лактиками. 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...
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, рав-
ную 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.
ссылки:
grani.ru/Society/Science/p.114774.html
membrana.ru/print.html?1164291540
universetoday.com/2006/11/20/dark-matter-halo-around-the-milky-way
space.newscientist.com/article/dn10636-milky-ways-dark-matter-modelled
Темной энергии - не меньше 9 миллиардов лет
|
Вспышки сверхновых в удаленных галактиках ( фото телескопа "Хаббл" )
Некая таинственная сущность, именуемая темной энергией (dark energy), присутствовала в нашем мире
в течение по крайней мере 2/3 его истории и способствовала ускоренному расширению всей Вселен-
ной последние 5-6 миллиардов лет. Такой вывод сделала группа американских астрономов под руко-
водством Адама Рисса (Adam Riess) из Университета Джона Хопкинса (Johns Hopkins University) и Науч-
ного института космических телескопов ( Space Telescope Science Institute - STScI) в Балтиморе ( штат
Мэриленд), что воспользовалась возможностями космического телескопа "Хаббл" ( Hubble Space Tele-
scope) при изучении древних взорвавшихся звезд. Удалось также установить возможную связь темной
энергии с "космологической константой" (cosmological constant), которую в 1917 году предложил ввести
Альберт Эйнштейн (позднее он от этой своей идеи отказался, когда в 1929 году американский астро-
ном Эдвин Хаббл сумел доказать, что Вселенная расширяется, причем Эйнштейн назвал космологичес-
кую константу "самой грубой своей ошибкой").
В 1998 году астрономическое сообщество с немалым изумлением было вынуждено признать, что наша
Вселенная не просто расширяется, но расширяется со все возрастающей скоростью, будто что-то ее
раздирает изнутри. Об этом свидетельствовали данные "Хаббла" и других телескопов. До сих пор удов-
летворительного объяснения этому факту не найдено, физики-теоретики усиленно работают над новой
проблемой. До открытия "темной энергии" считалось, что расширение Вселенной со временем должно
замедлиться, а на каком-то этапе и вовсе, возможно, обратиться во всеобщее сжатие, поскольку разле-
тающиеся галактики тормозятся взаимным гравитационным притяжением, которое собственно и скре-
пляет Вселенную.
"Темная энергия" - это фактически антигравитационная сила, расталкивающая на больших расстояниях
материю и противодействующая "нормальной" гравитации. По оценкам астрофизиков, для обеспече-
ния наблюдаемого эффекта "темная энергия" должна составлять приблизительно 70% от всей энергии
и вещества во Вселенной, однако до последнего времени было неясно, какова длительность и история
наблюдаемых эффектов - сохраняется ли подобное положение вещей большую часть времени существо-
вания нашего мира.
Самое популярное объяснение эффектов, обозначаемых как "темная энергия", привлекает когда-то, ка-
залось бы, окончательно списанную со счетов и оставшуюся лишь в курсе истории физики "космологи-
ческую константу" - очень давнее предположение Эйнштейна. Действие этой константы заключается
в том, что энергетическая плотность вакуума остается постоянной - независимо от расширения Вселен-
ной. Поэтому когда один кубический сантиметр вакуума расширится до десяти кубических сантиметров,
это так или иначе приведет к увеличению количества энергии в десять раз...
Теперь "Хаббл" позволил узнать нечто большее про эту таинственную энергию и уточнить уже получен-
ные ранее результаты. Рисс и его коллеги наблюдали свет от 24 сверхновых типа Ia, которые взорва-
лись 8-10 миллиардов лет назад. Такие источники считаются "стандартными свечами", потому что яр-
кость и другие характеристики подобных вспышек мало меняются от звезды к звезде, и это может ис-
пользоваться для измерения расстояний и характеристик окружающего взрывающуюся звезду космичес-
кого пространства. В принципе таким образом можно узнать и то, как Вселенная расширялась все про-
шедшие миллиарды лет.
Наблюдения показывают присутствие темной энергии в нашем мире на протяжении по крайней мере
девяти миллиардов лет. Эта темная энергия и тогда действовала схожим образом. Однако те же дан-
ные показывают, что эффект, вызываемый темной энергией еще пять-шесть миллиардов лет назад, был
гораздо слабее нынешнего, поскольку тогда "dark energy" только-только побеждала мощную гравитацию
от близко расположенных звездных систем, и эта победа в "космическом перетягивании каната" приво-
дила к тому, что замедляемое расширение Вселенной сменялось на расширение ускоряемое.
Наблюдения также подтверждают, что концепцию космологической константы в настоящее время
можно считать самым лучшим объяснением сущности действия темной энергии и подвергают сомне-
нию некоторые альтернативные концепции вроде теории квинтэссенции ( quintessence ).
ссылки:
grani.ru/Society/Science/p.114635.html
nasa.gov/home/hqnews/2006/nov/HQ_06353_Hubble_Dark_Energy.html
hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2006/52/full/
