Восемь астрономических загадок, которые учёные не могут объяснить

Это изображение десяти тысяч галактик называется Ультра глубокое поле Хаббла. Снимок включает в себя галактики различных возрастов, размеров, форм и цветов. Самые маленькие и самые красные галактики могут быть среди самых далёких из известных на данный момент, существовавшие в те времена, когда вселенной было всего лишь 800 миллионов лет. Ближайшие галактики – крупнее, ярче, в форме чётко обозначенных спиралей и эллиптоидов -  процветали около одного миллиарда лет назад, когда возраст космоса был 13 миллиардов лет

Необъятность пространства и загадочная природа космических объектов, которые его наполняют никогда не оставляют астрономов без материалов для исследования.

Чтобы собрать воедино некоторые из самых стойких загадок астрономии, журнал Science запросил помощи у научных писателей, чтобы те выбрали восемь занимательных вопросов, которыми задаются ведущие астрономы в наши дни.

Как написал Роберт Кунтц, помощник новостного редактора Science во введении в серию материалов, участники решили, что «настоящие загадки не должны иметь простого объяснения», то есть не быть вопросами, ответы на которые могут быть найдены в обозримом будущем. Фактически, хотя некоторые из обсуждаемых тем могут быть однажды решены с помощью астрономических наблюдений, другие могут быть не решены никогда, добавил он.

Без какого-то особого порядка, вот восемь самых притягательных загадок астрономии по версии журнала Science:

Что такое тёмная энергия?

Галактический кластер Абель 1689 знаменит феноменом искажения света, известным как гравитационная линза. Новое исследование этого кластера открывает нам секреты того, как тёмная энергия формирует вселенную

В 1920 годах астроном Эдвин Хаббл открыл, что вселенная является не статичной, а наоборот – расширяется. В 1998 году Космический телескоп Хаббл, названный в честь известного астронома, изучал далёкие сверхновые и обнаружил, что вселенная в древние времена расширялась гораздо медленнее, чем сейчас.

Это потрясающее открытие ошеломило учёных, которые долгое время считали, что гравитация должна постепенно замедлять расширение вселенной, или даже привести к её сжатию. Попытки объяснить ускоренное расширение вселенной привели к причудливой и горячо обсуждаемой концепции тёмной энергии, которая считается загадочной силой, которая растягивает космос со всё увеличивающейся скоростью.

И хотя тёмная энергия как считается составляет около 73 процентов вселенной, сама сила остаётся неуловимой и до сих пор не была напрямую обнаружена.

«Тёмная энергия может так никогда и не открыть нам свою природу», пишет автор статей для журнала Science Адриан Чо. «Но тем не менее, учёные продолжают надеяться, что природа однажды согласиться сотрудничать и они смогут раскрыть происхождение тёмной энергии».

Насколько горяча тёмная материя?

В 1960 и 1970 годах астрономы предложили гипотезу, согласно которой вселенная может иметь гораздо большую массу материи, чем та, что мы видим. Вера Рубин, астроном из Института Карнеги в Вашингтоне изучала скорости движения звёзд в различных точках галактик.

Этот естественный цветной снимок галактик был сделан с помощью телескопа Хаббл и Канадо-Французско-Гавайского телескопа на Гавайях

Рубин заметила, что между скоростью звёзд в центре галактики и более отдалённых периферийных районов не было почти никакой разницы. Этот результат шёл в разрез с базовой ньютоновской физикой, с точки зрения которой звёзды на окраинах галактики должны были вращаться более медленно.

Астрономы объяснили этот загадочный феномен с помощью невидимой материи, которая стала известна как «тёмная материя». Даже несмотря на то, что она не может быть увидена, тёмная материя имеет массу, так что учёные делают заключение о её наличии по гравитационному воздействию, которое она оказывает на обычную материю.

Тёмная материя как считается составляет около 23 процентов вселенной, в то время как только 4 процента вселенной состоит из обычной материи, которая включает в себя звёзды, планеты и людей.

«Учёные до сих пор не знают, что такое тёмная материя, но это положение вещей может скоро измениться», пишет Чо. «В течение ближайших лет физики могут обнаружить частицы тёмной материи».

Но хотя астрономы и могут в ближайшем будущем найти частицы тёмной материи, конкретные её свойства до сих пор остаются неизвестными.

«В частности, исследования карликовых галактик могли бы проверить, является ли тёмная материя холодной, как предполагает стандартная теория, или более тёплой – фактически, это вопрос размеров частиц тёмной материи», объясняет Чо.

Где находятся исчезнувшие барионы?

Учёные использовали Рентгеновскую обсерваторию Чандра НАСА, чтобы засечь огромный резервуар газа, лежащий вдоль стеноподобного комплекса галактик в 400 миллионах световых лет от Земли. В этой художественной обработке показан близкий вид на так называемую Стену Скульптора. Это открытие является сильнейшим имеющимся на данный момент свидетельством, что «невидимая материя» в ближней к нам части вселенной представляет собой гигантскую сеть горячего разряжённого газа

Так называемая барионная материя состоит из таких частиц, как протоны и электроны, и составляет большую часть видимой материи во вселенной.

«В ходе подсчёта количества барионов от ранней вселенной до наших дней, астрономы обнаружили, что их число таинственным образом уменьшается, как если бы барионы постепенно исчезали из нашей вселенной», пишет Юдхиджит Бхатачарья, автор статей для журнала Science.

Согласно Бхатачарье, астрофизики предполагают, что исчезнувшая барионная материя может находиться между галактиками в виде вещества, известного как горяче-тёплая межгалактическая среда (WHIM).

Обнаружение исчезнувших барионов представляет собой одну из приоритетных задач астрономии, поскольку эти наблюдения должны помочь исследователям понять, каким образом космическая структура и галактики развивались с течением времени

Как взрываются звёзды?

Когда массивная звезда истощает свои запасы ядерного топлива и умирает, происходит впечатляющая взрывная реакция, называемая «сверхновая», которая может на короткий промежуток времени светить ярче, чем целая галактика.

Слева: снимок произведённой лазером ударной волны. Более яркие цвета соответствуют областям с большей плотностью температуры. Справа: симуляция коллапсирующей взрывной волны, возникшей в пре-галактической фазе.

На протяжении многих лет учёные изучают сверхновые и воспроизводят их с помощью сложных компьютерных моделей, но как в действительности происходят эти гигантские взрывы до сих пор остаётся астрономической загадкой.

«В последние годы прогресс в создании суперкомпьютеров позволил астрономам симулировать внутренние состояния звёзд со всё большей заданной сложностью, что помогает лучше понимать механику звёздных взрывов», пишет Бхатачарья. «И, тем не менее, многие детали того, что происходит внутри звезды и приводит её к взрыву, а также то, как происходит сам процесс образования сверхновой, остаётся загадкой».

Что ре-ионизирует вселенную?

Широко распространённой теорией о происхождении и эволюции вселенной является модель Большого Взрыва, которая утверждает, что космос начался с невероятно горячей и плотной точки приблизительно 13.7 миллиарда лет назад.

Динамическая фаза в истории ранней вселенной, около 13 миллиардов лет назад, носит название эры ре-ионизации. В течение этого периода водородный газовый туман ранней вселенной рассеялся и впервые стал прозрачным для ультрафиолетового света.

«В течение 400 тысяч лет после Большого Взрыва протоны и электроны достаточно остыли, чтобы их обоюдное притяжение соединило их в атомы нейтрального водорода», пишет научный автор Эдвин Картлидж. «И теперь фотоны, которые прежде рассеивались из-за столкновений с электронами, смогли свободно путешествовать через вселенную».

Это художественное представление показывает галактики в период времени менее одного миллиарда лет после Большого Взрыва, когда вселенная всё ещё была частично заполнена водородным туманом, который поглощал ультрафиолетовый свет

Несколько сотен миллионов лет спустя электроны оказались вновь выбиты из атомов.

«На этот раз, однако, расширение вселенной достаточно сильно разрядило протоны и электроны – таким образом, что новые источники энергии предотвращали их повторную рекомбинацию. «Суп из частиц» был также достаточно разряжённым, чтобы большинство фотонов могло проходить через него без столкновений с другими частицами. В результате, большая часть материи во вселенной превратилась в излучающую свет ионизированную плазму, которой она остаётся и в наши дни».

Что является источником наиболее высокоэнергетических космических лучей?

Проблема источника космических лучей уже давно занимает астрономов, которые потратили более ста лет на исследование происхождения этих энергетических частиц.

Нам мало что известно о высокоэнергетических космических лучах, которые регулярно проникают через атмосферу нашей планеты. Недавно полученные данные оспаривают ведущие теории, которые предполагают, что эти лучи происходят от вспышек гамма-излучения

Космическое излучение – это заряженные субатомные частицы, в основном протоны, электроны и заряженные ядра простейших элементов – которые приходят в нашу Солнечную систему из глубокого внешнего космоса. По мере того, как космические лучи проникают в Солнечную систему из других частей нашей галактики, их пути искривляются магнитными полями Солнца и Земли.

Самые сильные космические лучи обладают невероятной мощностью, имея энергию до ста миллионов раз большую, чем частицы, полученные в рукотворных коллайдерах. И, тем не менее, происхождение этих странных частиц до сих пор остаётся загадкой.

«Даже после столетия изучения космических лучей, наиболее высокоэнергетические из этих космических лучей упорно остаются таинственными визитёрами и, по-видимому, намерены хранить свои секреты ещё долгие годы», пишет Дэниел Клери, представитель новостного редактора журнала Science.

Почему наша Солнечная система такая странная?

По мере того как астрономы и исследователи космоса открывают чужие планеты вокруг других звёзд, они всё более отчётливо осознают уникальные характеристики нашей собственной Солнечной системы.

Например, хотя они сами по себе и невероятно различны, но у четырёх внутренних планет нашей системы имеются каменистые внешние оболочки и ядра из расплавленного металла. Четыре внешних планеты сильно различаются, и каждая обладает своими собственными уникальными характеристиками. Учёные изучают процессы формирования планет в надежде понять, как образовалась наша Солнечная система, но ответы на подобные вопросы, похоже, не будут простыми.

«Над всеми попытками объяснить разнообразие планет в нашей системе реет призрак простой случайности», пишет Ричард Керр, автор статей для журнала Science. «Компьютерные симуляции показывают, что процессы, протекающие в нашей всё ещё формирующейся планетарной системе, могли бы также легко привести к появлению трёх или пяти планет земного типа вместо четырёх».

Но поиски чужих миров могут дать учёным прозрение в природу гораздо более близких к нашему дому планет.

Почему Солнечная корона такая горячая?

На этом снимке, полученном Обсерваторией наблюдения за солнечной активностью НАСА, гигантский язык ионизированной плазмы вырывается из Солнца в точке 1283. Эта точка образовала четыре солнечных вспышки и три коронарных выброса материи за период 6-8 сентября 2011 года

Ультрагорячая внешняя атмосфера Солнца называется короной, и он обычно разогрета до температур от 500 тысяч до 6 миллионов градусов Цельсия.

«Большую часть столетия физики, изучающие Солнце, не могли разгадать загадку способности Солнца подогревать свою корону, тонкую круговую оболочку света, которая видна во время полного солнечного затмения», пишет Керр.

Астрономы сузили круг потенциальных объяснений до энергии, лежащей под видимой поверхностью звезды и процессов, протекающих в магнитном поле Солнца. Но точный механизм коронарного нагрева до сих пор неизвестен.

«Не только сам способ, которым магнитное поле переносит энергию, является предметом споров, но и механизм её накопления по достижении короны остаётся загадкой», пишет Керр.