Земля в ударе Рождение Луны и космологическое закрытие года

О том, из чего сделан спутник Земли и почему это важно, как нашли темную материю в нашей галактике
и не нашли гравитационные волны ранней Вселенной, а также о самой далекой галактике — в обзоре астрономических новостей и открытий «Ленты.ру».

Близнецы-сестры

Наиболее вероятный сценарий происхождения Луны, как считают сегодня ученые, описывается теорией гигантского столкновения. Ее суть в том, что примерно через 50-100 миллионов лет после образования солнечной системы все еще горячая Земля столкнулась с другой протопланетой, масса которой была лишь в 2-5 раз меньше самой Земли. В результате на околоземной орбите образовался рой обломков, которые, соединившись вместе, образовали Луну. При этом строительный материал для Луны лишь на 20 процентов состоял из вещества протоземли, основные 80 — материя столкнувшегося с ней космического тела.

Эта теория объясняет почти все особенности системы Земля—Луна куда убедительнее, чем альтернативные версии (например, о гравитационном захвате Луны Землей). Но некоторые факты ей противоречат. В частности, давно известно, что изотопный состав лунной коры (соотношение содержания стабильных изотопов кислорода 16O, 17O и 18O) практически идентичен земному. Соотношение количества разных изотопов является своего рода «генетическим кодом» исследуемого космического тела — то есть определяется свойствами материи, из которой тело образовалось. И совпадение изотопных составов для двух объектов означает их очень близкое родство. В отношении Земли и Луны это говорит о том, что либо Луна в прошлом была частью Земли (есть и такая теория), либо состав импактора (столкнувшегося с ней небесного тела) был практически идентичен земному (при том что изотопный состав планет солнечной системы варьируется в очень широком диапазоне).

В случае столкновения Земли с внешним, независимо образованным космическим телом вероятность того, что их изотопные составы совпадают, невероятно мала. Кроме того, недавнее моделирование показало, что в молодой солнечной системе чаще сталкивались объекты разного состава.

Однако, обращают внимание авторы новой работы, гигантские столкновения ранее детально не изучались, так как их вероятность невелика, требует накопления статистики и больших вычислений. Поэтому трое ученых из Израиля и Франции создали модель молодой солнечной системы и населили ее несколькими тысячами больших и маленьких протопланет.

В результате исследования выяснилось, что именно при гигантских столкновениях различие между изотопным составом тел достаточно невелико. То есть протоземля могла сталкиваться и с большими, и с маленькими телами, но крупный объект с большей вероятностью имел тот же изотопный состав, что и наша планета.

Авторы не обсуждают фундаментальные причины такого результата, но если предполагать, что он получен корректно, то теория не простого, а именно гигантского столкновения уже объясняет схожесть изотопных составов коры Земли и Луны. И тем самым раскрывает одну из загадок происхождения нашего спутника.

Потемнело

Темная материя (ТМ) — это нечто, существование чего мы вынуждены предположить для описания скорости движения звезд в галактиках. Проблема в том, что звезды двигаются по своим орбитам вокруг галактических центров слишком быстро. Всей массы светящейся материи, которую можно наблюдать в отдельно взятой галактике, недостаточно для того, чтобы ее звезды не разлетались в межгалактическое пространство. Можно сказать, что звезды двигаются со скоростями, превышающими четвертую космическую. То же относится и к скоплениям галактик. Чтобы разрешить этот парадокс, еще в 1930-х годах американский астроном Фриц Цвикки предположил, что в галактиках кроме видимой есть еще и невидимая материя — темная, которая вносит существенный вклад в притяжение. И она может составлять до 95 процентов всей галактической массы.

Природа темной материи (ТМ) по сей день неясна, хотя учеными выдвинуто немало гипотез: от существования частиц нового типа (пожалуй, наиболее перспективная идея) до предложения внести коррективы во второй закон Ньютона. Многие свойства ТМ нам известны по наблюдениям за тысячами других галактик, а вот распределение этой загадочной субстанции в нашей родной галактике (Млечном Пути) известно немного. ТМ, оказывается, удобнее изучать на расстоянии.

Дело в том, что ТМ начинает себя проявлять только на достаточно большой дистанции от центра галактики, и существенно увеличивает скорости в основном далеких от центра звезд. Поэтому существующие оценки структуры и количества темной материи в нашей галактике в какой-то степени экстраполяция свойств движения звезд и газа на ее периферии. При этом для определения используется априорная модель распределения ТМ в Галактике, — с точки зрения науки процедура вполне корректная, но не до конца честная.

Теперь ситуацию исправили трое европейских ученых. Они собрали прямые измерения скоростей движения почти 3000 источников (звезд, облаков газа, мазерных источников) в нашей галактике, распределенных по расстояниям от 3 до 20 килопарсек от центра (к слову, Солнце находится на расстоянии восьми килопарсек от центра Млечного Пути).

Также астрономы использовали модели распределения по галактике светящегося вещества разной природы (звезд диска и центрального утолщения, газа), полученные разными исследовательскими группами за последние 17 лет. Это независимые данные об устройстве нашего звездного дома, позволяющие рассчитать, каким было бы движение звезд, если бы гравитация создавалась только светящейся компонентой.

Сравнение последней модели с прямыми измерениями должно было дать независимый ответ о структуре ТМ в галактике — или хотя бы прямое доказательство ее существования во внутренних областях (ближе шести-восьми килопарсеков от центра). Полученный результат оказался, к радости ученого сообщества, вполне ожидаемым: даже во внутренних областях Галактики значимо недостает излучающего вещества для того, чтобы объяснить скорости движения звезд. По сути, это первое независимое подтверждение существования ТМ на меньших расстояниях от центра, чем до Солнца.

Объема сделанных измерений, увы, пока не достаточно для того, чтобы говорить еще и о виде распределения ТМ во внутренних областях. Но это лишь вопрос времени и новых наблюдений.

Великое закрытие

Иногда в астрофизике делаются не только большие открытия, но и значительные закрытия. И они тоже сопровождаются серией статей, докладов и обнародованием новых научных результатов.

Немного истории. В марте 2014 года ученые эксперимента BICEP2 (микроволнового телескопа, расположенного на Южном полюсе в Антарктиде) опубликовали результаты исследования космологического реликтового излучения (cosmic microwave background radiation, CMB) на частоте 150 гигагерц. Главный вывод был следующий: свойства поляризации указывают на наличие гравитационных волн на ранних этапах жизни Вселенной (задолго до образования первых звезд и галактик) — а значит, на справедливость так называемой теории космологической инфляции. Последняя является ключевым звеном в наших представлениях о возникновении Вселенной со всеми ее известными свойствами.

Теория инфляции на сегодняшний день — больше чем догадка, но меньше чем твердо установленный факт. Необходима экспериментальная проверка ряда прямых ее предсказаний, одно из которых как раз относится к свойствам поляризации микроволнового фона. Инфляция должна приводить к возникновению мелкомасштабных возмущений кривизны пространства-времени, которое породили бы гравитационные волны, которые, в свою очередь, привели бы к «вихреподобной» форме распределения плоскостей поляризации разных областей CMB. Это так называемая B-мода поляризации.

Собственно, ученые BICEP2 и заявили об экспериментальном обнаружении последней. В эксперименте действительно участвовало два набора инструментов — BICEP2 и Keck Array, расположенный на том же Южном полюсе (дублирование позволило увеличить точность измерений).

И сразу же научный мир подверг представленный результат содержательной критике. Оснований сомневаться в том, что эффект (B-мода поляризации) действительно существует, не было. Но вот его физические причины вызвали сомнения.

Одна из главных проблем в наблюдениях CMB заключается в том, что на реликтовый фон приходится смотреть сквозь толщу вещества нашей солнечной системы, галактики, межгалактического пространства и так далее. И это пространство не пусто — оно заполнено как отдельными источниками (звездами, галактиками), так и диффузной составляющей в виде пыли. Вклад этих объектов в регистрируемое излучение нужно вычесть, но сделать это непросто. Кроме того, в галактике есть свое магнитное поле: пылинки, содержащие металлы, выстраиваются вдоль силовых линий и влияют на поляризацию проходящего излучения. И главное — эффект, создаваемый пылинками, очень похож на ту самую B-моду поляризации, которую ищут космологи! Поэтому для того, чтобы ее обнаружить, необходимо хорошо понимать, как именно распределена пыль в нашей галактике.

Исследование Вселенной — это нелинейный квест, в котором порой нельзя решить одну задачу, не решив при этом другую, вроде бы непосредственно не связанную с первой. И, разумеется, ученые BICEP2/Keck это понимали. Они использовали ту модель распределения пыли, которая казалась лучшей на тот момент. После публикации их работы другая международная команда ученых, работающая с космической обсерваторией «Планк», провела новые наблюдения той же области неба. Особенность наблюдений «Планка» в том, что они проводятся на нескольких длинах волн (от 30 до 350 гигагерц), а не на единственной, как у BICEP2/Keck, пусть даже чувствительность последнего выше. Но именно многочастотные измерения позволяют корректно выделить вклад пыли в поляризацию излучения. Первые результаты этих измерений были опубликованы еще в сентябре 2014 года, а недавно вышла совместная работа ученых BICEP2/Keck и «Планка» (целую страницу статьи занимает только список авторов!), в которой они окончательно признают, что полученные в марте 2014 года выводы были вызваны неполным учетом влияния пыли внутри Галактики на излучение CMB. Для последующих наблюдений, видимо, лучше выбрать менее запыленные области Галактики. Что, будем надеяться, скоро и сделают.

Дважды самая галактика

Международная группа астрофизиков, проводившая наблюдения на десятиметровом телескопе им. Кека (Гавайи, США) , объявила об открытии самой далекой из известных (и при этом самой яркой по светимости) галактики. Объект расположен на красном смещении z = 7,73, что соответствует расстоянию в 13 миллиардов световых лет. То есть в тот момент, когда был испущен зарегистрированный от этой галактики свет, Вселенной было всего 700 миллионов лет.

Искушенный читатель, наверное, уже заподозрил подвох. Действительно, сообщения о галактиках, расположенных на красных смещениях 8, 9 и даже больше не так уж редки. Такие объекты в наши дни широко изучаются, так как их свойства определяются свойствами Вселенной в так называемую эпоху реионизации. В те времена (500-800 миллионов лет после Большого взрыва) только что образованные первые звезды своим излучением повторно ионизовали нейтральный (со времен последнего рассеяния) водород.

Однако особенность этих исследований в том, что зачастую вывод о расстоянии (красном смещении) для этих галактик приходится делать на основе не спектральных, а фотометрических наблюдений. В первом случае исследуется спектр галактики: в нем находятся линии излучения известных элементов и напрямую измеряется их сдвиг в красную (длинноволновую) сторону вследствие расширения Вселенной. Это и есть красное смещение, которое напрямую зависит от расстояния. Второй же метод подразумевает работу не со спектром, а с измеренным потоком от объекта в разных, довольно широких диапазонах длин волн. При этом теряется много информации. Но, предполагая определенный характер спектра исследуемой галактики, можно приемлемо оценить величину ее z. Такой метод в целом корректен, но к его результатам ученые относятся с осторожностью.

Большинство измерений z наиболее далеких объектов получены именно фотометрически. А вот прямых спектральных подтверждений этих оценок очень мало. И свежий вывод о z = 7,73 для галактики EGS-zs8-1 стал одним из таких подтверждений. Таким образом, EGS-zs8-1 — наиболее далекая из известных, со спектрально (то есть напрямую и уверенно) подтвержденным расстоянием.

Свойства EGS-zs8-1 оказались, в общем, стандартными для соответствующей эпохи, хотя и вызвали у исследователей ряд вопросов, которые авторы обещали проанализировать в ходе дальнейшей работы.