Млечный Путь № 2 2021

Шимон Давиденко. Невидимое вещество Вселенной

Что там, в вышине?

"Млечный Путь" продолжает публикацию научных новостей с интернет-портала Live Science.

Перевод с английского: Шимон Давиденко

Внутри Земли может скрываться остаток протопланеты

Николетта Ланезе

Рис Протопланета

Около 4,5 миллиардов лет назад в молодую Землю врезалась протопланета Тейя, выбив кусок породы, который позже стал Луной. Ученые говорят, что остатки этой протопланеты все еще можно найти глубоко внутри Земли.

Эта гипотеза может объяснить, почему две огромные "капли" горячей породы размером с континент сейчас лежат в мантии Земли - одна под Африкой, а другая под Тихим океаном. Эти массивные "капли" были бы примерно в сто раз выше Эвереста, если бы когда-нибудь поднялись на поверхность Земли. Удар Тейи сформировал Луну и превратил поверхность Земли в бурлящий океан магмы. Некоторые ученые предполагают, что "капли" образовались, когда магма охладилась и кристаллизовалась. Другие считают, что "капли" содержат земные породы, которые каким-то образом избежали последствий столкновения и безмятежно скрывались в течение многих миллионов лет рядом с центром планеты.

На Конференции по изучению Луны и планет Цянь Юань, докторант геодинамики в Университете Темпе (штат Аризона), представил альтернативную гипотезу. Он предположил, что после лунного удара плотный материал из мантии Тейи спустился глубоко под поверхность Земли, накапливаясь в том, что мы теперь знаем как "капли". Согласно моделям Юаня, "капли" на 1,5-3,5% плотнее мантии Земли и не смешиваются с окружающими породами. Они опустятся на дно мантии, ближе к ядру Земли.

"Эта безумная идея, по крайней мере, возможна", - сказал Юань.

Выводы о размере и химическом составе Тейи были сделаны на основе анализа лунных пород, привезенных экспедициями "Аполлона". У этих пород гораздо более высокое соотношение легкого и тяжелого водорода, чем у пород на Земле. (Легкий и тяжелый водород различаются количеством нейтронов в ядре каждого атома.) Чтобы снабдить Луну таким количеством легкого водорода, Тейя должна была во время удара быть очень большой, почти размером с Землю, и очень сухой, поскольку вода, образовавшаяся в межзвездном пространстве, содержит тяжелую форму водорода - дейтерий, который в Тейе отсутствует. Между тем внутренняя часть огромной протопланеты должна была содержать плотную, богатую железом мантию.

Согласно теории Юаня, в то время, как более легкие камни устремились в космос, чтобы сформировать Луну, куски богатой железом мантии после удара Тейи устремились вниз, к ядру Земли, где осели и образовали загадочные "капли".

Самое безопасное место для жизни

Мара Джонсон-Гро

Рисунок Млечный Путь

Ученые обнаружили, что самое безопасное место для жизни в Млечном Пути находится на расстоянии примерно 26 000 световых лет от его центра.

Астрономы исследовали весь Млечный Путь, чтобы определить самые безопасные места для жизни в нашей Галактике. Новые результаты были получены группой итальянских астрономов, изучавших области Галактики, где мощные космические взрывы могли уничтожить жизнь. Во время взрывов, таких, как сверхновые и гамма-всплески, в межзвездное пространство выбрасываются частицы высоких энергий и радиация, которые могут разорвать молекулу ДНК. По этой логике, регионы, более благоприятные для жизни, будут без частых взрывов. Помимо обнаружения самых смертоносных горячих областей, астрономы также определили самые безопасные места на протяжении всей истории Галактики, насчитывающей 11 миллиардов лет. Результаты показывают, что в настоящее время мы находимся на самой границе широкой гостеприимной области.

Многие факторы делают планету пригодной для жизни. Например, планета должна находиться в зоне обитаемости своей звездной системы, где тепло и активность звезды-хозяина не слишком велики и не слишком малы. Помимо зависимости от физических характеристик звезды, жизни также приходится бороться с вредной радиацией из межзвездного пространства. Мощные космические явления, такие, как сверхновые звезды и гамма-всплески, вызывают поток опасных высокоэнергетических частиц, летящих почти со скоростью света. Они могут не только убить все известные нам формы жизни, но даже лишить планеты атмосферы. Ученые полагают, что после такого события планеты, вращающиеся вокруг близлежащих звездных систем, будут уничтожены.

Близкий гамма-всплеск, возможно, сыграл важную роль в массовом вымирании на Земле, произошедшем около 450 миллионов лет назад - втором по величине массовом вымирании в истории. Нет конкретных доказательств, связывающих гамма-всплеск с этим вымиранием, но авторы исследования думают, что это вполне вероятно, учитывая положение Земли в Галактике.

Используя модели звездообразования и эволюции, астрономы рассчитали, когда и какие области Галактики были залиты смертоносным излучением. В начале истории Галактики в ее внутренней области на расстоянии около 33000 световых лет от центра происходило интенсивное звездообразование, что сделало эту область негостеприимной. В то время Галактику часто сотрясали мощные космические взрывы, но самые отдаленные области, где было меньше звезд, в основном, избежали катаклизмов. Примерно 6 миллиардов лет назад большая часть Галактики регулярно подвергалась стерилизации в результате мощных взрывов. По мере старения Галактики такие взрывы происходили все реже. Сегодня самой безопасной является кольцевая область между 6500 и 26000 световых лет от центра Галактики. Ближе к центру все еще много сверхновых, а на окраинах меньше планет земной группы и больше гамма-всплесков.

К счастью для нас, наши галактические окрестности становятся все более благоприятны для жизни. В долгосрочном галактическом будущем поблизости от Солнечной системы будет меньше экстремальных событий, которые смогут вызвать новое массовое вымирание.

"Выводы новой статьи кажутся на первый взгляд разумными, - сказал Стивен Деш, астрофизик из Университета штата Аризона. - Мне приятно отметить, что у авторов реалистичные ожидания. Они учитывают факторы, о которых иногда люди забывают, например, что энергия и вещество, выделяемые гамма-всплесками, распространяются не одинаково во всех направлениях".

Новое исследование может однажды помочь астрономам решить, где искать обитаемые экзопланеты.

Могут ли инопланетяне найти жизнь на Земле?

Джеймс Мэйнард

Рисунок Жизнь

Вопрос "существует ли жизнь в других мирах?" наводит на мысль о том, смогут ли внеземные существа найти жизнь в нашем родном мире. В настоящее время астрономам известно более 4500 экзопланет, многие из которых были обнаружены, когда они проходили перед диском своей родительской звезды, если смотреть с Земли, и затемняли излучение ее поверхности.

"Давайте изменим точку зрения землянина на точку зрения обитателей других звездных систем и спросим, другие наблюдатели могли ли найти Землю, как планету, проходящую перед диском Солнца", - заявила Лиза Калтенеггер, доцент Института Карла Сагана Корнельского университета. Астрономы обраружили 1004 звездных системы с центральной звездой, похожей на Солнце, и экзопланетами, вращающимися в пределах обитаемой зоны с умеренными температурами.

Инопланетные астрономы, живущие в мирах, совпадающих с плоскостью орбиты Земли, увидели бы, как наша планета проходит перед Солнцем. Наблюдая свет, проходящий через нашу атмосферу, инопланетные исследователи обнаружили бы большую концентрацию кислорода, наряду с метаном и другими газами, свидетельствующими о наличии жизни в нашем мире.

Астрономы только сейчас начинают исследовать атмосферы планет, вращающихся вокруг других звезд, в поисках явных признаков жизни. В ближайшие годы астрономы смогут найти химические "отпечатки" жизни на других мирах.

Космический телескоп Джеймса Уэбба, запуск которого запланирован на 2021 год, будет способен исследовать атмосферы далеких планет в поисках явных признаков жизни. "Основной способ исследования планет, вращающихся вокруг далеких звезд, - это измерение регулярных провалов в звездном излучении, вызванных прохождениями планет по диску звезды", - заявил доктор Барнаби Норрис из Сиднейского университета.

Движение светового луча в атмосфере Земли вызывает мерцание звезд. Хотя мерцание прекрасно звездной ночью, оно разрушает точность астрономических наблюдений. Из-за этого почти все открытия экзопланет были сделаны с помощью космических телескопов. В адаптивной оптике для измерения искажений в атмосфере используется лазер. Информация об атмосферных неоднородностях подается на компьютеризированные двигатели, которые деформируют зеркала, корректируя мерцание. Новый датчик фотонного волнового фронта, разработанный в Сиднейском университете, использует искусственный интеллект и машинное обучение для коррекции этого искажения на наземных телескопах. Это позволит астрономам искать на экзопланетах химические "отпечатки" жизни.

"Если мы ищем разумную жизнь во Вселенной, она могла бы найти нас и, возможно, захотела бы выйти на связь. Мы только что создали звездную карту Галактики, где нам следует искать в первую очередь", - сказал Калтенеггер. - Некоторые из звезд, идентифицированных в этом исследовании, можно увидеть с Земли без бинокля или телескопа. Когда вы смотрите на звезды, всегда помните, что кто-то или что-то там может смотреть на нас".

Вселенная не является чисто математической по своей природе

Итан Сигель

Многие из самых популярных идей теоретической физики имеют общую черту: они начинаются с математической основы и стремятся объяснить больше явлений, чем нынешние преобладающие теории. Основы общей теории относительности и квантовой теории поля хороши, но они принципиально несовместимы друг с другом и не могут в достаточной мере объяснить темное вещество, темную энергию или причину, по которой наша Вселенная заполнена веществом, а не антивеществом.

Это правда, что математика позволяет нам количественно описать Вселенную. Математика - невероятно полезный инструмент, если его правильно применить. Но Вселенная - физическая, а не математическая сущность, и между ними есть большая разница. Вот почему одной математики всегда будет недостаточно для достижения фундаментальной теории всего.

Рисунок Орбиты

Одна из величайших загадок 1500-х годов: почему планеты время от времени двигаются ретроградным образом. Это можно объяснить либо с помощью геоцентрической модели Птолемея, либо с помощью гелиоцентрической модели Коперника. Однако доведение деталей до произвольной точности потребовало теоретического прогресса в нашем понимании правил, лежащих в основе наблюдаемых явлений. Это привело к законам Кеплера и, в конечном итоге, к теории всемирного тяготения Ньютона.

Около 400 лет назад развернулась битва идей о природе Вселенной. На протяжении тысячелетий астрономы точно описывали орбиты планет, используя геоцентрическую модель, в которой Земля была неподвижной, а все другие объекты вращались вокруг нее. Точное математическое описание орбит небесных тел поразительно соответствовало тому, что видели астрономы. Однако совпадение не было идеальным, и попытки улучшить его приводили либо к появлению новых эпициклов, либо, в XVI веке, к гелиоцентризму Коперника. Когда Коперник поместил Солнце в центр мира, объяснение ретроградного движения планет стало проще, но соответствие данным наблюдений - хуже.

Рисунок Прибор

У Кеплера была блестящая идея, способная все решить. Рассматривая орбиту каждой планеты на сфере, поддерживаемой одним (или двумя) из пяти Платоновых тел, Кеплер предположил, что должно быть шесть планет с точно определенными орбитами. Он также заметил, что математически существует только пять Платоновых тел: пять математических объектов, все грани которых представляют собой равносторонние многоугольники. Рисуя сферу внутри и снаружи каждого из них, он мог "вложить" их так, чтобы они идеально соответствовали планетным орбитам: лучше, чем все, что делал Коперник. Это была блестящая, красивая математическая модель и, возможно, первая попытка построить то, что сегодня можно назвать "элегантной Вселенной". Но с точки зрения наблюдений попытка не удалась. Она не могла быть даже такой же хорошей, как древняя модель Птолемея с ее эпициклами и дифферентами. Это была блестящая идея и первая попытка спорить - используя только чистую математику, - какой должна быть Вселенная. Но это не сработало.

Затем последовал гениальный ход, который определил наследие Кеплера. Три закона о том, что планеты движутся по эллипсам с Солнцем в одном из фокусов, что они охватывают равные площади за равное время и что квадрат периода обращения планеты вокруг Солнца пропорционален кубу большой полуоси. Законы Кеплера одинаково применимы к любому гравитационному полю.

Рисунок Законы Кеплера

Это был революционный момент в истории науки. Математика не лежала в основе физических законов, управляющих природой; это был инструмент, описывающий, как проявляются физические законы природы. Ключевой прогресс заключался в том, что наука должна быть основана на наблюдаемых и измеримых величинах, и любая теория должна соответствовать наблюдениям. Без наблюдений и теории прогресс был бы невозможен.

Эта идея возникала снова и снова на протяжении всей истории, поскольку новые математические изобретения и открытия давали новые инструменты для попыток описания физических систем. Но каждый раз дело было не только в том, что новая математика рассказывала, как устроена Вселенная. Новые наблюдения показывали, что требуется нечто, выходящее за рамки понимаемой в настоящее время физики, и одной чистой математики недостаточно.

Рисунок Пространство

Мы часто визуализируем пространство как трехмерную сетку, хотя это чрезмерное упрощение, зависящее от того, как мы рассматриваем концепцию пространства-времени. На самом деле пространство-время искривлено присутствием материи, а расстояния не фиксированы, а могут эволюционировать по мере расширения или сжатия Вселенной. К началу 1900-х годов стало ясно, что механика Ньютона в беде. Она не могла объяснить, как объекты движутся со скоростью, близкой к скорости света, что привело к специальной теории относительности Эйнштейна. Теория всемирного тяготения Ньютона находилась в такой же беде, поскольку не могла объяснить движение Меркурия вокруг Солнца. Такие концепции, как пространство-время, только формулировались, но идея неевклидовой геометрии (где само пространство могло быть искривленным, а не плоским, как трехмерная сетка) десятилетиями витала в умах математиков. К сожалению, разработка математической основы для описания пространства-времени (и гравитации) требовала большего, чем чистая математика.

Нужна была математика особая, которая согласовывалась бы с наблюдениями за Вселенной. По этой причине все мы знаем имя Альберта Эйнштейна, но очень немногие знают имя Дэвида Гильберта. Появление массивных тел в трехмерном пустом пространстве приводит к тому, что линии, которые были бы "прямыми", становятся изогнутыми на определенную величину.

Рисунок Гильберт

У обоих ученых были теории, связывающие искривление пространства-времени с гравитацией и наличием материи. У обоих были похожие математические формализмы. Сегодня важное уравнение общей теории относительности известно было бы как уравнение Эйнштейна-Гильберта. Но Гильберт, который предложил собственную независимую теорию гравитации, преследовал более серьезные цели, чем Эйнштейн: его теория применялась как к веществу, так и к электромагнетизму и гравитации. А это не соответствовало природе. Гильберт строил математическую теорию, которую считал применимой в природе, но так и не смог получить успешные уравнения, предсказывающие количественные эффекты гравитации. Эйнштейн смог это сделать, и поэтому уравнения поля известны как уравнения поля Эйнштейна, без упоминания Гильберта.

Без соотнесения с реальностью у нас вообще нет физики. Электроны проявляют волновые свойства, а также свойства частиц, и их можно использовать для построения изображений или измерения размеров частиц так же хорошо, как и свет.

Рисунок Щель

Здесь вы можете увидеть результаты эксперимента, в котором электроны запускаются по одному через двойную щель. Как только будет выпущено достаточное количество электронов, можно отчетливо увидеть интерференционную картину.

Нельзя просто пропустить электрон через двойную щель и знать, исходя из всех начальных условий, куда он попадет. Требовался новый тип математики, основанный на волновой механике и наборе вероятностных результатов. Сегодня мы используем математику векторных пространств и операторов, и студенты-физики изучают гильбертово пространство. Тот же математик Дэвид Гильберт открыл набор математических векторных пространств, которые были чрезвычайно многообещающими для квантовой физики. Только, опять же, его предсказания не имели никакого смысла при сопоставлении с физической реальностью. Для этого нужно было внести некоторые изменения в математику, создав то, что некоторые называют физическим гильбертовым пространством. Математические правила нужно применять с определенными оговорками, иначе свойства нашей физической Вселенной никогда не будут правильно описаны.

Сегодня в теоретической физике стало очень модно обращаться к математике как к потенциальному пути к еще более фундаментальной теории реальности. За прошедшие годы был опробован ряд математических подходов:

наложение дополнительных симметрий,

добавление дополнительных размерностей,

добавление новых полей в общую теорию относительности,

добавление новых полей в квантовую теорию,

использование более крупных групп (из математической теории групп) для расширения Стандартной модели.

Эти математические исследования интересны и потенциально актуальны для физики: они могут содержать ключи к разгадке того, какие секреты может хранить Вселенная помимо тех, что известны в настоящее время. Но одна математика не может научить нас, как устроена Вселенная. Мы не получим окончательных ответов, не сопоставив предсказания с физической Вселенной.

В некотором смысле это урок, который усваивает каждый студент-физик, впервые вычисляя траекторию объекта, брошенного в воздух. Как далеко он полетит? Где приземлится? Как долго находится в воздухе? Когда вы решаете математические уравнения - уравнения движения Ньютона, - которые управляют этими объектами, вы не получаете единственного "ответа". Вы получите два ответа; вот, что дает вам математика. Но на самом деле объект только один. Он следует только по одной траектории, приземляясь в одном месте в определенное время. Какой ответ соответствует действительности? Математика вам не скажет. Для этого необходимо понять особенности рассматриваемой физической проблемы, так как только это скажет вам, какой ответ имеет физический смысл. Математика уведет вас очень далеко в этом мире, но не даст вам всего. Без сопоставления с реальностью вы не можете надеяться понять физическую Вселенную.

Странные глыбы "инфлатонов" могут быть самыми первыми сооружениями во Вселенной

Мара Джонсон-Гро

Рисунок Инфлатон

Здесь показано одно из плотных скоплений инфлатонов, которые возникли во время фазы инфляции в младенческой вселенной.

Моделирование со сверхвысоким разрешением крошечного кусочка Вселенной - в миллион раз меньше протона - выявило самые первые структуры, которые когда-либо существовали. И эти плотные структуры - странные. Первые триллионные доли секунды после Большого взрыва Вселенная была местом, нагретым до триллиона градусов. Хотя ученые не могут напрямую наблюдать этот момент времени, они могут реконструировать его с помощью мощного компьютерного моделирования. Новое моделирование, более подробное, чем когда-либо прежде, показало, как в эти первые доли секунды гравитация заставляла слипаться квантовые частицы, известные как инфлатоны. Результаты впервые показали, как эти комки материи затем образовывали сложные и плотные структуры с массой от нескольких граммов до 20 килограммов - тяжелее почтовой марки, но легче бульдога, - упакованные в пространстве, занимавшем объем меньше элементарной частицы. Моделирование показывает достаточно деталей, чтобы ученые могли расшифровать диапазон размеров и форм первоначальных структур во Вселенной.

Кроме того, "результаты соответствуют простой теоретической модели, которой почти 40 лет", - сказал соавтор исследования Ричард Истер, профессор физики в Оклендском университете. - Мы открыли эту невероятно сложную фазу в очень ранней Вселенной, которую только начинаем правильно понимать".

Модели описывали состояние Вселенной сразу после окончания инфляции, периода, когда Вселенная резко увеличивалась в размерах. В то время Вселенная содержала только энергию и инфлатоны - квантовую материю, сформировавшуюся из энергетического поля, заполнившего все пространство после Большого взрыва.

Рисунок Инфлатон2

Между начальным и конечным состояниями (вверху слева и справа соответственно) область Вселенной увеличилась в 10 миллионов раз по сравнению с начальным объемом, но все же была во много раз меньше, чем внутреннее пространство протона. Увеличенный комок в нижнем левом углу имел бы массу около 20 килограммов.

Физики считают, что структуры инфлатона, видимые в симуляциях, возникли в результате флуктуаций энергетического поля сразу после Большого взрыва. Это же поле, вероятно, создало крупномасштабные галактические структуры размером в миллиарды световых лет, видимые сегодня во Вселенной. Плотные заполненные инфлатоном структуры, наблюдаемые при моделировании, вероятно, просуществовали недолго, поскольку за доли секунды превратились в элементарные частицы. Но из-за высокой плотности - в 100000 раз больше плотности окружающего пространства - их движения и взаимодействия могли вызвать рябь в ткани пространства-времени, называемую гравитационными волнами.

Новое моделирование поможет ученым точно рассчитать, насколько велики могли быть эти гравитационные волны, что поможет будущим экспериментам искать похожие волны во Вселенной. Маленькие комочки также могли схлопнуться под собственным весом, создав первые черные дыры во Вселенной, которые называются первичными черными дырами. Некоторые ученые считают, что такие черные дыры могут быть кандидатами в темную материю - загадочную субстанцию, которую никто не видел напрямую, но которая сегодня составляет 85% материи во Вселенной.

Физики не видели никаких черных дыр в своих симуляциях, но они планируют в будущем проводить более длинные и детальные симуляции, которые могли бы показать такие объекты.

"Первобытные черные дыры представляют собой интригующую возможность на данный момент - они предоставят новые возможности для тестирования модели", - написал Истер. Поскольку некоторые первичные черные дыры должны сохраняться в современной Вселенной, их обнаружение может помочь проверить модели ранней эволюции Вселенной.

Являются ли темное вещество и темная энергия двумя сторонами одной медали?

Итан Сигель

Когда дело доходит до Вселенной, то, что вы легко видите, не всегда соответствует тому, что есть на самом деле. Это одна из важных причин, по которой теории и наблюдения/измерения должны идти рука об руку: наблюдения говорят о том, что мы видим, используя лучшие из наших измерительных возможностей, а теория позволяет сравнивать то, что мы ожидаем, с тем, что видно на самом деле. Когда наблюдения и теория совпадают, это обычно указывает на то, что мы довольно хорошо понимаем, что на самом деле происходит. Но когда совпадения нет, это признак того, что либо теоретические правила, которые мы применяем, не совсем подходят для этой ситуации, либо есть дополнительные ингредиенты, которые наши наблюдения напрямую не выявили.

Многие из самых больших несоответствий во Вселенной указывают на два дополнительных ингредиента: темное вещество и темную энергию. Могут ли они быть двумя сторонами одной медали? Вот что хочет знать Деннис Дэниел, спрашивая: "Темное вещество и темная энергия отделены друг от друга или интегрированы? Если они разделены, взаимодействуют ли они и что их разделяет? Если они интегрированы, как мы их различим?"

Рисунок Центр

Фотографии сделаны с двадцатилетним промежутком и показывают звезды около центра нашей Галактики. Обратите внимание, как улучшились разрешение и чувствительность аппаратуры. Изображения становятся более резкими, и все центральные звезды вращаются вокруг невидимой точки: центральной черной дыры нашей Галактики, что соответствует предсказаниям общей теории относительности Эйнштейна.

Во Вселенной есть всевозможные головоломки, над которыми стоит задуматься, но в самых больших космических масштабах каждая из них носит гравитационный характер. Мы думаем, что знаем, что такое наша теория гравитации, поскольку общая теория относительности Эйнштейна успешно продолжает проходить тест за тестом. Независимо от того, какое явление мы используем, то, что предсказывает теория, точно совпадает с тем, что мы наблюдаем. Мы видим, как масса отклоняет лучи света в точном соответствии с предсказаниями теории Эйнштейна: от света звезд, отклоняемого Солнцем в нашей Солнечной системе до огромных галактик, квазаров и скоплений галактик, которые гравитационно линзируют фоновый свет. Мы видим гравитационные волны с частотой и амплитудой, которые предсказывает теория Эйнштейна для слияния черных дыр и движущихся по спирали друг около друга нейтронных звезд.

Список успехов Эйнштейна велик: от гравитационного красного смещения до эффекта Лензе-Тирринга и прецессии черных дыр на орбитах в двойных системах, до гравитационного замедления времени и многого другого. Все тесты, которые мы придумали провести для проверки общей теории относительности - от экспериментов на Земле и наблюдений в Солнечной системе до изучения сигналов с расстояния в миллиарды световых лет, - все указывают на то, что теория относительности верна при всех известных обстоятельствах.

Рисунок Скопление

Массивное скопление (слева) увеличило далекую звезду, известную как Икар, более чем в 2000 раз, что сделало ее видимой с Земли (внизу справа), несмотря на то, что звезда находится на расстоянии 9 миллиардов световых лет, слишком далеко, чтобы увидеть ее с помощью современных телескопов. В 2011 году Икар не был виден (вверху справа). Увеличение яркости заставляет нас думать, что это был голубой сверхгигант, формально названный линзированной звездой MACS J1149 1.

Когда мы применяем теорию гравитации ко всей Вселенной, то получаем набор уравнений, которые говорят нам: если вы знаете, из чего состоит Вселенная, то общая теория относительности может предсказать, как ваша Вселенная будет развиваться. Вы можете буквально создать свою Вселенную из всего, что только можете придумать, включая обычные ингредиенты, такие как нормальная материя, излучение и нейтрино, черные дыры, гравитационные волны или даже гипотетические сущности, как темное вещество и темная энергия.

Эти разные ингредиенты по-разному влияют на Вселенную, и довольно легко понять, почему. Все, что вам нужно сделать, это представить себе Вселенную такой, какой она была давным-давно, когда была меньше, горячее, плотнее и однороднее, и представить себе, как она будет развиваться с течением времени. Вселенная будет расширяться, но разные виды энергии будут вести себя по-разному. Несмотря на то, что Вселенная расширяется, отдельные связанные объекты внутри нее больше не расширяются. Однако мы не знаем наверняка, как на их размеры может повлиять расширение Вселенной.

Обычное вещество, например, будет становиться более разреженным по мере расширения Вселенной: количество частиц вещества остается неизменным, но объем, увеличивается, поэтому плотность вещества уменьшается. Однако частицы вещества будет притягиваться друг к другу. Это означает, что области пространства с плотностью немного выше средней будут предпочтительно притягивать к себе больше окружающей материи, чем другие, в то время как области с плотностью немного ниже средней будут иметь тенденцию расширяться и становиться более разреженными. Со временем Вселенная не только становится более разреженной, но в ней вырастают плотные структуры сначала в небольших масштабах, а со временем - в более крупных.

С другой стороны, по мере расширения Вселенной излучение не только становится более разреженным, но и теряет энергию. Это связано с тем, что количество фотонов, как и количество протонов, нейтронов или электронов, также фиксировано, поэтому с увеличением объема плотность энергии уменьшается. Но энергия каждого отдельного фотона, определяемая его длиной волны, также будет уменьшаться по мере расширения Вселенной; по мере увеличения расстояния между любыми двумя точками. Увеличивается и длина волны фотона, движущегося через Вселенную, что приводит к потере энергии.

Рисунок Анимация

Эта упрощенная анимация показывает, как изменяется красное смещение света и как со временем меняются расстояния между несвязанными объектами в расширяющейся Вселенной. Обратите внимание: из-за расширения пространства две удаляющиеся друг от друга галактики со временем оказываются дальше друг от друга, чем путь, по которому проходит свет между этими галактиками.

Когда мы смотрим на галактики, группы и скопления галактик и даже на массивную огромную космическую сеть галактик, сформировавшуюся за миллиарды лет, мы можем исследовать:

внутренние свойства галактик, такие, как скорость движения звезд, газа и других компонентов внутри галактик в зависимости от расстояния до центра,

свойство галактик собираться в скопления - то есть насколько вероятно, что вы найдете другую галактику на определенном расстоянии от данной галактики,

насколько галактики массивны, исходя из вызываемых ими гравитационных эффектов, таких, как линзирование,

где (и сколько) находится нормальное вещество, из которого состоят эти объекты, включая газ, пыль, звезды, плазму и многое другое.

Наблюдаемой нами материи - всего нормального вещества и излучения, которые должны существовать во Вселенной - недостаточно для объяснения того, что мы наблюдаем.

Рисунок Галактики

Галактика, которой управляло только обычное вещество (L), будет показывать гораздо более низкие скорости вращения на окраинах, чем ближе к центру, подобно тому, как движутся планеты в Солнечной системе. Однако наблюдения показывают, что скорости вращения в значительной степени не зависят от расстояния (R) до центра галактики. Это приводит к выводу, что должно присутствовать большое количество невидимого или темного вещества.

Все эти наблюдаемые явления реальны. У нас есть примеры того, что это происходит с множеством объектов, и чрезвычайно мало объектов, которые не демонстрируют несоответствия между нормальным веществом и эффектами гравитации. Нам немного повезло, поскольку есть только один ингредиент, который, если мы добавим его во Вселенную, может привести мироздание в порядок: темное вещество.

Если, помимо обычного вещества, вы добавите еще один ингредиент, а именно:

холодный, в том смысле, что он движется медленно по сравнению со скоростью света,

бесстолкновительный, в том смысле, что он не сталкивается и не обменивается импульсом ни с нормальным веществом, ни с излучением, ни с другими частицами темного вещества,

темный, в том смысле, что он невидим и прозрачен для излучения и нормального вещества,

является веществом в том смысле, что обладает массой и притягивает.

Все эти и многие другие явления внезапно совпадают с предсказаниями Эйнштейна о гравитации.

Есть немало ученых, которые думают иначе и развивают теории модификации гравитации. Эти теории объясняют некоторые из наблюдаемых явлений, происходящих в малых космических масштабах (несколько миллионов световых лет или меньше), так же хорошо или даже лучше, чем темное вещество. Но любая модификация, которую вы вносите, требует также включения чего-то, что неотличимо похоже на темное вещество. Это делает темное вещество чрезвычайно привлекательным кандидатом на нечто новое, существующее в нашей Вселенной.

Рисунок Вселенная

Детальный взгляд на Вселенную показывает, что она состоит из вещества, а не из антивещества, что требуется темное вещество и темная энергия, и что мы не знаем ответов ни на одну из этих загадок. Однако флуктуации реликтового излучения, формирование и корреляции между крупномасштабной структурой и современные наблюдения гравитационного линзирования - все указывает на одну и ту же картину.

Однако есть еще одно важное свидетельство, о котором мы не говорили: космический микроволновый фон. Если вы начнете моделировать Вселенную в самые ранние моменты после горячего Большого взрыва и добавите ингредиенты, которые, как мы ожидаем, там будут, вы обнаружите, что к тому времени, когда Вселенная расширится и охладится достаточно, чтобы мы могли сформировать нейтральные атомы, в оставшемся свечении Большого взрыва возникнет структура температурных флуктуаций, которая проявляется в зависимости от масштаба: тепловое излучение, которое к настоящему времени перешло из-за красного смещения в микроволновый диапазон. Само излучение было впервые обнаружено в середине 1960-х годов, но измерить неоднородности почти однородного фона - непростая задача, потому что самые горячие участки неба лишь примерно на 0,01% теплее самых холодных.

По-настоящему измерять эти изначальные космические неоднородности начали только в 1990-х годах с помощью спутника COBE, результаты которого были затем подтверждены на спутниках BOOMERanG, WMAP, Planck и других. Сегодня ученые измерили температуру всего микроволнового неба в девяти различных диапазонах длин волн с точностью до микрокельвина, вплоть до угловых масштабов до 0,05 градуса. По мере того, как спутники улучшаются в своих возможностях, они исследуют меньшие масштабы, большее количество частотных диапазонов и меньшую разницу температур в космическом микроволновом фоне. Температурные неоднородности помогают понять, из чего состоит Вселенная и как она развивалась, создавая картину, которая требует, чтобы темное вещество имело смысл.

Рисунок Шаблон

Шаблон колебаний, который вы видите на графике выше, чрезвычайно чувствителен к тому, что находится в вашей Вселенной. Например, если вы моделируете Вселенную только с нормальным веществом и излучением, то получите только около половины пиков и впадин, которые мы видим, причем пик будет наблюдаться в слишком маленьком угловом масштабе, и колебания температуры будут намного больше по величине. Для этого набора наблюдений требуется темное вещество. Но также требуется кое-что еще. Если вы возьмете всю обычную материю, излучение, нейтрино и т. д., которые, как мы знаем, находятся во Вселенной, то обнаружите, что все это составляет лишь около трети общего количества энергии, которое должно присутствовать. Должна быть другая, дополнительная форма энергии, и, в отличие от темного и обычного вещества, эта энергия не может группироваться. Какой бы ни была эта форма энергии - а она необходима, чтобы космический микроволновый фон соответствовал нашим наблюдениям - она ??должна существовать в дополнение к темному веществу.

Темное вещество и темная энергия ведут себя по-разному, но они "темные" в том смысле, что невидимы для любого известного метода прямого обнаружения. Мы можем видеть их косвенное влияние - для темного вещества это влияние на структуру, которая формируется во Вселенной; для темной энергии - влияние на то, как Вселенная расширяется и излучение в ней эволюционирует. Самые большие различия:

темное вещество собирается в сгустки, в то время как темная энергия, кажется, плавно распределяется по всему пространству,

по мере расширения Вселенной темное вещество становится менее плотным, но плотность темной энергии остается постоянной,

темное вещество замедляет расширение Вселенной, в то время как темная энергия активно заставляет далекие галактики ускоряться по мере удаления от нас.

Хотя сегодня преобладает темная энергия, вначале она была незначительной. Темное вещество имело большое значение в течение чрезвычайно долгих космических времен, и мы можем видеть его следы даже в самых ранних сигналах Вселенной.

Этот вопрос кажется особенно острым, когда мы смотрим, как темное вещество и темная энергия развиваются с точки зрения относительной важности (с точки зрения того, какой процент плотности энергии они составляют) в зависимости от времени. С тех пор, как Вселенной было несколько десятков тысяч лет, до примерно 7 миллиардов лет, темное вещество составляло примерно 80% плотности энергии Вселенной. За последние 6 миллиардов лет темная энергия стала доминировать над расширением Вселенной, и теперь она составляет около 70% от общего количества энергии во Вселенной.

Со временем темная энергия будет становиться все более и более важной, в то время как все другие формы энергии, включая темное вещество, станут незначительными. Если темное вещество и темная энергия каким-то образом связаны друг с другом, эта связь является неочевидной для физиков, учитывая наше нынешнее понимание природы.

Рисунок Вселенная 2

Четыре возможных судьбы Вселенной. Нижний пример лучше всего соответствует данным: Вселенная с темной энергией. Впервые это было обнаружено при наблюдении далеких сверхновых, но с тех пор было подтверждено многими независимыми доказательствами, включая космический микроволновый фон.

Связаны ли друг с другом темное вещество и темная энергия? Мы не можем сказать наверняка. Пока у нас не будет доказательств того, что эти две вещи каким-то образом связаны, мы должны придерживаться консервативного подхода. Темное вещество образует и удерживает вместе самые большие связанные структуры, но темная энергия отталкивает эти отдельные структуры друг от друга, причем настолько успешно, что через сто миллиардов лет или около того от нашей видимой Вселенной останется только Местная группа галактик. Вне этого будет пустое пространство небытия, и никаких других галактик на триллионы и триллионы световых лет.

Что такое Homo sapiens?

Сара Уайлд

Современные люди, или Homo sapiens, являются единственным живым видом Homo. Но мы не всегда были одни.

Фото Руки

Отпечатки рук Homo sapiens, датируемые периодом между 11000 и 7000 годами до нашей эры, в Пещере рук в Патагонии, Аргентина.

Homo sapiens - это вид высокоинтеллектуальных приматов, включающий всех живых людей, которых часто называют H. sapiens sapiens. Когда-то в роду Homo было много видов, но теперь все виды и подвиды, кроме современного человека, вымерли. В 1758 году шведский ученый Карл Линней стал первым, кто дал людям имя H. sapiens.

Согласно Британской энциклопедии, термин "homo sapiens" происходит из латинского языка и означает "мудрый человек".

"Около 6 миллионов лет назад на африканском континенте жили предки человека: шимпанзе и бонобо. Примерно в то же время одна группа этих древних обезьян начала отделяться от остальных, став гомининами, - объяснил Герман Понцер, эволюционный антрополог из Университета Дьюка в статье для проекта "Знание природы".

По данным Австралийского музея, эта ветвь эволюционного древа гомининов включает современных людей, вымершие человеческие виды и всех наших непосредственных предков, включая представителей родов Homo, Australopithecus, Paranthropus и Ardipithecus.

"Некоторые характеристики, которые отличают гомининов от других приматов, живых и вымерших, - это их прямая осанка, двуногое передвижение, больший мозг и поведенческие характеристики, такие как использование специальных инструментов и, в некоторых случаях, общение посредством языка", - писал Понцер.

Важно отметить, что эти черты представляют собой смесь физических и поведенческих характеристик, представляющих два основных способа, которыми исследователи отличают H. sapiens от всех других видов. После того, как гоминины отделились от других человекообразных обезьян, прошло еще несколько миллионов лет, прежде чем начал появляться какой-либо вид Homo.

"Самые ранние популяции линии Homo произошли от еще неизвестного предкового вида в Африке примерно 2-3 миллиона лет назад", - писали Уильям Х. Кимбел и Брайан Виллмоар в статье 2016 года, опубликованной в Philosophical Transactions of Королевское общество Б.

Происхождение рода Homo остается неясным. Самая старая окаменелость человека, найденная до сих пор, о которой сообщалось в журнале Science в 2015 году, может быть датирована примерно 2,8 миллионами лет назад, хотя ученые не уверены, к какому виду она принадлежала. Следующая по возрасту окаменелость, проанализированная исследователями в статье 2015 года в журнале Nature, принадлежала человеку, который жил около 2,3 миллиона лет назад и, возможно, был H. habilis. С этой окаменелостью были связаны каменные орудия труда, что наводит на мысль, что человек мог знать, как ими пользоваться.

Какие существуют виды Homo? По словам эксперта по эволюции человека Криса Стрингера из Британского музея естественной истории, за последние 15 лет количество известных видов Homo увеличилось более чем вдвое - с четырех до девяти. Теперь в род входят H. neanderthalensis (неандертальцы) и древний вид H. erectus (название которого переводится как "человек прямоходящий"). Ученые описали самое последнее добавление, H. luzonensis, в статье, опубликованной в журнале Nature в 2019 году. "Есть окаменелость H. sapiens из Эфиопии, возраст которой составляет около 195 тысяч лет. Она имеет основные черты современного человека", - сказал Стрингер. - Начиная с 195 тысяч лет и позже, мы находим окаменелости, которые можем с достаточной точностью назвать H. sapiens".

Но, возможно, есть еще более старый пример H. sapiens: как описано в статье 2017 года в журнале Nature. Окаменелые останки, найденные вместе с каменными орудиями в марокканской пещере, предполагают, что "современные" люди могли появиться еще 315 тысяч лет назад. Между людьми и нашими близкими родственниками нет четкой границы, и исследователи используют анатомию или поведение, чтобы отделить человеческие останки от остальных. Анатомы утверждают, что H. sapiens можно идентифицировать по их скелетам, в то время как некоторые археологи говорят, что поведение - это то, что определяет современных людей.

Фото Череп

Фотография черепа человека прямоходящего. Homo sapiens принадлежит к роду Homo, который также включает Homo erectus.

Ученые не пришли к единому мнению о точном определении рода Homo. Тем не менее, большинство видов Homo имеют "длинную низкую черепную коробку и сильный непрерывные надбровные дуги", как описано в обзоре 2019 года, опубликованном в Journal of Quaternary Science. Однако у H. sapiens есть отличительные "современные" физические характеристики: большая округлая черепная коробка, отсутствие надбровных дуг, подбородка (даже в младенчестве) и узкий таз по сравнению с другими видами рода Homo. Но, по словам Стрингера, ранний H. sapiens, возможно, не обладал теми же чертами, что и современные H. sapiens.

"Людям нравится классифицировать и сохранять простые вещи, но природа не признает наши определения", - сказал он.

Некоторые ученые считают, что поведение - это то, что отличает H. sapiens от других видов Homo - и всех других видов в мире. Есть ряд моделей поведения, которые классифицируются как "человеческие". В обзоре 2003 года, опубликованном в журнале Current Anthropology, исследователи перечислили черты, которые исторически использовались для идентификации H. sapiens. Они включали в себя доказательства поведения, такого, как захоронение мертвых, ритуальное искусство, украшения, обработанные кости и рога, технологии лезвий и рыбалка. Однако авторы этого обзора также указали, что многие из этих моделей поведения евроцентричны и могут быть неприменимы к H. sapiens, обитающим в других частях мира.

"Текущий археологический подход заключается в рассмотрении набора навыков, а также поведенческих последствий", - сказала Силье Бентсен, руководитель проекта SapienCE в Университете Бергена в Норвегии. SapienCE означает "Центр поведения ранних разумных" и стремится "улучшить наше понимание того, как и когда Homo sapiens превратился в то, кем мы являемся сегодня".

"Было много споров о том, как называть современного человека, и они все еще продолжаются", - сказал Бентсен.

Вместо перечня черт археологи скорее смотрят на то, что определенные черты говорят о познании. Например, гравюры или символы, изображающие времена года или миграции животных, предполагают, что ранние люди были достаточно умны, чтобы понимать эти концепции.

"Это показывает планирование и продвинутое познание, - пояснил Бентсен. - Это сложный пакет поведения".

Однако поведенческий метод различения современных людей осложняется доказательствами того, что другие виды Homo, такие как неандертальцы, демонстрируют аналогичные способности. Эти коренастые пещерные обитатели использовали инструменты, хоронили своих мертвецов и управляли огнем - действия, которые когда-то считались чисто человеческими. Стрингер отвергает поведение как способ дифференциации видов. "Поведение не является правильным способом определения вида", - сказал он. - Поведение передается гораздо легче, чем анатомия".

Согласно Британской энциклопедии, определение вида таково: "Группы скрещивающихся естественных популяций, репродуктивно изолированные от других подобных групп". Однако это определение может не применяться к видам Homo, поскольку недавние исследования описывают свидетельства скрещивания неандертальцев, H. sapiens и H. denisovans (вид гомининов, обнаруженный в Денисовой пещере в России). Например, в статье 2018 года, опубликованной в журнале Nature, сообщалось о множественных эпизодах скрещивания между неандертальцами и H. sapiens. В другой статье 2018 года, также опубликованной в журнале Nature, были описаны свидетельства существования гибрида древнего человека, который имел ДНК неандертальца и денисовца. По словам Стрингера, это заставило некоторых ученых заявить, что многие виды Homo, в том числе и наш, следует объединить. В этой парадигме современные люди - это H. sapiens sapiens, неандертальцы - это H. sapiens neanderthalensis, а денисовцы - H. sapiens denisovans. Стрингер, однако, утверждает, что люди и неандертальцы - разные виды, потому что их костная структура отличается.

"Если неандертальцы и H. sapiens оставались отдельными достаточно долго, чтобы развить такие отличительные формы черепа, таза и ушей, их можно было бы рассматривать как разные виды, независимо от того, скрещивались они или нет", - написал он в статье для Музея естественной истории в Лондоне. .