10 главных вопросов о Вселенной, ответы на которые учёные ищут прямо сейчас

Атакамская Большая Миллиметровая/субмиллиметровая Решётка (сокращённо ALMA) — это самый мощный в мире комплекс радиотелескопов, построенный на севере Чили. Плато Чахнантор, где расположен комплекс, находится на высоте 5 000 м — это выше большинства объектов в тропосфере.

ALMA, что означает «душа», — это ещё и машина времени. Она заглядывает в прошлое, чтобы проверить существующие научные теории о том, как 13 млрд лет назад возникла Вселенная. Она толкает нас в будущее, потому что мы ищем новые миры и населяющую их инопланетную жизнь.

1. Молекулы жизни

В гигантском газовом облаке Стрелец B2 недалеко от центра нашей галактики ALMA впервые обнаружила в межзвёздном пространстве обогащённые кислородом и содержащие углерод молекулы, похожие на те, которые на Земле нужны для возникновения жизни. Открытие означает, что в далёком прошлом подобные межзвёздные молекулы могли попасть на Землю и повлиять на возникновение жизни. Есть и другое предположение: инопланетная жизнь на основе углерода может существовать ещё где-то во Вселенной.

Молекулярные облака вроде Стрельца В2 называют «звёздными яслями», потому что плотные скопления газа и пыли прекрасно подходят для формирования звёзд. До сих пор все найденные в межзвёздном пространстве органические молекулы состояли из одной прямой цепи атомов углерода. Но в Стрельце В2 ALMA обнаружила новую молекулу — изопропиловый цианид с разветвлённой углеродной структурой, какая бывает у аминокислот. Аминокислоты — это строительные блоки белка, ключевого компонента жизни на Земле.

Открытие позволяет предположить, что необходимые для жизни, какой мы её знаем, молекулы создаются тогда же, когда образуются звезды — задолго до того, как появляется планета вроде Земли. В Стрельце В2 изопропилового цианида много, так что и разветвлённых молекул в межзвёздном пространстве тоже может оказаться много. Астрономы надеются найти аминокислоты и там.

2. Слияние галактик

Слияния галактик случают довольно часто. Но на самом деле их звёзды и звёздные системы при этом не сталкиваются — галактики проходят друг сквозь друга как призраки, потому что звёзды расположены настолько далеко друг от друга, что столкнуться не могут.

Слияние стимулирует интенсивное образование новых звёзд наряду с гравитационным хаосом. Долгое время считалось, что слияние уничтожает оригинальную структуру галактики, заменяя её на одну массивную эллиптическую галактику. Так якобы происходит, даже если обе оригинальные галактики были дисковыми (таков, например, наш Млечный Путь), для которых характерна «сплюснутая» форма и округлые области газа и пыли.

Ошибочное мнение возникло из-за проведённого в 1970-х годах компьютерного моделирования. Но новые моделирования противоречат эти результатам: предполагается, что в некоторых случая в результате слияния галактик образуются дисковые галактики. Но у учёных не было доказательств ни той, ни другой теории.

Теперь ALMA и другие радиотелескопы предоставили явные доказательства новой теории: 24 наблюдаемых галактики после слияния образовали дисковые галактики. Это — 65% от 37 галактик, изученных международной исследовательской группой во главе с Джунко Уэдой из Японского общества содействия развитию науки.

3. Эксцентрические и наклонные орбиты экзопланет

Экзопланеты — планеты за пределами нашей Солнечной системы. Орбита некоторых экзопланет вокруг звезды или сильно вытянута, или овальной формы (это так называемые эксцентрические орбиты), либо имеет сильный угол наклона от экватора своей звезды (наклонные орбиты). Это характерно для двойных звёздных систем, где две звезды вращаются вокруг друг друга. Чтобы понять, почему у экзопланет такие орбиты, учёные направили ALMA на НК Тельца — молодую двойную систему в созвездии Тельца.

Когда облако межзвездного газа сжимается внутрь самого себя из-за собственной гравитации, оно скручивается всё быстрее и быстрее, пока не становится диском. В центре этого диска формируется протозвезда — как зародыш в утробе матери. Когда температура ядра протозвезды становится достаточно высокой, чтобы вызвать ядерную реакцию, рождается новая звезда. В 90% случаев оставшиеся от рождения звезды газ и пыль вращаются вокруг новой звезды в протопланетном диске. Из материала в диске в конечном итоге могут сформироваться планеты, луны и другие объекты.

В двойной звёздной системе, если две звезды и их протопланетные диски не вращаются в одной плоскости (это означает, что они «смещены»), новые планеты могут образоваться с высоким эксцентриситетом или с наклонной орбитой. Теория под названием Эффект Козаи (Kozai mechanism) говорит, что у планет первой звезды такие странные орбиты появляются из-за гравитации второй звезды.

ALMA подтверждает эту теорию на пример НК Тельца. Тусклая звезда НК Тельца Б имеет протопланетный диск, от которого отражается её свет, благодаря чему диск легко различим в видимом свете. Но протопланетный диск звезды НК Тельца, А наклонён так, что увидеть его в видимом свете невозможно. ALMA легко нашла оба диска в миллиметровых длинах волн света, показав, что они смещены относительно друг друга по меньшей мере на 60 градусов. По крайней мере один диск находится не на той же плоскости, где орбиты обеих звёзд.

Это не объясняет странную орбиту каждой экзопланеты во Вселенной. Но это показывает, что условия для искажения орбиты экзопланеты могут появиться в момент формирования планеты в двойной звёздной системе.

4. Формирование планет из линии жизни

В многозвёздной системе под названием GG Tau-A в созвездии Тельца ALMA обнаружила газопылевой поток. Выходит поток из огромного внешнего диска вокруг всей звёздной системы, и тянется до меньшего внутреннего диска, окружающего только основную центральную звезду. Это похоже на колесо в колесе.

Учёные знали о существовании внутреннего диска ещё до ALMA, но не могли объяснить, как он уцелел. Центральная звезда должна притягивать материал, из которого состоит диск, так быстро, что диск давным-давно должен был исчезнуть. Но ALMA обнаружила никогда раньше не наблюдаемое явление: газовые скопления в области между двумя дисками, служащими своего рода «спасательным кругом» — внешний диск «кормит» материалом внутренний диск. Поэтому внутренний диск может просуществовать намного дольше, а значит, больше шансов, что из его материала сформируется планета.

Подобные «линии жизни» есть во многих звёздных системах — так «кормятся» протопланетные диски. Это значит, что в далёком будущем у нас будет больше мест для поиска экзопланет и инопланетной жизни.

5. Туманность Бумеранг

В 5000 световых лет от Земли в созвездии Центавра находится туманность Бумеранг. Она считается самым холодным известным объектом вселенной. Её температура всего один градус по Кельвину, то есть -272 градуса по Цельсию. Туманность Бумеранг даже холоднее реликтового излучения, чья температура 2,8 градусов по Кельвину — естественная температура космического пространства.

Учёные изучили свойства туманности Бумеранг с помощью ALMA, в процессе чего также открыли её фактическую форму. Раньше оптические телескопы обрисовывали туманность в видимом свете в форме галстука-бабочки с двумя скрещенными бумерангами. Но ALMA может визуализировать длины волн света, ранее затемнённые толстой полосой пыли, окружающей звезду внутри туманности. Выяснилось, что туманность гораздо шире, чем предполагалось вначале. Кроме того, она быстро расширяется.

Астрономы выяснили, почему туманность Бумеранг настолько холодная. Её центральная звезда умирает. От звезды исходит быстрый поток газа, что одновременно расширяет и охлаждает туманность, как расширение газов охлаждает холодильник. Поскольку расширение газа постепенно замедляется, внешняя оболочка туманности становится теплее.

6. Космический пузырь

В 2009-м году астрономы обнаружили светящийся горячий газовый пузырь, простирающийся более чем на 55 000 световых лет. Его назвали Химико в честь легендарной японской королевы. Если учесть, что объект находится почти в 13 млрд световых лет от Земли и то, сколько времени требуется свету на преодоление этого расстояния, учёные видели Химико в то время, когда размер вселенной составлял всего 6% от текущего. Для своей эпохи Химико кажется слишком большим и мощным объектом.

С помощью телескопов «Хаббл» и ALMA астрономы смогли разгадать некоторые загадки. «Хаббл» выявил, что Химико состоит из трёх звёздных скоплений, каждое из которых — светящаяся галактика обычного для того времени размера. В этих трёх скоплениях звёзды формируются с удивительной скоростью примерно 100 солнечных масс в год. Ричард Эллис из Калифорнийского технологического института объясняет:

«Эта чрезвычайно редкая тройная система видима нами в ту эпоху, когда возраст вселенной составлял всего 800 млн лет. Она содержит важную информацию о ранних этапах формирования галактик во время периода, известного как „космический рассвет“, когда вселенную впервые озарил свет звёзд. Ещё интереснее, что эти галактики, похоже, готовятся слиться в одну массивную галактику, которая в конечном итоге может превратиться в нечто похожее на наш Млечный Путь».

Ричард Эллис

Но астрономы ломают голову над тем, что осталось. В зоне такого активного звездообразования должны возникнуть облака пыли из тяжёлых элементов — углерода, кислорода и кремния. При нагревании светом звёзд эти элементы производят радиоволны, которые ALMA может уловить. Но ALMA не обнаружила никаких существенных радиоволн. Она также не обнаружила газообразный углерод, также связанный с интенсивным звездообразование.

Астрономы считают, что межзвёздный газ Химико состоит из водорода и гелия. Вероятно, это означает, что мы видим изначальную галактику — такую, какой она была вскоре после Большого Взрыва.

7. Сверхновые — фабрики пыли

Без пыли никого из нас не существовало бы. Пыль имеет решающее значение для формирования звезд и планет. Мы знаем, что Вселенная заполнена ею, но учёные не были уверены, как именно пыль формировалась в молодой вселенной.

Сегодня большая часть пыли во вселенной появляется, когда умирают звёзды любой величины и яркости. Но в молодой Вселенной только молодые звёзды превращались в сверхновые. Они объясняют, откуда взялось немного пыли, но этого явно не достаточно — в дальних, молодых галактиках пыли замечено гораздо больше. Тогда астрономы с помощью ALMA исследовали останки сверхновой 1987А и нашли «пропавшую» пыль.

Как следует из названия, SN 1987A взорвалась в 1987-м году в 168 000 световых лет от Земли. Учёные ожидали увидеть большое количество пыли, поскольку атомы углерода, кислорода и кремния связались в молекулы в центре остывающего газа от взрыва. Через телескопы того времени они увидели только небольшое количество горячей пыли. Но благодаря ALMA они обнаружили пылевое облако с массой, равной 25% массы нашего Солнца. Тайна была разгадана благодаря способности ALMA улавливать миллиметровые и субмиллиметровые длины волн, которые ярко излучает холодная пыль.

«Самые молодые галактики невероятно пыльные, и эта пыль играет важную роль в эволюции галактик, — объясняет Микако Мацууро из Университетского колледжа Лондона. — Сегодня мы знаем, что пыль создаётся несколькими способами, но в молодой Вселенной большинство пыли давали сверхновые. И у нас наконец есть прямые доказательства этой теории».

8. Звёзды смерти в туманности Ориона

В заполненных веществом звёздных яслях туманности Ориона скрываются убийцы планет.

Мы уже упоминали, что большие молекулярные облака газа и пыли вроде туманностей обеспечивают отличную среду для появления звезд и в конечном итоге планет. Но в туманности Ориона есть и старые звёзды О-типа гораздо массивнее нашего Солнца с температурой на поверхности 50 000 градусов по Кельвину или больше. Такие О-звёзды обладают властью над жизнью и смертью планетарных систем в своем регионе. Когда массивные и недолговечные О-звёзды становятся сверхновыми, то, по мнению учёных, в результате взрыва возникают облака газа и пыли — следующий этап в формировании звёзд и планет. Но во время своей жизни О-звёзды могут разрушить протопланетные диски, если «эмбриональные» солнечные системы находятся к ним слишком близко.

С помощью способности ALMA видеть скрытые за пылью объекты астрономам удалось визуализировать в два раза больше протопланетных дисков в туманности Ориона, чем было известно ранее. Если молодая звезда находится в одной десятой светового года от О-звезды, то интенсивное ультрафиолетовое излучение рассеет протопланетный диск этой молодой звезды прежде, чем планеты успеют сформироваться. Из-за такого крайнего электромагнитного излучения молодые звёзды часто принимают форму слезинок.

9. Телескоп горизонта событий

В середине 2014-го года учёные установили на Центральный пульт управления ALMA сверхточные атомные часы, чтобы синхронизировать ALMA с глобальной сетью радиотелескопов. Это было частью создания единого инструмента размером с Землю под названием Телескоп горизонта событий (ТГС).

«Объединив передовые миллиметровые и субмиллиметровые радиотелескопы всего мира, Телескоп горизонта событий станет в результате принципиально новым прибором с такой огромной увеличительной силой, какой не было ещё никогда, ТГС откроет новую эру в исследованиях чёрных дыр и даст ясную картину одного из немногих мест в мире, где могут не работать теории Эйнштейна — у горизонта событий».

Шеп Долеман из обсерватории «Haystack» Массачусетского технологического института

Горизонт событий — это теоретическая граница, окружающая чёрную дыру. Согласно теориям, эта граница представляет собой точку невозврата, где ничто не может избежать притяжения дыры, даже свет. С помощью ТГС учёные хотят на примере сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей галактики увидеть, существует ли горизонт событий в действительности. Считается, что эта чёрная дыра Стрелец, А с невероятно малой площадью весит как примерно четыре млн солнц.

Также ТГС просканирует Стрелец, А для дальнейшей проверки общей теории относительности Эйнштейна: поищет тень — ту тёмную область, где чёрная дыра поглощает свет. По форме и размеру тени, определяемым вращением и массой Стрельца, А, данные ТГС могут показать деформации пространства и времени в этой среде.

Кроме того, астрономы хотят понаблюдать за столкновением Стрельца, А с G2 — огромным газопылевым облаком, чтобы увидеть, как это повлияет на чёрную дыру в нашей галактике. Столкновение продлится больше года.

10. Рождение Солнечной системы

В ноябре 2014-го года ALMA сделала первый детальный снимок планет, формирующихся в протопланетном диске вокруг молодой звезды солнечного типа. Звезда HL Тау находится примерно в 450 световых годах от Земли в созвездии Тельца. На удивительно чётком изображении видно рождение новой солнечной системы. Кроме того, это своеобразное окно в прошлое — так же могла рождаться наша Солнечная система более четырех млрд лет назад.

В видимом свете HL Тау скрывается за гигантским газопылевым облаком. Но ALMA удалось просканировать гораздо более длинные волны, чтобы сквозь пыль увидеть ядро облака, где происходит формирование планет. Новый снимок подтвердил научную теорию формирования планет.

Ещё ALMA преподнесла астрономам один большой сюрприз. HL Тау слишком молода для формирующихся вокруг неё больших планет. Но на снимке ясно видны концентрические кольца, проходящие через протопланетный диск звезды. Когда планеты увеличиваются в размерах, то создают эти кольца, разделённые промежутками, где планеты вращаются вокруг своей молодой звезды и выталкивают мусор за пределы диска.

По всей видимости, рождаются минимум восемь планет — по одной на каждое концентрическое кольцо.