Методы изучения Вселенной

Кривые блеска различных сверхновых

 

Характерная черта сверхновых типа Ia — сходство кривых блеска и одинаковая светимость в их максимуме. Открытие последнего факта стало возможным после определения расстояний по цефеидам до галактик, в которых произошли вспышки сверхновых. Собственно, только после этого стало возможным использование сверхновых в качестве стандартных свеч.

Физическая схема явления проста. Прародителем сверхновой такого типа является тесная двойная система из белого карлика и красного гиганта. Вещество с красного гиганта перетекает на белый карлик, скапливаясь на его поверхности. Вещество, из которого состоит белый карлик — это вырожденный газ, в какой-то момент его давление более не способно выдерживать вес скопившегося вещества. Масса белого карлика в этот момент равна пределу Чандрасекара, что приводит к, примерно, одинаковому выделению энергии при вспышке. Характерная энергия сверхновой — 1050 — 1051 эрг, что выше гравитационной энергии связи звезды. Значит, происходит взрыв не отдельной её части, а звезды целиком, причём вырожденность газа обеспечивает одновременность взрыва по всему объёму белого карлика. Вместе со всем веществом горят углерод и кислород, образуя радиоактивный никель. После взрыва всё вещество звезды переходит в рассеивающуюся оболочку, подсвечиваемую энергией распада радиоактивного никеля.

Вышесказанное означает, что наблюдая за кривой блеска, можно определить, какую звёздную величину сверхновая имела в максимуме, а значит, и определить расстояние до неё.

Сверхновые — наиболее яркие из стандартных свеч и видны с гораздо большего расстояния. Именно с их помощью проверяют закон Хаббла для больших z. Следуя подобным путём, в 1998 году две группы наблюдателей открыли ускорение расширения Вселенной. На сегодняшний день факт ускорения почти не вызывает сомнений, однако, по сверхновым невозможно однозначно определить его величину: всё ещё крайне велики ошибки для больших z

 

 

Метод определения расстояния по гравитационным линзам

 

Геометрия гравитационного линзирования

 

Проходя около массивного тела, луч света отклоняется. Таким образом, массивное тело способно собирать параллельный пучок света в некотором фокусе, строя изображение, причём их может быть несколько. Это явление называется гравитационным линзированием. Если линзируемый объект — переменный, и наблюдается несколько его изображений, это открывает возможность измерения расстояний, так как между изображениями будут различные временны́е задержки из-за распространения лучей в разных частях гравитационного поля линзы (эффект аналогичен эффекту Шапиро в Солнечной системе).

Если в качестве характерного масштаба для координат изображения ξ и источника η (см. рисунок) в соответствующих плоскостях взять ξ0=Dl и η0=ξ0Ds/Dl (где D — угловое расстояние), тогда можно записывать временно́е запаздывание между изображениями номер i и j следующим образом:

 

 

где x=ξ/ξ0 и y=η/η0 — угловые положения источника и изображения соответственно, с — скорость света, zl — красное смещение линзы, а ψ — потенциал отклонения, зависящий от выбора модели. Считается, что в большинстве случаев реальный потенциал линзы хорошо аппроксимируется моделью, в которой вещество распределено радиально симметрично, а потенциал превращается в бесконечность. Тогда время задержки определяется по формуле:

 

 

Однако, на практике чувствительность метода к виду потенциала гало галактики существенна. Так, измеренное значение H0 по галактике SBS 1520+530 в зависимости от модели колеблется от 46 до 72 км/(с Мпк)[14].

 

Метод определения расстояния по гравитационным линзам

 

Ярчайшие красные гиганты имеют одинаковую абсолютную звёздную величину −3.0m±0.2m, а значит, подходят на роль стандартных свеч. Наблюдательно первым этот эффект обнаружил Сендидж в 1971 году. Предполагается, что эти звёзды либо находятся на верхней точке первого подъёма ветви красных гигантов звёзд малой массы (меньше солнечной), либо лежат на асимптотической ветви гигантов.

Основным достоинством метода является то, что красные гиганты удалены от областей звёздообразования и повышенной концентрации пыли, что сильно облегчает учёт поглощения. Их светимость также крайне слабо зависит от металличности, как самих звёзд, так и окружающей их среды[15]. Основная проблема данного метода — выделение красных гигантов из наблюдений звёздного состава галактики. Существует два пути её решения.

• Классический — метод выделения края изображений. При этом обычно применяют Собелевский фильтр. Начало провала — искомая точка поворота. Иногда вместо собелевского фильтра в качестве аппроксимирующей функции берут гауссиану, а функция выделения края зависит от фотометрических ошибок наблюдений[16].

Однако, по мере ослабления звезды растут и ошибки метода. В итоге предельно измеряемый блеск на две звездных величины хуже, чем позволяет аппаратура.

• Второй путь — построение функции светимости методом максимального правдоподобия. Данный способ основывается на том, что функция светимости ветви красных гигантов хорошо аппроксимируется степенной функцией:

 

где a — коэффициент, близкий к 0,3, m — наблюдаемая звёздная величина.

 

Основная проблема — расходимость в некоторых случаях рядов, возникающих в результате работы метода максимального правдоподобия.

 

 

 

 

 

 

 

Проблемы и современные дискуссии

 

Если проэкстраполировать закон Хаббла назад во времени, то в итоге возникнет точка, гравитационная сингулярность, называемая космологической сингулярностью. Это большая проблема, так как весь аналитический аппарат физики становится бесполезным. И хотя, следуя путём Гамова, предложенным в 1946 году, можно надёжно экстраполировать до момента, пока работоспособны современные законы физики, но точно определить этот момент наступления «новой физики» пока не представляется возможным. Предполагается, что по величине он равен планковскому времени, ∼10 − 43 с.

Второй проблемой является неопределённость в значении постоянной Хаббла и её изотропии. Одна группа исследователей утверждает, что значение постоянной Хаббла флуктуирует на масштабах 10-20°. Возможных причин этому явлению несколько: а) это реальный физический эффект — в таком случае космологическая модель должна быть кардинально пересмотрена; б) стандартная процедура усреднения ошибок некорректна[18]. В свою очередь, это тоже ведет к пересмотру космологической модели, но возможно, не такой значительной. В свою очередь, многие другие обзоры и их теоретическая интерпретация не показывают анизотропии, превышающей локально обусловленную ростом неоднородности, в которую входит и наша Галактика, в изотропной в целом Вселенной.

 

 

Изучение истории развития Вселенной и её крупномасштабной структуры

 

Крайне трудные задачи — изучение истории развития Вселенной и проблема возникновения её крупномасштабной структуры — одновременно являются крайне важными для всей астрофизики в целом: только их решение может показать верность понимания процессов, происходящих в отдельных объектах и их объединениях на данный момент.

Сложность заключается в том, что необходимо наблюдать объекты, родившиеся в одну и ту же эпоху, но разных возрастов. Таким образом, с одной стороны возникает нужда наблюдать удалённые объекты, ослабленные как расстоянием, так и тем, что их спектр вместе с крайне важной линией Lα из-за расширения Вселенной смещается в инфракрасный диапазон, наблюдения в котором связаны с большими техническими трудностями. С другой стороны в ближайших окрестностях необходимо наблюдать очень старые объекты, пик светимости которых уже прошёл и сейчас они, по разным причинам лишившись основного источника энергии, могут светить лишь благодаря скудным старым запасам. Иными словами приходится наблюдать слабые объекты. В то же время необходима массовость наблюдений, чтобы исключить эффекты селекции.

С технической точки зрения решение первой проблемы — постройка больших телескопов. Однако у большого телескопа не может быть большого поля и, следовательно, он не может обеспечить массовость наблюдений. И наоборот: телескоп с широким полем не может обеспечить качественные наблюдения слабых объектов. Но есть и другой путь, более творческий: применение различных методик анализа уже имеющихся данных, полученных с использованием наличных ресурсов. Обычно их применяют в связке: с помощью второго способа намечают проблемы и задачи, которые потом решаются на качественно новом уровне с помощью лучших космических и наземных телескопов.

Дополнительную трудность вносит и то, что вместе с Вселенной эволюционируют и объекты, с помощью которых ведутся исследования. А значит, может сложиться ситуация, когда зависимости, построенные на основе современного состояния объектов, перестанут быть адекватными. Чтоб избежать подобного, помимо самих объектов необходимо тщательным образом исследовать и метод, с помощью которого мы хотим изучать Вселенную.

 

Таблица типичных объектов исследований в космологии

Объекты	Общее описание
Галактики	Это гигантские гравитационно-связанные системы, состоящие из звёзд и тёмной материи. Типичные представители в наблюдательной космологии. Методы наблюдений, применимые к галактикам, применимы почти ко всем космологическим объектам. Это и сравнения модельного спектра с наблюдаемым, и учёт металличности, и учёт пыли, и отождествление характерных особенностей частей спектра с наличием различных процессов внутри объекта.
Квазары	Квазары — класс внегалактических объектов, отличающихся очень высокой светимостью и настолько малым угловым размером, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» — звёзд. Болометрическая светимость квазаров может достигать 1046 — 1047 эрг/с[24]. Считается, что причиной такой высокой светимости является аккреция межзвёздного газа на сверхмассивную чёрную дыру в центре галактики.
Гамма-всплески	Гамма-всплески — внезапные кратковременные локализуемые повышения интенсивности космического гамма-излучения с энергией в десятки и сотни кэВ[25]. Из оценок расстояний до гамма-всплесков можно сделать вывод, что излучаемая ими энергия в гамма-диапазоне достигает 1050 эрг. Для сравнения, светимость всей галактики в этом же диапазоне составляет «всего» 1038 эрг/c. После обнаружения у гамма-всплесков оптического послесвечения и получения их спектров стало ясно, что гамма-всплески — далёкие объекты. На данный момент одним из самых далёких зафиксированных объектов Вселенной является гамма-всплеск GRB 090423 с красным смещением z = 8,2.
Звёздное скопление	Звёздные скопления представляют собой гравитационно-связанные группы звёзд, имеющих общее происхождение, и, соответственно, примерно одинаковый возраст и химический состав. Более массивные звёзды скопления раньше проходят все этапы своей эволюции, превращаясь либо в компактные релятивистские объекты (нейтронные звёзды и чёрные дыры), либо в белые карлики, а менее массивные продолжают находиться на главной последовательности.
Не проэволюционировавшие или слабо проэволюционировавшие объекты	В данную группу включены как галактики, так и звёзды. Характерной чертой данных объектов является их низкая металличность. Они в основном состоят из того вещества, из которого состояли самые первые звёзды и галактики.
Реликтовый фон	Реликтовый фон — чернотельное однородное излучение со средней температурой 2,72 К, заполняющее Вселенную.

 

Общие особенности и приемы

 

Наблюдать космологические объекты можно различными способами, некоторые подходят только для одного типа объектов, некоторые применимы ко всем. Те, что характерны для всех, частично пришли из звёздной астрономии (такие как метод звёздных подсчётов или сравнение различных участков спектра), частично изобретены только для нужд космологии.

Общие проблемы наиболее ярким образом проявляются в галактиках. Классически, среди них выделяют четыре типа: эллиптические, линзовидные, спиральные и иррегулярные. И эти четыре типа во многом схожи, но также во многом различны. Факторов, влияющих на эволюцию свойств отдельно взятой галактики — огромное множество. Все это отражается на её спектральных и фотометрических характеристиках, причем временные масштабы эволюционных процессов — миллионы лет. В итоге наблюдения далеких объектов нельзя соотнести с наблюдениями близких галактик и нет простых механизмов экстраполяции того состояния к нынешнему.

 

Лайман-альфа лес

 

В спектрах некоторых далеких объектов можно наблюдать большое скопление сильных абсорбционных линий на малом участке спектра (т. н. лес линий). Эти линии отождествляются как линии серии Лаймана, но имеющие разные красные смещения.

Облака нейтрального водорода эффективно поглощают свет на длинах волн от Lα(1216 Å) до лаймановского предела. Излучение, изначально коротковолновое, на пути к нам из-за расширения Вселенной поглощается там, где его длина волны сравнивается с этим «лесом». Сечение взаимодействия очень большое и расчёт показывает, что даже малой доли нейтрального водорода достаточно для создания большого поглощения в непрерывном спектре.

При большом количестве облаков нейтрального водорода на пути света, линии будто настолько близко друг к другу, что на довольно широком интервале в спектре образуется провал. Длинноволновая граница этого интервала обусловлена Lα, а коротковолновая зависит от ближайшего красного смещения, ближе которого среда ионизована и нейтрального водорода мало. Подобный эффект носит названия эффекта Гана-Петерсона.

Эффект наблюдается в квазарах с красным смещением z > 6. Отсюда делается вывод, что эпоха ионизации межгалактического газа началась с z ≈ 6.

 

Гравитационное линзирование

 

К эффектам, наблюдения которых возможны также для любого объекта (даже не важно, чтобы он был далеким), необходимо отнести и эффект гравитационного линзирования. В прошлом разделе было указано, что с помощью гравитационного линзирования строят шкалу расстояний, это вариант так называемого сильного линзирования, когда угловое разделение изображений источника можно непосредственно наблюдать. Однако существует ещё и слабое линзирование, с его помощью можно исследовать потенциал изучаемого объекта. Так, с его помощью было установлено, что скопления галактик размером от 10 до 100 Мпк являются гравитационно связанными, тем самым являясь самыми крупными стабильными системами во Вселенной. Также выяснилось, что обеспечивает эту стабильность масса, проявляющая только в гравитационном взаимодействии — тёмная масса или, как её называют в космологии, тёмная материя