Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Облава на темных

Большая часть субстанции Вселенной невидима, но узнать о ней кое-что все же можно

Анизотропия микроволнового фона была обнаружена примерно через сорок лет после того, как был обнаружен сам микроволной фон. И если в 1965 году казалось чудом, что реликтовое излучение в каждой точке ночного неба имеет совершенно одну и ту же температуру, то в 2004-м всех потрясло обратное: во флуктуациях температуры, оказывается, есть своя регулярность. Иллюстрация (Creative Commons license): Олег Сендюрев / «Вокруг света» по фотографиям Shamim Mohamed (CC-BY-SA) и NASA / WMAP Science Team

Среди открытий ХХ века самым, на наш взгляд, удивительным было построение теории гравитации, позволившей говорить о Вселенной как об определенной физической сущности. Для нее теперь можно выписывать уравнения состояния и уравнения движения — то есть говорить о ней как о целом. Это открытие определит развитие науки на много десятилетий вперед, и совсем не удивительно, что «вал» и узкоспециальных, и обзорных, и научно-популярных публикаций на протяжении уже многих лет не только не снижается, но постоянно растет.

При том, что построенная теория в целом хорошо соответствовала наблюдениям, в ней были определенные трудности, которые удавалось обойти, только сделав несколько весьма неожиданных допущений о природе материи, наполняющей космическое пространство. Прежде всего, надо было предположить, что далеко не вся материя может излучать электромагнитные волны. Более того, этим ценным качеством обладает не более 5% (по массе) всей находящейся в межзвездном пространстве материи, но только их мы можем наблюдать непосредственно. Но и то, что мы не видим, очень неоднородно и делится на два принципиально различных рода — темное вещество (скрытую массу) и темную энергию.

Хотя тёмное вещество и тёмная энергия представляют собой две совершенно различных физических реальности и изучение каждой из них имеет свои особенности, самый факт их ненаблюдаемости позволяет рассматривать их изучение и как единую комплексную задачу. Ни тёмная энергия, ни тёмное вещество не излучают ни в каком из диапазонов электромагнитного спектра. Их исследование возможно только опосредованно, по влиянию на другие космические объекты, которые можно изучать уже непосредственно. В зависимости от того, какие объекты выбираются в качестве «посредников», определяется и стратегия исследования тёмного вещества — отдельно или вместе с тёмной энергией. Если речь идёт о взаимодействии частиц тёмного вещества, то исследуется только оно одно. В качестве «универсальной среды» для тёмного вещества и тёмной энергии выступает космическое микроволновое реликтовое излучение (СМВ — cosmic microwave background). Его исследование позволяет получить информацию и о тёмной энергии, и о скрытой массе.

На практике эта информация получается в ходе космических миссий. Универсальность исследуемого физического посредника определяет и конкретный тип материи, о котором можно надеяться узнать что-то новое. В то время как одни из них специализируются на исследовании результатов взаимодействия частиц скрытой массы, другие носят более универсальный характер и объектом их исследования является космический микроволновый фон. По его возмущению можно узнать что-то и о скрытой массе, и о темной энергии.

Аппаратура PAMELA и наблюдение за антивеществом оказались, в определенном смысле, внешним делом по отношению к станции «Ресурс-ДК1». Иллюстрация из статьи P. Picozza, A.M. Galper, G. Castellini et al

Среди современных космических миссий, в ходе выполнения которых может быть получена новая информация о темном веществе и/или темной энергии, наиболее перспективными считаются пять — именно о них и пойдет речь ниже.

Навстречу антивеществу

Исследовательская платформа для наблюдения за антивеществом и легкими ядрами PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) была установлена на российский космический аппарат «Ресурс-ДК1» и выведена на околоземную орбиту 15 июня 2006 года. Её начинали создавать ещё в середине 90-х годов Россия с Италией, но потом к ним присоединились Германия и Швеция. Вес платформы — 470 кг, обошлась она примерно в $32 млн. и находится сейчас на эллиптической орбите на высоте между 350 и 610 км с наклонением орбиты 70°. На орбиту её вывел космический корабль «Союз-У» с космодрома Байконур. Предполагаемый срок эксплуатации — 3 года.

Основная задача этого проекта, как следует из его названия, — исследовать космические лучи и антивещество в виде позитронов и антипротонов, для чего используется магнитный спектрометр с различными специализированными детекторами. Это инструмент высокого научного уровня, способный получать с большой точностью и чувствительностью относительное содержание и энергетический спектр «состава» космических лучей — электронов, позитронов, антипротонов и ядер в очень большом интервале энергий от 50 МэВ до сотен ГэВ, в зависимости от типа частиц.

Таким образом, измерения, выполняемые установкой, относятся, прежде всего, к высокоэнергетическим процессам, происходящим во Вселенной. А именно они представляют наибольший интерес с точки зрения исследования тёмного вещества. Теоретические модели уже позволили построить «фоторобот» наиболее вероятных «подозреваемых» элементарных кирпичиков темного вещества. Это — слабовзаимодействующие массивные частицы, называемые «вимпы» (от англ. WIMP — weak interaction massive particle). Конструировать частицы с необходимыми свойствами позволяют теории суперсимметрии, в которой они оказываются суперпартнёрами нейтрино, фотонов и гравитонов и поэтому названы, соответственно, нейтралино, фотино и гравитино.

Взаимодействие этих частиц между собой может привести к их аннигиляции и возникновению либо гамма-квантов, либо пары из частицы и античастицы, в том числе электрон-позитронных и протон-антипротонных пар. Ожидаемый поток частиц и античастиц от аннигиляции вимпов чрезвычайно мал, а так как в потоках космических лучей преобладают частицы (протоны, электроны), то правильнее искать следы вимпов в менее интенсивных потоках — в потоках античастиц. По специфическим особенностям в их спектрам можно будет восстановить некоторые из характеристик их причин — частиц скрытого вещества.

Тайны мерцающего фона

Первая попытка зафиксировать неоднородности фона реликтового излучения была сделана ещё тогда, когда его однородность ни у кого не вызывала сомнений. Космический эксперимент Института космических исследований АН СССР РЕЛИКТ-1 проводился на базе спутника ПРОГНОЗ-9 с целью получения карты отклонений от средней температуры (анизотропии) реликтового микроволнового излучения на всей небесной сфере в 8-миллиметровом диапазоне длин волн.

Результаты, полученные аппаратурой РЕЛИКТ-1, стали важным шагом к открытию анизотропии реликтового излучения. К сожалению, своевременно сделать второй шаг не удалось по причинам, не имевшим прямого отношения к науке. Фото из журнала «Наука в СССР»

Спутник находился на орбите, на которой максимальная точка удаления от Земли была дальше орбиты Луны, с июля 1983 года по февраль 1984-го. Его период обращения составлял около 27 суток. Все это время реликтовое излучение небесной сферы улавливалось двумя внешними антеннами спутника, а аппаратура РЕЛИКТ-1 сканировал получающуюся «картинку», вращаясь вокруг собственной оси спутника ПРОГНОЗ. Обработка полученных результатов потребовала потом немало времени — с февраля 1984 по январь 1992 года, но в итоге удалось обнаружить анизотропию реликтового излучения и даже составить карту температурных флуктуаций.

Это был первый в мире эксперимент подобного рода, и в силу отсутствия навыков его проведения он обладал рядом несовершенств, к которым можно отнести относительно невысокую чувствительность приборов (по крайней мере, по отношению к потенциальным возможностям) и узкий диапазон исследуемых электромагнитных волн. Из-за них расшифровка результатов эксперимента потребовала так много времени, и авторы другого проекта, COBE (о нем пойдет речь ниже), учитывая недостатки своих предшественников, смогли провести расшифровку быстрее и получить более полные результаты — их карта была построена в более широком диапазоне, и результаты РЕЛИКТ-1 скоро оказались преданными забвению. Предполагалось, что начатая им работа будет продолжена в ходе эксперимента РЕЛИКТ-2 в 1993–1995 годах, однако, как оказалось, именно в это время государству стало не до микроволнового фона.

Письмена Бога

Исследовательский зонд космического фона COBE (Cosmic Background Explorer, известен также как Explorer 66) приобрел широкую известность в 2006 году, когда два его руководителя, Джордж Смут (George Smoot) и Джон Мазер (John Mather), получили Нобелевскую премию по физике. Горячие головы тогда заговорили о сверхъестественном и чуть ли не мистическом значении открытия.

Спутник работал с 1989 по 1993 год на орбите высотой 900 км и с наклонением 99°. Он был оснащён тремя основными исследовательскими приборами: дифференциальным микроволновым радиометром (DMR — Differential Microwave Radiometer); спектрофотометром далёкой инфракрасной области спектра FIRAS (Far-InfraRed Absolute Spectrophotometer) и многоволновым датчиком для получения распределения излучения пыли по небесной сфере в инфракрасном диапазоне (DIRBE — Diffuse InfraRed Background Experiment). Главной задачей эксперимента, как и в случае с РЕЛИКТОМ-1, было построение углового распределения по небесной сфере отклонений от средней температуры реликтового излучения. За её выполнение отвечал Джордж Смут. А кроме того, надо было сравнить, насколько спектр микроволнового фона отличается от спектра абсолютно чёрного тела. За эту часть задачи отвечал Джон Мазер.

Каждый из установленных на станции приборов работал в своем диапазоне, что позволило, комбинируя получаемую ими информацию, составить полную картину и получить результаты быстрее и качественнее.

Интересно, что история этого проекта ведёт свой отсчёт ещё с 1974 года, когда NASA объявило конкурс проектов для астрономических миссий, которые должны были бы задействовать небольшие размеры исследовательских спутников. Была подана сто двадцать одна заявка: три из них были посвящены изучению CMB. В 1976 году комиссия NASA выбрала среди участников конкурса тех, кто будет разрабатывать объединённый концептуальный проект спутника. Стоимость проекта не должна была превышать $30 млн., включая затраты на запуск и анализ данных. Однако уложиться в заявленную сумму не удалось, поэтому все работы заморозили до 1981 года, когда, наконец, конструкторы придумали, как им сэкономить бюджет.

Сборка аппаратуры COBE проводилась в Годдаровском центре космических исследований NASA специалистами из разных стран. Конический отражатель должен был экранировать микроволновое излучение от Земли, Луны и Солнца. Фото: NASA / COBE Science Team

Тем не менее запуск COBE не был осуществлен вовремя: его должен был выводить на орбиту корабль многоразового использования «Челенджер», потерпевший катастрофу в 1987 году. Поэтому запуск спутника COBE произошёл 18 ноября 1989 года с борта ракеты «Дельта» (Delta Launch Vehicle). А 23 апреля 1992 года появилось сообщение американских специалистов, что по данным COBE обнаружена анизотропия реликтового излучения. Это сообщение обошло весь мир как фундаментальный научный результат и было опубликовано на первой полосе New York Times.

Результаты картографирования анизотропии реликтового излучения, полученные COBE (так же, как и результаты работающего WMAPа), позволяют оценить вклад в плотность Вселенной и тёмного вещества, и тёмной энергии. Разумеется, последнее было уже сделано после открытия ускоренного расширения Вселенной в 1998 году. Кроме того, в качестве составной части скрытой массы COBE обнаружил облака холодной пыли с температурой 17–22 K.

Тяжелая и темная

Зонд микроволновой анизотропии им. Вилкинсона WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, известен также как Explorer 80) — космический аппарат NASA для сканирования небесной сферы и измерения температуры реликтового фона.

Аппарат был выведен на орбиту спутника Земли 30 июня 2001. Первоначально предполагалось, что продолжительность активного существования зонда составит 27 месяцев, из которых 3 месяца уйдут на перемещение аппарата в точку либрации, а ещё 24 месяца — собственно на наблюдения микроволнового фона. По завершении ожидаемого срока работы было решено продлить миссию до сентября 2009 года.

Размеры: 3,8×5 м, масса: 840 кг. Орбита проходит вблизи точки Лагранжа системы Земля–Солнце в 1,5 млн. км от Земли. Чувствительность радиометров: 20 µK на пиксель (квадрат со стороной 0,3°).

Спутник, находящийся в одной из пяти точек Лагранжа системы Солнце–Земля, сохраняет свое относительно положение в этой системе. Однако его равновесие, вообще говоря, неустойчиво. Преимущество точки L2 очевидно — она ближайшая к Земле, но для удержания в ней спутника время от времени приходится включать корректирующий двигатель. Иллюстрация: NASA / WMAP Science Team

Первоначально аппарат назывался MAP. После смерти одного из научных руководителей проекта Давида Вилкинсона (David Wilkinson, 1935–2002) 5 сентября 2002, спутник был переименован в его честь.

Основная задача WMAP — картирование относительной температуры реликтового излучения (CMB) по всей небесной сфере с заданными параметрами и с пределом на систематические ошибки вплоть до 5 µK на пиксель. Для решения поставленной задачи WMAP использовал различные микроволновые радиометры, которые измеряют температуру между двумя точками на небесной сфере, позволив получить «карту мира» — распределения анизотропии реликтового излучения на всей небесной сфере.

Данные WMAP показали, что распределение температуры реликтового излучения по небесной сфере имеет определённую структуру, его флуктуации не полностью случайны. Параметры функции, описывающей измеренное распределение, согласуются с моделью Вселенной, состоящей: на 4% из обычного вещества, на 23% из тёмного вещества (возможно, из гипотетических тяжёлых суперсимметричных частиц) и на 73% из ещё более таинственной тёмной энергии, вызывающей ускоренное расширение Вселенной.

Данные WMAP позволяют утверждать, что тёмная материя является холодной (то есть состоит из тяжёлых частиц, а не из нейтрино или каких-либо других лёгких частиц). В противном случае лёгкие частицы, движущиеся с релятивистскими скоростями, размывали бы малые флуктуации плотности в ранней Вселенной.

Приближение к идеалу

PLANCK — первая европейская космическая миссия, задачи которой в общих чертах совпадают с задачами и советского РЕЛИКТ-1, и американских COBE и WMAP. Однако если все вышеперечисленные миссии обладали определённым технологическим несовершенством, то проект PLANCK призван стать «идеальным измерительным аппаратом» и измерить флуктуации СМВ с точностью, ограниченной только фундаментальными астрофизическими пределами. Первые измерения РЕЛИКТ-1 проводились на одном частотном диапазоне, с небольшим угловым разрешением и относительно невысокой точностью (примерно такими же, как и у СОВЕ), а два последующих проекта (WMAP и PLANCK) существенно улучшали эти характеристики. Так, СОВЕ анонсировала обнаружение флуктуаций температуры СМВ в трёх разных диапазонах частот, на угловых масштабах более 7 градусов на уровне температурных флуктуаций порядка 10–5, а WMAP производит наблюдения в расширенном частотном диапазоне с угловым разрешением около 15 угловых секунд (точность возросла в 1680 раз!) с близкой чувствительностью. Проект PLANCK увеличивает (по сравнению с WMAPом) предшествующую чувствительность в 5 раз, (он «чувствует» температурные флуктуации порядка 2×10–6), угловое разрешение ещё в 3 раза (до 5 секунд) и огромным образом расширяет частотный диапазон (30–857 ГГц). На моделях показано, что температурная чувствительность PLANCK будет ограничена скорее по астрофизическим причинам, а не по аппаратным.

Новость о неравномерность распределения температуры реликтового излучения по небесной сфере взволновала многих. Узнать, какой смысл в этих «письменах бога», захотелось и английской королеве Елизавете II и членам ее семьи. Для них 8 мая 2007 года сотрудники Годдаровского центра организовали специальный сеанс. Фото: NASA / GSFC 

Аппарат будет оборудован микроволновым радиометром третьего поколения для наблюдений из космоса анизотропии СМВ, работающим на тех же принципах, что и радиометры COBE и WMAP, но более совершенным.

Старт миссии запланирован на июль 2008 года, предполагаемое время работы составит 15 месяцев. Результаты работы миссии требует тщательной обработки, первые итоги её работы могут быть подведены не ранее чем через два года после её окончания. Кроме построения карт СМВ всего неба на каждой частоте, по результатам работы миссии ожидается построение карт компонентов по всему небу, включая сам микроволновый фон, плюс галактическое синхротронное излучение, излучение пыли и т. п., по которым можно будет построить карту распределения межзвёздного вещества, создание итогового каталога компактных источников, включающего галактические и внегалактические объекты.

Программу разрабатывали в тесном сотрудничестве три консорциума, включающих около 450 ученых из 25 институтов Европы и США. После закрытия программы РЕЛИКТ-2 российского «сегмента» в подобных программах нет.

Такими, в общих чертах, являются современные космические проекты исследования двух наиболее важных для современной науки проблем физики и космологии. Разумеется, этот список далеко не полон, информацию о тёмной энергии и тёмном веществе можно получать и по другим исследованиям в других диапазонах электромагнитного спектра. Здесь указаны только те, из которых можно «выжать» максимум научной информации, однако по мере исчерпания этих «источников», безусловно будут предложены другие, и уже новые космические миссии начнут «бороздить просторы Вселенной».

Елена Банникова, Яков Тарароев, 16.07.2008

 

Новости партнёров