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 (): Олег Сендюрев / «Вокруг света» по фотографиям () 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
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
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 (Payload for Antimatter Matter Exploration and
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
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 АН СССР
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
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.
Письмена Бога
Исследовательский зонд космического фона COBE (, известен также как Explorer 66) приобрел широкую известность в 2006 году, когда два его руководителя, Джордж Смут () и Джон Мазер (), 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 (); спектрофотометром далёкой инфракрасной области спектра FIRAS () и многоволновым датчиком для получения распределения излучения пыли по небесной сфере в инфракрасном диапазоне (). Главной задачей эксперимента, как и в случае с
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» (). 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 .
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 с температурой 17–22 K.
Тяжелая и темная
Зонд микроволновой анизотропии им. Вилкинсона WMAP (, 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
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 (, 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
Приближение к идеалу
— первая европейская космическая миссия, задачи которой в общих чертах совпадают с задачами и советского
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
Программу разрабатывали в тесном сотрудничестве три консорциума, включающих около 450 ученых из 25 институтов Европы и США. После закрытия программы
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