Tale af mørkt rum af mørkt rum

Tale af mørkt rum af mørkt rum

Nick. Gorkavyy
"Science and Life" №7, 2017

Andre videnskabelige fortællinger Nick. Gor'kavyi cm. I "Videnskab og Life" №11 2010, №12 2010, №1 2011, №2 2011, №3 2011, №4 2011, №5 2011, №6, 2011, № 9, 2011, №11 2011, №6 2012, №7 2012, №8 2012, №9 2012, №10 2012, №12 2012, №1, 2013 №11, 2013 nummer 1, 2014 №2 2014 №3 2014 №7 2014 №8 2014 №10 2014 №12 2014 №1 2015 №4 2015 №5 2015 tal 6, 2015 №7 2015 №9 2015 №1, 2016 №2, 2016 №3, 2016 №6, 2016 №8, 2016 nummer 11, 2016 № 2, 2017 tal 4, 2017, nr. 6, 2017.

Astrofysiker og forfatter, populariserer af videnskab og science fiction Nikolai Nikolayevich Gorkavyy udtænkt en ny bog af videnskabelige eventyr. Vi tilbyder magasinabonnenter som deres første læsere.

Fritz Zwicky – en af ​​de strålende astronomer. Foto: Fritz Zwicky Foundation

– Har du bemærket, at i storbyen hver aften drukner i el-lys, er stjernerne på himlen næsten usynlige? – spurgte prinsesse Dzintara Galatea og Andrew, der er klar til at lytte til næste aften eventyr.

"Selvfølgelig gjorde de det," svarede Galatea.

"Men i stepperne, i ørkenen eller ved havet er det en anden ting," sagde Andrew. – Der er stjernegræsgrunden åbnet til horisonten.

– Det er rigtigt. Så et af de to hovedpersoner i dette eventyr blev født af havet. Siden barndommen blev han fascineret af stjernerne og blev en astronom. Hans navn var Fritz Zwicky. Drengen voksede op på Sortehavet i Bulgarien. Hans mor var tjekkisk, hans far – en schweizisk forretningsmand.Ved en alder af seks blev han sendt til studier i Schweiz, til hans bedsteforældre. Men Fritz var fascineret af stjernerne. Han beundrede dem både over Sortehavet og over de schweiziske snedækkede toppe. Fritz begyndte at studere ikke handel, men fysik og matematik – først i skole, derefter ved Zürich Polytechnic Institute, forresten, i samme, hvor Albert Einstein studerede.

I 1925 modtog Fritz Zwicky et stipendium og gik til Amerika, til Californien, hvor California University of Technology og de største observatører i Mount Wilson og Palomar var placeret.

I de næste tolv år lavede den unge videnskabsmand så mange opdagelser, at han kom ind i rækken af ​​de største astronomer i det tyvende århundrede. I næsten alle undersøgelser var han så forud for sin tid, at hans kolleger ikke straks forstod, hvad der foregik.

Månekrateret Zwicky med en diameter på 150 km har en polygonal form. Foto: NASA / Apollo 17

I 1934 lavede Fritz Zwicky den vigtigste opdagelse – forklarede mekanismen for eksplosionen af ​​supernovaer*. Han og hans medforfatter, tyske astronom Walter Baade, foreslog, at kernen i en massiv stjerne krymper ind i en tæt neutronkugle med en størrelse på kun et dusin kilometer.Samtidig frigives så meget energi, at stjernens ydre skal spredes i forskellige retninger og frigiver udadrettet kraftig stråling, der er synlig i en afstand af billioner af lysår! Og på eksplosionsstedet forbliver en lille neutronstjerne. Efter 33 år kunne forudsigelsen af ​​Zwicky og Baade om eksistensen af ​​neutronstjerner bekræftes af Jocelyn Bell (se "The Tale About Young Jocelyn Bell, Pulsars and the Telegram from the Green Men", "Science and Life" nr. 8, 2014 – Ca.. red.), opdaget i 1967, pulsarer – neutronstjerner med et stærkt magnetfelt.

Fritz Zwicky sat en slags rekord: han fandt i himlen 129 supernovaer (forresten blev navnet "supernovae" også opfundet af ham). I slutningen af ​​det tyvende århundrede bragte computerudstyrede teleskoper antallet af åbne supernovaer til mange tusinder. Den amerikanske fysiker Kip Thorn kaldte artiklen Zwicky – Baade om supernovaer, neutronstjerner og kosmiske stråler "et af de mest profetiske dokumenter i fysikens og astronomiens historie."

I 1937 foreslog Zwicky ideen om gravitationslinsering på klynger af galakser.

– Hvad er det? spurgte Galatea.

– Einstein forudsagde, at stjernens lys er bøjet i solens tyngdepunkt.Astronomer er blevet interesseret i: er det muligt at bemærke krumningen af ​​stjernelys på en anden stjernes område? Beregningerne viste, at dette er meget usandsynligt på grund af stjernens "små" synlige størrelse. Zwicky ved at vide, at klynger af galakser har usædvanligt store størrelser, foreslog at lyset af fjerne genstande kan bøjes på sådanne klynger. Hans antagelse blev bekræftet i 1979. Men desværre døde Zwicky et par år før det skete. Nu gravitationslinser i galakser er en af ​​de mest kraftfulde metoder til at studere universet.

Galaxy NGC4911 fra Cluster of Veronica's Hair, på eksemplet af undersøgelsen, hvoraf F. Zwicky viste, at det mørke stof dominerer i rummet. Foto: NASA / ESA / Hubble Heritage Team (STCI / AURA)

Men den mest ambitiøse, spændende opdagelse af Zwicky var beviset for eksistensen af ​​mørkt stof. I 1933 offentliggjorde han en undersøgelse af galaksernes hastigheder i en stjerneklynge, der kaldes Veronica Hair (det andet navn er Coma-klyngen). Kendskab til bevægelseshastigheden for de enkelte galakser udregnede han massen af ​​hele klyngen.

– Hvordan har han gjort det? – spurgte rastløse Andrew.

– Enhver dreng, som dig, kaster en sten op (eller bedre i brønden, for ikke at komme ved et uheld ind i nogen), kan beregne Jordens masse ved at måle tiden for den faldende sten.

Galatea smilede:

– Jeg kender ikke en eneste dreng, der ville måle tidspunktet for flyvning af en sten. De smider dem bare væk – det er alt sammen.

"Det er derfor, at få af dem bliver forskere." Efter at have beregnet den samlede masse af den galaktiske Coma-klynge, vurderede Zwicky det på anden måde – han beregnede simpelthen antallet af galakser i klyngen og multiplicerede det med galakseens typiske masse. Det viste sig, at den samlede masse synlige galakser er hundreder gange mindre end massen af ​​klyngen, fundet ud fra beregninger baseret på galaksernes hastigheder. Dette betyder, at størstedelen af ​​stoffet i klyngen af ​​Veronica's hår forbliver usynlig for observatøren. Men hvad er dette mørke stof? Før Zwicky studerede astronomer som James Jeans, Jacobus Captain og Jan Oort muligheden for mørkt stof i vores galakse. Men først efter opdagelsen af ​​Zwicky kunne eksistensen af ​​en usynlig bestanddel af kosmos betragtes som bevist.

Galactic Bullet-klyngen optrådte, da to klynger kolliderede.Gas i stjernebilledet sænket i en kollision, og mørkt stof fløj uden forstyrrelse yderligere. I rødt Emissionen af ​​gas, som udgør hoveddelen af ​​baryonmassen (består af protoner og neutroner) i klyngen, er vist. I blå Viser fordelingen af ​​usynlig masse, bestemt ved tyngdekraften. Således falder baryonmassen ikke sammen. Optisk foto: NASA / STScI / ESO WFI / CXC / CfA

Den anden heltinde af vores eventyr – en lille amerikansk pige, datteren af ​​indvandrere fra Litauen og Moldova Vera Rubin, som kun var fem år gammel i 1933, kunne bekræfte eksistensen af ​​det mørke materielle fænomen og tiltrække alles opmærksomhed på det. Fra den tidlige barndom kunne hun stille spørgsmål, der sætter voksne i en blindgyde. For eksempel, da hun rejste med sine forældre i en bil, kiggede de ud af vinduet og sagde pludselig:

"Hvorfor går månen på samme måde som vi går?" Træer og bakker flyder tilbage, og månen bevæger sig med os. Hvordan vidste hun at vi skulle hjem?

Mærke stofforsker Vera Rubin. Carnegie Institution i Washington. 1974. Foto: Carnegie Science

Vera nød det faktum, at hun var i stand til at spørge et så fremragende spørgsmål, selv om hun ikke kunne huske, hvad hendes forældre havde svaret.Efter denne hændelse besluttede hun at spørgsmålene altid er mere interessante end svarene, og at hun var heldig – hun bor i nysgerrige verdener.

– Vi lever også i det og ved også, hvor interessant det er! – sat i Galatea

"Da Vera ikke sov i en alder af ti," fortsatte Dzintara, "så hun gennem vinduet i sit lille soveværelse, mens stjernerne bevægede sig langs den nordlige himmel. De førte en rund dans rundt om North Star, og hun hang ubevægelig i himlen som limet og følte sig som verdens rotationscenter. Pigen kiggede på de bevægende stjerner og drømte om at finde ud af mere om deres hemmeligheder.

Børns drømme bliver rigtigt sjældent, men i dette tilfælde skete det. Troen er vokset og begyndte at studere bevægelsen af ​​stjerner, men ikke omkring nordstjernen (trods alt er dette kun en tilsyneladende bevægelse forårsaget af Jordens rotation omkring sin akse), men omkring centrum af galakser. Hun blev en strålende decryptor af stjernespektre. I midten af ​​1960'erne blev Vera inviteret til at observere stjernerne på teleskoperne i Palomar Observatoriet. Hun blev den første kvinde til at modtage denne ære.

– Hvordan er det først? – Galatea forstod ikke.

– Indtil 70'erne i det tyvende århundrede gennemførte kun mænd observationer på store teleskoper i Californien og i andre observatorier. Tro var i stand til at ødelægge denne uhyrlige tradition.Sammen med sin medforfatter-astronomer Kent Ford undersøgte hun stjernens bevægelse omkring galaktiske centre. Emnet var bestemt vigtigt, men lovede ikke nogen store opdagelser. Resultaterne fra Faith Rubin viste sig at være sensationelle: stjernerne, i stedet for at bevæge sig i henhold til Keplers lov, det vil sige at reducere deres hastighed med stigende afstand til det galaktiske center, bevægede sig til omtrent samme hastighed på meget forskellige afstande fra den. Som om hver galakse blev hugget af en massiv sky af mørk materie, som vejede meget mere end galaksernes stjerneskive og fik stjernerne til at bevæge sig meget hurtigere, end de skulle, baseret på stjernens diskets masse.

Keplers lov – loven formuleret af Johann Kepler (1571-1630), hvorefter planeternes rotationshastighed falder med stigende afstand fra solen. En firefoldig forøgelse i afstand forårsager et dobbelt fald i rotationshastigheden.

Da videnskabsmænd var overbeviste om gyldigheden af ​​resultaterne af Rubin-Ford, begyndte intensive observationer og teoretiske undersøgelser af mørke stofs natur. Det ville være logisk at antage, at astronomerne savnede nogle usynlige objekter i rummet,for eksempel stjerner som brune dværge er størrelsen af ​​jupiter, men er tiere gange større end dem. Faktisk opdagede de astronomers fælles indsats ved hjælp af rumteleskoper et stort antal sådanne stjerner. De viste sig at være den største stjernekomponent i Melkevejen. Men selv deres masse var ikke nok til at øge massen af ​​vores galakse til den ønskede størrelse. På dette tidspunkt har forskere allerede opdaget og intergalaktiske kolde skyer, med temperaturer på omkring 0 Kelvin, der består af hydrogen og helium. De var gennemsigtige for stjernernes lys; kun de spektrale linjer, som intergalaktisk hydrogen "gnawed" i stjernespektre viste deres tilstedeværelse. Massen af ​​disse skyer i klynger af galakser var ti gange større end massen af ​​alle stjerner. Men det var ikke nok til at forklare resultatet af Zwicky.

Rotationskurverne på to dusin galakser. Rød linje Rotationskurvens forventede opførsel er vist i henhold til Keplers lov. De observerede kurver viser ikke denne adfærd. (Artikler V. Rubin, K. Ford, N. Tonnard, 1980. – Ca.. aut.)

– Måske er mørkt stof lavet af små,kun få kilometer i størrelse, men meget massive genstande som neutronstjerner og sorte huller af stjernemasserne? – Andrei spurgte kompetent.

Omslaget til bogen Faith Ruby "Bright Galaxies. Dark matter", udgivet i 1997

"Astronomerne udviklede et specielt observationsprogram for at søge sådanne genstande," forklarede Dzintar, nikkende godkendende ", men efter mange års observation blev det fastslået, at der er for få sådanne genstande af stjernemasser til at forklare mysteriet om mørk materie.

– Så er måske mørkt stof lavet af elementære partikler, hvilket er meget, meget? – besluttede også at gøre sin antagelse Galatea.

– Ja, rigtigt. Den mest lovende kandidat til mørkets rolle viste sig at være neutriner – små partikler, hvis udseende var forudsagt i 1930 af den schweiziske teoretiske fysiker Wolfgang Pauli og opdagede dem et kvart århundrede senere. Der er mange neutriner omkring os, for eksempel flyver hundredvis af milliarder af neutriner født på solen hvert eneste sekund gennem det menneskelige øje …

– Shoo, shoo! – Galatea vinkede hænderne, som om at jagte væk den allestedsnærværende neutrino. Dzintar og Andrew lo med hende.

"De interagerer så svagt med materie," fortsatte Dzintara, "at de passerer gennem vores jord og gennem mennesker, som lys gennem gennemsigtigt glas." Men neutrino-massen viste sig at være så lille, at den elementære partikel ikke kunne påvirke universets masse betydeligt. Desuden, når forskerne forsøgt at beregne, hvad satser bør have en partikel af mørkt stof, så de kan forklare den observerede rotation af galakser, og strukturen blev det konstateret, at partiklerne er nødt til at bevæge sig langsomt, det vil sige, skal mørkt stof være "kold". "Hot" neutrinos, som bevæger sig næsten ved lysets hastighed, var ikke egnede til rollen som sådan "kold" materie.

Fysikere kaldte de hypotetiske undvigende partikler af mørkt stof svagt interaktive massive partikler (UHMF) og begyndte at kigge efter dem overalt. De gennemførte forsøg på Large Hadron Collider i Europa, lancerede partikeldetektorer i balloner over Antarktis. I forskellige lande blev der arrangeret ca. et dusin underjordiske laboratorier, som lancerede flerpartikelpartikeldetektorer i miner til en dybde på to kilometer i håbet om at registrere en UHMF der. Men intet fungerede.Derefter begyndte detektorerne at blive lanceret i rummet, både på individuelle satellitter og som instrumenter på den internationale rumstation, hvor der var installeret en tøndeformet enhed på 2 milliarder dollar for at søge efter mørke stofpartikler.

Tøndeformet magnetisk spektrometer leveret af pendlen til den internationale rumstation i 2011 for at søge efter mørke stofpartikler (billedet viser en pil). Dens vægt er næsten 7 tons; kostede 2 milliarder dollars. Foto: NASA

– Nå, og fangede "tønderne" af disse partikler? spurgte Galatea utålmodigt.

"Nej," rystede Dzintara på hovedet. "UHRM er stadig undvigende." I et forsøg på at fange dem blev der oprettet en ide, der bragte sammen en hel del tilhængere – at ændre tyngdekravene, der opererer på tværs af galaksen og hele universet. Dette vil gøre det muligt at gøre uden mørk materie, men prisen på en sådan beslutning er stor: vi bliver nødt til at opgive den dokumenterede og smukke Einstein-Newton teori.

I 2015 i gravitationsbølgeobservatoriet i Hanford (Washington, USA) inden for rammerne af LIGO-projektet fangede gravitationsbølgefaktoren den første gravitationsbølge i historien fra sammenløbet mellem to sorte huller med 29 og 36 solmasser.Resultatet slog forskere: det viste sig, at der i rummet er mange sorte huller, der er meget tyngre end almindelige huller af stjernemasserne! Umiddelbart var der en antagelse om, at mørkt materiale er et stort antal sorte huller i snesevis af solmasser. Men hvor kom sådanne massive sorte huller fra, fordi almindelige stjernemodulationsmodeller ikke forudsiger dem? Der var en dristig hypotese om, at sorte huller kom til os fra universums tidligere cyklus, fordi de er de eneste makroskopiske objekter, som kan overleve verdens sammenbrud, og efter at have passeret den brændende fase af det maksimale pressede univers, kommer ind i den næste cyklus af sit liv.

– Så mørkt materiale, som som sagt er fem til seks gange mere end almindelig gas og stjerner, er stadig et mysterium, der skal løses af fremtidens forskere? – forsøgte at klarlægge Andrew.

– Ja. Er det sorte huller? Er disse elementære partikler? Uden tvivl, i midten af ​​XXI århundrede vil gåden løses.

Vera Rubin var en uafhængig forsker. Næsten hele sit liv arbejdede hun i et lille privat Carnegie Institute, der ligger i parkområdet i den amerikanske hovedstad. Hendes arbejde mødes ofte med misforståelser i det astronomiske samfund.Men i slutningen af ​​det tyvende århundrede blev mørke materier, som Fritz Zwicky fandt i klynger af galakser i 1933, og Vera Rubin og Kent Ford i 1970'erne opdaget inden for de enkelte galakser, blevet det mest aktive forskningsområde. I begyndelsen af ​​XXI århundrede var tusindvis af forskere allerede involveret i det. Dette er overraskende, men hverken Fritz Zwicky eller Vera Rubin modtog Nobelpræmierne, selvom de blev præsenteret fire gange med andre forskere for deres arbejde med dette emne.

Canadisk-Britisk mørk materiel partikel detektor DEAP-3600, som bruger 3,6 tons flydende argon. Det er planlagt at opbygge en forbedret detektor ved hjælp af 50 tons argon. Foto: Mark Ward / W

Vera Rubin løste ikke alene kosmiske gåder, men afspejler også fremtidens problemer:

"Hvilke opgaver vil astronomer løse i fremtiden? Hvilke spørgsmål vil universets astronomer spørge om hundrede år på tusind år? Hvad er universets alder? Hvad er universets ekspansionsgrad? Hvad er universets masse? Har nærliggende stjerner planeter, hvor liv og sind stammer fra? Er de tæt nok til os, så vi kan kommunikere med dem inden for overskuelig tid … Der er stadig problemer, som vi ved så lidt om, at vi næppe kan formulere de nødvendige spørgsmål.Her er en meget omtrentlig liste over dem: Er der andre universer, vil vi nogensinde kommunikere med dem, hvordan vil vores forståelse af universet ændre sig, når gravitoner opdages? Når vi ser på universet, ser vi ind i vores fortid, men vores "øjne" er svage, og vi kan stadig ikke trænge ind i vores øjne over lange afstande. Gaderne i universets kant overgår vores forståelse. Ligesom Columbians eller vikinger kiggede vi ind i den nye verden og så, at det var mere mystisk og mere kompleks end vi forestillede os. De største mysterier i universet forbliver uløste. De vil være eventyr for fremtidens forskere. Jeg kan godt lide det. "

Adressering til ungdommen sagde Vera Rubin:

"For de af jer, der ønsker at være videnskabsmand, har jeg et råd: ikke opgive! Hver af jer må tro på, at du kan lykkes. I dag kan det virke utroligt, men der er ingen blandt jer, der ikke kunne bidrage et vigtigt og væsentligt bidrag til videnskabens verden. Videnskaben er jaloux, aggressiv, krævende. Men det er også fantastisk, inspirerende og inspirerende. Hvert af jer kan ændre verden, fordi du er sammensat af stjernens materie, og du er forbundet med universet. "

Walter Baade (1893-1960) – tysk astronom, der arbejdede i årene 1931-1958 i USA. Sammen med F. Zwicky definerede han supernovaer som en ny kategori af astronomiske objekter og forudsagde udseendet af neutronstjerner på stedet for en supernova-eksplosion. Opdaget 10 asteroider. Asteroid nummer 1501 og månekrater er navngivet til hans ære.

Jocelyn bell (f. 1943) – britisk astronom. I 1967 opdagede han som en ung kandidatstuderende pulsarer. Tildelt Royal Medal og andre videnskabelige priser.

Vera Rubin (1928-2016) – amerikansk astrofysiker. Hun undersøgte galaxernes omdrejningshastighed, og fandt, at stjerner i galakser, herunder Vintervejen, bevæger sig hurtigere end tiltrækningen af ​​synligt materiale, som om galakser indeholder en stor mængde usynlige stoffer. Modtaget mange priser for hendes arbejde, herunder Royal Astronomical Society's Gold Medal og Gruber Cosmology Award.

Kip Thorn (f. 1940) – Amerikansk gravitationsfysiker, medforfatter af en klassisk monografi om Einsteins teori og kosmologi. En af lederne af LIGO-projektet, som følge af hvilke tyngdebølger blev opdaget. Vinder af Gruber, Shao, Harvey og Kavli priser.

Fritz Zwicky (1898-1974) – schweiziske astronom, født i Varna (Bulgarien) og næsten hele sit liv i Californien (USA). Til sit arbejde i udviklingen af ​​jetmotorer i 1949 modtog han frihedsmedaljen fra den amerikanske præsident Truman. For sit fremragende bidrag til astronomi og kosmologi i 1972 blev han tildelt guldmedaljen til Royal Astronomical Society. Asteroid nummer 1803 og et månekrater 150 km i diameter hedder F. Zwicky.


* En supernova er en stjerne, som drastisk ændrede lysstyrken som følge af en eksplosion efterfulgt af en relativt langsom flashdæmpning.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: