Темна енергія

Темна енергія — в космології гіпотетична форма енергії, що має від'ємний тиск і рівномірно заповнює весь простір Всесвіту. Згідно з положеннями загальної теорії відносності, гравітація залежить не лише від маси, але і від тиску, до того ж від'ємний тиск має породжувати відштовхування, антигравітацію. Згідно з останніми даними, було виявлено прискорення розширення Всесвіту в космологічних масштабах. 

 Темна енергія має складати значну частину так званої прихованої маси Всесвіту.

 

Існує 2 варіанти пояснення сутності темної енергії:

• Темна енергія є космологічна стала — незмінна енергетична густина, що рівномірно заповнює простір.

• Темна енергія є квінтесенція — динамічне поле, енергетична густина якого може змінюватися в просторі-часі.

Остаточний вибір між двома варіантами вимагає високоточних вимірів швидкості розширення Всесвіту, щоб зрозуміти, як ця швидкість змінюється з часом. Темпи розширення Всесвіту описуються космологічним рівнянням стану. Розв'язок рівняння стану для темної енергії — одна з найнагальніших задач сучасної спостережної космологі
ї.
Введення космологічної константи в стандартну космологічну модель (так звану метрику Фрідмана-Леметра-Робертсона-Вокера, FLRW), призвело до появи сучасної моделі космології, відомої як лямбда-CDM модель. Ця модель добре узгоджується з існуючими космологічними спостереженнями.

 Гіпотеза про існування темної енергії, вирішує так звану «проблему невидимої маси». Теорія нуклеосинтезу Великого Вибуху пояснює формування в молодому Всесвіті легких хімічних елементів, таких як гелій, дейтерій та літій. Теорія великомаштабної структури Всесвіту пояснює формування структури Всесвіту: утворення зір, квазарів, галактик і галактичних скупчень. Обидві ці теорії передбачають, що густина баріонної матерії і темної матерії становить близько 30 % від критичної густини, яка необхідна для утворення «закритого» Всесвіту, тобто густина, яка необхідна, щоб форма Всесвіту була плоскою. Вимірювання реліктового випромінювання Всесвіту, нещодавно проведені супутником WMAP, показують, що форма Всесвіту дійсно дуже близька до «плоскої». Тому, деяка раніше невідома форма невидимої енергії повина давати відсутні 70 % густини Всесвіту.

 

 

Темна матерія

Темна матерія — один із компонентів Всесвіту, існування якого виявлено нещодавно лише за ядерній) взаємодії. Припущення про її існування необхідне для пояснення розбіжностей між:

гравітаційним впливом на видиму матерію і на фонове випромінювання, оскільки вона не випромінює і не розсіює електромагнітне випромінювання, а також не бере участі у сильній (ядерній) взаємодії. Припущення про її існування необхідне для пояснення розбіжностей між:

• масами галактик, скупчень галактик та усього Всесвіту, виміряних за їхніми динамічними характеристиками, та 
• масами видимої у них матерії — зірок, газу і пилу з міжзоряного і міжгалактичного середовища.
•  

На основі спостережень структур більших за розмірами галактик та їх інтерпретації у рамках теорії Великого Вибуху встановлено, що темна матерія становить 23% від сумарної густини усіх компонент Всесвіту. Для порівняння, звичайна речовина становить лише 4,6% від сумарної густини Всесвіту, решта густини — 72,4% припадає на темну енергію. Якщо не брати до уваги темну енергію, то темна матерія становить близько 80% від густини матерії Всесвіту, а звичайна (видима) матерія становить лише близько 20%.

Термін «темна матерія» був запропонований Фріцем Цвіккі у 1934 році для позначення невидимої маси, на існування якої вказують виміряні орбітальні швидкості галактик у скупченнях. Згодом і інші спостереження вказали на наявність темної матерії у Всесвіті. Ці спостереження включають:

• швидкості обертання галактик, визначені за доплерівськими зміщеннями у їх спектрах;
• гравітаційне лінзування фонових об'єктів скупченями галактик;
• розподіли температури та інтенсивності гарячого газу в галактиках і скупченнях галактик;
• динамічні характеристики Всесвіту, такі як стала Габбла та параметр прискорення;
• анізотропія температури та поляризації реліктового випромінювання;
• великомасштабна структура Всесвіту тощо.

Темна матерія відіграє центральну роль у моделях формування великомасштабної структури та еволюції галактик і має помітний вплив на анізотропію температури та поляризації реліктового випромінювання. Усі ці дані свідчать про те, що галактики, скупчення галактик і Всесвіт у цілому містять набагато більше матерії, ніж та, яка взаємодіє з електромагнітним випромінюванням. Велика частина темної матерії, яка не взаємодіє з електромагнітним випромінюванням, є не тільки «темною» (не випромінює світло), а, за визначенням, абсолютно прозорою (не поглинає і не розсіює світло).

Хоча темна матерія відіграє важливу роль у космології, прямі докази її існування і конкретного розуміння її природи залишаються недосяжною метою. Гіпотеза про існування темної матерії залишається найбільш широко прийнятною для пояснень спостережуваних аномалій у галактичному обертанні, однак розглядаються і альтернативні підходи, які загалом відносяться до категорій квантових та модифікованих класичних теорій гравітаційної взаємодії.

Перший доказ на користь існування темної матерії було отримано Фріцем Цвіккі в Каліфорнійському технологічному інституті в 1933 році. Він застосував теорему віріалу до багатого скупчення галактик у сузір'ї Кома і отримав свідчення про існування невидимої маси. Цвіккі оцінив загальну масу скупчення на базі руху галактик поблизу її краю і порівняв її із видимою масою, оціненою за кількістю галактик і загальною яскравістю скупчення. Він виявив, що розрахованої за теоремою віріалу маси приблизно в 400 разів більше за візуально спостережувану. Маси видимих галактик в скупченні було занадто мало для пояснення їхніх орбітальних швидкостей. Цей факт відомий як «проблема прихованої маси». Цвіккі зробив висновок, що існує якась невидима форма матерії, яка забезпечує достатню кількість маси, а отже і гравітації, що не дозволяє скупченню розлітатись.

Велика частка доказів існування темної матерії походить з вивчення рухів галактик. Багато з них є досить однорідними, і тому, згідно з теоремою Віріала, загальна кінетична енергія повинна становити половину від загальної гравітаційної енергії галактик. Проте спостереження свідчать, що кінетичної енергії виявляється значно більше. Зокрема, покладаючи, що гравітаційна маса зумовлена лише видимою матерією галактики, приходимо до висновку, що зорі далеко від центру галактики мають набагато більші швидкості, ніж ті, які передбачає теорема Віріала. Галактичні криві обертання — залежність швидкостей обертання від відстані до центру галактик, не може пояснити тільки видима матерія. Припущення, що видима матерія становить лише невелику частину галактик, є найпростішим способом пояснити це. Дуже часто галактики виказують ознаки того, що складаються в основному з приблизно сферично-симетричного гало темної матерії та видимої матерії зосередженої в диску. Низька поверхнева яскравість карликових галактик є важливим джерелом інформації для вивчення темної матерії, так як вони мають надзвичайно низьке співвідношення вмістів видимої матерії до темній матерії. У них є кілька яскравих зір у центрі, які без наявності темної матерії привели б до зовсім іншої спостережуваної кривої обертання віддалених від центру зірок.

Спостереження гравітаційного лінзування фонових галактик скупченями галактик, дають прямі оцінки повної маси скупчень разом з темною матерією. У скупченнях, таких як Abell 1689, ефектами лінзування підтверджено наявність значно більшої маси від тієї, що світиться.

 

Пульсар

Пульсар

Пульсар — космічне джерело електромагнітного випромінювання, що реєструється на Землі у вигляді імпульсів — сплесків, які періодично повторюються.
Перший пульсар відкрили Джоселін Белл і Ентоні Х'юїш у 1967. Джерелом імпульсів вважається нейтронна зоря з сильним магнітним полем, яка обертається і має вузькоспрямоване випромінювання.

Більшість пульсарів спостерігаються у радіодіапазоні. В наш час відомо понад 1000 пульсарів (зокрема в Паркському огляді було зареєстровано 1031 пульсар). Радіопульсар є кінцевою стадією еволюції одиночної масивної зорі. Нейтронна зоря утворюється в результаті вибуху Наднової. Вибух є асиметричним, тому швидкості радіопульсарів часто перевищують 300 км/с. З часом період радіопульсара збільшується, а потужність випромінювання спадає. Навколо багатьох радіопульсарів спостерігаються газові оболонки, сформовані пульсарним вітром — плеріони.

У радіопульсарів спостерігаються стрибкоподібні зменшення періодів — глітчі. Їх намагаються пояснювати перебудовою внутрішньої структури нейтронної зорі, наприклад зсувами кори (зоретруси) або фазовими переходами ядерної речовини.

В 1991-1994 поблизу пульсарів PSR B1257+12 в Діві і PSR B1620-26 в Скорпіоні відкриті 4 планети за доплерівським зсувом радіовипромінювання.

Особливий інтерес становлять спостереження пульсарів, що входять до складу подвійних систем. Перший подвійний радіопульсар відкритий в 1972 Халсом і Тейлором. У 2004 відкрито систему з 2 нейтронних зір, причому з обох спостерігається пульсуюче радіовипромінювання. Спостереження таких систем дозволяють виявити втрати енергії за рахунок випромінювання гравітаційних хвиль, які передбачаються Загальною теорією відносності.

У 1967 відкритий перший рентгенівський пульсар — Кентавр Х-3. Більшість відомих рентгенівських пульсарів (біля 40) входять до складу тісних подвійних систем і мають акреційні диски.
 Відомі також одиночні рентгенівські пульсари — магнетари.
Вони мають магнітне поле в 1000 разів більше, ніж у звичайних нейтронних зір і проявляються у вигляді аномальних рентгенівських пульсарів і джерел повторювальних гамма-спалахів.

 

 

 

Квазари

Квазар.

Квазар -  позагалактичні об'єкти, які мають зореподібні зображення і сильні емісійні лінії з великим червоним зміщенням у спектрі.
Квазари були виявлені у 1963 як джеера радіовипромінювання. Згодом було виявлено квазари, які за оптичними характеристиками не відрізняються від квазарів, проте не мають радіовипромінювання. Сьогодні обидва типи об'єктів називають квазарами: перші — радіоголосними (або радіоактивними), а другі — радіотихими (або радіоспокійними). Радіоголосні квазари становлять декілька відсотків від загальної кількості квазарів.

У спектрах багатьох квазарів, крім емісійних ліній, є одна або декілька систем ліній поглинання, червоні зміщення яких менші, ніж в емісійних ліній. Ці лінії поглинання формуються на шляху між квазарами і спостерігачем. Квазари мають найвищі світності серед усіх об'єктів Всесвіту, наприклад, потужність випромінювання квазарів S5 0014+81 в оптичному діапазоні перевищує 5·10¹⁴L. Висока світність квазарів дає змогу спостерігати їх на дуже великих відстанях. Виявлено квазари з червоним зміщенням z>4.

Спектри квазарів мають значні червоні зміщення, що є результатом розширення Всесвіту. Із закону Хаббла слідує, що квазари розташовані від нас на дуже великих відстаннях, і, як наслідок, ми їх бачимо у далекому минулому. Найяскравіші квазари випромінюють енергію більшу ніж один трильйон (10¹²) сонць. Таке випромінювання розподілено у спектрі майже рівномірно — від рентгенівського проміння до далекого інфрачервоного з піком в ультрофіолеті або оптичному діапазоні. Деякі квазари також є потужними джерелами гамма-променів та радіовипромінювання. В ранніх оптичних зображеннях квазари були схожі на точкові джерела світла, вони не відрізнялися від зірок, за винятком їхніх особливих спектрів. Завдяки інфрачервоним телескопам і космічному телескопу ім. Хаббла для деяких квазарів було встановлено, що вони знаходяться в середині галактик. Ці галактики є дуже тьмяними через значну до них відстань, і їх надзвичайно важко помітити біля сліпучого блиску квазара. Більшість квазарів не можливо побачити в малі телескопи, але 3C 273, з середньою видимою величиною 12.9 є виключенням. На відстані 2.44 мільярди світлових років він є одиним з самих найвіддаленіших об'єктів, який помітно з любительського телескопа. Для деяких квазарів властива швидка зміна яскравості в оптичному, і ще швидша в рентгенівському діапазонах. Це свідчить про малі розміри квазарів (порядку розміру Сонячної Системи або менші), тому що об'єкт не може змінюватися протягом часу, за який світло подорожує від одного його кінця до іншого. Найбільше відоме червоне зміщення квазара (відкрите у грудні 2007 року[модифікація]) становить 6.43, що відповідає відстані приблизно 13.7 мільярда світлових років. Квазари ймовірно є результатом акреції речовини на надмасивну чорну діру в ядрах далеких галактик, і належать до об'єктів що носять назву активні галактики. Велика центральна маса (10⁶ до 10⁹ мас Сонця) була виміряна в квазарах використовуючи 'reverberation mapping'. Декілька десятків сусідніх галактик, які не є квазарами, містять у своїх ядрах поодинокі надмасивні чорні діри. Логічно припустити, що надмасивні чорні діри є у всіх масивних галактиках, однак лише невелика їхня кількість поглинає великі об'єми речовини і, як наслідок, є квазарами.