астрофизика

Чайная ложка вещества нейтронной звезды весит миллиарды тонн. Когда два таких сверхплотных объекта сталкиваются, они не просто создают мощнейшие гравитационные волны — они оставляют постоянный «шрам» в ткани пространства-времени.

Исследование международной группы учёных опубликовано в Physical Review Letters и посвящено проверке так называемого эффекта памяти гравитационных волн, сообщает Securitylab.ru. Нейтронные звезды возникают после взрыва сверхновой. Это компактные объекты диаметром около 20 километров и массой больше солнечной. Внутри них материя сжата до предела: атомы разрушены, вещество почти полностью состоит из нейтронов. При сближении двух таких звёзд система начинает излучать гравитационные волны, которые уже фиксируются детекторами LIGO и Virgo.

Эффект памяти: волна, которая не исчезает

Обычно гравитационная волна растягивает и сжимает пространство, после чего всё возвращается в исходное состояние. Однако теория Эйнштейна предсказывает и другое: после прохождения волны может остаться крошечный, но постоянный сдвиг. Частицы в детекторе не возвращаются точно на прежнее место. Этот остаточный след и называют эффектом памяти.

Впервые такие расчёты провели Яков Зельдович и Александр Полнарёв в 1974 году. Позднее Деметриос Христодулу показал, что нелинейность уравнений Эйнштейна усиливает этот эффект. Современные исследования добавили новые источники вклада — электромагнитное излучение и поток нейтрино.

Магнитные поля, нейтрино и 50 процентов сигнала

Учёные из Университета Иллинойса, Академии Афин, Университета Валенсии и Университета штата Монтклер смоделировали слияние нейтронных звёзд с разными массами, уравнениями состояния и конфигурациями магнитного поля. Они отдельно учитывали выброс нейтрино и барионного вещества, чтобы понять вклад каждого фактора.

Выяснилось, что магнитные поля, нейтрино и выброшенное вещество дают от 15 до 50 процентов общей гравитационной памяти. Причём более сильное магнитное поле не всегда означает больший эффект: в некоторых случаях намагниченные системы демонстрировали меньшую итоговую память. В отличие от чёрных дыр, у нейтронных звёзд память может накапливаться дольше после основного столкновения.

Наблюдение этого эффекта стало бы важной проверкой общей теории относительности. Обнаружение памяти позволило бы получить данные о массе, внутреннем устройстве и магнитном поле нейтронной звезды. Фактически детекторы гравитационных волн смогли бы «прощупать» сверхплотное вещество, недоступное для лабораторных экспериментов. Пока это только первый шаг, но учёные рассчитывают, что будущие наблюдения помогут увидеть этот «шрам» во Вселенной.

Современная космология столкнулась с системным сбоем. Как следует из исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy, расчёты эволюции Вселенной перестали совпадать с реальными наблюдениями. Ученые признают: при экстраполяции данных раннего космоса на миллиарды лет вперед теория дает иной результат, чем телескопы.

В распоряжении физиков есть сверхточная карта ранней Вселенной. Она построена по реликтовому излучению и считается эталоном. Однако при использовании стандартной модели и уравнений Эйнштейна современный космос должен быть более «комковатым». Реальность оказалась иной.

Напряжение S8: где теория ломается

Космологи проверяют свои модели двумя способами. Первый опирается на анализ реликтового излучения, зафиксированного спутником Planck. Эти данные описывают Вселенную в возрасте 380 тысяч лет и позволяют рассчитать ее будущее.

Второй способ — прямое наблюдение современной Вселенной. Здесь используется метод слабого гравитационного линзирования. Масса, в основном темная материя, искривляет пространство-время и искажает свет далеких галактик. По этим искажениям строится карта распределения материи.

Проблема в том, что методы перестали сходиться. Современные измерения показывают более равномерное распределение материи. Значение параметра S8 оказывается ниже ожидаемого. Расхождение достигает 2–3 сигма. Для физики это означает либо систематическую ошибку, либо неполноту модели.

Темный сектор с неожиданной связью

В стандартной космологии темная материя считается холодной и пассивной. Она почти не взаимодействует с окружающим миром, кроме гравитации. Нейтрино также рассматриваются как почти независимые частицы, свободно пронизывающие пространство.

Авторы новой работы предложили иной сценарий. Они допустили наличие упругого рассеяния между темной материей и нейтрино. В ранней Вселенной нейтрино были чрезвычайно плотными и быстрыми. Даже слабое взаимодействие позволяло им передавать импульс частицам темной материи.

Этот процесс приводит к эффекту диффузионного затухания. Гравитация стремится собрать темную материю в плотные гало. Рассеяние нейтрино этому мешает. В результате рост структур замедляется, а мелкие колебания плотности сглаживаются.

Именно это, по расчетам, снижает параметр S8. Вселенная к нашему времени выглядит более однородной, чем предсказывает стандартная модель без взаимодействий.

Данные, симуляции и граница открытия

Для проверки гипотезы ученые объединили несколько независимых источников наблюдений:

• данные спутника Planck
• измерения телескопа ACT с высоким угловым разрешением
• карту распределения материи DES Y3

Анализ включал сложное компьютерное моделирование и учет нелинейной гравитации. Статистика показала, что стандартная модель Lambda-CDM плохо описывает совокупность данных. Модель с взаимодействием темной материи и нейтрино устраняет противоречие.

Оптимальная сила взаимодействия оценивается параметром около 10^-4. Статистическая значимость достигает уровня 3 сигма. В физике это считается серьезным свидетельством, но еще не открытием.

Если выводы подтвердятся, темная материя перестанет быть пассивным фоном. Она станет активным участником процессов во Вселенной. Окончательный ответ должны дать будущие наблюдения обсерватории Веры Рубин и телескопа CSST.

Астрономы сообщили о возможном первом в истории наблюдении темной материи — об этом сообщает Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Исследование уже называют одним из самых захватывающих прорывов в современной астрофизике, хотя его результаты требуют подтверждения.

Как возникла загадка темной материи

Темная материя — невидимое вещество, которое, по оценкам, составляет более 85% всей материи во Вселенной. Она втягивает галактики в единые структуры, но никак не взаимодействует с обычной материей, кроме гравитации. Поэтому найти её напрямую считалось почти невозможным.

Астроном Томонори Тотани объясняет: обычной барионной материи слишком мало, чтобы удерживать галактики. Модели предполагают, что темная материя превосходит её в пять раз, создавая «каркас», вокруг которого формируются звезды и планеты.

Что именно нашли исследователи

Одна из ведущих теорий утверждает, что темная материя состоит из WIMP — слабо взаимодействующих массивных частиц. При столкновении они должны аннигилировать, создавая гамма-лучи. Астрономы десятилетиями пытаются поймать этот сигнал.

Команда проанализировала 15 лет данных космического гамма-телескопа Fermi NASA и обнаружила гало гамма-лучей у центра Млечного Пути.

По словам авторов работы:
Мы обнаружили гамма-лучи с энергией фотонов 20 гигаэлектронвольт, распространяющиеся в структуре, похожей на гало. Интенсивность излучения соответствует аннигиляции WIMP с массой примерно в 500 раз больше массы протона.

Скепсис и необходимость проверки

Не все коллеги разделяют восторг. Теоретик Кинва Ву заявила:
Нам нужны экстраординарные доказательства для экстраординарного заявления. Этот анализ пока не достиг такого статуса.

Тотани согласен, что результаты предварительные. Чтобы подтвердить открытие, необходимо найти аналогичную сигнатуру гамма-излучения в карликовых галактиках вокруг Млечного Пути. Это станет возможным, когда накопится больше данных.

До окончательных выводов ещё далеко. Но уже сейчас астрономы называют наблюдение одним из самых многообещающих за всё время поисков «призрачной» материи Вселенной.

Астрономы сообщили о сенсационном результате: Солнечная система может двигаться по космосу более чем в три раза быстрее, чем ожидалось.

Исследователи использовали сеть радиотелескопов LOFAR и два других инструмента, чтобы изучить распределение радиогалактик. Эти данные поставили под сомнение стандартную модель космологии.

Радиогалактики имеют гигантские области радиоизлучения, питаемые активными ядрами. Радиоволны проходят сквозь газ и пыль, поэтому распределение таких объектов помогает измерять движение Солнечной системы. В её направлении должно быть чуть больше радиогалактик, но отклонение настолько мало, что обнаружить его могут только сверхчувствительные приборы.

Команда обнаружила анизотропию, которая оказалась в 3,7 раза сильнее предсказаний. Это означает, что наша система движется гораздо быстрее, чем считали десятилетиями. Результаты совпадают с инфракрасными наблюдениями квазаров — мощных источников энергии, питаемых сверхмассивными черными дырами. Совпадение двух независимых методов указывает, что это реальная особенность космоса, а не ошибка наблюдений.

Исследователи из Университета Джонса Хопкинса сообщили, что загадочное свечение гамма-лучей в центре Млечного Пути может оказаться ключом к разгадке природы тёмной материи.

Как уточняет публикация, это свечение десятилетиями ставило учёных в тупик — его происхождение остаётся неясным, но теперь у физиков появилось новое объяснение.

Учёные использовали данные космического гамма-телескопа «Ферми» для моделирования распределения тёмной материи в галактическом гало. Это первый случай, когда при расчётах учли историю формирования Млечного Пути с момента его зарождения. Симуляции показали совпадение между теоретическим распределением частиц и реально наблюдаемыми гамма-сигналами — что может указывать на участие тёмной материи.

Однако есть и альтернативная гипотеза: свечение может исходить от быстро вращающихся нейтронных звёзд — миллисекундных пульсаров. Если это так, то в галактике должно существовать гораздо больше таких объектов, чем предполагали ранее. Это заставляет пересматривать фундаментальные представления об эволюции звёзд.

Для проверки теорий учёные предложили серию экспериментов. Они намерены измерить уровни энергии гамма-излучения: если энергии окажутся высокими — виноваты пульсары, если низкими — источник, вероятно, тёмная материя. Дополнительно планируется построить карту распределения тёмной материи в карликовых галактиках, окружающих Млечный Путь, чтобы сравнить эти данные с будущими наблюдениями нового телескопа Cherenkov Telescope Array Observatory.

Окончательные результаты ожидаются к концу десятилетия. Если гипотеза подтвердится, человечество впервые сможет приблизиться к пониманию того, из чего состоит подавляющая часть Вселенной. Пока же тёмная материя остаётся самой упрямой загадкой космоса.