С.Б. Попов/ГАИШ, Москва
Некоторые из них возникли недавно например, связанные с темной энергией или свойствами экзопланет; некоторые ждут своего решения уже многие десятилетия. Перечислим десятку загадок, которые могут быть решены в течение ближайших десяти лет. А могут быть и не решены...
1. Природа темного вещества
Начнем с очень важной и интересной загадки, которая известна с 30-х годов прошлого века. Есть серьезные основания полагать, что в ближайшие годы она будет, наконец, окончательно разрешена.
Появились достаточно надежные наблюдательные данные о том, что около четверти плотности вселенной связано с каким-то видом частиц, слабо взаимодействующих друг с другом и с обычным веществом. Подтверждение этой гипотезы и определение свойств пока еще неуловимых частиц одна из самых актуальных задач не только астрофизики, но и всей физики.
Самое заманчивое поймать частицы в лаборатории. В мире работает несколько экспериментов такого рода (CDMS-II, EDELWEISS-II, ZEPLIN, XENON100, PICASSO). Установки прячутся в глубоких шахтах, чтобы уменьшить число ложных срабатываний из-за космических лучей.
Загадка темной материи может быть решена в ближайшие годы.
Даже консервативно настроенные коллеги считают, что в течение ближайшего десятилетия развитие техники эксперимента (например, создание экспериментов EURECA, DARWIN или подобных им) позволит ухватить за бороду частицы темной материи. Или же будут поставлены настолько жесткие ограничения, что сама гипотеза может оказаться под вопросом.
Оптимисты полагают, что данные по темному веществу можно будет получить на ускорителях, например уже на LHC. Однако такая перспектива маловероятна, поскольку для большинства обсуждаемых параметров частиц ускорительные эксперименты не могут пока выдать достаточной информации.
Крайне важно и интересно увидеть первые звезды и галактики.
Наконец, сами астрофизики тоже не сидят сложа руки. Предполагается, что частицы темного вещества могут иногда аннигилировать. В этом случае должно рождаться гамма-излучение, а также будут появляться пары частицаантичастица (например, электрон позитрон). Соответственно, астрономы используют спутники (такие, как гамма-обсерватория имени Ферми) и наземные установки, так называемые черенковские телескопы (такие, как H.E.S.S. и MAGIC), для поиска гамма-сигнала от аннигиляции. Космические телескопы могут непосредственно регистрировать гамма-лучи, а наземные наблюдают оптические вспышки, вызванные гамма-квантами в атмосфере. Кроме того, в космических экспериментах PAMELA и AMS исследуются потоки античастиц (в первую очередь позитронов), улавливаемых непосредственно в космосе. Инструмент AMS, разработанный в ЦЕРНе, только недавно установили на Международной космической станции. А PAMELA уже давно работает на борту российского спутника Ресурс и выдала крайне интересный результат, связанный с избытком позитронов в сравнении с предсказаниями стандартной модели. Некоторые исследователи как раз и связывают этот избыток с аннигиляцией частиц темной материи, хотя многие с ними не согласны.
2. Природа темной энергии
Возможность ускоренного расширения вселенной в разных контекстах обсуждается почти сто лет. Но в применении к современной вселенной об этом стали говорить лишь с 1998 г. Тогда по наблюдениям далеких сверхновых удалось показать, что прямо сейчас вселенная расширяется всё быстрее и быстрее. За прошедшие годы факт роста темпа разбегания галактик удалось показать разными независимыми методами, и этот результат не вызывает сомнений. Непонятно только, как его интерпретировать.
Наиболее популярная интерпретация состоит в предположении существования темной энергии. Это может быть свойством вакуума, может быть каким-то пока неизвестным физическим полем, в том числе и меняющимся со временем. Вопрос о причине ускоренного расширения вселенной является одним из важнейших для современной науки, поскольку связан с базовыми свойствами картины мира. С точки зрения стандартной картины он сводится к вопросу о природе темной энергии.
Пока основным способом изучения свойств темной энергии является изучение изменения темпа расширения вселенной со временем. Поэтому основные программы по изучению свойств темной энергии связаны с космологическими наблюдениями и уточнениями космологических параметров. Можно наблюдать далекие сверхновые и по ним определять темп расширения в разные моменты времени. Для этого есть несколько программ на наземных телескопах, а также планируются специальные космические проекты, такие, как инфракрасные телескопы WFIRST (планируемый NASA) и Euclid (который в основном развивает ESA). Кроме этого можно изучать распределение галактик, и по параметрам этой так называемой крупномасштабной структуры определять космологические параметры. Наконец, важным объектом стали скопления галактик. Например, изучение эффекта Сюняева–Зельдовича, связанного с рассеянием фотонов реликтового излучения на горячих электронах в скоплениях галактик, также позволяет с высокой точностью определять свойства вселенной, в том числе и имеющие отношение к темной энергии. Для этого на Земле работают такие установки, как South Pole Telescope (в Антарктиде), Atacama Cosmology Telescope (в сухой пустыне в Южной Америке), а в космос будет запущен российский спутник Спектр-Рентген-Гамма.
3. Была ли стадия инфляции
В современной космологии собственно Большой взрыв когда возникает горячая, расширяющаяся, заполненная веществом наша вселенная связывают с окончанием стадии инфляции, когда пространство с огромной скоростью расширялось под влиянием особого физического поля, называемого инфлатоном. Это стандартная гипотеза, но существуют и ее конкуренты. К счастью, существуют и некоторые наблюдательные предсказания, способные подтвердить правильность инфляционной модели уже в ближайшее время.
Ожидания связаны в первую очередь с работой спутника Планк (Planck). Он изучает так называемое реликтовое излучение, оставшееся нам в наследие от стадии горячей вселенной. Реликтовое излучение несет в себе отпечаток процессов и условий, царивших во вселенной на ранних стадиях ее развития. В частности, в некоторых вариантах инфляционной модели поляризация реликтового излучения может дать информацию о первичных гравитационных волнах. Обнаружение таких следов в свойствах реликтового излучения станет серьезнейшим аргументом в пользу справедливости инфляционной модели.
Можно надеяться найти космологические гравитационные волны непосредственном образом. Для этой цели планировалось запустить космический интерферометр LISA, а затем развить этот подход и реализовать проект Big Bang Observer, в котором будет работать несколько систем, подобных LISA. В таких схемах важно очень точно измерять расстояния между спутниками, составляющие десятки миллионов километров. Проходящая гравитационная волна слегка меняет расстояние между спутниками, что и нужно измерить. К сожалению, мировой финансовый кризис сделал эти дорогие проекты трудноосуществимыми в ближайшей перспективе. NASA уже отказывается от участия в проекте LISA из-за его высокой стоимости и необходимости закончить проект следующего космического телескопа (JWST), на который уходит много сил и средств. Big Bang Observer соответственно совсем откладывается.
С проблемой инфляции, определения условий в ранней вселенной и, возможно, с пониманием самого возникновения вселенной связаны интересные концепции типа мира на бране. В таких моделях наш трехмерный мир является лишь поверхностью в многомерной Вселенной. Свойства большого внешнего мира влияют на процессы в нашей вселенной, но обнаружить это очень трудно. К сожалению, совсем не очевидно, что в этой области в ближайшие годы возможен заметный прогресс с точки зрения экспериментов и наблюдений. Кроме того, эти вопросы стоит отнести к сфере фундаментальной физики, а не астрофизики.
Есть и другие задачи, также находящиеся в ведении физиков. Упомянем такую проблему: почему во вселенной так мало антивещества? Считается, что в какой-то момент во вселенной появился небольшой (на уровне одной миллиардной) избыток того, что мы теперь называем веществом. Основная доля частиц проаннигилировала, а из остатков сделано всё, что мы видим. Так вот, объяснение этой асимметрии вещества и антивещества крайне важная задача. Но, на мой взгляд, существенный прогресс здесь в ближайшие 10 лет, во-первых, маловероятен, а во-вторых, если он и произойдет, то главными героями будут не астрофизики.
4. Какими были свойства первых звезд и галактик
Мы многое знаем о свойствах вселенной спустя 300 тыс. лет после начала расширения, поскольку видим реликтовое излучение. Но потом наступают темные времена. Первые звезды загораются спустя примерно сотню миллионов лет. Затем постепенно начинают расти первые галактики. Сейчас это лишь сценарий, модель. Требуется еще получить непосредственные наблюдательные данные.
Эта задача довольно сложна с технической точки зрения. Нужно строить гигантские установки, работающие в диапазонах, недоступных с поверхности Земли. Основным астрофизическим проектом NASA, оттянувшим на себя колоссальные средства и силы, является Космический телескоп им. Джемса Вебба (JWST). Как полагают, именно он сможет увидеть первый свет во вселенной (если проект не закроют из-за его все возрастающей стоимости).
Кроме этого, на Земле скоро начнется строительство гигантской системы радиотелескопов SKA. Главные задачи этого инструмента также будут связаны с космологией и первыми галактиками. Кстати, у России еще есть шанс принять участие в создании установки. Равно как и получить доступ к создаваемой Atacama Large Millimeter Array, которую строит Европейская южная обсерватория. Надо только стать членом этой организации.
Работа установок LIGO и VIRGO может много рассказать о черных дырах.
Решение основных проблем, связанных с рождением и свойствами первых звезд и галактик, позволит решить еще целый комплекс проблем, связанных с возникновением и ростом сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Зародыши этих монстров могут возникать в результате коллапса первых очень массивных звезд. А могут и прямо в результате коллапса больших облаков газа. Потом они набирают массу вместе с галактиками. Значит, изучив рождение и поведение первых звезд и галактик, мы получим в руки все необходимые данные для понимания эволюции сверхмассивных черных дыр.