Главная страница
qrcode

Альманах - Космос. C I e n t I f I c a m e r I c a n the в мире науkи moscow 2006 в мирен ау к ик осмос альманахраздел 1 Вселенная Раздел 2 Галактики Раздел 3 Звезды Раздел 4 Планеты москва редакция журнала в мире науки представляет читателям сборник статей


Скачать 11.93 Mb.
НазваниеC I e n t I f I c a m e r I c a n the в мире науkи moscow 2006 в мирен ау к ик осмос альманахраздел 1 Вселенная Раздел 2 Галактики Раздел 3 Звезды Раздел 4 Планеты москва редакция журнала в мире науки представляет читателям сборник статей
АнкорАльманах - Космос.pdf
Дата14.12.2017
Размер11.93 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаAlmanakh_-_Kosmos.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипСборник статей
#51569
страница15 из 36
Каталогid50384802

С этим файлом связано 45 файл(ов). Среди них: и ещё 35 файл(а).
Показать все связанные файлы
1   ...   11   12   13   14   15   16   17   18   ...   36
86
Г А ЛАК ТИКИ bbД э вид Кл ай н
Вещество
Обычное
(«барионное»)
вещество
Излучение
Горячее темное вещество
Холодное темное вещество
Темная энергия
Типичные
частицы
Протоны,
электроны
Фотоны микроволн.
космич.
фона
Нейтрино
Суперсим$
метричные частицы
«Скалярные»
частицы
Типичная масса
(энергия) частиц, эВ 6
...10 9
10
–4
<1 10 11 в предположении, что темная энергия включает в себя частицы)
Число частиц
в обозримой
Вселенной
10 78 10 87 10 87 10 77 10 Вероятный вклад

в общую массу
Вселенной, %
5 0,005 0,3 25 Свидетельства
существования
Прямые наблюдения,
оценка по распространенности элементов
Наблюдения с помощью радиотелескопов
Измерения нейтрино,
модели формирования галактик
Оценка по динамике галактик
Ускорение расширения
Вселенной поданным наблюдений сверхновых
СОСТАВ ВСЕЛЕННОЙ
Как лицо мотоциклиста обдувает встречный ветер,
так и Землю пронизывает поток темного вещества, в сущности это неподвижный газ, где частицы перемещаются хаотически, не имея общего направленного
потока. Солнечная система движется со скоростью км/с, а внутри нее Земля несется по своей орбите км/с). С учетом наклона земной орбиты сложение
величин дает для скорости ветра относительно Земли
значение 235 км/с, когда в Северном полушарии лето,
и 205 км/с, когда в Северном полушарии зима. Эти вариации отличают темное вещество от фона, который
не испытывает сезонных изменений.
ТЕМНЫЙ ВЕТЕР
Движение
Солнечной
системы
Орбита
Земли
В Северном полушарии лето
В Северном полушарии зима
выбивает некоторые электроны из окружающих атомов, образуя возбужденные ионы (эксимеры),
которые со временем вновь захватывают электроны и превращаются в обычные атомы. В некоторых веществах, в основном в сжиженных инертных газах (в частности, в жидком ксеноне),
процесс ионизации вызывает испускание света,
называемое сцинтилляцией. На его основе работают эксимерные лазеры, применяемые в глазной хирургии. В жидком ксеноне сцинтилляции очень интенсивны и длятся около 10 нс. Фотоумножитель способен усилить сигнал сцинтилляции до обнаружимого уровня.
В начале х гг. группа Калифорнийского университета в Лос+Анджелесе во главе с Ван Хан
Гуо (Han Guo Wang) и автором настоящей статьи и группа Туринского университета в Италии во главе с Пьо Пикки (Pio Picchi) разработали в рамках проекта ZEPLIN двухфазные детекторы на жидком ксеноне. В приборах мощность светового сигнала усиливается газом, пронизанным электрическим полем, ускоряющим электроны, выбитые из атомов ядрами отдачи, и превращает небольшую группу частиц в лавину. Возможно создание тонного детектора на жидком ксеноне, достаточно чувствительного, чтобы обнаруживать нейтралино даже при очень малой интенсивности их потока.
В некоторых детекторах используется газообразный ксенон. Хотя его плотность меньше
А ль м ан ах КОСМОС ПОИСКИ ТЕМНОГО ВЕЩЕСТВА
делаются детекторы, содержат некоторое количество радиоактивных примесей (в частности,
урана и тория, при распаде ядер которых возникают частицы, регистрируемые также, как частицы темного вещества. Сигнал от земной радиоактивности обычно превышает ожидаемый импульс от нейтралино враз. Если разместить детекторы над поверхностью Земли, космические лучи ухудшат ситуацию еще разв Чтобы обнаружить с достаточной достоверностью любую частицу темного вещества, уровень каждого из этих фоновых сигналов необходимо уменьшить в миллион раз.
Другие трудности
Перед физиками встали две задачи обнаружить взаимодействие темного вещества с обычными отделить мешающий фон. Что касается первой задачи, то для регистрации отдачи ядер, с которыми столкнулись нейт+
ралино, проще всего измерить нагрев, вызываемый передачей кинетической энергии. Для этого материал детектора необходимо охладить до очень низкой температуры (до нескольких милликельвинов). На этом же принципе работает так называемый криогенный детектор, предназначенный для регистрации отдельных фононов (звуковых квантов в твердом теле, вызванных локальным нагревом, которые для краткости ниже будут называться квантами тепла) в веществе.
Такие криогенные детекторы используются в двух программах криогенного поиска темного вещества – CDMS (Cryogenic Dark Matter и Edelweiss. Они работают при температуре
25 мК и сконструированы так, чтобы детектировать отдельные фононы. Для регистрации повышения температуры в разных частях прибора в них применяются терморезисторы (термисторы. Отдельный детектор имеет массу в несколько сотен граммов. Для усиления сигнала можно составить группу, доведя суммарную массу датчиков до нескольких килограммов и более. Новейший детектор системы CDMS, установленный в шахте Соудона в штате Миннесота, начал сбор данных в конце 2002 г.
Другой метод основан на использовании ионизации, создаваемой ядрами отдачи. Ядро
88
Г А ЛАК ТИКИ bbД э вид Кл ай н
СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕМНОГО ВЕЩЕСТВА
Проект
Местоположение
Год Тип Материал Масса Тип
начала
основного
основного основного
дискриминационного
детектора
детектора
детектора, кг
детектора
UKDMC
Булби, Англия
1997
Сцинтилляционный Иодид натрия
5
Нет
DAMA
Гран$Сассо, Италия Сцинтилляционный Иодид натрия
100
Нет
Rosebud
Канфранк, Испания 1998
Криогенный
Оксид алюминия
0,02
Тепловой
PICASSO Садбери, Канада
2000
Жидкие капли
Фреон
0,001
Нет
SIMPLE
Рюстрель, Франция Жидкие капли
Фреон
0,001
Нет
DRIFT
Булби, Англия
2001
Ионизационный
Дисульфид По направлению углерода, газ
Фрежю, Франция
2001
Криогенный
Германий
1,3
Ионизационный, тепловой I

Булби, Англия
2001
Сцинтилляционный Жидкий ксенон
4
Временной
CDMS II
Соудон, 2003
Криогенный
Кремний, Ионизационный, шт. Миннесота, США
германий тепловой II
Булби, Англия
2003
Сцинтилляционный Жидкий ксенон
30
Ионизационный, сцинтилляционный II Гран$Сассо, Италия 2004
Криогенный
Оксид кальция Сцинтилляционный, и вольфрама тепловой
Принцип действия
Регистрация малых тепловых импульсов, создаваемых темными частицами при прохождении через кристалл, охлажденный до очень низкой температуры.
Преимущества
• Простота Чувствительность к частицам малых энергий Точное определение энергии частиц.
КРИОГЕННЫЙ ДЕТЕКТОР
Принцип действия
Регистрация световых импульсов, возникающих при прохождении темных частиц через жидкий ксенон.
Преимущества
• Регистрация формы световых импульсов позволит отличать темные частицы от частиц обычного вещества Определение свойств частиц.
Проект ZEPLIN II см. также внизу)
Проект CDMS СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР

Охлаждающая головка (для сжижения ксенона)
Темная частица
Фотоумножители (для регистрации вспышек света)
Высоковольтная система (для создания электрического поля, усиливающего сигнал)
Жидкий ксенон (для получения вспышек от взаимодействий с темными частицами)
Сигнальный вывод (для соединения детектора с внешним компьютером)
ДВА ТИПА ДЕТЕКТОРОВ ТЕМНОГО ВЕЩЕСТВА

В
большей части Галактики звезды разбросаны,
словно сельские дома на равнине. Разделенные громадными расстояниями, они живут почти независимо друг от друга. Однако некоторые области Галактики больше похожи на города. Речь идет о шаровых звездных скоплениях – группах из миллионов звезд, сосредоточенных в объеме, который в других местах приходится на одну звезду.
Примерно в двухстах из них находятся некоторые из самых старых звезд нашей Галактики, а молодых светил там вообще невидно. Нередко астрономы сравнивали такие скопления с историческими районами старых городов, подобных Риму и Стамбулу, которые сформировались очень давно и с тех пор мало изменились.
По крайней мере так привыкли думать астрономы, вечно занятые составлением карты Вселенной. Но недавно зоркий глаз Космического телескопа «Хаббл» заметил огни новых звездных городов, полных кипучей деятельности. Такие шаровые звездные скопления, по+видимому, формируются при столкновениях галактик. Это открытие поможет астрономам узнать, когда возникли и как эволюционируют массивные галактики.
Шаровые скопления весьма распространены и присутствуют почти во всех галактиках. За редкими исключениями звезды каждого такого скопления имеют почти одинаковый возрасти состав. Это значит, что они появились входе вспышек звездо+
образования – одновременного рождения большого числа звезд в небольшой области пространства. В Млечном Пути этот процесс совпал с образованием самой Галактики, поэтому, изучая шаровые скопления, астрономы определяли возраст Вселенной и уточняли картину формирования галактик. Шаровые скопления Млечного Пути разбросаны по сферическому объему, простирающемуся далеко за пределы диска, в котором сосредоточено большинство звезд. По+видимому, Галактика когда+то имела шарообразную форму, но существенно сплющилась уже на начальном этапе своей эволюции.
Тот факт, что шаровые скопления Млечного Пути имеют почтенный возраст, сильно повлиял на изучение таких скоплений вообще. Что подумали бы марсиане, попавшие при высадке на Землю в дом престарелых, где живут одни восьмидесятилетние старики Не видя других людей, они решили бы, что за последние 80 лет на нашей планете не родился ни один человек. Похожим было положение в астрономии вначале х гг. Большинство моделей происхождения шаровых звездных скоплений строилось на основе представлений об условиях, существовавших на раннем этапе эволюции
Вселенной, исходя из предположения, что их формирование закончилось в далеком прошлом.
Слияние галактик порождает звездные
скопления
Около 10 лет назад мы предложили несколько иную модель и независимо от Франсуа Швейцера
(Francois Schweizer) из Обсерваторий Карнеги в Пасадине (шт. Калифорния) высказали предположение, что процесс формирования шаровых скоплений, возможно, продолжается и теперь, а отсутствие молодых скоплений – всего лишь артефакт, обусловленный ограниченностью наблюдений. Пусть в нашей Галактике все шаровые скопления действительно стары, но как обстоит дело в других галактиках Не идет ли формирование
А ль м ан ах КОСМОС плотности жидкого ксенона, газ легче выявляет следы, оставляемые ядрами отдачи, позволяющие судить о направлении частицы темного вещества, подтверждая, что отдача вызвана галактическим нейтралино. Такие детекторы разрабатываются для подземной лаборатории в Булби
(Англия).
Ксенон обеспечивает низкий уровень фона и легко получается из атмосферы, но это не единственный материал, в котором возможны сцинтилляции. В эксперименте DAMA, проводимом в лаборатории Гран+Сассо вблизи Рима, в качестве сцинтиллятора используется иодид натрия. Детектор DAMA массой 100 кг – крупнейший в мире.
Говоря о разнице
Вторая важнейшая задача – устранение фона радиоактивных примесей и космических лучей решается в три этапа. Прежде всего исследователи отсекают космические лучи, помещая детекторы глубоко под землей и окружая их специальными экранами. Далее они тщательно очищают материал детектора, чтобы свести к минимуму радиоактивные примеси. Наконец, они конструируют специальные приборы, которые выявляют характерные сигналы, отличающие темное вещество от других частиц.
Даже если первые два этапа осуществлены,
этого недостаточно. Поэтому в новом поколении детекторов темного вещества используются различные способы защиты от нежелательных воздействий. Первая линия обороны – выявление годичных вариаций сигнала. Когда в Северном полушарии лето, поток темного вещества должен быть больше, чем тогда, когда там зима, ибо в первом случае скорость движения Земли по орбите суммируется со скоростью движения
Солнечной системы сквозь Галактику, а во втором – вычитается из нее. Величина годичных вариаций может достигать нескольких процен+
тов.
В наиболее передовых проектах применяется дополнительный детектор. Два датчика реагируют на разные виды частиц по+разному. В частности, фоновые частицы создают более интенсивную ионизацию, чем ядра отдачи от соударений с нейтралино. Сочетая два детектора, это различие можно уловить.
Поиски сигналов от темного вещества с использованием одного или нескольких из рассмотренных методов начались в конце х гг. Пока они не дали результатов, поскольку лишь недавно удалось достигнуть необходимых уровней чувствительности и подавления фона. Сообщение участников DAMA о том, что обнаружены годичные вариации, вызвало недоверие. Дело в том,
что в исследованиях не использовалась система из нескольких детекторов для выделения искомого сигнала из фона. Данные других опытов, где такая система применялась, ставят под сомнение результаты эксперимента DAMA. Исследования, ZEPLIN I и CDMS I не подтвердили данные DAMA. Команда CDMS I сообщает, что доверительный уровень в их эксперименте составлял. Так что результаты DAMA приходится приписывать радиоактивным эффектам. Окончательный вывод о существовании или отсутствии потока нейтралино позволят сделать детекторы следующего поколения. Если ничего не будет обнаружено, от теории суперсимметрии придется отказаться. Однако если удастся зафиксировать сигнал и его достоверность подтвердится, это станет одним из величайших открытий XXI в.
Обнаружение 25% Вселенной (всего, кроме темной энергии) будет, несомненно, самым впечатляющим достижением. Если детекторы обнаружат частицы темного вещества, ускорители вроде большого адронного ускорителя ЦЕРНа близ Женевы, возможно, позволят создать их в лаборатории и проводить эксперименты в контролируемых условиях. Подтверждение теории суперсимметрии спровоцирует открытие новых частиц и подкрепит теорию струн, в которой суперсимметрия – неотъемлемая часть. Возможно, скоро будет раскрыта величайшая тайна астрофизики. В мире науки, №7, ГАЛАКТИКИ bbД э вид Кл ай н I
ZEPLIN I
ZEPLIN II (проект IV (проект)
Область предсказываемых свойств темных частиц
Положительные результаты от 100 1 00 10 Эффективное сечение частицы, м 10
$44 10
$46 МОЛОДЫЕ ШАРОВЫЕ СКОПЛЕНИЯ
Стивен Зепф и Кит Ашман
Раньше считалось, что шаровые звездные скопления – старые и скучные обитатели Вселенной. Неожиданно выяснилось, что многие из них молоды.
ОБЗОР: ГИГАНТСКИЕ ЗВЕЗДНЫЕ СКОПЛЕНИЯ Шаровые звездные скопления – это исключительно плотные группы звезд, содержащие сотни светил на кубический световой год пространства. В окрестностях нашего Солнца на каждую звезду приходится в сто раз больший объем.
• Раньше астрономы считали все шаровые скопления старыми, возникшими на заре космической истории, но недавно выяснилось, что они продолжают возникать и сегодня, причем именно в таких событиях, как столкновения галактик Однако оказалось, что некоторые из скоплений молоды или имеют средний возраст, те. возникали на протяжении всей истории Вселенной. Они рождаются в процессе столкновения галактики могут многое поведать об этих важных событиях
эллиптическая галактика должна включать в себя примерно одинаковое количество и тех, и других скоплений.
Мы предположили, что два вида шаровых скоплений можно различить по цвету. Звезды в молодых скоплениях должны содержать много тяжелых химических элементов, поскольку сформировались из газа, который загрязнился ими при взрывах сверхновых. А вот звезды большинства старых шаровых скоплений в спиральных галактиках вроде нашей сравнительно бедны тяжелыми элементами. А чем больше тяжелых элементов содержится в звезде, тем более красный цвет она имеет, что обусловлено характером происходящих в ней процессов. Ядерный синтез в центре звезды создает излучение, поглощаемое внутри светила газом, давление которого не дает звезде сжиматься под действием собственного тяготения. Когда тяжелых элементов много, газ интенсивнее поглощает излучение, что позволяет поддерживать баланс тяготения и давления при более низкой температуре, соответствующей красному оттенку.
Результаты анализа цвета шаровых скоплений в эллиптических галактиках подтверждают существование бимодального распределения. В большинстве исследованных систем четко выявляются две популяции шаровых звездных скоплений – голубая и красная, что подтверждает связь слияния галактик с образованием шаровых звездных скоплений.
Другим доказательством родства старых и молодых шаровых скоплений могло бы стать обнаружение скоплений промежуточного, «среднего»
возраста. Трудность в том, что они мало чем отличаются от старых. Яркие молодые скопления состоят из массивных звезд, которые быстро эволюционируют и быстро умирают, после чего развитие скопления замедляется. В результате различие между шаровыми звездными скоплениями промежуточного возраста и старыми оказывается незначительными распознать их по содержанию тяжелых элементов очень трудно.
А ль м ан ах КОСМОС МОЛОДЫЕ ШАРОВЫЕ СКОПЛЕНИЯ
таких скоплений всегда, когда позволяют условия Например, при столкновении двух спиральных галактик, содержащих много газа, из которого формируются звезды. Хотя галактики обычно разделены колоссальными расстояниями, все же наблюдаются случаи их столкновения. Нет нужды говорить, что они сопровождаются драматическими событиями. Слияние двух спиральных галактик часто порождает вспышки звездообра+
зования – большие кратковременные всплески рождаемости звезд. Эта коллизия способна изменить и форму сталкивающихся галактик в результате слияния двух спиральных галактик может образоваться одна эллиптическая галактика. Впрочем, раньше астрономы сомневались в этом. Их скептицизм опирался на тот факт, что в эллиптических галактиках больше шаровых звездных скоплений, чем в спиральных такой же массы. При простом суммировании двух спиралей количество шаровых скоплений на единицу массы галактики должно остаться прежним. Но если сам процесс слияния ведет к образованию новых шаровых скоплений, то их избыток объясним.
Для проверки нашей модели нужно было узнать, нет ли недавно сформировавшихся шаровых скоплений в богатых газом галактиках. Провести соответствующие наблюдения помог космический телескоп «Хаббл». Благодаря отсутствию атмосферных помех он позволил разглядеть в отдаленных галактиках отдельные звездные скопления. Наблюдая за галактиками, в которых происходят вспышки звездообразования, «Хаббл» обнаружил массивные и плотные молодые звездные скопления, сформировавшиеся в областях интенсивного звездообразования. По размерами массам они близки к звездным скоплениям Млечного
Пути. Значит, столкновения галактик могут приводить к формированию не только новых звездно и новых шаровых звездных скоплений.
Но как убедиться, что эти звездные скопления действительно являются молодыми аналогами тех,
что имеются в нашей Галактике Продолжая пример с марсианами, которые сначала были знакомы только с восьмидесятилетними землянами, можно сказать, что, увидев группу детей, они стали бы искать доказательства того, что старики и дети относятся к одному биологическому виду.
1   ...   11   12   13   14   15   16   17   18   ...   36

перейти в каталог файлов


связь с админом