Состав Вселенной

Химический состав Вселенной и физическая природа составляющих ее веществ — темы, занимающие ученых на протяжении столетий. Благодаря своему привилегированному положению над земной атмосферой Хаббл смог внести значительный вклад в эту область исследований.

По всей Вселенной звезды работают как гигантские перерабатывающие заводы, извлекая легкие химические элементы и превращая их в более тяжелые. Первоначальный, так называемый первичный состав Вселенной изучен так подробно, потому что он является одним из ключей к нашему пониманию процессов в самой ранней Вселенной.

Гелий в ранней Вселенной

Вскоре после того, как первая миссия по обслуживанию успешно исправила сферическую аберрацию в зеркале Хаббла, группа под руководством европейского астронома Питера Якобсена исследовала природу газообразного вещества, заполняющего огромный объем межгалактического пространства.Наблюдая за ультрафиолетовым светом далекого квазара, который в противном случае был бы поглощен атмосферой Земли, они обнаружили долгожданный признак гелия в ранней Вселенной. Это было важным доказательством теории Большого Взрыва. Это также подтвердило ожидания ученых, что в очень ранней Вселенной материя, еще не заключенная в звездах и галактиках, была почти полностью ионизирована (атомы лишились своих электронов). Это был важный шаг вперед для космологии.

Маяки квазара

Спектрограф Cosmic Origins предназначен для изучения состава и крупномасштабной структуры Вселенной.

Это исследование гелия в ранней Вселенной — один из многих способов, которыми Хаббл использовал далекие квазары в качестве маяков. Когда свет от квазаров проходит через промежуточное межгалактическое вещество, световой сигнал изменяется таким образом, чтобы выявить состав газа.

Результаты заполнили важные части головоломки полного состава Вселенной сейчас и в прошлом.

Во время сервисной миссии в 2009 году астронавты установили новый прибор, предназначенный для изучения этой области. Спектрограф Cosmic Origins предназначен для разложения ультрафиолетового света от далеких квазаров на составляющие его длины волн и изучения того, как промежуточное вещество поглощает одни длины волн больше, чем другие. Это раскрывает отпечатки пальцев различных элементов, рассказывая нам больше об их изобилии в разных местах Вселенной.

Темная материя

Сегодня астрономы считают, что около четверти массы-энергии Вселенной состоит из темной материи. Это субстанция, совершенно отличная от обычной материи, из которой состоят атомы и привычный нам мир. Хаббл сыграл важную роль в работе, направленной на установление количества темной материи во Вселенной и определение ее местонахождения и поведения.

Загадка того, из чего состоит призрачная темная материя, все еще далека от разрешения, но невероятно острые наблюдения Хаббла за гравитационными линзами предоставили трамплин для будущей работы в этой области.

Темная материя взаимодействует только с гравитацией, а это значит, что она не отражает, не излучает и не блокирует свет (или любой другой тип электромагнитного излучения). Из-за этого его нельзя наблюдать напрямую. Однако исследования Хаббла о том, как скопления галактик преломляют свет, проходящий через них, позволяют астрономам определить, где находится скрытая масса. Это означает, что они могут составить карты того, где находится темная материя в скоплении.

Этот составной объект Хаббл/Чандра/VLT показывает, как темная материя (синий цвет) и горячий газ (розовый цвет) располагаются далеко друг от друга во время столкновения скоплений.

Одним из больших прорывов Хаббла в этой области является открытие того, как ведет себя темная материя, когда скопления сталкиваются друг с другом. Исследования ряда этих скоплений показали, что расположение темной материи (выведенное из гравитационного линзирования с помощью Хаббла) не соответствует распределению горячего газа (как было обнаружено в рентгеновских лучах такими обсерваториями, как XMM-Newton ЕКА или Чандра НАСА). ). Это убедительно подтверждает теории о темной материи: мы ожидаем, что горячие газы будут замедляться при столкновении друг с другом и увеличении давления. Темная материя, с другой стороны, не должна испытывать трения или давления, поэтому мы ожидаем, что она пройдет через столкновение относительно беспрепятственно. Наблюдения Хаббла и Чандра действительно подтвердили, что это так.

В 2018 году астрономы использовали чувствительность Хаббла для изучения внутрикластерного света в поисках темной материи. Внутрикластерный свет является побочным продуктом взаимодействия между галактиками. В ходе этих взаимодействий отдельные звезды отрываются от своих галактик и свободно плавают внутри скопления. Освободившись от своих галактик, они оказываются там, где находится большая часть массы скопления, в основном темная материя.И темная материя, и эти изолированные звезды, формирующие свет внутри скопления, действуют как бесстолкновительные компоненты. Они следуют гравитационному потенциалу самого скопления. Исследование показало, что свет внутри скопления выровнен с темной материей, отслеживая ее распределение более точно, чем любой другой метод, основанный на светящихся трассерах, которые использовались до сих пор.

Трехмерная карта распределения темной материи во Вселенной

В 2007 году международная группа астрономов использовала Хаббл для создания первой трехмерной карты крупномасштабного распределения темной материи во Вселенной. Он был построен путем измерения форм полумиллиона галактик, наблюдаемых Хабблом. Свет этих галактик путешествовал — пока не достиг Хаббла — по пути, прерываемому сгустками темной материи, которые деформировали внешний вид галактик. Астрономы использовали наблюдаемое искажение формы галактик, чтобы реконструировать их первоначальную форму, и, следовательно, могли также рассчитать распределение темной материи между ними.

Эта карта показала, что обычная материя, в основном в форме галактик, скапливается вдоль самых плотных скоплений темной материи. Созданная карта простирается на полпути назад к началу Вселенной и показывает, как темная материя становилась все более комковатой по мере того, как коллапсировала под действием гравитации. Картирование распределения темной материи в еще меньших масштабах имеет основополагающее значение для нашего понимания того, как галактики росли и группировались на протяжении миллиардов лет. Отслеживание роста кластеризации темной материи может в конечном итоге также пролить свет на темную энергию.

Темная энергия

Еще более интригующей, чем темная материя, является темная энергия. Хаббловские исследования скорости расширения Вселенной показали, что расширение на самом деле ускоряется. Астрономы объяснили это, используя теорию темной энергии, которая все быстрее раздвигает Вселенную, преодолевая гравитацию.

Как говорит нам знаменитое уравнение Эйнштейна E=mc 2 , энергия и масса взаимозаменяемы.Исследования скорости расширения космоса показывают, что темная энергия является наибольшей частью массы и энергии Вселенной, намного превосходя как обычную материю, так и темную материю: кажется, что темная энергия составляет почти 70% известной Вселенной.

Хотя астрономы смогли сделать шаги на пути к пониманию того, как работает темная энергия и что она делает, ее истинная природа до сих пор остается загадкой.

На странице «Измерение возраста и размера Вселенной» также есть информация о темной энергии и о том, как она связана с расширением космоса.

Похожие видео и изображения

• Анимация нитей темной материи (впечатление художника)
• Хабблкаст, эпизод 05: Хаббл находит кольцо темной материи
• Графика: история Вселенной

Связанные выпуски новостей

• Хаббл отслеживает темную материю скопления галактик (2003 г.)
• Звездный выживший из 1572 г. н.э. поддерживает теорию сверхновой (2004 г.)
• Первая трехмерная карта строительных лесов темной материи Вселенной (2007 г.)
• Хаббл находит кольцо темной материи (2007 г.)
• Столкновение скоплений дает новую подсказку о темной материи (2008 г.)
• Хаббл обнаружил, что темная материя взаимодействует сама с собой даже меньше, чем считалось ранее (2015 г.)
• Нити темной материи впервые изучены в 3D (2015 г.)
• Хаббл обнаруживает, что Вселенная может расширяться быстрее, чем ожидалось (2016 г.)
• Наблюдаемая Вселенная содержит в десять раз больше галактик, чем считалось ранее (2016 г.)
• Хаббл обнаруживает колеблющиеся галактики (2017 г.)
• Слабый звездный свет на изображениях Хаббла показывает распределение темной материи (2018 г.)