Необятността на пространството и загадъчната природа на космическите обекти, които го изпълват, никога не оставят астрономите без материал за изследване.

За да събере наедно някои от най-сериозните загадки за астрономите, сп. Science е призовало на помощ научни писатели, за да изберат осемте занимателни въпроса, които си задават водещите астрономи в наши дни.

Както пише Робърт Кунц, асистент-редактор „Новини” в Science, участниците са решили, че „истинските загадки не трябва да имат просто обяснение”, тоест да не са въпроси, отговорите на които може да бъдат открити в обозримото бъдеще. Фактически, макар че някои от обсъжданите теми могат да бъдат решени някога чрез астрономични наблюдения, други може да не получат отговор никога, добавя той.

Без да са в някакъв специален ред, ето осем от най-привлекателните загадки на астрономията според сп. Science. Представяме ви ги известно време след като са публикувани в изданието, но решихме да ви ги запазим за някой специален повод, какъвто смятаме, че е Коледа.

Какво е тъмната енергия?

Галактичният куп Абел 1689 ще замени феномена „изкривяване на светлината”, известен като „гравитационни лещи”. Ново изследване на този куп открива тайната на това как тъмната енергия формира Вселената.
© NASA, ESA, E. Jullo (JPL / LAM), P. Natarajan (Yale) and J-P. Kneib (LAM)

През 1920 г. астрономът Едуин Хъбъл открива, че Вселената не е статична, а се разширява. През 1998 г. космическият телескоп, кръстен в негова чест – „Хъбъл”, изучава далечни свръхнови и открива, че Вселената в древни времена се е разширявала доста по-бавно, отколкото сега.

Това откритие шокира учените, които дълго време смятали, че гравитацията трябва постепенно да забавя разширяването на Вселената или дори да доведе до нейното свиване. Опитите да се обясни ускореното разширение водят до причудливата и горещо обсъждана концепция за тъмната енергия, която се смята за загадъчна сила, разтегляща Космоса с все по-голяма скорост.

И макар че тъмната енергия, както се смята, съставя около 73% от Вселената, самата сила остава неуловима и до днес не е открита пряко.

„Тъмната енергия може и никога да не ни разкрие своята природа – пише авторът Адриан Чо. – Но учените продължават да се надяват, че природата някога ще се съгласи да им сътрудничи и те ще успеят да разкрият произхода на тъмната енергия.”

Колко гореща е тъмната материя?

Тази естествена цветна снимка на галактики е направена с помощта на телескопа „Хъбъл” и телескопите „Мауна Кеа” на Хаваите.
© NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee (University of California, Davis), and A. Mahdavi (San Francisco State University)

През 60-те и 70-те години на миналия век астрономите предлагат хипотеза, според която Вселената може да има много повече маса материя, отколкото виждаме. Вера Рубин, астроном от института „Карнеги” във Вашингтон изучава скоростта на движение на звезди в различните точки на галактиката.

Рубин забелязва, че между скоростта на звездите в центъра на галактики и по-отдалечените периферни райони няма почти никаква разлика. Този резултат бил в разрез с базовата Нютонова физика, от гледна точка на която звездите в покрайнините на галактиките би трябвало да се въртят по-бавно.

Астрономите обясняват този загадъчен феномен с помощта на невидима материя, която става известна като „тъмна материя”. Дори независимо от това, че не може да бъде видяна, тъмната енергия има маса, така че учените правят заключение за нейното наличие по гравитационното въздействие, което тя оказва на обикновената материя.

Тъмната материя, както се смята, съставя около 23% от Вселената, и само 4% се полагат на обикновената материя, която включва в себе си звезди, планети и хора.

„Учените до днес не знаят какво е тъмната материя, но това може да се промени – пише Чо. – В близките години физиците може да открият частици тъмна материя.”

Но макар че астрономите в близко бъдеще може да открият частици тъмна материя, конкретно нейните свойства досега остават неизвестни.

„Например с изследвания на галактики джуджета може да се провери дали тъмната материя е студена, както предполага стандартната теория, или по-топла – фактически това е въпрос за размерите на частиците тъмна материя”, обяснява Чо.

Къде са изчезналите бариони?

Учените използвали рентгеновата обсерватория „Чандра” на НАСА, за да засекат огромен резервоар газ, лежащ покрай комплекс галактики, подобен на стена, на 400 млн. светлинни години от Земята. В тази художествена обработка е показан близък изглед на т.нар. Скулпторна стена. Това откритие е най-силното засега доказателство, че невидимата материя в близката до нас част на Вселената представлява гигантска мрежа от горещ разреден газ.
© NASA / CXC / Univ. of California Irvine / T. Fang Illustration: CXC / M. Weiss

Т.нар. барионна материя се състои от такива частици като протони и електрони и съставя голяма част от видимата материя във Вселената.

„Докато изчислявали количеството бариони от ранната Вселена до наши дни, астрономите открили, че техният брой по тайнствен начин намалява, сякаш барионите постепенно изчезват от нашата Вселена”, пише Юдхиджит Бхатачаря, един от авторите.

Според Бхатачаря астрофизиците предполагат, че изчезващата барионна материя може да се намира между галактиките във вид на вещество, известно като топло-гореща междугалактична среда (WHIM).

Откриването на изчезващите бариони е една от приоритетните задачи на астрономите, тъй като тези наблюдения ще помогнат на изследователите да разберат по какъв начин космическата структура и галактиките са се развивали с течение на времето.

Как се взривяват звездите?

Вляво: снимка на образувана с лазер ударна вълна. По-ярките цветове съответстват на области с голяма плътност и температура. Вдясно: симулация на колапсираща ударна вълнà, възникваща в прегалактична фаза.
© A. Ravasio (LULI), A. Pelka (LULI), J. Meinecke (Oxford) and C. Murphy (Oxford) / F. Miniati (ETH)

Когато масивна звезда изчерпа своите запаси ядрено гориво и умира, настъпва впечатляваща взривна реакция, наречена „свръхнова”, която може за известен период от време да свети по-ярко от цяла галактика.

В продължение на много години учените изучават свръхнови и ги възпроизвеждат чрез сложни компютърни модели, но как в действителност стават тези гигантски взривове, до днес остава астрономична загадка.

„В последните години процесът по създаване на суперкомпютри позволи на астрономите да симулират вътрешното състояние на звезди с все по-голяма сложност, което помага по-добре да се разбере механиката на звездните взривове – пише Бхатачаря. – И все пак много детайли от това, което се случва вътре в звездата и води до нейния взрив, а също как протича самият процес на образуване на свръхнова, остават загадка.”

Какво рейонизира Вселената?

Това художествено изображение показва галактики по-малко от 1 млрд. години след Големия взрив, когато Вселената все още била частично запълнена с водородна мъгла, която поглъщала ултравиолетовата светлина.
© ESO / M. Kornmesser

Широко разпространената теория за произхода и еволюцията на Вселената е моделът за Големия взрив, който гласи, че Космосът е започнал като невероятно гореща и плътна точка преди около 13,7 млрд. години.

Динамичната фаза в историята на ранната Вселена преди около 13 млрд. години носи името ера на рейонизация. През този период водородната газова мъгла на ранната Вселена се разсеяла и станала прозрачна за ултравиолетовата светлина.

„В продължение на 400 000 години след Големия взрив протоните и електроните изстинали достатъчно, за да ги свърже взаимното им привличане в атоми неутрален водород – пише научният автор Едуин Картлидж. – И фотоните, които преди се разсейвали от сблъсъците с електроните, могли свободно да пътешестват през Вселената.”

Няколкостотин години по-късно електроните се оказали отново извън атомите.

„Този път разширението на Вселената достатъчно силно разреждало протоните и електроните – по такъв начин, че новите източници на енергия предотвратявали повторната им рекомбинация. „Супата от частици” била също достатъчно разредена, че повечето фотони да преминават през нея без сблъсъци с други частици. В резултат голяма част от материята във Вселената се превърнала в излъчваща светлина йонизирана плазма, каквато остава и в наши дни.”

Кой е източникът на високоенергийните космически лъчи?

Все още малко ни е известно за високоенергийните космически лъчи, които периодично проникват през атмосферата на нашата планета. Наскоро получени данни оспорват теориите, които предполагат, че тези лъчи са резултат на изблици на гама-лъчи.
© NSF / J. Yang

Проблемът с източника на космическите лъчи отдавна вълнува астрономите, които са изгубили над 100 години в изследването на произхода на тези енергетични частици.

Космическите лъчи са заредени субатомни частици, основно протони, електрони и заредени ядра на основни елементи, които идват в нашата Слънчева система от Дълбокия космос. Когато космическите лъчи проникват в Слънчевата система от други части на нашата галактика, техните пътища се изкривяват от магнитните полета на Слънцето и Земята.

Най-силните космически лъчи имат невероятна мощност – енергията им е до 100 млн. пъти по-голяма, отколкото на частиците, получавани в колайдерите. И все пак произходът на тези странни частици до днес остава загадка.

„Дори след столетие изучаване на космическите лъчи най-високоенергийните от тях упорито остават тайнствени посетители и очевидно възнамеряват да пазят своите тайни още дълги години”, пише Даниъл Клери, зам.-редактор „Новини” в сп. Science.

Защо нашата Слънчева система е толкова странна?

© NASA

Според това как астрономите и изследователите на Космоса откриват чужди планети около други звезди, те все по-ясно осъзнават уникалните характеристики на нашата собствена Слънчева система.

Например, макар че сами по себе си са невероятно различни, четирите вътрешни планети на нашата система имат каменисти външни обвивки и ядра от разтопен метал. Четирите външни планети силно се различават и всяка от тях има собствени уникални характеристики. Учените изучават процесите по формиране на планетите с надеждата да разберат как се е образувала нашата Слънчева система, но отговорите на подобни въпроси, изглежда, няма да бъдат прости.

„Над всички опити да се обясни разнообразието планети в нашата система се рее призракът на простата случайност – пише Ричард Кер, един от авторите. – Компютърните симулации сочат, че процесите, протичащи в нашата все още формираща се планетна система, са могли да доведат до появата на три или пет планети от земен тип вместо четири.”

Но търсенето на чужди светове може да даде на учените прозрение в природата на доста по-близките до нашия дом планети.

Защо слънчевата корона е толкова гореща?

Така изглеждаше слънчевата корона на Коледа.
© SOHO (ESA & NASA)

Ултрагорещата външна атмосфера на Слънцето е наречена корона и тя обикновено е с температура от 500 000 до 6 млн. градуса по Целзий.

„Голяма част от столетието физиците, изучаващи Слънцето, не могат да разгадаят способността на Слънцето да загрява своята корона – тънката кръгла обвивка от светлина, която се вижда по време на пълно слънчево затъмнение”, пише Кер.

Астрономите свили броя на кръга потенциални обяснения до енергия, лежаща под видимата повърхност на звездата, и процеси, протичащи в магнитното поле на Слънцето. Но точният механизъм на коронарното нагряване е неизвестен.

„Не само самият начин, по който магнитното поле пренася енергията, е предмет на спорове, но и механизмът на нейното натрупване и достигането й до короната остава загадка”, пише Кер.