Почему в межзвездном пространстве не так темно, как считалось раньше?

В космосе царит темнота. Однако каждый раз глядя в ночное небо мы видим огни далеких звезд, со всех сторон окруженные тьмой. Прямо как Солнце освещает собой планеты нашей звездной системы, миллиарды звезд и галактик сияют на просторах бескрайней Вселенной. Когда зонд New Horizons достиг внешних границ Солнечной системы, миновав Плутон, его оптические приборы зафиксировали слабое свечение, исходящее из-за пределов Солнечной системы и Млечного Пути. Это открытие стало неожиданностью для ученых. В отличие от реликтового излучения (космического микроволнового фонового излучения), свет, захваченный New Horizon, позволил исследователям заглянуть в самые темные и недоступные области космоса, включая галактики, сформировавшиеся спустя всего 450 000 лет после Большого взрыва. Эти далекие миры не позволяют Вселенной погрузиться во тьму и дают ученым подсказки о том, насколько черным является космос (и причем тут темная материя).

Между планетами и звездами, которые мы видим по ночам, космос может выглядеть как огромное пространство тьмы, слабо освещенной фоновым свечением звезд и галактик.

Путешествие New Horizon

Запущенная в 2006 году миссия NASA «Новые горизонты» (New Horizon) стала первым в истории космическим аппаратом, исследовавшим Плутон и астероид Пояса Койпера Аррокот. Эта межпланетная космическая станция (АМС) покидает Солнечную систему на третьей космической скорости благодаря запуску на ракете-носителе «Атлас-5». В 2021 году АМС удалилась на расстояние более 50 астрономических единиц от Солнца, покидая нашу звездную систему.

Полученные в ходе миссии данные интригуют ученых. Так, проанализировав сотни изображений, сделанных с помощью тепловизора LORRI с высоким разрешением, установленном на борту миссии NASA, астрофизики из Рочестерского технологического института пришли к выводу, что АМС наблюдает гораздо больше света, чем должна. Все дело в так называемом космическом оптическом фоне – суммы излучения в оптических длинах волн, исходящих от объектов за пределами нашей Галактики.

Телескопы и космические обсерватории на околоземной орбите (в частности Хаббл), не могут точно оценить СОВ из-за межпланетной пыли, рассеивающей солнечное излучение.

Исходя из известных ученым популяций галактик, станция «Новые горизонты» зафиксировала больше света, чем они могут испускать. К такому выводу ранее пришли астрофизики из разных исследовательских институтов и обсерваторий. Если они правы, то во Вселенной существуют неизвестные нам источники излучения, а значит фундаментальные представления о ее формировании могут измениться.

Свет из других миров

В отличие от таких астрономических инструментов как Хаббл, станция «Новые горизонты» находится достаточно далеко от Солнца и может оценить темноту космоса, исключив множество факторов включая излучение от звезд Млечного Пути (что сделать весьма затруднительно). И хотя оставшееся излучение чрезвычайно слабое, его реально измерить. Так, астрофизики из университета Джонса Хопкинса предположили, что это избыточное излучение (СОВ) может, помимо прочего, объяснить природу темной материи.

Новые горизонты (New Horizons) – это автоматическая межпланетная станция NASA, предназначенная для изучения Плутона и его спутника Харона.

В то же самое время результаты работы, опубликованной на сервере препринтов arXiv показали, что этих источников света не так уж и много, а значит космос – место еще более темное, чем мы думали. Но что за объекты являются источником СОВ? Ими могут быть как карликовые галактики за пределами наблюдаемой Вселенной или рассеянные ореолы звезд, окружающие галактики или популяции блуждающих межгалактических звезд, разбросанных по всему космосу. А может, ни то, ни другое.

И если обнаружение СВО кажется удивительным, не будем забывать о черных дырах – даже они испускают излучение (точнее их аккреционные диски, которые состоят в основном из светящегося звездного вещества). Кванты самого света кружатся вокруг аккреционных дисков этих космических монстров прежде чем пересечь горизонт событий – точку невозврата за пределы которой вырваться не может ничто, включая фотоны.

Частицы темной материи

Так как источник излучения, обнаруженного миссией «Новые горизонты», остается неизвестным, некоторые ученые предлагают обратить внимание на темную материю в качестве источника избыточного света. Напомним, что темной материю называют гипотетическую субстанцию, не вступающую в электромагнитное взаимодействие (из-за чего увидеть ее невозможно).

Считается, что эта загадочная материя составляет не менее 80% вещества во Вселенной, а о ее существование можно судить из-за ее гравитационного воздействия на наблюдаемые нами космические объекты. Как и в случае СВО, исследователи высказывают несколько гипотез о природе этой загадочной материи. Одна из них гласит, что эта невидимая субстанция состоит из аксионов – гипотетических частиц, существование которых было предложено в 1970-х годах прошлого века.

Темная материя может состоять из гипотетического класса частиц, распад которых приводит к формированию фотонов

Дело в том, что аксионы в определенном диапазоне масс должны вести себя как темная материя. Считается, что эти частицы распадаются на пары фотонов в присутствии сильного магнитного поля. Целый ряд научных экспериментов направлен на поиск этих гипотетических частиц, однако отделить их от прочих источников света невероятно трудно. Именно на этом этапе, как это не удивительно, в дело вступает космический оптический фон.

Тайны Вселенной

И хотя СОВ – излучение слабое, LORRI, прибор на борту АМС «Новые горизонты» смог его обнаружить. Результаты исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, предполагают, что аксионоподобная темная материя может быть ответственна за обнаруженное излучение. И все же сегодня невозможно сказать, какое объяснение является правильным, основываясь исключительно на имеющихся данных. Однако, уменьшив массу аксионов, которые могли бы быть ответственны за избыток слабого излучения, исследователи заложили основы для будущих поисков этих загадочных частиц.

Чем чувствительнее становятся приборы наблюдения за космосом, тем сильнее астрономы убеждаются в неполноте своих знаний

Если избыток излучения СОВ возникает в результате распада темной материи на фотоны, будущие измерения (не без помощи новой космической обсерватории Джеймса Уэбба) помогут это определить, – отмечают астрофизики.

В то время как реликтовое излучение свидетельствует о первых 450 000 годах после Большого взрыва, космический оптический фон говорит кое-что об общей сумме всех звезд, которые когда-либо сформировались в нашей Вселенной. Напомним, что в одной только наблюдаемой Вселенной насчитывается около двух триллионов галактик. Эта оценка основывается на данных, полученных с помощью Хаббла.

Во Вселенной, возможно, больше света, чем считалось раньше

К счастью, успешный запуск космического телескопа Джеймс Уэбб летом 2022 года уже ознаменовал собой начало новой астрономической эпохи. Благодаря встроенной инфракрасной камеры, этот мощнейший инструмент по-новому взглянул на Столпы Творения, атмосферу спутника Сатурна Титана и взрыв сверхновой. Подробнее об этих удивительных событиях можно прочитать здесь, не пропустите!