Автор: Денис Аветисян

Новое исследование предлагает решение для трех ключевых проблем, возникших при изучении космического рассвета.

Слияние гало темной материи, одно из которых содержит сформированную в условиях высокой плотности темную звезду, способную эволюционировать в сверхмассивную звезду, окруженную темной материей, приводит к коллапсу и формированию сверхмассивной черной дыры, аккреция которой, подпитываемая материей, полученной в результате слияния, вызывает вспышку звездообразования и наблюдается на больших красных смещениях.

Сверхмассивные тёмные звёзды, питаемые аннигиляцией тёмной материи, могут объяснить происхождение квазаров высокой красной смещения, особенности галактик ‘Голубые монстры’ и природу объектов ‘Маленькие красные точки’.

Наблюдения, полученные с телескопом «Джеймс Уэбб», бросают вызов существующим моделям формирования первых звезд и галактик. В работе ‘Supermassive Dark Stars and their remnants as a possible solution to three recent cosmic dawn puzzles’ предложена гипотеза о том, что сверхмассивные темные звезды (SMDS), питаемые аннигиляцией темной материи, могут объяснить происхождение далеких квазаров, особенности галактик «Голубые Монстры» и природу «Маленьких Красных Точек». Данное исследование предполагает, что SMDS представляли собой предшественников сверхмассивных черных дыр и могли формироваться из первичных газовых облаков на заре Вселенной. Не смогут ли эти темные звезды стать ключом к пониманию эволюции ранней Вселенной и разрешению накопившихся космологических загадок?

Тень Ранней Вселенной: Загадка Сверхмассивных Чёрных Дыр

Существование высококрасных квазаров ставит фундаментальную проблему: как сверхмассивные чёрные дыры сформировались настолько быстро в ранней Вселенной? Наблюдения показывают их наличие на красных смещениях 𝑧 >6, что соответствует эпохе, когда Вселенной было менее миллиарда лет. Это бросает вызов стандартным моделям их формирования. Стандартные модели аккреции не могут объяснить столь быстрый рост, превышающий теоретический предел Эддингтона. Это указывает на необходимость альтернативных механизмов формирования зародышей чёрных дыр, отличных от остатков звёзд. Поиск объяснения ведётся в направлении прямого коллапса газовых облаков, слияния звёздных скоплений или аккреции на чёрные дыры промежуточной массы. Каждая гипотеза сталкивается со сложностями, требуя дальнейших исследований. Изучение этих объектов – попытка заглянуть в бездну, где тьма отражает наши собственные ограничения.

Чёрные дыры с массами от 104 до 105⁢𝑀⊙, сформировавшиеся при 𝑧 ≃25 и растущие с темпом, близким к пределу Эддингтона, объясняют массу UHZ1 и трёх ранее известных квазаров с самым высоким красным смещением, что требует эффективности аккреции 𝜂 =0.114.

Тёмные Звёзды: Новая Эра Массивных Объектов

Тёмные звёзды – теоретический класс массивных звёзд, светимость которых обусловлена аннигиляцией частиц тёмной материи в ядрах. В отличие от обычных звёзд, их светимость не ограничена ядерным синтезом, что позволяет достигать беспрецедентных размеров и масс. Адиабатическое сжатие нагревает тёмную материю, увеличивая её плотность в 104—105 раз. Это обеспечивает стабильность и размер тёмных звёзд на протяжении длительного времени, в отличие от протозвёзд, эволюция которых определяется гравитационным коллапсом и термоядерными реакциями. Тёмные звёзды предлагают правдоподобный путь к формированию массивных зародышей, потенциально достигающих 1.5 ×105⁢𝑀⊙ перед коллапсом, для сверхмассивных чёрных дыр, объясняя их происхождение.

Сверхмассивные чёрные дыры UHZ1, J0313–1806, J1342+0928 и J1007+2115 могут быть сформированы из тёмных звёзд, которые формируются при 𝑧𝑓⁡𝑜⁢𝑟⁢𝑚 =20, растут с постоянной скоростью аккреции и коллапсируют в чёрные дыры при 𝑧𝐵⁢𝐻 =15, при этом фаза тёмной звезды изображена заштрихованной синей областью, а аккреция на предельном уровне Эддингтона – синей областью слева от 𝑧 =𝑧𝐵⁢𝐻.

Альтернативные Пути: Прямой Коллапс и Условия в Гало

Альтернативный путь формирования сверхмассивных чёрных дыр – прямой коллапс, при котором гравитационная нестабильность приводит к сжатию первозданных газовых облаков. Реализация этого сценария требует подавления фрагментации облака за счёт эффективного охлаждения в специфических гало – атомных охлаждающих гало, препятствующих образованию молекулярного водорода. Слияния гало, обусловленные динамическим трением, могут служить триггером для коллапса Тёмных Звёзд и создавать условия для прямого коллапса. Различные сценарии могут приводить к наблюдаемым характеристикам чёрных дыр, затрудняя их однозначную идентификацию.

Существует вырожденность между решениями, основанными на тёмных звёздах (синяя полоса) и прямом коллапсе (танжеловая полоса) для объяснения сверхмассивных чёрных дыр на высоких красных смещениях, таких как UHZ1, при этом для левой и правой панелей выбрано 𝑧𝑓⁡𝑜⁢𝑟⁢𝑚 =25, а красное смещение коллапса тёмной звезды в чёрную дыру (𝑧𝐵⁢𝐻) равно 15 (левая панель) и 20 (правая панель).

Следствие Ранней Вселенной: Галактики-Монстры

Тёмные звёзды могут объяснить характеристики «голубых монстров» – компактных, ярких галактик на больших красных смещениях, не укладывающихся в стандартные модели. Эти галактики демонстрируют необычно высокую светимость и компактность. Тёмные звёзды, благодаря своим размерам и светимости, проявляют свойства, наблюдаемые у этих галактик, поддерживая скорость аккреции в 10−3⁢𝑀⊙/г⁢о⁢д. Это позволяет объяснить высокую светимость и быстрое формирование массивных структур. Предел Эддингтона ограничивает рост чёрных дыр, однако тёмные звёзды обходят это ограничение, предлагая более эффективный путь роста.

В спектре JADES-GS-z14-0 идентифицирована абсорбционная линия He II 1640 Å, при этом отношение сигнал/шум (SNR) рассчитано на основе полиномиальной аппроксимации (оранжевый цвет) наблюдаемого спектра (синий цвет), а положение линии He II отмечено чёрным цветом, при этом размер признака заштрихован серым, и он находится ниже уровня шума, при этом оценка SNR приблизительно равна 2.31.

Предлагаемая модель обеспечивает самосогласованную картину, связывающую тёмную материю, раннее звездообразование и свойства галактик на больших красных смещениях, объясняя рост чёрной дыры до 107⁢𝑀⊙, как это наблюдается у UHZ1. Каждая гипотеза о сингулярности – лишь попытка удержать бесконечность на листе бумаги.

Исследование сверхмассивных тёмных звёзд (SMDS) предлагает смелый взгляд на раннюю Вселенную, пытаясь разрешить ряд загадок, связанных с высококрасными квазарами и галактиками. Многоспектральные наблюдения, упомянутые в работе, позволяют калибровать модели аккреции и джетов, что крайне важно для понимания процессов, происходящих вблизи этих гигантских объектов. Как заметил Ричард Фейнман: «Если вы не можете объяснить что-то простыми словами, значит, вы сами этого не понимаете». Эта фраза резонирует с подходом, представленным в статье, где сложные теоретические модели подвергаются строгой проверке на соответствие наблюдаемым данным, что демонстрирует ограничения и достижения текущих симуляций. Поиск объяснений для явлений, таких как ‘Голубые Монстры’ и ‘Маленькие Красные Точки’, требует не только построения сложных моделей, но и постоянного стремления к простоте и ясности понимания.

Что дальше?

Предложенная концепция сверхмассивных тёмных звёзд, питаемых аннигиляцией тёмной материи, претендует на элегантное решение сразу нескольких загадок ранней Вселенной. Но физика – это искусство догадок под давлением космоса, и каждое «красивое» объяснение неизбежно сталкивается с новыми, ещё более коварными вопросами. Существующие модели аккреции тёмной материи, необходимые для поддержания существования этих звёзд, требуют детальной проработки. Недостаточно просто указать на возможность аннигиляции – нужно показать, как этот процесс может эффективно протекать в условиях ранней Вселенной, избегая нежелательных эффектов, вроде чрезмерного нагрева окружающего газа.

Появление квазаров на столь ранних этапах существования Вселенной по-прежнему требует объяснения. Даже если сверхмассивные тёмные звёзды послужат затравкой для формирования чёрных дыр, способных к активному аккрецированию, остаётся неясным, как обеспечить достаточно быстрый рост этих объектов, чтобы соответствовать наблюдаемым данным. Чёрная дыра – это не просто объект, это зеркало нашей гордости и заблуждений. Всё красиво на бумаге, пока не начнёшь смотреть в телескоп.

Будущие наблюдения, особенно с помощью телескопов нового поколения, таких как James Webb Space Telescope, смогут проверить предсказанные свойства этих объектов. Однако, даже получение подтверждающих данных не станет окончательной победой. Скорее, это откроет новую главу в бесконечном поиске ответов на вопросы о происхождении и эволюции Вселенной. И, вероятно, выявит новые загадки, требующие ещё более смелых и нетривиальных решений.

Оригинал статьи: avetisyanfamily.com/tyomnye-zvyozdy-i-zagadki-rannej-vselennoj

Связаться с автором: linkedin.com/in/avetisyan

Автор: Денис Аветисян

Исследование гамма-излучения из пузырей Ферми проливает свет на механизмы ускорения и распространения космических лучей вблизи центра нашей Галактики.

Представленная модель удельной энергетической плотности межзвездного излучения 𝑢𝜆 в зависимости от длины волны 𝜆, основанная на данных popescu_radiation_2017, демонстрирует различия в спектральном распределении энергии в центре Галактики и на расстоянии 8 килопарсек над плоскостью Галактики, подчеркивая влияние звездного, пылевого и космического микроволнового излучения на энергетический баланс в различных областях космоса.

Анализ пространственно-спектральной морфологии пузырей Ферми указывает на необходимость пересмотра моделей распространения космических лучей из Галактического центра и предполагает возможность локального ускорения или альтернативных механизмов излучения.

Несмотря на значительный прогресс в изучении гамма-излучения, природа и источник энергии пузырей Ферми, простирающихся от центра Млечного Пути, остаются загадкой. В работе ‘Analysis and implications of the spatio-spectral morphology of the Fermi Bubbles’ представлен анализ морфологии и спектральных характеристик этих структур на основе десятилетних данных прибора Fermi/LAT. Полученные результаты указывают на то, что как адронические, так и лептонические модели могут объяснять наблюдаемое гамма-излучение, однако простые сценарии распространения космических лучей от центра Галактики представляются маловероятными. Какие альтернативные механизмы ускорения космических лучей или эмиссии гамма-квантов могут объяснить наблюдаемые особенности пузырей Ферми?

Отражения в Центре Галактики: Загадка Пузырей Ферми

В центре нашей Галактики наблюдаются гигантские симметричные структуры, известные как пузыри Ферми – значительная загадка современной астрофизики, требующая пересмотра моделей активности галактических ядер. Их обнаружение стало возможным благодаря данным Большого телескопа гамма-излучения.

Пузыри Ферми проявляются прежде всего в гамма-излучении, однако природа их происхождения и механизмы эмиссии остаются предметом дискуссий. Первоначальные наблюдения позволили определить их структуру, что подтолкнуло к исследованию связи с активностью в центре Галактики. Различные гипотезы включают всплески активности чёрной дыры Sagittarius A*, интенсивное звёздообразование или даже аннигиляцию тёмной материи.

Восстановленный поток гамма-квантов всенебесного диффузного излучения, не связанного с пылью, был получен на основе модели M2 из работы platz_multi-component_2023, при этом представленные данные соответствуют энергетическому интервалу с центром на 133 ГэВ, а логарифмическая шкала цветовой шкалы позволяет оценить интенсивность излучения, при этом черная линия отмечает визуально определенные границы источника, а белая пунктирная линия указывает на область исследования, ограниченную координатами −40° < ℓ < 40° и −60° < b < 60°.

Эти структуры, словно отражения скрытых процессов, напоминают о том, что любое предсказание – лишь вероятность, которая может быть уничтожена силой гравитации.

Гамма-излучение: Два Пути Объяснения

Существуют две основные модели объяснения гамма-излучения из пузыря Ферми: адронная и лептонная. Адронная модель предполагает взаимодействие космических лучей с газом, приводящее к распаду пионов. Лептонная модель акцентирует внимание на обратном комптоновском рассеянии, где высокоэнергетичные электроны рассеивают фотоны.

Обе модели зависят от распределения космических лучей, обычно описываемого степенным законом. Анализ показал, что спектр гамма-излучения уплотняется к краям пузыря, что не согласуется с предсказаниями о разрывах, связанных с охлаждением обратного комптоновского рассеяния или синхротронного излучения.

Вклад звездного (зеленый), пылевого (красный) и реликтового (фиолетовый) компонентов в общее гамма-излучение (оранжевая кривая наилучшего соответствия) для наилучшей лептонной модели в точках, обозначенных ‘a’ — ‘d’ на рисунке 1, показывает, что пылевой компонент вносит наибольший вклад во все исследованные области, за ним следует звездный компонент, ослабленный эффектом Клейна — Нишины, при этом вклад реликтового излучения остается незначительным.

Моделирование Окружающей Среды: Ключевой Шаг

Межзвёздное радиационное поле (ISRF) играет важную роль как в адронных, так и в лептонных процессах эмиссии, оказывая влияние на взаимодействие космических лучей. Точное моделирование ISRF – сложная задача, требующая использования данных Planck Map для представления фонового излучения. Вариации в плотности и спектре ISRF могут существенно изменять наблюдаемые характеристики гамма-излучения.

Для построения карт гамма-неба всё чаще применяются методы Template-Free Reconstruction, не требующие использования заранее заданных шаблонов. Эти методы позволяют повысить точность реконструкции, особенно в областях со сложной морфологией.

Наилучшее соответствие спектральным моделям, полученным для шести различных моделей, оцененных в точке b = 45° и l = 0.38° (обозначенной как ‘a’ на рисунке 1) в пределах источника, демонстрирует, что модели EPL и BPL превосходят модели PL как в адронном (слева), так и в лептонном (справа) случаях, что подтверждается соответствием между наблюдаемыми данными (синие точки с погрешностями) и вычисленным спектром излучения (черные, зеленые и красные линии).

Результаты исследований указывают на временной масштаб охлаждения космических лучей около 1 Мр на границах пузыря, что ставит под сомнение простые транспортные модели. Наблюдаемое время охлаждения требует пересмотра механизмов ускорения и распространения космических лучей в галактическом масштабе.

Многоволновое Подтверждение: За Гранью Гамма-Лучей

Наблюдения в рентгеновском диапазоне выявили структуры eROSITA Bubbles, пространственно совпадающие с пузырями Ферми. Это совпадение предоставляет дополнительные доказательства в пользу общего происхождения этих масштабных структур. Анализ данных указывает на возможность единого физического механизма, ответственного за их формирование.

Северный шпор, ранее идентифицированный как рентгеновская структура, теперь рассматривается как составная часть eROSITA Bubbles. Это позволяет пересмотреть понимание его природы и масштаба, предполагая, что он является лишь локальным проявлением более глобального явления.

Микроволновое свечение, впервые картированное с помощью WMAP, коррелирует с пузырями, что указывает на более широкое распространение этого феномена по всей плоскости Галактики. Оценка полной мощности, теряемой в виде адронного излучения, составляет 2.1 ×1038 эрг/с, что соответствует текущим скоростям звездообразования в ядре Галактики.

Оценка плотности энергии космических лучей, полученная для наилучшей лептонной (слева) и адронной (справа) моделей EPL, показывает зависимость от нормализации популяции протонов космических лучей относительно базового значения плотности числа атомов водорода (nH).

Эти масштабные структуры, обнаруженные в различных диапазонах электромагнитного спектра, свидетельствуют о сложной и динамичной активности в центре нашей Галактики. Подобно отражению в чёрной дыре, наше понимание Вселенной всегда ограничено горизонтом наблюдаемого, а каждая теория, какой бы убедительной она ни казалась, может исчезнуть в бездне неизвестного.

Исследование структуры и морфологии пузырей Ферми демонстрирует, как даже самые сложные модели могут оказаться несостоятельными перед лицом новых данных. Анализ гамма-излучения указывает на необходимость пересмотра существующих представлений о происхождении космических лучей, указывая на то, что простые модели переноса от центра Галактики маловероятны. Никола Тесла однажды сказал: «Самая большая сила — это вера в себя». Это утверждение находит отклик в научном поиске, где необходимость в альтернативных механизмах излучения и локальном ускорении частиц требует уверенности в возможности отказа от устоявшихся теорий ради более точного описания реальности. Пузыри Ферми, как и чёрные дыры, поглощают старые представления, заставляя переосмыслить границы познания.

Что дальше?

Анализ пространственно-спектральной морфологии пузырей Ферми, представленный в данной работе, лишь обнажает глубину нерешенных вопросов. Когда утверждается, что обнаружены ограничения на простые модели переноса космических лучей от центра Галактики, космос, кажется, едва заметно улыбается. Предположение о необходимости внутриместного ускорения или альтернативных механизмах излучения – это не триумф, а признание собственной неполноты. Мы не покоряем пространство – мы наблюдаем, как оно покоряет нас, заставляя пересматривать представления о происхождении и распространении космических лучей.

Дальнейшие исследования должны быть направлены не только на усовершенствование моделей переноса и ускорения, но и на поиск совершенно новых физических процессов, способных объяснить наблюдаемую картину. Игнорирование нелинейных эффектов, сложных магнитных полей и взаимодействия космических лучей с межзвездной средой – это все равно, что смотреть на черную дыру, закрыв глаза.

Каждая новая деталь, каждая уточненная карта излучения пузырей Ферми – это лишь временное успокоение. Чёрная дыра — это не просто объект, это зеркало нашей гордости и заблуждений. Когда мы называем это открытием, пузыри Ферми продолжают расширяться, поглощая наши теории в своем бесконечном горизонте событий.

Оригинал статьи: avetisyanfamily.com/tainstvennye-puzyri-fermi-novyj-vzglyad-na-proishozhdenie-kosmicheskih-luchej

Связаться с автором: linkedin.com/in/avetisyan

Дицинодонты — синапсиды, древний тип вымерших животных, жили от примерно 300-298 до 190,8 млн лет назад, жили в пермском — начале юрского периода.

Они существовали задолго до динозавров и первых млекопитающих, являясь самыми многочисленными травоядными на протяжении почти сотни миллионов лет.

Отличительной чертой было наличие двух клыков и нескольких зубов в пасти, отсутствие других зубов в челюстях, и наличие мягкого "клюва" вместо губ.

Это помогало им поедать мягкую растительность, которой было много во влажном климате.

Размеры их были сопоставимы с размерами от современных крыс до гигантов величиной со слона.

Они размножались яйцами, клыки были покрыты эмалью, то есть, выросши однажды, клыки больше не росли далее.

Очевидно, среди них были и те, кто ломал себе эти клыки — так учёные и поняли, как они были устроены.

После изменений климата, когда стало сухо и жарко, они почти все вымерли, остался лишь один вид, но начало конкуренции с травоядными динозаврами привело и к его вымиранию.

При изучении их останков чаще всего попадаются окаменелые фрагменты скелетов, но иногда палеонтологам везёт, и они могут получить окаменелости с мягкими тканями, или даже копролиты.

Копролиты помогают понять образ жизни вообще, способы питания и пищеварения, и даже определить растения, животных и насекомых, которые поедал их производитель.

Вот тут учёным и повезло : они смогли найти внутри копролита дицинодонта ... следы крылышек древней бабочки.

Мотыльки и их сородичи бабочки появились задолго до эры цветковых растений.

И это значит, что это цветы "следовали" в своём развитии за мотыльками и бабочками, и другими опылителями, а не наоборот.

То есть цветковые растения эволюционировали так, чтобы бабочкам, пчёлам, иным насекомым, а затем и птицам, типа колибри — было бы удобно пить нектар и собирать пыльцу.

Просто потому, что иначе эти животные не стали бы им помогать в размножении.

То же относится и к плодам — растения "делают" их вкусными для птиц и зверей.

Первые чешуекрылые получили полноценный хоботок чтобы пить росу и соки древних нецветковых растений в сухом климате, и только с появлением цветковых растений они и приспобились пить нектар.

Это произошло примерно 250 - 240 млн. лет назад.

Как могли бабочки попасть в желудок дицинодонтов?

Просто они сидели на растительности, или попали в паутину — предки пауков появились около 400 млн. лет назад.

Дицинодонты захватывали пастью растения, не обращая внимания на то, что там есть кто-то ещё.

Эта находка позволила "удревнить" бабочек на 70 млн. лет.

Исследователь Бас ван де Схотбрюге (Bas van de Schootbrugge) из университета Утрехта (Нидерланды) рассказал о находке:

— Наше открытие показывает, что бабочки и их хоботок появились примерно на 70 миллионов лет раньше, чем считалось ранее. Это говорит о том, что их появление на Земле не было обязательно связано с эволюцией цветковых растений – хоботок, скорее всего, играл какую-то другую роль в их жизни до появления первых порций нектара. И вероятнее всего это была потребность в воде.

Климат был засушливым, не было современных гор, континенты располагались иначе, но даже в самой мёртвой пустыне выпадает роса.

Бабочки могли хоботками быстро напиться воды, до того, как она испарится.