Преамбула

При обсуждении недавнего поста об объектах Торна-Житков (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/174524.html) добрый человек chuka_lis; подсказала, что эта история, в сущности, похожа на детектив, и навела меня на мысль о том, что изложить таким же детективным образом можно еще несколько историй о нашем мире и его исследовании.
Поэтому я решил выбрать несколько подходящих тем и, систематизировав ранее написанное и, в некоторых случаях, добавив новые факты, изложить их таким же детективным образом.
Обращаю внимание – в нескольких следующих постах не будет ничего принципиально нового, ранее не описанного в этом блоге, и не будет обычных для меня перекрестных ссылок – ведь они будут написаны не для того, чтобы рассказать о тех или иных понятиях и фактах (о них уже было мной рассказано), а для того, чтобы показать, что не только история является романом, случившимся в действительности.

Детектив о темной материи

Если говорить просто, темная материя - это неизвестно что, которое состоит неизвестно из чего и имеет массу, в шесть раз большую, чем масса всей видимой материи Вселенной. В результате движением и расположением всей видимой (барионной) материи в крупных масштабах (начиная от галактического) управляет гравитация темной материи - именно она "собирается" в галактики, их скопления, сверхскопления и гиперскопления, и видимая материя лишь следует за ней - как пена на поверхности воды. Основное свойство темной материи - она не взаимодействует с электромагнитным излучением, сама его не испускает и поэтому не обнаруживается нормальными методами. Впрочем, сама с собой она тоже не взаимодействует - ничем, кроме гравитации.
Характер и состав темной материи неизвестны. По некоторым данным, она неоднородна - в мире, скорее всего, есть "горячая" темная материя, состоящая из ненаблюдаемых частиц, движущихся со световой или околосветовой скоростью, и "холодная" темная материя, состоящая из массивных "медленных" частиц.

Некоторое время назад, в 2014 году, почти одновременно сразу две независимые группы, исследуя спектры рентгеновского излучения (одна - по данным наблюдения множества наложившихся друг на друга при наблюдении скоплений галактик, вторая - при исследовании огромного галактического кластера Персея - он содержит тысячи галактик, буквально закутанных в мощное облако межгалактического газа, и является самым ярким рентгеновским источником на небе) обнаружили в спектре рентгеновского излучения неидентифицированную линию, соответствующую энергии примерно 3,52 килоэлектронВольт.
Найти известный физический процесс, "ответственный" за излучение этой линии, не удалось.
Появилась весьма разумная гипотеза, гласящая, что это излучение объясняется распадом частиц темной материи (на нейтрино и фотон - тот самый, несущий энергию 3,52 кэВ). Такой процесс может быть чрезвычайно редок (по оценкам, среднее время жизни распадающихся частиц может превосходить время жизни Вселенной порядков на шесть) - но для космических масштабов в подобных условиях он теоретически должен наблюдаться.
В таком случае масса распадающихся частиц темной материи должна быть равна примерно 7 кэВ - раз в семьдесят легче электрона. Вполне съедобно теоретически. Если даже не вся темная материя состоит из таких частиц, то уж частично - вполне может.
Осталось ждать подтверждения и продолжения исследований. И задумываться о так называемых стерильных нейтрино - теоретически возможных и предусмотренных некоторыми физическими моделями частицах подходящей массы, прекрасно подходящих на роль темной материи.

Кстати, кое-что об этом поподробнее.
Хотя масса частицы 7 кэВ, вроде бы, мала - она уступает массе электрона более, чем в семьдесят раз - момент, когда Вселенная могла стать для таких частиц "прозрачной", (то есть, момент времени, в который температура Вселенной вследствие расширения упала настолько, что их энергия начала превышать энергию окружающей материи, и эти частицы вышли из состояния термодинамического равновесия или, можно сказать, отделились от остального вещества) наступил достаточно быстро - через несколько секунд с момента появления нашего мира, и при этом их скорость была ниже скорости света на два порядка.
А это означает, замечу, что при такой небольшой скорости они вполне могли в достаточно ранние времена, фактически, начиная с первой минуты жизни Вселенной за счет гравитационных сил образовывать достаточно массивные и относительно устойчивые структуры с характерной массой, соответствующей массе сверхскоплений и гиперскоплений галактик.
Так что в случае подтверждения результатов, это открытие вполне соответствовало бы теоретическим представлениям о формировании крупномасштабной структуры Вселенной.

А дальше начался детектив...

1. Подождали. Подтверждение статистически значимого существования эмиссионной линии 3,52 кэВ было опубликовано для обоих случаев - и для кластера Персея, и для 73 удаленных кластеров.
См. также http://arxiv.org/abs/1402.2301, https://arxiv.org/abs/1402.4119

2. Но все оказалось не столь простым. Длительные (18,5 суток) непрерывные наблюдения карликовой галактики в Драконе (есть такой спутник у Млечного пути, удаленная на 260 тысяч световых лет карликовая сферическая галактикаl. Интересна эта галактика тем, что доля темной материи в ее полной массе является наибольшей из известных, и это - объект с наибольшей концентрацией темной материи из всех известных объектов Вселенной) не показали ни одного события наблюдения рентгеновского излучения с энергией около 3,5 кэВ. Увы, но со значительной вероятностью это исключало связь указанной выше эмиссии с темной материей. При этом, опять же, увы, окончательный вывод делать было рано - чувствительность оборудования позволяла делать выводы на грани погрешности наблюдений.

3. Уже после, в 2016 году спутник Hitomi, казалось бы, закрыл вопрос - его чувствительность была достаточно высокой, и он не подтвердил наличия эмиссии рентгеновского излучения с энергией 3,52 кэВ в спектре скопления Персея.
Казалось бы, все понятно - ошибка наблюдения, чего уж тут, и красивая идея погибла на корню. Но не тут-то было. Вопрос о том, отчего же эту линию наблюдали другими инструментами, остался.

4. А потом, в конце прошлого года обнаружились интересные вещи.
Hitomi, конечно, улавливает рентгеновское излучение с прекрасной чувствительностью (с высоким разрешением по спектру) - но вот пространственное разрешение у него не слишком высоко, в то время, как ранее наблюдавшие эмиссию в кластере Персея аппараты, такие как Chandra, "видят" намного меньшую область неба и обладают, соответственно, при меньшей чувствительности большим пространственным разрешением.
Hitomi "захватывает" и темное гало кластера, и сверхмассивную черную дыру его центральной галактики. А аккуратные исследования показали, что в районе черной дыры, наоборот, наблюдается поглощение рентгеновской эмиссии. Если суммировать наблюдения от черной дыры и окружающей ее области, суммарный сигнал не показывает характерного для наблюдений с большим пространственным разрешением пика.

5. Проверили. Если провести наблюдения периферийной области кластера на Chandra - пик наблюдается!
Получили неожиданный вывод - в таком случае, темная материя в самой центральной галактике еще и поглощает рентгеновское излучение этой энергии с последующим (очень медленным!) переизлучением.

Вот так...

6. Ну, а на днях, 24 июля, опубликован препринт https://arxiv.org/abs/1807.08740, в котором подтверждено с высокой достоверностью, что неидентифицированная линия рентгеновского излучения энергии 3,52 кэВ в старой карликовой галактике Сетка II не принадлежит астрофизическим источникам. А в принципе, кроме них возможный источник лишь один.
А стало быть, чем дальше, тем больше все это похоже как на открытие ранее известных сугубо теоретически и практически ни с чем не взаимодействующих стерильных нейтрино, так и на понимание того, из чего, полностью или частично, состоит загадочная темная материя.

Детектив о крупномасштабной структуре Вселенной

Я упоминал, что крупнейшие элементы крупномасштабной структуры теоретически могут достигать размера 1,2 миллиарда световых лет - это наибольшая длина звуковой волны, которой та могла бы достичь при формировании Вселенной (в пересчете на настоящее время с учетом расширения пространства).
Изучение реликтового фонового излучения подтверждает этот расчет - его угловые неоднородности как раз соответствуют этому размеру.
И это согласование теории с практикой, а наблюдений реликтового фона - с наблюдениями крупномасштабных элементов Вселенной безмятежно длилось до 2013 года.
А потом дело пошло "все страньше и страньше" (с)

1. Проблема наблюдений крупномасштабной структуры заключается в том, что отдаленные гиперскопления галактик рассмотреть почти невозможно - в них даже крупные галактики видны лишь посредством всяческих ухищрений. Единственное, что в них можно видеть с большого расстояния без специальных методов - это квазары, ибо яркость квазара, как известно, может достигать триллионов (и даже сотен триллионов! Нынешний рекорд - около квадриллиона!) солнечных - особенно, если он удачно ориентирован. В результате мы с большого расстояния уже видим не сверхскопления и гиперскопления галактик, а лишь квазары в них, образующие группы соответственно расположению в скоплении - так называемые большие группы квазаров (LQGs, Large Quasar Groups).
И вот летом 2013 года было опубликовано исследование, утверждающее, что 73 квазара на небе группируются в вытянутую линию длиной четыре миллиарда световых лет (Huge LQG, HLQG). Это было неприятно - во-первых, противоречило теории, во-вторых, наблюдения реликтового фона не давали ни малейшего намека на существование в момент рекомбинации неоднородностей подобного масштаба.
Дальше - больше. Появилось интригующее известие о том, что 34 квазара, формирующих группу Кловис-Кампусано (CCLQG), имеющую размер около двух миллиардов световых лет, находятся в интригующей близости (менее 1,8 миллиарда световых лет) от указанной выше группы, а в двух градусах от нее на небе находится еще одна группа U1.11 из тридцати восьми квазаров длиной 2,2 миллиарда световых лет - так что все это, в принципе, может указывать на существование единой суперструктуры колоссального размера.
Они не являются случайной проекцией разноудаленных квазаров - среднее красное смещение обеих групп практически одинаково, 1,27 и 1,28, что соответствует разности в расстояниях не более трехсот миллионов световых лет (при том, что группы удалены от нас почти на девять миллиардов световых лет).
Трехмерная карта этих групп:


2. Изучение реликтового фона продолжало между тем упорно указывать на то, что неоднородностей подобного масштаба в нем не обнаруживается, так что структурам подобных размеров во Вселенной просто неоткуда взяться - разве что, случайно, потому что волны плотности распространялись случайным образом и где-то они могли "вытянуться" в длинную линию. Увы, рассчитать вероятность такой случайности невозможно - нет данных.

3. А тем временем пытливый разум астрономов не дремал. Квазар - штука, конечно, яркая, но и его с расстояния в десять-двенадцать миллиардов световых лет видно плохо. А разглядеть подряд несколько десятков квазаров с таких расстояний - занятие вообще муторное. А что ярче квазара? Гамма-всплески, ярчайшие кратковременные вспышки, вернее, узконаправленные выбросы вещества, возникающие при взрыве быстровращающихся очень массивных звезд или при слиянии нейтронных звезд. Если луч выброса (джет) направлен прямо на нас, его вообще-то, можно увидеть (в гамма-диапазоне) с любого расстояния и из любого конца наблюдаемой Вселенной. Правда, определить расстояние до гамма-всплеска удается не всегда (это - если говорить очень мягко, вообще же определение расстояния до гамма-всплеска - это редкая удача), зато расположение их определяется с большой точностью.
И вот в ноябре 2013 года статистический анализ распределения гамма-всплесков на небе навел на мысль о том, что в созвездиях Геркулес - Северная Корона плотность гамма-всплесков, а стало быть, и расположения галактик, статистически повышена, причем размер области, в которых эта плотность повышена по сравнению с остальным небом, размахивается на десять миллиардов световых лет. Точнее говоря, 10х7,2 миллиарда световых лет (!).
Гипотетический монстр получил сначала название Великой стены Геркулес - Северная Корона и сразу же задал удивительное количество вопросов. Мало того, что он своими размерами не соответствует ни теории, ни наблюдениям за неоднородностями реликтового фона. Интересно еще и то, что видим мы его в тот момент, когда Вселенной было 3,9 миллиарда лет - при этом в такое время область размером 10 миллиардов световых лет просто не могла сформироваться закономерным образом, потому что ее крайние точки еще не были причинно связаны (не "видели" друг друга - ведь свет от каждой из них мог распространиться всего лишь на 3,9 миллиарда световых лет).

4. Проведенные уже в 2015 году исследования показали, что с учетом всех известных факторов вероятность случайного распределения гамма-всплесков таким несимметричным образом весьма низка. То есть, списать полученный результат на статистическую флуктуацию достаточно сложно.
Заодно, в связи с тем, что это образование выходит за пределы созвездий и Геркулеса, и Северной Короны, для него предложено труднопереводимое название NQ2-NQ4 GRB overdensity (область повышенной плотности гамма-всплесков в квадрантах NQ2-NQ4) или, точнее и со средневековой пышностью, "unnamed galaxy supercluster corresponding to the NQ2-NQ4 GRB overdensity".
При этом вскоре после выхода первой работы, посвященной обнаружению пресловутого NQ2-NQ4 GRBO, был опубликован очередной результат изучения реликтового фона с большей точностью. Неоднородностей подобного масштаба в нем никак не обнаруживается.
Конечно, эта структура могла бы быть случайным объединением нескольких гиперскоплений (случайным наложением нескольких ранних акустических волн) - но это выглядит не слишком вероятным.
А уже в июле 2015 года еще одна группа исследователей сообщила, что по данным наблюдений распределения все тех же гамма-всплесков, между z=0,78 и z=0,86 расположена еще одна суперструктура повышенной плотности диаметром более пяти с половиной миллиардов световых лет. Структура, якобы, имеет интригующую кольцеобразную форму (собственно, кольцо слегка сплющено и занимает на небе площадь 43 на 30 градусов).

На фоне категорических утверждений о том, что изучение реликтового фона подобных сверхкрупных структур просто "не видит", начался поиск возможных причин. Одну из них начали искать в теории струн - в принципе, наблюдаемые объекты чрезмерно большого размера могут быть разъевшимися струнами, (теми самыми, из которых, согласно теории струн, "состоит все"), которые вместо микроскопических размеров приобрели космический масштаб (теория это разрешает) и своей гравитацией притянули к себе и видимую, и темную материю.

5. А тем временем парад гигантов продолжился. Уже осенью 2017 года появились подозрения, что в направлении созвездия Эридана буквально у нас под боком (примерно в трех миллиардов световых лет) находится войд колоссального размера - диаметром около 1,8 миллиарда световых лет (про войды - см. предыдущий пост) - тоже неприлично большой. Собственно, обнаруживается он как холодное пятно в реликтовом излучении, но то, что это огромное (пять угловых градусов, при том, что, напомню, видимый угловой размер акустических колебаний в плазме времен формирования реликтового излучения - один градус) холодное пятно в реликтовом фоне обязано своим появлением именно войду необъяснимо гигантских размеров, требует доказательства. Ибо существуют альтернативные версии - вплоть до самых экзотических, таких как отпечаток древнего взаимодействия с одной из параллельных Вселенных или остаток топологического дефекта нашего мира, проявлявшегося в раннюю эпоху (космическая текстура).
Впрочем, чем дальше, тем больше находится подтверждений тому, что речь идет именно о колоссальном супервойде.
А вот войд такой величины на разъевшиеся реликтовые струны космологического размера списать уже проблематично... Хотя и это кто-то может попробовать.

6. При всем этом в конце прошлого года наконец появились уточненные данные исследования реликтового излучения. Угловое распределение неоднородностей фона упорно и бесстрастно подтвердило предыдущие результаты. Угловой размер неоднородностей по небу - примерно один градус, что соответствует максимальной современной длине элементов крупномасштабной структуры 1,2 миллиарда световых лет. И не более.

7. Примерно в это же время появились данные по распределению межгалактического газа.
Дело в том, что наблюдения дальних блазаров и распределенного рентгеновского излучения подтверждают, что примерно половина видимой (барионной) материи Вселенной не сосредоточена в наблюдаемых галактиках, а рассеяна в виде горячего межгалактического газа.
Значительная часть этого вещества (процентов десять как минимум от общего количества барионной материи Вселенной) распределена в виде огромных нитей, совпадающих с нитями (филаментами) видимой крупномасштабной структуры. Преимущественно, эти нити составляет теплый (порядок величины температуры - от ста тысяч до нескольких миллионов) газ, который может аккрецировать на галактики (и это делает), подпитывая их рост.
И обнаружилось, что если распределение консолидированной барионной материи (галактик) подчас может показать не укладывающуюся в теорию неоднородность ( те же HLQG+CCLQG и NQ2-NQ4 GRBO), наблюдения филаментов теплого межгалактического газа показали его однородное распределение в прекрасном согласии с теорией - и полное отсутствие в нем структур чрезмерного, не укладывающегося в модели размера.

8. Вишенкой на тортике явилось очередное и крупное исследование распределения галактик на небе. Весьма крупное - в выборке было представлено более 1,3 миллиона галактик на площади 1318 квадратных градусов на красных смещениях от z=0,6 до z=1, то есть, на расстояниях примерно от 5,5 до 8 миллиардов световых лет. И показало оно полное соответствие наблюдаемых фактов теоретической модели - со всеми ее ее параметрами барионных акустических колебаний, плоской Вселенной и с подтверждением количества темной материи. И, разумеется, со всеми ограничениями на размеры элементов крупномасштабной структуры.

9. В 2019 году опять и с большой точностью было подтверждено отсутствие неоднородностей реликтового излучения на масштабах, больших углового градуса. Причем, подтверждено по всему небу.
То есть, этим подтверждено, что в момент рекомбинации, спустя 380 тысяч лет после рождения Вселенной, в барионной материи не было вариаций плотности с размером, большим стандартного размера будущего большого гиперскопления (которые бы к нашему времени могли бы достичь диаметра 1,2 миллиарда световых лет). См. главу 8 данного детектива.
Таким образом, наблюдаемые HLQG+CCLQG и NQ2-NQ4 GRBO продолжают оставаться необъяснимыми. Зато представления о формировании Вселенной получили новое подтверждение.

В общем, понимайте как хотите...

Детектив о квантованности пространства (и немного - о теории струн)

Собственно, начать разговор можно издалека.

Беда практически всех разумных теорий, посвященных устройству нашего мира, заключается в том, что они никак не могут описать процессы, происходящие на очень малых расстояниях.
Примерная аналогия, позволяющая понять, отчего это происходит - это, например, попытка разобраться с гравитацией, создаваемой какой-нибудь крошечной частицей. Напряженность гравитационного поля и, значит, сила притяжения, создаваемая этой частицей, обратно пропорциональны квадрату расстояния до источника притяжения, то есть, до самой частицы. Это мы все знаем со школьных времен - спасибо сэру Айзеку Ньютону. Соответственно, если расстояние до источника очень мало, то сила очень велика. Это понятно. А если расстояние очень-очень мало? А если оно равно нулю? Какая сила собственного притяжения действует на сам притягивающий объект? Вот именно. Бесконечная.
Точно так же, например, с электромагнитным полем. Его напряженность тоже растет с уменьшением расстояния по закону обратных квадратов. Какая напряженность поля на поверхности бесконечно малого электрона? Вот именно. Бесконечная.
И энергия у него, стало быть, бесконечная, и масса... Нехорошо...
Можно, конечно, попробовать сказать, что вовсе он не точечный, этот электрон, но тогда возникнут еще большие проблемы - а какой? Однородно размазанный по кусочку пространства? А что именно размазано? Какого размера, формы, почему у всех электронов размазано одинаково? А фотон тоже размазанный? И какого он размера? И почему? И вообще, если он размазанный, так может и все пространство состоит не из точек, а из размазанных кусочков?
А вот эта мысль очень проста и красива. Сформулировать ее можно так: пространство в нашем мире состоит из «кусочков» некоторого минимального размера («квантовано»), координаты любого тела являются не непрерывными, а дискретными, и есть на свете некая фундаментальная длина, меньше которой в природе просто «не бывает».
В принципе, к этой мысли привыкли, она приводит к очень удобным для любых теоретических исследований последствиям, причем величина этой самой фундаментальной длины вполне легко может быть определена из соображений простоты и красоты физических теорий. Это - так называемая планковская длина, равная примерно 1,6 на десять в минус тридцать пятой метра.
Так что наше пространство, которое на больших расстояниях - от миллиардных долей триллионных долей триллионных долей метра до миллиардов световых лет - выглядит таким однородным, на очень малых расстояниях должно быть вовсе не однородным и непрерывным, а словно бы разбитым на ячейки некоего минимального размера.
Когда же в дело пошла теория струн - та самая теория, по которой "все на свете" состоит из ничтожно малых струн) - квантованность пространства перешла из разряда красивой и удобной идеи в разряд практически обязательного для этой теории атрибута. Как, впрочем, она очень полезна и теориям квантовой гравитации. Если вдруг пространство окажется непрерывным - последствия для столь популярной в современной физике теории будут близкими к фатальным.

Беда только в том, что до последнего времени проверить какие-нибудь практические последствия красивой идеи о квантованности пространства было невозможно. Причина этого проста: чем меньше расстояния, на которых происходит какой-то процесс, тем большие энергии надо прикладывать для его изучения (опять же, аналогия. Если мы хотим изучать процессы, происходящие на расстояниях порядка километров, нам достаточно посмотреть на них, осветив радиоволнами длиной в метры или даже сотни метров, то есть, имеющими низкую энергию. Если же процессы происходят на расстояниях порядка метров, то эти волны их просто не увидят, и нужно использовать волны больших энергий, например, сантиметровые. Если процессы происходят на расстояниях порядка долей миллиметра, нужно использовать видимый свет. А если мы хотим рассмотреть молекулу, которая сама по себе меньше длины волны света, нужно использовать волны высоких энергий, например, рентгеновское излучение. То есть, чем меньше расстояние, характерное для процесса, тем больше энергии нужно использовать, чтобы этот процесс рассмотреть и изучить).
Так вот, в данном случае загвоздка в том, что для того, чтобы рассматривать расстояния порядка планковской длины, нужны умопомрачительно высокие энергии. Тот самый большой адронный коллайдер, перепугавший изрядное количество слабонервных представителей человечества, работает с энергиями в миллиарды миллиардов раз меньшими (и расстояниями, в миллиарды миллиардов раз большими). А представить себе размеры и стоимость машины, которая могла бы проводить эксперименты с такими энергиями, которые нужны для проверки квантования пространства, трудно - не хватает воображения. Такой коллайдер должен быть сравним по размерам с Галактикой.
Так что теория попала в ряд экспериментально непроверямых. Проверять ее, казалось бы, нужно сугубо теоретически.

А потом возникли соображения. Ну, хорошо, эксперимент поставить невозможно: но может, помогут наблюдения природных процессов?
В принципе, казалось бы, какие наблюдения, какие процессы? В природе в настоящее время (не в первые мгновения после Большого взрыва, когда энергия и ее плотность были непредставимо велики, а в наши куда более скромные и тихие времена) процессов, для которых характерны энергии требуемого масштаба, и в помине нет. За что, замечу, нашим временам отдельное спасибо.
Но, к счастью, там где не хватает качества, можно взять количеством. Не хватает энергии - берем расстоянием.
Чтобы пояснить эту туманную мысль, продолжим аналогию с радиоволнами. Представим себе, что у нас в руках есть только радиоволны длиной в десятки тысяч километров - а мы хотим обнаруживать объекты размерами порядка десятков метров. Например, вражьи самолеты. Казалось бы, ничего у нас не выгорит - волна такой длины самолета просто "не заметит". Но все не так грустно. Конечно, одного самолета не заметит - но если их много? Очень много? Скажем, на своем пути радиоволна встречает миллиарды самолетов? Понемножку, помаленьку - но что-то в ней изменится.
Скажем просто: возьмем поляризованную волну длиной в сто тысяч километров, запустим в пространство, полное самолетов, и проверим, что с ней стало через миллиард километров. Или через триллион. А лучше - через миллион световых лет. И увидим, что поляризация волны немного изменилась. В результате увидеть конкретный самолет не удастся - но узнать, что на своем пути она встретила множество самолетов, получится.
А если, скажем, мы не знаем конкретную характеристику волны, которая была испущена? И это не беда: если одновременно по пространству из одной точки было выпущено две поляризованных волны разных частот, а мы знаем о них только то, что они были поляризованы и на каком расстоянии от нас их испустили, мы все равно можем убедиться в том, что в пространстве есть самолеты и даже оценить их количество и размеры - ведь изменения поляризации будут в таком случае зависеть от длины волны (то есть, волны длиной в сто тысяч километров и в десять тысяч километров будут взаимодействовать с самолетами по-разному, и сравнив поляризацию этих двух волн, мы сможем что-то узнать о количестве и размере самолетов, которые они встретили на своем пути).

А вот теперь подумаем. В мире есть процесс, в ходе которого одновременно испускается огромное множество фотонов разных длин волн - это гамма-всплеск, о котором я упоминал. Его яркость колоссальна, так что если узкий джет, испущенный в течение нескольких секунд, был направлен прямо на нас, мы увидим гамма-излучение с любого расстояния.

Кстати, о яркости гамма-всплесков. Иногда гамма-лучи всплеска, проходя через газ, сброшенный звездой перед взрывом, заставляют его светиться. Это - так называемое оптического послесвечение (afterglow) гамма-всплеска. И о яркости его может свидетельствовать следующий факт: оптическое послесвечение гамма-всплеска GRB 080319B имело яркость, которая в два с половиной миллиона раз превосходила светимость самой яркой из наблюдавшихся сверхновых, и могло наблюдаться невооруженным глазом. При этом сам гамма-всплеск произошел на расстоянии семь с половиной миллиардов световых лет.
Вдумайтесь. Семь с половиной миллиардов световых лет - и вспышка, которую можно было увидеть невооруженным глазом. Самая далекая из наблюдаемых невооруженным глазом галактик - в тысячи раз ближе. И это - лишь ничтожная доля энергии гамма-всплеска, израсходованная на оптическое свечение.

Стоит заметить важное обстоятельство: при длинном гамма-всплеске (происходящем при взрыве быстровращающейся звезды-гипергиганта) фотоны поляризованы - это связано с колоссальной величиной магнитных полей, характерных для коллапса гипергиганта. При этом фотоны гамма-всплеска проходят колоссальные расстояния - миллиарды световых лет - и хотя их длина волны многократно превосходит планковскую длину (или, скажем так, ожидаемый характерный размер квантованности пространства), на таком колоссальном расстоянии эффект рассеяния гамма-квантов на "ячейках" пространства должен сказаться, и наблюдения поляризации гамма-квантов одного гамма-всплеска с разными длинами волн могут дать информацию о характере и размерах квантования пространства.

Конечно, при наблюдениях гамма-всплесков далеко не всегда удача улыбается так широко - почти никогда не удается одновременно и отловить гамма-кванты разных длин волн, и измерить их поляризацию. Причем, "далеко не всегда" - это очень мягко сказано. Но все же, гамма-всплески наблюдаются в большом количестве (рекорд - четыре в сутки), так что статистика набирается.

Пока это все - теория вопроса. Перейдем к практике.

1. В конце 2004 года произошел очень яркий гамма-всплеск GRB 041219A. В самом событии не было ничего особенного - если не считать того, что наконец-то спектр, характер и поляризацию пришедших гамма-квантов удалось измерить очень точно. Ну, и дополнительное условие тоже было выполнено: по красному смещению оптического послесвечения удалось измерить расстояние до гамма-всплеска, которое было равным примерно тремстам миллионам световым годам. А потом начали считать...
Повторюсь, гамма-лучи этого всплеска путешествовали по пространству триста миллионов световых лет, и, понемножку рассеиваясь на ничтожно малых неоднородностях пространства, должны были бы более или менее заметно набрать отклонения от первоначальной поляризации. А оказалось, что в этом мире все непросто - фотоны не заметили никакой неоднородности пространства.

Обидно... хотели оценить размеры «ячейки пространства» - а оказалось, что в пространстве вообще нет никаких «ячеек» И самое обидное - результаты расчетов. По оценкам, заметить с помощью GRB 041219A можно было бы неоднородность пространства, в триллион раз меньшую упомянутой выше планковской длины - десять в минус сорок восьмой степени метра. А ее не было видно.
Конечно, это не конец идеи - но даже если пространство все же квантовано, уяснить, как и почему характерный размер квантованности пространства должен быть столь мал (минимум, на двенадцать порядков уступать ожидаемому) с точки зрения любой теории уже весьма и весьма непросто. Словом, как говорил, кажется, Хаксли, прекрасную теорию убили безобразным фактом...

2. Разумеется, дело этим не закончилось. Следующая проверка состоялась при наблюдениях гамма-всплеска GRB 090510A, происшедшего на расстоянии, куда большем предыдущего случая, примерно семь миллиардов световых лет.
Угадайте результат. Правильно - проверка, разумеется, вновь точно так же не подтвердила квантованности пространства на масштабах, на несколько порядков меньших планковской длины. Почему "разумеется?" Потому что а чего еще ожидать - если уж во Вселенной какую-то вещь можно устроить так, чтобы этот мир было труднее понять, она обязательно будет именно так устроена.

Этим дело не закончилось - но дальше перечислять гамма-всплески, при которых наблюдения поляризации гамма-квантов различных частот не подтвердили квантованности пространства, уже не имеет смысла.

3. Впрочем, нет худа без добра. Конечно, наблюдения GRB 041219A, GRB 090510A, да и последующих, заставили серьезно призадуматься и над квантовой гравитацией, и над теорией струн, которым квантованность пространства так необходима. Зато с другой стороны, они абсолютно однозначно подтвердили, что фотоны распространяются со скоростью света независимо от энергии, причем с колоссальной точностью - в случае GRB 090510A семь миллиардов лет два фотона совершенно различных энергий летели во Вселенной абсолютно синхронно. А это - очередная фига в нос всяческим ниспровергателям и подтверждение фундаментального характера теории относительности.

Детектив о массе нейтрино

В течение десятилетий после того, как была открыта эта удивительная частица, практически не взаимодействующая с веществом, считалось, что нейтрино не имеет массы покоя и может двигаться исключительно со скоростью света.
На это мнение все имели полное право. В первую очередь, потому что в лабораторных исследованиях нейтрино действительно распространялись со скоростью света (в пределах ошибки измерений). Соответственно, отсюда следовало, что масса покоя нейтрино равна нулю (в пределах все той же ошибки измерений) - ибо только в таком случае частица может двигаться со скоростью света.
Разумеется, всегда оставались сомнения, и скептики и маловеры указывали на вероятность того, что точность измерений недостаточна - и масса покоя нейтрино не равна нулю, а просто очень мала (в тысячи раз, мол, меньше массы самой легкой частицы - электрона), и их скорость поэтому-де не равна скорости света, а просто очень к ней близка.
Поверить в эти сказки было трудно, а опровергнуть - нечем. Оставалось терпеть сомнения.

1. Сомнения практически рассеялись 23 февраля 1987 года. Событие, происшедшее в тот день, началось давно.
Когда-то, примерно сто девяносто тысяч лет назад, в Большом Магеллановом Облаке на расстоянии около ста семидесяти тысяч световых лет от нас два гиганта тесной двойной пары - один массой в пятнадцать солнечных, другой в пять - слились в единое целое. Это относительно редкое событие осталось незамеченным - свет от него достиг Земли за двадцать тысяч лет до изобретения телескопа.
После слияния образовавшаяся звезда сбросила внешнюю оболочку двух звезд-предшественниц, имевшую форму восьмерки, в результате чего вокруг вновь образованной единой звезды возникло облако интересной формы - два деформированных шара с перетяжкой.
Жить полученной звезде оставалось недолго. Всего лишь двадцать тысяч лет. И еще около ста семидесяти тысяч лет - чтобы свет от происходящих с ней событий добрался до нас. Так что все происходившее человечество видело с опозданием.

23 февраля 1987 года в два часа пятьдесят две минуты пять нейтрино, зарегистрированные нейтринной обсерваторией в туннеле под Монбланом, возвестили о том, что где-то во Вселенной наблюдается грандиозная нейтринная вспышка URCA-процесса - процесса излучения колоссального количества нейтрино теряющим устойчивость и коллапсирующим ядром массивной звезды, предвестника (прекурсора) взрыва сверхновой. Через два с половиной часа еще три нейтринные обсерватории зафиксировали резкий нейтринный всплеск основной стадии коллапса (24 нейтрино, зарегистрированные за тринадцать секунд), источник которого ориентировочно наблюдался в Большом Магеллановом облаке.
Через три часа после начала коллапса чудовищная ударная волна докатилась до поверхности звезды - и в десять тридцать пять люди увидели и начали фиксировать на телескопах все стадии самой яркой вспышки сверхновой, наблюдавшейся с момента изобретения телескопа.
А потом начались расчеты. Модель процессов взрыва сверхновой типа II известна, и разность времени между URCA-процессом и началом видимой вспышки - тоже. И разность времен между регистрацией нейтрино и видимой стадии укладывалась в модель - расхождение не могло быть более получаса.
Вдумаемся. Если скорость нейтрино ниже скорости света, то почти за 170 тысяч лет нейтрино в этом наблюдении отстали от света не более,чем на полчаса. То есть, минимальная скорость, с которой могли распространяться нейтрино, составляла 0,99999985 скорости света, что означало, что масса нейтрино не может быть больше 0,00005 массы самой легкой известной частицы - электрона.
Если это - не скорость света и не нулевая масса, то что же?
Таким образом, вывод был вполне естественным - нейтрино не имеют массы покоя и поэтому двигаются со скоростью света.

2. А дальше пошло хуже.
Известно, что нейтрино бывают разными - известно и, как правило, предполагается (но формально пока не доказано), что их существует три "сорта", именуемых ароматами или поколениями, или флейворами (по крайней мере, нынче три флейвора найдены и из космологических соображений практически невозможно существование других). Они именуются электронные, мюонные и тау-нейтрино. И соответствующие им электронные, мюонные и тау-антинейтрино. Тождественны ли нейтрино и антинейтрино друг другу - это пока неизвестно, но возможно.
Небольшое примечание: при чем тут космологические соображения? Дело в том, что количество реально существующих типов нейтрино теоретически влияет на особенности углового распределения регулярных неоднородностей реликтового фона (помните, недавно я их упоминал? - тех самых неоднородностей, изучая которые, можно изучать акустические волны на поверхности последнего рассеяния и измерять кривизну Вселенной).
По уточненным данным этого изучения количество типов нейтрино действительно равно 3,26±0,35 (интервал ±5σ) - то есть, скорее всего, все существующие типы нейтрино уже открыты.
И еще одно небольшое примечание. Недавно упоминавшиеся мной и, возможно, входящие в состав темной материи стерильные нейтрино в счет флейворов не входят: они все же - иное дело.

Из весьма общих представлений предполагается, что каждому из лептонов - электрону, мюону и тау-лептону - соответствует свой тип нейтрино, а количество сортов нейтрино и остальных лептонов в сумме должно быть равно количеству сортов ("ароматов", флейворов) кварков.

И в конце концов, было экспериментально доказано, что эти три поколения нейтрино умеют "превращаться один в другой" (теоретически, замечу, такая возможность была предсказана более полувека назад). То есть, если говорить очень упрощенно, электронное нейтрино в ходе своей жизни превращается случайным образом то в мюонное, то в тау, то опять в электронное. Если же говорить чуть более строго, это означает, что любое реальное нейтрино, будучи единым в сущности объектом, в любой момент времени представляет собой смесь трех состояний, а каким именно стать, оно выбирает лишь в момент наблюдения (примерно тем же способом, каким несчастная кошка Шредингера в момент наблюдения выбирает, жить ей или умереть полчаса назад, а электрон в известном опыте - через какую дырку ему пролететь, когда за ним наблюдают - если же не наблюдают, он является смесью двух состояний, одно из которых пролетело через одну дырку, другое - через другую).

Но это - еще не все. Теория гласит, что для подобных превращений ("нейтринных осцилляций") необходимо, чтобы нейтрино имело массу покоя. Более того, масса покоя каждого из поколений нейтрино должна быть различной, поскольку, условно говоря, скорость происходящих осцилляций определяется разностью квадратов масс каждого состояния, и если массы поколений равны, осцилляции не происходят.
Это было неожиданно. Мягко говоря. Очень мягко. Ибо теория - это хороша, но что делать со сверхновой SN1987A в Большом Магеллановом облаке? Привыкать к мысли, что есть частица с массой, меньшей 0,00005 массы электрона?

3. А дальше в дело вступила космология. Она указала, что, если нейтрино имеет массу покоя, эта масса на ранних порах жизни Вселенной (а именно, в первую секунду) существенно влияет на распространение пресловутых акустических колебаний в плазме, а следовательно, на характер распределения крупномасштабных неоднородностей в веществе нашего мира и крупномасштабную структуру Вселенной. Изучение крупномасштабной структуры и неоднородности реликтового излучения позволяет не только определить количество существующих типов нейтрино, но и рассчитать верхний предел суммы масс всех поколений нейтрино, сколько бы их не было - три, четыре или больше, поскольку при большей массе нейтрино бы заметно исказили наблюдаемую картину. И вот оказывается, что такая оценка дает информацию о том, что сумма масс всех поколений нейтрино не может превышать 0,0000005 массы электрона.
Это уже ошеломляет. Каким образом частицы ухитряются приобрести массу, более или менее понятно - но столь малая масса частицы уже укладывается в голове с трудом. Но, хотим мы, или не хотим - при этом эксперименты все же упорно показывают, что в рамках существующих физических представлений масса покоя у всех типов нейтрино все же есть - ну, хоть какая-нибудь.

4. А пока все ошеломлялись, последовало следующее откровение. Изучение распределения галактик в 7143 галактических скоплениях (собственно, высокоточное измерение параметров тех самых древних барионных акустических колебаний, которые сформировали эти скопления) позволило не только уточнить ограничение сверху на суммарную массу поколений нейтрино, но и установить ограничение на эту суммарную массу снизу.
Результат оказался вполне согласующийся со всеми предыдущими - 0,11±0,03 эВ. Иными словами, 0,00000022 массы электрона.
В общем, все стало понятным, кроме одного: как и почему частица может иметь такую малую массу...

Интересно...

Проведено прямое измерение возраста шарового звездного скопления нашей Галактики NGC6397, расположенного в гало Млечного пути, в 7800 световых годах от нас.
Результат, в принципе, предсказуемый - но тем не менее, интересный: 12,6±0,7 миллиарда лет. Примерно, 1,2 миллиарда лет от образования Вселенной. Практически, ровесник нашей Галактики (и старше ее основных структурных элементов).
Новое напоминание о том, что галактики и шаровые скопления, в принципе, формировались если не всегда одновременно, то по крайней мере, более или менее независимо. То есть, те гигантские плотные газовые облака, которые формировали древнейшие гигантские области звездообразования, давшие начало суперкластерам https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/54495.html, впоследствии эволюционировавшим в шаровые скопления, могли не входить в первично образовывавшиеся галактики и ассоциироваться в их гало уже в более позднее время.
Разумеется, гравитационная связь зародышей галактик и формировавшихся шаровых скоплений образовывалась массой темного гало - скопления темной материи, вокруг которого "собиралась" галактика.

Перечень наград

Орден Одержания и Одоления III степени с респектом и исполатью.
Орден «За непорочные услуги» с бантиками.
Орден Орала IV степени с мечом.
Медаль «За безопасную службу»

Чушик

Утро админа на станции дальней космической связи началось со стандартной процедуры - просмотра пришедшей за ночь корреспонденции и отправки в корзину явного спама: двух приглашений на коммерческие семинары, рекламы от фирмы, специализирующейся на лечении ПМС-синдрома юных звезд на стадии Хаяси, https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/74535.html, информации о новом средстве для увеличения тентаклей и трех посланий от очередных недоразвитых цивилизаций, как обычно, начинающихся одними и теми же словами: "Жители Галактики! Мы, жители планеты (следует название) обращаемся к вам с приветом и миром!"