Что является причиной наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной (фаза де Ситтера)? Почему плотность энергии тёмной компоненты энергии — величина того же порядка, что и плотность вещества в настоящее время, тогда как эти два феномена с течением времени развивались совершенно по-разному? Может быть, это потому, что мы ведём наблюдения в нужное время? Является ли тёмная энергия космологической константой, или же она является динамическим полем — некой квинтэссенцией, такой как фантомная энергия?
Что такое тёмная материя?[4][1] Связана ли она с суперсимметрией? Связан ли феномен тёмной материи с той или иной формой материи, или это на самом деле является расширением гравитации?
Логарифмичесие графики показывают плотность темной энергии и плотность темной материи по горизонтали отложен временной фактор . Две прямые линии пересекаются в текущей эпохе.[5]
Почему удалённая от нас часть Вселенной так однородна, тогда как теория Большого взрыва предсказывает измеримую анизотропию небесной сферы больше, чем она наблюдается? Возможным подходом к решению являются гипотезы инфляции и переменной скорости света.
Некоторые общие особенности микроволнового излучения неба на расстояниях более 13 миллиардов световых лет, по всей видимости, говорят о наличии как движения, так и ориентации Солнечной системы. Является ли это следствием систематических ошибок обработки, загрязнением результатов локальными эффектами или необъяснимым нарушением принципа Коперника?
Что такое 3-многообразие сопутствующего пространства, то есть сопутствующее пространственное сечение Вселенной, неофициально называемое «формой» Вселенной? Ни её кривизна, ни топология в настоящее время неизвестны, хотя кривизна скорее всего «близка» к нулю на наблюдаемых масштабах. Гипотеза космической инфляции предполагает, что форма Вселенной может быть неизмеримой, но с 2003 года команда Жана-Пьера Люмине и другие группы полагают, что Вселенная может иметь форму додекаэдрического пространства Пуанкаре. Является ли форма Вселенной неизмеримой, представляет собой пространство Пуанкаре или имеет другое 3-многообразие?
Какие из гипотетических частиц, предсказываемых суперсимметричной теорией и другими известными теориями, на самом деле существуют в природе?
Астрономия и астрофизика
Струи аккреционных дисков
Почему некоторые астрономические объекты, окружённые аккреционным диском, такие как активные ядра галактик, испускают релятивистские струи, излучаемые вдоль полярной оси? Почему у многих аккреционных дисков существуют квази-периодические колебания? Почему период этих колебаний имеет масштаб, обратно пропорциональный массе центрального объекта? Почему иногда существуют обертоны, и почему у разных объектов обертоны имеют различные соотношения частоты?
Почему солнечная корона (атмосферный слой Солнца) намного горячее, чем поверхность Солнца? Почему магнитное пересоединение совершается на много порядков быстрее, чем предсказывают стандартные модели?
Проблема вращения галактик: Является ли тёмная материя ответственной за различия в наблюдаемых и теоретических скоростях вращения звёзд вокруг центра галактик, или же причина в чём-то ином?
Почему некоторые космические лучи обладают невероятно высокой энергией (так называемые частицы OMG), учитывая, что вблизи Земли нет источников космических лучей с такой энергией? Почему некоторые космические лучи, испускаемые далёкими источниками, имеют энергию выше предела Грайзена-Зацепина-Кузьмина?[15][16]
Замедление времени пульсара
Почему выбросы пульсаров на больших космологических расстояниях не проявляют предсказанное свойство замедления времени?
Почему магнитосфера Сатурна проявляет (медленно меняющуюся) периодичность, близкую к той, на которой вращаются облака планеты? Какова истинная скорость вращения глубоких внутренних слоёв Сатурна?[17]
Детектирование гравитационных волн и создание на этой основе гравитационно-волновой астрономии[18][19].
Проверка закона всемирного тяготения Ньютона на расстояниях, меньших 55 мкм, с целью проверки гипотезы о существовании добавочных пространственных измерений[20]
Кольца Сатурна: Почему они плоские и тонкие?[22]
До сих пор нет точного решения многих частных проблем космогонии: как сформировалась Луна, как образовались кольца вокруг планет-гигантов, почему Венера вращается очень медленно и в обратном по отношению к другим планетам направлении и др.
Нет общепринятого решения главной проблемы: как возникла Солнечная система? Вряд ли она будет решена до тех пор, пока не изучим аналогичные планетные системы у других звезд.
В звездной астрономии:
Не существует детальной модели Солнца, способной точно объяснить все его наблюдаемые свойства, в частности поток нейтрино из ядра➤.
Нет детальной физической теории некоторых проявлений звездной активности. Не до конца ясна причина взрыва сверхновых звезд. Не совсем понятно, почему из окрестностей некоторых звезд выбрасываются узкие струйки газа. Особенно загадочным являются короткие вспышки гамма-излучения, регулярно регистрируемые в различных направлениях на небе. Не ясно даже, связаны они со звездами или с иными объектами и на каком расстоянии от нас эти объекты находятся.
Теоретические проблемы астрономии Солнца
Проблема солнечных нейтрино
Ядерные реакции, происходящие в ядре Солнца, приводят к образованию большого количества электронных нейтрино. При этом измерения потока нейтрино на Земле, которые постоянно производятся с конца 1960-х годов, показали, что количество регистрируемых солнечных электронных нейтрино приблизительно в два-три раза меньше, чем предсказывает стандартная солнечная модель, описывающая процессы в Солнце. Это рассогласование между экспериментом и теорией получило название «проблема солнечных нейтрино» и более 30 лет было одной из загадок солнечной физики. Положение осложняется тем, что нейтрино крайне слабо взаимодействует с веществом, и создание нейтринного детектора, который способен достаточно точно измерить поток нейтрино даже такой мощности, как исходящий от Солнца — технически сложная и дорогостоящая задача (см. Нейтринная астрономия).
Предлагалось два главных пути решения проблемы солнечных нейтрино. Во-первых, можно было модифицировать модель Солнца таким образом, чтобы уменьшить предполагаемую термоядерную активность (а, значит, и температуру) в его ядре и, следовательно, поток излучаемых Солнцем нейтрино. Во-вторых, можно было предположить, что часть электронных нейтрино, излучаемых ядром Солнца, при движении к Земле превращается в нерегистрируемые обычными детекторами нейтрино других поколений (мюонные и тау-нейтрино)[23]. Сегодня понятно, что правильным, скорее всего, является второй путь.
Для того, чтобы имел место переход одного сорта нейтрино в другой — то есть происходили так называемые нейтринные осцилляции — нейтрино должно иметь отличную от нуля массу. В настоящее время установлено, что это действительно так[24]. В 2001 году в шаблон не поддерживает такой синтаксис были непосредственно зарегистрированы солнечные нейтрино всех трёх сортов, и было показано, что их полный поток согласуется со стандартной солнечной моделью. При этом только около трети долетающих до Земли нейтрино оказывается электронными. Это количество согласуется с теорией, которая предсказывает переход электронных нейтрино в нейтрино другого поколения как в вакууме (собственно «нейтринные осцилляции»), так и в солнечном веществе («эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна»). Таким образом, в настоящее время проблема солнечных нейтрино, по-видимому, решена.
Проблема нагрева короны
Над видимой поверхностью Солнца (фотосферой), имеющей температуру около 6000 К, находится солнечная корона с температурой более 1 000 000 К. Можно показать, что прямого потока тепла из фотосферы недостаточно для того, чтобы привести к такой высокой температуре короны.
Предполагается, что энергия для нагрева короны поставляется турбулентными движениями подфотосферной конвективной зоны. При этом для переноса энергии в корону предложено два механизма. Во-первых, это волновое нагревание — звук и магнитогидродинамическиеволны, генерируемые в турбулентной конвективной зоне, распространяются в корону и там рассеиваются, при этом их энергия переходит в тепловую энергию корональной плазмы. Альтернативный механизм — магнитное нагревание, при котором магнитная энергия, непрерывно генерируемая фотосферными движениями, высвобождается путём пересоединения магнитного поля в форме больших солнечных вспышек или же большого количества мелких вспышек[25].
В настоящий момент неясно, какой тип волн обеспечивает эффективный механизм нагрева короны. Можно показать, что все волны, кроме магнитогидродинамических альфвеновских, рассеиваются или отражаются до того, как достигнут короны[26], диссипация же альфвеновских волн в короне затруднена. Поэтому современные исследователи сконцентрировали основное внимание на механизм нагревания с помощью солнечных вспышек. Один из возможных кандидатов в источники нагрева короны — непрерывно происходящие мелкомасштабные вспышки[27], хотя окончательная ясность в этом вопросе ещё не достигнута.
В галактической астрономии:
Не решена проблема скрытой массы, состоящая в том, что гравитационное поле Галактики в несколько раз сильнее, чем это может быть обеспечено наблюдаемым в ней веществом.
Нет точного сценария происхождения и эволюции Галактики.
Во внегалактической астрономии:
Не решена проблема скрытой массы в скоплениях галактик.
Нет единой теории формирования галактик.
Не решены основные проблемы космологии: нет законченной физической теории рождения Вселенной и не ясна судьба Вселенной в будущем.
Для решения этих и многих других проблем астрономии необходимы прежде всего новые наблюдения во всем диапазоне электромагнитного спектра, а также регистрацию космических частиц (включая нейтрино) и гравитационных волн. Главная задача астрономов – создание все более совершенных приборов для наблюдения за космическими объектами или для непосредственного их изучения в Солнечной системе.
Одной из проблем является неопределённость в значении постоянной Хаббла и её изотропии. Одна группа исследователей утверждает, что значение постоянной Хаббла флуктуирует на масштабах 10-20°[28]. Возможных причин этому явлению несколько:
Реальный физический эффект — в таком случае космологическая модель должна быть кардинально пересмотрена;
Это также ведет к пересмотру космологической модели, но возможно, не такой значительной[30]. В свою очередь, многие другие обзоры и их теоретическая интерпретация не показывают анизотропии, превышающей локально обусловленную ростом неоднородности, в которую входит и наша Галактика, в изотропной в целом Вселенной[31][32][33][34].
1)Метод определения расстояния по цефеидам и звёздам типа RR Лиры:
Проблема: для цефеид остаётся серьёзной проблемой точное определение нуль-пункта зависимости «период пульсации — светимость». Определение данным методом расстояний сопряжено с рядом трудностей:
Необходимо выделить отдельные звёзды. В пределах Млечного Пути это не составляет особого труда, но чем больше расстояние, тем меньше угол, разделяющий звёзды.
Необходимо учитывать поглощение света пылью и неоднородность её распределения в пространстве.
2)Метод определения расстояния по сверхновым типа Ia:
Обычно, помимо общих для всех фотометрических методов, к недостаткам и открытым проблемам относят[35]:
Проблема К-поправки. Суть этой проблемы состоит в том, что измеряется не боллометрическая интенсивность (интегрированная по всему спектру), а в определенном спектральном диапазоне приемника. Это значит, что для источников, имеющие разные красные смещения, измеряется интенсивность в разных спектральных диапазонах. Для учета этого различия вводится особая поправка, называемая К-поправка.
Форма кривой зависимости расстояния от красного смещения измеряется разнымиобсерваториями на разных инструментах, что порождает проблемы с калибровками потоков и т. п.
Раньше считалось, что все сверхновые Ia — это взрывающиеся белые карлики в тесной двойной системе, где второй компонент это красный гигант. Однако появились свидетельства, что по крайне мере часть из них могут возникать в ходе слияния двух белых карликов, а значит этот подкласс уже не походит для использования в качестве стандартной свечи.
Зависимость светимости сверхновой от химического состава звезды-предшественницы.
3) Метод определения расстояния по красным гигантам
Основная проблема данного метода — выделение красных гигантов из наблюдений звёздного состава галактики. Существует два пути её решения[36]:
Классический — метод выделения края изображений. При этом обычно применяют Собелевский фильтр. Начало провала — искомая точка поворота. Иногда вместо собелевского фильтра в качестве аппроксимирующей функции берут гауссиану, а функция выделения края зависит от фотометрических ошибок наблюдений. Однако, по мере ослабления звезды растут и ошибки метода. В итоге предельно измеряемый блеск на две звездных величины хуже, чем позволяет аппаратура.
Второй путь — построение функции светимости методом максимального правдоподобия. Данный способ основывается на том, что функция светимости ветви красных гигантов хорошо аппроксимируется степенной функцией:
где a — коэффициент, близкий к 0,3, m — наблюдаемая звёздная величина. Основная проблема — расходимость в некоторых случаях рядов, возникающих в результате работы метода максимального правдоподобия[36].
Проблемы теории Большого взрыва
Несмотря на значительные успехи, теория горячей Вселенной сталкивается с рядом трудностей. Если бы Большой взрыв вызвал расширение Вселенной, то в общем случае могло бы возникнуть сильное неоднородное распределение вещества, чего не наблюдается. Теория Большого Взрыва также не объясняет расширение Вселенной, она принимает его как факт[37].
Теория также предполагает, что соотношение числа частиц и античастиц на первоначальной стадии было таким, что дало в результате современное преобладание материи над антиматерией. Можно предположить, что вначале Вселенная была симметрична — материи и антиматерии было одинаковое количество, но тогда чтобы объяснить барионную асимметрию необходим некоторый механизм бариогенеза, который должен приводить к возможности распада протона, чего также не наблюдается[38].
А.В. Засов.,К.А. Постнов. Общая Астрофизика. — Фрязино: Век 2, 2006. — С. 421-432. — 496 с. — ISBN 5-85099-169-7.
Д.С. Горбунов, В.А. Рубаков. Введение в теорию ранней Вселенной: Теория горячего Большого взрыва.. — Москва: ЛКИ, 2008. — С. 45-80. — 552 с. — ISBN 978-5-382-00657-4.
↑Steinardt, Paul (1997), "Cosmological Challenges For the 21st Century", in Val Fitch; et al. (eds.), Critical problems in physics: proceedings of a conference celebrating the 250th anniversary of Princeton University, Princeton, New Jersey: Princeton University Press, pp. 138—140, ISBN978-0-691-05784-2{{citation}}: |title= пропущен или пуст (справка); Явное указание et al. в: |editor-last= (справка)
Makarov, Dmitry; Makarova, Lidia; Rizzi, Luca etc. Tip of the Red Giant Branch Distances. I. Optimization of a Maximum Likelihood Algorithm. — The Astronomical Journal, 2006. — Bibcode: 2006AJ....132.2729M.
Частные дополнения:
Sakai Shoko, Madore Barry F., Freedman Wendy L. Tip of the Red Giant Branch Distances to Galaxies. III. The Dwarf Galaxy Sextans. — Astrophysical Journal, 1996. — Bibcode: 1996ApJ...461..713S.
Lee Myung Gyoon, Freedman Wendy L., Madore Barry F. The Tip of the Red Giant Branch as a Distance Indicator for Resolved Galaxies. — Astrophysical Journal, 1993. — Bibcode: 1993ApJ...417..553L.
↑М. В. Сажин. Современная космология в популярном изложении. — Москва: УРСС, 2002. — С. 104-106. — 240 с. — 2500 экз. — ISBN 5-354-00012-2.
↑М. В. Сажин. Современная космология в популярном изложении. — Москва: УРСС, 2002. — С. 145-148. — 240 с. — 2500 экз. — ISBN 5-354-00012-2.
Не существует детальной модели Солнца, способной точно объяснить все его наблюдаемые свойства, в частности поток нейтрино из ядра. Нет детальной физической теории некоторых проявлений звездной активности. Не до конца ясна причина взрыва сверхновых звезд. Не совсем понятно, почему из окрестностей некоторых звезд выбрасываются узкие струйки газа. Особенно загадочным являются короткие вспышки гамма-излучения, регулярно регистрируемые в различных направлениях на небе. Не ясно даже, связаны они со звездами или с иными объектами, и на каком, расстоянии от нас эти объекты находятся.
Не решена проблема скрытой массы в галактиках и скоплениях галактик. Нет единой теории формирования галактик. Нерешены основные проблемы космологии: нет законченной физической теории рождения Вселенной и не ясна судьба Вселенной в будущем.
