Современные проблемы астрономии 2024. Лекция 1

YOUTUBE · 25.11.2025 05:33

Ключевые темы и таймкоды

Введение в курс

0:00

Курс "Современные проблемы астрономии" с новым преподавателем.
Ольга Касьяновна Сенченко, заместитель директора ГАИШ по научной работе.
Лекция посвящена галактикам на больших красных смещениях.

Галактики на больших красных смещениях

0:30

Галактики на больших красных смещениях - это галактики в прошлом.
Свет от таких галактик идет миллиарды лет.
Примеры: галактики на красном смещении 0.5 наблюдаются 5 миллиардов лет назад, на 1 - 8 миллиардов лет назад.

Самые далекие галактики

2:23

Самые далекие галактики наблюдаются на красном смещении около 10.
Это молодые галактики, менее полумиллиарда лет после Большого взрыва.
Наблюдение таких галактик - это исследование ранних стадий их эволюции.

Теоретические модели

3:04

Лямбда-си модель: доминирует темная материя 30% и темная энергия.
Темная материя холодная и электрически нейтральная, темная энергия компенсирует гравитацию.
Наблюдается барионная материя: ядра водорода, нейтральные атомы водорода, гелий и металлы.

Эволюция Вселенной

4:46

Вселенная была равномерно распределена на ранних этапах.
Гравитация темной материи перераспределяет материю, образуя галактики и скопления.
Сначала образуются маленькие объекты, затем более крупные.

Наблюдения и теории

7:26

Наблюдения далеких галактик на красном смещении больше 6.
Использование гравитационного линзирования для поиска галактик.
Примеры галактик на красном смещении 11, обнаруженных с помощью Хаббла.

Джеймс Веб Телескоп

10:09

Джеймс Веб Телескоп имеет больше зеркала и чувствителен в инфракрасной области.
Преимущества: сбор большего количества света и исследование слабых объектов.
Сравнение с Хабблом и Спитцером по пространственному разрешению.

Пространственное разрешение телескопов

11:54

Пространственное разрешение обратно пропорционально длине волны и диаметру зеркала.
Телескоп Спицер имел маленькое зеркало, что ограничивало его возможности.
Телескоп Джеймс Уэбб с большим зеркалом имеет значительно лучшее пространственное разрешение.

Сравнение телескопов Спицер и Джеймс Уэбб

12:45

Телескоп Джеймс Уэбб позволяет видеть больше слабых объектов благодаря лучшему разрешению.
Это открывает возможности для новых открытий и исследований.

Метод Лайман-Брейк для поиска далеких галактик

13:37

Метод Лайман-Брейк был предложен Чарльзом Стейделем в 1990-х годах.
Галактики на ранних стадиях эволюции имеют характерный спектр с обрывом на 912 ангстремах.
Нейтральный водород в спектре галактик поглощает излучение короче 912 ангстрем.

Применение метода Лайман-Брейк

14:24

Галактики на больших красных смещениях имеют спектр, который поглощает излучение короче 912 ангстрем.
Метод позволяет находить галактики на больших красных смещениях, используя фильтры с разными длинами волн.
Телескоп Джеймс Уэбб имеет набор фильтров для наблюдения в широком диапазоне длин волн.

Первые результаты телескопа Джеймс Уэбб

18:07

Телескоп Джеймс Уэбб имеет два комплекта аппаратуры с фильтрами до 4.5 микрон.
Первые данные телескопа показали кандидатов в галактики на красном смещении 11 и 17.
Межгалактическая среда и нейтральная среда поглощают излучение на промежуточных красных смещениях.

Площадки для наблюдений и результаты

20:48

Телескоп Джеймс Уэбб исследует площадки, ранее исследованные Хабблом и наземными телескопами.
Пространственное разрешение телескопа в три раза лучше, чем у Хаббла.
Первые результаты показали галактики с неожиданно высокими массами, что противоречит современным космологическим моделям.

Проблемы с оценками массы галактик

24:23

Расчет массы галактик по спектру зависит от моделей и параметров.
Начальная функция масс галактик на ранних стадиях эволюции может отличаться от современных моделей.
Ультрафиолетовое излучение позволяет оценить темпы звездообразования, которые также отличаются от предсказаний космологических моделей.

Темпы звездообразования и темная материя

26:32

В космологии доминирует темная материя, а для образования звезд нужен газ.
Газ собирается за счет гравитации темной материи.
Космологи рассчитывают темпы звездообразования, начиная с аккреции темной материи.

Моделирование темной материи

27:25

Темпы аккреции темной материи легко моделируются в космологических симуляциях.
Используется гравитация Ньютона, без релятивистских эффектов.
Космологи уверены в темпах аккреции темной материи на любой стадии эволюции Вселенной.

Проблемы с предсказаниями

28:09

Привязка газа к темной материи в пропорции 1 к 6 вызывает проблемы.
Наблюдаемые темпы звездообразования не соответствуют предсказаниям.
Несогласие в оценках темпов звездообразования является проблемой для лямбда-модели.

Фотометрические красные смещения

29:10

Фотометрические красные смещения вычисляются по девяти фильтрам.
Эти смещения не являются стопроцентно точными.
Спектральное подтверждение красного смещения считается более надежным.

Спектральное подтверждение

31:15

В 2023 году пытались спектрально подтвердить далекие красные смещения.
Многие статьи с громкими заголовками оказались разочаровывающими.
Энтузиазм от заголовков быстро пропадает при детальном анализе спектров.

Спектральные линии и красное смещение

31:58

Для галактик на красном смещении 9 спектрографы Джеймс Уэбб телескопа фиксируют линии, которые легко отождествляются.
При красном смещении более 10 эмиссионные линии уходят за пределы диапазона спектрографа, что затрудняет измерение.
Некоторые исследователи смогли измерить красное смещение для галактик на красном смещении более 10, используя ультрафиолетовые линии дважды организованного углерода.

Интерферометр ALMA

35:26

ALMA в чилийской пустыне Атакама позволяет строить интерферометрические картины с пространственным разрешением в сотые доли секунды.
ALMA не смог подтвердить высокие красные смещения по линиям, но обнаружил континуум от горячей пыли в галактиках на красном смещении более 10.

Джеймс Уэбб телескоп и кандидаты в далекие галактики

38:03

Джеймс Уэбб телескоп зафиксировал сигнал от кандидатов в далекие галактики на длине волны 950 ангстрем.
Это позволило закрыть многие кандидаты в галактики на красном смещении 16-17, подтвердив их как галактики переднего фона.

Спектральные и фотометрические красные смещения

40:48

Спектральные красные смещения хорошо коррелируют с фотометрическими до красного смещения 12-13.
В декабре 2023 года был опубликован первый релиз исследования поля ЦЕРН с Джеймс Уэбб телескопом, включающий 88 галактик с подтвержденными спектральными красными смещениями.

Статистика и предсказания космологических моделей

42:36

Наблюдательная статистика показывает, что ярких галактик на красном смещении 10-12 больше, чем предсказывают космологические модели.
Экстраполяция наблюдаемой функции светимости занижает количество ярких галактик на красном смещении 11-13.

Сравнение космологических моделей

45:32

Космологические модели сопоставляют видимую звездную массу галактик с массой темного гало.
Метод Абадон-Смаченко сравнивает наблюдаемые галактики с темными гало из симуляций.
Статистика показывает, что отношение барионной массы к массе темного гало меньше космического значения.

Эффективность звездообразования

48:24

Звезды образуются неэффективно, и не весь газ превращается в звезды.
Наблюдаемая звездная масса меньше, чем космическая плотность.
Это позволяет предсказывать галактики с определенной звездной массой на разных красных смещениях.

Наблюдательные результаты и модели

49:21

Наблюдаемая статистика галактик на красных смещениях 11-12 выше предсказаний космологической теории.
Модель предполагает постоянную эффективность звездообразования, что может быть неверным.
Возможно, эффективность звездообразования была выше на больших красных смещениях.

Теоретические изменения

52:02

Теоретики начали менять представления о формировании звезд в галактиках.
С января 2023 года вышло множество работ, улучшающих модели эволюции галактик.
Три успешных теоретических подхода позволяют согласовать наблюдения с данными телескопа Джеймс Уэбб.

Идеи Декеля и звездообразование

53:15

Теоретики космологи могут улучшить свои модели на основе статистики.
Ранее считалось, что ультрафиолетовый фон подавляет звездообразование в молодых галактиках.
Нейтральная межгалактическая среда на больших красных смещениях защищает галактики от внешнего ультрафиолетового фона.

Вспышечное звездообразование

56:15

Декель предсказал, что на больших красных смещениях звездообразование происходит вспышками.
Наблюдения показывают, что галактики могут находиться в фазе активного звездообразования, но это не отражает их полную историю.
Вспышечный режим звездообразования помогает согласовать наблюдаемые данные с моделями.

Главная последовательность галактик

58:51

Главная последовательность галактик коррелирует темпы звездообразования с звездной массой.
В ближней вселенной большинство галактик находятся на главной последовательности, что указывает на плавное звездообразование.
Вспышки звездообразования наблюдаются у галактик с высокими темпами звездообразования, но они кратковременны.

Распределение галактик на разных красных смещениях

1:01:18

На красном смещении 5 и выше наблюдается разделение галактик на две группы: с плавным и вспышечным звездообразованием.
Половина галактик на красном смещении 5 и выше имеет вспышечное звездообразование.
Это изменение режима звездообразования требует пересмотра моделей.

Наблюдения с телескопа Джеймс Уэбб

1:03:05

Данные телескопа Джеймс Уэбб показывают, что на красном смещении 9 большинство галактик переходят во вспышечный режим звездообразования.
Вспышечный режим наблюдается у массивных галактик, что противоречит ожиданиям.
Это открытие может помочь улучшить модели звездообразования в будущем.

Гигантские эллиптические галактики

1:06:52

Гигантские эллиптические галактики имеют массу в 10^11 звездной массы.
Звездообразование в них прекратилось в первый миллиард лет.
Темпы звездообразования были высокими, сотни масс Солнца в год.

Проект на субмиллиметрах

1:07:38

В 90-е годы начался проект по поиску галактик на субмиллиметровых волнах.
Высокие темпы звездообразования скрыты в полевых коконах.
Наблюдения показали, что гигантские эллиптические галактики формировались на красном смещении z=5.

Субмиллиметровые галактики

1:09:36

Обзор на Гавайях и Антарктиде выявил субмиллиметровые галактики.
Эти галактики оказались на красном смещении z=4.5-5.
Интерферометр ALMA позволил получить изображения с высоким пространственным разрешением.

Газовые диски и звездообразование

1:11:29

Обнаружены газовые диски в линиях CO и CII.
Газовые диски оказались динамически холодными и вращающимися.
Это противоречит ожиданиям о росте дисперсии скоростей с красным смещением.

Джеймс Веб Телескоп

1:15:36

Джеймс Веб Телескоп предоставил статистику по галактикам на разных красных смещениях.
Обнаружены тонкие дисковые галактики на красном смещении z=4.5.
Это противоречит теории о монотонном росте дисперсии скоростей.

Квазары и эволюция галактик

1:17:35

Квазары играют ключевую роль в подавлении звездообразования в гигантских эллиптических галактиках.
Квазары нагревают газ, останавливая звездообразование.
Первые данные показывают, что массивные галактики с подавленным звездообразованием уже существовали на красном смещении z=6.

Заключение

1:20:54

Выборка галактик на красном смещении z=16-17 пока не подтверждается.
Проблемы лямбда-сидеральной модели остаются нерешенными.

Проблемы с галактиками до красного смещения 12

1:21:33

Галактики до красного смещения 12 подтверждаются спектрально, но их слишком много для предсказаний лямбда-сидим модели.
Они слишком массивные для этих моделей.
Проблемы с морфологией галактик и высокими темпами звездообразования на красных смещениях выше 10 остаются нерешенными.

Расхождения с наблюдательными данными

1:22:25

Предсказания космологических моделей до данных с Джеймс-Вебб телескопа расходятся с наблюдательными данными.
Эти предсказания были сделаны в рамках упрощенной модели, привязывающей события формирования галактик и звездообразования.
Современные данные показывают, что эти представления излишне упрощены.

Усложнение физики и моделей

1:23:13

Возможно, усложнение физики формирования звезд и газовых дисков внутри темных галактик поможет согласовать данные с лямбда-сидим моделью.
Лямбда-сидим модели постоянно усложняются последние 30 лет для согласования с наблюдательными данными.
Теоретики имеют идеи, которые могут помочь согласовать наблюдения с модельными рамками, особенно по темпам звездообразования.