Настоящий фундаментальный трактат представляет собой исчерпывающий анализ наиболее значимых нерешённых проблем современной
астрономии и
астрофизики, структурированный по тематическим разделам в соответствии с классификацией, принятой в международном
научном сообществе. Каждая проблема рассматривается с точки зрения её исторического происхождения,
наблюдательных данных и
физических следствий.
Список нерешённых проблем астрономии охватывает как теоретические проблемы, когда существующие теории не способны объяснить определённые наблюдаемые явления или экспериментальные результаты, так и экспериментальные проблемы, связанные с трудностями создания наблюдений для проверки предложенных теорий или более детального исследования конкретных явлений. От планетной астрономии и звёздной эволюции до космологии и поиска внеземной жизни, перед наукой стоят задачи, требующие не просто уточнения существующих моделей, но, возможно, радикального пересмотра самих оснований нашего понимания Вселенной.
Раздел 1. Планетная астрономия и Солнечная система
Проблема 1.1. Планеты за пределами Нептуна и Планета IX. Проблема существования планет за пределами Нептуна была осознана ещё в 1906 году, когда американский астроном Персиваль Ловелл (Percival Lowell) выдвинул гипотезу о существовании 'Планеты X' - гипотетического крупного тела на периферии Солнечной системы, гравитационные возмущения от которого могли бы объяснить аномалии в орбитах Урана и Нептуна. В 1930 году
Клайд Томбо (Clyde Tombaugh) открыл Плутон, который первоначально считался этой самой Планетой X, однако последующие наблюдения показали, что его масса слишком мала, чтобы влиять на орбиты газовых гигантов. В 2016 году астрономы Константин Батыгин (Konstantin Batygin) и Майк Браун (Mike Brown) из Калифорнийского технологического института на основе анализа орбит транснептуновых объектов предложили современную гипотезу 'Планеты IX' - тела массой около 5-10 масс Земли, обращающегося на расстоянии 400-800 астрономических единиц от Солнца.
Существование Планеты IX могло бы объяснить кластеризацию аргументов перигелия у нескольких экстремальных транснептуновых объектов, однако до сих пор ни один телескоп не смог непосредственно обнаружить это гипотетическое тело. Альтернативные объяснения включают самосгравитацию диска транснептуновых объектов, прохождение близкой звезды в ранней Солнечной системе или наблюдательные селекции. Разрешение этой проблемы критически важно для понимания формирования и эволюции Солнечной системы, а также для проверки Ниццкой модели миграции планет-гигантов.
Проблема 1.2. Вытянутые орбиты экстремальных транснептуновых объектов. Проблема вытянутых орбит экстремальных транснептуновых объектов (extreme trans-Neptunian objects, ETNOs) была сформулирована в 2014 году после открытия Седны и ряда других тел с необычно вытянутыми орбитами. Эти объекты имеют большие полуоси более 150 а.е. и перигелии, значительно удалённые от Нептуна, что исключает гравитационное влияние этой планеты как причину такой конфигурации. Механизм формирования подобных орбит остаётся загадкой: либо они были 'заброшены' на такие расстояния гравитационными возмущениями от гипотетической Планеты IX, либо являются результатом прохождения близкой звезды в первые миллионы лет существования Солнечной системы, либо представляют собой захваченные тела из протосолнечной туманности другого типа.
Альтернативная гипотеза, предложенная астрономами в 2010-х годах, связывает эти орбиты с резонансными эффектами
Галактического приливного поля и проходящих звёзд. Однако ни одна из моделей не способна полностью объяснить весь комплекс наблюдаемых параметров, включая наклонения орбит и их пространственное распределение. Поиск новых ETNOs с помощью современных обзоров неба (таких как Vera C. Rubin Observatory) должен предоставить дополнительные данные для разрешения этой проблемы.
Проблема 1.3. Скорость вращения Сатурна. Проблема скорости вращения Сатурна была осознана ещё в 1980-х годах после пролёта космических аппаратов 'Вояджер-1' и 'Вояджер-2'. В отличие от Юпитера, магнитная ось Сатурна почти идеально совпадает с его осью вращения (отклонение менее 0,01R), что делает невозможным определение периода вращения планеты по модуляции радиоизлучения, как это делается для других планет-гигантов. Данные миссии 'Кассини-Гюйгенс' (1997-2017) показали, что период вращения магнитосферы медленно меняется с периодом около 10 часов 33 минут - 10 часов 47 минут, причём этот период не является стабильным.
В 2015 году группа астрономов под руководством Равит Хеллед (Ravit Helled) предложила определить истинный период вращения по гравитационному полю и сплюснутости планеты, получив значение около 10 часов 33 минут. Однако вопрос о том, почему магнитосфера Сатурна демонстрирует периодичность, близкую к периоду вращения его облаков, и какова истинная скорость вращения глубоких недр Сатурна, остаётся открытым. Решение этой проблемы требует понимания внутренней структуры Сатурна и механизмов генерации его магнитного поля в динамо-механизме.
Проблема 1.4. Геоморфология спутников: цепь гор на Япете. Проблема экваториальной цепи гор на спутнике Сатурна Япете была сформулирована после получения изображений с космического аппарата 'Кассини' в 2004-2007 годах. Цепь гор высотой до 13 километров и шириной до 200 километров практически точно следует вдоль экватора Япета, занимая около 75% его окружности. Происхождение этой уникальной структуры остаётся предметом научных дебатов. Согласно одной гипотезе, предложенной в 2012 году, горы являются реликтом быстрого вращения молодого Япета, который в ранней истории Солнечной системы вращался значительно быстрее, а его литосфера затем 'заморозила' эту экваториальную выпуклость после замедления.
Другая гипотеза, выдвинутая в 2014 году, предполагает, что горы образовались в результате аккреции материала от бывшего кольца Сатурна, которое было разрушено гравитационными возмущениями и упало на экватор Япета. Третья гипотеза связывает образование гор с конвективными процессами в недрах спутника или с криовулканизмом. Ни одна из этих моделей не является общепризнанной, и разрешение проблемы требует дополнительных данных о внутренней структуре Япета и его тепловой истории.
Проблема 1.5. Обрыв Койпера (Kuiper cliff). Обрыв Койпера - это неожиданное и резкое падение количества транснептуновых объектов на расстояниях более 50 астрономических единиц от Солнца в поясе Койпера. Данное явление было обнаружено в конце 1990-х - начале 2000-х годов в ходе систематических обзоров внешних областей Солнечной системы, в частности проектами Deep Ecliptic Survey и обзорами обсерватории Мауна-Кеа. Согласно стандартным моделям формирования Солнечной системы, пояс Койпера должен был содержать значительное количество планетезималей и на больших расстояниях, однако наблюдения показывают, что после 50 а.е. число объектов резко уменьшается почти на порядки.
Существует несколько гипотез, пытающихся объяснить природу обрыва Койпера. Согласно одной из них, на таких расстояниях протопланетный диск в ранней Солнечной системе был слишком разрежённым, и аккреция
планетезималей не успела произойти за время жизни газового диска. Другая гипотеза предполагает, что гравитационное влияние гипотетической Планеты IX (или прошлое прохождение близкой звезды) 'обрезало' внешний край пояса Койпера, рассеяв большую часть объектов. Третья гипотеза связывает обрыв с резонансными эффектами
Нептуна и миграцией планет-гигантов в ранней Солнечной системе (в рамках Ниццкой модели). Разрешение этой проблемы критически важно для понимания формирования и эволюции Солнечной системы.
Проблема 1.6. Аномалия пролёта (Flyby anomaly). Аномалия пролёта была обнаружена в 1998 году при анализе данных гравитационного манёвра космического аппарата 'Галилео' вблизи Земли. Эффект заключается в том, что наблюдаемая энергия некоторых космических аппаратов, совершающих гравитационный манёвр (пролетающих вблизи планет), иногда отличается на мизерную, но статистически значимую величину от значения, предсказанного классической небесной механикой. Аномалия была зафиксирована для аппаратов 'Галилео', 'NEAR Shoemaker', 'Кассини', 'Розетта' и 'Юнона', причём расхождение составляет от 3,9 до 13,46 мм/с в изменении скорости.
Этот эффект, впервые описанный Джоном Андерсоном (John Anderson) и его коллегами из NASA JPL в 2000-х годах, не имеет удовлетворительного объяснения в рамках общей теории относительности и классической небесной механики. Были предложены различные гипотезы, включая анизотропию инерции, тёмную материю в окрестностях Земли, неучтённые релятивистские эффекты, влияние темного потока или экзотические модели гравитации. Однако ни одна из них не является общепризнанной. Разрешение этой проблемы требует более точных измерений траекторий будущих космических аппаратов и, возможно, пересмотра некоторых аспектов гравитационной физики.
Раздел 2. Внесолнечные и экзопланетные системы
Проблема 2.1. Распространённость планетных систем, подобных Солнечной. Проблема распространённости планетных систем, подобных Солнечной, была сформулирована после открытия первых экзопланет в 1992 году (у пульсара PSR B1257+12, Александр Вольщан и Дейл Фрэйл) и в 1995 году (у звезды 51 Пегаса, Мишель Майор и Дидье Кело). Данные миссий 'Кеплер' и 'TESS' показали, что планетные системы во Вселенной чрезвычайно распространены, однако системы, подобные Солнечной - с планетами-гигантами типа Юпитера на далёких орбитах и планетами земной группы во внутренней области, - встречаются значительно реже, чем ожидалось. Большинство обнаруженных планетных систем содержат суперземли и горячие юпитеры, обращающиеся очень близко к своим звёздам.
Согласно гипотезе большого такта (grand tack hypothesis), предложенной в 2012 году
Кэтрин Мандер (Katherine Mandell) и коллегами, миграция Юпитера в ранней Солнечной системе могла 'расчистить' внутреннюю область от материала, что объясняет отсутствие суперземель в Солнечной системе. Однако альтернативные объяснения включают наблюдательные селекции (метод транзитов предпочитает обнаружение близких планет) или фундаментальные различия в условиях формирования планетных систем вокруг разных звёзд. Разрешение этой проблемы критически важно для понимания уникальности Солнечной системы и условий возникновения жизни.
Проблема 2.2. Диапазон архитектур планетных систем. Проблема диапазона архитектур планетных систем была сформулирована в 2010-х годах после накопления данных о тысячах экзопланетных систем. Вопрос заключается в том, каковы возможные конфигурации планетных систем и какие физические процессы определяют их архитектуру. Наблюдения показывают огромное разнообразие: от компактных систем с несколькими суперземлями в тесных орбитах до широких бинарных систем с планетами на расстояниях в тысячи а.е. от звезды. Открытым вопросом остаётся, какие механизмы (миграция планет, гравитационные взаимодействия, влияние звёзд-компаньонов) определяют итоговую архитектуру системы.
Особый интерес представляет вопрос о существовании Jupiter-mass Binary Objects (JuMBOs) - бинарных объектов массой с Юпитер, которые были обнаружены в некоторых звёздных скоплениях и могут представлять собой либо двойные планеты, либо свободно плавающие объекты планетной массы. Природа этих объектов до сих пор неясна: могли ли они сформироваться как двойная планетная система без звезды-хозяина, или это результат динамического выброса из протопланетного диска? Разрешение этих вопросов требует развития теории формирования планет и дальнейших наблюдений с помощью космического телескопа James Webb.
Проблема 2.3. Процессы, ведущие к планетарному разнообразию, и скорость формирования планет. Проблема процессов, ведущих к планетарному разнообразию, и вопрос о том, быстро или медленно формируются планеты, были сформулированы в 2000-х годах после открытия разнообразия экзопланет. Согласно стандартной модели аккреции ядра, формирование планеты земной группы должно занимать десятки миллионов лет, тогда как формирование газового гиганта требует наличия газового диска в течение первых нескольких миллионов лет жизни протозвезды. Однако наблюдения протопланетных дисков показывают, что они рассеиваются быстрее, чем предсказывает теория, что создаёт парадокс временных масштабов.
Альтернативная модель гравитационной нестабильности, предложенная в 1990-х годах
Аланом Боссом (Alan Boss), предполагает, что газовые гиганты могут формироваться за считанные тысячи лет путём прямого коллапса фрагментов протопланетного диска. Однако эта модель не объясняет разнообразия каменистых планет. Современный консенсус склоняется к гибридным сценариям, где ядра планет формируются быстро, а атмосферы приобретаются позднее. Разрешение этой проблемы требует более точных наблюдений молодых планетных систем и развития численных моделей
аккреции и миграции планет.
Раздел 3. Звёздная астрономия и солнечная физика
Проблема 3.1. Солнечный цикл. Проблема солнечного цикла была осознана в 1843 году, когда немецкий астроном Генрих Швабе (Heinrich Schwabe) открыл 11-летнюю периодичность в числе солнечных пятен. Солнце генерирует своё магнитное поле с помощью динамо-механизма, который периодически меняет полярность каждые 11 лет (полный цикл Хейла составляет 22 года). Однако точные механизмы, управляющие солнечным циклом, включая перенос магнитного потока и дифференциальное вращение, до сих пор не до конца поняты. Остаётся неясным, почему амплитуда циклов варьируется и почему происходят великие минимумы, такие как Маундеровский минимум (1645-1715 годы).
Вопрос о том, как другие солнцеподобные звёзды генерируют свои магнитные поля, и каковы сходства и различия между их циклами активности и солнечным циклом, был сформулирован в 1978 году после начала программы Mount Wilson HK Project под руководством О. Уилсона (O. Wilson). Наблюдения показали, что у многих звёзд существуют циклы активности, но их периоды и амплитуды значительно различаются. Что вызвало Маундеровский минимум и другие великие минимумы, и как солнечный цикл восстанавливается из этого состояния, остаётся предметом активных исследований в рамках гелиосейсмологии и трёхмерной магнитогидродинамики.
Проблема 3.2. Проблема нагрева короны. Проблема нагрева короны была сформулирована в 1939 году шведским физиком Бенгтом Эдленом (Bengt Edlén), который на основе спектральных наблюдений показал, что корона Солнца имеет температуру более миллиона кельвинов, тогда как поверхность Солнца (фотосфера) имеет температуру всего около 6000 К. Этот парадокс - почему корона так сильно нагрета, и какой механизм переносит энергию из фотосферы в корону - остаётся одной из главных нерешённых проблем солнечной физики. Основными кандидатами на роль нагревающего механизма являются магнитное пересоединение (в рамках теории нановспышек, предложенной Юджином Паркером в 1988 году) и затухание альвеновских волн.
Дополнительной загадкой является то, почему эффект магнитного пересоединения происходит на много порядков быстрее, чем предсказывают стандартные модели (так называемая проблема быстрого пересоединения). Современные наблюдения с помощью космических аппаратов 'Solar Dynamics Observatory' и 'Parker Solar Probe' показывают, что магнитные волны и нановспышки действительно присутствуют в короне, однако их вклада недостаточно для объяснения наблюдаемой температуры. Разрешение этой проблемы требует понимания физики плазмы в условиях солнечной короны и, возможно, учёта ранее неизвестных механизмов диссипации магнитной энергии.
Проблема 3.3. Предсказание космической погоды и солнечные вспышки. Проблема предсказания космической погоды была сформулирована в 1980-х годах после осознания того, что солнечные вспышки и корональные выбросы массы могут серьёзно влиять на земные технологии - спутники, системы связи, энергетические сети. Вопрос заключается в том, как Солнце производит сильные южно-направленные магнитные поля в солнечных корональных выбросах массы, которые приводят к геомагнитным бурям, и как можно предсказывать солнечные и геомагнитные супер-бури. Несмотря на десятилетия исследований, точное предсказание солнечных вспышек остаётся ненадёжным: лишь около 10% активных областей производят вспышки класса X.
Открытыми вопросами также являются: почему солнечные пятна иногда образуются парами (что связано с законом Хейла о магнитной полярности), и какова точная причина солнечных вспышек. Современные модели основаны на концепции свободной магнитной энергии, накопленной в короне, однако механизм её быстрого высвобождения (через магнитное пересоединение или магнитогидродинамические неустойчивости) до сих пор не до конца понят. Разрешение этой проблемы имеет не только научное, но и практическое значение для защиты космической инфраструктуры.
Проблема 3.4. Солнечная поляризация и вторая солнечная спектрополяризационная загадка. Проблема солнечной поляризации была сформулирована в 1970-х годах после развития техники спектрополяризиметрии. Вопрос заключается в том, как следует рассчитывать резонансное рассеивание поляризации, когда фотоны имеют конечную длину когерентности. Кроме того, наблюдается так называемая 'вторая солнечная спектрополяризационная загадка' - расхождение между предсказаниями теории переноса излучения и наблюдениями линейной поляризации в спектральных линиях на солнечном лимбе. Эти расхождения могут указывать на наличие неучтённых магнитных полей в солнечной атмосфере или на необходимость пересмотра квантовой теории атомных переходов в условиях солнечной плазмы.
Дополнительной проблемой является нарушение закона полярности Хейла - наблюдаемые случаи, когда солнечные пятна в определённых активных областях имеют полярность, противоположную предсказанной. Является ли это проблемой наблюдений или теоретической проблемой, указывающей на сложность солнечного динамо, до сих пор неясно. Разрешение этих проблем требует развития трёхмерных моделей переноса излучения и более точных наблюдений с помощью современных солнечных телескопов (таких как DKIST на Гавайях).
Проблема 3.5. Парадокс Вояджера. Парадокс Вояджера был сформулирован в 2004 году после того, как космический аппарат 'Вояджер-1' пересёк терминальный ударный скачок (termination shock) на расстоянии около 94 а.е. от Солнца, не обнаружив ожидаемого всеми моделями пика локальных аномальных космических лучей. Согласно стандартным моделям гелиосферы, при пересечении терминационного ударного скачка должна наблюдаться резкая акселерация аномальных космических лучей, однако приборы 'Вояджера' зафиксировали лишь плавное изменение потоков частиц. Аналогичная ситуация наблюдалась и для 'Вояджера-2', пересёкшего терминальный ударный скачок в 2018 году.
Этот парадокс поставил под сомнение стандартную модель гелиосферы, согласно которой Солнечная система окружена симметричной гелиосферой с чёткими границами. Альтернативные модели предполагают, что гелиосфера имеет сложную асимметричную структуру с гелиосheetом и турбулентными областями, или что акселерация частиц происходит не на терминационном ударном скачке, а в других областях гелиопаузы. Разрешение этого парадокса требует дополнительных данных от межзвёздных миссий (Interstellar Probe) и развития трёхмерных моделей гелиосферы.
Проблема 3.6. Происхождение спектра звёздных масс (начальная функция масс). Проблема происхождения спектра звёздных масс, или начальной функции масс (Initial Mass Function, IMF), была сформулирована в 1955 году немецко-американским астрономом Эдвином Солпитером (Edwin Salpeter), который показал, что распределение звёзд по массам в Галактике следует степенному закону. Парадокс заключается в том, почему астрономы наблюдают одинаковое распределение звёздных масс - начальную функцию масс - по-видимому, независимо от начальных условий в молекулярных облаках. Эта универсальность наблюдается в различных средах - от карликовых галактик до плотных звёздных скоплений - и остаётся одной из главных загадок звёздообразования.
Согласно современным моделям, начальная функция масс определяется сложным взаимодействием турбулентности, магнитных полей, гравитации и обратной связи от звёзд (через излучение, звёздные ветры и сверхновые). Однако ни одна из существующих теорий не может полностью объяснить универсальность
начальной функции масс. Разрешение этой проблемы критически важно для понимания эволюции галактик, химического обогащения Вселенной и формирования планетных систем.
Проблема 3.7. Сверхновые: механизм взрыва. Проблема механизма взрыва сверхновых была сформулирована в 1930-х годах после открытия того, что сверхновые являются основным источником тяжёлых элементов во Вселенной. Вопрос заключается в том, каков точный механизм, с помощью которого имплозия умирающей звезды превращается в взрыв сверхновой. В моделях коллапсара (для сверхновых с коллапсом ядра) нейтрино, рождающиеся в протон-нейтронном ядре, должны передать достаточно энергии внешним слоям, чтобы сбросить их. Однако стандартные одномерные модели не могут воспроизвести взрыв; требуются трёхмерные гидродинамические эффекты, такие как конвекция и SASI (Standing Accretion Shock Instability).
Дополнительной проблемой является вопрос о том, каковы предшественники сверхновых (progenitors) различных типов. Хотя для сверхновых типа II предшественниками являются красные сверхгиганты, для других типов (например, сверхновых типа Ib/c) природа предшественников остаётся неясной. Разрешение этих проблем требует развития трёхмерных гидродинамических моделей и более точных наблюдений сверхновых в различных длинах волн.
Проблема 3.8. p-ядра: нуклеосинтез редких изотопов. Проблема p-ядер была сформулирована в 1950-х годах в рамках классической работы B'FH (Burbidge, Burbidge, Fowler, Hoyle) по звёздному нуклеосинтезу. Вопрос заключается в том, какой астрофизический процесс ответственен за нуклеосинтез редких p-изотопов (тяжёлых элементов, богатых протонами, которые не могут быть созданы в s- или r-процессах). Основным кандидатом является γ-процесс (фотоядерный процесс) в сверхновых, однако он не может объяснить изобилие всех p-ядер, особенно лёгких p-изотопов.
Альтернативные сценарии включают протонный захват в кислород-неоновых белых карликах (так называемый rp-процесс), νp-процесс в сверхновых (где антинейтрино превращают протоны в нейтроны, создавая условия для протонного захвата), или нуклеосинтез при слиянии нейтронных звёзд. Разрешение этой проблемы требует более точных данных о распространённости p-ядер в Солнечной системе и Галактике, а также развития ядерной физики для определения скоростей реакций.
Проблема 3.9. Быстрые радиовсплески (FRB). Проблема быстрых радиовсплесков (Fast Radio Bursts, FRB) была сформулирована в 2007 году после открытия первого FRB
Дунканом Лоримером (Duncan Lorimer) и его коллегами при анализе данных радиотелескопа Паркса (запись 2001 года). Эти транзитные радиоимпульсы от далёких галактик длятся всего несколько миллисекунд, но обладают колоссальной энергией (до 10³⁸ джоулей). Почему некоторые FRB повторяются через непредсказуемые интервалы, а большинство - нет, остаётся одной из главных загадок современной астрофизики.
Десятки моделей были предложены для объяснения FRB: слияния нейтронных звёзд, магнитары (особенно в рамках модели, предложенной Bochenek et al. в 2020 году после обнаружения FRB от галактического магнитара SGR 1935+2154), космические струны, аккреция на чёрные дыры, и даже гипотетические инопланетные передатчики. Однако ни одна модель не является общепринятой. Открытие периодичности в некоторых FRB (например, FRB 121102 с периодом около 160 дней) указывает на связь с орбитальным движением в бинарных системах, однако точный механизм генерации радиоимпульсов остаётся неясным. Разрешение этой проблемы требует дальнейших наблюдений с помощью радиоинтерферометров (таких как CHIME, ASKAP, Square Kilometre Array).
Проблема 3.10. Ультра-высокоэнергетические космические лучи и частица 'О мой Бог!'. Проблема ультра-высокоэнергетических космических лучей была сформулирована в 1960-х годах после предсказания предела Грейзена-Зацепина-Кузьмина (GZK limit) в 1966 году
Кеннетом Грейзеном, Вадимом Зацепиным и Георгием Кузьминым. Согласно этому пределу, протоны с энергией выше 5×10¹⁹ эВ должны терять энергию на взаимодействии с реликтовым излучением и не могут достигать Земли из источников, расположенных далее 100-200 мегапарсек. Однако в 1991 году эксперимент Fly's Eye обнаружил частицу 'О мой Бог!' (Oh-My-God particle) с энергией около 3×10'⁰ эВ - в десятки раз выше предела GZK.
Почему некоторые космические лучи обладают энергиями, которые кажутся невозможными, учитывая отсутствие достаточно энергетических источников вблизи Земли, остаётся загадкой. Возможные объяснения включают наличие сверхмассивных чёрных дыр или активных галактических ядер в качестве ускорителей, тяжёлые ядра вместо протонов (которые имеют другой предел GZK), или новую физику за пределами Стандартной модели. Обсерватория Pierre Auger и Telescope Array продолжают собирать данные, однако природа этих ультра-высокоэнергетических космических лучей остаётся предметом активных дебатов.
Проблема 3.11. Природа KIC 8462852 (Звезда Табби). Проблема природы KIC 8462852, также известной как Звезда Табби (Tabby's Star) или Звезда Бояджяна, была сформулирована в 2015 году после анализа данных космического телескопа Кеплер гражданским учёным Табетой Бояджян (Tabetha Boyajian) и её коллегами. Эта звезда демонстрирует необычные изменения светимости - нерегулярные и асимметричные провалы в блеске до 22%, которые не могут быть объяснены стандартными моделями планетных транзитов или звёздной переменности. Первоначально были выдвинуты даже спекулятивные гипотезы о мегасооружениях внеземной цивилизации (идея, популяризованная Андреем Силионом и Джейсоном Райтом), однако более вероятными считаются естественные объяснения.
Современные модели предполагают, что провалы в блеске могут быть вызваны облаком комет, разрушенной планетой, пылевым диском с сложной структурой или внутренней переменностью самой звезды. Однако ни одна из этих моделей не может полностью объяснить все наблюдаемые характеристики, включая хроматичность провалов и их долгосрочную эволюцию. Разрешение этой проблемы требует дальнейших наблюдений в различных диапазонах длин волн и развития моделей пылевой динамики в околозвёздных средах.
Проблема 3.12. Источник и происхождение ленты IBEX. Проблема источника и происхождения ленты IBEX была сформулирована в 2009 году после того, как космический аппарат IBEX (Interstellar Boundary Explorer) обнаружил неожиданную узкую ленту повышенной эмиссии энергичных нейтральных атомов (ENA), опоясывающую гелиосферу. Эта лента не была предсказана стандартными моделями взаимодействия гелиосферы с межзвёздной средой и её происхождение остаётся предметом научных дебатов. Согласно одной гипотезе, лента образуется в результате взаимодействия межзвёздного магнитного поля с гелиосферой, согласно другой - является следствием вторичной акселерации частиц в гелиосheath.
Альтернативные объяснения включают отражение нейтральных атомов от гелиопаузы или локальные неоднородности в межзвёздной среде. Разрешение этой проблемы критически важно для понимания структуры гелиосферы и её взаимодействия с локальной межзвёздной средой (Local Interstellar Cloud). Дальнейшие данные от миссии IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe), запуск которой запланирован на 2025 год, должны предоставить дополнительные сведения для разрешения этой проблемы.
Проблема 3.13. Звёздная множественность и экстремальные звёзды. Проблема влияния звёздной множественности на жизнь и смерть звёзд была сформулирована в 2010-х годах после осознания того, что большинство звёзд в Галактике являются частью бинарных или кратных систем. Вопрос заключается в том, как звёздная множественность влияет на эволюцию звёзд, перенос массы между компонентами и конечные стадии их жизни (например, образование сверхновых, нейтронных звёзд, чёрных дыр). Особенно важной является проблема слияния компактных объектов - нейтронных звёзд и чёрных дыр - которые являются источниками гравитационных волн, зарегистрированных LIGO и Virgo.
Дополнительной проблемой является вопрос о том, каковы самые экстремальные звёзды и звёздные популяции во Вселенной. Например, звёзды населения III - первые звёзды, сформировавшиеся из первичного газа (водород, гелий, следы лития), - до сих пор не обнаружены непосредственно, хотя их существование предсказывается космологическими моделями. Разрешение этих проблем требует дальнейших наблюдений с помощью космического телескопа James Webb и гравитационно-волновых обсерваторий.
Раздел 4. Галактическая астрономия и астрофизика
Проблема 4.1. Проблема вращения галактик и тёмная материя. Проблема вращения галактик была сформулирована в 1970-х годах после работ Веры Рубин (Vera Rubin) и Кента Форда (Kent Ford), которые показали, что кривые вращения спиральных галактик остаются плоскими на больших расстояниях от центра, что противоречит предсказаниям ньютоновской динамики для видимого распределения материи. Этот результат стал одним из главных наблюдательных доказательств существования тёмной материи - невидимого компонента, который составляет около 27% плотности энергии Вселенной. Однако вопрос о том, является ли тёмная материя единственной причиной расхождений между наблюдаемыми и теоретическими кривыми вращения галактик, или это следствие чего-то иного, остаётся открытым.
Альтернативные теории, такие как модифицированная ньютоновская динамика (MOND), предложенная Мордехаем Милгромом (Mordehai Milgrom) в 1983 году, пытаются объяснить эти расхождения без введения тёмной материи, модифицируя законы гравитации на малых ускорениях. Однако MOND сталкивается с трудностями при объяснении динамики скоплений галактик и реликтового излучения. Современные исследования сосредоточены на поиске частиц тёмной материи (таких как вимпы, аксионы, стерильные нейтрино) с помощью экспериментов на Большом адронном коллайдере и в подземных детекторах.
Проблема 4.2. Зависимость возраст-металличность в Галактическом диске. Проблема зависимости возраст-металличность (Age-metallicity relation, AMR) в Галактическом диске была сформулирована в 1970-х годах в рамках моделей химической эволюции Галактики. Вопрос заключается в том, существует ли универсальная зависимость возраст-металличность в Галактическом диске (как в 'тонкой', так и в 'толстой' его частях). В локальном тонком диске Млечного Пути сильная AMR не наблюдается, что было показано в работах 1990-х - 2000-х годов. Однако в толстом диске некоторые данные указывают на её наличие, как показали исследования Бенси (Bensby) и его коллег в 2004 году на основе выборки из 229 близких звёзд толстого диска.
Астеросейсмология - наука, изучающая внутреннюю структуру звёзд по их колебаниям - подтвердила отсутствие сильной AMR в Галактическом диске, как показали работы Касагранде (Casagrande) и его коллег в 2015 году. Однако вопрос о том, почему тонкий и толстый диски имеют разные химические истории, и как радиальная миграция звёзд влияет на наблюдаемую зависимость возраст-металличность, остаётся открытым. Разрешение этой проблемы критически важно для понимания формирования и эволюции Галактики.
Проблема 4.3. Ультрасветящие рентгеновские источники (ULX). Проблема ультрасветящих рентгеновских источников (Ultraluminous X-ray sources, ULX) была сформулирована в 1980-х годах после обнаружения рентгеновских источников в других галактиках, светимость которых превышает предел Эддингтона для нейтронной звезды или звёздной чёрной дыры (около 10³⁹ эрг/с). Вопрос заключается в том, что питает эти источники: являются ли они чёрными дырами промежуточных масс (IMBH) массой 100-100 000 солнечных масс, или это нейтронные звёзды с неизотропным излучением и сверхсильными магнитными полями? Некоторые ULX являются периодическими, что указывает на аккрецию на нейтронную звезду с магнитным полем, однако вопрос о том, применимо ли это ко всем ULX, остаётся открытым.
Дополнительной проблемой является вопрос о том, как могла бы сформироваться и оставаться стабильной такая система. Чёрные дыры промежуточных масс до сих пор не обнаружены однозначно, хотя кандидаты существуют в шаровых скоплениях и карликовых галактиках. Разрешение этой проблемы требует более точных наблюдений в рентгеновском и оптическом диапазонах с помощью таких обсерваторий, как Chandra, XMM-Newton и NICER.
Проблема 4.4. Галактический центр GeV-избыток. Проблема галактического центра GeV-избыток была сформулирована в 2009 году после анализа данных космического телескопа Ферми. Вопрос заключается в том, каков источник и происхождение избытка гамма-излучения в энергетическом диапазоне около 1-3 ГэВ из области Галактического центра. Согласно одной гипотезе, этот избыток является следствием аннигиляции частиц тёмной материи с массой около 30-50 ГэВ, что согласуется с предсказаниями некоторых моделей суперсимметрии. Согласно другой гипотезе, избыток может быть объяснён новой популяцией миллисекундных пульсаров в Галактическом центре, которые не были разрешены индивидуально.
Дополнительные модели включают неучтённые астрофизические процессы (такие как космические лучи, взаимодействующие с молекулярными облаками) или систематические ошибки в обработке данных. Разрешение этой проблемы имеет фундаментальное значение для физики элементарных частиц и астрофизики высоких энергий. Дальнейшие наблюдения с помощью Черенковских телескопов (таких как CTA) и более точный анализ данных Ферми должны помочь разрешить эту проблему.
Проблема 4.5. Инфракрасный/ТэВ-кризис. Проблема инфракрасного/ТэВ-кризиса была сформулирована в 2000 году после наблюдений очень энергичных гамма-лучей от внегалактических источников. Согласно стандартным моделям, гамма-лучи с энергией выше нескольких ТэВ должны сильно ослабляться при взаимодействии с фоном внегалактического инфракрасного излучения (EBL) через процесс рождения электрон-позитронных пар. Однако наблюдения показывают отсутствие ожидаемого ослабления очень энергичных гамма-лучей от внегалактических источников, что получило название 'инфракрасный/ТэВ-кризис'.
Возможные объяснения включают неучтённые астрофизические процессы (такие как аксионо-фотонные осцилляции в магнитных полях), ошибки в оценке EBL или новую физику за пределами Стандартной модели. Разрешение этой проблемы требует более точных измерений EBL и дальнейших наблюдений гамма-источников с помощью таких обсерваторий, как MAGIC, H.E.S.S. и VERITAS.
Проблема 4.6. Сверхмассивные чёрные дыры и соотношение M-сигма. Проблема сверхмассивных чёрных дыр была сформулирована в 1960-х годах после открытия квазаров и осознания того, что в центрах большинства массивных галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры с массами от миллионов до десятков миллиардов солнечных масс. Вопрос о происхождении соотношения M-сигма между массой сверхмассивной чёрной дыры и дисперсией скоростей в балдже её галактики-хозяина был сформулирован в 2000 году после работ Феррарезе (Ferrarese) и Мерритта (Merritt), а также Гельманна (Gebhardt) и его коллег. Это соотношение указывает на тесную связь между ростом чёрной дыры и эволюцией галактики, вероятно, через механизмы обратной связи (AGN feedback).
Ещё более загадочным является вопрос о том, как сверхмассивные чёрные дыры 'зарождаются' (what seeds supermassive black holes) и как они растут. Согласно современным моделям, зародыши могут быть чёрными дырами звёздной массы (от коллапса первых звёзд), чёрными дырами промежуточных масс (от прямого коллапса газовых облаков) или первичными чёрными дырами (от флуктуаций в ранней Вселенной). Однако ни одна из этих моделей не может полностью объяснить наблюдаемые свойства сверхмассивных чёрных дыр.
Проблема 4.7. Формирование высокорасположенных квазаров. Проблема формирования высокорасположенных квазаров была сформулирована в 2000-х годах после открытия квазаров с красным смещением z > 6, то есть существовавших менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Вопрос заключается в том, как самые далёкие квазары смогли вырастить свои сверхмассивные чёрные дыры до масс в 10¹⁰ солнечных масс так рано в истории Вселенной. Стандартные модели аккреции с эддингтоновским пределом не могут объяснить такой быстрый рост, что требует наличия сверхмассивных зародышей чёрных дыр или периодов супер-эддингтоновской аккреции.
Альтернативные сценарии включают слияния чёрных дыр, прямой коллапс массивных газовых облаков в чёрные дыры массой 10⁴-10⁵ солнечных масс, или рост в плотных звёздных скоплениях. Разрешение этой проблемы критически важно для понимания формирования первых структур во Вселенной и требует дальнейших наблюдений с помощью космического телескопа James Webb.
Проблема 4.8. Информационный парадокс чёрных дыр и излучение Хокинга. Проблема информационного парадокса чёрных дыр и излучения чёрных дыр была сформулирована Стивеном Хокингом в 1974-1976 годах, когда он показал, что чёрные дыры должны испускать тепловое излучение (так называемое излучение Хокинга) и постепенно 'испаряться'. Парадокс заключается в том, что если чёрная дыра испаряется за счёт теплового излучения, которое не несёт информации о первоначальном веществе, то информация безвозвратно исчезает из Вселенной, что противоречит принципу унитарности
квантовой механики.
Современные подходы, включая голографический принцип, AdS/CFT соответствие и теорию струн, предлагают различные пути решения: огненные стены (firewalls), островки (islands), мягкие волосы (soft hair) чёрных дыр. Вопрос о том, существуют ли огненные стены вокруг чёрных дыр (как было предложено АМПС - Almheiri, Marolf, Polchinski, Sully - в 2012 году), и прекращается ли излучение на какой-то стадии, оставляя остатки чёрных дыр (black hole remnants), остаётся предметом активных дебатов. Разрешение этой проблемы требует полной теории квантовой гравитации.
Проблема 4.9. Проблема последнего парсека и слияния двойных чёрных дыр. Проблема последнего парсека (final parsec problem) была сформулирована в 2003 году
Милошем Милошавлевичем (Miloš Milosavljević) и Дэвидом Мерриттом (David Merritt). Вопрос заключается в том, что сверхмассивные чёрные дыры, по-видимому, сливаются, однако теория предсказывает, что когда сверхмассивные чёрные дыры достигают разделения около одного парсека, может потребоваться миллиарды лет, чтобы они орбитировали достаточно близко для слияния - больше, чем возраст Вселенной. Этот 'пробел' в эволюции двойных чёрных дыр называется проблемой последнего парсека.
Наблюдения, такие как обнаружение кандидата в двойную сверхмассивную чёрную дыру
PKS 1302-102, показывают, что слияния действительно происходят, однако механизм, с помощью которого чёрные дыры преодолевают последний парсек, остаётся неясным. Возможные решения включают взаимодействие с окружающими звёздами и газом, тройные взаимодействия с третьей чёрной дырой, или гравитационное излучение на малых расстояниях. Вопрос о том, каковы астрофизические каналы образования слияний двойных чёрных дыр, наблюдаемых через гравитационные волны (такие как событие GW150914, зарегистрированное LIGO в 2015 году), остаётся открытым.
Проблема 4.10. Голая сингулярность и гипотеза космической цензуры. Проблема голой сингулярности и гипотеза космической цензуры была сформулирована Роджером Пенроузом (Roger Penrose) в 1969 году. Гипотеза космической цензуры утверждает, что любые гравитационные сингулярности, возникающие в результате гравитационного коллапса реалистичных распределений материи, должны быть скрыты от удалённого наблюдателя горизонтом событий
чёрной дыры. Иными словами, голые сингулярности (naked singularities), из которых информация могла бы беспрепятственно выходить в асимптотически плоское пространство-время, в природе существовать не должны. Если бы голые сингулярности существовали, это разрушило бы предсказательную силу
общей теории относительности.
Несмотря на десятилетия исследований, гипотеза космической цензуры до сих пор не имеет строгого математического доказательства. Численные симуляции показывают, что в некоторых экстремальных условиях (например, при коллапсе быстро вращающихся облаков) голые сингулярности могут образовываться, однако вопрос о том, реалистичны ли эти условия, остаётся открытым. Разрешение этой проблемы требует полной теории квантовой гравитации и более точных численных решений уравнений Эйнштейна.
Проблема 4.11. Природа 'Маленьких красных точек' (Little Red Dots). Проблема природы 'Маленьких красных точек' (Little Red Dots, LRDs) возникла в 2023-2024 годах после начала работы космического телескопа James Webb (JWST). Астрономы обнаружили популяцию компактных, чрезвычайно красных объектов с широкими линиями излучения в спектрах, существующих в эпоху Космического рассвета (на красных смещениях z ∼ 4-10). Их природа остаётся предметом жёстких дебатов: являются ли они сверхмассивными чёрными дырами, аккрецирующими вещество с необычной геометрией (например, с пылевым тором), или это компактные звёздные скопления с экстремальным звездообразованием, скрытые за пеленой пыли.
Согласно одной из гипотез, 'Маленькие красные точки' представляют собой зародыши сверхмассивных чёрных дыр на ранних стадиях роста, окружённые плотными коконами из газа и пыли, которые эффективно поглощают ультрафиолетовое и оптическое излучение, смещая наблюдаемый спектр в инфракрасную область. Альтернативная модель предполагает, что это компактные звёздные скопления с экстремально высокой скоростью звездообразования, где широкие линии излучения возникают не от аккреционного диска вокруг чёрной дыры, а от быстрых звёздных ветров или сверхновых. Разрешение этой проблемы критически важно для понимания того, как чёрные дыры и галактики формировались и эволюционировали в ранней Вселенной, и требует дальнейших наблюдений с помощью JWST в инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах.
Проблема 4.12. Барионный цикл и окологалактическая среда (CGM). Проблема барионного цикла заключается в непонимании того, как газ, металлы и пыль перетекают внутрь галактик, через них и наружу. Значительная часть барионной материи во Вселенной находится не в самих звёздах, а в разреженной окологалактической среде (Circumgalactic Medium, CGM) и межгалактической среде (Intergalactic Medium, IGM). Каковы точные механизмы галактических ветров, выдувающих тяжёлые элементы из галактик, и как газ из космической паутины (cosmic web) аккрецирует на галактики, питая звездообразование? Наблюдение и моделирование этой невидимой составляющей остаётся одной из главных задач современной астрофизики.
Окологалактическая среда содержит до 50% всех барионов в Вселенной, однако её прямое наблюдение крайне затруднено из-за низкой плотности и высокой температуры (10⁵-10⁷ К). Современные исследования используют абсорбционные линии в спектрах далёких квазаров, эмиссию рентгеновского излучения и эффект Сюняева-Зельдовича для картирования CGM. Однако точная масса, химический состав и динамика этой среды остаются предметом активных дебатов. Понимание барионного цикла критически важно для построения полной теории формирования и эволюции галактик, а также для решения проблемы пропадающих барионов (missing baryons problem).
Проблема 4.13. Пробел масс и распределение спинов чёрных дыр звёздной массы. С развитием гравитационно-волновой астрономии (обсерватории LIGO, Virgo, KAGRA) возникла новая проблема: каково точное распределение масс и спинов чёрных дыр звёздной массы? Наблюдения указывают на существование так называемого 'пробела масс' (mass gap) в диапазоне от примерно 2,5 до 5 солнечных масс, где крайне редко встречаются чёрные дыры (между самыми тяжёлыми нейтронными звёздами и самыми лёгкими чёрными дырами). Этот пробел предсказывается теорией эволюции массивных звёзд, однако отдельные события (такие как GW190814 с объектом массой 2,6 солнечных масс) ставят под сомнение его абсолютный характер.
Кроме того, остаётся неясным, почему спины некоторых чёрных дыр в двойных системах оказываются не выровнены с орбитальным моментом импульса, что указывает на сложные динамические каналы формирования в плотных звёздных скоплениях, а не на изолированную эволюцию двойных звёзд. Статистический анализ данных LIGO-Virgo-KAGRA (каталоги GWTC-1, GWTC-2, GWTC-3) показывает, что значительная доля слияний чёрных дыр может происходить в шаровых скоплениях или ядерных звёздных скоплениях через механизмы динамического захвата. Разрешение этих проблем требует накопления большей статистики гравитационно-волновых событий и развития популяционных моделей
чёрных дыр, связывающих звёздную эволюцию с наблюдаемыми распределениями масс и спинов.
Проблема 5.1. Космологический принцип и напряжённость Хаббла. Проблема космологического принципа была сформулирована в 1930-х годах в рамках метрики Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера (FLRW). Космологический принцип постулирует, что Вселенная является однородной и изотропной на достаточно больших масштабах (свыше 100 мегапарсек). Однако современные наблюдения всё чаще ставят этот принцип под сомнение. Вопрос о том, является ли диполь реликтового излучения чисто кинематическим эффектом, вызванным движением Солнечной системы, или он отражает внутреннюю анизотропию Вселенной, остаётся открытым.
Напряжённость Хаббла (Hubble tension) стала очевидной в 2010-х годах с повышением точности космологических измерений. Она заключается в статистически значимом расхождении (более 5σ) между значением постоянной Хаббла H₀, измеренным в локальной Вселенной с помощью цефеид и сверхновых типа Ia (около 73 км/с/Мпк), и значением, выведенным из данных реликтового излучения в рамках модели ΛCDM (около 67 км/с/Мпк). Является ли напряжённость Хаббла свидетельством того, что космологический принцип ложен, или это указывает на систематические ошибки в измерениях, или на неполноту стандартной космологической модели, остаётся одной из главных проблем современной космологии.
Проблема 5.2. Коперниканский принцип. Проблема Коперниканского принципа была сформулирована в XX веке как обобщение космологического принципа. Коперниканский принцип утверждает, что космологические наблюдения, сделанные с Земли, репрезентативны для наблюдений из других позиций во Вселенной. Однако некоторые наблюдения, такие как крупномасштабная анизотропия в количестве источников и интенсивности в радиодиапазоне (NVSS), а также крупномасштабная анизотропия в оптической поляризации квазаров, ставят под сомнение этот принцип.
Вопрос о том, живём ли мы в особой области Вселенной (например, в гигантской войде), и могут ли наблюдаемые ускорения расширения быть артефактом нашей локальной неоднородности, а не следствием тёмной энергии, остаётся открытым. Разрешение этой проблемы требует более точных наблюдений крупномасштабной структуры Вселенной и развития неоднородных космологических моделей.
Проблема 5.3. Тёмная материя. Проблема тёмной материи была сформулирована Фрицем Цвикки (Fritz Zwicky) в 1933 году для объяснения дисперсии скоростей в скоплениях галактик, а её существование было окончательно подтверждено Верой Рубин в 1970-х годах на основе кривых вращения галактик. Несмотря на то, что тёмная материя составляет около 27% плотности энергии Вселенной и определяет формирование крупномасштабной структуры, её физическая природа неизвестна.
Неясно, является ли тёмная материя новой элементарной частицей, такой как вимп (слабовзаимодействующая массивная частица), аксион, стерильное нейтрино или легчайший суперсимметричный партнёр (LSP), или же наблюдаемые гравитационные эффекты являются следствием модификации законов гравитации на галактических масштабах (например, в рамках модифицированной ньютоновской динамики - MOND). Эксперименты по прямому и непрямому обнаружению тёмной материи на Большом адронном коллайдере и в подземных детекторах до сих пор не дали однозначного положительного результата.
Проблема 5.4. Тёмная энергия. Проблема тёмной энергии была сформулирована в 1998 году после открытия ускоренного расширения Вселенной группами Саула Перлмуттера, Брайана Шмидта и Адама Рисса при наблюдении за сверхновыми типа Ia. Тёмная энергия отвечает за ускоренное расширение Вселенной и составляет около 68% её плотности энергии. Природа тёмной энергии является величайшей загадкой современной космологии.
Является ли тёмная энергия
космологической постоянной Эйнштейна, неизменной во времени и пространстве, или это динамическое скалярное поле, такое как квинтэссенция или фантомная энергия, плотность которого может меняться? Почему плотность энергии тёмной энергии того же порядка величины, что и плотность материи в настоящее время, когда они эволюционируют совершенно по-разному во времени (проблема космического совпадения)? Могут ли модели ранней тёмной энергии разрешить напряжённость Хаббла? Разрешение этих проблем требует более точных измерений параметра уравнения состояния и его возможной зависимости от красного смещения.
Проблема 5.5. Барионная асимметрия Вселенной. Проблема барионной асимметрии Вселенной была сформулирована в 1960-х годах после подтверждения существования реликтового излучения. Теоретические модели Большого взрыва предсказывают, что в ранней Вселенной должно было образоваться равное количество материи и антиматерии. Однако все астрономические наблюдения указывают на то, что наблюдаемая Вселенная состоит практически исключительно из материи, а первичной антиматерии не обнаружено.
Для объяснения этого факта Андрей Сахаров в 1967 году сформулировал три условия, необходимые для бариогенезиса: нарушение барионного числа, нарушение C- и CP-симметрий и отклонение от термодинамического равновесия. Хотя нарушение CP-инвариантности наблюдается в распадах K-мезонов и B-мезонов в рамках Стандартной модели, его величины недостаточно для объяснения наблюдаемой асимметрии. Поиск новых источников нарушения CP-симметрии, например, в секторе нейтрино (через майорановские фазы) или в процессах лептогенезиса и сфалеронных переходах, является одной из главных задач современной физики элементарных частиц.
Проблема 5.6. Проблема космологической постоянной. Проблема космологической постоянной была осознана Яковом Зельдовичем в 1960-х годах и является одной из самых острых проблем теоретической физики. Она заключается в колоссальном расхождении (на 120 порядков!) между теоретическим значением энергии вакуума, предсказываемым квантовой теорией поля, и наблюдаемым значением космологической постоянной, которая отвечает за ускоренное расширение Вселенной.
Согласно квантовой механике, вакуум не является пустым; он заполнен виртуальными частицами, которые создают нулевые колебания и, следовательно, плотность энергии. Эта энергия должна действовать как космологическая постоянная в уравнениях Эйнштейна, создавая чудовищную гравитацию, которая должна была бы разорвать Вселенную за доли секунды. Почему наблюдаемая космологическая постоянная так мала, но не равна нулю, и какой механизм обеспечивает столь точную компенсацию (или тонкую настройку) различных вкладов в энергию вакуума, остаётся полной загадкой. Альтернативные решения включают антропный принцип в мультивселенной или динамические модели квинтэссенции.
Проблема 5.7. Размер и форма Вселенной. Проблема размера и формы Вселенной была сформулирована в XX веке в рамках общей теории относительности. Диаметр наблюдаемой Вселенной составляет около 93 миллиардов световых лет (радиус около 14 гигапарсек), однако истинный размер всей Вселенной за пределами горизонта частиц неизвестен. Открытым вопросом является то, является ли Вселенная бесконечной или она имеет конечный, но неограниченный объём, подобный поверхности трёхмерной сферы.
Вопрос о форме Вселенной касается определения трёхмерного многообразия comoving space (сопутствующего пространства). Согласно общей теории относительности, кривизна пространства может быть положительной (замкнутая сфера), отрицательной (открытое гиперболическое пространство) или нулевой (плоское пространство). Данные реликтового излучения показывают, что кривизна близка к нулю с высокой точностью, но это не исключает сложной топологии. Возможно, Вселенная имеет плоскую, но конечную топологию, например, трёхмерный тор или пространство Пуанкаре (как было предложено Жаном-Пьером Люмине (Jean-Pierre Luminet) и его коллегами в 2003 году). Поиск повторяющихся паттернов в реликтовом излучении (метод 'кругов на небе') до сих пор не дал результатов.
Проблема 5.8. Космическая инфляция. Проблема космической инфляции была сформулирована Аланом Гутом (Alan Guth) в 1980 году и впоследствии развита Андреем Линде, Полом Стейнхардтом и Эндрюсом Альбрехтом. Теория космической инфляции постулирует, что в самые ранние моменты после Большого взрыва
Вселенная пережила период экспоненциального расширения, управляемого скалярным полем, называемым инфлатоном. Инфляция элегантно решает проблему горизонта, проблему плоскостности и проблему отсутствия магнитных монополей, однако детали этого процесса остаются неизвестными.
Открытыми вопросами являются природа инфлатонного скалярного поля и его потенциал. Неясно, является ли инфляция самоподдерживающейся через квантово-механические флуктуации, что приводит к концепции вечной инфляции и мультивселенной, где разные области пространства-времени могут иметь различные физические постоянные и законы физики. Кроме того, наблюдательное подтверждение инфляции через обнаружение первичных гравитационных волн (B-модов поляризации реликтового излучения) до сих пор не получено, что оставляет пространство для альтернативных сценариев, таких как экпиротическая модель или циклическая Вселенная.
Проблема 5.9. Проблема горизонта. Проблема горизонта была сформулирована Чарльзом Мизнером (Charles Misner) и Робертом Дикке (Robert Dicke) в 1960-х годах. Она возникает из наблюдения за высокой степенью изотропии и однородности реликтового излучения по всему небу. Согласно стандартной модели Большого взрыва, различные области Вселенной, которые мы наблюдаем сегодня, в момент рекомбинации (когда было испущено реликтовое излучение) находились друг от друга на расстояниях, превышающих горизонт причинности. Это означает, что они не могли обменяться информацией или тепловой энергией для достижения термодинамического равновесия.
Стандартным решением этой проблемы является теория космической инфляции, которая предполагает, что до периода ускоренного расширения вся наблюдаемая Вселенная находилась в причинно связанной области. Однако, если инфляция не произошла, требуются альтернативные объяснения. Одним из таких объяснений может быть теория переменной скорости света (VSL), предложенная Жуаном Магейжу (João Magueijo) и Андреасом Альбрехтом (Andreas Albrecht) в 1990-х годах, которая постулирует, что в ранней Вселенной
скорость света была на много порядков выше, что позволило удалённым регионам войти в причинный контакт и выровнять свою температуру.
Проблема 5.10. Ось зла и крупномасштабные аномалии реликтового излучения. Проблема 'оси зла' (Axis of evil) была сформулирована в 2004-2005 годах после анализа данных космического аппарата WMAP. Некоторые крупномасштабные особенности микроволнового неба на расстояниях более 13 миллиардов световых лет оказываются выровненными как с движением, так и с ориентацией Солнечной системы. Является ли это следствием систематических ошибок в обработке, загрязнения результатов локальными эффектами или необъяснимым нарушением Коперниканского принципа, остаётся открытым вопросом.
Дополнительные крупномасштабные анизотропии были обнаружены в данных реликтового излучения, включая квадрупольную и октупольную аномалии, которые не согласуются с моделью Большого взрыва. Эти аномалии могут указывать на преимущественное направление во Вселенной или на необходимость пересмотра стандартной космологической модели. Разрешение этой проблемы требует более точных данных от миссий 'Планк' и будущих космических обсерваторий.
Проблема 5.11. Происхождение и судьба Вселенной, и мультивселенная. Проблема происхождения и судьбы Вселенной является одной из самых глубоких проблем космологии. Вопрос о том, почему существует нечто, а не ничто, и как возникли условия для существования материи, энергии и пространства-времени, остаётся без ответа. Современные модели описывают эволюцию Вселенной от планковской эпохи, но не могут объяснить, что предшествовало Большому взрыву или каков механизм самого творения из квантового вакуума.
Что касается будущего, то в зависимости от значений параметра плотности
Ω, уравнения состояния тёмной энергии
w и наличия распада протона, Вселенная может двигаться к сценарию Большого замерзания (тепловой смерти), Большого разрыва (если тёмная энергия является фантомной и её плотность растёт), Большого схлопывания (если гравитация преодолеет расширение) или Большого отскока (в рамках циклических моделей). Вопрос о том, является ли наша Вселенная частью мультивселенной, и могут ли такие идеи быть научно проверяемыми или они навсегда останутся в области псевдонауки, остаётся предметом философских и научных дебатов.
Проблема 5.12. Тёмный поток (Dark Flow). Тёмный поток был обнаружен Александром Кашлинским (Alexander Kashlinsky) и его коллегами в 2008 году (и подтверждён в последующих исследованиях) при анализе кинетического эффекта Сюняева-Зельдовича в реликтовом излучении для сотен скоплений галактик. Исследователи обнаружили, что огромные массы галактик движутся в направлении созвездия Центавр со скоростями, не объяснимыми стандартной моделью формирования крупномасштабной структуры. Существует гипотеза, что это движение вызвано гравитационным притяжением структур, находящихся за пределами наблюдаемой Вселенной (что ставит под сомнение Коперниканский принцип), или что это следствие топологических дефектов, оставшихся после космической инфляции.
Однако независимые анализы данных космической обсерватории 'Планк' (Planck) дали противоречивые результаты: часть исследований не подтвердила наличие тёмного потока, другие указали на его возможные следы с меньшей статистической значимостью. Разрешение этой проблемы требует независимого подтверждения с помощью новых обзоров реликтового излучения (таких как миссии CMB-S4 или LiteBIRD) и более точного учёта систематических погрешностей в определении пекулярных скоростей скоплений галактик. Если тёмный поток будет окончательно подтверждён, это потребует радикального пересмотра стандартной космологической модели ΛCDM и может указать на существование структур за пределами горизонта частиц.
Раздел 6. Внеземная жизнь
Проблема 6.1. Жизнь в Солнечной системе. Проблема существования жизни в Солнечной системе была сформулирована в XX веке после осознания того, что некоторые тела Солнечной системы могут обладать условиями, пригодными для жизни. Особый интерес представляет Марс, где в 2025 году марсоход Perseverance обнаружил потенциальные биосигнатуры в породе в кратере Езеро. Вопрос о том, существует ли прошлая или настоящая жизнь на Марсе, остаётся одной из главных задач планетологии и астробиологии.
Многообещающими кандидатами для поиска жизни являются спутники Юпитера - Европа, Ганимед и Каллисто, которые, как предполагается, имеют подповерхностные океаны жидкой воды. Европейское космическое агентство запустило миссию Jupiter Icy Moons Explorer в 2023 году для исследования этих трёх спутников, а NASA запустило миссию Europa Clipper в 2024 году с масс-спектрометром Surface Dust Analyser, который может идентифицировать следы органических соединений. Разрешение этой проблемы имеет фундаментальное значение для понимания возникновения жизни и её распространённости во Вселенной.
Проблема 6.2. Внеземная жизнь во Вселенной и парадокс Ферми. Проблема внеземной жизни во Вселенной и парадокс Ферми были сформулированы в 1950 году итальянским физиком Энрико Ферми (Enrico Fermi), который задал вопрос: 'Где все?' (Where is everybody?). Если Вселенная содержит потенциально бесконечное количество внеземных цивилизаций, то почему мы не наблюдаем никаких признаков их существования? Этот парадокс Ферми остаётся одной из самых интригующих загадок астробиологии и философии науки.
Возможные решения парадокса Ферми включают: жизнь крайне редка, разумная жизнь само уничтожается (например, через ядерную войну или экологическую катастрофу), внеземные цивилизации намеренно скрывают своё существование (гипотеза зоопарка), или мы неправильно интерпретируем наблюдательные данные. Вопрос о том, какова вероятность возникновения разумной жизни и универсальны ли законы эволюции, остаётся открытым. Разрешение этой проблемы требует как дальнейших астрономических наблюдений (например, с помощью SETI и радиотелескопов), так и развития теоретических моделей
возникновения и эволюции жизни.
Проблема 6.3. Природа сигнала 'Wow!'. Проблема природы сигнала 'Wow!', зарегистрированного 15 августа 1977 года радиоастрономом Джерри Эхманом (Jerry Ehman) на радиотелескопе Big Ear
Университета штата Огайо, остаётся одной из самых загадочных в истории поиска внеземного разума (SETI). Сигнал имел длительность 72 секунды, частоту 1420,456 МГц (близкую к линии водорода 21 см) и интенсивность, в 30 раз превышающую фоновый шум. Сигнал был назван 'Wow!' из-за восклицания Эхмана, написанного им на распечатке данных.
Несмотря на многочисленные попытки повторного обнаружения сигнала с помощью различных радиотелескопов, сигнал 'Wow!' так и не был зарегистрирован повторно. Возможные объяснения включают земные помехи, прохождение кометы (гипотеза, предложенная в 2017 году
Антонио Пари и его коллегами, хотя она была подвергнута критике), или одноразовый сигнал от внеземной цивилизации. Вопрос о том, был ли сигнал 'Wow!' действительно внеземного происхождения, остаётся открытым. Разрешение этой проблемы требует дальнейших наблюдений с помощью современных радиообсерваторий и развития методов анализа сигналов.
Проблема 6.4. Формирование обитаемых сред и поиск биосигнатур. Проблема формирования обитаемых сред и интерпретации биосигнатур была сформулирована в XXI веке после открытия тысяч экзопланет и осознания того, что некоторые из них могут находиться в обитаемой зоне своих звёзд. Вопрос заключается в том, как обитаемые среды возникают и эволюционируют в контексте планетных систем, и как можно идентифицировать и интерпретировать признаки обитаемой жизни в контексте планетных систем.
Современные исследования сосредоточены на поиске биосигнатур в атмосферах экзопланет с помощью космического телескопа James Webb и будущих миссий (таких как HabEx и LUVOIR). Ключевыми биосигнатурами считаются кислород, метан, озон и их сочетания, однако вопрос о том, как отличить биологические сигналы от абиогенных (например, кислород может образовываться при фотолизе воды), остаётся открытым. Разрешение этой проблемы требует развития моделей планетарных атмосфер, лабораторных экспериментов по биохимии и статистических методов анализа наблюдательных данных.