Астрономы первые: Первые астрономы

Первые астрономы

Люди самых далеких от нас по времени цивилизаций считали, что Солнце и Луна — боги. Землю они считали плоской, а небо в их понимании было огромным шатром, который опирается на горы или прочные столбы.

Первые астрономы — древние греки, начиная с 600 года до н. э. по 200 год сумели отойти от таких причудливых представлений. Они смогли доказать, что Земля имеет форму шара, а живший в III веке до н. э. математик Эратосфен с большой точностью рассчитал размер её окружности. Эратосфен установил, что когда в Сиене (S) Солнце находится прямо над головой наблюдателя, в Александрии (А) оно расположено на расстоянии 7,2 градуса от зенита. Угол между А и S должен быть равен 7,2 градуса. Взяв известное ему расстояние между А и S, Эратосфен вычислил размер Земли. Греки считали, что Солнце, Луна и планеты вращаются вокруг Земли по круговым орбитам, звезды же, как им казалось, закреплены неподвижно на громадной сфере, совершающей за день один оборот. Обо всем этом можно узнать в главном труде Птолемея «Альмагест».

В 1543 году польский астроном и священник Николай Коперник рассудил иначе, предположив, что Земля вместе с остальными планетами обращается вокруг Солнца. Хотя эта мысль постепенно приобретала все больше сторонников, все же она встретила серьезное сопротивление со стороны церковных властей. Для большинства верующих католиков Земля обладала особой значимостью, что подтверждалось ее положением в центре, вокруг которого обращались все остальные небесные тела.

Тем не менее, поиски в указанном Коперником направлении продолжались. Датский астроном Тихо Браге сделал множество точных измерений меняющихся положений планет. Его результатами воспользовался немецкий ученый Иоганн Кеплер, доказавший, что все планеты обращаются вокруг Солнца, причем движутся они не по правильным круговым орбитам, а по вытянутым, в форме эллипса. Кеплер открыл свои законы движения планет в период с 1609 по 1619 год.

Первые телескопы

Вначале первые астрономы использовали только телескопы-рефракторы, то есть такие оптические инструменты, в которых одна линза (объектив) собирает лучи, а другая, называемая окуляром, служит для увеличения объекта. Недостатки, присущие линзам, очень скоро привели к тому, что астрономы стали строить огромные телескопы без трубы. В отличие от рефракторов, в телескопах-рефлекторах лучи собираются с помощью зеркала, что обеспечивает ряд преимуществ. Стоунхендж (Англия) древнее сооружение из поставленных по кругу камней, использовался для наблюдения за звездным небом. Различные виды телескопов подробно описаны в статье Оптические телескопы — виды, классификация, оптические схемы.

Следующий важный шаг был сделан, когда астрономы стали применять телескоп. Его изобрел в 1608 году голландский мастер Ганс Липпершей, занимавшийся изготовлением очков. Но для наблюдения неба телескоп впервые использовал итальянский астроном Галилео Галилей. В 1609 году он построил несколько телескопов, с помощью которых ему удалось открыть многое из того, о чем раньше никто не догадывался. Ученый увидел кратеры на Луне, пятна на Солнце, наблюдал фазы Венеры и обнаружил, что вокруг Юпитера обращаются четыре спутника.

Английский ученый Исаак Ньютон, в свою очередь, доказал, что все тела притягиваются друг к другу и что сила их взаимного тяготения, гравитации, зависит от массы и расстояния. Благодаря своему открытию Ньютон объяснил, почему Луна обращается вокруг Земли, а планеты в соответствии с законами Кеплера движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. Имя Ньютона связывают также с изобретением нового типа телескопа — рефлектора.

Астролябия

С помощью астролябии, изобретенной древними греками, можно определить, где находится та или иная звезда, узнать время восхода и захода звезд, а также в какой точке неба следует искать звезду в определенный момент. Прибор состоял из неподвижного диска и вращающейся рамки, на которой были отмечены самые яркие звезды. Поворотом рамки воспроизводилось движение звезд. Направив визир на звезду, определяли ее высоту.

Исторические вехи астрономии:

1543 год. Коперник обнародует свою гелиоцентрическую теорию.

1576-1596 годы Тихо Браге наблюдает движение планет.

1608 год Липперсгей изобретает телескоп.

1609 год Кеплер формулирует свои первый закон, согласно которому планеты движутся по эллиптическим орбитам.

1609-1610 годы Галилей наблюдает небо с помощью телескопа.

1668 год Ньютон создает первый телескоп-рефлектор.

1687 год Ньютон формулирует свои законы тяготения и механического движения.

В древности первые астрономы считали, что все звезды закреплены на огромной сфере, которая за сутки совершает полный оборот вокруг Земли. Теперь всем известно, что небесные светила по-разному удалены от нас и их кажущееся движение вокруг Земли объясняется вращением нашей планеты вокруг своей оси. Тем не менее, для простоты описания положения звезд, их восходов и заходов, удобно считать их находящимися на внутренней поверхности шара, которая называется небесной сферой. Земля вращается в направлении с запада на восток, но нам кажется, что вращается -в противоположную сторону — небесная сфера, поэтому Солнце, Луна, звезды и планеты восходят на востоке и заходят на западе. Солнце, Луна и планеты к тому же медленно перемещаются на фоне звезд.

Небесная сфера

У небесной сферы есть северный, южный полюс и экватор. Половина небесной сферы в любое время суток скрыта от наблюдателя за горизонтом. В результате видимого вращения неба звезды описывают круги различных размеров вокруг полюсов.

Звезды, находящиеся вблизи полюса, называют околополярными, они никогда не уходят за горизонт. Ответить на вопрос, какие из наблюдаемых звезд являются околополярными, можно, зная широту, на которой находится наблюдатель. Звезды, расположенные рядом с другим полюсом, никогда не восходят. Остальные, из средней части сферы, в определенный час появляются над горизонтом и через некоторое время заходят. Солнце медленно перемещается на небесной сфере по большому кругу, который называется эклиптикой.

Если объектив фотоаппарата направить на полюс и сделать большую выдержку, то на снимке получатся круги, очерченные звездами полюса благодаря вращению Земли.

Восходы и заходы

Земля вращается с запада на восток: против часовой стрелки, если смотреть со стороны Северного полюса. На пяти рисунках видно, как по мере вращения Земли меняется положение телескопа. Стрелки компаса показывают направления на север, восток, юг и запад из точки, где находится телескоп. (1) Телескоп направлен на восток, и звезда только начинает подниматься над восточной частью горизонта. (3) Теперь звезда достигла своей высшей точки. (5) Телескоп направлен на запад, и звезда уже заходит в западной части горизонта. На диаграмме внизу показан видимый путь звезды на небе.

Определение расстояний

По мере движения Земли вокруг Солнца положение близкой к нам звезды на небесной сфере меняется. Более отдаленная от нас звезда тоже перемещается, но менее заметно. Такое видимое смещение называется параллаксом. Измеряя параллаксы, астрономы могут, зная расстояние между Землей и Солнцем, вычислить, насколько та или иная звезда удалена от Солнца.

Большой Ковш изменяет форму

Каждая звезда передвигается в космическом пространстве, но звезды так настолько от нас, что невооруженным глазом невозможно увидеть эти изменения даже в течение жизни человека. На верхней части рисунка видно знакомую нам современную форму Большого Ковша, а на нижней части рисунка показано, каким он будет примерно через 100 тыс. лет. Такое изменение расположения звезд в пространстве называют собственным движением. Слабая красная звезда Барнарда в 6 световых годах от нас имеет самое большое собственное движение из известных звезд. За 180 лет она проходит на небе расстояние, равное размеру Луны.

115. Кто были первые астрономы?. Твиты о вселенной

115. Кто были первые астрономы?

Астрономия — самая старая из наук. Или так говорят про астрономов. Первыми астрономами были доисторические люди, задававшиеся вопросом, каковы Солнце, Луна и звезды.

Ежедневное движение Солнца установило часы. Ежемесячные фазы Луны и ежегодная смена времен года создали календарь. Звезды обеспечили ориентацию.

Вырезанный из кости животных календарь (Франция, 30 000 до н. э.), возможно, был первым лунным календарем. Наскальные рисунки пещеры Ласко[36] (15 300 до н. э.), возможно, изображают созвездия.

Стоунхендж, построенный в 3100–1600 до н. э., был примитивной обсерваторией для наблюдений за сменой времен года. Солнце в день летнего солнцестояния все еще поднимается над камнем Каблук.

В каждой культуре небесные тела были идентифицированы с божествами (богами). Только изучение их перемещений, казалось, было способом узнать о божественных планах.

Результат: астрология — система суеверий, что события на Земле управляются событиями в небе. Множество людей все еще полагают, что это верно.

Затмения Солнца и Луны, соединения (парад) планет, метеорные потоки или появления комет, как правило, рассматриваются как предвестники войны или голода.

В каждой культуре небесные тела также играют роль в создании мифов. Тысячелетия астрономия была тесно связана с религией.

Первые астрономы имели одно общее представление: Земля была центром Вселенной. Выйдите на улицу, посмотрите вверх, и вы поймете почему.

87. Как были обнаружены галактики?

87.  Как были обнаружены галактики?
В XVIII в. астрономы были безумно увлечены охотой за кометами. Но ночное небо содержит много туманных пятен, которые могут быть ошибочно приняты за кометы.Для оказания помощи охотникам за кометами в 1784 Шарль Мессье составил каталоги

125. Как астрономы избавляются от мерцания звезд?

125. Как астрономы избавляются от мерцания звезд?
Чтобы увидеть звезды, вам потребуется безоблачная ночь. Но даже кристально чистое небо несовершенно. Турбулентность атмосферы Земли ухудшает видимость.Звездный свет проходит через движущиеся воздушные пузырьки с

126. Почему астрономы соединяют телескопы вместе?

126. Почему астрономы соединяют телескопы вместе?
Большие телескопы обеспечивают более острый взгляд на Вселенную. Тот же результат можно получить, соединив вместе два или более телескопа меньших размеров. Используется техника интерферометрии. Хитрость в том, чтобы

135. Как же астрономы измеряют температуру Вселенной?

135. Как же астрономы измеряют температуру Вселенной?
Инфракрасное (ИК) излучение с длиной волны от 700 нм до 1 мм было открыто в 1800 Уильямом Гершелем (1738–1822).Гершель использовал призму, чтобы получить спектр солнечного света, от красного до синего. Он использовал

137. Как астрономы делают рентген Вселенной?

137. Как астрономы делают рентген Вселенной?
Самые высокоэнергетические виды излучения в природе — рентгеновские лучи (Х-лучи, длина волны 0,01–10 нм) и гамма-лучи (все, что короче 0,01 нм).На Земле рентгеновские лучи используются в медицинских целях. Энергия их квантов

Ранняя астрономия

Ранняя астрономия

Как астрономы революционизировали наш взгляд на космос

в 1835 году. были сделаны из. «Мы понимаем возможность определения их форм, их расстояний, их размеров и их движений, — писал он, — тогда как мы никогда не знали бы, как каким-либо образом изучить их химический состав, или их минералогическую структуру, и, тем более, природа любых организованных существ, которые могут жить на их поверхности».

Граф был бы ошеломлен открытиями, сделанными с тех пор. Сегодня мы знаем, что Вселенная намного больше и страннее, чем кто-либо подозревал. Мало того, что она простирается за пределы Млечного Пути к бессчетному количеству других галактик — это стало бы неожиданностью для астрономов 19-го и начала 20-го веков, для которых наша галактика была «вселенной», — она расширяется с каждым днем ​​все быстрее. Теперь мы можем с уверенностью проследить космическую историю на 13,8 миллиарда лет назад, до момента, составляющего всего одну миллиардную долю секунды после Большого взрыва. Астрономы определили скорость расширения нашей Вселенной, среднюю плотность ее основных компонентов и другие ключевые числа с точностью до 1 или 2 процентов. Они также разработали новые законы физики, управляющие пространством, — общую теорию относительности и квантовую механику, — которые оказались гораздо более диковинными, чем классические законы, которые люди понимали раньше. Эти законы, в свою очередь, предсказали космические странности, такие как черные дыры, нейтронные звезды и гравитационные волны. История о том, как мы получили это знание, полна случайных открытий, ошеломляющих сюрпризов и упорных ученых, преследующих цели, которые другие считали недостижимыми.

Наш первый намек на истинную природу звезд пришел в 1860 году, когда Густав Кирхгоф обнаружил, что темные линии в спектре света, исходящего от Солнца, вызваны различными элементами, поглощающими определенные длины волн. Астрономы проанализировали подобные особенности в свете других ярких звезд и обнаружили, что они сделаны из тех же материалов, что и на Земле, а не из какой-то таинственной «пятой сущности», как считали древние.

Но потребовалось больше времени, чтобы понять, какое топливо заставляет звезды сиять. Лорд Кельвин (Уильям Томсон) подсчитал, что если звезды черпают свою энергию только из-за гравитации, медленно уменьшаясь по мере утечки их излучения, то возраст Солнца составляет от 20 до 40 миллионов лет — намного меньше времени, чем предполагали Чарльз Дарвин или геологи того времени. прошло на Земле. В своей последней статье на эту тему в 19 г.08 Кельвин вставил оговорку о побеге, в которой говорилось, что он будет придерживаться своей оценки, «если только не будет какого-то другого источника энергии, заложенного в хранилище творения».

Этот источник, как оказалось, является ядерным синтезом — процессом, посредством которого атомные ядра соединяются, чтобы создать большее ядро ​​и высвободить энергию. В 1925 году астрофизик Сесилия Пейн-Гапошкин использовала световые спектры звезд для расчета их химического состава и обнаружила, что, в отличие от Земли, они состоят в основном из водорода и гелия. Она изложила свои выводы в том, что астроном Отто Струве назвал «самым блестящим доктором философии». диссертацию, когда-либо написанную по астрономии». Спустя десятилетие физик Ганс Бете показал, что синтез ядер водорода в гелий был основным источником энергии в обычных звездах.

Что является источником солнечной энергии? Ответ — термоядерный — пришел в 1938 году. Фото: SOHO (ESA and NASA)

В то же время звезды становились менее загадочными, а природа нечетких «туманностей» становилась все более ясной. В «больших дебатах», проведенных перед Национальной академией наук в Вашингтоне, округ Колумбия, 26 апреля 1920 года, Харлоу Шепли утверждал, что наш Млечный Путь является выдающимся и что все туманности являются его частью. Напротив, Хибер Кертис утверждал, что некоторые нечеткие объекты в небе были отдельными галактиками — «островными вселенными» — полностью равными нашему Млечному Пути. Конфликт разрешился не той ночью, а всего через несколько лет, в 1924, когда Эдвин Хаббл измерил расстояния до многих туманностей и доказал, что они находятся за пределами Млечного Пути. Его свидетельство пришло от цефеид, переменных звезд в туманностях, которые показывают свою истинную яркость и, следовательно, расстояние до них по периоду пульсации — связь, открытая Генриеттой Свон Ливитт.

Вскоре после того, как Хаббл понял, что Вселенная больше, чем многие думали, он обнаружил, что она все еще растет. В 1929 году он обнаружил, что спектральные особенности в звездном свете далеких галактик кажутся более красными, то есть имеют более длинные волны, чем те же самые особенности у ближайших звезд. Если бы этот эффект интерпретировать как доплеровский сдвиг — естественное распространение волн по мере их удаления, — это означало бы, что другие галактики удаляются друг от друга и от нас. Действительно, чем дальше они были, тем быстрее казался их спад. Это был первый ключ к пониманию того, что наш космос не статичен, а все время расширяется.

Вселенная также содержала многое, чего мы не могли видеть. В 1933 году Фриц Цвикки оценил массу всех звезд в скоплении галактик Кома и обнаружил, что они составляют лишь около 1 процента массы, необходимой для того, чтобы скопление не разлеталось на части. Это несоответствие было названо «проблемой недостающей массы», но многие ученые в то время сомневались в предположении Цвикки, что виновата скрытая материя. Этот вопрос оставался спорным до 1970-х годов, когда работа Веры Рубин и У. Кента Форда (наблюдение за звездами) и Мортона Робертса и Роберта Уайтхерста (проводящие радионаблюдения) показала, что внешние части галактических дисков также разлетелись бы, если бы они не подверглись воздействию к более сильному гравитационному притяжению, чем могут обеспечить только звезды и газ. Наконец, большинство астрономов были вынуждены признать, что некая «темная материя» должна присутствовать. «Мы заглянули в новый мир, — писал Рубин, — и увидели, что он более загадочен и сложен, чем мы себе представляли». Сейчас ученые считают, что количество темной материи превышает количество видимой материи примерно в пять раз, но мы едва ли приблизились к ней, как в 19-м веке.30 лет, чтобы понять, что это такое.

Гравитация, сила, которая открыла всю эту темную материю, оказалась почти столь же загадочной. Поворотный момент наступил в 1915 году, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, которая превзошла механику Исаака Ньютона и показала, что гравитация на самом деле является деформацией ткани пространства и времени. Эта новая теория медленно приживалась. Даже после того, как наблюдения за солнечным затмением 1919 года доказали ее правильность, многие отвергли эту теорию как интересную причуду — в конце концов, законы Ньютона все еще были достаточно хороши для расчетов большинства вещей. «Открытия, хотя и очень важные, однако ни на что не повлияли на этой земле», — сказал астроном У.Дж.С. Локьер сказал 901:41 New York Times после затмения. В течение почти полувека после того, как она была предложена, общая теория относительности была оттеснена от основного течения физики. Затем, начиная с 1960-х годов, астрономы начали открывать новые и экстремальные явления, которые могли объяснить только идеи Эйнштейна.

Один из примеров скрывается в Крабовидной туманности, одном из самых известных объектов на небе, который состоит из расширяющихся обломков сверхновой звезды, свидетелями которой стали китайские астрономы в 1995 г. н.э. 1054. С момента своего появления туманность продолжает сиять голубым и ярким — но как? Его источник света был давней загадкой, но ответ пришел в 1968, когда выяснилось, что тусклая звезда в его центре совсем не нормальная. На самом деле это была ультракомпактная нейтронная звезда, тяжелее Солнца, но всего несколько миль в радиусе и вращающаяся со скоростью 30 оборотов в секунду. «Это был совершенно неожиданный, совершенно новый тип объекта, который вел себя так, как астрономы никогда не ожидали и о чем даже не мечтали», — сказала Джоселин Белл Бернелл, одна из первооткрывателей этого явления. Чрезмерное вращение звезды посылает ветер быстрых электронов, которые генерируют синий свет. Гравитационная сила на поверхности такого невероятно плотного объекта выходит далеко за пределы поля зрения Ньютона — ракете нужно было бы запуститься со скоростью, равной половине скорости света, чтобы избежать ее притяжения. Здесь необходимо учитывать релятивистские эффекты, предсказанные Эйнштейном. Были обнаружены тысячи таких вращающихся нейтронных звезд, называемых пульсарами. Считается, что все они являются остатками ядер звезд, взорвавшихся как сверхновые, и представляют собой идеальную лабораторию для изучения законов природы в экстремальных условиях.

Самым экзотическим результатом теории Эйнштейна была концепция черных дыр — объектов, которые коллапсировали настолько, что даже свет не может вырваться из-под их гравитационного притяжения. На протяжении десятилетий это были только предположения, и в 1939 году Эйнштейн писал, что они «не существуют в физической реальности». Но в 1963 году астрономы открыли квазары: загадочные сверхсветящиеся маяки в центрах некоторых галактик. Прошло более десяти лет, прежде чем возник консенсус, что эта интенсивная яркость была вызвана завихрением газа в огромных черных дырах, скрывающихся в ядрах галактик. Это было самым убедительным доказательством того, что эти причудливые предсказания общей теории относительности действительно существуют.

Когда возникла Вселенная? Было ли у него вообще начало? Астрономы долго обсуждали эти вопросы, когда в середине 20-го века две конкурирующие теории предложили очень разные ответы. В модели «горячего большого взрыва» говорится, что космос изначально был очень маленьким, горячим и плотным, а затем со временем остыл и расширился. Гипотеза «стационарного состояния» утверждала, что Вселенная по существу всегда существовала в одной и той же форме.

Спор был решен благодаря счастливому открытию. В 1965 радиоастрономов Арно Пензиас и Роберт Уилсон пытались откалибровать новую антенну в Bell Labs в Нью-Джерси. У них была проблема: независимо от того, что они делали для уменьшения фоновых помех, они измеряли постоянный уровень шума во всех направлениях. Они даже выселили семью голубей, которые гнездились в антенне, в надежде, что они были источником проблемы. Но сигнал остался. Они обнаружили, что межгалактическое пространство не совсем холодное. Вместо этого он нагревается почти до трех градусов Кельвина (чуть выше абсолютного нуля) слабыми микроволнами. Пензиас и Уилсон случайно обнаружили «послесвечение творения» — остывший и разбавленный реликт эпохи, когда все во Вселенной было сжато, пока не стало горячим и плотным.

Это открытие твердо склонило чашу весов в пользу теории большого взрыва в космологии. Согласно этой модели, в самые ранние, самые жаркие эпохи Вселенная была непрозрачна, как внутренность звезды, и свет многократно рассеивался электронами. Однако когда температура упала до 3000 кельвинов, электроны замедлились достаточно, чтобы быть захваченными протонами и создать нейтральные атомы. После этого свет мог свободно путешествовать. Сигнал Лабораторий Белла был этим древним светом, впервые выпущенным примерно через 300 000 лет после рождения Вселенной и все еще пронизывающим космос — тем, что мы называем космическим микроволновым фоном. Потребовалось некоторое время, чтобы ученые, которые его сделали, осознали важность открытия. «Мы были очень рады получить возможное объяснение [шумов антенны], но я не думаю, что кто-то из нас поначалу серьезно относился к космологии», — говорит Уилсон. «Уолтер Салливан написал статью на первой странице в New York Times , и в тот момент я начал думать, что, может быть, мне стоит начать серьезно относиться к этой космологии».

Измерения этого излучения с тех пор позволили ученым понять, как возникли галактики. Точные наблюдения за микроволнами показывают, что они не полностью однородны по небу. Некоторые участки немного горячее, другие чуть прохладнее. Амплитуда этих колебаний составляет всего одну стотысячную часть, но они являются зародышем сегодняшней космической структуры. Любая область расширяющейся Вселенной, которая вначале была немного плотнее средней, расширялась меньше, потому что подвергалась дополнительной гравитации; его рост отставал все дальше и дальше, контраст между его плотностью и плотностью его окружения становился все больше и больше. В конце концов эти сгустки стали достаточно плотными, чтобы газ втягивался внутрь и сжимался в звезды, образуя галактики. Ключевой момент заключается в следующем: компьютерные модели, моделирующие этот процесс, получают исходные флуктуации, измеренные в космическом микроволновом фоне, которые представляют Вселенную, когда ей было 300 000 лет. Результатом по прошествии 13,8 миллиардов лет виртуального времени является космос, в котором галактики напоминают те, что мы видим, сгруппированные так же, как в реальной Вселенной. Это настоящий триумф: мы понимаем, хотя бы в общих чертах, 99,998 процента космической истории.

Мы пришли к пониманию не только большой космической картины . Ряд открытий также раскрыл историю элементарных строительных блоков, из которых состоят звезды, планеты и даже наши собственные тела.

Начиная с 1950-х годов прогресс в атомной физике привел к точному моделированию поверхностных слоев звезд. В то же время детальное знание ядер не только атомов водорода и гелия, но и остальных элементов позволило вычислить, какие ядерные реакции преобладают на разных этапах жизни звезды. Астрономы пришли к пониманию того, как ядерный синтез создает структуру луковичной кожи в массивных звездах, поскольку атомы последовательно сливаются, образуя все более и более тяжелые элементы, заканчивая железом в самом внутреннем, самом горячем слое.

Внутри Крабовидной туманности находится нейтронная звезда: классическая физика не работает, и применяется теория относительности. Предоставлено: НАСА, ЕКА и группа наследия Хаббла (STSCI и AURA). Затем более легкие звезды тихо угасают в виде плотных тусклых объектов, называемых белыми карликами, но более тяжелые звезды теряют большую часть своей массы либо из-за ветра в течение своей жизни, либо из-за взрыва сверхновой. Эта выброшенная масса имеет решающее значение для нашего собственного существования: она смешивается с межзвездной средой и вновь конденсируется в новые звезды, вокруг которых вращаются такие планеты, как Земля. Концепция была придумана Фредом Хойлом, разработавшим ее в XIX веке.50-х вместе с двумя другими британскими астрономами, Маргарет Бербидж и Джеффри Бербидж, и американским физиком-ядерщиком Уильямом Фаулером. В своей классической статье 1957 года в журнале Reviews of Modern Physics (известном по инициалам авторов как BBFH) они проанализировали сети задействованных ядерных реакций и обнаружили, как появилось большинство атомов в периодической таблице. Они рассчитали, почему, например, кислород и углерод распространены, а золото и уран — редко. Наша галактика, как оказалось, представляет собой огромную экологическую систему, в которой газ перерабатывается с помощью последовательных поколений звезд. В каждом из нас есть атомы, образовавшиеся в десятках разных звезд, разбросанных по Млечному Пути, живших и умерших более 4,5 миллиардов лет назад.

Долгое время ученые предполагали, что этот процесс засевает планеты — и, возможно, даже жизнь — вокруг звезд, отличных от нашего Солнца. Но мы не знали наверняка, существуют ли планеты за пределами нашей Солнечной системы, до 1990-х годов, когда астрономы разработали хитрые методы идентификации миров, которые слишком тусклые, чтобы мы могли видеть их напрямую. Один метод ищет крошечные периодические изменения в движении звезды, вызванные гравитационным притяжением планеты, вращающейся вокруг нее. В 1995 году Мишель Майор и Дидье Кело использовали эту стратегию для обнаружения 51 Pegasi b, первой известной экзопланеты, вращающейся вокруг солнцеподобной звезды. Этот метод может определить массу планеты, продолжительность ее «года» и форму ее орбиты. На сегодняшний день таким образом найдено более 800 экзопланет. Второй метод лучше работает для меньших планет. Звезда немного тускнеет, когда перед ней проходит планета. Земноподобная планета, проходящая мимо солнцеподобной звезды, может вызвать затемнение примерно на одну часть из 10 000 за один оборот. Космический аппарат Кеплер запущен в 2009 году.таким образом было найдено более 2000 планет, многие из которых не больше Земли. Большим сюрпризом, вызванным успехом астрономов в поиске планет, стало разнообразие различных планет, многие из которых намного крупнее и ближе к своим звездам, чем тела в нашей Солнечной системе, что позволяет предположить, что наше космическое соседство может быть чем-то особенным.

К этому моменту ученые поняли, откуда произошли почти все элементы, из которых состоят планеты, звезды и галактики. Однако последняя часть этой головоломки появилась совсем недавно и в результате, казалось бы, не связанного с этим расследования.

Общая теория относительности предсказала явление, называемое гравитационными волнами — рябь в пространстве-времени, вызванная движением массивных объектов. Однако, несмотря на десятилетия их поиска, никаких волн не наблюдалось — до сентября 2015 года. Именно тогда Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) обнаружила первое свидетельство существования гравитационных волн в виде «чирпа» — минутного сотрясения. пространства-времени, которое ускоряется, а затем исчезает. В данном случае это было вызвано двумя черными дырами в бинарной системе, которые сначала вращались вокруг друг друга, но постепенно скручивались по спирали и в конечном итоге сошлись в единую массивную дыру. Авария произошла на расстоянии более миллиарда световых лет. Детекторы LIGO состоят из зеркал, расположенных на расстоянии четырех километров друг от друга, расстояние между которыми измеряется лазерными лучами, отражающими свет туда и обратно между ними. Проходящая гравитационная волна заставляет пространство между двумя зеркалами колебаться на величину, в миллионы раз меньшую, чем диаметр одного атома — LIGO действительно является удивительным достижением точной инженерии и настойчивости.

С момента первой находки было обнаружено более дюжины подобных событий, открывающих новую область, исследующую динамику самого космоса. Одно событие представляло особый астрофизический интерес, поскольку оно сигнализировало о слиянии двух пульсаров. В отличие от слияния черных дыр, при таком столкновении, когда происходит столкновение двух сверхплотных звезд, возникает импульс оптического света, рентгеновского и гамма-излучения. Открытие заполнило пробел в классической работе BBFH: авторы объяснили происхождение многих элементов в космосе, но были сбиты с толку ковкой золота. В 19В 70-х годах Дэвид Н. Шрамм и его коллеги предположили, что экзотические ядерные процессы, связанные с гипотетическими слияниями звезд-пульсаров, могут выполнить эту работу — теория, которая с тех пор подтвердилась.

Несмотря на невероятный прогресс в астрономии за последние 175 лет, сейчас у нас, возможно, больше вопросов, чем тогда.

Возьмите темную материю. Известно, что более 20 лет назад я сказал, что мы узнаем природу темной материи задолго до сегодняшнего дня. Хотя это предсказание оказалось неверным, я не терял надежды. Однако темная энергия — это совсем другая история. Темная энергия вошла в картину в 1998, когда исследователи, измерившие расстояния и скорости сверхновых, обнаружили, что расширение Вселенной на самом деле ускоряется. Гравитационное притяжение, притягивающее галактики друг к другу, казалось, было подавлено таинственной новой силой, скрытой в пустом пространстве, которая разталкивает галактики — силой, которая стала известна как темная энергия. Тайна темной энергии не исчезла — мы до сих пор не знаем, что вызывает ее или почему она обладает такой силой, — и мы, вероятно, не поймем ее, пока не получим модель зернистости пространства в масштабе в миллиард миллиардов раз. меньше атомного ядра. Теоретики, работающие над теорией струн или петлевой квантовой гравитацией, берутся за эту задачу, но кажется, что это явление настолько далеко от того, чтобы быть доступным для какого-либо эксперимента, что я не ожидаю ответов в ближайшее время. Положительным моментом, однако, является то, что теория, которая может объяснить энергию в космическом вакууме, может также дать представление о самом начале нашей Вселенной, когда все было настолько сжатым и плотным, что квантовые флуктуации могли сотрясать весь космос.

Что подводит нас к другому важному вопросу, стоящему перед нами сейчас: как все началось? Что именно вызвало Большой взрыв, с которого началась наша Вселенная? Испытывало ли пространство период чрезвычайно быстрого раннего расширения, называемого инфляцией, как полагают многие теоретики? И еще кое-что: некоторые модели, такие как вечная инфляция, предполагают, что «наш» Большой взрыв мог быть всего лишь одним островком пространства-времени в огромном архипелаге — одним большим взрывом среди многих. Если эта гипотеза верна, разные большие взрывы могут остывать по-разному, что в каждом случае приводит к уникальным законам физики — «мультивселенной», а не вселенной. Некоторые физики ненавидят концепцию мультивселенной, потому что она означает, что у нас никогда не будет четких объяснений фундаментальных чисел, управляющих нашими физическими законами, которые с этой более широкой точки зрения могут быть просто случайностями окружающей среды. Но наши предпочтения не имеют отношения к природе.

Около 10 лет назад я участвовал в дискуссии в Стэнфордском университете, где кто-то из аудитории спросил нас, сколько мы готовы поставить на концепцию мультивселенной. Я сказал, что по шкале ставок на мою золотую рыбку, мою собаку или мою жизнь я был почти на уровне собаки. Андрей Линде, который 25 лет пропагандировал вечную инфляцию, сказал, что готов поставить на кон свою жизнь. Позже, узнав об этом, физик Стивен Вайнберг сказал, что с радостью поставил бы на кон жизнь моей собаки и Линде. Линде, моя собака и я все умрем до того, как вопрос будет решен. Но ничего из этого не следует отвергать как метафизику. Это спекулятивная наука — захватывающая наука. И это может быть правдой.

И что будет с этой вселенной — или мультивселенной — нашей? Долгосрочные прогнозы редко бывают надежными, но лучшая и самая консервативная ставка состоит в том, что впереди нас ждет почти вечность, а космос становится все более холодным и все более пустым. Галактики будут ускоряться и исчезать. Все, что останется с нашей точки зрения, это остатки Млечного Пути, Андромеды и меньших соседей. Протоны могут распадаться, частицы темной материи могут аннигилировать, могут возникать случайные вспышки при испарении черных дыр — а затем тишина.

Это возможное будущее основано на предположении, что темная энергия остается постоянной. Однако, если он распадется, может произойти «большой хруст», когда Вселенная сожмется сама в себе. Или, если темная энергия усилится, произойдет «большой разрыв», когда галактики, звезды и даже атомы будут разорваны на части.

Другие вопросы, более близкие к дому, мучают нас. Может ли быть жизнь на любой из этих новых планет, которые мы открываем? Здесь мы все еще находимся в области предположений. Но если зарождение жизни на Земле не связано с редкой случайностью, я ожидаю свидетельства биосферы на экзопланете в течение 20 лет. Я не буду затаить дыхание из-за открытия инопланетян, но я думаю, что поиск внеземного разума — стоящая авантюра. Успех в поиске будет нести важное сообщение о том, что понятия логики и физики не ограничиваются аппаратным обеспечением в человеческом черепе.

До сих пор прогресс в космологии и астрофизике на 95 % зависел от совершенствования инструментов и технологий и менее чем на 5 % — от кабинетной теории. Я ожидаю, что этот баланс сохранится. То, что Хаббл писал в 1930-х годах, остается хорошим изречением и сегодня: «Пока не будут исчерпаны эмпирические ресурсы, нам не нужно переходить к мечтательным сферам спекуляций».

За последние 175 лет было много особенно волнующих эпох — 1920-е и 1930-е, когда мы поняли, что Вселенная не ограничивается Млечным Путем, и 1960-е и 1970-е годы, когда мы обнаружили объекты, бросающие вызов классической физике, такие как нейтронные звезды и квазары, и ключи к началу времени из космического микроволнового фона. С тех пор темпы прогресса скорее увеличились, чем замедлились.

Когда будет написана история науки, этот поразительный прогресс будет воспринят как один из ее величайших триумфов — там, наверху, с тектоникой плит, геномом и Стандартной моделью физики элементарных частиц. И некоторые основные области астрономии только начинают развиваться. Исследованиям экзопланет всего 25 лет, а серьезная работа в астробиологии действительно только начинается. На некоторых экзопланетах может быть жизнь — они могут даже содержать инопланетян, которые уже знают все ответы. Я нахожу это обнадеживающим.

Авторы и права: Мориц Стефанер и Кристиан Лессер
Для получения дополнительной информации см. « Визуализация 175 лет слов в журнале Scientific American»

Эта статья была первоначально опубликована под названием «Наше место во Вселенной» в журнале Scientific American 323, 3, 58-64 (сентябрь 2020 г.)

doi:10.1038/scientificamerican0920-58

ОБ АВТОРЕ(АХ)

Мартин Риз – астрофизик, с 19 лет являющийся Королевским астрономом Великобритании.