Содержание
Великие открытия в астрономии — Физика и астрономия
До недавних пор единственным источником света для человечества было небо: днем – Солнце, ночью – бесконечное множество звезд. С незапамятных времен люди верили, что Солнце и звезды – создания божественные, принадлежащие к другому миру. И они были правы. Уже многие тысячелетия человек устремлял взгляд на небо, но только совсем недавно смог рассмотреть все как следует и понять свою связь с космосом. Сейчас мы можем видеть дальше и четче, мы можем наблюдать за объектами, невидимыми человеческому глазу. Это все более совершенная способность видеть позволила человеку сделать величайшие открытия, пролившие свет на тайну удивительной и прекрасной Вселенной. Движение планет Это великое открытие было сделано много веков назад. В те времена первые люди наблюдали за движением небесных светил, всматриваясь в безоблачное небо пустынь юго-запада Северной Америки, Ближнего Востока, Африки и Южной Америки. Астрономы Месопотамии сделали наиболее важные открытия. Они считали небесные тела богами и строили громадные башни, чтобы следить за восходом и закатом Солнца, Луны и звезд. Более тысячелетия они использовали глиняные таблички для записи того, что они видели. После первых записей, сделанных в Месопотамии, настала очередь греков. Несколько греческих астрономов отправились в Месопотамию, чтобы узнать, чего удалось добиться местным ученым. Впоследствии они вернулись домой с систематическими записями, которые стали основой математической теории движения планет. На основании своих наблюдений греки разработали модель Солнечной системы, которая просуществовала около двух тысяч лет. Она гласила, что планеты вращаются вокруг Земли. Следующее великое открытие исправило неверную картину.
Движение Земли 1543 год. Умирает 70-летний юрист. Последние 40 лет своей жизни он занимался астрономией, его звали Николай Коперник. Именно он опроверг одно из наиболее основательных и даже священных убеждений современности. Еще в молодости Коперник изучал движение небесных тел и пришел к выводу, что геоцентрическая система, разработанная греками, не может объяснить движение планет. Он задумался: а вдруг Земля двигается сама? Коперник понял, что движение планет намного легче объяснить, если поместить Солнце в центр системы и представить, что Земля вращается вокруг него как обычная планета. Это была революционная идея! Не имея никаких доказательств, что Земля на самом деле вращается вокруг Солнца, он выпустил книгу, излагающую его новую теорию. Эта теория и книга перевернула мир, потому что она давала Земле роль простой планеты, а Солнце перемещала в центр системы.
Эллиптические орбиты планет И греки, и Коперник считали, что орбиты планет круглые. Но в 1571 году немецкий математик Йоганн Кеплер разрушил это предположение, сделав еще одно великое открытие. У Кеплера не было возможности проводить обширные расчеты, и он придумывал другие способы, чтобы рассчитать круговую орбиту Марса. По мере того, как он работал, становилось понятно, что общепринятая модель, в которой планеты движутся по круговым орбитам, попросту неверна. Ему в голову пришла новая мысль. Кеплер понял, что Солнце каким-то образом, каким он не совсем понимал, влияет на планеты. Однако, все вставало на свои места, если предположить, что орбиты планет не круглые, а эллиптические. Благодаря этому открытию, Кеплер разработал методику для точного расчета движения небесных тел. Когда его таблицы предсказали проход Меркурия между Солнцем и Землей, о чем в таблицах прочих ученых не было сказано ни слова, в этом все увидели яркое доказательство верности теории Кеплера. Она жестко привязывала движение всех планет к Солнцу и в то же время являлась важным доказательством верности гелиоцентрической теории Коперника. Несмотря на явный успех теории Кеплера, многие сомневались, что Солнце действительно является центром Солнечной системы.
Луны Юпитера Галилео Галилей – человек, стремившийся к правде независимо от того, где бы она ни была скрыта. В свете следующего великого открытия его стремление сыграло ключевую роль, перевернув наше представление о Солнечной системе. Шел 1609 год. Галилей увлекся новым изобретением под названиемтелескоп. Интересно, что началось все с праздничной игрушки. Когда Галилей услышал о телескопе, он тут же занялся изготовлением собственного, превратив детскую игрушку в научный инструмент. Галилей направил свой телескоп на небо и первым разглядел горы на Луне, скопление звезд Млечного пути, а затем нечто необычное: планету Юпитер окружали четыре небольшие яркие звезды. Существует рукопись первой недели его наблюдений, в которой он шаг за шагом приходит к выводу, что эти четыре звезды движутся вместе с Юпитером. Открытие Галилея стало доказательством того, что гелиоцентрическая модель Коперника была верна: если луны могут вращаться вокруг Юпитера, то и Земля может вращаться вокруг Солнца. Открытие Галилея показало, что астрономия может развиваться только на основании действительных наблюдений, теория лишь тогда становится жизненной, когда ее подкрепляют факты. То же самое получилось и в случае со следующим великим открытием.
Комета Галлея Веками кометы считали предвестниками бедствий, к концу Средних веков появление кометы вызывало у людей панический страх. Однако, Эдмунда Галлея, ученого, жившего в эпоху Возрождения, интересовали не предрассудки, а факты. В 1695 году он принялся искать как древние, так и недавние записи наблюдений за кометами. Он обнаружился достаточно подробные наблюдения за 24 кометами, которые позволяли ему очень приблизительно определить их орбиты. К своему удивлению он обнаружил, что 3 из 24 комет следуют приблизительно одной и той же орбитой, делая за 76 лет один оборот вокруг Солнца. Он выяснил, что три разные кометы на самом деле являлись одной и той же. Галилей был настолько уверен в орбите кометы, что сделал смелое утверждение: он предсказал, что комета вернется к Земле в 1758 году. Комета действительно вернулась. К сожалению, Галилей не дожил до этого времени, чтобы насладиться своим открытием. С тех пор комета Галлея, как ее стали называть, трижды возвращалась к Земле и становилась объектом наблюдения во всему земному шару. Уже не являясь предвестником несчастий, комета Галлея стала еще одной вехой в истории астрономии, заменив предрассудки рациональным научным пониманием устройства Вселенной.
Млечный пусть – это звездный диск Вильям Гершель, живший в 18 веке, получил классическое музыкальное образование, но оставил музыку и устремил свой взор в небо. Это стало началом следующего великого открытия. Когда он узнал, сколько стоит линзовый телескоп, он понял, что это ему не по карману, и поэтому решил сделать свой собственный, став создателем самого необычного телескопа своего времени – зеркального, самого большого на тот момент. Он использовал свой телескоп для методического исследования неба, подробно записывая увиденное. Исследуя небо, он наткнулся на нечто, не похожее на то, что он видел ранее. Оказалось, что он обнаружил новую планету, которая была следующей за Сатурном – Уран. Уран стал первой новой планетой, открытой за предшествующие 3,5 тысячи лет. Однако, эта находка была ничто по сравнению с основной целью Гершеля. Он построил мощный 6-метровый телескоп, затем разделил небо на равные части и принялся систематически подсчитывать количество звезд в каждой части. Это была кропотливая и грандиозная по своим масштабам работа. Постепенно подсчеты Гершеля стали обнаруживать нечто необычное: Млечный путь оказался гораздо больше, чем кто-либо мог предположить, он представлял собой огромный звездный диск. Открытие Гершеля стало откровением. Его модель Млечного пути дошла и до наших дней. Гершель исследовал только небольшую часть всего Млечного пути, но даже она внесла большие изменения в изучение астрономии. Открытие Гершеля показало, что наша Солнечная система – всего лишь крохотный островок в глубокой и необъятной Вселенной.
Общая теория относительности Размышления никому не известного клерка, работавшего в швейцарском патентном бюро, привели к следующему великому открытию. Этим клерком был Альберт Эйнштейн. В начале 20 века все научное сообщество, а вместе с ним и Альберт Эйнштейн, обсуждало проблему орбитыМеркурия. Несмотря на способность Закона всемирного тяготения Ньютона точно предсказывать движение планет, когда дело доходило до определения орбиты Меркурия, все расчеты заводили в тупик. Загвоздка была в определении перигелия Меркурия – точки, когда планета находится к Солнцу ближе всего. Каждые сто лет перигелий Меркурия немного смещался, и уравнения Ньютона не могли объяснить этого явления. Молодой Эйнштейн смело выдвинул свою собственную теорию, объясняющую загадку обриты Меркурия, а в процессе исследования создал еще одну теорию, дополняющую законы притяжения Ньютона. Ньютон говорил, что сила притяжения распространяется по Вселенной мгновенно. Здесь Эйнштейн усмотрел в теории Ньютона слабое место. Ему нужна была теория, объясняющая явление гравитации, теория, которая могла бы объяснить ускорения, зигзагообразные круговые движения. Должны существовать некие волны, гравитационные волны, гравитация работает не сразу, требуется время для распространения. Если Солнце перестанет существовать, мы об этом узнаем только через 8 минут, сила притяжения так же распространяется со скоростью света. Эйнштейну была необходима новая модель, чтобы объяснить это явление. Эйнштейн считал, что его идея искривленного пространства объясняет меняющуюся орбиту Меркурия, и назвал свою теорию общей теорией относительности. Представьте перед собой батут, в который мы поместим шар для боулинга. Шар погрузится внутрь батута, вытянув его. А теперь запустите небольшой шарик вокруг батута, он станет вращаться вокруг батута. Ньютон бы, глядя на расстояние сверху вниз, сказал бы, что существует невидимое мгновенное усилие, притягивающий маленький шар к большому, но Эйнштейн бы возразил: нет никакой силы, нет притяжения, есть только батут. А почему маленький шар вращается вокруг большого? Потому что батут толкает маленький шар. Человек сидит на стуле не потому, что сила гравитации притягивает его к Земле, а потому что пространство прижимает его в ней. Мысль о том, что само пространство искривлено массой, звучало для многих слишком необычно, чтобы просто принять ее на веру. Были сделаны фотографии звезд, находящихся за Солнцем до затмения и после него. Потом эти фотографии сравнили с теми, что были сделаны во время затмения. По фотографиям стало понято, что во время затмения звезды как бы немного приблизились. Изображение искажалось, когда свет от звезд проходил через гравитационное поле Солнца. Общая теория относительности Эйнштейна была верна, его великое открытие потрясло мир. Люди никогда не останутся равнодушными, хоть раз взглянув на уравнения Эйнштейна. Они совсем не большие, но отвечают на вечные вопросы, преследовавшие нас с того самого дня, когда человек, впервые взглянув в звездное небо, задал себе вопрос: что же все это значит?
Вселенная расширяется Общая теория относительности доказало нам, что пространство обладает еще более причудливыми свойствами, чем все мы думали, все, кроме Эйнштейна. Чтобы получить более ясное представление об этой загадочной Вселенной, астрономам требовалось больше наблюдений, а для этого были нужны более мощные телескопы, как, например, тот, благодаря которому было сделано следующее великое открытие. Когда в 1830 году Гершель закончил исследование неба, у ученых собрался материал о тысячах прекрасных, но неясных и смутных объектах. Позже их назвали белыми туманностями. В то время еще никто не знал, принадлежат ли они к нашей галактике или являются отдаленными островками Вселенной, как Млечный путь. В 1924 году астроном Эдвин Хаббл с помощью 2,5-метрового телескопа из Маунт-Вилсонской обсерватории штата Калифорния изучал звезды в нескольких таких туманностях. С помощью этого телескопа Хаббл установил, что галактики удалены от нас на многие тысячи и даже миллионы световых лет. На этом удалении находились такие же плотные, полные звезд галактики, как и наш Млечный путь. Именно поэтому сегодня мы называем белые туманности галактиками. Чем больше Хаббл изучал эти галактики, тем больше это его увлекало. В то время ученые уже знали, что луч света от звезды может иметь различный световой спектр, он изменяется в зависимости от характера движения звезды. Смещение к синему краю спектра означало, что звезда приближается к Земле, смещение в сторону красного края – звезда удаляется. Он также заметил кое-что еще: чем дальше было удаление, тем больше была величина смещения к красному краю, иными словами Вселенная расширяется. Это стало удивительным открытием с очень глубокими выводами. Восстановив обратную картину, ученые пришли к выводу, что, по-видимому, рождение Вселенной походило на катастрофу. Один из астрономов назвал происходившее Большим взрывом.
Млечный путь излучает радиоволны Всего лишь три года спустя после того, как Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется, было сделано новое великое открытие: был обнаружен загадочный объект, скрытый за космической пылью в центре Млечного пути. В результате появился новый раздел в астрономии, изучающий волны, невидимые человеческому глазу. В 1930 году Карлу Янскому было 25 лет в Белл Лабораториз в городе Хоумдейл, штат Нью-Джерси. Янский провел год, собирая информацию, и пришел к выводу, что на этой частоте присутствуют три типа помех: первый тип, несомненно, возникал в ионосфере Земли, второй был следствием гроз, а третий сигнал имел загадочное постоянное свойство. Сначала казалось, что третий сигнал исходит от Солнца. Каждое утро вместе с восходом Солнца он нарастал. С течением дня он следовал за Солнцем по земному шару и исчезал с его заходом. Однако, со временем Янский заметил, что сигнал плавно смещается с пути следования Солнца, как будто источник находился за пределами Солнечной системы. Наконец, Янский определил его местонахождение как район созвездия Стрельца. Он считал, что обнаружил неизвестный межзвездный объект в центре галактики, и был прав. Впоследствии астрономы подтвердили, что Янский обнаружил сверхтяжелую черную дыру, по массе превосходящую Солнце в три миллиона раз! Может быть, даже больше значение, чем его открытие, имело то, что он впервые использовал радиоастрономию для исследования Вселенной, это стало поворотным пунктом в развитии науки. Необходимо построить новые телескопы, способные принимать информацию с неба на множестве разных частот, прежде, чем астрономы смогут заглянуть в тайну рождения и смерти звезд. Но даже пока это не произошло, радиоастрономия сделала еще одно великое открытие, предсказанное ранее, но неожиданное для первооткрывателей, каким был Янский. И снова оно было сделано в Белл Лабораториз, Хоумдейл, штат Нью-Джерси.
Сверхвысокочастотное фоновое излучение В 1964 году на балансе Белл Лабораториз оказалась 5-метровая незадействованная сверхвысокочастотная антенна. Вместо того, чтобы уничтожить ее, лаборатория позволила ученых использовать ее для проведения исследований. Два физика – 31-летний Арно Пензиас и 28-летний Роберт Вильсон – решили использовать антенну для измерения температуры газового ореола вокруг Млечного пути. Далее было сделано одно из величайших открытий в современной астрономии. Они только что пришли работать в лабораторию и решили измерить уровень излучения Млечного пути, измеряя его температуру. Эта антенна как раз подходила для этой задачи, потому что они могли отфильтровать собственное излучение Земли и получать в остатке то, что приходило с неба. Два градуса погрешности за счет атмосферы Земли, но когда они впервые включили антенну, то уровень был в два раза выше, чем семь градусов. Что-то за Земле влияло на результат. В то время, когда Пензиас и Вильсон обнаружили радиопомехи, существовало две теории происхождения Вселенной: теория Большого взрыва, подтверждаемая теорией Хаббла о расширении Вселенной, и теория устойчивого состояния – Вселенная находилась без времени, без начала и конца, вечно расширяясь. Когда один их друг узнал, что они обнаружили, он посоветовал им связаться с астрономами из Пристонского университета, которые были сторонниками теории Большого взрыва. Пензиас и Вильсон пригласили их к себе и дали им взглянуть на результаты. Они немедленно согласились, что Пензиас и Вильсон измерили как раз это послесвечение. Это открытие означает, что мы живем во Вселенной, произошедшей от Большого взрыва, и наблюдаем излучение, распространяющееся уже более трехсот тысяч лет после Большого взрыва. В большинстве случаев требуется, чтобы сменилось целое поколение прежде, чем люди примут какое-то кардинальное изменение в науке, но в данном случае мир готов к такому изменению. Людей всегда интересовало, каким образом они появились на Земле, в каждой цивилизации существуют религиозные версии происхождения бытия. Пензиас и Вильсон считают, что у них есть точный ответ – мы произошли из Большой взрыва.
Вспышки гамма-излучения Приход космической эры возвестил о начале «золотого века» в астрономии, который продолжается и по сей день. В 60-х годах прошлого века Советский Союз отказался допустить инспекторов на свои ядерные объекты. В результате Соединенные Штаты Америки решили наблюдать за Советским Союзом с помощью орбитальной спутниковой системы, которая могла регистрировать вспышки гамма-излучения, возникающие при атомных взрывах. Так как детекторы спутников регистрировали излучение как исходящее с поверхности Земли, так и из космоса, ученые решили использовать их заодно и для того, чтобы определить, появляется ли гамма-излучение при вспышке сверхновых звезд. В период между 1969 и 1972 годами было зафиксировано 16 коротких вспышек гамма-излучения по всему небу. Была только одна проблема: ни одна из вспышек не совпадала с известными взрывами сверхновых звезд. Дальше – больше. За последующие два десятилетия астрономы фиксировали в среднем одну вспышку гамма-излучения в день, однако, все вспышки длились очень короткий промежуток времени и сходили на нет до того, как астрономы успевали нацелить на них телескоп. Наконец, в дело вступил телескоп БеппоСАКС – специально разработанный для обнаружения коротких вспышек гамма и рентгеновского излучения, а также точного определения их источника. 14 декабря 1997 года БеппоСАКС зафиксировал вспышку гамма-излучения и впервые сделал фотографию этой вспышки. К своему большому удивлению, ученые обнаружили, что вспышка произошла в галактике, находящейся в 12 миллиардах световых лет от нас. Это была одна из крупнейших вспышек во Вселенной. С тех пор были сделаны фотографии десятков других вспышек гамма-излучения, все они были такими же мощными и удаленными от нас. Что же это значит? Открытие вспышек гамма-излучения еще раз показало, что за пределами земной атмосферы находятся не только непонятные объекты, с трудом поддающиеся исследованию, например, черные дыры, пульсары, квазары, но и те, что могут стать смертельно опасными для человечества. Вспышки гамма-излучения считаются сейчас возможной причиной вымирания живых видов, произошедшего на Земле давным-давно. Однажды ученый сэр Артур Эддингтон заметил, что Вселенная не просто более загадочная, чем мы представляли ее себе, она более загадочная, чем мы можем это представить. Это высказывание можно отнести и к вспышкам гамма-излучения, и к теории расширяющейся Вселенной и к общей теории относительности.
Планеты вокруг других звезд Когда-то астрономы и подумать не могли о том, чтобы обнаружить другие солнечные системы с такими же планетами, как наша. Однако, сегодня ученые обладают такой возможностью благодаря мощным телескопам в космосе и на Земле, как например в Ликской обсерватории, город Маунт-Гамильтон, штат Калифорния. Как здесь ищут планеты вокруг звезд? Ученые смотрят, колеблется ли звезда в ответ на воздействие гравитационного поля планет. По определению планеты не производят энергию, они светят отраженным светом, однако, яркость планет является одной миллиардной яркости их звезды, планеты невозможно увидеть даже с помощью телескопа Хаббл. Для этого нужно применить хитрость – эффект Доплера. Поиск внеземных планетных систем набрал обороты в начале 90-х годов, после того, как польский астроном сделал неожиданное открытие. Алекс Волчин сделал потрясающее открытие, обнаружив три планеты, вращающиеся вокруг пульсара. Способ, которым он обнаружил их, весьма примечателен: он исследовал пульсации, исходящие от пульсара, и выяснил, что характер пульсаций меняется по мере того, как пульсар приближается или отдаляется от нас. Эти звезды излучают ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма лучи, они причудливые продукты взрыва сверхновой звезды. И несмотря на этого, вокруг звезды существует и вращается планета размером с Землю. Значит, и у других звезд есть планеты. После открытия Волчина астрономам удалось обнаружить более 130 планет за пределами Солнечной системы. Для поиска ученые стараются выбирать звезды, более-менее похожие на наше Солнце. Что требуется от планеты типа Земля, чтобы она стала обитаемой? Правильная температура: не слишком низкая, иначе вся вода превратится в лед, и не слишком высокая, чтобы не позволить воде испариться.
Вселенная ускоряется После того, как произошел Большой взрыв, вселенная начала расширяться. Согласно логике, гравитационное притяжение должно было стягивать расширяющийся металл и в конце концов привести к замедлению этого расширения. Однако, как сильно замедляется расширение Вселенной? В 90-х годах благодаря телескопу «Хаббл» команды ученых смогли ответить на этот вопрос путем изучения измерения яркости светового излучения особого типа у взорвавшейся звезды, называемой сверхновая типа 1а. Когда ученые впервые увидели результаты, они удивились: было ощущение, что Вселенная вовсе не замедляется. После проведенных проверок расчетов они пришли к выводу, что Вселенная ускоряется. Ускорение Вселенной не вписывается ни в какие правила. Ученые довольно хорошо понимают, что из себя представляют все силы Вселенной, все объекты, но в первые получены результаты, которые они не могли объяснить. Почему же Вселенная ускоряется? Этот вопрос мучает всех астрономов. Одно из возможных решений выглядит так: предположим, существует энергия какого-то непонятного типа, которая заполняет все пространство. Эта энергия может ускорять расширение Вселенной, в то время, как сила гравитации стремится замедлить его. Ее называют темной энергией, потому что не знают ее природу. В то время, когда Вселенная была по-настоящему плотной, сила гравитации играла куда более важную роль, замедляя расширение. Расширение шло все медленнее и медленнее, но тем не менее шло. И настал момент, когда сила притяжения оказалась слабее темной энергии, которая начала ускорять расширение. Также, как и астрономы древности, современные ученые обнаружили в космосе что-то, что пока не могут объяснить. Черед за теоретиками и наблюдателями – они должны объяснить, что происходит в нашей расширяющейся Вселенной. Для этого им нужны свежие мысли и новые инструменты. Будет ли этот вопрос разрешен в скором будущем или нет – в одном мы можем быть абсолютно уверены: мы все также будем смотреть на небо, пытаясь понять наше место в этом мире. |
Занятие было утомительным, Кеплер писал, что работа просто сводила его с ума.
Последний камень, добивший уходящую в прошлое геоцентрическую систему был брошен человеком, который, как и Кеплер, предпочитал строить свои теории на наблюдениях. Звали его Галилео Галилей.
Это и стало моментом истины. Галилей понял, что звезды на самом деле были лунами, вращавшимися вокруг Юпитера.
Некоторые секции были переполнены звездами — в какой-то секции насчитывалось более четверти миллиона звезд, а какие-то в более отдаленной части были практически пустыми.
Он создал модель искривленного пространства, само пространство искривлялось, заставляя объекты двигаться.
Приближалось солнечное затмение, и ученые решили использовать этот шанс, чтобы проверить теорию Эйнштейна.
Величина смещения также говорило о скорости движения. Хаббл обнаружил, что когда он измерял удаление галактики, ее спектр почти всегда смещался в сторону красного края.
Янский исследовал помехи, возникающие на 15-метровой частоте, в то время использовавшейся для трансатлантической радиосвязи и связи между судами и берегом.
Янский доказал, что небо не просто источает мягкий свет миллионов звезд, на расстоянии многих световых лет в нем сокрыты неизвестные объекты, излучающие больше энергии, чем целые галактики, среди них квазары и пульсары — бешено вращающиеся мертвые звезды с такой большой массой, что чайная ложка на их поверхности будет весить миллионы тонн.
Они считали, что Большой взрыв должен был оставить после себя слабое тепловое послесвечение – следы тепла после самого взрыва, которые можно обнаружить по всему небу. Они собрались провести исследование в надежде измерить это послесвечение.
Парадоксально, что «золотой век» начался не в самом космосе, а вместе с поворотным пунктом в «холодной» войне, которая также оказала влияние на следующее великое открытие.
Ученые измеряют колебания яркости звезды, исследуя изменение спектра волн, исходящих от нее.
Планета должна находиться на нужном удалении от своей звезды, чтобы вода сохранилась в жидком состоянии многие миллиарды лет, и эволюция, о которой писал Дарвин, могла сделать свое дело.
Ловец планеты X. Самую дальнюю планету от Солнца открыл фермер из Канзаса | История | Cвободное время
13 марта 1930 года, в 75-летнюю годовщину со дня рождения Персиваля Ловелла, обсерватория официально объявила об открытии «планеты Икс». Первооткрывателем планеты международное астрономическое сообщество признало Клайда Томбо, 24-летнего сына фермера, не имевшего высшего образования.
***
Полёт в вечность
19 января 2006 года с космодрома на мысе Канаверал была запущена ракета-носитель «Атлас-5», отправившая в далёкий космос межпланетную станцию «Новые горизонты». Задачей экспедиции является изучение Плутона и его спутника Харона. Согласно программе полёта станция начнёт наблюдения за Плутоном в феврале 2015 года.
В дальнейшем аппарат «Новые горизонты» изучит несколько объектов в поясе Койпера, а затем покинет пределы Солнечной системы.
Помимо научной аппаратуры, на борту «Новых горизонтов» есть весьма необычный груз.
В специальной капсуле находится примерно одна унция праха астронома Клайда Томбо, которому принадлежит честь открытия Плутона. Запуск аппарата «Новые горизонты» состоялся в год 100-летия со дня рождения астронома.
И так получается, что в каком-то смысле именно Клайд Томбо станет первым землянином, которому предстоит покинуть Солнечную систему и выйти в межзвёздное пространство…
Межпланетная исследовательская станция «Новые горизонты» с прахом Клайда Томбо. Фото: www.globallookpress.com
Мальчик, который увидел Луну
Когда 4 февраля 1906 года в бедной семье американских фермеров из Иллинойса родился мальчик, которого назвали Клайдом, никто и помыслить не мог, что делом всей его жизни станет астрономия. Тяжкий крестьянский труд от рассвета до заката — так жили его родители, такая же доля ждала и Клайда.
Но однажды, когда мальчику было 12 лет, он впервые увидел Луну в телескоп и буквально заболел звёздами. Над его увлечением подшучивали, но Клайд не обращал на это внимания.
Когда же он оканчивал школу, в книге выпускников одноклассники написал о Томбо: «Он откроет новый мир».
Но для того, чтобы открыть новый мир, нужно было учиться, а денег на такую роскошь у родителей Клайда не было. Семья к тому времени в поисках лучшей доли перебралась в Канзас, однако их достаток не стал настолько велик, чтобы позволить Клайду сменить поле на аудиторию в колледже.
Но упрямый парень не хотел отказываться от своего увлечения. Невероятным образом он совмещал труд фермера и занятия астрономией, конструируя телескопы самостоятельно.
Клайд Томбо. Фото: Public Domain
Приглашение
В 1927 году Клайд провернул необычную «финансово-астрономическую операцию»: стремясь добыть деньги для создания более сложного телескопа, астроном-любитель предложил сделать новый телескоп для своего дяди, который тоже увлекался астрономией.
Дядя согласился и вскоре получил великолепный телескоп, сделанный племянником. Придя в восторг, он прислал Клайду деньги для строительства новой модели, которую молодой человек собирался построить уже для самостоятельных наблюдений.
Эта новая модель оказалась столь хороша, что Клайд Томбо рискнул послать результаты своих наблюдений для оценки астрономам Ловелловской обсерватории.
Когда директор обсерватории Весто Слайфер ознакомился с плодами наблюдений самоучки из Канзаса, то понял, что имеет дело учёным-самородком. Недолго думая, он послал Томбо письмо с приглашением занять штатную должность лаборанта-фотографа Ловелловской обсерватории.
Вряд ли родители Клайда были в восторге от того, что сын собрался уезжать. Однако они решили — такой шанс реализовать свою мечту сыну может больше и не представиться. И в январе 1929 года, попрощавшись с родителями, а также с братьями и сёстрами, Клайд Томбо отправился в Аризону.
Модель Ловелла
Главной задачей, над которой бились в тот момент астрономы Ловелловской обсерватории, были поиски так называемой «планеты Икс».
В начале XX века основатель лаборатории Персиваль Ловелл построил математическую модель, согласно которой возмущения, фиксируемые при движении по орбитам самых дальних планет Солнечной системы Урана и Нептуна, вызваны существованием ещё одной планеты за орбитой Нептуна.
Предполагаемое небесное тело получило название «планета Х».
Свои поиски на основании результатов вычислений Ловелл начал в 1905 году, однако за три года так и не добился результатов. В 1908 году астроном снова произвёл расчёты и ещё раз утвердился во мнении, что «планета X» существует. Её поиск превратился для Ловелла в важнейшую задачу, в дело всей жизни, однако планета упорно не обнаруживалась.
В январе 1915 года учёный, что называется, пошёл ва-банк: он выступил в Американской Академии искусств и наук со 105-страничным сообщением о «транснептуновой планете», причём на иллюстрировавших рассказ рисунках и звёздных картах орбита «планеты X» была отмечена как уже открытая.
Персиваль Ловелл поставил на кон свой научный авторитет и стал вести наблюдения за звёздным небом с маниакальным упорством. Постоянное напряжение и нервный стресс сделали своё чёрное дело — 12 ноября 1916 года астроном скончался.
Плутон. Фото: www.globallookpress.com
Новичкам везёт и в астрономии
На протяжении следующего десятилетия учёные продолжали искать «планету X», хотя к расчётам Ловелла многие относились скептически.
Загадочную планету никому обнаружить не удавалось.
За дело вновь взялись астрономы Ловелловской обсерватории. Умерший основатель завещал своему детищу часть состояния, что позволило продолжить заниматься научной деятельностью. Естественно, что благодарные последователи пытались доказать правоту своего учителя и благодетеля.
Весной 1929 года в ряды ловцов «планеты X» вступил и Клайд Томбо, прошедший ускоренные курсы ликвидации своей безграмотности в теоретической астрономии.
Работа профессионального астронома многим представляется как простое смотрение в телескоп, где видны красивые звёздочки. На деле это изнурительный каторжный труд, заключающийся во многочасовом фиксировании неба с помощью фотоаппаратуры, а затем в сравнительном анализе снимков, на которых изображены тысячи малоразличимых объектов. Подобный анализ представляет собой непростую задачу и в начале XXI века, а что уж говорить о временах 80-летней давности с их техническим несовершенством. Для того чтобы добиться успеха в подобной работе, надо быть поистине одержимым человеком.
Но Клайд Томбо был как раз из числа таких людей.
Зимой 1930 года молодой астроном обнаружил, что на фотоснимках, сделанных 21, 23 и 29 января, зафиксирован объект, характеристики которого очень близки к искомой «планете X».
А дальше пошли томительные для Клайда Томбо недели, когда коллеги и он сам продолжали наблюдать за обнаруженным объектом, стараясь понять, с чем имеют дело. Смущало то, что «планета Х» оказалась куда менее яркой, чем ожидалось. И всё-таки дальнейшие наблюдения показали, что речь идёт именно о планете.
13 марта 1930 года, в 75-летнюю годовщину со дня рождения Персиваля Ловелла, обсерватория официально объявила об открытии «планеты Икс». Первооткрывателем планеты международное астрономическое сообщество признало Клайда Томбо, 24-летнего сына фермера, не имевшего высшего образования.
Имя «планете X» дала школьница
Возник спор о том, какое имя получит новая планета. Предложения сыпались со всего мира, но изначально честь присвоения имени астрономы передали Констанции Ловелл, вдове Персиваля Ловелла.
Однако ни одно из названий, предложенных женщиной, поддержки не нашло. Обратились к «гласу народа» и выбрали Плутон — в честь древнеримского варианта имени греческого бога подземного царства. Такое название продолжало ранее существовавшую традицию наименования планет. Интересно, что первой название «Плутон» предложила Венеция Берни, школьница из Оксфорда, которой было 11 лет. Но ещё более интересно то, что двоюродный дед Венеции в своё время предложил названия для спутников Марса — Фобос и Деймос.
Что касается Клайда Томбо, то его жизнь после открытия Плутона изменилась к лучшему. На присуждённую ему премию он поступил в колледж. Затем Томбо продолжил обучение в Канзасском университете, руководство которого выделило ему специальную стипендию.
После окончания университета Клайд Томбо вернулся к работе в обсерватории. Он возглавлял поиски десятой планеты Солнечной системы и пришёл к выводу, что такой не существует. За многие годы исследований он открыл сотни космических объектов, среди которых были крупные астероиды и кометы, однако открытие Плутона так и осталось крупнейшим достижением в его научной карьере.
Как «разжаловали» Плутон
Часто личная жизнь людей, одержимых наукой, складывается трудно, однако Клайду Томбо и здесь повезло. В 1934 году, во время обучения в университете, он женился на студентке того же университета Патрисии Эдсон, которая стала его спутницей и помощницей на всю жизнь.
Клайд Томбо ушёл из жизни 17 января 1997 года, не дожив менее трёх недель до своего 91-го дня рождения и оставив после себя, кроме научных достижений, двоих детей, пятерых внуков и восьмерых правнуков.
В 2006 году, в год 100-летия Томбо, прославившее его открытие «понизили» в статусе. Дело в том, что на протяжении всего XX века у астрономов росли сомнения в том, что Плутон является той самой «планетой Х», предсказанной Ловеллом. Математические модели учёного не были подтверждены новыми астрономическими данными. То, что Плутон оказался в месте, которое в 1915 году Персиваль Ловелл определил «планете X», сегодня считается просто совпадением. По современным научным данным, Плутон — это один из крупнейших объектов находящегося за орбитой Нептуна так называемого пояса Койпера.
Международный астрономический союз в 2006 году впервые дал точное определение понятия «планета», и характеристики Плутона под него не подошли. Поэтому открытое Томбо небесное тело перевели в новый разряд «карликовых планет».
Несмотря на это, имя Клайда Томбо навсегда осталось в истории астрономии. А частица его отправилась в удивительное путешествие, мимо открытой им планеты, в глубины Вселенной…
Большие данные меняют то, как астрономы совершают открытия | Наука
Художественная иллюстрация черной дыры, «съедающей» звезду.
НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт
Ранее в этом году астрономы наткнулись на захватывающую находку: около центра нашей галактики, вероятно, существуют тысячи черных дыр.
Рентгеновские снимки, позволившие сделать это открытие, не были получены с какого-то новейшего телескопа. И даже не недавно — некоторые данные были собраны почти 20 лет назад.
Нет, исследователи обнаружили черные дыры, копаясь в старых, давно заархивированных данных.
Подобные открытия будут происходить все чаще, поскольку эра «больших данных» меняет то, как делается наука. Астрономы ежедневно собирают экспоненциально большее количество данных — настолько много, что потребуются годы, чтобы обнаружить все скрытые сигналы, похороненные в архивах.
**********
Шестьдесят лет назад обычный астроном работал в основном в одиночку или в небольшой команде. Скорее всего, у них был доступ к прилично большому наземному оптическому телескопу в их домашнем учреждении.
Их наблюдения в основном ограничивались оптическими длинами волн — более или менее тем, что может видеть глаз. Это означало, что они пропустили сигналы от множества астрофизических источников, которые могут излучать невидимое излучение от очень низкочастотного радио до высокоэнергетического гамма-излучения. По большей части, если вы хотели заниматься астрономией, вы должны были быть академиком или эксцентричным богатым человеком, имеющим доступ к хорошему телескопу.
Старые данные хранились в виде фотопластинок или опубликованных каталогов. Но доступ к архивам других обсерваторий может быть затруднен, а для астрономов-любителей это практически невозможно.
Сегодня существуют обсерватории, охватывающие весь электромагнитный спектр. Эти ультрасовременные обсерватории больше не управляются отдельными учреждениями, а обычно запускаются космическими агентствами и часто являются совместными усилиями многих стран.
С наступлением цифровой эпохи почти все данные становятся общедоступными вскоре после их получения. Это делает астрономию очень демократичной — любой желающий может повторно проанализировать почти любой набор данных, попадающих в новости. (Вы тоже можете ознакомиться с данными «Чандры», которые привели к открытию тысяч черных дыр!)
Космический телескоп Хаббл
НАСА
Эти обсерватории производят ошеломляющее количество данных. Например, космический телескоп Хаббл, работающий с 1990 года, провел более 1,3 миллиона наблюдений и каждую неделю передает около 20 ГБ необработанных данных, что впечатляет для телескопа, впервые разработанного в 1970-х годах.
Крупный миллиметровый массив Atacama в Чили теперь планирует добавлять в свои архивы 2 ТБ данных каждый день.
**********
Архивы астрономических данных уже внушительно велики. Но все вот-вот взорвется.
Каждое поколение обсерваторий обычно как минимум в 10 раз более чувствительно, чем предыдущее, либо из-за улучшения технологии, либо потому, что миссия просто масштабнее. В зависимости от того, как долго длится новая миссия, она может обнаружить в сотни раз больше астрономических источников, чем предыдущие миссии на этой длине волны.
Например, сравните первую обсерваторию гамма-излучения EGRET, запущенную в 1990-х годах, с флагманской миссией NASA Fermi, которой в этом году исполняется 10 лет. EGRET обнаружено только около 190 источников гамма-излучения в небе. Ферми видел более 5000 человек.
Большой синоптический обзорный телескоп, оптический телескоп, строящийся в настоящее время в Чили, будет снимать все небо каждые несколько ночей. Он будет настолько чувствительным, что будет генерировать 10 миллионов предупреждений за ночь о новых или временных источниках, что приведет к каталогу размером более 15 петабайт через 10 лет.
Массив квадратных километров, который будет завершен в 2020 году, станет самым чувствительным телескопом в мире, способным обнаруживать радиолокационные станции инопланетных цивилизаций в аэропортах на расстоянии до 50 световых лет. Всего за один год работы он будет генерировать больше данных, чем весь Интернет.
Эти амбициозные проекты проверят способность ученых обрабатывать данные. Изображения должны будут автоматически обрабатываться, а это означает, что данные нужно будет уменьшить до приемлемого размера или преобразовать в готовый продукт. Новые обсерватории расширяют границы вычислительной мощности, требуя оборудования, способного обрабатывать сотни терабайт в день.
Полученные архивы — все доступные для публичного поиска — будут содержать в 1 миллион раз больше информации, чем можно хранить на обычном диске для резервных копий объемом 1 ТБ.
**********
Поток данных сделает астрономию более совместной и открытой наукой, чем когда-либо прежде.
Благодаря интернет-архивам, активным учебным сообществам и новым информационно-просветительским инициативам граждане теперь могут участвовать в науке. Например, с помощью компьютерной программы [email protected] любой может использовать время простоя своего компьютера для поиска гравитационных волн от сталкивающихся черных дыр.
Это интересное время и для ученых. Такие астрономы, как я, часто изучают физические явления в масштабах времени, которые настолько сильно превышают типичную человеческую жизнь, что наблюдать за ними в режиме реального времени просто невозможно. Такие события, как типичное слияние галактик — а это именно то, на что это похоже, — могут длиться сотни миллионов лет. Все, что мы можем сделать, — это моментальный снимок, как отдельный кадр из видео автомобильной аварии.
Однако есть явления, которые происходят в более короткие промежутки времени, всего за несколько десятилетий, лет или даже секунд. Вот как ученые обнаружили эти тысячи черных дыр в новом исследовании.
Кроме того, они недавно поняли, что рентгеновское излучение центра ближайшей карликовой галактики затухает с момента первого обнаружения в 1990-х годах. Эти новые открытия предполагают, что в архивных данных, охватывающих десятилетия, будет найдено больше информации.
Струя горячего газа, питаемая черной дырой, в гигантской эллиптической галактике M87.
НАСА, ЕКА, Э. Мейер, В. Спаркс, Дж. Биретта, Дж. Андерсон, С.Т. Зон и Р. ван дер Марел (STScI), К. Норман (Университет Джона Хопкинса) и М. Накамура (Academia Sinica)
В своей работе я использую архивы Хаббла для создания фильмов о «джетах», высокоскоростной плазме, выбрасываемой в виде лучей из черных дыр. Я использовал более 400 необработанных изображений за 13 лет, чтобы снять фильм о джете в соседней галактике M87. В этом фильме впервые показаны закручивающиеся движения плазмы, что позволяет предположить, что струя имеет спиральную структуру.
Такого рода работа была возможна только потому, что другие наблюдатели, для других целей, случайно сделали снимки интересующего меня источника, еще когда я был в детском саду.
По мере того, как астрономические изображения становятся все крупнее, с более высоким разрешением и все более чувствительными, такого рода исследования станут нормой.
Первоначально эта статья была опубликована на The Conversation.
Эйлин Мейер, доцент кафедры физики Мэрилендского университета, округ Балтимор
Рекомендуемые видео
Как астрономы изменили наши взгляды на космос
В 1835 году французский философ Огюст Конт утверждал, что никто никогда не узнает, из чего состоят звезды. «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, образуя более крупное ядро и высвобождая 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, когда звезды становились менее загадочными, становилась яснее и природа нечетких «туманностей». 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 разлетелось 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 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 избежать 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 этот момент я начал думать, что, может быть, мне стоит начать серьезно относиться к этой космологии».
Измерения этого излучения 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.
Ученые долгое время предполагали, что в результате этого процесса планеты и, возможно, даже жизнь зарождаются 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 зафиксировано 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.
Это подводит нас к еще одному 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 (АТОРАХ)
Мартин Риз — астрофизик, который с 19 лет является Королевским астрономом Великобритании.