Астрономия

В начале этого века сотрудниками лаборатории С.Э.Шноля (ИТЭБ РАН) совместно с Арктическим и антарктическим НИИ РАН на станции Новолазаревская в Антарктиде была организована посекундная регистрация альфа-распада плутония-239. Получаемые с 2001 по 2010 год кремниевыми счётчиками данные записывались в файлы, суммарный объём которых составил около 1 Гб. Задачей этого продолжительного эксперимента было доказательство влияния космофизических факторов на альфа-распад, которое могло проявляться в виде суточных, месячных и годовых циклов. Подобная цикличность противоречит давно устоявшимся воззрениям на случайный характер радиоактивности, поэтому антарктические данные не помогли С.Э.Шнолю (1930 - 2021) поколебать эти воззрения. Но он искал (и находил) закономерности в повторении формы поминутных гистограмм альфа-распада, а это не самый наглядный способ их демонстрации. Намного проще просто понаблюдать за интенсивностью альфа-распада. Причём иногда изменения этой интенсивности имеют довольно странный характер, который невозможно объяснить колебаниями температуры, атмосферного давления, сетевого напряжения, грозовыми разрядами и наводками от ближайших научных приборов и бытовой техники.

В науке всегда есть соблазн объяснить непонятную мелочь чем‑то простым и обыденным — погрешностью измерений, какой‑нибудь космической пылью, неоткрытой частицей или неточным коэффициентом в знакомой всем формуле. Но иногда необъяснённая деталь, кажущаяся странной и несущественной одновременно — верный признак того, что мы что‑то не понимаем до конца в нашем мире. Полтора века назад объявили о новой планете в Солнечной системе. Всё как положено: вычисленная орбита, имя упразднённого римского божества, и, разумеется, первооткрыватель — сельский врач из французской глубинки, получивший за свою наблюдательность и везение орден Почётного легиона. Имя подобрали отличное. Только представьте: на угольно‑чёрном небе планеты, находящейся в три раза ближе к Солнцу, чем Меркурий, полыхает огромное, в семь раз больше Солнца на нашем небосводе, косматое светило, обрушивающее на раскалённую каменную равнину тысячи огненных копий. Каньоны пышут тёмно‑вишневым жаром, в низинах искрятся свинцовые озера, далёкие скалы плывут в нестерпимо ярком мареве — настоящая кузница бога огня. Имя Вулкан подходило ей как нельзя лучше.

Только вот самой планеты никогда не существовало. Но шестьдесят лет погони за призраком не были ни глупостью, ни массовым помешательством. Это была честная попытка использовать лучший научный метод той эпохи — тот самый, что позволил с триумфом открыть Нептун, просто указав его положение на небе по странностям движения Урана. Метод обещал избавить астрономов от поисков небесных тел наугад, от долгих холодных ночей у окуляра. И кто бы мог ожидать, что тот же метод заставит впустую потратить десятки лет на изнурительные поиски. Вулкан должен был быть, его искали, а он никак не находился. Отдельные наблюдения подтверждения не нашли, ажиотаж спал, в него перестали верить даже фанатичные сторонники. Понемногу история забылась, а имя Вулкан сценаристы «Звёздного пути» подарили родной планете Спока. С Ураном всё объяснилось; его сбивал с пути соседний неучтённый Нептун. С Меркурием тот же фокус не прошёл — соседа искали и не нашли. Меркурий продолжал идти не так, как должен по расчётам. Это раздражало и требовало объяснений.

В центре практически каждой наблюдаемой массивной галактики находится сверхмассивная чёрная дыра. Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба обнаружил, что некоторые из этих сверхмассивных чёрных дыр могут быть даже слишком большими для галактик, в которых они находятся, что ставит под сомнение представления астрономов об этих объектах и вызывает вопросы об их росте в ранней Вселенной. Астрономы по-прежнему исследуют многие ключевые вопросы, касающиеся этих загадочных и мощных объектов, и их изучение может помочь учёным понять, как формируются и растут галактики.

Я астроном, изучающий сверхмассивные чёрные дыры в других галактиках. Эти увлекательные астрономические объекты могут рассказать исследователям о том, как материя поглощается или выбрасывается из центра галактики и как это может влиять на другие процессы в галактике.

Наука приветствует смелые идеи. Допускается практически любая гипотеза, какой бы странной она ни казалась на первый взгляд. Разница между наукой и псевдонаукой заключается в готовности проверять эти идеи.

Как вам такая идея: может ли реальность содержать больше измерений, чем три пространственных направления, которые мы ощущаем каждый день? Это звучит как тот вид мысленного эксперимента, который больше подходит для научной фантастики. Однако в физике такая идея не заканчивается на спекуляциях. Напротив, она становится началом серьёзного исследования.

Физики задают сложные вопросы. Помогут ли дополнительные измерения решить существующую проблему? Можно ли их включить в математическую модель, которая и так уже довольно неплохо описывает природу? Позволяют ли они делать предсказания, которые можно проверить экспериментально? И, самое главное, существуют ли какие-либо наблюдения, которые в конечном итоге могли бы подтвердить — или опровергнуть — эту идею?

Эти вопросы занимают теоретических физиков уже более века. Хотя убедительных доказательств существования скрытых измерений найдено не было, эта концепция остаётся одной из самых интригующих гипотез современной физики.

На протяжении большей части истории человечества наше представление о близко расположенной к звезде планете определялось орбитой Меркурия с его 88-дневным периодом обращения и бесплодной, раскалённой поверхностью. Но с того момента, как мы начали открывать экзопланеты, стало совершенно ясно, что наша собственная Солнечная система — это отнюдь не ориентир для остальной части галактики. Планеты с периодом обращения всего в несколько дней встречаются удивительно часто, а близость к звезде приводит к явлениям, которые с нашей точки зрения кажутся причудливыми: металлические пары в атмосфере или атмосферы, раздутые до нелепо низкой плотности.

Теперь, по-видимому, мы можем добавить в этот список ещё одну странность: пересекающиеся магнитные поля. Исследователи обнаружили систему «звезда-планета», в которой наблюдается периодическое усиление яркости, которое можно объяснить взаимодействием магнитных полей обоих тел.

Когда Шарлотта Мейсон размышляет о космических загадках, она любит рисовать. «Я довольно визуальный человек, — говорит она. — Обычно я делаю много рисунков, пытаясь разобраться в чём-то».

Мейсон, астрофизик из Центра «Космический рассвет» в Копенгагене, в последнее время заполняет страницы набросками «маленьких красных точек» — загадочных объектов, обнаруженных сотнями на снимках, полученных космическим телескопом Джеймса Уэбба. До ввода телескопа в эксплуатацию в 2022 году подобных маленьких красных точек никто не видел. Но теперь мы знаем, что они начали появляться в значительном количестве примерно через 650 миллионов лет после Большого взрыва.

Эти точки — лишь одна из захватывающих загадок, которые выявились в результате наблюдений «Уэбба» за ранней Вселенной. Среди прочих — чёрные дыры, которые кажутся невообразимо огромными для своего возраста, а также древние галактики, опровергающие то, что мы считали известным о первом миллиарде лет после Большого взрыва. Сначала учёные были ошеломлены: Вселенная, открытая «Уэббом», просто не вписывалась в наше понимание астрофизики. Сейчас волна новых теорий предлагает интригующие решения — но какие из них отражают реальность, пока неизвестно.

Скопления галактик могут содержать тысячи отдельных галактик и являются крупнейшими гравитационно связанными структурами, известными нам во Вселенной. Они настолько массивны, что их получается использовать в качестве гравитационных линз.

Одно из таких древних скоплений называется XLSSC 122, и оно удачно расположено на одной линии с более удалёнными отдельными галактиками. Это превращает скопление в гравитационную линзу, которая искривляет и усиливает свет от далёких галактик. Астрономы использовали телескоп «Уэбб» для изучения скопления, и искажённое изображение фоновой галактики позволило им более точно измерить массу XLSSC 122.

Десять миллиардов лет назад большинство скоплений галактик только начинали формироваться. Однако текущие наблюдения показывают, что XLSSC 122 отличается от других скоплений галактик, существовавших во Вселенной в то же время. Напротив, оно более массивно, компактно и упорядоченно — в общем, напоминает более современные скопления.

Во всей Вселенной, независимо от того, куда и когда мы смотрим, мы видим бесконечное разнообразие структур, сформировавшихся на всех этапах космической эволюции. Среди огромного количества планет, звёзд, галактик, скоплений галактик и компонентов великой космической паутины нет двух одинаковых объектов, хотя многие их черты демонстрируют явные сходства. Лежащие в их основе фундаментальные законы, которым они подчиняются — от квантовых до космических — по-видимому, никогда не меняются. От нашего «космического заднего двора» до галактик, обнаруженных по всей Вселенной:

гравитация действует одинаково, атомы демонстрируют одни и те же квантовые переходы, а фундаментальные константы остаются неизменными

во всём пространстве и времени.

Но почему Вселенная устроена именно так? Есть ли что-то, что не позволяет разным областям иметь разные свойства, законы и константы? Или что-то, что не позволяет им меняться со временем? Почему природа подчиняется законам? Это относительно новое понятие, ведь большинство явлений, которые могли наблюдать наши предки, были макроскопическими — грозы, землетрясения, извержения вулканов — и казались совершенно капризными, прихотью богов. Сейчас мы понимаем, что все физические явления подчиняются нескольким простым уравнениям, без исключений, всегда… что весьма удивительно. Но почему?

Физика, хотя и отлично справляется с ответами на вопросы о том, «как» устроены вещи, совершенно бессильна в ответах на вопросы о цели, такие как «почему» вещи существуют. Тем не менее, с научной точки зрения мы можем сделать много значимых выводов. Вот лучшие утверждения, которые мы можем высказать по этому поводу.

Вероятно, если сейчас поставить перед инженером задачу создать устройство, которое бы могло регистрировать продолжительность солнечного сияния, в заданной точке на поверхности Земли, то результатом работы инженера, вероятно, станет устройство в котором микроконтроллер опрашивает датчик освещенности, а затем полученные результаты сохраняются на электронный носитель информации вместе с данными о времени наблюдения. В принципе даже из таких скудных данных можно получить не мало информации [1]. Однако еще не так давно по историческим меркам, задачу по определению суммарной величины солнечной радиации решали вообще без использования электроники. Для этого использовался остроумный метеорологический прибора – гелиорегистратора (еще иногда называемый гелиографом).

Недавняя публикация правительством США сотен ранее засекреченных случаев «неидентифицированных аномальных явлений», охватывающих период с 1940-х годов по настоящее время, а также новый фильм Стивена Спилберга «День раскрытия» (Disclosure Day), посвящённый внеземной жизни, подкрепили идею о том, что инопланетяне посещают Землю.

Действительно, опросы общественного мнения в Австралии, США и других странах показывают, что около трети населения верит в присутствие на Земле инопланетян.

Однако, хотя то, что мы знаем о Вселенной, позволяет предположить, что инопланетяне могут существовать, есть три веские причины, по которым они, вероятно, не посещают нас.

Мои постоянные читатели знают, что ранее я не раз затрагивал на Хабре тему скрытой массы и поиск гипотетических частиц или объектов, из которых может состоять тёмная материя. Базовый минимум о тёмной материи на русском языке изложен в отличной книге Йостейна Кристиансена «Невидимая Вселенная», вышедшей в 2022 году. Чаще всего рассматривается два основных варианта «скрытой массы»: либо предполагается, что она состоит из каких-то пока не известных частиц, не взаимодействующих с обычной материей, либо заключена в чёрных дырах. В первом случае речь может идти о материи из аксионов — об этих частицах на Хабре рассказывал уважаемый @BiktorSergeev в статье «Аксион: частица, которая может объяснить темную материю». Во втором случае скрытая масса может приходиться на пока не открытые микроскопические первичные чёрные дыры, рассеянные в пространстве и обладающие огромной гравитацией. Эту точку зрения популяризует уважаемый Валерий Исаковский @valisak в статье «Cага о первичных чёрных дырах: призрак Стивена Хокинга и генезис невидимой Вселенной». А я публиковал на Хабре переводную статью «Что если мы никогда не найдём тёмную материю?», в которой приводил инфографику в форме диаграммы Венна, демонстрирующую соотношение различных частиц-кандидатов на роль тёмной материи и таблицу с обзором их возможных свойств.

Есть и ещё одна относительно маргинальная теория о том, что сверхтяжёлая неучтённая материя может входить в состав CUDO – «компактных ультраплотных объектов», которые могут содержать химические элементы с атомным числом до 164 и находиться в глубине метеоритов и астероидов, под слоем обычной материи. Одним из самых известных подобных объектов в Солнечной системе может быть астероид Полигимния, о котором мы и поговорим под катом.    

Мы не знаем, существуют ли в реальности гипотетические первичные чёрные дыры (ПЧД). Теоретически они должны были образоваться в самой ранней Вселенной, когда законы физики были совсем другими. У них не было звёзд-предшественников, они возникли в результате прямого коллапса плотно спрессованной субатомной материи. Теоретики задаются вопросом, могут ли ПЧД быть тёмной материей или её компонентом.

Размеры этих гипотетических объектов остаются предметом споров, но, по некоторым оценкам, ПЧД находятся в диапазоне масс, сравнимых с астероидами, — они достаточно малы, чтобы их могли поглотить звёзды. Как это могло бы происходить и что произошло бы в результате со звёздами? Как это можно было бы обнаружить?

Новое исследование посвящено изучению этого вопроса. Оно озаглавлено «Жизнь и смерть звёзд, поглощающих первичные чёрные дыры» и доступно на сайте arxiv.org. Ведущим автором является Оре Готтлиб из факультета физики и Института астрофизики и космических исследований имени Кавли при Массачусетском технологическом институте (MIT).

В июле 2031 года японский аппарат Хаябуса-2# должен подойти вплотную к крохотному объекту между орбитами Земли и Марса. Официально он числится астероидом 1998 KY26. Неофициально — это, наверное, самый странный объект в Солнечной системе. Он настолько необычен, что к нему решили отправить межпланетный зонд. Огромный бюджет, сложная траектория, гравитационные манёвры у Земли — и всё ради кувыркающейся скалы размером с дачный участок? С чего такая честь? Да потому, что мы вообще не понимаем, что это такое. Физика говорит, что типичный рыхлый астероид такого размера и с такой скоростью вращения должен был давно разлететься на куски. В довершение ко всему, эта штука слишком ярко блестит для астероида и демонстрирует «негравитационное внеплоскостное ускорение» — вектор, который у астероидов не встречается. Дошло до того, что в этом году начали всерьёз рассуждать (впрочем, очень осторожно) о его возможном техногенном происхождении. В общем, причин посмотреть на него вблизи масса. Удивительно, но русскоязычных материалов об этой чертовщине нет, а его куцая страница вики сделана на отвяжись. Исправляю.

Чайник на плите горячий, но не светит. Солнце тоже горячее — и светит. Казалось бы, оба просто нагретые тела, а ведут себя по-разному.

В этой статье я отвечу на один из самых простых на первый взгляд вопросов: почему светит Солнце? Спойлер: «потому что оно горячее» — это не ответ, а место, где начинается самое интересное!

Я делаю пошаговую тактическую RPG с кооперативом про экипаж межзвёздного ковчега. Эта статья — о том, как реальная физика (гравитация, радиация, тепло, запас топлива) почти без моего участия задала облик этого корабля.

Я давно хотел сделать собственную игру. Но почти во всей космической фантастике — и в играх особенно — мне не нравилось одно и то же: корабли там нереальны. Гравитация из ниоткуда, развороты как в атмосфере, топливо, которого хватает на всё. В итоге я решил строить игру вокруг корабля, который мог бы существовать на самом деле — который соблюдает законы физики, а не делает вид, что их нет.

Ранее я публиковал на Хабре относительно успешную статью «Негостеприимные красные карлики. Об ультрафиолетовой зоне обитаемости». В ней я упоминал, почему поблизости от многочисленных звёзд спектрального класса М (красных карликов) маловероятно возникновение жизни земного типа (на основе нуклеиновых кислот), поскольку высокая и нерегулярная активность звезды в ультрафиолетовом спектре не оставляет окна для образования клеточных организмов. Сегодня вернёмся к этой теме и поговорим о некоторых интересных опытах, которые указывают на относительную благоприятность звёзд спектрального класса K (оранжевых карликов) для развития фотосинтеза и, соответственно, инопланетной флоры. Цвет подобной гипотетической растительности едва ли будет зелёным, но долговременное существование растительного покрова на скалистой планете близ оранжевого карлика кажется вполне реалистичной картиной. Давайте обсудим эти модели подробнее.

Рассуждения о пригодности экзопланет для жизни в основном касаются расстояния планеты от её звезды. Слишком близко — и вся вода на поверхности выкипает в космос. Слишком далеко — и вода на поверхности замерзает. Оба случая являются серьёзными ограничениями для перспектив наличия жизни. Пригодность для жизни зависит от того, находится ли экзопланета в «зоне обитаемости» — диапазоне расстояний вокруг звезды, где может существовать жидкая вода.

Но как обстоят дела в более широком контексте? Даже если экзопланета находится в зоне обитаемости своей звезды, другие факторы могут препятствовать обитаемости. Если солнечная система находится слишком близко к сверхмассивной чёрной дыре (СМЧД), которые, скорее всего, находятся в центре всех крупных галактик, то не будет иметь значения, насколько близко планета находится к своей звезде. Давящее воздействие СМЧД сделает обитаемость практически невозможной.

В новой статье, опубликованной в журнале «The Astrophysical Journal», исследуется влияние сверхмассивных чёрных дыр на пригодность экзопланет для жизни. Статья озаглавлена «Влияние сверхмассивных чёрных дыр на пригодность экзопланет для жизни. I. Обзор естественного диапазона масс», а её ведущий автор — Журдан Ваас. Ваас работает на кафедре аэрокосмических, физических и космических наук Флоридского технологического института.

Ранее в этом блоге я уже обращался к личности сэра Роджера Пенроуза (род. 1931), великого математика и космолога, также прославившегося исследованием апериодических мозаик и сознания. В 2020 году Пенроуз стал одним из самых возрастных лауреатов Нобелевской премии (по физике) с формулировкой «За открытие того, что образование чёрных дыр с необходимостью следует из общей теории относительности». Именно теоретическое изучение чёрных дыр (наряду с написанием очень хороших научно-популярных книг) является тем аспектом деятельности Пенроуза, который почти не затронут на Хабре — и именно на нём я остановлюсь.

Согласно модели Роя Керра, все чёрные дыры должны вращаться. Вращение — это источник энергии, и, согласно принципу, заложенному в основу механизма Пенроуза, данная энергия теоретически извлекаема из ближайших окрестностей горизонта событий, именуемых эргосферой.

У хамелеона два глаза работают порознь. Каждый управляется независимо, и ящерица ухитряется одновременно высматривать добычу одним глазом и следить за окрестностями другим. В природе эта способность встречается, хотя и редко, у некоторых рыб, раков, морских коньков. Но никто, кроме хамелеона, не умеет на лету переключаться между независимым режимом и бинокулярным зрением, когда нужно точно оценить расстояние до будущего обеда. Дальше эволюция не пошла, для выживания в природе большего не требовалось. А творения человека нуждами выживания не связаны. И в полупустыне Аризоны, недалеко от города Туксон, люди собрали зрячую машину, у которой таких независимых глаз не два, а пять тысяч.

Каждые двадцать минут под куполом обсерватории разыгрывается представление. Пять тысяч глаз, крохотных роботов, начинают двигаться в сложном танце, слаженно, не задевая друг друга, и каждый нацеливается на свою галактику. Танец длится 90 секунд, а потом всё затихает на двадцать минут. Каждый глаз пристально вглядывается в свою цель. Потом всё снова приходит в движение. И так всю ночь. Для чего?

За последние годы астрономы научились не просто находить новые миры за пределами Солнечной системы, но и разбираться в том, как они устроены и что собой представляют. Современные инструменты дают возможность фиксировать свет, прошедший через газовые оболочки планет или отраженный от них, и по спектральным линиям восстанавливать картину происходящего. Такие данные помогают понять, насколько разнообразными могут быть условия даже на газовых гигантах.

Телескоп «Джеймс Уэбб» заметно расширил эти возможности благодаря своей чувствительности в инфракрасном диапазоне. Ученые c его помощью изучили горячий газовый гигант WASP-121b, расположенный примерно в 850 световых годах от Земли. Результаты позволили не только изучить общую атмосферу, но и получить первую подробную карту распределения температуры, облачности и химических веществ по разным сторонам планеты. Давайте разберемся.