Астрономия

Много лет пировал Юпитер со своими возлюбленными в холодных чертогах внешней Солнечной системы. Ио, Европа и Каллисто делили с Юпитером стол, а Ганимед наливал вино. Но люди, известные своим любопытством, силой прометеева огня отправили автомат подглядывать за пиршеством. Не воздающие должного почтения богам даже посмели назвать автомат Юноной, в честь жены Юпитера, которую он не пригласил на пир. Разгневался тогда Юпитер, и, засияв нестерпимо ярким полярным сиянием, ослепил Юнону.

Вы каждый день делаете выбор профессии заново, и – как и в случае с любовью – притворяться смысла нет.

Будьте несчастным, или мотивируйте себя. Что бы вам ни пришлось делать – это всегда ваш выбор
Уэйн Дайер

Вот и закончился очередной год, и настало время для ответа на последний вопрос уходящего года. Как всегда, вы отправляли мне свои вопросы и пожелания, и мы поздравляем Радита, который просит меня заняться глубоким самоанализом и спрашивает:

Я не очень хорош в астрономии и всяком таком, но мне очень нравится читать об этом. Вопрос мой таков: что побудило вас решить, что это нечто, чем вы хотите заниматься до конца жизни? Это произошло потому, что вас поразила красота ночного неба?

Это самый частый вопрос, который я получаю от юных (и не очень) людей (от тинэйджеров и тех, кому за 20), и вы заслуживаете обстоятельного ответа. Поехали!

1 июля основная миссия зонда Dawn подошла к концу. NASA не собирается прекращать работу аппарата, как планирует поступить с межпланетной станцией Rosetta ESA. Но и дальше Цереры Dawn не полетит, как предполагалось. Раньше команда проекта планировала, что зонд после изучения планетоида Цереры полетит дальше — сначала к Солнцу, выйдя на безопасную для себя орбиту, и затем к астероиду Адеона. Последний пункт плана был рассчитан на май 2019 года.

Но сейчас специалисты пришли к выводу, что изучение Цереры стоит продолжить — научная ценность текущей миссии будет выше, чем посещение Адеоны. Ученые полагают, что Dawn сможет получить интересные для науки данные при прохождении планетоида через перигелий — минимально удаленную от Солнца точку орбиты. Команда проекта никак не могла прийти к общему мнению в плане продления миссии зонда. 1 июля на сайте NASA даже появился пост с информацией о полете Dawn к Адеоне. Чуть позже пост убрали, а представители агентства заявили о том, что публикация этого материала была ошибкой. Теперь на сайте размещена информация о том, что зонд остается на орбите Цереры.

Вселенная выглядит причудливо: изобилие галактик, множество кластеров, но нет ничего сильно больше по размеру. Почему она стала именно такой?

Мы неправдоподобно небрежно относимся к формированию наших верований, но находим в себе неоправданную страсть к ним, как только кто-то предлагает лишить нас их компании
— Джеймс Харви Робинсон

Конечно, у большинства из нас есть представления о том, как наша Вселенная стала такой, какая она есть. Но некоторые детали, неважно, насколько они научно обоснованы, сбивают с толку. На этой неделе мне задаёт вопрос Том Андерсон:

Тёмная материя притягивает, тёмная энергия отталкивает. Тёмная энергия непрерывно поддерживает расширение пространства между гравитационно связанными галактиками/кластерами, и текущее научное представление состоит в том, что она будет вечно расширяться, охлаждаться и всё закончится «большим замерзанием». Но гравитационно связанные системы не расширяются, и совместная сила тяготения тёмной и обычной материи равна или превосходит силе отталкивания тёмной энергии и обычной энергии. Почему же Вселенная вообще расширилась после Большого взрыва? Почему тёмная материя не оказала противодействия тёмной энергии в начале Вселенной?

Вопрос насыщенный, так что давайте разделим его на части.



Принципы работы Вселенной и формирования структур, таких, как звёзды, галактики и кластеры, находятся за пределами нашего бытового опыта. Если крайне упростить, то Вселенная состоит из расширяющегося пространства-времени, и скорость расширения начинается с какого-то значения, определённого физикой космической инфляции и тем, как заканчивается инфляционный период.

Ни в коем случае. Найденное нами, пусть и загадка, но уж точно не потерянная масса нашей Вселенной

Время вбирает всё в себя, время уносит прошлое всё дальше, и наконец остается только темнота. Тьма.
— Стивен Кинг

Но у нас пока ещё не конец времени, а конец недели. Время для ответа на следующий вопрос колонки «Спросите Итана», где, выбирая среди очень хороших вопросов, я выбрал вопрос Джо Лэтона, который спрашивает про недавнюю новость:

Я читаю множество заголовков в физических изданиях, типа «Исследователи обнаружили возможный сигнал от тёмной материи». Не могли бы вы, с присущей вам выразительностью, пояснить предысторию вопроса и суть данных новостей?

Давайте же дадим Джо то, что ему нужно!



Во-первых, существует проблема тёмной материи. Изучая галактический кластер – например, такой, как скопление Волосы Вероники на фото выше, мы можем применить два способа измерения его материи:

1. Посмотреть на весь спектр электромагнитных сигналов, исходящих от него, включая не только испускающие свет звёзды, но и свет, испускаемый и поглощаемый в других частях спектра. Это даст нам информацию о количестве газа, пыли, плазмы, нейтронных звёзд, чёрных дыр, карликов и даже планет, находящихся внутри.
2. Проследить движение объектов в кластере – в этом случае, отдельных галактик – и использовать знания законов гравитации для вычисления их общей массы.

Сравнив полученные значения, мы увидим, принадлежит ли вся масса нормальной материи, или же там должно быть что-то ещё, сделанное не из протонов, нейтронов и электронов.

Достаточно сложно измерить даже магнитное поле Земли – как же мы тогда меряем его у Солнца, звёзд и удалённых галактик?

Не бывает ничего слишком чудесного, чтобы быть правдой, если только это согласуется с законами природы
— Майкл Фарадей

И снова у нас конец недели, и время для еженедельного ответа на ваши вопросы. Я просмотрел пришедшие вопросы, среди которых были и очень хорошие, но победителем становится Форбс Хирш, который спрашивает:

Как мы можем измерить магнитные свойства на расстоянии? Обычно это связано с Солнцем, северными или южными склонениями, силами, и т.п. Как мы можем «почувствовать» магнитные силы на таких расстояниях?

Начнём с того, чем мы занимаемся здесь, на Земле.



Магнитные поля сами по себе не оставляют видимых, различимых следов. Мы можем видеть доказательства их существования только по тому, как они воздействуют на отзывающиеся на магнитные силы предметы. Это намагниченные или намагничиваемые материалы или же заряженные частицы, двигающиеся сквозь магнитные поля.

Увлечение любительским астрофото связано с использованием одного очень ограниченного ресурса – времени. Для получения качественного изображения требуется получить снимки с суммарной экспозицией от нескольких часов до нескольких суток. Кроме того, должно совпасть несколько факторов: пару дней\ночей свободного времени, хорошая погода, луна в нужной фазе. Зимой, когда за одну ночь можно получить до 10 часов, есть ненулевая вероятность превратиться в сосульку. А летом – стать кормом для комаров и мух, да и небо дают на всего пару часов. Добавьте к этому необходимость уехать подальше от города и засветки, вес и габариты оборудования, дизельный генератор, умножьте на шанс того, что погода внезапно испортится – и всё – данное мероприятие превращается в Mission Impossible, а два три снимка за год – в предел мечтаний.

Но нельзя просто так взять и построить обсерваторию.

Продолжаем тему Казани космической. В последний день своего выезда оказался в совершенно волшебном месте под названием Астрономическая обсерватория Казанского университета им. В.П. Энгельгардта. Место, где природа, наука и популяризация сочетаются просто в идеальной форме.

При расширении Вселенной излучение растягивается, и длины волн увеличиваются – но что происходит с материей?

Медленно растущее дерево приносит лучшие плоды
— Мольер

Сегодня конец недели, и поэтому мы, просмотрев ваши вопросы, выбрали один, который получит ответ в нашей колонке. Спрашивает Андрей Новак:

Теория Большого взрыва утверждает, что при расширении пространства-времени свет смещается в область увеличения длин волн. А влияет ли это расширение на частицы материи? Ведь их размер конечен.

Удивительный вопрос, если задуматься.



С одной стороны, удивительная история, начавшаяся в нашей Вселенной около 13,8 миллиардов лет назад, продолжает развиваться. Вся материя во Вселенной, во всех её формах, была в горячем и плотном состоянии, и расширялась. Она расширялась не так, как это происходит у фрагментов взрыва, но как тесто, подходящее в печи.

Если вы представите все частички материи в виде атомов хлеба, вы начнёте понимать, как работает расширение Вселенной.

Китайское правительство создаёт на территории Тибета специальный «заповедник тёмного неба» (dark sky reserve), в котором будет соблюдаться особый режим, препятствующий световому загрязнению. Основная цель нововведения — это привлечение астрономов и обыкновенных туристов, желающих оказаться на «крыше мира» и увидеть звёзды с высоты 4000 метров над уровнем моря. В проекте также принимают участие китайская организация по защите биологического разнообразия China Biodiversity Conservation и экологический фонд Green Development Foundation. На событие обратило внимание британское издание The Times.

Фемтометр — это 10^-15 метра. Для наглядности, диаметр протона составляет примерно 1,7 фемтометра. 10^-14 м/с² — это одна миллионная от одной миллиардной ускорения свободного падения на Земле. И именно такую точность, минимум в пять раз выше изначально запланированной, показал технологический демонстратор гравитационного телескопа LISA Pathfinder.

Если что-то существовало до Большого взрыва, что это может значить для рождения нашей Вселенной?

Ты можешь попытаться соврать самому себе. Ты можешь говорить себе, что ты вложил всё свое время и все свои усилия. Но ты знаешь правду — и я её знаю.
Дж. Дж. Уатт

Полвека прошло с тех пор, когда крупнейшие предсказания теории Большого взрыва были подтверждены, и навсегда изменили наше представление о Вселенной. Вместо концепции о вечной и бесконечной Вселенной у нас теперь есть понимание, что всё, что мы можем наблюдать, существовало примерно 14 миллиардов лет космического времени, а Солнце и Солнечная система существуют всего лишь треть от этого срока. Что и делает вопрос Себастьяна, заданный в нашей колонке, таким интересным:

Когда началось пространство-время? Когда я был ребёнком, я узнал, что началом всего был Большой взрыв. Теперь, видимо, это представление не совсем верно, поскольку до Большого взрыва была космическая инфляция, а взрыв был вовсе не взрывом, а состоянием, когда Вселенная была горячее и плотнее. Если до Большого взрыва была инфляция, значит, до него было и пространство-время?

Чтобы полностью ответить на вопрос, нам нужно рассмотреть три вещи. Первая – что мы подразумеваем под пространством и временем.



Вы привыкли к обычному понятию пространства – длина, ширина, высота – и времени, которые вы можете представлять себе просто, как ответы на вопросы «когда» и «где». И это не такое уж и плохое представление – но есть две особенности пространства и времени, о которых вам нужно знать, и которые могут показаться не такими интуитивными. Понадобился Эйнштейн, чтобы разобраться в этом, и даже он не справился бы без посторонней помощи!

Во Вселенной существуют галактики нереального размера, в тысячи раз больше нашей. Но среди них нет ни одной спиральной!

Иногда я сижу в одиночестве под звёздами
и думаю о галактиках внутри моего сердца
и размышляю, захочет ли кто-нибудь
придать всему этому смысл.
Я хочу.
— Тести Мактестерсон

Наблюдая ночное небо из затемнённой местности невооружённым глазом, можно увидеть звёзды, планеты, и даже тусклые кластеры и туманности. Но если найти действительно тёмное безлунное небо, один объект доминирует над всеми остальными по масштабам и размаху: грандиозный Млечный путь!



Это плоскость нашей галактики, видимая с ребра с нашей точки зрения изнутри неё. Она огромна, содержит сотни миллиардов звёзд, и растянулась на 100 000 световых лет в диаметре. Но что насчёт галактик большего размера? Вряд ли наша такая уж выдающаяся? И на эту тему на текущей неделе был задан вопрос читателем Дугом Ватсом:

Почему нет реально больших галактик? Есть какие-то ограничения, не позволяющие спиральным галактикам стать больше, чем Млечный путь или Андромеда в тысячу или десять тысяч раз?

Оказывается, что Млечный путь – далеко не самая большая из спиральных галактик. Как и Андромеда – крупнейшая галактика в нашем небе по угловому размеру.

15 июня на официальном сайте лаборатории NASA появилась публикация, повествующая об астероиде, который на несколько столетий станет вторым спутником Земли. О том, что же представляет собой обнаруженный астрономами кандидат в спутники нашей планеты мы расскажем ниже.

Несмотря на репутацию силы с бесконечной дальностью действия, реальная ситуация во Вселенной накладывает на неё ограничения.

В моих снах и видениях я вижу линию, на другой стороне которой зелёные поля, красивые цветы, прекрасные белые дамы, простирающие свои руки ко мне через эту линию, но я не могу до них достать. Я всегда падаю прежде, чем добираюсь до линии.
— Гарриет Табмен

И снова конец недели, а это значит, что я выбираю вопросы из присланных вами. Один из моих читателей, следивший за моими публикациями аж с 2008 года, когда я начал этот блог, Фрэнк Бардж, спрашивает:

Если Вселенная не бесконечна, что можно сказать о дальности действия гравитационной и электромагнитной сил?

Очень сложный вопрос, если подумать. Давайте сначала рассмотрим, что мы знаем о гравитации и электромагнетизме.



Рассмотрим не величину сил, или природу притяжения/отталкивания, а тот факт, что на дальних расстояниях эти силы изменяются согласно закону обратных квадратов, то есть при удвоении расстояния между двумя объектами, сила их взаимодействия падает в 4 раза. Это особенное отношение, которому подчиняются не только гравитация и электромагнетизм, но и другие важные физические свойства – такие, как свет, звук и излучение.

Чем же оно такое особенное? Рассмотрим, как любые из физических свойств – например, свет звезды – распространяются по мере удаления от источника.

Фоновое космическое излучение во Вселенной когда-то поджаривало всё вокруг, но теперь оно почти приблизилось к абсолютному нулю. Куда делась вся энергия?

Думаю, что самое крутое, что можно сделать – исчезнуть на время, потому что это даст вам шанс появиться заново.
— Джош Майкл Хомме

Если подумать, Большой взрыв – одна из самых сложных абстракций, которые можно представить. Конечно, сейчас Вселенная расширяется, а значит, раньше всё было ближе друг к другу и Вселенная была плотнее. Но она была ещё и горячее, поэтому частицы в ней обладали большей энергией по сравнению с сегодняшним днём, когда они уже более «холодные». На этой неделе побеждает вопрос Барри Пэрдо, который спрашивает:

Насколько я понимаю, космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ) постепенно охлаждается с расширением Вселенной, и что частицы КМФИ с красным смещением переходят на увеличивающиеся длины волн и уменьшающиеся уровни энергии. Но куда уходит энергия этих частиц?

Давайте разберёмся и поймём, почему этот вопрос такой глубокий.



Легко понять, как падает плотность по мере расширения Вселенной, и как – если она вдруг начнёт сжиматься – её плотность начнёт расти. Ведь плотность, это всего лишь количество вещества в определённом районе пространства: массовая плотность – это масса на объём, количественная плотность – это количество на объём, и энергетическая плотность – это энергия на объём.

В случае материи – атомов, газа, планет, звёзд, галактик, даже тёмной материи – можно интуитивно связать это с пространством-временем, которое со временем меняется. Если пространство-время расширяется, плотность падает, если сжимается – растёт.

Вселенная, конечно, расширяется, и это расширение ускоряется. Но что мы знаем об этом процессе кроме простого названия «тёмная энергия»?

Выбирая между отчаянием и энергией, я выберу последнее
— Джон Китс

Всю неделю вы напрягали мозг в попытках задать глубокий и загадочный вопрос о Вселенной, и мы получили множество великолепных вопросов – жаль, что я могу выбрать лишь один из них. На этой неделе честь достаётся Пиуш Гупте, которая спрашивает:

Мы узнали, что тёмная энергия составляет примерно 70% от энергии Вселенной. У нас есть доказательства её существования благодаря разным наблюдениям. И она действительно влияет на эволюцию Вселенной. Но что есть тёмная энергия? Имеем ли мы хоть какое представление? Есть для неё какие-либо приемлемые модели?

И у нас правда есть пара хороших идей, но давайте для начала сверим наши знания.



Первое, что нужно принять – концепцию пространства-времени, а также самую важную идею общей теории относительности: количество и тип материи и энергии во Вселенной неразрывно связаны с эволюцией пространства-времени по мере движения Вселенной во времени. До Эйнштейна считалось, что пространство и время постоянны и фиксированы. С одной стороны, есть пространство, которое можно представить как статичную трёхмерную сетку, а с другой — время, отдельный фиксированный континуум, через который все точки пространства двигаются одновременно.

В ОТО всё это меняется сразу двумя способами – и оба очень важны.

Самые плотные и массивные объекты Вселенной живут ужасно долго, но не вечно. И вот, что с ними случается

Перед фактом сядьте, словно ребёнок, и приготовьтесь расстаться с любым предубеждением, следуя скромно куда и к чему бы не привели бездны природы, или же вы ничему не научитесь.
— Т. Г. Хаксли

Представляя себе чёрные дыры вы, наверно, думаете о сверхплотных и очень массивных участках пространства, откуда ничто не может убежать. Ни материя, ни антиматерия, ни даже свет! Вы также можете думать, что они продолжают питаться всем, чему не посчастливилось столкнуться с ними, даже тёмной материей. Но в какой-то момент любая чёрная дыра во Вселенной не только закончит расти, но и начнёт уменьшаться, терять массу, до тех пор, пока не испарится полностью! На этой неделе в нашей колонке мы ответим на вопрос Павла Жужельского, который спрашивает:

Я часто видел объяснения излучения Хокинга типа: «пары виртуальных частиц появляются на горизонте событий. Одна падает в дыру, другая убегает, унеся с собой частичку массы дыры». И обычно мелким шрифтом указано, что это – упрощение. Наверно, это так и есть – ведь если одна из частиц падает в дыру, её масса должна увеличиваться на массу частицы. В чём подвох?

Это очень сложная тема, но такая, которую мы понимаем. Начнём с обсуждения того, как выглядит пустое пространство.

Тёмной материи во Вселенной в пять раз больше, чем обычной. Но как это влияет на чёрные дыры?

Одного дня достаточно, чтобы мы выросли, или, наоборот, уменьшились.
— Пауль Клее

Хотите верьте, хотите – нет, но цитата подходит как к чёрным дырам, так и к людям. Иногда чёрная дыра может несказанно прирасти, а иногда – потерять больше массы-энергии, чем приобрела. На этой неделе статья посвящается вопросу Майкла Бута, который затрагивает не только этот аспект чёрных дыр, но и более тёмную их сторону:

Поскольку тёмная материя взаимодействует с барионной только через гравитацию, и поскольку тёмной материи существует в 5 раз больше, чем барионной, 5/6 чёрных дыр должны содержать тёмную материю. Сообщает ли нам эта информация что-либо полезное касательно чёрных дыр?

Отвечая на этот вопрос, нужно рассмотреть много аспектов, так что начнём мы с описания того, что такое чёрная дыра, и с того, что наша планета ею не является.



Если взять такую планету, как Земля, у неё есть огромное количество гравитационной энергии, удерживающее нас на поверхности. Чтобы убежать от гравитационного поля планеты, нам необходимо достичь огромных скоростей порядка 11 200 м/с. Гравитационное поле в фотосфере Солнца гораздо сильнее, там нужно двигаться со скоростью порядка 618 000 м/с, чтобы вырваться из его гравитационного поля. Это большие скорости, но достижимые.

Находка может помочь прояснить происхождение жизни на Земле



Астрономы из Калифорнийского технологического института впервые обнаружили хиральную молекулу органического вещества в межзвездном пространстве. Это открытие может иметь важное значение для понимания зарождения жизни на Земле (возможно, и других планетах в иных звездных системах). Дело в том, что аминокислоты и другие органические соединения существуют в двух формах, называемых оптическими изомерами. Эти изомеры одинаковы по составу, но их структура зеркально противоположна. Отличить один изомер от другого можно в растворе, пропустив через него свет. Обе хиральные (зеркальные по структуре) формы будут вращать плоскость поляризации излучения, проходящего через раствор, влево или вправо. Важным моментом является то, что все аминокислоты, из которых состоят белки живых организмов (включая как вирусы, так и человека) являются L-изомерами, это «левосторонние» молекулы.

L-изомеры уже обнаружены в космосе, специалисты нашли относительно простые органические соединения на поверхности комет (в частности, на комете Чурюмова-Герасименко). Находка, сделанная сейчас — это окись пропилена. На Земле это вещество хорошо известно, его используют в производстве некоторых видов пластика и как фумигант в процессе выращивания миндаля. Пропилен используется и как топливная присадка. Ученые считают, что обнаруженное соединение может находиться в больших количествах в облаках газа, окружающих центр нашей галактики. Хиральная молекула, обнаруженная учеными, находится на расстоянии 390 световых лет от Земли. Речь идет о большой газопылевом облаке Стрелец В2. Здесь активно идет процесс звездообразования, ранее в облаке астрономы обнаружили несколько молодых звезд.