Вы слышали это раньше? в космосе никто не слышит, как ты кричишь. Это потому, что звук не движется в вакууме, и все знают, что пространство - это вакуум. Дело в том, что это не совсем так.
Пространство не единое ничто. Это полно вещей. Между звездами есть облака газа и пыли. Эти облака иногда являются остатками старых звезд, которые вспыхнули во взрывной славе, и они являются областями, где образуются новые звезды. И часть этого межзвездного газа достаточно плотна, чтобы нести звуковые волны, но не воспринимаемые человеком.
Вот как это работает
Когда объект движется - будь то вибрирующая гитарная струна или взрывающийся фейерверк - он толкает молекулы воздуха, находящиеся ближе всего к нему. Эти смещенные молекулы натыкаются на своих соседей, а затем эти смещенные молекулы натыкаются на своих соседей. Движение распространяется по воздуху как волна. Когда волна достигает вашего уха, вы воспринимаете это как звук.
Когда звуковая волна проходит через воздух, давление воздуха в любом месте будет колебаться вверх и вниз; представьте, как вода становится глубже и мельче, когда мимо проходят волны. Время между этими колебаниями называется частотой звука и измеряется в единицах, называемых герцами; один герц - это одно колебание в секунду. Расстояние между «пиками» высокого давления называется длиной волны звука.
Звуковые волны могут проходить через среду, только если длина волны больше, чем среднее расстояние между частицами. Физики называют это «длина свободного пробега» - среднее расстояние, которое молекула может пройти после столкновения с одной молекулой и до столкновения с другой. Таким образом, более плотная среда может нести звуки с более короткими длинами волн, и наоборот.
Звуки с большей длиной волны, конечно, имеют более низкие частоты, которые мы воспринимаем как более низкие частоты. В любом газе со средней длиной свободного пробега более 17 м (длина волны звуков с частотой 20 Гц) распространяющиеся волны будут слишком низкочастотными, чтобы мы могли их слышать. Эти звуковые волны называются инфразвуком. Если бы вы были инопланетянином с ушами, которые могли бы поднять эти очень низкие ноты, вы бы услышали действительно интересные вещи в некоторых частях пространства.
Песня черной дыры
Около 250 миллионов световых лет от нас, в центре скопления тысяч галактик, сверхмассивная черная дыра наполняет себя самой глубокой нотой, которую когда-либо слышала вселенная (насколько нам известно). Нота представляет собой B-flat, примерно на 57 октав ниже среднего C, что примерно в миллион миллиардов раз глубже, чем звук самой низкой частоты, который мы можем услышать (да, это фактическое число от реальных ученых ).
Самый глубокий звук, который вы когда-либо слышали, имеет цикл примерно из одного колебания каждую двадцатую секунды. Дрон чёрной дыры Персей имеет цикл около одного колебания каждые 10 миллионов лет. Это звук в огромном масштабе, играемый в глубоком времени.
Мы знаем это, потому что в 2003 году рентгеновский космический телескоп НАСА «Чандра» обнаружил рисунок в газе, который заполняет кластер Персея: концентрические кольца света и тьмы, похожие на рябь в пруду. Астрофизики говорят, что эти волны являются следами невероятно низкочастотных звуковых волн; более яркие кольца - это пики волн, где на газ оказывается наибольшее давление. Более темные кольца - это впадины звуковых волн, где давление ниже.
Горячий, намагниченный газ вращается вокруг черной дыры, более или менее подобно воде, циркулирующей вокруг стока. Весь этот намагниченный материал в движении генерирует мощное электромагнитное поле. Поле достаточно сильное, чтобы разогнать материал от края черной дыры почти до скорости света в виде огромных всплесков, называемых релятивистскими струями. Эти релятивистские струи выталкивают газ на своем пути, и это возмущение создает глубокие космические звуковые волны.
Этот глубокий межгалактический звук, проникающий через кластер Персей на сотни тысяч световых лет от его источника, но звук может распространяться только настолько, насколько для его переноса достаточно газа, поэтому инфразвуковой дрон Персей останавливается на краю газового облака, которое заполняет это скопление галактик. Это означает, что мы не можем обнаружить звук здесь на Земле; мы можем видеть только его влияние на газовое облако. Как будто мы смотрим через пространство в звукоизолированную камеру.
Стонущая планета
Ближе к дому наша планета издает глубокие стоны каждый раз, когда сдвигается ее кора, и иногда эти низкочастотные звуки проникают в космос. Во время землетрясения сотрясение земли может вызвать колебания в атмосфере, обычно с частотой от одного до пяти Гц. Если землетрясение достаточно сильное, оно может послать инфразвуковые волны вверх через атмосферу к краю пространства.
Конечно, нет четкой линии, где останавливается атмосфера Земли и начинается космос. Воздух постепенно истончается, пока его нет. От около 80 до около 550 километров над поверхностью, длина свободного пробега молекулы составляет около километра. Это означает, что воздух на этой высоте примерно в 59 раз слишком тонкий, чтобы сквозь него могли проходить звуковые волны, но он может нести более длинные волны инфразвука.
Когда в марте 2011 года землетрясение магнитудой 9,0 потрясло северо-восточное побережье Японии, сейсмографы по всему миру зафиксировали, как его волны проходили через Землю, и вибрации Земли также запускали низкочастотные колебания в атмосфере. Эти вибрации прошли весь путь до того места, где гравитационное поле Европейского космического агентства и спутник по исследованию океанической циркуляции (GOCE) наносят на карту гравитацию Земли с низкой орбиты, находящейся в 270 километрах над поверхностью. И спутник записал эти звуковые волны - вроде как.
GOCE имеет на борту очень чувствительные акселерометры, которые управляют ионным двигателем, который помогает спутнику оставаться на стабильной орбите. 11 марта 2011 года акселерометры GOCE обнаружили вертикальное смещение в очень тонкой атмосфере вокруг спутника вместе с волнообразными сдвигами давления воздуха, когда звуковые волны от землетрясения проходили мимо. Двигатели спутника исправили смещение и сохранили данные, которые стали косвенной записью инфразвука землетрясения.
Косвенная запись была скрыта в данных о двигателе спутника, пока группа исследователей во главе с Рафаэлем Ф. Гарсия не наткнулась на нее и не опубликовала статью о своих выводах .
Первый звук во Вселенной
И если бы вы могли как-то отправиться в прошлое в первые 760 000 лет после Большого взрыва (мы уже превратили вас в инопланетянина, который может слышать инфразвук, так что, конечно, вы также можете путешествовать во времени, верно?), Вы могли бы услышал звук вселенной растет.
Примерно через 760 000 лет после Большого взрыва материя во вселенной все еще была достаточно плотно упакована, чтобы сквозь нее могли проходить звуковые волны - и они это сделали.
Примерно в это же время первые фотоны также начали путешествовать по вселенной в виде света. После Большого взрыва вещи наконец достаточно охладились, чтобы субатомные частицы могли конденсироваться в атомы. До того как произошло это охлаждение, Вселенная была полна заряженных частиц - протонов и электронов - которые либо поглощали, либо рассеивали фотоны, частицы (своего рода), составляющие свет. Когда протоны и нейтроны начали образовывать нейтрально заряженные атомы, свет был свободен сиять повсюду.
Сегодня этот свет достигает нас как слабый свет микроволнового излучения, видимый только очень чувствительным радиотелескопам. Физики называют это космическим микроволновым фоном. Это самый старый свет во вселенной, и он содержит запись самого старого звука во вселенной.
Помните, что звуковые волны распространяются по воздуху (или межзвездному газу) как колебания давления. Когда вы сжимаете газ, он становится горячее; в больших масштабах именно так и формируются звезды. И когда газ расширяется, он охлаждается. Звуковые волны, распространяющиеся через раннюю вселенную, вызывали слабые изменения давления в газовой среде, что, в свою очередь, оставляло слабые изменения температуры, вытравленные на фоне космического микроволнового излучения.
Используя эти температурные колебания, физику из Вашингтонского университета Джону Г. Крамеру удалось восстановить звуки расширяющейся вселенной . Он должен был умножить частоту в 10 26 раз, чтобы сделать ее слышимой для человеческого слуха. (Послушайте это здесь или в видео выше.)
Так что все еще верно, что никто не слышит, как вы кричите в космосе, но есть звуковые волны, движущиеся сквозь газовые облака между звездами или в разреженных пучках внешней атмосферы Земли.
