Какова судьба Вселенной? Что такое темная материя? Почему мы здесь? Эти загадки не дают астрономам спать по ночам - в буквальном смысле слова.
В прошлом идеи интерпретации природы вещей развивались медленно. Прежде чем появилась астрономия, возникла астрология, пытавшаяся извлечь мистический смысл из движения звезд и планет. То, что стало химией, первоначально было алхимией, пытавшейся превратить свинец в золото. Потребовались тысячелетия, чтобы эти примитивные практики превратились в науку. И даже когда это произошло, ранняя наука в основном сводилась к классификации, будь то кости, образцы минералов или листья деревьев.
По-настоящему ландшафт астрономии изменился в 1860-х годах, когда развитие спектроскопии положило начало новой эре понимания Вселенной - эре астрофизики. Наконец-то астрономы смогли всерьез приступить к объективной и взвешенной расшифровке физической природы объектов в космосе. Последовали большие моменты осознания. Столетие назад Альберт Эйнштейн изменил физику своими теориями относительности, впервые со времен Исаака Ньютона переписав основные законы движения. Эдвин Хаббл произвел революцию в астрономии в начале 1920-х годов, открыв природу галактик и первые проблески огромной шкалы космических расстояний.
Но последнее поколение стало свидетелем такого взрыва знаний о Вселенной, какого не было ни у кого из предшественников. И на этом пути огромные сюрпризы полностью изменили многие наши представления о Вселенной. Теперь мы получаем ответы на некоторые из самых больших и фундаментальных вопросов, которыми люди задавались с незапамятных времен: Сколько лет Вселенной? Как она возникла? Насколько велик космос? Существуют ли черные дыры? Как закончится Вселенная? И почему мы здесь, на планете, вращающейся вокруг самой обычной звезды?
Воистину, никогда еще не было лучшего времени для тех, кто любит астрономию и с трепетом взирает на небо.
1. Как образовалась Луна
Одной из великих загадок астрономии является наш ближайший небесный сосед. Предположительно, одним из первых объектов на небе, которые заметили и над которыми задумались наши древние предки, была Луна.
Долгое время Луна представляла ученым-планетологам несколько загадок. Система Земля-Луна - странная система. Она обладает большим угловым моментом, то есть имеет высокую орбитальную скорость, скорость вращения и массу. Луна также относительно массивна по сравнению с Землей, а ее орбита странная, наклонена на 5,1° к плоскости эклиптики. Однако при всей своей массе Луна имеет странно низкую общую плотность.
Первые серьезные намеки на происхождение Луны появились, когда астронавты "Аполлона" привезли на Землю лунные породы для изучения, но поначалу эти образцы только усугубляли загадки. Сложный химический состав камней сбил ученых с толку и привел к нескольким вариантам происхождения Луны. Возможно, Луна была блуждающим телом, захваченным земным притяжением. А может быть, Земля и Луна образовались одновременно, как некая двойная планета. Возможно, наш мир породил Луну в результате деления. Возможно, крупные планетезимали в окрестностях Земли в начале истории Солнечной системы раскололись и образовали Луну. А может быть, произошло крупное столкновение, в результате которого образовались обломки, сформировавшие Луну, которую мы имеем сейчас.
В 1970-х годах Уильям Хартманн и Дональд Дэвис из Аризонского университета предположили, что на заре существования Солнечной системы с Землей столкнулось тело размером с Марс (позже названное Тейей), которое выбросило огромное облако материала, превратившееся в Луну. Поначалу эта идея не нашла поддержки. Но после нескольких лет изучения идея укрепилась, и в 1990-х годах планетарный ученый Робин Кануп представил еще одно убедительное доказательство.
Так называемая гипотеза гигантского столкновения сегодня является ведущей идеей о том, как образовалась Луна. Самым сильным доказательством является то, что изотопы кислорода - особые разновидности элемента, отличающиеся количеством нейтронов, - в лунных породах полностью совпадают с земными. По мнению планетологов, они должны были произойти из общего источника, и столкновение объясняет это.
Что же случилось с Теей? Большая ее часть стала землей, под вашими ногами.
2. Куда делась вода на Марсе?
Научная фантастика XIX века считала Марс похожим на Землю миром, где, возможно, обитают всевозможные существа, которые смотрят на нас с высоты своего роста. Наш планетарный сосед обладает сложной системой каналов - так считал Персиваль Лоуэлл, вооруженный своим мощным 24-дюймовым телескопом в Аризоне. Предания о Красной планете заставляли нас надеяться, что среди живых существ этого мира могут быть леса, долины, изрезанные водой, и двоюродные братья человечества.
Любая возможность этого была разрушена, когда в 1960-х годах первые космические аппараты сделали близкие снимки Марса. Очевидно, что это был бесплодный, безжизненный мир.
Но с появлением орбитальных аппаратов и роверов на Красной планете в 1990-х годах начала вырисовываться более глубокая история эволюции Марса. Эти аппараты, в частности Mars Reconnaissance Orbiter, показали, что на марсианской поверхности когда-то в изобилии текла вода. Во многих местах в скалах высечены значительные русла рек. Есть множество доказательств существования на Марсе подповерхностных водоносных горизонтов, а также водяного льда, в том числе в полярных шапках. Но ни одна из этих вод не течет по поверхности планеты. Так что же привело к высыханию планеты?
Короткий ответ - изменение климата. Ученые-планетологи считают, что в ранний период своей истории Марс обладал гораздо более плотной атмосферой, чем сейчас, что способствовало сохранению воды на поверхности планеты. Но затем атмосфера эволюционировала и истончилась. Теперь молекулы воды на поверхности Марса испаряются и быстро распадаются на более легкие побочные продукты, которые затем быстро улетучиваются в космос.
Будущим астронавтам на Марсе будет интересно изучить водоносные горизонты, расположенные в нескольких метрах под поверхностью. Могут ли они содержать микробы? Это может означать первое обнаружение жизни на другой планете.
3. Почему Венера вывернулась наизнанку?
Ярчайший объект на нашем небе после Солнца и Луны, Венера - еще одна планетарная соседка, наполненная богатыми преданиями и научной фантастикой. Как и в случае с Марсом, с первыми полетами космических аппаратов мы обнаружили, что Венера - не совсем то место, где стоит задерживаться. Советские и американские посадочные аппараты 1960-х годов быстро обнаружили, что они могут выжить на поверхности планеты лишь в течение короткого времени при температуре 425 градусов по Цельсию. То, что Венера похожа на ад из культурных сказок, стало очевидным сразу же, и это сходство только углубилось с появлением информации о токсичных атмосферных газах.
Венера не только разочаровала легионы поклонников научной фантастики, но и стала серьезной загадкой для планетологов. Обычно исследователи оценивают возраст планетарных поверхностей, подсчитывая количество кратеров. Мы знаем, что во внутренней части Солнечной системы была эпоха бурного развития, называемая Поздней тяжелой бомбардировкой, когда мелкие тела осыпали поверхности планет и лун. Доказательства этого до сих пор можно найти, просто взглянув на Луну. Но на Венере, по сравнению с ней, очень мало ударных кратеров. "Что происходит с Венерой?" - задались вопросом ученые-планетологи.
Большое количество данных о Венере и ее поверхности было получено в начале 1990-х годов с помощью космического аппарата "Магеллан", что положило начало новой эре изучения Венеры. Стало очевидно, что Венера - планета с молодой поверхностью. В относительно недавнем прошлом она была очень вулканически активной. И, возможно, три четверти миллиарда лет назад на Венере произошла глобальная вулканическая вспышка, вызвавшая катаклизм. Старые кратеры были уничтожены. Как сказал один ученый-планетолог, "Венера - это планета, которую вырвало на саму себя".
Что могло стать причиной столь драматического действия? Предполагается, что огромное количество энергии было заперто глубоко внутри Венеры, возможно, потому, что ее кора стала настолько толстой, что задушила мир своим внутренним теплом. В какой-то критический момент эта энергия вырвалась наружу, и, поскольку на Венере нет тектоники плит, это событие привело к катаклизму - глобальному всплытию.
4. Милкомеда
Загадки и странные открытия распространяются и далеко в космосе за пределами нашей Солнечной системы. В начале 1920-х годов Эдвин Хаббл открыл природу галактик, обнаружив переменную звезду Цефеида в галактике Андромеды, нашей ближайшей большой внегалактической соседке. Поскольку переменные Цефеиды пульсируют с частотой, зависящей от их собственной яркости, Хаббл смог точно определить расстояние до нее.
Он обнаружил, что галактика Андромеды находится на расстоянии удивительных 2,5 миллиона световых лет. Свет, который вы видите от галактики в окуляре своего телескопа, движется с максимально возможной скоростью уже 2,5 миллиона лет - с тех пор, как наши первые предки появились на Земле.
Еще до Хаббла астроном В.М. Слайфер из Лоуэллской обсерватории обнаружил, что большинство "спиральных туманностей", как их тогда называли, удаляются друг от друга.
Но не все. Исключение обычно составляют скопления и группы. Мы находимся в одной группе галактик с Андромедой, названной Хабблом Местной группой. Гравитация и случайные движения играют большую роль в поведении галактик в группах.
Оказывается, Галактика Андромеды и наш Млечный Путь движутся навстречу друг другу со скоростью около 110 км/с. В 2008 году профессор астрономии Гарвардского университета Ави Лоеб и его коллеги провели детальное исследование Галактики Андромеды и пришли к выводу, что в конечном итоге Галактика Андромеды и Млечный Путь сольются в одну сверхгалактику, которую они окрестили Милкомедой.
Волноваться не о чем - это произойдет задолго после того, как жизнь на Земле исчезнет. Но в конце концов, через несколько миллиардов лет, Галактика Андромеды будет все больше и больше вырисовываться в нашем небе - или в небе уцелевших планет в Млечном Пути. Все жители Земли станут свидетелями того, как спиральные рукава галактик закрутятся в космическом танце, и, возможно, в конце концов Милкомеда станет похожа на одну из больших эллиптических галактик, которые мы можем наблюдать сейчас, например, на Центавр А в нашем южном небе.
5. Насколько велика Вселенная?
Это вопрос, который в той или иной форме должен восходить к тому времени, когда предки человека впервые обрели способность к сложному мышлению, устремив взгляд в небо и размышляя о причинах своего существования. И все же ответ на него, в каком бы то ни было сложном смысле, появился совсем недавно.
Космологические исследования говорят нам, что возраст Вселенной составляет 13,8 миллиарда лет. Самое последнее и точное определение основных космологических данных получено со спутника Европейского космического агентства "Планк". Мы знаем, что Большой взрыв является точкой отсчета Вселенной, с тех пор как Арно Пензиас и Боб Уилсон обнаружили космическое микроволновое фоновое излучение в 1964 году. Мы знаем, что Вселенная расширяется, что было замечено Слайфером в 1912 году. А с 1998 года и открытия темной энергии - мы знаем, что это расширение ускоряется с течением времени.
Удивительно, но теперь мы также знаем, что диаметр космоса составляет не менее 93 миллиардов световых лет. Как это может быть? Потому что Вселенная не похожа на коробку, содержимое которой движется наружу. Пространство само по себе расширяется с течением времени. Расстояние в 2,54 сантиметра в ранней Вселенной позже стало 25,1 сантиметра и так далее.
Обратите внимание, что Вселенная имеет размер не менее 93 миллиардов световых лет. Это потому, что в некоторых космологических моделях Вселенная может быть бесконечной. Это звучит как фантастика, но, возможно, это правда.
6. Тайна темной материи
В начале 1930-х годов два астронома независимо друг от друга предположили существование странной, невидимой формы материи. Голландский астроном Ян Оорт (вскоре прославившийся исследованиями кометного облака Солнечной системы) и швейцарский астроном Фриц Цвикки изучали движение звезд в нашей галактике. Каждый из них пришел к выводу, что яркий материал, который мы видим, - звезды и галактический диск - не может быть всем, что существует. Какая-то невидимая форма материи также должна существовать и помогать звездам вращаться вокруг центра галактики так быстро, как они это делают. Цвикки назвал ее dunkle Materie, или темная материя.
Перенесемся на 40 лет вперед, в 1970-е годы, когда американский астроном Вера Рубин и ее исследовательская группа в Институте Карнеги занялись изучением вращения галактик. Они обнаружили, что темная материя действительно существует, и тогдашние теоретики предположили, что она должна существовать в виде невидимых частиц. В последующие десятилетия предполагаемые частицы включали в себя WIMPs (слабо взаимодействующие массивные частицы) и аксионы.
Прошло еще 40 лет, и спутники типа "Планк" определили, что темная материя, чем бы она ни была, должна составлять около 26 процентов от массы и энергии Вселенной. Все привычные вещи в космосе - звезды, планеты, галактики, собаки, кошки, деревья и т. д. - должны составлять лишь около 5 процентов массы-энергии. Мы называем это привычное вещество барионной материей.
Это означает, что из всей материи во Вселенной около 80 процентов составляет темная материя, и мы пока не понимаем, что это такое и из чего она состоит. Эксперименты на ускорителях частиц пока не обнаружили ни аксиона, ни какого-либо другого объяснения.
7. Большая тайна темной энергии
Погодите-ка, - скажете вы. Что это за содержание массы и энергии, о котором вы говорите? Теория относительности Альберта Эйнштейна, созданная более века назад, учит нас тому, что материя и энергия - это взаимопревращающиеся формы одной и той же вещи. Именно в этом и заключается E = mc2. С, обозначающая скорость света, является константой. Таким образом, уравнение, по сути, показывает, что энергия равна массе. Старая шутка, только слегка преувеличенная (потому что преобразование не происходит идеально или мгновенно), заключается в том, что вы можете продемонстрировать это, съев бутерброд, а затем побежав по улице, преобразуя пищу в энергию.
Спутник "Планк" и другие аппараты помогли нам понять состав Вселенной. Но в 1998 году наше представление о Вселенной было вновь потрясено, когда астрономы обнаружили то, что сейчас называется темной энергией. Наблюдая за далекими сверхновыми, астрономы обнаружили, что расширение Вселенной, которое долгое время считалось постоянным, со временем ускоряется.
Это означает, что расширение ускоряет неизвестная сила - темная энергия. Из чего состоит эта сила и какова ее точная природа, пока остается загадкой. Но она определенно существует. Так что, если вас расстраивает тот факт, что мы не знаем, что такое темная материя, держитесь за шляпу. Темная энергия составляет остальные 69 процентов массы и энергии космоса.
На заметку начинающим космологам: Если вы хотите получить Нобелевскую премию, выясните, что такое темная материя или темная энергия. Ваша премия будет гарантирована.
8. Черные дыры есть везде
Эти области пространства с такой гравитационной силой, что ничто, даже свет, не может вырваться наружу, являются одними из самых причудливых объектов в космосе. А материал нагревается настолько, что светится в рентгеновских лучах, которые более энергичны, чем видимый свет, на который настроены наши глаза.
Концепция черных дыр восходит к английскому философу и священнослужителю Джону Мишеллу, который в 1783 году написал о "темных звездах" в своей работе. Но подтвердить существование черных дыр долго не удавалось. Их чрезвычайно трудно найти. Ведь они не светятся.
В 1970-х годах астрономы обнаружили чрезвычайно сильный источник рентгеновского излучения, названный Cygnus X-1, который, судя по всему, был кандидатом в черные дыры. Торн и его друг Стивен Хокинг заключили знаменитое пари о том, будет ли подтверждено, что этот объект является черной дырой. Наконец, в 1990 году было доказано, что это черная дыра звездной массы - остаток погибшей массивной звезды.
Вскоре после этого астрономы с помощью космического телескопа "Хаббл" начали находить доказательства существования другого типа черных дыр - сверхмассивных черных дыр - в центрах многих галактик. В течение последнего поколения стало ясно, что массивные галактики имеют центральные сверхмассивные черные дыры. (У более мелких карликовых галактик, однако, их нет).
В Млечном Пути должны существовать миллионы черных дыр со звездной массой, но мы знаем лишь о паре десятков, потому что их очень трудно обнаружить. Также были обнаружены первые примеры третьего класса - черных дыр средней массы. По мере продолжения исследований каталог известных черных дыр, несомненно, разрастется до астрономических цифр.
9. Какова судьба Вселенной?
Есть большие вопросы, а есть БОЛЬШИЕ вопросы. Один из самых больших - "Что в конце концов произойдет с этой штукой, которую мы называем Вселенной?".
Чтобы начать отвечать на этот вопрос, астрономам необходимо знать все о текущей физической природе Вселенной. На самом деле все сводится к тому, какую космологическую модель мы можем подтвердить. Долгое время Большой взрыв был лишь одной из многих возможных моделей.
Фред Хойл и другие авторы в течение многих лет продвигали теорию стационарного состояния, которая предполагала, что Вселенная всегда расширялась и будет расширяться, создавая материю по мере своего развития, чтобы поддерживать постоянную плотность. Другие предлагали осциллирующую Вселенную, которая расширяется вовне, а затем коллапсирует внутрь и начинает все сначала в серии Больших взрывов. В этих моделях судьба Вселенной была более простой: она либо расширялась вечно, либо возвращалась обратно в себя в так называемом Большом взрыве.
С открытием темной энергии вопрос стал более сложным. Однако мы все еще можем предположить несколько возможных исходов. Первый - это так называемый Большой разрыв, при котором через миллиарды лет расширение космоса и растущая сила темной энергии развяжут объекты, удерживаемые вместе гравитацией. Но это довольно маловероятный сценарий.
Наиболее вероятным, по мнению большинства космологов, является Большое Замораживание. В этом случае Вселенная будет расширяться, превращаясь во все более холодный, темный и одинокий космос. По мере старения и гибели звезд, подобных Солнцу, их остатки будут становиться все холоднее и темнее. И по мере того как будут проходить миллиарды и триллионы лет, все оставшиеся фотоны будут все больше и больше краснеть, растягиваясь до длин волн, недоступных для визуального обнаружения. В любой точке космоса останется лишь несколько невообразимо далеких карликовых звезд, тускло светящихся, как далекие угольки, пока и они не погаснут.
Возможно, Вселенная и началась со взрыва, но наиболее вероятный сценарий на сегодняшний день - это то, что она закончится холодом и темнотой.
10. Смысл жизни во Вселенной
И, пожалуй, самый главный вопрос: как мы сюда попали? Как зародилась жизнь на Земле? Насколько распространена жизнь во Вселенной? Одиноки ли мы или просто изолированы от цивилизаций, которые существуют в огромном количестве и расположены через огромные космические заливы, как острова в космическом океане?
Из самых ранних микробных окаменелостей мы знаем, что жизнь зародилась на Земле вскоре после поздней тяжелой бомбардировки, около 4 миллиардов лет назад. Жизнь на нашей планете оставалась очень простой в течение долгого-долгого времени. Сложные формы жизни, такие как мы, появились только в последние несколько миллионов лет.
Атомов в вашем теле очень много, возможно, 7 миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов в среднем человеке. Это те же самые атомы, которые были созданы в ранней Вселенной. Водород и гелий возникли в результате Большого взрыва, а более массивные элементы появились в результате гибели звезд. Вселенная на каком-то уровне представляет собой гигантскую программу переработки, и вы являетесь ее частью.
Мы - это буквально звездный материал, перестроившийся в самовоспроизводящиеся клетки, созданные в сложные мыслящие системы.
Мы знаем, что условия для сборки этих атомов в сложные системы довольно распространены в космосе. Множество экзопланет, на которых может существовать жизнь, находятся относительно недалеко от нас в Млечном Пути. В нашей галактике насчитывается около 400 миллиардов звезд. (Мы не знаем точно, потому что самые распространенные звезды - карлики - тусклые и их трудно разглядеть на больших расстояниях). А в космосе насчитывается не менее 100 миллиардов галактик, возможно, гораздо больше.
Консервативно скажем, что в космосе насчитывается 10 000 миллиардов миллиардов звездных систем. Благодаря спектроскопии мы также знаем, что химия во всем космосе однородна, а веществ, необходимых для жизни, очень много. Неужели мы действительно думаем, что Земля - единственная планета во всем этом мире с жизнью?
Но расстояния огромны, и то, что мы являемся разумными существами, - почти чудо. Мы можем говорить об этих вопросах, передавать свои чувства и мысли о ночном небе и удивленно взирать на него. Сколько тайн космоса раскроют астрономы в следующих поколениях?
Прикоснитесь к тайнам прошлого, настоящего и будущего - подписывайтесь на канал!