Можем ли мы сказать, что современная наука уверенно ответила на самые главные вопросы в большинстве областей? Конечно, нет. И пример астрономии здесь очень показателен. Лишь недавно эксперименты подтвердили теоретические данные о том, почему же светят звезды — и Солнце в частности.
А что насчет астероидов и комет, прилетающих из-за пределов Солнечной системы? Или устройства пространства-времени? Какие возможности сегодня открываются перед астрономами и астрофизиками? Об этом ПостНаука поговорила с кандидатом физико-математических наук, старшим научным сотрудником Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ Владимиром Сурдиным.
Что изменяет пространство и время?
Пожалуй, самое значимое событие XXI века — открытие гравитационных волн. Они могут быть описаны как «рябь пространства-времени», и это такие волны, которые способны менять гравитационное поле. Впервые их детектировали в 2015 году, а в начале 2016-го об открытии объявили всемирно. Уже в 2017 году за эту работу ученые Райнер Вайсс, Барри Бариш и Кип Торн получили Нобелевскую премию по физике. Важно и то, что это событие успел застать физик-теоретик и космолог Стивен Хокинг, который посвятил свою жизнь, в том числе изучению гравитации. Многие годы теоретики не были уверены, что гравитационные волны существуют. Дело в том, что любые волны имеют свойство переносить энергию, но особенности общей теории относительности несколько «сглаживают» такое понятие, как энергия гравитации. Однако ученые уже убедились, что гравитационные волны действительно переносят энергию: в экспериментах, при прохождении гравитационной волны, детекторы получают микроскопические колебания.
Роль этого прорыва переоценить сложно. В очередной раз ученые убедились, что общая теория относительности верна. Кроме того, наука получила «окно в новый мир»: в ближайшем будущем наблюдение за гравитационными волнами сможет дать исследователям информацию о первых микросекундах жизни Вселенной. Движение масс, происходившее в этот момент, по определению приводит к рождению гравитационных волн. Такой «фон» должен распространиться во все направления — и его можно фиксировать благодаря свойству гравитационных волн проходить сквозь любые объекты и материи. В свою очередь, информация о первых секундах жизни Вселенной может рассказать о причинах начала ее расширения. Еще в 60-е годы ХХ века была предложена гипотеза инфляции, согласно которой в первые мгновения жизни Вселенной ведущую роль играло некое антигравитационное поле, или инфлатон, которое стимулировало резкое раздувание пространства. Но существуют и альтернативные идеи: например, гипотеза о том, что Большого взрыва не было — вместо него произошло сначала сжатие, а затем — отскок, подобный пружине, — и в будущем это явление будет повторяться.
Пока ученые детектировали гравитационные волны только от таких объектов, как черные дыры и нейтронные звезды, которые с огромной скоростью вращаются относительно друг друга и генерируют волны гравитации. Конструкция современных детекторов гравитационных волн была предложена в 60-е годы исследователями физического факультета МГУ. В течение 30 лет эта идея совершенствовалась при участии специалистов со всего мира — и в 90-е она была реализована в виде работающего детектора. По этой причине лауреат Нобелевской премии Кип Торн после награждения первый визит совершил именно на физический факультет МГУ.
Как «поймать» волны, длина которых больше, чем диаметр Земли?
В 2023 году состоялось открытие гравитационно-волнового шума: это длинноволновые гравитационные волны, которые невозможно зафиксировать на Земле потому, что наша планета намного меньше длины волны этого излучения. При этом можно использовать некоторые небесные объекты, которые как бы сыграют роль прибора для регистрации подобных волн.
В таком качестве наука сегодня рассматривает радиопульсары — это нейтронные звезды с очень стабильным периодом вращения, импульсы которого происходят строго периодично. И если между наблюдателем и радиопульсаром проходит гравитационная волна, она перемещает нейтронную звезду и Землю друг относительно друга. Иными словами, она меняет свойства пространства и времени, а также момент прихода радиоимпульсов от нейтронных звезд. И если долго наблюдать за радиопульсарами, то можно заметить такое изменение момента прихода импульсов. Этот метод был предложен еще около 50 лет назад близким другом Владимира Сурдина — Михаилом Васильевичем Сажиным, который предположил, что наблюдение за радиоимпульсами нейтронных звезд может подтвердить существование длинных гравитационных волн. В научной периодике Михаил Сажин и сегодня признается автором этой идеи.
Источник гравитационно-волнового шума науке пока неизвестен: он фиксируется со всех сторон, не от конкретных объектов. Существовала идея, что это и есть тот самый шум, родившийся в первые мгновения жизни Вселенной. Но эта гипотеза не оправдалась. Согласно другому предположению, этот шум — результат постоянного столкновения нейтронных звезд и черных дыр: почему это происходит так часто и где это происходит, пока тоже остается загадкой.
Таким образом, роль открытий в области гравитационного излучения можно сравнить с рождением радиоастрономии в ХХ веке: благодаря этой науке было зафиксировано то, что невозможно обнаружить через оптические телескопы; таким же образом и гравитационно-волновая астрономия со временем откроет ученым «новую» Вселенную.
Почему Солнце светит?
Еще одним ключевым событием в мире астрономии в начале ХХI века сталоокончательное разрешение парадокса солнечных нейтрино. Многие десятилетия теоретики были уверены, что знают, по какой причине светятся звезды: теория надежно объясняла это явление. Практическое подтверждение этой теории было предсказано в 50-е годы ХХ века физиком Бруно Понтекорво. Он предложил попытаться детектировать нейтрино, которые формируются в термоядерных реакциях и пронизывают солнечное вещество, достигая Земли. В начале 60-х годов начались проекты строительства подобных приборов. Успеха добился американский химик и экспериментатор, лауреат Нобелевской премии по физике 2002 года, Раймонд Дэвис, который построил под землей огромный детектор и «поймал» солнечное нейтрино.
Результаты работы Дэвиса не до конца совпали с теорией: оказалось, что практически можно детектировать лишь треть от описанного количества солнечных нейтрино. Это расхождение породило многолетний кризис в астрофизике, и до окончательного решения проблемы прошло около 40 лет. Оказалось, что электронные нейтрино, хотя и рождаются в недрах Солнца, по пути к Земле меняют свой вид и становятся не электронными, а мюонными и тау-нейтрино. В 2001 году в Канаде были детектированы все три вида этой частицы — так эксперимент подтвердил теоретические расчеты. А в 2017 году в Италии международный эксперимент не только регистрировал нейтрино совокупно, но и определял энергию частиц — что позволило проследить природу термоядерных реакций, при которых образовались частицы. В этот момент практика подтвердила теорию окончательно.
В будущем такие детекторы смогут фиксировать не только нейтрино из недр Солнца, но и поступающие к поверхности Земли от других звезд. В особенности при взрыве массивных звезд. И ближайшим таким событием станет взрыв хорошо нам известной звезды Бетельгейзе. Еще недавно ученые предполагали, что это произойдет только в ближайшие 10 тысяч лет. Но в 2023 году вышла работа, которая интерпретирует поведение Бетельгейзе более точно с помощью новой модели. Оказалось, что с большой вероятностью Бетельгейзе взорвется в ближайшие 30 лет. Точнее, само событие уже произошло, но на Земле мы «увидим» взрыв только через десятки лет. И за несколько дней до этого многие астрономические и космические аппараты придется выключить: их зашкалит потоком нейтрино, а вместе с этим — радиацией.
В космосе найдены следы жизни?
В 2017 году было совершено открытие, которое привлекло внимание не только ученых, но и самых обычных людей — обнаружение межзвездного объекта Оумуамуа. Дело в том, что любая планетная система населена большим количеством мелких тел, астероидов, комет. Двигаясь хаотически между планетами, астероиды и кометы периодически получают гравитационный толчок и покидают Солнечную систему. И если это происходит с нашей планетной системой, то подобное можно было ожидать и от других. Но до 2017 года такие случаи замечены не были.
Оумуамуа двигался к Земле со стороны Солнца, поэтому телескопы длительное время не фиксировали этот объект: он был замечен только в момент его пролета на расстоянии 30 миллионов километров от Земли. Наблюдения показали удивительные результаты: размер Оумуамуа около 200 метров, форма — очень вытянутая или очень сплюснутая (если наблюдать диск с ребра, он также может выглядеть как вытянутый объект). Эти формы совершенно не похожи на то, какими бывают все известные ученым астероиды и кометы (ядра комет). Пролетев мимо Солнца, Оумуамуа начал ускорять свой полет. Такое явление бывает свойственно кометам, когда из-за высоких температур они выпускают газ и образуют кометный хвост, ускоряющий движение. Но Оумуамуа не имел кометного хвоста. Существует гипотезя, что Оумуамуа — это очень легкое тело: настолько легкое, что давление солнечного света заставило его ускориться. Эту идею развивает американский астрофизик Ави Лёб, автор книги «Внеземной». Исследователь полагает, что это тело — искусственного, а не природного происхождения.
Кроме того, Ави Лёб предположил, что если в Солнечную систему попадают инородные объекты крупных размеров, то должны встречаться и более мелкие. Для их обнаружения он собрал данные наблюдений за метеорами и среди них стал искать необычные. Это принесло результат: Ави Леб обнаружил очень быстрый метеор, который по своим свойствам не мог сформироваться в пределах Солнечной системы. Ученый отследил траекторию его движения и рассчитал, что метеор должен был упасть в океан. Для поиска его фрагментов он снарядил экспедицию и обнаружил металлические «шарики». Пока изучение этих находок не дало окончательных результатов.
Вслед за этим, в 2019 году, сотрудник государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ Геннадий Борисов обнаружил межзвездную комету. Это открытие показало, что и в других планетных системах возникают объекты, подобные кометам Солнечной системы. Отдельно нужно отменить, что этот объект был зафиксирован при помощи самодельного телескопа.
Все эти события стимулировали поиски им подобных. Например, сегодня в Европейском космическом агентстве прорабатывается идея космических перехватчиков, которые позволят обнаруживать межзвездные объекты заранее и получать от них максимум информации.
Челябинский метеорит — еще один двигатель прогресса?
В 2013 году впервые в истории метеорит упал на густонаселенную территорию, пролетев над городом, где в тот момент работали тысячи видеофиксаторов. Челябинский метеорит снимали и с орбиты, и камерами с поверхности Земли: таким образом, на данный момент это наиболее тщательно зафиксированное падение крупного космического объекта. Полученные данные позволили продвинуть науку внедрения в атмосферу крупных тел, из-за чего метеоритика в считанные годы стала очень обоснованной дисциплиной с запасом важных и надежных данных. Также, начиная с 2013 года, во многих странах мира начали создавать системы телескопов-роботов, которые умеют предсказывать падение астероидов. Можно сказать, что Челябинский метеорит стал этапом, когда наука увидела реальную опасность космоса для Земли и важность охраны нашей планеты путем наблюдений.
Что «узнал» телескоп «Джеймс Уэбб»?
Инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб» также выводит современную астрономию на новый уровень: на сегодняшний день это самое мощное подобное устройство в мире. Благодаря телескопу «Джеймс Уэбб» ученые убедились, что галактики начали формироваться раньше, чем предполагалось до этого. И этот факт можно считать новым для науки. Возникает вопрос, как и почему галактики стали формироваться за такое короткое время после предполагаемого Большого взрыва, и в их центре при этом мгновенно произошло образование сверхмассивных черных дыр.
Благодаря телескопу «Джеймс Уэбб» продвинулись и исследование экзопланет, а также потенциальные поиски внеземной жизни. Инфракрасный телескоп позволяет обнаруживать молекулы, которые считаются признаком жизни. В 2023 году телескоп наблюдал экзопланету K2-18 b — и в ее атмосфере зафиксировал признаки молекулы диметилсульфид. На Земле этот газ выделяют только живые существа — фитопланктон. Это первый в истории случай обнаружения довольно надежного маркера жизни в космосе, но чтобы исключить ошибку, открытие важно подтвердить с помощью другого телескопа. Есть шанс, что это произойдет в ближайшие годы: телескопы, схожие по мощности с «Джеймсом Уэббом», уже разрабатываются.
ИСТОЧНИК: Постнаука https://postnauka.org/longreads/157437