Как астрономы изменили наше представление о космосе?⁠⁠

Как астрономы изменили наше представление о космосе?

АВТОР: ЗЕЛЁНЫЙ ГОТТ · 12 ОКТЯБРЯ, 2020

Мария Корте

В 1835 году французский философ Огюст Конт утверждал, что никто и никогда не узнает, из чего состоят звёзды.

Мы понимаем и можем определить их форму, расстояние, размеры и движение, но изучить их химический состав или строение, а тем более природу любых организованных существ, которые могли бы жить на их поверхности, мы не сможем.

Граф был бы ошеломлён открытиями, сделанными с тех пор. Сегодня мы знаем, что Вселенная гораздо больше и удивительнее, чем он предполагал. Она не только простирается за пределы Млечного Пути— это было бы неожиданностью для астрономов 19-го и начала 20-го века, для которых наша галактика была «Вселенной», — но и расширяется с каждым днём всё быстрее. Теперь мы можем уверенно проследить всю космическую историю за 13,8 миллиардов лет, с момента, наступившего лишь через миллиардную долю секунды после Большого взрыва. Учёные зафиксировали скорость расширения нашей Вселенной, детально разработали так называемую Стандартную модель (СМ), которая позволяет объяснить все известные элементарные частицы и их взаимодействия, а также общую теорию относительности и квантовую механику. Эти законы, в свою очередь, предсказали открытие фантастических объектов, таких как чёрные дыры, нейтронные звёзды и гравитационные волны. История того, как мы получили эти знания, полна случайных открытий, ошеломляющих сюрпризов и упорства учёных, преследующих цели, которые другие считали недостижимыми.

Истинная природа звёзд

В 1859 году Густав Кирхгоф в ходе калибровки оптического инструмента признал, что тёмные линии в спектре света, исходящего от Солнца, были обусловлены наличием различных элементов.

Я намереваюсь сделать не что иное, как химический анализ Солнца, а позднее, может быть, и неподвижных звёзд. Я имел счастье найти ключ к решению этой задачи… Должно быть возможно по свету, который посылает тело, заключить о его химическом составе…

Астрономы проанализировали подобные особенности в свете других ярких звёзд и обнаружили, что они сделаны из тех же материалов, что и Земля, а не из таинственной “пятой сущности”, как считали древние.

Но что заставляет звёзды сиять? Лорд Кельвин (Уильям Томсон) подсчитал, что если звёзды получают свою энергию только от гравитации, то возраст Солнца составляет от 20 до 40 миллионов лет (в этом утверждении Кельвин исходил из двух аксиом: что гравитационный потенциал — единственный источник энергии внутри Солнца и что вещество и энергия неизменны с самого «начала») – гораздо меньше возраста Земли. В своей последней работе по этому вопросу, опубликованной в 1908 году, Кельвин вставил оговорку о том, что он будет придерживаться своей оценки, «если только в хранилище творения не будет заложен какой-то другой источник энергии».

Что является источником энергии Cолнца? Ответ — термоядерный синтез — пришёл в 1938 году.

SOHO

Этим источником, как оказалось, является ядерный синтез — процесс, посредством которого ядра сливаются и создают более тяжёлое ядро с выделением огромных количеств энергии. В 1925 году астрофизик Сесилия Пейн использовала спектры звёзд для расчёта их химического состава и обнаружила, что, в отличие от Земли, они состоят в основном из водорода и гелия. Свои выводы она изложила в книге, которую астроном Отто Струве назвал «самой блестящей докторской диссертацией, когда-либо написанной в области астрономии». Десять лет спустя физик Ганс Бете доказал, что слияние ядер водорода в гелий является главным источником энергии в обычных звёздах.

Негатив фотопластинки со спектрами нескольких десятков звёзд. Рядом со многими указаны их спектральные классы. Изображение из диссертации Сесилии Пейн.

Stellar Atmospheres

Постепенно звёзды становились менее загадочными, так же как и природа нечётких «туманностей» становилась более ясной. В ходе Больших дебатов, состоявшихся в Национальной академии наук в Вашингтоне (округ Колумбия) 26 апреля 1920 года, Харлоу Шепли утверждал, что наш Млечный Путь был выдающимся (единственным в своём роде) и что все туманности были его частью. В противоположность этому мнению, Гебер Кёртис утверждал, что некоторые из нечётких объектов на небе были отдельными галактиками, полностью идентичными нашему Млечному Пути.

Четыре года спустя, в 1924 году, Эдвин Хаббл измерил расстояния до ближайших «туманностей» и доказал, что они находятся за пределами Млечного Пути. В этой работе ему помогли цефеиды, объекты с известной светимостью, при помощи которых можно точно рассчитать расстояния в космосе.

В начале XX века американский астроном Генриетта Ливитт заинтересовалась переменными цефеидами и начала серьёзно их изучать. К 1912 году она накопила достаточно данных наблюдений, чтобы установить закономерность: чем ярче переменная цефеида, тем дольше длится её цикл. Вскоре Эдвин Хаббл развил этот результат, связав период цефеиды не с наблюдаемой яркостью, а с присущей звезде светимостью — суммарной энергией, излучаемой звездой в космическое пространство. Так была открыта зависимость «период-светимость». Хаббл же первым использовал открытые им на новом телескопе цефеиды в туманности Андромеды в качестве стандартных свеч и обнаружил, что это вовсе не туманность, а соседняя галактика.

Вскоре после того, как Хаббл выяснил, что наша Вселенная больше, чем многие думали, он обнаружил, что она ещё и расширяется. В 1929 году он выявил одну любопытную закономерность – спектры ярчайших звёзд далёких галактик, заметно отличались от спектров звёзд нашей галактики. Все они были характерно сдвинуты в красную сторону спектра – эффект красного смещения. Хаббл взял на себя смелость интерпретировать это наблюдение как проявление эффекта Доплера, а это означает, что все наблюдаемые соседние галактики удаляются от Земли. Это был первый ключ к пониманию того, что наша Вселенная не статична и постоянно расширяется.

Объект удаляется от нас – мы видим красное смещение, объект приближается – мы видим синее смещение.

Истинные расстояния до галактик были рассчитаны только в последние 100 лет. Довольно скоро выяснилось, что более далёкие галактики обладают преимущественно красным смещением (смещение в спектре вправо), а не синим смещением (в спектре смещение влево). С начала 70-х годов ХХ века многообъектные спектрографы в США (Гарвардская обсерватория и проект SDSS), Австралии и Европе (обсерватория ESO) измерили красное смещение многих тысяч галактик с удалением в миллиарды световых лет.

В 1933 году Фриц Цвикки подсчитал массу всех звёзд в скоплении Волосы Вероники и обнаружил, что она составляет лишь около одного процента массы, необходимой для того, чтобы скопление не разлетелось на части. Цвикки нашёл единственное логичное объяснение происходящему: присутствие некой невидимой глазу материи, увеличивающей массу галактики в несколько раз (теория скрытой массы).

Фриц Цвикки. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1937ApJ....86..217Z/abstra...

Fritz Zwicky Foundation

Этот вопрос оставался открытым до 70-х годов, когда работы Веры Рубин и У. Кент Форда (исследование движения звёзд вокруг галактических центров) и Мортона Робертса и Роберта Уайтхёрста (радионаблюдение) показали, что внешние части галактических дисков также должны разлетаться в стороны, если не будут подвержены более сильному гравитационному притяжению. Большинство астрономов были вынуждены признать, что должна существовать некая «тёмная материя». «Мы заглянули в новый мир, — писала Рубин, — и он более загадочен и сложен, чем мы себе представляли«.

Гравитация – сила, которая открыла тёмную материю – оказалась такой же загадочной. Поворотный момент наступил в 1915 году, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою Общую теорию относительности, которая превзошла механику Исаака Ньютона и показала, что гравитация на самом деле является деформацией структуры пространства и времени. Эта новая теория не сразу прижилась. Даже после того, как наблюдения солнечного затмения 1919 года доказали её верность, многие отвергали теорию как обычную причуду. В течение следующих пятидесяти лет общая теория относительности была отодвинута. И только открытие новых и экстремальных явлений заставило вернуться к идеям Эйнштейна.

Первый серьёзный тест общей теории относительности Эйнштейна был проведён в 1919 году во время затмения, показанного здесь на изображении из научной статьи, сообщающей, что свет от далёких звёзд был искривлён гравитацией Солнца, как и предсказывала теория Эйнштейна.

Один из примеров – Крабовидная туманность, один из самых известных объектов, являющийся остатком сверхновой (находится в созвездии Тельца на расстоянии около 6500 световых лет от нас). Свет от взрыва этой сверхновой достиг Земли в 1054 году и был зафиксирован многими астрономами средневековья. Несмотря на все наблюдения, природа этой туманности, как и других подобных объектов, оставалась загадкой. Что же является источником энергии для этого объекта? Это была сверхкомпактная нейтронная звезда, тяжелее Солнца, но радиусом всего в несколько километров, вращающаяся со скоростью 30 оборотов в секунду.

Изображения Крабовидной туманности в шести разных спектральных диапазонах: радиодиапазон, инфракрасный, видимый, ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-. Источники: Radio: NRAO / AUI and M. Bietenholz; NRAO / AUI and J. M. Uson, T. J. Cornwell; Infrared: NASA / JPL-Caltech / R. Gehrz (University of Minnesota); Visible: NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University); Ultraviolet: NASA / Swift / E. Hoversten, PSU X-ray: NASA / CXC / SAO / F. Seward et al.; Gamma: NASA / DOE / Fermi LAT / R. Buehler.

Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0

«Это был совершенно неожиданный, совершенно новый вид объектов, который вёл себя так, как астрономы никогда не ожидали«, — сказал Джослин Белл Бёрнелл, один из первооткрывателей этого явления.

Были открыты тысячи таких вращающихся нейтронных звезд, называемых пульсарами. Все они, как полагают, являются остатками ядер звёзд, которые взорвались как сверхновые.

Внутри Крабовидной туманности находится нейтронная звезда.

Hubble Heritage Team (STSCI и AURA)

Ну и конечно, самым экзотическим результатом теории Эйнштейна была концепция чёрных дыр – объектов, гравитационное притяжение которых настолько велико, что покинуть её не могут даже тела, движущиеся со скоростью света. В течение десятилетий их существование было лишь предположением, и сам Эйнштейн писал в 1939 году, что они не существуют в физической реальности. Но в 1963 году астрономы открыли квазары – таинственные маяки в центрах некоторых галактик. Прошло более десяти лет, прежде чем все пришли к единому мнению, что эта интенсивная яркость была вызвана газом, закручивающимся в огромные чёрные дыры в ядрах галактик.

Когда возникла Вселенная?

Было ли у неё вообще начало? Астрономы долго обсуждали эти вопросы, когда в середине XX века две конкурирующие теории предложили совершенно разные ответы. Модель «горячего Большого взрыва» утверждала, что космос начинался чрезвычайно маленьким, горячим и плотным, а затем охлаждался и распространялся во времени. Гипотеза «устойчивого состояния» утверждала, что Вселенная, по существу, всегда существовала в одной и той же форме.

Спор был разрешён благодаря неожиданному открытию. В 1965 году радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон пытались откалибровать новую антенну в лаборатории Bell Labs в Нью-Джерси. Антенна, изначально предназначалась для работы с одной из первых систем спутников связи Echo. Через несколько лет эти спутники устарели, антенна перестала использоваться в коммерческих целях и досталась учёным. Однако им всё время мешал работать микроволновой шум, источник которого они не могли определить. Исследователи даже выселили семейство голубей, которые гнездились на антенне в надежде, что они и были источником проблемы. Но и это не помогло: птиц не было, а шум по-прежнему был. Когда все источники помех были тщательно проанализированы и учтены, Пензиас и Уилсон вынуждены были сделать вывод, что излучение приходит из космоса, причём со всех сторон с одинаковой интенсивностью. Только позже они осознали, что их открытие имело какое-то значение, когда до них дошло, что они обнаружили неуловимое свидетельство Большого взрыва – реликтовое излучение.

Роберт Уилсон и Арно Пензиас.

Это открытие решительно склонило чашу весов в пользу космологической картины Большого взрыва. Согласно этой модели, в самую раннюю, самую жаркую эпоху Вселенная представляла собой плазму. Впоследствии из-за расширения температуры стали падать, что дало возможность появиться атомам. Регистрируемое реликтовое излучение – это отголосок тех далёких времён.

Большая космическая картина

Серия открытий также раскрыла историю элементарных строительных блоков, из которых состоят звёзды, планеты и даже наши собственные тела.

Начиная с 1950-х годов, прогресс в атомной физике привёл к пониманию процессов происходящих на разных этапах жизни звезды, в том числе процессах приводящих к появлению более тяжёлых элементов в самом её сердце.

Астрономы узнали, как звёзды умирают, когда сжигают своё водородное топливо. Более лёгкие звёзды перерождаются в объекты, называемые белыми карликами, а более тяжёлые звёзды теряют большую часть своей массы и жизнь их завершается колоссальным взрывом, называемый сверхновой звездой. Эта выброшенная масса оказывается решающей для нашего собственного существования: она смешивается в межзвёздной среде и вновь конденсируется в новые звёзды, вокруг которых вращаются планеты, такие как Земля. Эта концепция была задумана Фредом Хойлом, который разработал её в 1950-х годах вместе с двумя другими британскими астрономами, Маргарет и Джеффри Бёрбидж, и американским физиком-ядерщиком Уильямом Фаулером. В своей классической статье 1957 года (известная по инициалам его авторов как BBFH), они завершают большое исследование термоядерного синтеза химических элементов в ядрах звёзд. Они выяснили, почему кислород и углерод, например, распространены, в то время как золото и уран встречаются относительно редко. Каждый из нас содержит атомы, выкованные в десятках различных звёзд, разбросанных по Млечному Пути, которые жили и умерли более 4,5 миллиардов лет назад.

В 1971 году великолепная четверка B2FH собралась на 60-ю годовщину Уильяма Фаулера (он второй справа). Друзья сделали ему подарок — модель паровоза.

На протяжении веков астрономы подозревали, что существуют планеты за пределами Солнечной системы. Но долгое время эти подозрения оставались лишь подозрениями пока в начале 90-х годов астрономы разработали хитроумные методы для поиска миров, которые слишком тусклы, чтобы мы могли их заметить. Один из методов заключается в поиске крошечных периодических изменений в движении звезды, вызванных гравитационным притяжением планеты, вращающейся вокруг неё. В 1995 году Мишель Майор и Дидье Келоз использовали эту стратегию для обнаружения 51 Pegasi b, первой известной экзопланеты, вращающейся вокруг солнцеподобной звезды. Этот метод позволяет выявить массу планеты и форму её орбиты. До сих пор таким образом было обнаружено более 800 экзопланет. Второй метод лучше подходит для обнаружения небольших планет. Звезда слегка тускнеет, когда планета проходит по диску материнской звезды. Космический аппарат Kepler, запущенный в 2009 году, обнаружил таким образом более 2000 планет, многие из которых были не больше Земли.

https://thealphacentauri.net/33645-exoplanety-metody-i-otkry...

К этому моменту учёные понимали процессы возникновения галактик, откуда берутся почти все элементы, образующие планеты и звёзды. Последний кусочек этой головоломки, однако, появился совсем недавно.

Общая теория относительности предсказала явление, называемое гравитационными волнами – рябью в пространстве-времени, возникающей при движении массивных объектов. Однако, несмотря на десятилетия поисков, никаких волн не было замечено — вплоть до сентября 2015 года. Именно тогда лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) обнаружила первые признаки гравитационных волн в виде «чириканья» — минутного сотрясения пространства-времени, которое ускоряется, а затем затухает. Детали этого «чириканья» рассказали нам, что сигнал исходит от сливающихся чёрных дыр. Катастрофа произошла более чем в миллиарде световых лет от нас.

После этой находки было обнаружено более дюжины подобных событий, открывающих новое поле, которое исследует динамику самого пространства. Одно событие представляло особый астрофизический интерес, поскольку свидетельствовало о слиянии двух пульсаров.

Невероятный прогресс

Несмотря на невероятный прогресс в астрономии за последние 175 лет, сейчас у нас больше вопросов, чем когда-либо.

Тёмная энергия? Что именно вызвало большой взрыв, который положил начало нашей Вселенной? Действительно ли наша Вселенная пережила период чрезвычайно быстрого раннего расширения, называемого инфляцией, как полагают многие теоретики? Существует ли жизнь на этих новых планетах, которые мы открываем?

За последние 175 лет было много волнующих эпох. Двадцатые и тридцатые годы, когда мы поняли, что Вселенная не ограничивается Млечным Путём. Шестидесятые и семидесятые, когда мы открыли объекты, которые бросают вызов классической физике, такие как нейтронные звёзды и квазары. Некоторые крупные области астрономии только начинают развиваться. Исследованиям экзопланет всего 25 лет, а серьёзная работа в области астробиологии только набирает обороты. Одна из сотен открытых нами экзопланет могла стать домом для разума, который уже знает все ответы. Я нахожу это обнадёживающим.

Источник https://www.scientificamerican.com/article/how-astronomers-r...