Что происходит внутри черных дыр? Что было во время Большого Взрыва? Что такое темная материя? Почему Вселенная расширяется? На эти и многие другие сложнейшие вопросы и пытается ответить астрофизика.
Астрофизика — область науки на стыке астрономии и физики, которая изучает физические процессы в космических масштабах. Сфера действия астрофизиков захватывает воображение, будоражит ум и не обходится без смекалки и интуиции. Именно она расскажет и про Большой взрыв и про темную материю.
Астрофизика — не просто отрасль науки, астрофизиками становятся биологи и химики, астронавты и инженеры. Это сложная смесь лучших умов человечества, которые пытаются ответить на фундаментальные ответы грандиознейшей из структур нашей жизни: нашей Вселенной.
100 лет назад Альберт Эйнштейн впервые предположил, что на просторах Вселенной существует так называемая рябь – рябь пространства-времени или гравитационные волны. Сам физик, правда, сомневался что их когда-нибудь удастся обнаружить. Однако в 1960-х годах ученые стали всерьез работать над поиском гравитационных волн, так как помимо медленного расширения Вселенной, в пространстве-времени должны происходить более быстрые динамические процессы. И они не ошиблись – 14 апреля 2015 года с помощью детекторов гравитационных волн LIGO и VIRGO ученым уловить ту самую рябь пространства-времени. Источником волн, которые удалось зафиксировать, стало столкновение двух черных дыр, слившихся в одну 1,3 млрд лет тому назад. Волны уловили обе обсерватории, принимавшие участие в исследовании. Они оснащены суперчувствительными детекторами, самыми точными из когда-либо созданных. Теперь же новый детектор гравитационных волн зарегистрировал два таинственных сигнала за первые 153 дня своей работы. Вот только неясно, что именно представляют собой эти сигналы, так как могут быть вызваны целым рядом явлений. Одно из таких явлений – именно то, для чего предназначен детектор – высокочастотные гравитационные волны, которые никогда раньше не регистрировались.
Насколько маленькой может быть черная дыра? На протяжении нескольких десятилетий астрономы пытались ответить на этот вопрос, подсчитывая космических монстров в нашем уголке Вселенной. Прошедшие годы оказались богаты на научные открытия – исследователям удалось обнаружить множество черных дыр разных размеров, включая сверхмассивного монстра в самом сердце Млечного Пути. Интересно, что до недавнего времени астрономы не наблюдали никаких признаков существования маленьких черных дыр. Это – давняя загадка в астрофизике. Теперь же ученым удалось обнаружить черную дыру, масса которой всего в три раза превышает массу нашего Солнца, что делает ее одной из самых маленьких черных дыр, обнаруженных на сегодняшний день. Но самое примечательное, пожалуй, заключается в том, что новая черная дыра, получившая неофициальное название «Единорог», также является ближайшим к нашей планете подобным объектом. Согласно полученным в ходе работы данным, «Единорог» расположилась всего в 1500 световых годах от Земли.
ХХ век подарил миру множество удивительных открытий: в 1916 году знаменитый на весь мир физик по имени Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО); затем, в 1927 году астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики удаляются от Земли (и друг от друга) со все возрастающей скоростью; в последующие десятилетия такие выдающиеся умы как Нильс Бор, Макс Планк, Луи де Бройль, Вернер Гейзенберг и другие трудились над созданием квантовой теории. Сегодня их труд лежит в основе наших знаний о Вселенной – мы знаем, что она родилась 13,8 миллиардов лет назад и с тех пор расширяется с ускорением. Вот только причина, по которой Вселенная становится все больше и больше, остается загадкой и ученые не могут прийти к единому мнению о том, почему. Это, во многом, связано с различными способами измерения постоянной Хаббла (фундаментального параметра, описывающего расширение Вселенной), которые показывают разные результаты. Но недавно ученые предложили новый способ, потенциально способный разрешить кризис космологии. О нем поговорим в этой статье.
Представьте, что недавно нашу Солнечную систему посетили инопланетяне. Визит этот был грамотно замаскирован и тщательно спланирован, так как мало кому придет в голову идея о том, что межзвездный астероид (как его определенно точно увидят земляне) – это на самом деле инопланетный космический корабль. Но непоправимое все же случилось и известный ученый из уважаемого университета раскрыл «заговор» пришельцев, назвав вещи своими именами. Неплохо звучит, да? Не исключено (если верить теории Мультивселенной), что в одном из множества миров таинственный астероид Оумуамуа действительно оказался инопланетной технологией. Но в нашей Вселенной (пока что единственной из известных) этот космический странник, как недавно выяснили исследователи из Аризонского университета, скорее всего является обломком планеты, напоминающей Плутон, родом из другой солнечной системы. Так что истории о зеленых человечках предлагаем оставить фантастам (и сценаристам Netflix, конечно же).
Черные дыры, одни из самых таинственных объектов во Вселенной, бывают разных размеров. То, каким будет тот или иной космический монстр, зависит от массы звезды на последней ступени ее эволюции. Как показали результаты нового исследования, черная дыра средней массы является недостающим звеном между двумя другими видами черных дыр – сверхмассивными, что скрываются в центрах галактик, и черными дырами, которые часто образуются при взрывах массивных звезд в виде сверхновых. Астрономы считают, что наблюдаемая Вселенная полна черных дыр среднего размера, вот только найти их совсем непросто. Но недавно астрономам улыбнулась удача и им удалось обнаружить так называемую «златовласку» – долгожданный объект, который нельзя назвать ни сверхмассивной, ни обычной черной дырой. Масса обнаруженного объекта, как пишут авторы научной работы, находится на полпути между двумя другими видами черных дыр. Но почему исследователи утверждают, что «златовласка» способна изменить наше представление о Вселенной?
В нашем стремлении познать Вселенную, мы – сапиенсы, продвинулись довольно далеко. Судите сами: физики из Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) разгоняют элементарные частицы до околосветовых скоростей и сталкивают их друг с другом; инженеры NASA успешно посадили на поверхность Красной планеты марсоход Perserverance; биологи объяснили сложную работу циркадных ритмов и это не говоря об изготовлении вакцины против COVID-19 в рекордные сроки. Но что особенно приятно, так это достижения астрофизиков, которым за последние несколько лет удалось доказать, что космические монстры – сверхмассивные черные дыры – действительно существуют. Так, в 2019 году мир впервые увидел снимок горизонта событий черной дыры. Теперь же международная команда радиоастрономов представила на обозрение изумленной публики более четкое изображение черной дыры, расположенной в 55 миллионах световых лет от Земли.
Иногда на просторах Вселенной астрономы наблюдают блуждающие объекты, например планеты. Масса некоторых из них такая же как у Земли, но они путешествуют по космическим просторам сами по себе. В целом исследователи считают, что в галактической системе находится миллион туманностей, и именно в них формируются эти одинокие тела. Но странно вести себя на космических просторах могут не только планеты. Недавно, изучая галактику под названием J0437+2456, астрономы обнаружили в ее центре беспокойную черную дыру. Объект, примерно в 3 миллиона раз массивнее Солнца, расположен на расстоянии 230 миллионов световых лет от Земли и движется со скоростью около 50 километров в секунду. Это самый точный на сегодняшний день зафиксированный случай движения сверхмассивной черной дыры. Необходимо отметить, что ученые довольно давно предполагают, что сверхмассивные черные дыры могут «блуждать» в космосе, но поймать их на месте преступления было непросто.
Немногим больше ста лет назад никто на нашей планете не знал, что Вселенная расширяется. Но несмотря на все беды и несчастья, которые ХХ век принес человечеству, именно это столетие ознаменовано научно-техническим прогрессом. За невероятно короткий отрезок времени мы узнали о мире и Вселенной больше, чем когда-либо. Идею о том, что наша Вселенная расширяется на протяжении последних 13,8 миллиардов лет впервые предложил бельгийский физик Жорж Леметр в 1927 году. Два года спустя американскому астроному Эдвину Хабблу удалось подтвердить эту гипотезу. Он установил, что каждая галактика удаляется от нас и чем она дальше, тем быстрее это происходит. Сегодня существует множество способов, с помощью которых ученые могут понять, как быстро наша Вселенная увеличивается в размерах. Вот только цифры, которые исследователи получают в процессе измерения, каждый раз получаются разными. Но почему?
Более шести миллиардов лет назад окраины нашей галактики были самыми безопасными местами для развития возможных форм жизни, так как были укрыты от самых мощных взрывов во Вселенной – гамма-всплесков и вспышек сверхновых звезд. Недавно ученые из Университета Инсубрии в Италии, изучив частоту таких событий на протяжении всей эволюции Млечного Пути, пришли к выводу о том, что начиная с 4 миллиардов лет назад и до настоящего времени центральные области галактики, охватывающие также Солнечную систему, являются самыми безопасными местами для формирования жизни. Но не стоит думать, что наше местоположение на просторах Млечного Пути слишком уж безопасно: полученные в ходе исследования результаты также подтверждают гипотезу о том, что причиной пяти великих массовых вымираний на Земле, которые произошли 445 миллионов лет назад, возможно, были гамма-всплески – масштабные космические выбросы энергии взрывного характера.
Самыми таинственными объектами во Вселенной по праву можно назвать черные дыры – области пространства-времени гравитация которых настолько сильна, что ничто, даже свет, не может их покинуть. Интересно, что на просторах бесконечной Вселенной существуют черные дыры, масса которых превышает массу Солнца в пять-сто раз, но есть и такие, чья масса превышает миллиард солнечных. Сегодня астрономы считают, что сверхмассивные черные дыры скрываются в сердце большинства галактик, отмечая при этом, что Вселенная находится в так называемой «звездной эре» – этапе эволюции Вселенной, во время которого звезды и галактики рождаются непрерывно. Но что лежит за границей звездной эры? Исследователи полагают, что в конечном итоге все ингредиенты для создания черных дыр будут исчерпаны, а звезды в ночном небе медленно погаснут, превратив тем самым черные дыры в единственных обитателей Вселенной. Но даже эти космические монстры не могут существовать вечно. Когда-нибудь и они погибнут, озарив, на прощание, пустое и безжизненное пространство фейерверком.