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.
Кажется, мы знаем о Луне всё: она рядом, сияет в небе почти каждую ночь, влияет на приливы, на ней уже бывали люди. И всё равно она полна загадок. Даже после сотен миссий, десятков зондов, тысяч научных статей и 12 посаженных на неё астронавтов, учёные до сих пор ломают головы над тем, как она устроена и откуда взялась. Вот пять самых интересных лунных странностей, на которые наука пока не дала точного ответа.
Хотя доказательств существования жизни за пределами Земли по-прежнему нет, многие ученые полагают, что на просторах Вселенной мы не одни. Считается, что значительное количество звезд в одном только Млечном Пути может содержать потенциально пригодные для жизни планеты, а недавние расчеты, выполненные ChatGPT, и вовсе показали, что вероятность существования жизни на расстоянии около 665 световых лет от нас составляет 99,9%. Исходя из предположения о том, что космические просторы населены технологически развитыми цивилизациями, астрофизики пришли к выводу, что у них есть всего 1000 лет до того, как условия на планетах станут непригодными для жизни. Всему виной изменение климата, которое происходит даже если цивилизации полагаются на возобновляемые источники энергии.
Черные дыры – самые таинственные обитатели космоса. Ведь, как бы мы ни старались, мы никогда не узнаем что происходит за горизонтом событий. Эта пугающая темнота, из которой не может выбраться ничто, даже фотоны света. На протяжении многих десятилетий эти космические монстры считались гипотетическими объектами, а доказательство их существования казалось не мыслимым. То же самое можно сказать и о темной материи – гипотетической форме материи, не поддающейся наблюдению и составляющей, по оценкам, около 85% Вселенной. О ее существовании, как некогда о черных дырах, можно судить из-за мощнейшего гравитационного воздействия, которое эта субстанция оказывает на космические объекты, удерживая их вместе. Стоит ли удивляться, что загадочная природа и темной материи и черных дыр наводит ученых на мысль о том, что эти обитатели Вселенной связаны и что темную материю можно обнаружить, наблюдая за космическими монстрами?
Одними из самых загадочных обитателей Вселенной являются черные дыры – объекты с гравитацией такой силы, что ничто, даже свет, не может вырваться из их «объятий». Долгие годы ученые лишь предполагали о существовании черных дыр а Альберт Эйнштейн и вовсе был убежден, что эти космические обитатели навсегда останутся невидимыми для нас. К счастью, открытие гравитационных волн в 2017 году изменило все: как бы парадоксально это не звучало, но черные дыры оказались одними из самых ярких объектов на просторах Вселенной. Все потому, что материя, притягиваемая черной дырой, создает видимое излучение – именно эту «тень» поглощаемой материи мы видим на облетевших весь мир снимках черных дыр. Но как именно материя погружается в черную дыру и что в этот момент происходит с самой тканью пространства-времени? Недавно физики нашли ответ на этот вопрос, подтвердив одно из ключевых предсказаний Эйнштейна о так называемых «водопадах» черных дыр. Рассказываем что это такое и какое значение имеет для дальнейших исследований.
На сегодняшний день одной из величайших загадок космологии является темная материя – таинственная субстанция, не поддающаяся непосредственному наблюдению и участвующая в гравитационном взаимодействии. Исследователи полагают, что темная материя способна объяснить не только ряд астрофизических явлений, например движение и скопление галактик, но и само происхождение жизни. Вот только эта таинственная материя полностью невидима, так как не излучает свет или энергию, а значит обнаружить ее невозможно. И хотя физики полагают, что ключ к неуловимой природе темной материи лежит в ее составе, определить последний также не представляется возможным. И все же, надежда умирает последней – недавно Европейское космическое агентство (ЕКА) продемонстрировало первые тестовые снимки, сделанные космическим телескопом «Евклид», с помощью которых физики надеются наконец обнаружить темную материю (и не только). Но это – далеко не все новости.
С огромными масштабами космоса трудно смириться: в одной только нашей Галактике количество звезд составляет примерно 400 миллиардов, а ведь галактик во Вселенной не счесть. Космологи, однако, больше обращают внимание не на цифры – ученые хотят ответить на вопрос о том, как появились все эти звезды и галактики за отведенное им время – 13,8 миллиардов лет. Вот оно – настоящее доисторическое приключение. В конечном итоге жизнь не может развиваться без планет, а планеты – без звезд; звезды, в свою очередь, должны находиться внутри галактик, а галактики не существовали бы без богато структурированной Вселенной, поддерживающей их. Поразительно, но еще совсем недавно казалось, что понять устройство космоса можно с помощью применения небольшого числа физических законов. Вот только целая череда последних научных открытий свидетельствует о том, что Вселенная и ее устройство – намного сложнее и едва ли поддается объяснению.
Первые звезды, вероятно, сильно отличались от тех, что мы видим сегодня. Большинство астрономов считают, что самые первые светила во Вселенной были большими — в сто раз массивнее Солнца — и очень яркими из-за ядерных реакций в своих недрах. Некоторые исследователи, однако, предполагают, что размер и светимость первого поколения звезд является результатом поглощения ими таинственной темной материй – формы материи, которая не взаимодействует со светом и является недоступной для прямого наблюдения. О том, что на просторах Вселенной могут существовать столь необычные объекты, напомнила космическая обсерватория Джеймс Уэбб – недавно астрономы опубликовали снимки трех древних и невероятно больших звезд, с помощью которых можно решить проблемы современной космологической модели и углубить наше понимание темной материи. К тому же, открытие нового типа звезд – событие само по себе интересное.
Согласно заявлению Европейского космического агентства (ЕКА), планета, получившая название LTT9779 b, отражает около 80 процентов света, падающего на нее от звезды, вокруг которой она вращается. Для сравнения, только 30 процентов света нашего Солнца отражается от Земли. А Венера – самая яркая планета нашей Солнечной системы, отражает 75 процентов солнечного света. Исследователи определили, что металлические облака, состоящие в основном из силиката (который состоит из песка и стекла), а также титана, покрывают экзопланету, отражая свет и придавая миру его необычный блеск. Несмотря на то, что «зеркальная» планета впервые привлекла внимание астрономов еще в 2020 году, она, возможно, не должна существовать – все потому, что LTT9779 b является единственной в своем роде (по крайней мере на сегодняшний день).
Астрофизик из Гарвардского университета утверждает, что добился значительного прогресса в поисках внеземной жизни. Профессор Ави Леб заявил, что он, возможно, обнаружил фрагменты инопланетной технологии в метеорите размером с баскетбольный мяч, который в 2014 году врезался в атмосферу Земли и упал в западную часть Тихого океана. Согласно сообщениям СМИ, Леб и его команда перевезли материалы в Гарвард для дальнейших исследований. Коллеги Леба практически уверены в том, что метеорит попал на Землю из другой звездной системы, а правительство Великобритании предоставило исследовательской группе уточненные данные о возможном месте приземления НЛО. По словам Лоеба, метеорит двигался со скоростью, в два раза превышающей скорость почти всех звезд недалеко от Солнца. Всего найдено 10 фрагментов метеорита, которые представляют собой почти идеальные сферы или металлические шарики, окрашенные в золотой, синий и коричневый цвета.
Недавно компания Tencent выпустила научно-фантастический сериал по мотивам романа китайского фантаста Лю Цысиня «Задача трех тел», действие разворачивается в 2006 году, когда нанотехнолог Ван Мяо становится свидетелем странных событий в мировой науке, а его коллеги заканчивают жизнь самоубийством. Отметим, что и роман и телеадаптация относятся к жанру твердой научной фантастики, а Лю Цысиня многие сравнивают с Айзеком Азимовым. Так, само название произведения отсылает к классической проблеме в области небесной механики, в которой рассматривается движение трех тел, взаимодействующих друг с другом посредством гравитации. Задача, по сути, не имеет решения – предсказать движение трех небесных объектов в долгосрочной перспективе невозможно. И хотя на первый взгляд задача не кажется сложной, она демонстрирует как устройство Вселенной, так и нашу ограниченность ее познания.
Через 400 000 лет после Большого взрыва первичная плазма зарождающейся Вселенной начала остывать, что привело к образованию первых атомов. Затем появилось реликтовое излучение – тепловое излучение, равномерно заполняющее Вселенную и распространяющееся во всех направлениях. Этот космический микроволновый фон (CMB), впервые зарегистрированный в 1965 году, удалось зафиксировать с помощью современных телескопов и увидеть какой была Вселенная вскоре после своего рождения. Сегодня мощные астрономические инструменты позволяют создавать каталоги и карты, отображающие не только галактики и небесные тела, но и крупномасштабные структуры Вселенной. Считается, что они формировались миллиарды лет по мере расширения и «старения» нашего мира. Но вот что особенно интересно – недавно исследователи пришли к выводу, что все вещество во Вселенной, будь то темная материя или плазма, расположено неравномерно. Если создатели новой, самой подробной карты Вселенной правы, то наши представления о космосе придется пересмотреть.
Когда Купер – главный герой знаменитого «Интерстеллар», пересекает горизонт событий черной дыры и попадает в четырехмерное пространство, то ̶з̶а̶с̶т̶р̶е̶в̶а̶е̶т̶ ̶в̶ ̶к̶о̶м̶н̶а̶т̶е̶ ̶с̶в̶о̶е̶й̶ ̶д̶о̶ч̶е̶р̶и̶ может видеть любые объекты и исходящие от них «нити» времени. Но что на самом деле происходит внутри этих космических монстров? Общая теории относительности (ОТО) гласит, что за горизонтом событий скрывается сингулярность, а значит пространство и время сжимаются. Формально, сингулярность – это точка, в которую сколлапсировал материал, образующий черную дыру, а известные нам законы физики там попросту не работают. Ученые, однако, не исключают и другие варианты. Стивен Хокинг, например, предполагал, что черные дыры могут быть порталами в другие вселенные. Но как узнать что находится внутри, если ни один человек никогда не сможет там оказаться? Ответ на этот вопрос могут подсказать гравитационные волны и компьютерное моделирование.
Среди бесчисленного множества космических объектов, самыми загадочными являются черные дыры – области пространства-времени, сила притяжения которых настолько велика, что даже фотоны света не могут вырваться за пределы их горизонта событий. Считается, что сверхмассивные черные дыры находятся в центрах галактик и Млечный Путь – не исключение. И хотя наши знания о Вселенной и ее обитателях ограничены, ученые продолжают собирать их по крупицам. По мере развития технологий важнейшим научным инструментом стали компьютерные модели – с их помощью исследователи разработали реалистичные модели Вселенной. Более того, ранее в этом году команда физиков из Амстердамского университета смоделировала горизонт событий черной дыры в лаборатории. Может показаться удивительным, однако искусственная черная дыра начала испускать излучение, как и предполагал знаменитый физик-теоретик Стивен Хокинг. Это открытие, вероятно, позволит ученым разработать совершенно новую физическую теорию, сочетающую общую теорию относительности (ОТО) и принципы квантовой механики. Но как?
Человечество можно назвать амбициозным видом. Мы живем на маленькой планете, вращающейся вокруг обыкновенной звезды и все же стремимся разгадать все тайны Вселенной. Возьмем, к примеру, темную материю. Считается, что она составляет большую часть материи в галактиках, однако наблюдать ее невозможно – эта таинственная субстанция не взаимодействует с электромагнитным излучением. Мы знаем о ее предполагаемом существовании благодаря гравитационному эффекту, который она оказывает на наблюдаемые нами объекты. Сегодня и темная материя и темная энергия являются основными столпами ведущей космологической модели. Недавно в журнале Astronomy and Astrophysics вышло исследование, в котором перечислены доказательства существования темной материи в самых первых галактиках во Вселенной. Но если ученые ошибаются и никакой темной материи/энергии на самом деле не существует, наши представления об устройстве мироздания придется пересмотреть. А это, согласитесь, серьезно.
Несмотря на то, что человечество сумело описать физические законы, управляющие Вселенной, понять и в полной мере осознать их мы не в силах. Большой взрыв, произошедший около 13,8 миллиардов лет назад, положил начало всему что мы знаем. Но если у Вселенной было начало, будет ли у нее конец? Примерно через пять миллиардов лет Солнце погибнет, захватив с собой нашу планету. Примерно в это же время (плюс минус миллиард лет) Млечный Путь столкнется со своим ближайшим соседом – галактикой Андромеды. Но что дальше? Прошло немало лет с тех пор, как ученые выдвинули предположение о расширении Вселенной: чем дальше от нас находятся другие галактики, тем быстрее они, по-видимому, удаляются от нас. Этот процесс длится около шести миллиардов лет и происходит не потому, что галактики физически удаляются от Земли, а скорее потому, что Вселенная полна гравитационно связанных объектов. Со временем эти галактики станут полностью недостижимыми для наблюдений, даже если мы будем двигаться к ним со скоростью света.
Что такое мультивселенная? Является ли она научной фантастикой или научным фактом? И если так, то сколько альтернативных вселенных может существовать? Ответы на эти вопросы мы вряд ли когда-нибудь узнаем: наша способность к познанию, увы, ограничена. Но если верить результатам опыта Юнга, то такие элементарные частицы как фотоны могут находиться в двух местах одновременно. Но лишь при условии, что за ними кто-то наблюдает. К тому же, физикам удалось доказать, что свет может быть и волной и частицей одновременной, что по-научному называется корпускулярно-волновым дуализмом. Подобные противоречия и аномалии квантовой механики лежат в основе как развития науки, так и научной фантастики, будь та в прозе или на экране. Так, герои кинокомиксов Марвел, как и герои мультсериала «Рик и Морти, то и дело путешествуют между мирами. Согласитесь, сама идея о существовании других версий себя захватывает дух, а такие именитые ученые как Андрей Линде, Митио Каку и Стивен Хокинг всерьез рассматривают существование Мультиверса.
Вселенная, как известно, расширяется с ускорением. Чтобы понять как и почему это происходит, ученые разработали несколько теорий, но ответ каждый раз ускользает, а вопросов становится все больше. Теперь же на космическую арену выходит самый большой и сложный астрономический инструмент в истории, который позволит нам увидеть Вселенную когда ей было всего 200 миллионов лет. Это – настоящий научный прорыв, ведь так далеко в прошлое мы еще не заглядывали. Более того, телескоп «Джеймс Уэбб» был отправлен на орбиту в собранном состоянии и раскрылся словно зонтик, прибыв в точку Лагранжа — область, сбалансированную между гравитацией Солнца и Земли на расстоянии полутора миллиона километров от нашей планеты. Еще одним достоинством нового телескопа является способность наблюдать Вселенную в красных и инфракрасных лучах, а также исследовать атмосферы далеких планет чтобы понять, пригодны ли они для жизни. Только представьте сколько всего мы узнаем! Осталось лишь подождать до июня и наши знания о Вселенной, вероятно, изменятся навсегда.
Ранее в этом году мы рассказывали о новой карте темной материи, создание которой во многом принадлежит искусственному интеллекту (ИИ). Эта подробная карта показывает ранее не обнаруженные нитевидные структуры, соединяющие галактики. Достижения ИИ сильно помогают ученым, которые используют его для создания еще одной карты темной материи, на этот раз – в локальной Вселенной, охватывающей намного меньшую область. Интересно и то, что создание подобной, невероятно точной карты, может привести к новому пониманию темной материи и внести наконец ясность относительно будущего нашей Вселенной. Карта содержит ранее неизвестные «скрытые мосты», которые связывают галактики, а также показывает ранее неизвестные «мосты», благодаря которым все галактики в локальной Вселенной связаны в единую сеть из нитевидных структур. Ученые надеются, что их карта, опубликованная вместе с их статьей в научном журнале Astrophysical journal, сможет дать новое представление о темной материи и истории 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.