Затерянные в космосе
Текст: Алексей Кириллов | 2018-05-04 | Фото: | 290
Анри Пуанкаре – один из величайших математиков всех времён – отдавал должное и другим наукам. Про одну из них он говорил так: «Астрономия полезна потому, что она возвышает нас над нами самими; она полезна потому, что величественна; она полезна потому, что прекрасна. Именно она являет нам, как ничтожен человек телом и как он велик духом». О том, как, находясь на задворках Млечного пути – лишь одной из более чем триллиона галактик, человек пытается познать бесконечную (возможно) Вселенную, мы поговорили с астрофизиком и популяризатором астрономии Дмитрием Трушиным.

– Большинство объектов, которыми занимается современная астрономия, находятся от нас на столь громадных расстояниях, что изучать их какими-то привычными и понятными нам методами невозможно. Как астрономы выкручиваются из этой ситуации и какие научные хитрости применяют?

Наблюдать многие космические объекты действительно крайне сложно. Мы можем даже совсем их не видеть, но тем не менее – догадываться об их существовании и знать многие их параметры. Для этого используются различные косвенные методы изучения. Взять хотя бы те же самые чёрные дыры, в существовании которых ещё лет 10 назад некоторые астрономы сомневались в принципе. Но мы, не видя самих чёрных дыр, научились фиксировать и интерпретировать некоторые явления, которые происходят вблизи них, и благодаря этому – определять их наличие и положение. Так что к настоящему моменту во Вселенной обнаружено уже большое число объектов, которые причисляются к чёрным дырам.

Или другой пример – экзопланеты или, как их ещё называют, внесолнечные планеты. Сейчас их открыто и подтверждено уже более трёх с половиной тысяч. В космических масштабах планеты крайне малы, и увидеть их на большом расстоянии мы не в состоянии, но зато, когда такая планета проходит перед звездой, яркость звезды падает. И именно благодаря изменению яркости звезды мы понимаем, что вокруг неё вращается планета. Более того, мы узнаём о планете большое количество дополнительной информации – размеры, массу, скорость, температуру… Потом, в очень редких случаях, мы даже получаем фотографии планет – но только лишь в виде маленьких точек.


© NASA & ESA

Туманность Sh 2-106. Компактная область звездообразования в созвездии Лебедя

– Около 10 лет назад, когда американцы запускали предназначенный как раз для поиска экзопланет телескоп «Кеплер», промелькнула информация, что его чувствительность настолько высока, что, вращаясь по орбите вокруг Солнца, он способен «увидеть» на Земле комара, пролетающего перед фарой автомобиля. Это действительно так?

Когда планета пролетает на фоне звёздного диска, яркость звезды падает на какие-то малые доли процента. Если, например, перед Солнцем пролетит Земля, то для удалённого наблюдателя его яркость изменится всего на 0,01%. Такие изменения мы можем наблюдать. От комара, пролетающего перед фарой, будет сравнимый эффект, и Кеплеру действительно не составит никакого труда обнаружить такое отклонение. Но проблема может состоять в том, что из-за движения воздуха в атмосфере постоянно будут наблюдаться более значительные изменения яркости фары.

К слову, мы научились с колоссальными точностями измерять скорости движения и составы космических объектов с помощью наземных телескопов. А яркость – только с помощью космических, потому что атмосфера Земли вносит свою очень большую погрешность. Её вы можете оценить даже самостоятельно, просто посмотрев на ночное небо. Мерцание звёзд, которое вы увидите, связано исключительно с земной атмосферой – в космосе такого не наблюдается. Хотя, конечно, бывают звёзды, переменные сами по себе – они меняют свою яркость, постепенно сжимаясь и расширяясь. У одних звёзд такой период колебаний занимает несколько часов, у других – много больше.

Потихоньку человек создаёт всё больше средств для изучения экзопланет. В ближайшее время планируется запуск телескопа TESS. Он крупнее «Кеплера» и работать будет чуть-чуть по-другому. А вот запуск телескопа «Джеймс Уэбб» в очередной раз переносят, уже на 2020 год. Но если его всё-таки удастся запустить, то мы получим, не побоюсь этих слов, просто грандиозный инструмент для исследований. Это будет очень серьёзным прорывом.


© Adam Evans

Галактика Андромеды – ближайшая к Млечному Пути большая галактика, расположена в созвездии Андромеды и отдалена от Земли на расстояние 2,52 млн световых лет.

– Иногда после открытия очередной экзопланеты астрономы заявляют, что она «землеподобного» типа, то есть предполагается, что у неё примерно такой же размер, как у Земли, наверное, есть атмосфера и, может быть, даже вода. Как можно узнать такие данные о планете, которую мы не способны разглядеть даже с помощью самого современного телескопа?

В этом и есть вся прелесть астрономии. Действительно, уже известны планеты, атмосфера которых содержит кислород и даже простейшие органические соединения. Но такую информацию, к сожалению, мы можем выцепить из наблюдений пока далеко не за всеми планетами.

Метод обнаружения и изучения планет, когда она пролетает перед диском звезды, оказался очень удобен. По уровню падения яркости звезды мы узнаём соотношение диаметров этой звезды и планеты. Но мы уже знаем размеры звёзд, а значит без труда можем рассчитать и размер планеты, а заодно и её массу. Из наблюдений мы можем узнать период, в течение которого планета делает оборот вокруг звезды, а значит можем оценить расстояние между звездой и этой планетой, из чего – получить и примерную температуру на поверхности планеты. А вот состав атмосферы – это уже сложнее. Но мы знаем, что атмосфера рассеивает свет, и если она на планете есть, то часть спектра звезды, когда планета будет проходить перед ней, изменится. Причём в зависимости от содержания разных газов в этой атмосфере будут поглощаться разные длины волн, а значит спектр звезды будет изменяться чуть-чуть по-разному, и мы в некоторых случаях сможем узнать состав атмосферы. И это очень здорово!


© NASA, ESA: Allison Loll/Jeff Hester, C.R. O’Dell, D. Thompson

Крабовидная туманность – газообразная туманность в созвездии Тельца. Расположена на расстоянии около 6500 световых лет от Земли, имеет диаметр в 11 световых лет и расширяется со скоростью около 1500 километров в секунду.

– А какова всё-таки погрешность современных астрономических измерений? По крайней мере астрономы иногда пересматривают те или иные параметры и, к примеру, сегодня говорят, что самая большая звезда во Вселенной – это VY Большого Пса, а завтра – что нет, VY Большого Пса – только седьмая, а первая – UY Щита.

Всё зависит от того, о каких измерениях мы говорим. Мы очень точно научились измерять скорости движения объектов – погрешность здесь составляет лишь несколько десятков сантиметров в секунду. Звёзды при этом мчатся со скоростями в сотни километров в секунду, то есть точность измерений очень и очень высока. Благодаря спектральному анализу мы очень хорошо измеряем составы звёзд, а благодаря космическим телескопам – их яркость.

Но если мы говорим про расстояния до каких-то объектов, то с этим у нас до сих пор довольно серьёзные проблемы. Если мы возьмём какую-то конкретную одинокую звезду, то измерить расстояние до неё можем только с погрешностью 20-30%. Соответственно, полную светимость этой звезды мы не узнаем и сможем её оценить лишь приблизительно. Как следствие, точного размера звезды мы также не определим. Поэтому «рейтинги» самых больших звёзд постоянно пересматриваются. Но в целом, всё достаточно позитивно – ещё совсем недавно вполне приемлемые погрешности в 20% казались недостижимыми и составляли 100%! Пожалуй, что здесь нужно сделать ещё парочку оговорок. Во-первых, чем ближе к нам находится звезда, тем точнее мы можем определить расстояние до неё, поэтому расстояния до ближайших звёзд, а следовательно, их светимости и размеры, мы знаем очень точно. Это связано с особенностью применяемых методов измерения. Во-вторых, в некоторых случаях с измерениями нам «помогают» сами космические объекты – например, такие как уже упомянутые выше пульсирующие звёзды. В большинстве случаев нам бывает известна светимость этих звёзд, а значит расстояние до них, как и до галактик, в которые они входят, мы также можем определить достаточно точно. Но при этом желательно, чтобы у нас была крупная группа таких звёзд – большое звёздное скопление или большая галактика, и тогда точность измерений возрастает ещё больше.


© NASA, ESA: Allison Loll/Jeff Hester, C.R. O’Dell, D. Thompson

Туманность Кольцо находится в созвездии Лиры на расстоянии 2000 световых лет от Земли.

– Какие-то очень значимые открытия в астрономии, помимо новых чёрных дыр и экзопланет, за последние годы были?

Конечно, и здесь я бы в первую очередь выделил гравитационные волны. Они были теоретически предсказаны ещё в начале XX века (то есть задолго до предсказания всем известного Бозона Хиггса), и где-то в 60-х годах учёные стали пытаться их зафиксировать. Однако лишь в 2016 году (спустя более 100 лет с момента теоретического предсказания) гравитационные волны от слияния двух чёрных дыр были впервые зафиксированы экспериментально. Через год учёные, сделавшие это открытие, были удостоены Нобелевской премии по физике.

– Знаменитый телескоп «Хаббл» был запущен уже практически 30 лет назад. А он всё летает и фотографирует. Неужели за такой период он ещё не перефотографировал вообще всё, что только возможно?

Во-первых, у такого телескопа как «Хаббл» довольно маленькое поле зрения. А во-вторых, для получения изображения очень далёких объектов – галактик, которые мы называем квазарами, требуется длинная выдержка, иногда в несколько суток. При этом часто применяют не одну истинную выдержку, а серию кадров с выдержками, допустим, в 1 час. То есть вместо выдержки в 10 суток, мы делаем 240 кадров с выдержкой по 1 часу. Потом они суммируются. Делается это для повышения качества снимков.

И как итог: если мы просто отфотографируем небо с относительно небольшими выдержками, то получим только изображения более-менее ярких, более-менее близких галактик. Даже на это «Хабблу» требуется несколько лет. Но если мы хотим углубиться дальше, увидеть самые далёкие, самые древние объекты, то, чтобы рассмотреть всё небо с помощью длинных выдержек, нам придётся потратить сотни лет. Так что поле для работы у «Хаббла» ещё очень велико.

© NASA

Космический телескоп «Хаббл» – автономная обсерватория, вращающаяся на околоземной орбите. Подобные телескопы размещаются в космосе для того, чтобы регистрировать электромагнитное излучение в диапазонах, которые не пропускает земная атмосфера. Благодаря отсутствию влияния атмосферы разрешающая способность телескопа в 7-10 раз больше, чем у аналогичного телескопа, расположенного на Земле. «Хаббл» был запущен 24 апреля 1990 года и работает до сих пор. Только за первые 15 лет работы на околоземной орбите «Хаббл» получил 1 млн 22 тысячи изображений небесных объектов – звёзд, туманностей, галактик, планет.

© NASA

Работы по обслуживанию телескопа «Хаббл».

– За последнее время приходилось неоднократно слышать разговоры о возможном существовании в Солнечной системе ещё одной, девятой планеты, которая вращается за пределами орбиты Плутона. Причём планета большая – раз в 10 тяжелее Земли. Насколько верна такая информация?

Да – всё именно так, как вы сказали. Предположение такое есть. По особенностям движения астероидов во внешних областях Солнечной системы мы видим некоторый намёк на то, что там есть некий очень массивный объект, и именно он упорядочил эти астероидные орбиты. Из этого предположения мы смогли рассчитать орбиту этой планеты, примерно оценить её массу, но где чётко искать её на орбите – мы не знаем. Если планета действительно существует, то располагается она очень далеко, является крайне тусклой, и современными приборами найти её пока не удаётся.

– Я правильно понимаю, что человек может обнаружить планету, которая вращается вокруг звезды на расстоянии десятков световых лет от Земли, но найти такой объект, вращающийся, по космическим меркам, прямо «под носом» – не в состоянии?

Да, такой вот парадокс. Методы, с помощью которых мы ищем экзопланеты, не получится применить для поиска планеты в Солнечной системе.


© NASA, ESA/Hubble, Hubble Heritage Team

Вселенная – это самая настоящая машина времени. Связано это с тем, что видим мы не сами объекты, а отражённый или испускаемый ими свет. Всегда. Даже текст, который вы сейчас читаете, вы видите немного в прошлом. Свет от Солнца доходит до нас за 8 минут, поэтому Солнце мы всегда видим таким, каким оно было 8 минут назад. А вот, например, Денеб (самая яркая звезда в созвездии Лебедя и двадцатая по яркости звезда в ночном небе) находится от нас примерно в полутора тысячах световых лет. Так что если бы эта звезда лет 500 назад взорвалась, мы бы всё равно её видели ещё целую тысячу лет! Самый же удалённый в прошлое космический объект (из уже обнаруженных) – галактика GN-z11. Мы видим её такой, какой она была 13,4 миллиардов лет назад, то есть в то время, когда Солнечной системы ещё не было и в помине (возраст Солнечной системы – «всего» 4,5 миллиарда лет). На фото: «Столпы Творения» – скопления межзвёздного газа и пыли в туманности Орёл, примерно в 7000 световых лет от Земли. Это одно из самых известных изображений, полученных с помощью телескопа «Хаббл». Своё название «Столпы Творения» получили из-за того, что газ и пыль в них вовлечены в процесс активного формирования новых звёзд с одновременным разрушением облаков под светом уже образовавшихся звёзд. На более поздних снимках «Столпов», сделанных телескопом «Спитцер», было обнаружено облако горячей пыли. Работающий с телескопом астроном Николас Флэйджи предположил, что это облако образовано ударной волной от взрыва сверхновой звезды. Вид облака говорит о том, что взрыв сверхновой произошёл около 6000 лет назад. Это может означать, что Столпы Творения уже не существуют, но из-за конечной скорости света их разрушение можно будет наблюдать на Земле лишь через тысячу лет. Впрочем, такая интерпретация наблюдений облака горячей пыли другими астрономами пока оспаривается.

– Случается ли, что открытия, сделанные астрономами, потом начинают как-то использоваться в самой обычной жизни?

Применение астрономических знаний в быту – явление не слишком частое, но такое всё-таки иногда случается. Лично мне очень нравится пример про химический элемент гелий, который был открыт в результате именно астрономических наблюдений. В 1868 году, исследуя спектр короны Солнца, его обнаружил французский учёный Пьер Жансен. Только через 27 лет после своего первоначального открытия гелий был обнаружен и на Земле. Ну и как вы, наверное, знаете, сейчас он применяется достаточно широко – и в быту (вспомните, например, воздушные шарики), и в промышленности.


© Lunar and Planetary Laboratory / Nasa

Когда-то Земля казалась человеку огромной. Чтобы совершить первое в истории кругосветное путешествие, Фернандо Магеллану (1480-1521) потребовалось целых 3 года. Паровая машина «сделала» Землю меньше: в 1889 году журналистка газеты «World» 22-летняя Нелли Блай обогнула земной шар за 72 дня – она повторила путь, проделанный Вилеасом Фоггом, желая доказать, что знаменитый роман Жюля Верна – вовсе не выдумка. Реактивные технологии «превратили» планету в совсем маленький шарик. Лайнеру, летящему с крейсерской скоростью 900 км/ч, чтобы обогнуть Землю, потребуется менее двух дней. Ну а корабль «Восток-1» с первым в мире космонавтом на борту сделал виток вокруг планеты всего за 108 минут. Но истинные размеры Земли можно понять только в её сравнении с другими космическими объектами. Чтобы облететь Юпитер (внутри этого гиганта поместится 1 тысяча 320 планет размером с Землю) тому же самому лайнеру потребуется уже 21 день, чтобы облететь Солнце – более полугода. Но что такое полгода по сравнению с 1100 годами? Именно столько времени займёт облёт на нашем самолёте одной из самых больших из известных на сегодня звёзд – VY Большого Пса. На Земле за это время сменится 35 поколений людей. Если Землю представить в виде шара диаметром в один сантиметр, то при аналогичном соотношении диаметр Солнца составит 1 метр 9 сантиметров, а диаметр VY – 2,2 километра! Вдумайтесь: если VY Большого Пса поместить на место Солнца, то поверхность звезды будет находиться вблизи Сатурна, полностью поглотив орбиты не только Меркурия, Венеры и Земли, но даже Марса и Юпитера. На иллюстрации: соотношение размеров основных объектов Солнечной системы.

– Какие-то опасности космического масштаба нас поджидают? Взрыв сверхновой где-нибудь рядом, столкновение с соседней галактикой…

Такие страшные объекты, как чёрные дыры или какие-то крупные звёзды, которые могут взорваться в ближайшей перспективе, расположены очень далеко. Та же Бетельгейзе, взрыв которой мы предсказываем, находится на расстоянии 600 световых лет. Да, на небе она будет яркой как Луна, но каких-то последствий этого взрыва до нас не дойдёт. А вот мелкие звёзды – коричневые карлики – некоторую опасность могут представлять. Знаем мы их плохо, и поскольку они тусклые, большинство из них пока даже не обнаружено. Поэтому в принципе всегда существует вероятность, что какая-то неизвестная карликовая звезда (размером с Юпитер) пролетит через всю Солнечную систему. Даже если при этом не произойдёт никаких столкновений, это, скорее всего, нарушит орбиты движения планет, так что последствия могут быть вполне серьёзными.


© ESA/Hubble & NASA: Judy Schmidt

Самая близкая к нам звезда, если не считать Солнца, – Проксима Центавра. Расстояние до неё составляет 4,24 световых года. Долететь до Проксимы на нашем любимом лайнере можно всего за 5 миллионов лет. Если бы человечество, только появившись 2 миллиона лет назад, сразу отправилось на Проксиму, используя самолёт, к настоящему моменту оно не преодолело бы и половины этого пути! Кстати, диаметр галактики «Млечный путь», в которой находится наша Солнечная система, составляет 100 тысяч световых лет. Размер одной из самых больших из известных на сегодня галактик – IC 1101 – в 20 раз больше – 2 миллиона световых лет. Что касается всей наблюдаемой области Вселенной, то её размер оценивается как минимум в 92 миллиарда световых лет. Попробуйте посчитать, сколько потребуется времени, чтобы преодолеть это расстояние на самолёте! А вообще, масштабы цифр, которыми оперируют астрономы, осознавать достаточно сложно, поскольку в обычной жизни ни с чем подобным мы не сталкиваемся. Наверное, единственный способ хоть как-то сделать это – перевести их во что-то понятное нам. И именно поэтому до Проксимы Центавра мы здесь летаем на самом обычном лайнере. И вот ещё один пример: учёные считают, что только в нашей галактике может насчитываться до 400 миллиардов звёзд. Насколько велика эта цифра? Судите сами: если вы вдруг захотите посчитать все звёзды Млечного пути вот так: раз, два, три, четыре и так далее, тратя на каждую звезду по 1 секунде, вам потребуется… 12 тысяч лет!!! А ведь на данный момент количество галактик оценивается более чем в триллион – и это только в видимой части Вселенной!

– Ты занимаешься популяризацией астрономии и часто выступаешь на разных мероприятиях. Какой вопрос слушатели задают тебе чаще всего?

Одна из самых распространённых ситуаций – когда кто-то из слушателей встаёт и начинает рассказывать, что фотографии космоса – это сплошной Photoshop, ненастоящие цвета, а половина всего − вообще дорисована.

Здесь нужно внести очень важное пояснение. Действительно, есть определённые разделы астрономических фотографий, которые содержат ненастоящие цвета. Но это делается вовсе не с целью кого-то обмануть или ввести в заблуждение. В некоторых случаях изображения специально раскрашиваются так, как нам удобнее для работы. Также раскрашивают фотографии, полученные, например, в ультрафиолетовом или инфракрасном диапазоне. Человеческий глаз восприимчив лишь к очень узкому диапазону электромагнитного излучения – видимому свету, в то время как у телескопов он может быть гораздо шире. Поэтому прежде чем показать фотографию, её просто «адаптируют» к нашему зрению, проявляя те области, которые он не смог бы увидеть. Но при этом если фотография раскрашена, то это, как правило, указано в описании к ней, как и то, в каких диапазонах было получено исходное изображение.

А бывает и такая ситуация: взял фотоаппарат, прикрутил к телескопу, сфотографировал какую-нибудь туманность. Цвета должны получиться реальными? Конечно, ведь фотоаппарат воспринимает их примерно так же, как глаз. Но когда мы глазом посмотрим в телескоп на ту же самую туманность, то не увидим и половины этих цветов. И тут снова начинается: все туманности раскрашены, потому что в телескоп мы видим вообще всё не так. И это совершенно неверно – просто современные камеры, извините, более качественны и чувствительны, чем глаза. Вот если бы мы посмотрели на эту туманность вблизи, тогда бы и увидели точно такие же цвета, которые смог «уловить» фотоаппарат.  


© Nasa

«Вояджер-1» – автоматический зонд, исследующий Солнечную систему и её окрестности с 5 сентября 1977 года. Его текущая скорость превышает 17 км/с (61 200 км/ч) – в 68 раз выше, чем у нашего самолёта. К январю 2016 года он прошёл дистанцию в 20 млрд км или 0.002 светового года – расстояние, преодолеваемое лучом света за 17 часов 30 минут. Примерно через 40 000 лет аппарат будет находиться в 1 световом годе от Солнечной системы, а через 285000 лет может достичь Сириуса, расположенного в 8,6 световых годах от Земли. Учёные полагают, что если Вояджер не столкнётся с метеоритом или не будет поглощён гравитацией какой-нибудь звезды, то в открытом космосе он сможет просуществовать многие миллионы лет, вполне возможно, пережив всю человеческую цивилизацию, которая его и создала.

– И в завершение: на что астрономы рассчитывают в ближайшее время? На какие новые открытия?

Самое большое желание – найти тёмную материю. Для нас сейчас практически очевидно, что существует вид вещества, которое мы пока не можем наблюдать, которое не излучает видимый свет, никак не взаимодействует с излучением и не поглощает его, но которое обладает массой. Эта масса влияет на движение галактик, и нам очень хочется понять, что она из себя представляет. То ли это какие-то частицы, то ли какие-то объекты, непонятно из чего состоящие. По сути, за последние 20-30 лет учёные пришли к пониманию, что бо́льшая часть Вселенной состоит из вещества и материи, которую мы в принципе никогда не видели, не трогали, и даже не представляем, что это такое.

Ещё более амбициозная задача – найти тёмную энергию. Если удастся это сделать, то мы, наконец, окончательно разберёмся с ускоренным расширением нашей Вселенной и поймём, что же в конце концов с ней произойдёт. Ждёт ли Вселенную тепловая смерть или же всё-таки есть небольшой шанс, что ей уготованы какие-то более интересные перспективы.



Подписаться на новыe материалы можно здесь:  Фейсбук   ВКонтакте