Астрофизик Борис Штерн: 3 самых удивительных знания о Вселенной, которые мы получили в XXI веке

Статью можно послушать. Если вам так удобнее, включайте подкаст.

Специально для Лайфхакера он рассказал об успешных кейсах исследования космоса и о том, как они изменили научный ландшафт и представления о мире.

В XX веке в изучении космоса произошёл прорыв — развились технологии, улучшились методы наблюдений. Если раньше учёные довольствовались только телескопами, то теперь у них появились другие, более совершенные инструменты: спутники, радиоастрономические устройства, интерферометры.

Благодаря этому за последние 20 с лишним лет были сделаны важнейшие открытия в космологии и астрофизике: доказано существование гравитационных волн, обнаружены экзопланеты, и, наконец, история Вселенной и её содержимое определены с высокой точностью. Всё это — важнейшие знания, которые расширили наши представления об окружающем мире.

1. Планет, на которых возможна жизнь, много

«Экзопланетная эпопея» началась в 1995 году, когда впервые был применён метод лучевой скорости. Благодаря ему периодически можно было наблюдать сдвиг спектральных линий звёзд по эффекту Доплера. В результате была найдена невозможная, казалось бы, планета‑гигант с периодом обращения 4,2 дня — совсем близко к звезде 51 Пегаса.

Тогда это стало научной сенсацией и учёные начали поиски экзопланет. Настоящий прорыв в этой области случился в 2009 году, когда был запущен телескоп «Кеплер».

Он уже работал по другому методу — транзитному. Суть состояла в том, чтобы «ловить» небольшие затемнения звёзд, вызванные пролётом планет на их фоне.

В итоге произошёл взрывной рост числа открытых экзопланет. Если до этого их насчитывали сотни, то теперь счёт шёл на тысячи.

На сегодняшний день из них твёрдо подтверждено существование 5 357. Это совершенно разнообразные планеты: и холодные, и горячие, сравнимые как с массой Меркурия, так и с массой 10 Юпитеров. Среди них, скорее всего, есть и такие, поверхность которых — сплошной океан, и ледышки с экстремально низкими температурами.

Однако среди всего этого экзопланетного «зоопарка» практически нет таких экземпляров, на которых могла бы быть жизнь. Это не значит, что их нет совсем. Просто тут работает эффект селекции: чтобы нагреваться так же, как Земля звездой класса Солнца, такие планеты должны иметь довольно большие орбиты — «длинный год». Чтобы зафиксировать их транзиты, за звёздами нужно очень долго наблюдать. А у «Кеплера» этого времени не было — он проработал всего 3 года. При этом, даже если подобные планеты обнаружили бы, доказать, что на них есть жизнь, было бы очень тяжело.

Кроме того, инопланетная жизнь, скорее всего, отличается от земной. С большой вероятностью мы увидели бы только бактериальную слизь. Потому что на пути от возникновения жизни к высокоразвитой, а тем более разумной её форме лежат разные маловероятные события, и, скорее всего, на других планетах процесс затормаживается на ранних стадиях развития.

В этом смысле Земля — редкий феномен.

Сейчас нам не хватает точности инструментов, чтобы вылавливать такие планеты методом лучевой скорости, и нет телескопов, подобных «Кеплеру», которые отслеживали бы их транзиты.

Но я думаю, что вскоре средства усовершенствуются и учёные начнут детектировать первые «Земли». Например, есть намёки на то, что в системе Тау Кита — близкой к Солнцу звезде — есть планеты в зоне обитаемости.

2. Гравитационные волны существуют

Согласно теории относительности Эйнштейна, сила тяготения — это результат искривления пространства‑времени под влиянием материи, где гравитационные волны — его рябь.

Гравитационные волны образуются в результате слияния чёрных дыр или нейтронных звёзд — то есть массивных объектов. Вблизи них пространство сжимается и расширяется на 10% и больше, а вместе с ним и любой объект в нём. До нас же доходит ничтожная рябь, зарегистрировать которую очень сложно.

Когда Эйнштейн сформулировал теорию относительности, учёные начали долго и безуспешно пытаться экспериментально обнаружить гравитационные волны.

Первыми разумную методику предложили советские учёные: Владислав Пустовойт и Михаил Герценштейн. В 1960‑х годах они написали статью, в которой предложили создать детектор гравитационных волн в виде лазерного интерферометра.

Принцип его работы был такой:

1. Два зеркала находятся на дистанции в несколько километров друг от друга.
2. Лазерный луч по интерференции точно измеряет расстояние между ними.
3. Если оно начинает изменяться, то это может происходить из‑за воздействия гравитационных волн.

Идея простая, но её реализация оказалась связана со множеством сложностей. Дело в том, что точность, с которой надо измерить изменение расстояния между зеркалами, в десятки тысяч раз меньше размера протона в атомном ядре. Чтобы это сделать, нужен мощный лазерный луч, вакуум, уникальная установка детектора.

Чтобы всего этого добиться, потребовалось несколько десятков лет. В итоге в 2015 году учёным из США удалось это сделать. У них было два детектора, которые зафиксировали сигнал гравитационных волн, и их результаты совпали как между собой, так и с теоретическими расчётами.

Никаких сомнений не осталось: гравитационные волны существуют.

Общая теория относительности, красивейшая с самого начала, подтвердилась на практике. Очень важно было показать всем сомневающимся: смотрите, как мощно она работает.

С тех пор число регистраций гравитационных волн перевалило за сотню. Учёные накапливают статистику, а также разрабатывают проект сверхчувствительного интерферометра, который можно будет использовать в космосе.

3. Микроволновый фон — учебник по истории Вселенной

Микроволновый фон — это свет, который образовался в первые сотни тысяч лет после Большого взрыва. Он дошёл до нас в виде коротких радиоволн — размером в доли сантиметра.

Откуда взялся этот свет? В первые моменты своей жизни Вселенная была плотной, горячей и предельно ионизованной — то есть ядра атомов были отделены от электронов. Лишь через 380 тысяч лет они между собой «подружились» и образовали нейтральные атомы. Из‑за этого сильно изменилось взаимодействие света с новыми веществами. Фотоны разлетелись во все стороны, стали менее энергичными, поскольку длина их волны растянулась вместе с расширением Вселенной. Так свет от Большого взрыва долетел до нас.

В XX веке начались исследования микроволнового фона. В 1990‑х чувствительность инструментов возросла настолько, что стала заметна его пятнистость и неравномерность.

В 2000‑х в космос запустили мощный детектор микроволнового излучения WMAP, который снял карту этого излучения со всего неба в хорошем разрешении.

Благодаря ей было построено распределение контрастности пятен в зависимости от их размеров, в нём были пики и провалы. Такое явление называется сахаровскими осцилляциями — его впервые описал советский физик Андрей Дмитриевич Сахаров.

Соотношение этих пиков и провалов точно показывает, какой была ранняя Вселенная, а также описывает её свойства.

Теперь мы точно знаем хронологию событий от первых ничтожных долей секунд после Большого взрыва до наших дней. Я считаю, что это важнейшее достижение в XXI веке.

К сожалению, на этом исследования притормозились. После эксперимента WMAP был запущен спутник Planck с более совершенным микроволновым телескопом. Он добыл данные, которых недоставало, но никаких принципиально новых открытий не принёс.

Космология исчерпала возможности метода измерения реликтового излучения. Поэтому дальше продвинуться очень тяжело. Но это закономерно: после революции возникает плато. Новых прорывов придётся подождать.