Астро-старт

Как учёные измеряют расстояния до далеких звёзд? Измерять расстояния до близких звёзд еще издревле учёным помогает метод параллакса. Параллакс — смещение видимого положения объекта относительно фона при изменении точки обзора. В Древней Греции, чтобы измерить расстояние до звезды, с первой точки измеряли угол между Землей и объектом, затем отходили на большое расстояние и делали повторный замер. В итоге получался треугольник, в котором известны два угла и основание, значит можно найти и остальные стороны. Сейчас ученые фотографируют объект из одной точки с интервалом в 6 месяцев (в начале и в конце этого периода Земля находится на противоположных точках орбиты Солнца), после чего фиксируют его перемещение относительно более далеких звёзд. Затем измеряют угол, под которым видна большая полуось орбиты и рассчитывают параллакс, угол которого — половина видимого смещения объекта за полгода. Остается рассчитать расстояние по формуле D = 1/π, где D — расстояние в парсеках, π — параллакс в угловых секундах. Для измерения расстояние для далеких объектов нужен метод стандартных свечей. Для этого используются стандартные свечи — звезды с хорошо известной светимости. Благодаря им можно вычислить, на какое расстояние от Земли нужно удалить объект, чтобы его светимость упала до видимой.

Что такое парадокс Ферми? Представьте себе, что вы вышли ночью на улицу, посмотрели на миллиарды звезд и вдруг осознали: вокруг должно быть очень шумно. Примерно так думал физик Энрико Ферми в 1950 году, когда задал коллегам вопрос: «Ну и где они?» В чем заключается парадокс? Наша галактика Млечный Путь существует около 13 миллиардов лет. В ней сотни миллиардов звезд, и у многих из них есть планеты. Даже если жизнь возникает крайне редко, математика подсказывает, что за это время должны были появиться миллионы технологических цивилизаций. Некоторые из них наверняка достигли бы уровня, позволяющего путешествовать между звездами или отправлять мощные сигналы. Если это так, галактика уже должна кишеть их зондами, кораблями или радиопередачами. Но когда мы вслушиваемся в космос, мы ничего не слышим. Это несоответствие между высокой вероятностью существования инопланетян и отсутствием видимых следов их деятельности и есть парадокс Ферми. Как ученые пытаются его объяснить? Существует множество гипотез: 1. Уникальность Земли (гипотеза «Редкой Земли»). Возможно, для возникновения сложной жизни нужно невероятное стечение обстоятельств: подходящая звезда, тектоника плит, крупная Луна для стабилизации оси вращения, правильное положение в галактике. Возможно, мы — единственная разумная жизнь не только в галактике, но и во всей наблюдаемой Вселенной. 2. Великий фильтр. Это одна из самых мрачных теорий. Существует некий барьер, который непреодолим для большинства форм жизни. Этот «фильтр» может находиться в нашем прошлом (например, возникновение клетки — невероятно редкое событие) или, что страшнее, в нашем будущем. Возможно, любая цивилизация, достигая нашего уровня технологий, неизбежно самоуничтожается (война, экологическая катастрофа, создание опасного ИИ) до того, как успеет выйти в космос. 3. Зоопарк и гипотеза симуляции. Более фантастические версии: может, мы живем в своего рода «заповеднике», и высокоразвитые инопланетяне наблюдают за нами, не вмешиваясь (чтобы не нарушить естественное развитие). Либо же мы вообще живем в симуляции, созданной кем-то, где другие виды просто «не запрограммированы». Парадокс Ферми заставляет задуматься о будущем человечества: то ли мы одиноки в этом бескрайнем океане, то ли нас ждет участь, постигшая многих до нас.

Статична ли Вселенная? Нет, современная наука считает, что Вселенная постоянно расширяется с ускорением. Наблюдения Хаббла показали: чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется. Процесс расширения звпустился после Большого взрыва и продолжается под действием темной энергии. Представьте воздушный шар, на котором нарисованы дые точки. Чем больше его надувают, тем быстрее эти точки удаляются друг от друга. Это расширение наблюдается по «красному смещению» — явлению, при котором длина волны электромагнитного излучения для наблюдателя увеличивается относительно длины волны излучения, испущенного источником.

Что будет, если человек попадет в чёрную дыру? При приближении к горизонту событий черной дыры сила притяжения будет увеличиваться. Далее разница в гравитационном притяжении между ногами и головой человека станет огромной и начнет растягивать его как спагетти, разрывая на элементарные частицы. Этот процесс называется «спагеттификацией». В маленьких чёрных дырах он происходит до пересечения горизонта событий, а в больших — после, по мере приближения к сингулярности.

Бывают ли белые дыры? Белые дыры по предположениям — объекты, противоположные чёрным дырам, то есть, они должны выбрасывать материю, а время в них — течь в обратном направлении. Их существование не доказано, но они предсказанны математическими уравнениями общей теории относительности. Физики полагают, что такие объекты не могли возникнуть из-за нарушения законов термодинамики. Но существуют и другие теории, по которым белые дыры могут быть частью сложных структур, например, «туннелей», которые соединяют их с чёрными дырами.

Почему человек видит небо голубым? Солнечный свет представляет собой смесь всех цветов спектра, то есть его настоящий цвет — белый. Но молекулы атмосферы Земли — азот, кислород — взаимодействуют с фотонами света. Так происходит эффект Рэлеевского рассеивания: синий и фиолетовый сталкиваются с молекулами и рассеиваются по всем направлениям гораздо лучше, чем остальные цвета. Из-за строения глаз человека мы лучше воспринимаем синий цвет, чем фиолетовый, поэтому и небо для нас такого цвета.

Что такое «Загадка быстрых радиовсплесков»(FRB)? Представьте, что вы слушаете старое радио и вдруг слышите щелчок. Длится он долю секунды, но энергии в нем столько, сколько Солнце вырабатывает за трое суток. А теперь представьте, что этот «щелчок» пришел к нам из другой галактики, находящейся за миллиарды световых лет от нас. Это и есть быстрые радиовсплески (FRB) — одна из самых интересных загадок современной астрономии. Что мы о них знаем? Первый FRB открыли случайно в 2007 году, просматривая архивные данные. С тех пор их найдены сотни. Они длятся всего несколько миллисекунд, за которые выделяется колоссальное количество энергии в радиодиапазоне. Благодаря эффекту «растяжения» сигнала (плазма межгалактической среды по-разному замедляет волны разной частоты), мы точно знаем, что большинство из них приходит из очень далеких галактик. Большинство всплесков — одноразовые и хаотичные. Но некоторые источники выдают серии повторных всплесков, что позволяет ученым наводить на них телескопы и изучать галактики, в которых они происходят. Кто же их «стучит»? Природа FRB пока неизвестна, но есть несколько основных версий, которые варьируются от обычной физики до экзотики: 1. Магнитары. Магнитар — это разновидность нейтронной звезды (мертвое ядро взорвавшейся звезды) с чудовищным магнитным полем, которое в квадриллион раз сильнее земного. Иногда в коре такой звезды происходят «звездотрясения», высвобождающие колоссальную энергию. В 2020 году астрономы зафиксировали мощнейший всплеск от магнитара в нашей собственной галактике, что стало первым прямым доказательством, что магнитары могут производить FRB. Правда, тот всплеск был слабее, чем далекие «гости», но это прорыв. 2. Слияния нейтронных звезд. Возможно, всплеск — это последний звук при столкновении двух сверхплотных звезд, в результате которого образуется черная дыра. Однако против этой версии говорит то, что некоторые FRB повторяются (дважды звезды не сольются). 3. Космические струны. Экзотическая гипотеза из области теоретической физики. Это гипотетические одномерные дефекты пространства-времени, оставшиеся после Большого взрыва. Их колебания могли бы генерировать всплески излучения. Быстрые радиовсплески превратились из случайной находки в новое окно для изучения Вселенной. Они позволяют «прощупывать» космическую плазму между галактиками и, возможно, однажды раскроют тайну экстремальных состояний материи.

Как можно увидеть планеты Солнечной системы? Планеты, видимые с Земли невооруженным глазом: — Венера (яркая, серебристого цвета, видна на закате или рассвете) — Юпитер (второй по яркости после Венеры, белый) — Марс (красный, достаточно яркий) — Сатурн ( желтоватая планета, хорошо видна в телескоп, но можно увидеть и без) — Меркурий (мерцающий, находится близко к Солнцу, поэтому его трудно заметить) Планеты, видимые из телескопа: — Уран (иногда можно заметить и без, но планета очень тусклая — Нептун (голубая планета, сложно увидеть, так как находится очень далеко)

Равномерно ли планеты движутся по своим орбитам? Нет. Планеты движутся по эллиптическим орбитам и ускоряются, приближаясь к Солнцу, согласно второму закону Кеплера: чем ближе планета к Солнцу (в перигелии), тем быстрее она движется. Чем дальше (в афелии), тем медленнее, чтобы суммарная площадь сектора, описываемого радиус-вектором планеты, была одинаковой за равные промежутки времени. Орбиты многих планет имеют малую вытянутость (эксцентриситет), поэтому они кажутся почти круговыми, а движение — почти равномерным.

Что такое теория струн? Каков её смысл? Теория струн — теория, которая пытается объединить фундаментальные силы в «Теорию Всего». Она предполагает существование микроскопических струн, которые колеблются с разными частотами. Разные вибрации определяют свойства, массу и заряд частиц. Для непротиворечивости она требует существования дополнительных изменений (десяти или одиннадцати), сжатых до невероятно малых размеров.

Что предполагает теория относительности Энштейна? Специальная теория относительности (СТО): законы физики одинаковы для всех наблюдателей, движущихся равномерно и прямолинейно в инерциальных системах отсчета. скорость света в ваакуме одинакова для всех наблюдателей время и пространство относительны (время замедляется, длины сокращаются, масса увеличивается с увеличением скорости). масса эквивалентна энергии ( то есть является ее формой) Общая теория относительности (ОТО): гравитация — следствие искривления пространства-времени, а не сила. тела в пространстве движутся по геодезическим линиям (кратчайшим путям в искривленном массой и энергией пространстве), а не прямым.

Как растут сверхмассивные черные дыры? В центре почти каждой крупной галактики, включая наш Млечный Путь, скрывается сверхмассивная черная дыра — объект с массой от миллионов до миллиардов масс Солнца. Но как им удается вырасти до таких чудовищных размеров? Есть два основных пути: Способ 1: Аккреция (Питание газом) Черная дыра не может «охотиться» на звезды — у нее для этого слишком мал гравитационный радиус действия. Но она обладает мощнейшей гравитацией, которая притягивает окружающий газ и пыль. Вещество не падает на дыру напрямую. Из-за вращения оно закручивается в спираль, образуя вокруг черной дыры так называемый аккреционный диск. Это похоже на воду, утекающую в сливное отверстие ванны. В этом диске царит ад: газ разгоняется до огромных скоростей, трется сам о себя и раскаляется до миллионов градусов, начиная ярко светиться (в основном в рентгеновском диапазоне). Постепенно вещество теряет энергию и скорость и, наконец, переваливает через горизонт событий — точку невозврата. Этот процесс невероятно эффективен, но он не может длиться вечно: со временем дыра либо высасывает весь газ из окрестностей, либо своим излучением выдувает его прочь. Способ 2: Слияния галактик. Галактики постоянно взаимодействуют друг с другом. Когда две галактики сталкиваются (а это неизбежно произойдет, например, у Млечного Пути с Туманностью Андромеды), их центральные черные дыры сначала сближаются под действием гравитации, затем образуют тесную пару (двойную систему). При этом они «съедают» газ, возмущенный столкновением галактик, что приводит к новому витку роста через аккрецию. И наконец, они сливаются в одну, еще более массивную черную дыру, испуская при этом мощнейшие гравитационные волны — рябь пространства-времени. Загадка ранней Вселенной Главная проблема для ученых — это время. Мы находим черные дыры с массой в миллиарды солнц, которые существовали уже через 700-800 миллионов лет после Большого взрыва. Им просто не хватило бы времени, чтобы так вырасти, если бы они питались только обычным темпом. Поэтому астрономы предполагают существование «прямого коллапса»: возможно, в ранней Вселенной огромные облака газа могли сжиматься сразу в черную дыру средней массы, минуя стадию звезды, что давало им огромную фору в росте.

Как работает адронный коллайдер? Пучки заряженных частиц разгоняются до огромных скоростей в ускорителях. Затем направляются в главное кольцо, где под действием мощных магнитов сжимаются, а под действием ускорителей разгоняются еще больше, до околосветных скоростей. После пучки сталкиваются — так образуются новые частицы, которые фиксируются и впоследствии исследуются учеными.

Что такое тёмная энергия и тёмная материя? Фриц Цвикки в 1930-е годы обнаружил, что галактики в скоплениях движутся слишком быстро, чтобы удерживаться вместе только видимой материей. Вера Рубин в 1970-е годы заметила, что звезды на окраинах галактик вращаются с той же скоростью, что и в центре. Это невозможно без дополнительной массы, поэтому физики предполагают наличие «скрытой массы» (темной материи). Наблюдения за далекими сверхновыми в конце 1990-х показали, что расширение Вселенной не замедляется под действием гравитации, а ускоряется. Для объяснения этого ускорения была введена концепция темной энергии, противодействующей гравитации. Она, в отличие от темной материи, заставляет Вселенную расширяться с все возрастающей скоростью, действуя как отрицательное давление.