На информационном ресурсе применяются рекомендательные технологии (информационные технологии предоставления информации на основе сбора, систематизации и анализа сведений, относящихся к предпочтениям пользователей сети "Интернет", находящихся на территории Российской Федерации)

Космос

8 383 подписчика

Свежие комментарии

  • Сергей Бороздин
    Мой алгоритм - в статье на Самиздат и дзен "Библия как научный источник истории Мира"Единый алгоритм э...
  • дмитрий Антонов
    прошу прощения, меня тут небыло давно. А где Юрий В Радюшин? с Новым 2023 годомБыл запущен первы...
  • дмитрий Антонов
    жаль, что тема постепенно потерялась. а ведь тут было так шумно и столько интересного можно было узнать, помимо самих...Запущен CAPSTONE ...

Откуда астрономы это знают… (Часть вторая). Увидеть невидимое

Свой взор я обращаю в звездный рай!
Кричит Вселенная «Познай меня, познай!»
Но зрим лишь звездный ад, и мрачный космос
Предупреждает «Дверь не открывай!»

Одно из самых значительных «белых пятен» связано тоже со звездами — мы до сих пор толком не знаем, откуда они берутся. У нас есть, конечно, общее представление о звездообразовании, но совсем не такое ясное, как о последующей эволюции. Можно уверенно говорить о том, что звезды образуются в молекулярных облаках в результате сжатия газо-пылевых конденсаций. Из наблюдений мы знаем, что, во-первых, молодые звезды всегда находятся в молекулярном газе, а во-вторых, рядом с уже «готовыми» молодыми звездами в молекулярных облаках наблюдаются и так называемые дозвездные ядра — плотные газо-пылевые сгустки, спектры которых указывают на то, что эти сгустки сжимаются. Однако мы не можем пока сказать, как появляются эти сгустки и почему они начинают сжиматься. Есть две основные версии звездообразования. По одной версии, молекулярные облака удерживаются от сжатия магнитным полем, а дозвездные ядра появляются там, где поддержка магнитного поля по каким-то причинам ослабевает. По другой версии, движущей силой звездообразования является наблюдаемая в облаках турбулентность: дозвездные ядра образуются там, где случайно сталкиваются хаотические потоки вещества. Однако объем наблюдательных данных пока слишком мал, чтобы можно было с уверенностью отдать предпочтение одному из этих механизмов (или предложить третий, четвертый...).
Немногим лучше обстоят дела с теорией образования планет: по современным представлениям, они образуются в газо-пылевых дисках у молодых звезд. Опять же, напрямую образование планет в этих дисках никто не видел, но сами диски наблюдаются во множестве. Благодаря этому получены косвенные свидетельства того, что пылинки в молодых дисках на определенном эволюционном этапе начинают слипаться, постепенно увеличиваясь в размерах, — на этой стадии у дисков меняется форма спектра в инфракрасном диапазоне.
Одна из самых горячих астрономических тем сегодня — внесолнечные планеты. Основной метод их обнаружения основан на эффекте Доплера: планета своим тяготением заставляет звезду описывать небольшой эллипс вокруг центра масс системы. Если орбита планеты не строго перпендикулярна лучу зрения, половину ее периода звезда приближается к наблюдателю, половину периода — удаляется от него. В результате линии в спектре звезды немного «съезжают» то вправо, то влево от среднего положения. Строго говоря, такие колебания говорят о наличии спутника, но не позволяют уверенно утверждать, что это именно планета, а не коричневый карлик или очень маломассивная звезда. Над подобными наблюдениями тяготеет «проклятие синуса i», где i — угол между плоскостью орбиты планеты и плоскостью небосвода (картинной плоскостью). По размаху колебаний спектральных линий определяется не масса, а ее произведение на sini. Смысл этого умножения в том, что если орбита лежит в картинной плоскости, никаких колебаний в спектре мы не увидим. Поэтому в адрес метода лучевых скоростей до сих пор высказываются сомнения. Во-первых, обнаруженное с его помощью тело может и не быть планетой, во-вторых, колебания лучевых скоростей, вообще говоря, могут быть связаны и с движениями в атмосфере звезды... Другое дело, если плоскость орбиты планеты почти перпендикулярна картинной, то есть лежит вдоль луча зрения. В этом случае мы можем рассчитывать увидеть затмения звезды планетой. И, начиная с 1999 года, такие затмения действительно наблюдаются! Пока, правда, известно лишь несколько примеров внесолнечных планет, параметры которых удалось одновременно определить и по затмениям, и по методу лучевых скоростей. Затмения в этих системах происходят именно тогда, когда их предсказывает метод лучевых скоростей.
Говоря о невидимом, нельзя не сказать о черных дырах — объектах с настолько мощной гравитацией, что оторваться от них не может даже свет. Понятие черной дыры появилось в науке еще в XVIII веке благодаря англичанину Джону Мичеллу и французу Пьеру Лапласу. В начале XX века немецкий ученый Карл Шварцшильд придал этой идее математическую обоснованность, выведя черные дыры как следствие из общей теории относительности. Иными словами, черные дыры были предсказаны теоретически задолго до того, как можно было помыслить о том, чтобы найти свидетельства их реального существования в природе. Да и как можно говорить об открытии объектов, увидеть которые невозможно по определению? Вполне естественно, что основным аргументом в пользу того, чтобы назвать некий массивный объект черной дырой, стала его невидимость. Первым кандидатом в черные дыры в начале 1970-х годов оказался невидимый компаньон двойной системы Лебедь X-1. Он имеет массу более 5 масс Солнца, но все попытки обнаружить его собственное излучение успехом не увенчались. О его наличии говорит лишь гравитационное воздействие, которое он оказывает на вещество видимого компонента. Как выясняется, очень сложно придумать другую физическую сущность, которая обладала бы столь большой массой и оставалась при этом невидимой.
Еще более убедительное доказательство реальности черных дыр получено в последние годы для ядра нашей Галактики. Причем оно вытекает не из каких-то сложных теорий, а из обычной небесной механики, описывающей движение спутника вокруг главного тела. На протяжении последнего десятилетия ученые отслеживают движение нескольких звезд в ближайших окрестностях геометрического центра Галактики. Орбита одной из этих звезд прорисована почти полностью — она обращается вокруг центра по вытянутому эллипсу так, словно находится в поле тяготения объекта с массой в несколько миллионов солнечных масс. Радиус объекта не превышает нескольких десятков астрономических единиц — таков размер орбиты этой звезды. Естественно, любой тяготеющий объект может быть только меньше орбиты своего спутника. Представьте себе: миллионы солнечных масс вещества упакованы в размер Солнечной системы и остаются при этом невидимыми!

Орбиты звезд в ядре нашей Галактики. Длина двухконечной стрелки в верхнем правом углу примерно равна 1600 астрономическим единицам. Эта карта построена Андреа Гез и ее коллегами из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе по данным многолетних наблюдений на Телескопе им. Кека). Звездочкой отмечено место, где должно находиться тело, тяготение которого заставляет звезды двигаться по этим траекториям. Законы небесной механики позволяют определить, что масса этого тела составляет несколько миллионов солнечных масс. Особенно интересны орбиты звезд S0-2 и S0-16, которые подходят к невидимому телу на расстояние всего в несколько десятков астрономических единиц, накладывая тем самым очень серьезное ограничение на его размер. Рис. с сайта www.astro.ucla.edu


Здесь нужно вспомнить еще об одном великом научном принципе — так называемой бритве Оккама: не нужно множить сущности без необходимости, из всех объяснений отдавая предпочтение самому простому. Черная дыра, какою бы экзотикой она ни казалась, на сегодняшний день остается наиболее простым решением этой загадки. Хотя это, конечно, не гарантирует, что в будущем не будет найдено еще более простое решение.
В принципе, сказанное относится и к квазарам — необычайно ярким и очень компактным источникам излучения, невероятно высокую светимость которых объясняют выделением энергии при аккреции (падении) вещества на черную дыру. Материя не падает непосредственно на дыру, а закручивается вокруг нее, образуя аккреционный диск. Это связано с тем, что во вращающейся системе гравитация (центрального объекта или всей системы целиком) в направлении, перпендикулярном оси вращения, уравновешивается центробежной силой, поэтому сжатие происходит только параллельно оси вращения, «сплющивая» систему в плоский блин.
Движение газа в диске описывается законами Кеплера (поэтому такие диски называют иногда «кеплеровскими»). Одно из проявлений законов Кеплера применительно к дискам состоит в том, что слои на различных расстояниях от центра движутся с различными скоростями и в результате «трутся» друг о друга, преобразуя кинетическую энергию орбитального движения в тепловую энергию и далее в энергию излучения. Это объяснение может оказаться не единственным, но на сегодняшний день оно является самым простым. Чудовищная энергетика квазаров требует, чтобы объект, на который «падает» вещество, был очень массивным и геометрически маленьким (чем меньше внутренний радиус диска, тем больше в нём выделяется энергии). В ядре активной галактики NGC 4258 «кеплеровский» диск удалось наблюдать непосредственно, то есть не просто разглядеть очень плоскую газовую структуру, а измерить скорость движения вещества в ней и продемонстрировать, что это именно диск, вращающийся «по Кеплеру». Квазары располагаются в центрах галактик, то есть именно там, где в нашей и других галактиках обнаружены объекты, очень похожие на черные дыры... Логично предположить, что массивные компактные объекты в квазарах также представляют собою черные дыры.
Еще один космический невидимка — темная материя, то есть материя, проявляющая себя в гравитации, но не в излучении. Идею о ее существовании высказал астроном Фриц Цвикки. Он обратил внимание на то, что скорости движения галактик в скоплениях слишком велики, чтобы их можно было объяснить тяготением только видимого вещества. В скоплениях галактик должно быть что-то еще, невидимое, но обладающее гравитационным полем. Позже подобные аномалии обнаружились и в движении звезд внутри галактик. Гипотезу о темном веществе критикуют на том основании, что она, вроде бы, нарушает всё то же правило Оккама: обнаружив неясности в движениях звезд и галактик, астрономы не стали объяснять их с позиций существующих теорий, а сразу же ввели новую сущность — темное вещество. Но, во-первых, «темное вещество» само по себе сущностью не является. Это просто констатация факта, что движение звезд в галактиках и галактик в скоплениях не описывается только тяготением видимого вещества. Во-вторых, объяснить это тяготение имеющимися сущностями оказывается не так-то легко.
Вообще, на роль темного вещества годятся любые массивные невидимые объекты, например, заполняющие пространство коричневые карлики или так называемые «черные» карлики, то есть остывшие, холодные и потому невидимые белые карлики. Однако у этих объектов есть крупный «недостаток». Белый карлик — это не только несколько десятых солнечной массы невидимого вещества, но еще и изрядное количество углерода и азота, синтезированных звездой — предшественницей этого белого карлика. Если мы предположим, что пространство заполнено остывшими белыми карликами, мы ответим на вопрос о природе темной материи, но вынуждены будем заняться нелегкими поисками ответа на другой вопрос — куда девались выброшенные этими карликами атомы С и N, которые должны были проявиться в химическом составе звезд следующих поколений? Кроме того, и у белых, и у коричневых карликов есть еще один общий недостаток: они не образуются сами по себе. Вместе с ними должны были в изрядных количествах образовываться и более массивные звезды. Эти звезды, взорвавшись в конце своего жизненного пути как сверхновые, просто разметали бы галактику по окружающему пространству. Вот и получается, что неизвестные науке элементарные частицы оказываются не экзотическим, а наиболее легко объяснимым кандидатом на роль темной материи. Впрочем, попытки объяснить аномальное движение звезд невидимыми «обычными» объектами продолжаются.
«Материальность» темной материи также оспаривается. Сейчас публикуется довольно много работ по теории МОНД — модифицированной ньютоновской динамике. Согласно ей, при движениях с очень малыми ускорениями в формулы для ньютоновского тяготения нужно вводить поправки. Неучет этих поправок и приводит к тому, что возникает иллюзия дополнительной массы.
Вряд ли кто-то будет оспаривать тот факт, что Земля вращается вокруг Солнца и что вместе с ней вокруг Солнца вращается еще великое множество разнообразных тел. Мы понимаем силы, под воздействием которых движутся эти тела, и умеем предсказывать их движение. Собственно, именно изучение движения небесных тел привело к появлению самого точного раздела астрономии — небесной механики.
Вспомним историю открытия астероида — Цереры. Итальянский астроном Дж. Пиацци открыл ее в первую ночь XIX столетия и тут же потерял. Однако знание траектории, по которой должна двигаться Церера (если верны наши представления об устройстве Солнечной системы), позволило немецкому математику К. Гауссу предсказать ее положение на будущие даты, и через год после открытия Церера была найдена вновь, и именно там, где ей надлежало быть. Тут можно вспомнить еще хрестоматийную историю об открытии Нептуна «на кончике пера», но гораздо лучшим доказательством понимания небесно-механического устройства Солнечной системы является его практическое использование. Сейчас редкий полет межпланетного космического аппарата обходится без так называемого гравитационного маневра — траекторию полета прокладывают таким хитрым образом, чтобы на разных ее участках аппарат ускорялся притяжением больших планет. Благодаря этому удается экономить немало топлива.
Говоря коротко, мы очень хорошо разбираемся в движении тел Солнечной системы. Хуже обстоит дело с пониманием их природы. Исторический пример – марсианские каналы — какая это была замечательная иллюзия! Первые же снимки Красной планеты, полученные космическими аппаратами, развеяли все фантазии. Добро бы еще каналы оказались чем-то не тем, за что их принимали. Нет, они просто отсутствовали! Навязчивое желание увидеть на Марсе что-то «эдакое» сыграло с наблюдателями злую шутку. При близком рассмотрении Красная планета оказалась совершенно мертвой.
Сейчас наше представление о Марсе кардинально отличается от того, что имело место всего каких-нибудь 50 лет назад. К Марсу слетало множество зондов, на нём побывали спускаемые аппараты, в том числе марсоходы, проехавшие по его поверхности значительное количество километров. Построены подробнейшие карты рельефа, температур, минерального состава, магнитного поля поверхности Марса. Смело можно утверждать, что по крайней мере о поверхности и атмосфере Марса мы знаем почти всё. Значит ли это, что в марсианских исследованиях не осталось места догадкам? О, нет!
Несмотря на близость Красной планеты мы всё равно видим только результат, но лишены возможности наблюдать процесс. Приходится прибегать к аналогиям. Почему бы не предположить, что подобные формы рельефа на Марсе и на Земле сформированы подобными же процессами? Пусть на современном Марсе нет воды, но она была там в далеком прошлом! Добавьте к этому слоистость горных пород Марса, очень похожую на строение земных осадочных пород, и наличие минералов, которые на Земле образуются только в жидкой среде... Одним словом, вся совокупность данных о Марсе говорит о том, что когда-то, скорее всего очень давно и очень недолго, водоемы на нём были. Но все эти данные являются, конечно, косвенными доказательствами. И именно здесь проходит граница, за которой читатель или слушатель астрономической новости должен держать ухо востро. Ибо от результата наблюдения к выводу из него пролегает цепочка логических умозаключений и дополнительных предположений, которая в текст популярной новости попадает не всегда.
Еще наглядный пример — Европа, один из галилеевых спутников Юпитера. Спектральный анализ показывает, что поверхность этого спутника состоит из водяного льда. Но средняя плотность вещества Европы (3 г•см–3) в три раза превышает плотность воды, а значит, большую часть спутника составляет каменное ядро, окруженное менее плотной водяной оболочкой. Дифференциация строения Европы, то есть разделение на более тугоплавкое ядро и легкоплавкую оболочку, говорит о том, что недра этого спутника подвергались и, возможно, подвергаются значительному нагреву. Источник этого нагрева — скорее всего, приливное взаимодействие с Юпитером и другими спутниками планеты-гиганта. Занимательность ситуации состоит в том, что приливного тепла вполне достаточно, чтобы поддерживать часть водной оболочки Европы в жидком состоянии. Иными словами, под ледяной коркой Европы может скрываться океан... С этим согласуется и строение поверхности спутника. Она постоянно «омолаживается», о чём говорит практически полное отсутствие метеоритных кратеров, да и разветвленная сеть разломов и трещин свидетельствует в пользу тектонической активности, которая может быть связана с подвижностью твердого льда на жидкой подложке. Жидкая вода, постоянный источник тепла (приливные деформации), доступность соединений углерода (в Солнечной системе они есть почти повсеместно) — что еще нужно для зарождения жизни? И вот уже готов яркий заголовок: «На спутнике Юпитера есть живые существа!». Однако очевидно, что до полета на Европу исследовательского зонда наличие подледного океана останется гипотезой, а возможное существование в нём очагов жизни — и вовсе фантазией.
Увы, удаленность большинства астрономических объектов и значительная длительность большинства астрономических процессов приводят к тому, что доказательства в астрономии, как правило, являются косвенными. Причем чем дальше мы удаляемся от Земли в пространстве и времени, тем косвеннее доказательства. Казалось бы, есть все основания относиться к утверждениям астрономов с недоверием! Но сила этих утверждений — не в «железобетонности» доказательств, а в том, что эти доказательства складываются в единую картину. Современная астрономия — не собрание разрозненных фактов, а система знаний, в которой каждый элемент связан с другими, как связаны друг с другом отдельные кусочки мозаики. От общего количества звезд, рождающихся в год, зависит количество сверхновых — значит, скорость звездообразования должна согласовываться с темпом вспышек сверхновых. Этот темп, в свою очередь, согласуется с наблюдаемым количеством синтезируемого при вспышках радиоактивного изотопа алюминия. Причем многие из этих связей были сначала предсказаны, а потом обнаружены в наблюдениях. Было сначала предсказано, а потом обнаружено реликтовое излучение, сначала предсказаны, а потом обнаружены нейтронные звезды... Была предсказана форма протопланетных дисков, наличие разнообразных молекул в молекулярных облаках...
Каждый из элементов этой мозаики, взятый в отдельности, малозначим, но вместе они складываются в весьма прочную картину, которая тесно увязана с успехами «земной» физики. Насколько можно доверять этой картине? Конечно, какие-то из элементов мозаики обоснованы лучше, чем другие. С одной стороны, современные представления о природе темной материи могут подвергнуться пересмотру. А вот подобрать адекватную замену, например, для термоядерного механизма производства энергии в недрах звезд вряд ли удастся. Еще в начале XX века в этой области оставался некоторый простор для фантазии, но сейчас термоядерный механизм согласован с очень большим количеством наблюдательных данных. Если у кого-то возникнет теперь желание придумать собственный механизм, он должен будет объяснить как минимум все эти же данные, не потеряв при этом согласованности со смежными элементами мозаики.
Основы современной астрономической картины мира могут оказаться неверными только целиком. То есть, мы можем ошибаться не в отдельных фрагментах, а во всей физике сразу. Например, если окажется, что звёзды — это все-таки не звезды, а дырочки в хрустальном небосводе, в которые какой-то шутник пускает излучение разного спектрального состава...
Кому-то это, возможно, покажется странным, но убедительные доказательства того, что Солнечная система находится не в центре Вселенной, были получены лишь в начале XX века. Американский астроном Харлоу Шепли получил их, изучая пространственное распределение шаровых звездных скоплений (ШЗС). В то время было уже известно, что шаровые скопления разбросаны по небу неравномерно, сосредоточившись в основном только в одной половине небосвода. Но только Шепли удалось выявить действительные масштабы этой неравномерности. Определив расстояния до шаровых скоплений по наблюдениям цефеид в них (см. часть 1 – расстояния и возрасты), он установил, что скопления распределены в пространстве сферически-симметрично, причем центр этого распределения не просто не совпадает с Солнцем, но удален от него на десятки тысяч световых лет! Шепли догадался, что центр системы ШЗС совпадает с истинным центром нашей Галактики, но на протяжении многих лет отказывался признать, что помимо нее во Вселенной могут существовать и другие «звездные острова». Гигантский размер Галактики настолько потряс самого Шепли, что он просто не мог представить, что во Вселенной остается место для чего-то еще.
Между тем, в 1924 году американский астроном Эдвин Хаббл с помощью крупнейшего в то время 2,5-метрового телескопа Паломарской обсерватории впервые, как говорят астрономы, «разрешил на звезды» Туманность Андромеды. Иными словами, он доказал, что ее туманное свечение на деле порождается мириадами отдельных звездочек, собранных в единую систему, подобную Млечному Пути.
Так было доказано, что Солнце располагается не вцентре Галактики, а на ее окраине, а сама Галактика является лишь одной из многих сотен миллиардов звездных систем.
Как читать астрономические новости.
К сожалению, представление этой замечательной картины в СМИ оставляет желать много лучшего. Поэтому к чтению астрономических новостей в прессе нужно подходить весьма осмотрительно. Как правило, они основаны на пресс-релизах, которые во многих случаях переводятся на русский язык или пересказываются на нём довольно безграмотно. Причем общая солидность издания, публикующего новость, тоже ничего не гарантирует. Поэтому, если в новости что-то показалось вам невнятным, надуманным, преувеличенным, нелогичным, не спешите обвинять в этом упомянутых в ней ученых! Если сообщение вас действительно заинтересовало, постарайтесь найти хотя бы исходный пресс-релиз.
Впрочем, расшифровка астрономических пресс-релизов также требует навыка. В большинстве случаев они ставят перед собой задачу не столько поделиться информацией с коллегами, сколько произвести впечатление на массового читателя, объяснив ему, на что потрачены его налоги. Пресс-релиз, по сути, представляет собою рекламный текст, и, как всякий рекламный текст, он несколько неполон и упрощен, иногда чрезмерно оптимистичен, иногда слишком пафосен и зачастую преувеличивает значение открытия, о котором в нём сообщается. Например, авторы пресс-релизов любят писать в них что-то вроде «Это открытие заставит полностью пересмотреть такую-то теорию» или «Результаты этих наблюдений идут вразрез со всеми современными взглядами», хотя в подавляющем большинстве случаев это не так. Ну и конечно, не забываем добавлять к каждому предложению слова «По современным представлениям» или «Сейчас считается, что...», а еще «возможно», «может быть», «вероятно», «по-видимому» и т. д.!
Если же сообщение захватило вас настолько, что вам хочется устроить его критический разбор, не сочтите за труд прочитать оригинальную работу! Благо, большую часть астрономических статей можно найти в интернете совершенно бесплатно. Правда, чтобы читать их, необходимо знать английский язык.

http://elementy.ru/lib/430399

Картина дня

наверх