«Дальний космос – это машина времени!»
Академик Дмитрий Варшалович допускает, что в будущем изучение квазаров и тёмной материи может дать человечеству новые возможности
В последние годы далёкие космические пространства превратились для физиков в настоящую лабораторию. С помощью современных технологий, в том числе новых телескопов, астрофизики впервые сумели взглянуть на объекты, удалённые от Земли на 10–13 миллиардов световых лет. Новые исследования и открытия позволяют приблизиться к разгадке происхождения Вселенной, считает академик Дмитрий ВАРШАЛОВИЧ из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе.
– Дмитрий Александрович, сегодня исследования космических глубин принято называть передним краем науки. Что же удаётся разглядеть с этого переднего края, который находится на таких сумасшедших расстояниях?
– Начать с того, что там наблюдаются такие явления, какие невозможно создать в лаборатории на Земле. Например, нейтронные звёзды имеют плотность около миллиарда тонн на кубический сантиметр, а их магнитные поля столь велики, что атомы вытягиваются, как иголки, вдоль силовых линий поля. При вспышке сверхновой звезды за несколько секунд выделяется энергия, значительно превосходящая энергию, которую наше Солнце излучило за всё время своего существования.
Космос даёт нам уникальную возможность проверить, каким закономерностям подчиняется природа. Именно поэтому исследования квазаров, нейтронных звёзд, чёрных дыр произвели переворот не только в астрофизике, но и в современной физике.
Один из важнейших выводов, полученных в последние годы радиоастрономами и астрономами: известное нам обычное вещество, состоящее из атомов, молекул и ионов, даёт лишь около 5 процентов общей плотности Вселенной, остальное – так называемая тёмная холодная материя и тёмная энергия, о существовании которых раньше никто и не подозревал. В разрешении этой проблемы есть и наш вклад, он связан со спектроскопией далёких квазаров.
– Почему вы и ваши коллеги из ФТИ им. А.Ф. Иоффе выбрали для изучения именно самые удалённые космические объекты – квазары?
– Далёкие квазары находятся на расстояниях 10–13 миллиардов световых лет. Это значит, что мы их видим такими, какими они были 10–13 миллиардов лет назад. Поэтому, анализируя спектры квазаров, мы можем определить, какими тогда были физические условия, каков был химический и изотопный состав вещества на ранней стадии эволюции Вселенной. Тогда – это задолго до образования Земли и Солнечной системы, которые сформировались лишь 4,6 миллиарда лет назад, и почти вскоре после появления Вселенной, чей возраст, по измерениям реликтового излучения, – 13,8 миллиарда лет. По существу, это настоящая машина времени! Изучая спектры квазаров, можно понять, как формировалась структура Вселенной, что менялось, а что не менялось в процессе космологической эволюции. Наши исследования, в частности, показали, что за миллиарды лет, прошедшие с момента формирования спектров, законы природы не изменились и значения фундаментальных физических констант в ту эпоху были такими же, как в нашу, хотя некоторые теории предсказывали значительное их изменение. Исследование спектров квазаров позволило нам с помощью нового независимого метода определить относительную долю обычного вещества.
– Насколько я знаю, ваши научные исследования связаны также с молекулярными облаками…
– При анализе спектров далёких квазаров, полученных на одном из крупнейших оптических телескопов Европейской южной обсерватории в Чили, нам повезло: мы первыми в мире обнаружили там системы линий молекулярного водорода, содержащего дейтерий, то есть тяжёлый изотоп водорода. Фактически мы обнаружили холодные межзвёздные молекулярные облака, существовавшие в ту далёкую эпоху. Измерив относительное содержание дейтерированного и обычного молекулярного водорода в этих облаках, мы смогли определить относительное содержание первичного дейтерия, существовавшего на ранних этапах эволюции Вселенной. А это один из ключевых космологических параметров, который и позволил нам определить относительное содержание обычного вещества во Вселенной. Полученное значение – 4,5 процента – чуть меньше, но в пределах ошибок совпадает со значением, опредёленным иным путём, на основе анализа реликтового радиоизлучения. А если значения, полученные разными методами, на основе совершенно разных данных, фактически совпали – значит, основной вывод был правильным.
– Чем же интересен этот первичный дейтерий?
– Он образовался на раннем, дозвёздном этапе эволюции, когда Вселенная была ещё горячей и представляла собой единый термоядерный реактор, заполненный почти однородной плазмой с температурой примерно миллиард градусов. Тогда и началось образование атомных ядер. Но этот период был весьма коротким. Вселенная быстро расширялась, температура падала, и ядерные реакции прекратились. Успели образоваться лишь самые лёгкие ядра – изотопы водорода, гелия и лития. Все остальные элементы образовались значительно позднее в результате эволюции звёзд, а первые звёзды начали формироваться лишь через сотню миллионов лет после этого.
– Может ли это знание дать человечеству новые возможности, например новый источник энергии?
– Вывод о существовании тёмной материи принципиально важен для фундаментальной науки, для физики высоких энергий и элементарных частиц. Именно поэтому на Большом адронном коллайдере сейчас пытаются получить частицы тёмной материи. Это важно для понимания общей картины нашего мира.
Практического применения этого открытия сейчас не видно. Но что будет в дальнейшем, мы не знаем. Не раз бывало, что вроде бесполезное открытие потом оказывалось полезным. Например, когда начали заниматься ядерной физикой, многие считали, что на практике это никому не нужно. Наш институт даже критиковали за то, что его сотрудники занимаются таким бесполезным делом. Но потом выяснилось, что именно эти работы помогли заложить основы ядерной энергетики.
– А каким «бесполезным делом» заняты ваши коллеги-астрофизики сегодня?
– В этом году в Институте им. А.Ф. Иоффе состоялись две крупные международные конференции. Первая – по физике нейтронных звёзд и пульсаров. Вторая – по всплескам космического гамма-излучения. В этих областях вклад астрофизиков нашего института общепризнан. Наш институт – один из ведущих в мире центров и по физике нейтронных звёзд. Это уникальные объекты, единственные, состоящие не из элементов таблицы Менделеева, имеющие плотность несколько миллиардов тонн в одном кубическом сантиметре и магнитные поля до десяти в 14-й степени гаусс.
А космические гамма-всплески были открыты независимо в НАСА (США) и в нашем ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Это самое грандиозное и загадочное явление космоса. В течение нескольких секунд выделяется гигантская энергия, значительно превосходящая энергию излучения всех звёзд нашей Галактики. До сих пор неясно, что это такое – вспышка сверхновой звезды, слияние звёзд или, может быть, аннигиляция тёмной материи.
В 2004 году, в канун Рождества, произошёл самый сильный из наблюдавшихся всплеск гамма-излучения. Зашкалили все детекторы гамма-лучей на орбитальных обсерваториях США, Европы и других стран. Телеканал CNN объявил тогда, что это предвестник конца света, которого, конечно, не произошло. А наши астрофизики – единственные, кто смог измерить этот всплеск, впервые в мире определить поток энергии по гамма-излучению, отражённому от поверхности Луны.
– Некоторые пугают, что гамма-лучи представляют реальную опасность для землян.
– Если бы источник сверхмощного всплеска гамма-лучей находился близко от нас, он мог бы повлиять на земную жизнь. Но вероятность, что такое событие произойдёт недалеко от Земли, очень небольшая. Даже если мы испытываем какое-то воздействие лучей, оно слишком незначительно, чтобы принести нам вред.
Дмитрий Варшалович – физик-теоретик, доктор физико-математических наук, академик РАН, лауреат Государственной премии (2008 год). Открыл новое в астрофизике явление – ориентацию и выстраивание спинов (вращательных моментов) атомов и молекул в облаках межзвёздного газа, в оболочках звёзд, в кометах и т. п. Внёс большой вклад в спектроскопию межзвёздных молекул, теорию космических мазеров, физику квазаров и космологию. Заведует кафедрой «Космические исследования» в Санкт-Петербургском политехническом университете. В течение многих лет руководил сектором теоретической астрофизики ФТИ им. А.Ф. Иоффе, сегодня главный научный сотрудник института.
Источник
Как далеко мы можем смотреть во времени?
Говорят, что мы живем в настоящем, но это не совсем так — наши чувства застряли в прошлом. После вспышки молнии проходят секунды, пока мы не услышим гул отдаленного грома. Мы слышим прошлое. Также мы можем и смотреть в прошлое. В то время как звук проходит около километра каждые три секунды, свет проходит 300 000 километров за одну секунду. Когда мы видим вспышку света в трех километрах от нас, мы видим что-то, что произошло одну сотую миллисекунды назад. Это совсем близкое прошлое.
Но когда мы смотрим на небо, мы можем заглянуть еще дальше. Мы можем увидеть секунды, минуты, часы и года, и даже сотни, тысячи и миллионы лет прошлого своими глазами. Глядя в телескоп, мы можем заглянуть еще дальше в прошлое, в самое начало существования нашей Вселенной.
Секунда назад во времени
Если вы действительно хотите оглянуться в прошлое на существенный промежуток времени, то придется выйти за рамки Земли: длина экватора нашей планеты составляет 40000 км, так что свет (или радиосигнал) обогнет его всего за 130 мс — наши органы чувств с трудом распознают такую небольшую задержку во времени.
Но у нас есть Луна — наш ближайший космический сосед, мир с долинами, морями и кратерами. Она находится на расстоянии около 380 000 км, поэтому свету требуется 1.3 секунды, чтобы добраться от нас до Луны. Мы видим спутник Земли не таким, каким он есть, а таким, каким он был почти полторы секунды назад.
Луна практически не сдвинется за это время для наблюдателя с Земли, но эта 1.3-секундная задержка ощутима, когда Центр управления полетами разговаривает с астронавтами на Луне. Радиоволны распространяются со скоростью света, поэтому сообщению от ЦУП требуется 1.3 секунды, чтобы добраться до Луны, и даже самый быстрый из ответов прилетит обратно еще за 1.3 секунды. В реальности в разговоре случаются задержки зачастую в 3-5 секунд, что хорошо ощутимо:
Минуты и часы в прошлое
Луна дает нам ощутить себя на несколько секунд в прошлом. А вот Солнце, находящееся на расстоянии около 150 миллионов километров, мы видим таким, каким оно было целых 8 минут назад. Так что когда вы любуетесь красивым закатом, знайте — на самом деле Солнце уже село.
Даже наши ближайшие планетарные соседи, Венера и Марс, находятся на расстоянии в десятки миллионов километров от нас, поэтому мы видим их такими, какими они были несколько минут назад. Когда Марс находится максимально близко к Земле, мы видим его таким, каким он был около трех минут назад, но в других случаях свету требуется до 20 минут, чтобы добраться от Марса до Земли.
Это создает некоторые проблемы, если вы с Земли управляете ровером на Марсе. Если последний едет со скоростью 1 км в час, то отставание из-за конечной скорости света означает, что ровер едет на 200 метров впереди того места, где вы его видите, и он может проехать еще 200 метров после того, как вы дадите ему команду ударить по тормозам.
Неудивительно, что марсианские роверы не бьют никаких рекордов скорости езды по бездорожью, путешествуя со скоростью всего лишь 5 см в секунду (0.18 км/ч), при этом ими управляют специально настроенные бортовые компьютеры, которые позволяют избежать столкновений и предотвратить повреждения колес (ибо до ближайшего шиномонтажа — десятки миллионов километров).
Давайте продвинемся еще немного дальше в космос. Находясь ближе всего к Земле, Сатурн все еще оказывается расположен на расстоянии более миллиарда километров, поэтому мы видим его таким, каким он был более часа назад.
Когда мир смотрел на погружение зонда Кассини в атмосферу Сатурна в 2017 году, мы принимали картинку от космического корабля, который уже был разрушен более часа назад.
Годы назад во времени
Ночное небо полно звезд, и эти звезды невероятно далеки. Расстояния в космосе измеряются в световых годах — это около 9 триллионов километров, именно столько пройдет свет за год.
Альфа Центавра, ближайшая звезда, видимая невооруженным глазом, находится на расстоянии в 270 000 раз больше, чем между Землей и Солнцем. Это 4 световых года, поэтому мы видим эту звезду такой, какой она была 4 года назад (так что да, центурианцы еще не знают, что вышел iPhone 7).
Но в космосе можно наблюдать и за куда более далеким прошлым. Так, Крабовидная туманность — это остаток от взрыва сверхновой, которую описали китайские и арабские астрономы в 1054 году. Расстояние до нее составляет порядка 6500 световых лет, то есть сам взрыв произошел в те времена, когда только-только стали образовываться первые древнеегипетские государства в долине Нила.
Но и это — не предел возможностей по заглядыванию в прошлое. Даже без телескопа мы можем видеть две близкие к нам галактики, Андромеды и Магеллановы Облака. Так, первая находится от нас на расстоянии порядка 2.5 миллионов лет назад — то есть мы ее видим ее в том виде, в котором она была на заре эволюции человечества, когда только-только появился вид Homo. Вторая же находится куда ближе — на расстоянии «всего» 160 000 световых лет: на Земле тогда царило глобальное оледенение, а в Африке жил последний общий предок всех Homo Sapiens по женской линии (так называемая «митохондриальная Ева»).
Миллиарды лет назад в прошлое
Увы — человеческий глаз не дает нам увидеть объекты, свет которых идет до нас такие огромные сроки. Но вот телескопы такую возможность дают. Взять, например, квазар 3C 273 — очень яркий объект, ярче отдельных галактик, питающийся от огромной черной дыры.
Но он все еще в 1000 раз тусклее, чем способен увидеть человеческий глаз, ибо до него целых 2.5 миллиарда лет назад. Тем не менее, вы можете его наблюдать в среднеуровневый любительский телескоп. Но что увидят гипотетические существа рядом с этим квазаром, если они прямо сейчас посмотрят на Землю? Она будет выглядеть совершенно иначе, никакой зелени — ведь 3 миллиарда лет назад тогда только-только появились первые одноклеточные организмы, способные к фотосинтезу. До появления первых зеленых растений остается еще больше двух миллиардов лет.
Огромные телескопы в различных обсерваториях способны заглядывать еще дальше в космос. И с их помощью можно увидеть, например, квазар APM 08279+5255, который даже в 1.5-метровом телескопе будет выглядеть тусклой точкой, ведь до него. 12 миллиардов световых лет.
Для сравнения, Земле всего 4.5 миллиарда лет, Солнцу — немногим больше. Так что если наблюдатель оттуда посмотрит на нашу Солнечную систему, то он увидит. ничего: до получения первого света от Солнца ему придется ждать еще более 7 миллиардов лет. Кроме этого, за это огромное время квазар вполне мог исчезнуть, но, увы, мы об этом не узнаем скорее всего никогда: через 12 миллиардов лет от Солнечной системы останется только тусклый белый карлик, Земля же испарится, будучи поглощенной Солнцем в моменты его расширения.
Поэтому, смотря на небо, помните, что вы видите не настоящее — вы видите прошлое. Без особых усилий вы можете смотреть на сотни и тысячи лет назад, а с помощью телескопов есть шанс увидеть даже ранние моменты развития нашей Вселенной миллиарды лет назад.
Источник