;
Кейсы 4 марта 2022

Черные дыры и многомерные коты: 14 фактов о космосе и Вселенной для детей

Далее

Редакция «Хайтека» продолжает отвечать на вопросы школьников. На этот раз разбираем вопросы о космосе и Вселенной. Родители могут использовать материал как шпаргалку. Подготовить его помогли кандидат физико-математических наук Алексей Медведев и образовательная онлайн-платформа «Учи.ру».

Человек начал осваивать космос раньше, чем вышел на орбиту, — через создание фантастических сюжетов еще 400 лет назад, но за это время тема далеко не иссякла. Истории про внеземные путешествия притягательны для всех возрастов, а особенно — детей, ведь во Вселенной происходит столько удивительного.

  1. Правда ли, что Солнце — маленькое по звездным меркам?

Не совсем так. Существуют звезды класса красные гиганты, которые в тысячу раз больше Солнца — например, UY Щита, АH Скорпиона и W Цефея. Но и есть другие примеры. Например, звезда 2MASS J0523-1403, обнаруженная в 2003 году, и вовсе размером с Юпитер (но в 70 раз массивнее). Ее масса в 15 раз меньше солнечной — это предел для звезд, ниже которого ядерные реакции просто не зажигаются.

  1. Как звезды превращаются в черные дыры?

Эта участь ждет звезды с массой больше 8–10 солнечных. От гравитационного коллапса (то есть «обвала внутрь себя») их удерживает энергия ядерных реакций. Но рано или поздно топливо заканчивается: такие звезды сначала сжигают водород, потом гелий, затем углерод — и так до тех пор, пока ядро не превратится в железное. На этом ядерные реакции в нем останавливаются, и начинается сжатие под действием гравитации. Как только масса железного ядра достигнет так называемого предела Чандрасекара (примерно полторы массы Солнца), ничто уже не сможет противостоять коллапсу звезды в черную дыру.

  1. Что такое газовый гигант — это значит, что у планеты нет твердой основы и на нее нельзя приземлиться?

Речь об очень больших планетах, состоящих в основном из водорода и гелия. В нашей Солнечной системе таких две: Юпитер и Сатурн. Есть ли у них твердая поверхность — очень интересный вопрос, на который ученые пытаются ответить с помощью космического аппарата «Джуно». Сейчас он находится на орбите Юпитера.

При погружении на Юпитер сначала придется пройти внешний слой холодных и плотных облаков, состоящих из аммиака и воды. Чем ниже опускается наблюдатель, тем выше давление и температура в атмосфере. В какой-то момент водород сгустится до жидкого состояния и образует огромный океан. Еще глубже — и водород под огромным давлением начинает вести себя как жидкий металл.

Данные «Джуно» говорят о том, что ядро планеты не имеет четких границ, оно как будто растворено. Возможно, так получилось потому, что миллиарды лет назад гигант столкнулся с другой планетой.

Столкновение прото-Юпитера с другой планетой. a) до столкновения — видно твердое ядро. b) момент столкновения, c) через десять часов после столкновения. Из-за столкновения и дальнейшего перемешивания, ядро Юпитера оказалось протяженным и «разбавленным». Рисунок взят из статьи Лиу и др. (2019)
  1. Можно ли через черную дыру попасть в другое измерение?

Мы не знаем. Уравнения Эйнштейна допускают, что черной дыре соответствует обратная белая дыра, которая может вести в параллельную вселенную (мост Розена-Эйнштейна). Но чтобы туда попасть, нужно двигаться со скоростью выше световой. Сами же белые дыры могут проявляться в нашей Вселенной в виде ярких вспышек излучения в гамма-диапазоне — их и хотят найти с космического гамма-телескопа Fermi. Физик-теоретик Ли Смолин предположил, что белые дыры — это Большой взрыв для других вселенных.

Диаграмма Пенроуза. Сверху черная дыра, а снизу — белая. А по бокам две Вселенные: наша и параллельная

А физики Олег Лунин и Самир Матур предложили решение для черной дыры, исходя из теории суперструн. В теории суперструн все известные частицы — это колебания энергетических струн в многомерных пространствах. В черной дыре эти струны и пространства переплетаются, образуя единую структуру, похожую на комок шерсти, выплюнутый «многомерным котом» из гиперпространства.

Справа «обычная» черная дыра с сингулярностью и горизонтом событий, слева — черная дыра, полученная из теории струн, без горизонта событий и без сингулярности (fuzzball — шерстяной комок). Рисунок Olena Shmahalo/Quanta Magazine
  1. Как в древности люди открывали галактики, если у них не было современных телескопов?

Глаз — чувствительный инструмент. Мы можем воспринимать источники на небе вплоть до шестой звездной величины. К слову, эта шкала была введена римским астрономом Кладиусом Птолемеем. В его каталоге первая величина обозначала самые яркие звезды, а шестая — самые тусклые. Поэтому мы видим Туманность Андромеды, которая имеет звездную величину 3,44, и без телескопа. Кстати, эту галактику впервые описал персидский астроном и математик Абдуррахман ас-Суфи примерно тысячу лет назад. Он же обнаружил и Большое Магелланово Облако.

  1. Почему говорят, что время — это четвертое измерение? Сколько всего открыто измерений?

До ХХ века ученые считали, что время, пространство и физические процессы независимы друг от друга. Но в 1905 году Альберт Эйнштейн создал специальную теорию относительности, согласно которой время и пространство могут растягиваться и сжиматься. Чуть позже его преподаватель Герман Минковский соединил пространство и время в общий четырехмерный пространственно-временной континуум.

На основе этих идей Эйнштейн разработал общую теорию относительности. Он написал уравнение, описывающее, как масса и энергия могут влиять на пространство-время, искривляя его, и как в этих условиях меняется движение материи. Оказалось, что пространство и время — это участники физических процессов, а не сцена для них. Именно поэтому ученые считают, что время — это четвертое измерение.

Что касается дополнительных измерений, то теория струн допускает их существование на микроуровне, а связанная с ней идея космологии на бране (образовано от слова «мембрана») — наоборот, на очень больших. Маленькие дополнительные измерения ищут на Большом Адронном Коллайдере, большие — в космосе, с помощью гравитационных антенн LIGO и VIRGO и космического гамма-телескопа Fermi-LAT. Пока безрезультатно.

  1. Правда ли, что часы на вершине высокой горы идут иначе, чем на поверхности Земли?

Замедление времени происходит в двух случаях: когда объект движется с высокой скоростью относительно внешнего наблюдателя; вблизи источника гравитации (массивной планеты, черной дыры). Пример с часами из второй категории. Гора находится на поверхности Земли, обладающей гравитацией, и время на вершине горы будет течь быстрее по отношению к наблюдателю, находящемуся на уровне моря. Правда, эффект этот очень мал: 83 наносекунды в день в эксперименте с Эверестом.

А вот спутники GPS летают на высоте около 20 тыс. км. Там гравитационное ускорение времени более существенно. Время течет на 40 микросекунд в сутки быстрее, чем на поверхности планеты, и это необходимо учитывать. В этом смысле, спутники GPS являются прекрасной лабораторией по проверке эффектов теории относительности.

  1. Как время и пространство могут искривляться?

Мы знаем, что время и пространство искривляются, но как они это делают, — вопрос сложный. Чтобы на него ответить, нужно рассмотреть действие гравитации на квантовом уровне, но универсальной теории для этого пока нет.

Существуют отдельные подходы вроде теории струн или петлевой квантовой гравитации. Последняя представляет пространство не непрерывным, а состоящим из замкнутых петель гравитационного поля. На больших масштабах оно выглядит как обычное пространство общей теории относительности, а на маленьких — как будто состоящим из пикселей. Масса и энергия, помещенная в такое петлевое пространство, воздействует на него и таким образом искажает.

  1. Правда ли, что вакуум на самом деле не пустой, и в нем сами по себе возникают частицы?

Согласно теории поля и принципу неопределенности Гейзенберга, на очень коротких промежутках времени вакуум может оказаться в таком энергетическом состоянии, при котором способен породить парные частицы. Ученые называют их виртуальными. Они несколько отличаются от обычных, но при этом подчиняются квантовым законам сохранения.

Виртуальные частицы мы наблюдать не можем, они рождаются парами и быстро аннигилируют, никак на нас не влияя. Однако это равновесие в некоторых случаях может нарушаться, например, в присутствии сильного гравитационного поля, как у черной дыры. Стивен Хокинг показал, что черные дыры могут не только поглощать, но и излучать частицы (в основном фотоны), и поэтому испаряться. До этого считалось, что ничто, даже свет, не может «вырваться» из черной дыры.

  1. Что такое Большой взрыв? Почему он произошел?

Это теоретическая модель, которая описывает возникновение современной нам Вселенной из очень плотного и очень горячего состояния. Через пикосекунду (триллионную долю секунды) в ней появились фундаментальные взаимодействия: сначала гравитационное, а затем электромагнитные, слабые и сильные. Затем, при очень высоких температурах, началось рождение пар частиц-античастиц, а после их аннигиляция, продуктом которой является фотон (свет).

К счастью для нас, возникла асимметрия: на миллиард пар протонов-антипротонов один протон оказался «лишним». Из этой одной миллиардной части состоят все звезды, галактики, планеты и мы сами. В течение следующих сотен тысяч лет свет и материя были «сцеплены», а Вселенная — очень непрозрачна. Примерно через 400 000 лет с момента Большого взрыва она охладилась, начали образовываться атомы. Свободных электронов не осталось, и Вселенная стала прозрачной для света. Произошла мощная вспышка излучения, которую мы наблюдаем сейчас как реликтовое излучение (космический микроволновый фон).

Почему Вселенная начала расширяться из очень сжатого состояния, мы не знаем (как и то, что было до Большого взрыва). Возможно, причиной послужили квантовые флуктуации вакуума.

  • Почему космические корабли не могут летать со скоростью света?

Из специальной теории относительности следует: чтобы ускорить массивный объект до скорости света, нужно затратить бесконечное количество энергии. Что, конечно же, невозможно. Только безмассовые частицы — такие как фотон — могут двигаться со скоростью света.

В 1994 году мексиканский физик Мигель Алькубьерре предложил идею варп-двигателя (как в культовом фантастическом сериале «Звездный путь»). Вместо того, чтобы двигаться со сверхсветовой скоростью, космический корабль должен сжимать пространство-время перед собой и расширять его позади себя, при этом находясь в пузыре плоского пространства-времени. Правда, тут было несколько нерешенных вопросов. Чтобы создать такой пузырь, необходима экзотическая материя с отрицательной массой. Хорошие новости: недавно появилась работа, в которой найдены решения для сверхсветовых варп-пузырей с положительной плотностью энергии. Но остается проблема, как разогнать сам пузырь хотя бы до скорости света и откуда взять прорву энергии, не создав при этом черную дыру.

Двухмерная визуализация двигателя Алькубьерре
  • Какого вещества больше во Вселенной?

По самым последним данным, полученным космической обсерваторией «Планк», наша Вселенная всего лишь на 5% состоит из обычной или, как говорят ученые, барионной материи, то есть звезд, галактик, газа и нас вами.

Более существенную часть — 26% — составляет темная материя. Ее обнаружили, изучая вращение галактик и их скопления. Массы и тяготения не хватало для объяснения их «поведения». Поэтому пришлось ввести понятие темной материи, которая проявляется только через гравитацию и никак иначе не взаимодействует с обычным веществом. По сути, неизвестно, что темная материя из себя представляет.

Слева — карта гамма-излучения с энергией 1–3.16 ГеВ в центре нашей галактики. Подписаны известные пульсары. Если убрать все известные источники гамма-излучения, как показано справа, то останется избыток излучения, который может объясняться аннигиляцией темной материи

Наконец, самая загадочная субстанция, на которую приходится 69%, — это темная энергия, о которой мы почти ничего не знаем. Она проявляется, прежде всего, через расширение Вселенной. Кроме того, ученые пришли к выводу, что плотность Вселенной близка к критической. Однако материя (обычная + темная) — это всего лишь 30% от критической плотности. Где же остальное? Это может быть энергия самого пространства или вакуума либо дополнительная неизвестная сила, которую и принято называть темной энергией.

  • Насколько вероятно, что в нашей галактике есть другие разумные существа?

Есть много указаний на то, что наша галактика должна быть наполнена жизнью. Во-первых, по данным космического телескопа «Кеплер», в ней около 40 млрд планет земного типа, которые вращаются вокруг похожих на Солнце звезд или красных карликов, а также находятся в зоне обитаемости (благоприятных для зарождения жизни условиях).

Во-вторых, жизнь на нашей планете зародилась практически сразу после образования Земли и существует уже 4 млрд лет. Что касается разумных существ, то тут несколько сложнее. В галактических масштабах человек существует ничтожно малое время.

Американский астроном Фрэнк Дрейк составил уравнение для оценки количества развитых цивилизаций в нашей галактике, но в нем множество неизвестных. Поэтому решение для него сильно варьируется — от 20 штук до 50 млн! Последнее — вряд ли, ведь есть еще парадокс Ферми, который буквально звучит так: почему мы не наблюдаем следы развитых цивилизаций — спутники, различные радиосигналы и так далее? Возможно, условия на нашей планете и в Солнечной системе все-таки уникальны (например, у нас есть огромный Юпитер, который своим гравитационным полем защищает Землю от крупных метеоритов и астероидов). То есть жизнь, возможно, — это не правило для Вселенной, а большое исключение.

  • Что будет со Вселенной в конце ее существования?

Сейчас самым вероятным можно назвать сценарий быстро расширяющейся Вселенной. Примерно через триллион лет все галактики разлетятся за пределы видимой Вселенной. Через 100 триллионов лет взорвется последняя звезда — красный карлик. В течение 10 квантиллионов лет галактики развалятся, а их остатки начнут проваливаться в черные дыры. Что будет с разумной жизнью? Это очень длинная эпоха, и суперпродвинутая цивилизация, возможно, найдет способ использовать черные дыры в качестве источников энергии.

Рано или поздно даже черные дыры испарятся за счет излучения Хокинга (по разным предположениям, в течение 1040-10106 лет). Конечно, все может завершиться гораздо быстрее, если плотность темной энергии растет со временем. В таком случае в какой-то момент, скажем, через 20–70 млрд лет, скорость расширения Вселенной будет настолько высокой, что все вещество разорвет на субатомном уровне. Такой сценарий называется «Большой разрыв» (Big Rip).

А если заглянуть еще дальше в невообразимое будущее, то однажды квантовые флуктуации могут вновь привести к рождению Вселенной.

Эти ответы могут привести к новым вопросам — изучать космос можно бесконечно. Углубиться в тему можно с помощью интерактивного курса «Космическая печать» от «Учи.ру». Она для тех, кто хочет овладеть навыком слепой печати и попутно спасти Вселенную от роботов-агрессоров.

Читать далее:

Самое большое генеалогическое древо человечества показало историю нашего вида

Разработано экологически чистое топливо на основе диоксида углерода

Великую пирамиду Хеопса изучат с помощью космических лучей