Меню

Что такое темная сторона вселенной

О тёмной стороне Вселенной

Так ли уж темна «тёмная сторона» Луны? Что представляют собой чёрные дыры, и почему они чёрные? Что такое тёмная материя и тёмная энергия? Об этом астроном Владимир Сурдин рассказал слушателям интеллектуального клуба «Химия слова» на онлайн-лекции.
Рассказываем о тёмной стороне Вселенной

Что там, на той стороне Луны?

Луна всегда повернута к Земле одним боком: из-за приливного захвата вращение нашей планеты и её спутника синхронизировано. Поэтому с Земли невозможно увидеть обратную сторону Луны.

Однако она не такая уж тёмная – та сторона освещается солнцем, когда на Земле день. Название «тёмная сторона Луны» – калька с английского. «Dark» – не только что-то тёмное, но и неизвестное, таинственное.

Впервые люди смогли увидеть ту сторону, когда Луну облетел советский космический аппарат «Луна-3». Первые снимки были не лучшего качества, но сейчас благодаря многим новым изображениям из разных космических миссий мы можем подробно рассмотреть рельеф загадочной «тёмной стороны».

Скрытое от глаз наблюдателей полушарие разительно отличается от видимого нами. На той стороне Луны практически нет морей (так астрономы называют крупные углубления в рельефе, похожие на земные моря и океаны), и вся она испещрена метеоритными кратерами.

– Моря Луны к воде не имеют никакого отношения, но когда-то это были моря расплавленной магмы. Она застыла, по цвету «морская» часть нашего спутника гораздо темнее «континентальной». Главная загадка Луны состоит в том, что она несимметрична, – рассказал Владимир Сурдин. – Но самое интересное – Земля тоже несимметрична: с одной стороны – груда материков, а с другой – огромный Тихий океан. Учёные не могут объяснить этот феномен.

Ну и дыра!

Первым человеком, предположившим возможность существования чёрных дыр, был английский геофизик и астроном Джон Мичелл. Он подсчитал, что тело с массой Солнца, но радиусом меньше трёх километров, обладало бы настолько мощной силой притяжения, что даже свет не мог бы улететь от него. Издали оно бы казалось абсолютно чёрным.

Свою теорию Мичелл представил на заседании Лондонского Королевского общества в 1783 году. Современники встретили её со скепсисом – существование настолько компактных массивных тел казалось чем-то невероятным.

Спустя 13 лет эту теорию переоткрыл французский математик и астроном Пьер Лаплас. Исследователь опубликовал её в книге «Система мира», но и она прошла незамеченной.

Всё изменилось с того момента, как Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности. В отличие от ньютоновской, новая теория описывала гравитацию как силу, искривляющую пространство-время.

Эйнштейн вывел уравнение для геометрической теории гравитации, но оно содержало переменные с множеством значений, и потому решить его – дело непростое. Это удалось талантливому немецкому математику и астроному Карлу Шварцшильду. Он создал формулу для расчёта радиуса горизонта событий – того радиуса, при котором вторая космическая скорость (превысив которую, возможно «улететь» с космического тела) в окрестностях чёрной дыры становится равна скорости света. Горизонт событий – это «точка невозврата»: если пересечёшь её, то из чёрной дыры уже не вырвешься.

Кстати, интересный факт: если бы кто-то рискнул направиться прямиком в чёрную дыру, то он, конечно же, был бы раздавлен огромной силой гравитации, но вот для наблюдателя со стороны он бы остался навсегда зависшим на горизонте событий. Дело в том, что чёрная дыра настолько искривляет пространство-время, что само течение времени у горизонта событий останавливается.

Следующий шаг в исследовании сделал новозеландский математик Рой Керр. Он решил уравнение Эйнштейна для вращающихся тел и рассчитал, что чёрную дыру будет окружать сфера, которую он назвал пределом статичности. Между пределом статичности и горизонтом событий находится область – эргосфера. Если какое-либо тело в неё попадет, то оно ещё может ускользнуть прежде, чем пересечёт горизонт событий. Но в этой области вращение дыры подхватывает тело и вращает, как на карусели.

– Изучать чёрные дыры – очень сложная задача. Это чистая математика, – говорит Владимир Сурдин. – Доказательства на практике учёные собирают по крупицам. Например, искусственные спутники Земли помогли доказать, что увлекаемые гравитацией большего тела объекты вращаются в ту же сторону, что и само тело.

Верно ли, что черные дыры ничего из себя не выпускают? Известный английский физик-теоретик Стивен Хокинг считал иначе. Вакуум – не пустое пространство, в нем могут рождаться и моментально исчезать пары виртуальных частиц. На границе черных дыр такие пары могут разделяться, и когда одна пересекает горизонт событий, вторая вырывается, образуя хокингское излучение. Подтвердить его существование смогла группа израильских учёных в 2019 году.

И не дыра вовсе?

Чёрные дыры появляются не сами по себе. Они – ядра умерших звёзд.

Звёзды рождаются из раскаленных газовых облаков и миллиарды лет поддерживают своё горение за счет термоядерных реакций. Перед самой смертью звезды её внешняя оболочка раздувается, остывает, а ядро, наоборот, сжимается. Звезда становится красным гигантом. Затем она сбрасывает внешнюю оболочку, из которой образуется яркая планетарная туманность, а ядро перерождается в белый карлик. Это если звезда была маленькой, как, например, наше Солнце.

Читайте также:  Что такое цикличная вселенная

Если же звезда огромна, во много раз больше Солнца, сбрасывание оболочки сопровождается взрывом сверхновой. Такое название этому явлению дали древние астрономы: когда они видели яркую вспышку на небе, они думали, что это рождение звезды. На самом деле так звезда умирала.

После смерти из ядер огромных звезд рождаются массивные компактные тела. Это могут быть либо нейтронные звёзды – объекты с очень большой плотностью вещества: наперсток такого весил бы тысячи тонн. Либо чёрные дыры – зависит от того, насколько сильно сжалось ядро.

Чёрные дыры невидимы, их сложно обнаружить. Они действуют как линзы, преломляющие пространство, поэтому заметить их можно если они пройдут на фоне какого-то очень яркого объекта, например, далекой галактики. Но подобные наблюдения заняли бы не один миллион лет.

Долгое время считалось, что не удастся обнаружить нейтронные звёзды, излучающие мало света, и тем более чёрные дыры, вообще свет не выпускающие. Также подвергали сомнению существование компактных массивных тел. Но исследовательница Джоселин Белл с помощью радиотелескопа обнаружила радиоимпульсы, которые испускали нейтронные звёзды. Это доказало, что объекты малого размера с большой массой всё-таки существуют. Оставался шаг до открытия чёрных дыр.

Увидеть чёрную дыру стало возможным с открытием двойных звёздных систем. В случае, если в такой системе один из компонентов – нейтронная звезда или чёрная дыра, то массивное компактное тело начинает утягивать звёздное вещество с обычной звезды. При перетекании вещество начинает вращаться в аккреционном диске, оно нагревается и испускает разного рода излучение, которое и выдают положение нейтронной звезды или чёрной дыры.

Аккреционный диск вокруг чёрной дыры искривляется замысловатым образом: так, что наблюдатель может видеть сияние одновременно спереди и сзади. Наглядно это показали в фильме «Интерстеллар», научным редактором которого был астрофизик Кип Торн.

Двойные системы из двух нейтронных звёзд или двух чёрных дыр способны порождать гравитационные волны, существование которых предсказал Эйнштейн. Их фиксируют с помощью огромных гравитационно-волновых лазерных детекторов: длина их труб-антенн – четыре километра. Сейчас таких детекторов шесть.

Двойные системы порождают гравитационные волны за счет того, что два массивных объекта быстро вращаются вокруг общего центра масс и понемногу приближаются друг к другу. В какой-то момент они подходят настолько близко, что сливаются в один объект. Сами по себе волны не сильные, пик наступает в момент слияния, и после гравитационные волны затухают.

В 2015 году два американских детектора поймали одинаковый сигнал: на расстоянии миллиарда световых лет от нас произошло слияние двух чёрных дыр. После этого детекторы ловили ещё несколько слияний чёрных дыр, а в 2017 году они засекли слияние двух нейтронных звёзд. Оно произошло со взрывом, который удалось сфотографировать телескопу-роботу.

Ещё один способ обнаружить черную дыру – наблюдение за звёздами. В густых шаровых звездных скоплениях звезды на периферии могут вращаться медленнее чем те, что ближе к центру. Это значит, что вращение в центре сообщает какое-либо массивное тело – чёрная дыра. Кстати, в центре нашей Галактики тоже находится огромная чёрная дыра. За доказательство её существования в нынешнем году году Нобелевскую премию получили немецкий астрофизик Райнхард Генцель и американский астроном Андреа Гез.

Невидимое глазу наполнение

– Около пяти процентов вещества Вселенной – это известные нам субстанции, а всё остальное – тёмная материя и тёмная энергия, – рассказывает Владимир Сурдин. – Они невидимы, мы не можем их обнаружить, но наблюдаем эффекты, которые доказывают их существование.

Одно из этих доказательств – одинаковая скорость вращения звёзд по всей Галактике. Дело в том, что по расчётам скорость вращения должна падать при удалении от центра. Но этого не происходит, а значит, масса Млечного Пути не только в звёздах, но и в невидимом межзвёздном веществе – тёмной материи.

Другое доказательство – скопления галактик. Они действуют, как линзы, искажая свет от очень далёких объектов во вселенной. По силе искажения можно определить массу такого скопления. И расчёты показали, что масса скопления галактик во много раз больше совокупной массы звёздного вещества в них. И это снова показывает, что есть невидимое вещество, составляющее большую часть массы скопления.

– Тёмная материя действует как всепроницаемое, ни с чем не взаимодействующее вещество, оно – носитель массы, – говорит Владимир Сурдин. – Вселенная неоднородна, и её неоднородность объясняется именно наличием тёмного вещества, которое обуславливает гравитационные эффекты.

Когда Вселенная родилась, именно плотные сгустки тёмной материи способствовали образованию скоплений звёзд и галактик. Теперь галактики разлетаются друг от друга, и сила, что «расталкивает» их в разные стороны, названа тёмной энергией. Это самая загадочная сила, поскольку её природа не исследована.

И что будет со Вселенной дальше – пока ещё не разгаданная загадка.

Ольга Тебенкова, оригинал статьи опубликован в газете «Волжский химик»

Источник

Все за сегодня

Политика

Экономика

Наука

Война и ВПК

Общество

ИноБлоги

Подкасты

Мультимедиа

Наука

Темная сторона Вселенной

Черные дыры, темные материи, темная энергия — эти величайшие загадки современной космологии неразрывно связаны с теорией относительности. Они до сих пор будоражат умы исследователей.

Читайте также:  Как сделать самого крутого венома во вселенной roblox

На протяжении почти целого века общая теория относительности не дает покоя науке. Чтобы ее проверить, строятся обсерватории, отправляются спутники в космос. Например, в следующем году при помощи французского мини-спутника Microscope с большой долей точности будет проведен анализ свободного падения двух тел, выполненных из различных металлов. Будут ли оба металлических цилиндра двигаться одинаково в поле земного притяжения? Или же теорию Эйнштейна нужно пересмотреть?

До сих пор она подтверждалась при всех проводимых когда-либо экспериментах. С другой стороны, она является «солитером» среди физических теорий. В отличие от прочих описаний физических сил, общая теория относительности является одновременно теорией пространства и времени.

От гравитации не уйти

Пространство и время не являются жестко закрепленной сценой происходящего. Масштабы пространства и времени меняются рядом с массивными небесными телами. Только гравитационное поле определяет «метрические свойства четырехмерного измерительного пространства», отмечал Эйнштейн. Поскольку гравитация воздействует в равной степени на разные материи и, в отличие от электрических и магнитных сил, не может быть исключена, ее можно в целом интерпретировать как искажение пространства и времени. Эйнштейн сравнил это искаженное временное пространство с натянутым платком, в котором каждое небесное тело создает углубление, которое движется вместе с ним, в то время как он впадает в сферу воздействия других углублений.

Его абсолютно новое понимание гравитации внесло свой вклад в развитие современной космологии. Важнейшие вопросы физики, о которых постоянно идут профессиональные дискуссии, неразрывно с ней связаны. Что происходит на подступах к черным дырам? Как возникла Вселенная? Откуда происходит темная энергия, которая все быстрее разгоняет галактики? Из чего состоит темная материя, которую, хотя и нельзя увидеть, но которая заметна из-за ее гравитационного эффекта в космосе?

Контекст

Забытая модель вселенной, предложенная Эйнштейном

Эйнштейн сокрушит их всех

Теория Эйнштейна оказалась верной

Эйнштейн в борьбе с собственной славой

Wired Magazine 26.09.2012
Теория Эйнштейна и ее недостатки

Эйнштейн ничего не знал о темной материи, темной энергии или черных дырах. Когда он закончил свой эпохальный труд и представил его 25 ноября 1915 года Прусской академии наук в Берлине, он даже не знал о существовании других галактик по ту сторону Млечного пути, не говоря уже о расширении Вселенной. Крупные астрономические открытия ХХ века были еще впереди. Тем удивительнее то, как он открыл для космологии, исходя из немногих, скорее интуитивных физических предположений, абсолютно новые перспективы.

Общей теории относительности исполнился ровно один год, когда он сам обнаружил ее недостатки. Эйнштейн пытался описать Вселенную как целое. Кроме того, он модифицировал свою теорию и добавил дополнительный член к уравнениям поля — «космологическую константу». Она должна была определить, что Вселенная не расширяется и не коллабрирует.

Равномерно распределенные звезды

Представления Эйнштейна о построении космоса основывались на простой мысли — Вселенная выглядит в любом направлении одинаково. Типичная для него позиция. С данными астрономов она совпадала лишь частично. Поскольку тот, кто посмотрит ясной ночью на небо, увидит в одном месте лишь несколько звезд, в другом — целое море звезд, но прежде всего Млечный путь. Можно подумать, будто все звезды сконцентрированы на Млечном пути, а за его пределами находится пустое пространство.

Эйнштейн провел анализ. По его мнению, теория тяготения Ньютона говорила о том, что у мира есть середина, где сосредоточены звезды, в то время как за ее пределами плотность звезд снижается и кончается бесконечной пустотой. Но это придавало бы пустому пространству значение, что противоречило теории Эйнштейна.

Кроме того, такая расстановка не могла бы продолжаться длительное время. Звезды покинули бы остров и исчезли бы в бесконечности, не возвращаясь назад. Одна звезда за другой в гравитационной игре небесных тел покинула бы центр, а Мировой остров постепенно опустел бы.

У космоса нет середины

Астрономические наблюдения не давали указаний на это. Эйнштейн предполагал, что звезды могут быть равномерно распределены в пространстве. «Сколько ни путешествуй по космосу, повсюду найдется скопление звезд схожего вида и одинаковой плотности». Другими словами, человек не находится в центре космоса, потому что такого центра вообще нет. Такова основная идея современной космологии.

Чтобы соединить его представления с моделью мира, Эйнштейн предположил, что имеющаяся материя временного пространства так сильно искажается, что образует шар. Такая Вселенная замыкается на себе и является бесконечной.

В феврале 1917 года Эйнштейн представил Берлинской академии свои «Космологические наблюдения», в которых он описал Вселенную, в том числе как неизменяемую во временном отношении. Но к собственному недоумению он вынужден был констатировать, что его представленные в ноябре 1915 года исследования не допускали статичную Вселенную. Эйнштейн решился доработать свои исследования, над которыми он работал восемь лет, добавив в них космологическую константу.

Величайшая ошибка Эйнштейна

Дополнительная составляющая имеет большое значение. «Она показывает, что Эйнштейн в 1915 году, в отличие от того, что он писал, нашел еще не все соотношения, сопоставимые с его требованиями», — отмечает эксперт Юрген Ренн, директор Института Макса Планка в Берлине. С математической точки зрения введение космологической константы было оправдано. Но Эйнштейн поставил ее на чашу весов, чтобы уравновесить космический баланс таким образом, чтобы Вселенная не расширялась и не сжималась. Но он упустил из вида тот факт, что подобный баланс был нестабилен.

Читайте также:  Благодарю тебя вселенная список

Хотя он назвал позднее введение константы величайшей ошибкой, она все же вновь появляется в современной космологии. Она переживает ренессанс — после того, как было доказано, что Вселенная не только расширяется, но это расширение проходит еще и с ускорением. С начала 21 века стали появляться указания на то, что более двух третей плотности энергии Вселенной производится загадочной силой давления, космологической константой. Но какая неизвестная темная энергия приводит в движение расширение космоса? Некоторые исследователи полагают, что за ней скрывается энергия вакуума, которая происходит из постоянных квантово-физических процессов.

Спустя пять лет доказано отклонение света

Общая теория относительности выводит на поверхность ряд вопросов. Вместе с тем, она помогает ученым прийти к неожиданным выводам относительно структуры космоса. Примером может служить прежнее предсказание Эйнштейна о том, что свет от далеких звезд искривляется вокруг солнца. Оно сделало его известным во всем мире в ноябре 1919 года, после того как британские астрономы доказали это отклонение света в полном солнечном затмении. «Весь свет в небе — искривленный», с таким заголовком вышел выпуск New York Times, в котором речь шла о революции в науке.

Галактики и скопления галактик объединяют свет еще более эффективно, чем солнце. Они действуют схожим образом, как линзы телескопа. Первое указание на это гравитационный линзовый эффект есть еще в записях Эйнштейна. Он в 1912 году изучал этот оптический феномен в геометрических набросках. Его расчеты убедили его в том, что линзовый эффект средствами того времени увидеть нельзя. Но в 1936 году он представил свои изыскания. К публикации его подтолкнул инженер Руди В. Мандль.

Обрадовались этому прежде всего британские астрономы, которые в 1979 году обратили внимание на странную пару «близнецов» в созвездии Большой Медведицы. Два практически одинаковых источника света рядом друг с другом. Вокруг одного и того же объекта, квазара, активного ядра галактики. Вскоре после этого стало понятно, с чем был связана эта пара. Между квазаром и Землей находилась галактика с малым количеством света, которая было ранее незаметна. Она направляла исходящие от квазара лучи различными путями в глаза земного наблюдателя.

Когда свет достигает Земли различными путями, астрономы видят один и тот же объект как удвоенный, утроенный или — в зависимости от продолжительности света, в разное время. Так, группа астрономов во главе с Патриком Келли из Калифорнийского университета в Беркли год назад при помощи телескопа «Хаббл» сначала увидела четыре изображения редкого взрыва звезд в далекой галактике. Изображения этой сверхновой звезды были отброшены гравитационной линзой в созвездие Льва на ночное небо.

Линза показывает взрыв звезды, словно в замедленной съемке

Линза дает астрономам, вероятно, больше изображений взрыва звезды. Согласно подсчетам, начало сверхновой звезды под определенным углом можно будет увидеть только в начале 2016 года. Исследователи тогда смогут детально ее изучить.

Подобные взгляды в космические события весьма эффектны. Не менее завораживают сами гравитационные линзы. Способ и вид отклонения света многое говорит о сконцентрированной в линзах материи. Астрономы таким образом могут доказать и наличие темной материи в космосе, которая также соответствует законам теории гравитации Эйнштейна и отводит лучи света от курса.

Пример тому — кластер в созвездии Карина. Он возник в результате столкновения двух скоплений галактик. Между ними светится сжатый газ. Несмотря на это, оба скопления галактик при столкновении практически без повреждений проникли друг в друга. Это особенно касается темной материи. В кластере, по всей видимости, больше массы в форме темной материи, чем объединяют в себе видимые звезды и газовые облака. По состоянию на сегодняшний день, темная материя дает в пять раз больше энергетической плотности, чем все известные нам формы материи.

Объединение общей теории относительности с квантовой физикой только предстоит

Из чего она состоит? Исследователи гадают до сегодняшнего дня о ее составе. Удастся ли физикам при помощи Большого адронного коллайдера доказать наличие гипотетических элементарных частиц темной материи? Пока исследователи в своих лабораториях не нашли доказательств того, что же представляет собой темная сторона Вселенной. Что скрывается за темной энергией? Существует ли физический процесс, который сможет однажды остановить коллапс звезд в черных дырах?

Пока такие вопросы остаются без ответа, объединение общей теории относительности с квантовой физикой остается делом будущего. Хотя поиск всемирной формулы продолжается. Если речь идет только об аспектах гравитации, теория Эйнштейна, как и прежде, предоставляет собой надежные рамки для современной космологии. Спустя 100 лет после открытия гения она остается одной из лучших подтвержденных теорий. И все еще представляет собой основу для многих неожиданных открытий.

Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.

Источник