Что такое вселенная сурдин

Вселенная в вопросах и ответах

Задачи и тесты по астрономии и космонавтике

Руководитель проекта И. Серёгина

Компьютерная верстка Н. Васильева

Дизайнер обложки С. Хозин

Издание подготовлено в партнерстве с Фондом некоммерческих инициатив «Траектория» (при финансовой поддержке Н.В. Каторжнова).

Фонд поддержки научных, образовательных и культурных инициатив «Траектория» (www.traektoriafdn.ru) создан в 2015 году. Программы фонда направлены на стимулирование интереса к науке и научным исследованиям, реализацию образовательных программ, повышение интеллектуального уровня и творческого потенциала молодежи, повышение конкурентоспособности отечественных науки и образования, популяризацию науки и культуры, продвижение идей сохранения культурного наследия. Фонд организует образовательные и научно-популярные мероприятия по всей России, способствует созданию успешных практик взаимодействия внутри образовательного и научного сообщества.

В рамках издательского проекта Фонд «Траектория» поддерживает издание лучших образцов российской и зарубежной научно-популярной литературы.

Вселенная в вопросах и ответах. Задачи и тесты по астрономии и космонавтике / Владимир Сурдин. – М.: Альпина нон-фикшн, 2017.

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

Быть культурным человеком – значит иметь ясное представление о мире, в котором ты живешь. Мир в целом, до его самых дальних пределов, изучает астрономия и пограничные с ней науки – астрофизика, астрохимия, астробиология. Знакомство с этими космическими науками развивает любознательность и стимулирует интерес к другим естественно-научным предметам – физике, химии, биологии, математике. Но простое накопление знаний не может удовлетворить любознательного человека. Знания должны работать, их нужно уметь применять. Нынешние средства связи заливают нас потоком информации, в котором есть сведения чрезвычайно важные и интересные, но нередко встречаются ошибочные и даже лживые. Только активное знание помогает фильтровать эти потоки и получать из них ту информацию, которая развивает наш интеллект, а не засоряет мозг.

Не буду вас убеждать, насколько полезен при изучении любого предмета хороший задачник с подробными решениями. Каждый из нас понимает, что «знать» и «уметь» – далеко не одно и то же. Именно задачники учат нас уметь. Много лет я преподаю астрономию в МГУ и ясно вижу разницу между студентами, прошедшими через олимпиады (т. е. склонными к решению нестандартных задач) и простыми зубрилами, поступившими по баллам ЕГЭ. Олимпиадники стремительно выходят вперед, на 3–4-м курсах начинают активно заниматься наукой, к 6-му курсу имеют достойные публикации, а после окончания университета успешно делают академическую карьеру. В конце концов, что такое наука, если не умение ставить задачи и решать их? Впрочем, и другие стороны нашей жизни требуют тех же навыков. Возможно, именно поэтому наш биологический вид выжил и добился столь многого, что в человека заложена потребность искать и разгадывать загадки. Мы не можем пройти мимо кроссворда, мы с удовольствием читаем детективы, а вечером у телевизора предпочтем «Что? Где? Когда?» любой другой передаче. Каждая разгаданная загадка, каждая решенная задача поднимает нашу самооценку.

Но хороший задачник невозможно «сесть и написать». Оригинальные задачи рождаются нечасто. Создать профессиональный и самобытный задачник – это, смею вас заверить, большой труд, но и коэффициент его полезного действия невероятно высок: физикам не нужно напоминать, какую роль в их образовании сыграла тоненькая книжечка «Задачи Петра Капицы».

Мы с коллегами уже несколько десятилетий проводим астрономические олимпиады в Москве, России и на международных площадках. Эти турниры стимулировали не только будущих «звездочетов», но и успешных людей других профессий. 20 лет назад я собрал наши лучшие задачи, сопроводив их подробными решениями (Сурдин В. Г. Астрономические олимпиады, М.: МГУ, 1995), и эта книга до сих пор успешно «работает». Позже было еще несколько сборников более простых задач. А теперь пришло время для нового, в котором отражаются изменения последних лет.

Эти изменения, с одной стороны, тревожат меня, с другой – радуют. Уже немало лет, как астрономия изгнана из средней школы. Это печально. Но интерес к ней у молодых людей велик, и это радует. В МГУ уже несколько лет мы читаем межфакультетские курсы со свободной записью студентов, и я рад, что на моем курсе «Основы астрономии» максимальное количество слушателей. Кроме этого, интернет дал возможность преподавать online, и мои астрономические курсы ежегодно посещает более 10 тысяч слушателей. Возрастной и профессиональный состав слушателей стал очень широким, и я постарался учесть это в новом задачнике.

Читайте, решайте, наслаждайтесь. Желаю удачи!

1. Путешествие по Земле

Любитель астрономии купил телескоп на экваториальной монтировке с хорошим часовым механизмом и перед началом наблюдений принялся ориентировать часовую ось на северный полюс мира. К счастью, вдоль часовой оси было проделано специальное отверстие, глядя в которое любитель нашел Полярную звезду и закрепил монтировку в таком положении. Сможет ли он при этом проводить визуальные и фотографические наблюдения?

Казалось бы, тривиальный вопрос: «Что служит причиной смены сезонов на Земле, т. е. почему бывают зима и лето?» Но ведь каждый третий дает на него неверный ответ. А вы?

1.3. Падают кометы

Из многочисленных песен с популярным названием «Звездный дождь» нас привлекла лишь одна. Вот два ее куплета:

Источник

«Мир в целом будет жить вечно»: астроном Владимир Сурдин о конце нашей Вселенной и влиянии темной материи

Если спросить человека, что ждет Землю и Солнечную систему, то он не сможет однозначно ответить. Однако история о том, что через N миллиардов лет Солнце превратится в красный гигант и, может быть, поглотит Землю, распространена достаточно широко. На этом фоне строится огромное количество догадок, что и рождает несколько вариантов исхода. Фактор случайности и неизвестности вносят внеземные космические объекты, которые способны уничтожить все живое на Земле, а также возможность коллапса в нашей Вселенной. «Хайтек» побывал на фестивале Science Bar Hopping и записал выступление астронома и доцента МГУ Владимира Сурдина о будущем Земли и Солнечной системы, загадке темной материи и теории о бесконечности мира.

У нас есть 5 млрд лет, прежде чем Солнце войдет в предсмертную стадию

Разделим все факторы, которые грозят нашей планете и Солнечной системе, на две категории — неизбежные и случайные. С неизбежными мы более-менее разобрались, так как видим другие системы и планеты, как они развиваются во времени, и примерно можем предсказать, что ждет Землю. Со случайными дело хуже, они могут произойти в любой момент, а могут не случиться вообще. Но к ним нужно быть готовым, а значит, нужно и в этом тоже разбираться.

В Солнечной системе есть восемь больших планет и очень много разной мелочи. Вот та самая мелочь — это хаотически летающие тела между планетами, и от них не всегда можно ожидать приятных встреч. Солнце в 330 тыс. раз больше нашей планеты, ему стоит только чихнуть, и от Земли ничего не останется. Пока везет, что мы перехватываем лишь одну миллиардную часть мощности. Представьте, что мы нашли какой-то рефлектор, с помощью которого все излучение Солнца сконцентрировали на Земле, что же произойдет? Через четыре минуты океаны не просто закипят, они испарятся в космос. Земля полностью лишится воды. Через полторы недели от планеты вообще ничего не останется, кроме облачка плазмы, настолько высока мощность Солнца. Пока что, прошедшие миллиарды лет, оно вело себя благополучно, но это не значит, что так будет продолжаться вечно.

Сегодня из атмосферы Земли в космос утекает примерно 3 кг водорода в секунду. Вода расщепляется в верхних слоях атмосферы на водород и кислород. Водород улетает, а кислород окисляет породы планеты и тоже пропадает. Помножьте это на миллиард лет, и выяснится, что через 3 млрд лет не будет ни капли жидкой воды. Без воды мы не можем существовать. Однако это не значит, что жизнь на Земле вообще прекратится, есть подземные источники воды, соответственно, и условия для жизни. Меня как астронома это очень удивило. Под землей, на глубине до 3 км, есть микробы, и их биомасса больше, чем всей жизни, которая есть на поверхности. Однако чуть позже не станет и ее, так как Земля до глубины в 3 км высохнет довольно быстро.

Через 5 млрд лет Солнце войдет в предсмертную стадию красного гиганта, оно начнет расширяться и его поверхность будет остывать. Солнце станет очень большим и не просто высушит, а сожжет Землю. Сама планета никуда не денется, она все так же будет вращаться на орбите, но условий для жизни не будет. Конечно, в такое будущее заглядывать рановато, но если подумать, ситуация не такая уж и плохая. На Земле будет жарко, но в Солнечной системе есть более далекие планеты, например, Плутон. В тот момент, когда Солнце станет красным гигантом, на Плутоне будет нормальная температура. Дальше Солнце загорится и сделает Плутон теплым и приспособленным для жизни.

В какой-то момент Земля перестанет удаляться от Солнца, начнет приближаться и нырнет в него, растает и перестанет там существовать. Мы об этом довольно давно думаем, и расчеты были не очень уверенные, но последние два-три года уверенность пришла. Последние миллионы лет жизни будет расти размер Солнца. Земля будет немного отдаляться, так как, толстея, Солнце станет терять часть так называемого солнечного ветра, терять массу. Казалось бы, это должно решить проблему, Земля никогда не коснется поверхности Солнца, но недавно мы стали учитывать новые эффекты: приливного трения, торможения и так далее. Для Солнца нырнувшая в него Земля будет незаметна, как перец в супе. Сегодня можно с уверенностью сказать, что так оно и будет, потому что расчеты очень аккуратные и надежные. Позже Солнце станет похоже на планетарную туманность. На самом же деле — станет просто умирающей звездой.

Расширяясь, Солнце достигнет Меркурия и съест его, та же участь постигнет и Венеру. Оболочка рассеется, и от Солнца останется маленький огрызок — белый карлик. Солнечной системе станет холодно, от белого карлика тепла не дождешься, он будет немного освещать, но практически не будет греть. Солнечная система и те планеты, что останутся несъеденными Солнцем в период его красного гиганта, замерзнут. Даже на Плутоне, где мы собирались устроиться на несколько миллионов лет, станет очень холодно. Есть ли какая-то возможность найти прибежище в Солнечной системе? У планет-гигантов, особенно у Юпитера и Сатурна, есть спутники. О спутнике Европа кто-нибудь слышал? Там ледяная корка, а под ней, на 100-километровой глубине, океан. Есть еще спутник Титан, он живет рядом с Сатурном. Там атмосфера как у нашей планеты, но сила тяжести в семь раз меньше, чем на Земле. Надев крылья, там можно летать, так показали расчеты. Каким-то образом Титан подогревает сам себя изнутри, там есть источники внутренней энергии. Так что с Плутона придется переместиться на Титан и провести там, может быть, миллиард лет.

Вероятность столкновения и первый вестник издалека

Непрогнозируемые явления, про которые нельзя наверняка сказать, когда они произойдут, — это удары крупных метеоритов и ядер комет. То, что мельче 50 м, обычно нам не угрожает. Все, что более крупное, свободно пробивает атмосферу Земли. Метеориты либо не разрушаются в атмосфере, либо, даже разрушившись, наносят ущерб. Редкое событие в 2013 году, произошедшее в Челябинске, над миллионным городом промчался метеорит диаметром 20 м. Он шел почти что параллельно земной поверхности. Самые любознательные смотрели в окно на это замечательное зрелище, им и досталось. Через несколько минут пришла ударная волна, выбило стекла, и около 1 500 человек обратились в больницы, но, к счастью, никто не пострадал. Самый крупный осколок метеорита весил полтонны, он пробил замерзшее озеро Чебаркуль, потом его оттуда достали. Но не всегда все так хорошо обходится. Например, самый большой и самый известный кратер в Аризоне был образован не таким уж и большим метеоритом, всего 50–60 м. Но этот метеорит шел вертикально и состоял из железа. Железные метеориты самые неприятные — они почти не разрушаются в атмосфере, очень прочные и долетают в целом состоянии. В 1947 году был такой метеоритный дождь в России. А в 1908 году произошла Тунгусская катастрофа. Там пролетело некое тело размером примерно 95–100 м. От взрыва в атмосфере полегла тайга и загорелась территория современной большой Москвы — 2 000 кв. км леса. Если бы это произошло в городе, то немало домов бы пострадало. Но тогда городов было мало, а тайги было много.

Мы точно знаем, что 65 млн лет назад большой, в 10 км диаметром метеорит упал в районе Мексики. Это очень дорого обошлось нашей биосфере. Примерно 70% видов, в том числе и динозавров, исчезли. Биосфера Земли выдержала это, но сильно изменилась. Говорят, это было в пользу человечества, потому что рептилии вымерли, а всякие землеройки остались, а то так и сидели бы под гнетом динозавров, но сегодня эти динозавры — мы. Мы — цари природы, и для нашей техносферы такая история была бы неприятной. Когда она произойдет — характерный период 50–70 млн лет, а вообще какой-то периодичности нет. Крупные астероиды, диаметром в 100 м, падают раз в пять лет. Как раз Тунгусский метеорит был одним из них. Думаю, тут ситуацию немного приукрасили, и он падает раз в тысячу лет. Километрового размера метеориты падают примерно раз в полмиллиона лет, а десятикилометровые — раз в 80–100 млн лет. Для нас это был бы конец цивилизации, но биосфера в очередной раз бы пережила такой удар. Просто на смену нам какие-нибудь новые землеройки стали бы быстро эволюционировать и завоевали бы эту планету, а мы бы исчезли потому, что не можем жить без своих технических костылей, электричества и электроники, а она в первую очередь страдает от таких катаклизмов.

Любопытно, что не только члены нашей Солнечной системы, по-видимому, угрожают Земле. Удивительное событие произошло осенью 2017 года. Я занимаюсь астрономией уже 50 лет и не надеялся, что такое случится при моей жизни, но это произошло. Из другой планетной системы, из глубин галактики, такого мы еще никогда не видели и поэтому не ожидали. Космическое тело стремительно пролетело мимо планет: Земли, Венеры, Меркурия и так далее. Обогнуло Солнце, прямо впритирочку к нему, и уже на отлете мы его заметили. Первый такой объект был назван Оумуамуа, что в переводе с гавайского — «первый вестник издалека». У него очень странная форма, обычно астероиды более или менее шарообразны. Вы вряд ли встретите на улице камень, похожий на этот объект. Среди миллионов открытых астероидов — это первый такой «карандаш». Деталей, конечно, на нем мы не различили, но этот «карандаш» в десять раз длиннее своей ширины. Одна из идей была, что это космический корабль пришельцев, смеяться не стоит, так как эта идея не опровергнута. Он летел со скоростью 80 км/с, промелькнул и сейчас только самые крупные телескопы вдогонку его видят. Было желание послать к нему космический аппарат, но у нас нет таких аппаратов, которые бы летали с такой бешеной скоростью и могли бы его догнать. Потому он уйдет, и мы лишимся возможности узнать, был это космический корабль или естественное тело, но если естественное, то очень необычное. Оно было примерно 300 м размером. Однако при скорости 80 м/с это был бы очень серьезный удар. Была восстановлена его траектория уже после полета. Будем надеяться, что удар астероида по Земле произойдет не скоро. Мы над этим работаем, пока что еще не можем уничтожить или отвести, но можем предупредить о нем. Сегодня специальные телескопы-роботы как раз созданы в МГУ. Они стоят на территории всей России от Владивостока до Калининграда. И на Канарах, и в Мексике, и сегодня со всей Земли мы можем получать информацию о том, что пролетает. К сожалению, все небо мы еще не в состоянии осматривать, но скоро, надеюсь, будем контролировать его полностью и сможем хотя бы предупреждать. Если предупрежден, то можешь хотя бы эвакуироваться с того места, где ты находишься.

Диаметр Земли в 100 с лишним раз меньше, чем Солнца. Наша планета — это крупинка, которую Солнце проглотит и не заметит, а значит, то, что происходит там, рано или поздно может навредить Земле. Особенно опасным будет последнее мгновение жизни звезды, надеюсь, что наше так сильно не проявит себя во время смерти, но некоторые соседние с нами звезды очень даже могут. Те звезды, что помассивнее Солнца, кончают жизнь мгновенно в виде взрыва. Их обычно называют взрывами сверхновых звезд. Эти вспышки, как мы недавно выяснили, анизотропны, то есть не во всех направлениях одинаково выбрасывается энергия. Она, как выяснилось, выбрасывается в основном в виде двух джетов. Звезда в конце жизни быстро сжимается и превращается в такой «блин», энергия может выплеснуться только по оси его вращения, и иногда на нас такие потоки попадают. Раз в сутки или раз в двое суток мы фиксируем такие кратковременные мощные вспышки джетов, направленные точно на Землю. Эти события происходят очень далеко от нас, даже не в соседних галактиках. Мы их видим, но большой опасности они не представляют. Если же это произойдет в нашей галактике и такой джет будет направлен на Землю, то это будет серьезная проблема. Это колоссальная энергия, и она сконцентрирована в очень узкий пучок, практически как лазерный луч. Солнце, к счастью, не в центре нашей галактики.

В центре лучше не обитать, там происходят очень мощные процессы. Солнце находится на краю галактики. Относительно небольшая часть нашей галактики детально исследована. В одной из областей тысячи звезд летают хаотически, и каждая из них окружена роем своих планет, мы это называем облаками Оорта. Звезды друг с другом практически не сталкиваются, расстояние между ними большое, размер звезд маленький, и они просто проходят мимо друг друга. Но вот эти облака мелких тел сталкиваются, и они большие, их размер сравним с расстояниями между звездами, любое движение звезд приводит к тому, что одно облако влетает в другое. Это уже небезопасно. Когда чужая звезда проходит через облако Оорта, своей гравитацией она возмущает движение мелких тел, сбивает их с привычных орбит, часть из них покидает Солнечную систему, а часть попадает в центр, где наша планета. Судя по тому, что мы знаем о метеоритных кратерах, которые уже обнаружены на Земле (их около 100 штук, накопленных за последние 250 млн лет), периодически через наше облако Оорта пролетают чужие звезды и организуют метеоритный дождь в сторону планетных систем. И достается всем, в том числе и нашей Земле. Как мы видим, периодичность большая — десятки миллионов лет прогнозировать неприятности не стоит, но на недалекое будущее придется.

Вселенная расширяется. Это значит, что в прошлом она была более плотной и когда-то началась, мы называем это Большим взрывом. Но неожиданным оказывается тот факт, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Раньше считалось, что галактики разлетаются, но они притягивают друг друга. Кроме притяжения, у них ничего нет, они тормозят разлет и должны постепенно замедляться и, возможно, даже сближаться. К сожалению, это не так. Был Большой взрыв, расширение понемногу замедлялось, начиная примерно с возраста вселенной 7,5-8 млрд лет и по нынешнее время, расширение стало ускоренно развиваться, то есть с ускорением. Такое ощущение, что галактики расталкиваются какой-то средой, это можно назвать антигравитацией. Мы же называем это влиянием темной энергии. Это непонятная, неисследованная сущность, про которую пока никто ничего не может сказать, кроме того, как она действует. Действует же она как антигравитация. Чем дальше друг от друга находятся два тела, тем сильнее они отталкиваются друг от друга. Это мизерная, совершенно незаметная сила в пределах наших земных лабораторий, нам никогда в жизни ее не измерить, но в больших масштабах она начинает себя проявлять так, что превосходит обычное притяжение и уже руководит движением далеких галактик.

Раз сегодня темная энергия победила гравитацию, то в ближайшие миллиарды лет она будет тоже продолжать свое отталкивающее влияние, а вот в далеком будущем — непонятно, может, ее свойства изменятся. Мы не знаем, что это какое-то поле или какое-то свойство вакуума. Пока только увидели, что оно есть. Может быть, в будущем она перестанет так сильно расталкивать галактики, и разлет снова остановится. Это было бы неплохо, мы бы не потеряли соседей. Однако если этого не произойдет, то постепенно мы будем терять соседей. Сначала от нас улетят соседние скопления галактик, и мы останемся в одиночестве, будет наша галактика, туманность Андромеды. В итоге в нашей галактике останется всего лишь 100 млрд звезд. Казалось бы, звезд много и есть куда полететь, но в конце концов и галактика начнет терять свои звезды, но это будет не скоро.

Это такое далекое будущее, что прогнозировать его практически бесполезно. Расширение тормозилось, а начиная с середины, нынешнего ее возраста, она стала расширяться еще быстрее, хотя раньше считалось, что будет наоборот. К счастью, идея о том, как устроен мир, оказалась намного богаче, чем вот такая, грозящая нам в будущем пустота. Это называется фрактальной вселенной. Саму гипотезу об этом высказал наш физик Андрей Линд, сейчас он работает в США. Оказалось, что она решает многие космологические проблемы. Наш мир — одна из локальных вселенных. Она может схлопнуться, может расшириться, но это не значит, что она единственная в физическом мире. Есть вселенные, связанные с ней, но неизвестно, каким именно образом. Есть надежда, что мы сможем путешествовать из одной вселенной в другую, и если эта перестанет нас удовлетворять, то мы сможем более комфортабельные и приятные для существования вселенные найти и перебежать туда. Если это так, то мир вечен, хотя каждая из вселенных конечна. Вот слова Андрея Линда: «Через миллиарды миллиардов лет наш вакуум распадется, и наша часть Вселенной станет десятимерной или коллапсирует, но благодаря ее самовосстановлению мир в целом будет жить вечно».

Источник