Астрофизикът Борис Стърн: 3 най-невероятни знания за Вселената, които сме получили през 21 век

На 29-30 април ще се проведе конференцията „Учените срещу митовете». На него специалистите ще се борят със стереотипите за живота на Земята и в космоса. Астрофизикът Борис Щерн ще участва в дискусията „До какво водят опитите да се разбере структурата на Вселената?“.

Специално за Lifehacker той говори за успешни случаи на изследване на космоса и как те променят научния пейзаж и представите за света.

През 20-ти век настъпва пробив в изучаването на космоса - технологиите се развиват, методите за наблюдение се подобряват. Ако по-рано учените се задоволяваха само с телескопи, сега те имат други, повече перфектни инструменти: сателити, радиоастрономически уреди, интерферометри.

Благодарение на това през последните 20 години са направени най-важните открития в космологията и астрофизиката: съществуването на гравитационни вълни, открити екзопланети и накрая, историята на Вселената и нейното съдържание се определят с висока точност. Всичко това е най-важното знание, което разшири разбирането ни за света около нас.

1. Има много планети, където животът е възможен

«епична екзопланета” започва през 1995 г., когато за първи път е приложен методът на радиалната скорост. Благодарение на него периодично беше възможно да се наблюдава промяна в спектралните линии на звездите според ефекта на Доплер. В резултат на това е намерена на пръв поглед невъзможна гигантска планета с орбитален период от 4,2 дни - много близо до звездата 51 Пегас.

Тогава се превърна в научна сензация и учените започнаха да търсят екзопланети. Истинският пробив в тази област дойде през 2009 г., когато беше изстрелян телескопът Kepler.

Той вече работеше по различен метод - транзит. Въпросът беше да се "улови" малкото потъмняване на звездите, причинено от преминаването на планети на фона им.

В резултат на това има експлозивен ръст в броя на откритите екзопланети. Ако преди това те бяха стотици, сега броят им беше хиляди.

Към днешна дата съществуването на 5357 от тях е категорично потвърдено. Това са напълно различни планети: както студени, така и горещи, сравними както с масата на Меркурий, така и с масата на 10 Юпитери. Сред тях най-вероятно има такива, чиято повърхност е непрекъснат океан и лед с изключително ниски температури.

Въпреки това, сред целия този екзопланетен "зоопарк" практически няма такива екземпляри, върху които би могъл да има живот. Това не означава, че те изобщо не съществуват. Просто ефектът на подбор работи тук: за да се нагреят по същия начин като Земята със звезда от класа на Слънцето, такива планети трябва да имат доста големи орбити - „дълга година“. За да коригират своите транзити, на звездите им отнема много време наблюдавайте. Но Кеплер нямаше това време - той работи само 3 години. В същото време, дори ако такива планети бъдат открити, ще бъде много трудно да се докаже, че в тях има живот.

Освен това извънземният живот вероятно е различен от този на Земята. С голяма вероятност ще видим само бактериална слуз. Защото по пътя от възникването на живота до една високоразвита и още повече неговата интелигентна форма има различни малко вероятни събития и най-вероятно на други планети процесът се забавя в ранните етапи развитие.

В този смисъл Земята е рядък феномен.

Точно сега ни липсва прецизността на инструментите, за да улавяме такива планети, използвайки метода на радиалната скорост, и няма телескопи като Кеплер, които да проследяват техните транзити.

Но мисля, че скоро средствата ще бъдат подобрени и учените ще започнат да откриват първите „Земи“. Например, има намеци, че в системата Тау Кит - близо до слънце звезда - има планети в обитаема зона.

2. Съществуват гравитационни вълни

Според теорията на относителността на Айнщайн силата на гравитацията е резултат от изкривяването на пространство-времето под въздействието на материята, където гравитационните вълни са нейните вълни.

В резултат на сливането се образуват гравитационни вълни черни дупки или неутронни звезди – тоест масивни обекти. Близо до тях пространството се свива и разширява с 10% или повече, а с това и всеки обект в него. Получаваме малки вълнички, които много трудно се регистрират.

Когато Айнщайн формулира теорията на относителността, учените започват дълъг и неуспешен опит да открият експериментално гравитационни вълни.

Първият предложен разумен метод съветски учени: Владислав Пустовойт и Михаил Герценщайн. През 60-те години те написаха статия, предлагаща създаването на детектор на гравитационни вълни под формата на лазерен интерферометър.

Принципът на неговата работа беше следният:

1. Две огледала са на разстояние няколко километра едно от друго.
2. Интерферентният лазерен лъч измерва точно разстоянието между тях.
3. Ако започне да се променя, това може да се дължи на влиянието на гравитационните вълни.

Идеята е проста, но реализацията й се оказва свързана с много трудности. Факт е, че точността, с която е необходимо да се измери промяната в разстоянието между огледалата, е десетки хиляди пъти по-малка от размера на протон в атомно ядро. За да направите това, имате нужда от мощен лазерен лъч, вакуум, уникална настройка на детектор.

Отне няколко десетилетия, за да се постигне всичко това. В резултат на това през 2015 г. учени от Съединените щати успяха да направят това. Имаха два детектора, които регистрираха сигнала на гравитационните вълни и резултатите им съвпадаха както помежду си, така и с теоретичните изчисления.

Няма съмнение: гравитационните вълни съществуват.

Общата теория на относителността, красива от самото начало, беше потвърдена на практика. Беше много важно да се покаже на всички съмняващи се: вижте колко мощно работи.

Оттогава броят на регистрациите на гравитационни вълни е надхвърлил сто. Учените натрупват статистика и също така разработват проект за ултрачувствителен интерферометър, който може да се използва в космоса.

3. Микровълнов фон - учебник по история на Вселената

Микровълновият фон е светлината, която се е образувала през първите стотици хиляди години след Големия взрив. Той достигна до нас под формата на къси радиовълни - с размери част от сантиметър.

Откъде идва тази светлина? В първите моменти от живота си Вселената е била плътна, гореща и изключително йонизирана – тоест ядрата на атомите са били отделени от електроните. Едва след 380 хиляди години те се "сприятеляват" помежду си и образуват неутрални атоми. Поради това взаимодействието на светлината с нови вещества се е променило драматично. Фотоните излетяха във всички посоки и станаха по-малко енергийни, тъй като дължината на вълната им се разтегна заедно с разширяването на Вселената. Ето как светлината от Големия взрив достига до нас.

През 20 век започват изследванията на микровълновия фон. През 90-те години на миналия век чувствителността на инструментите се увеличи толкова много, че петната и неравностите му станаха забележими.

През 2000-те години в космоса беше изстрелян мощен детектор на микровълнова радиация WMAP, който направи карта на тази радиация от около небе в добра резолюция.

Благодарение на нея контрастното разпределение на петна беше изградено в зависимост от техния размер, имаше пикове и спадове. Такова явление се нарича осцилации на Сахаров - за първи път е описано от съветския физик Андрей Дмитриевич Сахаров.

Съотношението на тези върхове и спадове показва точно каква е била ранната Вселена и също така описва нейните свойства.

Сега знаем точно хронологията на събитията от първите малки части от секунди след Големия взрив до наши дни. Смятам, че това е най-важното постижение в 21 век.

За съжаление това изследване е в застой. След експеримента WMAP сателитът Planck беше изстрелян с по-усъвършенстван микровълнова печка телескоп. Той получи данни, които липсваха, но не донесоха принципно нови открития.

Космологията е изчерпала възможностите на метода за измерване на реликтовото излъчване. Затова е много трудно да се върви напред. Но това е естествено: след революцията се появява плато. Нови пробиви ще трябва да почакат.