Astrofizyk Boris Stern: 3 najbardziej niesamowita wiedza o Wszechświecie, którą otrzymaliśmy w XXI wieku
Miscellanea / / April 27, 2023
Kosmologowie odszyfrowali wiadomości przesłane nam przez Wielki Wybuch, a astrofizycy przekonali się o prawdziwości przewidywań Einsteina.
W dniach 29-30 kwietnia konferencja pt.Naukowcy kontra mity». Na nim eksperci będą walczyć ze stereotypami dotyczącymi życia na Ziemi iw kosmosie. Astrofizyk Boris Stern weźmie udział w dyskusji „Do czego prowadzą próby zrozumienia budowy Wszechświata?”.
Specjalnie dla Lifehackera opowiadał o udanych przypadkach eksploracji kosmosu i o tym, jak zmieniły one krajobraz naukowy i wyobrażenia o świecie.
Borys Sterna
Astro-fizyk. Doktor nauk fizycznych i matematycznych, wiodący badacz w Instytucie Badań Jądrowych Rosyjskiej Akademii Nauk i Centrum Astrokosmicznym FIAN.
W XX wieku nastąpił przełom w badaniach kosmosu – rozwinęły się technologie, udoskonalono metody obserwacji. Jeśli wcześniej naukowcy byli zadowoleni tylko z teleskopów, teraz mają inne, więcej doskonałe narzędzia: satelity, urządzenia radioastronomiczne, interferometry.
Dzięki temu w ciągu ostatnich 20 lat dokonano najważniejszych odkryć w kosmologii i astrofizyce: istnienie fal grawitacyjnych, odkryte egzoplanety, wreszcie historia wszechświata i jego zawartość są zdeterminowane dużą dokładność. Wszystko to jest najważniejszą wiedzą, która poszerzyła nasze rozumienie otaczającego nas świata.
1. Istnieje wiele planet, na których możliwe jest życie
«epicka egzoplaneta” rozpoczęła się w 1995 roku, kiedy po raz pierwszy zastosowano metodę prędkości radialnych. Dzięki niemu okresowo można było zaobserwować przesunięcie linii widmowych gwiazd zgodnie z efektem Dopplera. W rezultacie znaleziono pozornie niemożliwą gigantyczną planetę o okresie orbitalnym 4,2 dnia - bardzo blisko gwiazdy 51 Pegasus.
Potem stało się to naukową sensacją i naukowcy rozpoczęli poszukiwania egzoplanety. Prawdziwy przełom w tej dziedzinie nastąpił w 2009 roku, kiedy wystrzelono teleskop Keplera.
Pracował już nad inną metodą - tranzytem. Chodziło o to, by „wychwycić” niewielkie pociemnienie gwiazd spowodowane przejściem planet w ich tle.
W rezultacie nastąpił gwałtowny wzrost liczby odkrytych egzoplanet. Jeśli wcześniej były ich setki, teraz liczba ta szła w tysiące.
Do tej pory potwierdzono istnienie 5357 z nich. Są to zupełnie różne planety: zarówno zimne, jak i gorące, porównywalne zarówno z masą Merkurego, jak iz masą 10 Jowisze. Wśród nich najprawdopodobniej są te, których powierzchnia jest ciągłym oceanem i lodem o ekstremalnie niskich temperaturach.
Jednak wśród wszystkich tych egzoplanetarnych „zoo” praktycznie nie ma takich okazów, na których mogłoby istnieć życie. Nie oznacza to, że w ogóle ich nie ma. Po prostu działa tutaj efekt selekcji: aby nagrzać się tak samo jak Ziemia z gwiazdą klasy Słońca, takie planety muszą mieć dość duże orbity - „długi rok”. Naprawienie ich tranzytów zajmuje gwiazdom bardzo dużo czasu przestrzegać. Ale Kepler nie miał tego czasu - pracował tylko przez 3 lata. Jednocześnie, nawet gdyby takie planety zostałyby odkryte, bardzo trudno byłoby udowodnić, że istnieje na nich życie.
Ponadto życie pozaziemskie prawdopodobnie będzie inne niż na Ziemi. Z dużym prawdopodobieństwem zobaczylibyśmy tylko śluz bakteryjny. Bo na drodze od powstania życia do formy wysoko rozwiniętej, a tym bardziej inteligentnej, są różne mało prawdopodobnych zdarzeń i najprawdopodobniej na innych planetach proces ten jest spowolniony we wczesnych stadiach rozwój.
W tym sensie Ziemia jest zjawiskiem rzadkim.
W tej chwili brakuje nam precyzyjnych instrumentów, aby wykryć takie planety metodą prędkości radialnych, a nie ma teleskopów takich jak Kepler, aby śledzić ich tranzyty.
Myślę jednak, że wkrótce środki zostaną udoskonalone i naukowcy zaczną wykrywać pierwsze „Ziemie”. Na przykład istnieją wskazówki, że w systemie Tau Ceti - blisko słońce gwiazda - są w niej planety strefa mieszkalna.
2. Fale grawitacyjne istnieją
Według teorii względności Einsteina siła grawitacji jest wynikiem zakrzywienia czasoprzestrzeni pod wpływem materii, gdzie fale grawitacyjne są jej zmarszczkami.
W wyniku połączenia powstają fale grawitacyjne czarne dziury lub gwiazdy neutronowe - czyli obiekty masywne. W pobliżu nich przestrzeń kurczy się i rozszerza o 10% lub więcej, a wraz z nią każdy znajdujący się w niej obiekt. Dostajemy drobne zmarszczki, które są bardzo trudne do zarejestrowania.
Kiedy Einstein sformułował teorię względności, naukowcy rozpoczęli długą i nieudaną próbę eksperymentalnego wykrycia fal grawitacyjnych.
Pierwsza proponowana rozsądna metoda radziecki naukowcy: Vladislav Pustovoit i Michaił Gertsenstein. W latach 60. napisali pracę proponującą stworzenie detektora fal grawitacyjnych w postaci interferometru laserowego.
Zasada jego pracy była następująca:
- Dwa lustra znajdują się w odległości kilku kilometrów od siebie.
- Wiązka lasera interferencyjnego dokładnie mierzy odległość między nimi.
- Jeśli zacznie się zmieniać, może to być spowodowane wpływem fal grawitacyjnych.
Pomysł jest prosty, jednak jego realizacja okazała się wiązać z wieloma trudnościami. Faktem jest, że dokładność, z jaką należy zmierzyć zmianę odległości między lustrami, jest dziesiątki tysięcy razy mniejsza niż rozmiar protonu w jądrze atomowym. Aby to zrobić, potrzebujesz potężnej wiązki laserowej, próżni, unikalnej konfiguracji detektora.
Osiągnięcie tego wszystkiego zajęło kilkadziesiąt lat. W rezultacie w 2015 roku naukowcom ze Stanów Zjednoczonych udało się to zrobić. Mieli dwa detektory, które rejestrowały sygnał fal grawitacyjnych, a ich wyniki pokrywały się zarówno ze sobą, jak i z obliczeniami teoretycznymi.
Nie ma wątpliwości: fale grawitacyjne istnieją.
Piękna od samego początku ogólna teoria względności znalazła potwierdzenie w praktyce. Bardzo ważne było pokazanie wszystkim wątpiącym: spójrzcie, jak potężnie to działa.
Od tego czasu liczba rejestracji fal grawitacyjnych przekroczyła setkę. Naukowcy gromadzą statystyki, a także opracowują projekt ultraczułego interferometru, który można wykorzystać w kosmosie.
3. Tło mikrofalowe - podręcznik historii wszechświata
Mikrofalowe tło to światło, które powstało w ciągu pierwszych setek tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. Dotarł do nas w postaci krótkich fal radiowych - wielkości ułamka centymetra.
Skąd się wzięło to światło? W pierwszych chwilach swojego życia Wszechświat był gęsty, gorący i skrajnie zjonizowany - to znaczy jądra atomów były oddzielone od elektronów. Dopiero po 380 tysiącach lat „zaprzyjaźniły się” ze sobą i utworzyły neutralne atomy. Z tego powodu interakcja światła z nowymi substancjami zmieniła się dramatycznie. Fotony rozlatywały się we wszystkich kierunkach, stając się mniej energetyczne, gdy ich długość fali rozciągała się wraz z rozszerzaniem się wszechświata. W ten sposób dotarło do nas światło Wielkiego Wybuchu.
W XX wieku rozpoczęto badania tła mikrofalowego. W latach 90. czułość instrumentów wzrosła tak bardzo, że zauważalne stały się plamy i nierówności.
W 2000 roku wystrzelono w kosmos potężny detektor promieniowania mikrofalowego WMAP, który wykonał mapę tego promieniowania z ok. niebo w dobrej rozdzielczości.
Dzięki niej rozkład kontrastu plam budowany był w zależności od ich wielkości, miał szczyty i spadki. Takie zjawisko nazywa się oscylacjami Sacharowa - po raz pierwszy opisał je radziecki fizyk Andriej Dmitriewicz Sacharow.
Stosunek tych szczytów i dołków pokazuje dokładnie, jak wyglądał wczesny Wszechświat, a także opisuje jego właściwości.
Teraz znamy dokładnie chronologię wydarzeń od pierwszych ułamków sekund po Wielkim Wybuchu do dnia dzisiejszego. Uważam, że jest to najważniejsze osiągnięcie XXI wieku.
Niestety, badania te utknęły w martwym punkcie. Po eksperymencie WMAP satelita Planck został wystrzelony z bardziej zaawansowanym urządzeniem kuchenka mikrofalowa teleskop. Uzyskał dane, których brakowało, ale nie przyniósł żadnych zasadniczo nowych odkryć.
Kosmologia wyczerpała możliwości metody pomiaru promieniowania reliktowego. Dlatego bardzo trudno jest iść do przodu. Ale to jest naturalne: po rewolucji pojawia się plateau. Nowe przełomy będą musiały poczekać.
Przeczytaj także🧐
- 9 mitów o Marsie, w które wierzy wielu ludzi. Ale na próżno
- „Wszyscy żyjemy w czarnej dziurze”: 8 mitów naukowych, w które nie należy wierzyć
- „Całe niebo powinno być w latających spodkach, ale nie ma nic podobnego”: wywiad z astrofizykiem Siergiejem Popowem