A-01 Лекция-03. Структура и масштабы Вселенной. Современные проб. Московский образовательный комплекс запад современные проблемы астрономии (человечества)
 Скачать 2.56 Mb.
|
|
Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД гравитационном взаимодействии, влияет на скорость расширения Вселенной). Для того чтобы понять природу темной энергии, нам придется переосмыслить фундаментальные представления о самом пространстве. Долгое время космические просторы между звездами и планетами считались абсолютно пустыми, хотя еще Исаак Ньютон говорил, что ему чрезвычайно сложно представить, как гравитация может удерживать Землю, вращающуюся по орбите вокруг Солнца, если между ними нет ничего, кроме вакуума. В XX веке квантовая теория поля показала, что на самом деле пространство не является пустым, а, напротив, повсюду пронизано квантовыми полями. Основные «строительные кирпичики», из которых состоит материя – протоны, электроны и другие частицы, – по сути, являются лишь возмущениями квантовых полей. Когда энергия поля находится на минимальном уровне, пространство выглядит пустым. Но если поле возмущено, все вокруг оживает, заполняясь видимой материей и энергией. Математик Лучано Бой сравнивает пространство с поверхностью воды в альпийском пруду: она становится заметной, когда налетает легкий бриз, покрывая пруд дрожащей рябью. «Пустое пространство на самом деле не пусто, – сказал американский физик Джон Арчибальд Уиллер, – в нем таится настоящая физика, полная сюрпризов и неожиданностей». Стремясь понять механизмы, ответственные за непрекращающееся «раздувание» Вселенной – которое, как оказалось, еще и продолжает ускоряться, – ученые полагаются на эйнштейновскую общую теорию относительности, появившуюся сотню лет назад. Она отлично работает на объектах большого масштаба, но спотыкается на микроуровне, где балом правит квантовая теория и где таится разгадка постоянно ускоряющегося расширения космического пространства. Для объяснения темной энергии может понадобиться нечто принципиально новое – что-то вроде квантовой теории пространства и гравитации. Современная наука бьется над, казалось бы, простой задачей: сколько энергии – темной или какой-либо другой – содержится в заданной ограниченной области пространства? Если в расчетах положиться на квантовую теорию, получается невообразимо Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД большое значение. А если привлечь к проблеме астрономов, их оценка, основанная на наблюдениях за темной энергией, окажется несоизмеримо мала. Разница между двумя числами ошеломляет: 10 в 121-й степени! Это единица со 121 нулем – больше, чем количество звезд в наблюдаемой Вселенной и всех песчинок на нашей планете. Это самый существенный перекос в истории науки, вызванный несогласованностью теории и фактических наблюдений. Очевидно, мы упускаем какое-то фундаментально важное свойство пространства, а значит, и всего, что нас окружает и является его частью, – галактик, звезд, планет и нас самих. Ученым только предстоит выяснить, насколько велик пробел в наших знаниях. Фото: Рейдар Хан, Fermilab Измерение сил, распирающих Вселенную изнутри. Темная материя стремится стянуть части Вселенной воедино, темная энергия, напротив, отталкивает их друг от друга. Проект «Обзор темной энергии» (DES) задействует 570- мегапиксельную камеру (на фото) на телескопе в Чили для наблюдения за 300 миллионами галактик — вроде галактики NGC 1365 (следующее фото) — на протяжении 5 лет. Ученые надеются выяснить, с какой скоростью расширялась Вселенная и как темная энергия запустила процесс ускоряющегося расширения космического пространства. Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД 3. Поиски жизни и разума: a. Обнаружение жизни за пределами Земли. Жизнь иных миров, будь то в нашей Солнечной системе или вблизи других звезд, вполне может таиться подо льдом, покрывающим целые океаны, как на Европе, спутнике Юпитера, или в плотно закупоренных и наполненных газом пещерах, которых, вероятно, немало на Марсе. Если научиться выявлять и определять формы жизни, процветающие в схожих условиях на Земле, легче будет найти нечто подобное за ее пределами. Трудно сказать, в какой момент поиск жизни среди звезд превратился из научной фантастики в науку, но одним из ключевых событий стала встреча ученых в ноябре 1961 года. Организовал ее Фрэнк Дрейк, молодой радиоастроном, увлеченный идеей поиска радиоволн инопланетного происхождения. «Тогда, – вспоминает Дрейк, которому сейчас 84, – поиск внеземного разума [по-английски Search for Extraterrestrial Intelligence – SETI] был своего рода табу». Однако, заручившись поддержкой директора своей лаборатории, Фрэнк собрал нескольких астрономов, химиков, биологов и инженеров, чтобы обсудить вопросы, которыми сегодня занимается астробиология – наука о внеземной жизни. Дрейк хотел, чтобы коллеги подсказали ему, насколько разумно отводить значительное время работы радиотелескопа попыткам услышать радиопередачи инопланетян и какой способ поиска внеземной жизни может оказаться самым многообещающим. Еще его интересовало, сколько цивилизаций может насчитывать наша галактика – Млечный Путь, и перед приходом гостей Фрэнк написал на доске уравнение. N = N* x F p х N e х F l х F i х F c х L/T g – уравнение Дрейка, составленное в 1961 году, определяет количество внеземных цивилизаций, которые мы можем обнаружить. Недавние исследования многочисленных планет Млечного пути увеличили вероятность подобного открытия. Это знаменитое ныне уравнение Дрейка определяет количество цивилизаций, которые мы можем обнаружить, исходя из скорости формирования звезд в Млечном Пути, умноженной на долю звезд с планетами, затем – на среднее количество планет с подходящими для жизни условиями в одной звездной системе (планеты должны быть размером примерно с Землю и находиться в обитаемой зоне своей звезды), потом – на долю планет, где жизнь могла возникнуть, и на долю Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД тех из них, где мог появиться разум, и, наконец, – на долю тех, где разумные формы жизни способны достичь такого уровня развития, чтобы посылать распознаваемые радиосигналы, и на среднее время, в течение которого такие цивилизации продолжают их посылать или вообще существовать. Если же подобные общества склонны уничтожить себя в ядерной войне всего лишь через несколько десятилетий после изобретения радио, то, вероятно, в любой конкретный момент времени их количество окажется очень невелико. Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД Уравнение замечательное, если не считать одной нестыковки. Никто не имел даже смутного представления о том, чему равны все эти доли и числа, если не считать самую первую переменную, скорость формирования звезд, похожих на Солнце. Все остальное было чистой воды догадками. Разумеется, если бы ученым, занимающимся поиском жизни в космосе, удалось бы засечь внеземной радиосигнал, все эти допущения потеряли бы значение. Но, в отсутствие такового, специалистам по всем переменным уравнения Дрейка предстояло найти их точные значения – выяснить, как часто у звезд солнечного типа бывают планеты. Ну или раскрыть тайну возникновения жизни на Земле... Фото: Марк Тиессен В Лаборатории реактивного движения НАСА ученые осматривают зонд, подобный тому, что в скором будущем сможет проникнуть под лед спутника Юпитера — Европы. Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД Фото: Триста Вик- Мэджорс и Памела Сантибаньес, исследовательск ая группа Приску, Университет Монтаны, Бозмен Бактерия, извлеченная в 2013 году из озера Уилльянс, расположенного глубоко подо льдом Антарктиды, свидетельствует о способности живых существ выживать в самых экстремальных условиях. Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД Фото: Марк Тиессен Пещерные биопленки — снотиты — свисают с никогда не видевших солнца сводов пещеры Куэва-де-Вилья-Лус в Мексике. Образующие их бактерии питаются соединениями серы, в свою очередь служа пищей для обитающих в пещере мошек. Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД engamika.ru Фото: Марк Тиессен В 1960-е годы, благодаря астроному Фрэнку Дрейку, пытавшемуся поймать радиопередачи внеземных цивилизаций, зародилась наука астробиология. Сейчас Фрэнку 84, и у него новая цель: обнаружить вспышки света, исходящие от этих цивилизаций. «Сегодня мы гораздо лучше знаем, что искать, — говорит он. — Но самое сложное — найти финансирование». b. Обнаружение экзопланет. Прошла треть века, прежде чем в уравнение удалось подставить хотя бы приблизительные значения. В 1995 году Мишель Майор и Дидье Кело из Женевского университета обнаружили первую планету в иной звездной системе солнечного класса. Эта планета – 51 Пегаса b, удаленная от нас на 50 световых лет, представляет собой огромный газообразный шар размером с пол-Юпитера; ее орбита проходит так близко от звезды, что год на ней продолжается всего четыре дня, а температура на поверхности превышает тысячу градусов Цельсия. Никто и мысли не допускал о том, что в таких адских условиях могла зародиться жизнь. Но открытие даже одной- Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД engamika.ru единственной экзопланеты уже было огромным успехом. В начале следующего года группа под руководством Джеффри Марси, в то время работавшего в Университете Сан-Франциско, а теперь – в Беркли, нашла вторую экзопланету, а затем и третью – и плотину прорвало. Сегодня астрономам известно без малого две тысячи самых разных экзопланет – и крупнее Юпитера, и меньше Земли; еще нескольких тысяч (большинство было обнаружено с помощью сверхчувствительного космического телескопа Kepler) ждут, когда открытие подтвердится. Ни одна из далеких планет не является точной копией Земли, однако ученые не сомневаются, что и такую удастся найти в ближайшем будущем. Исходя из данных по нескольким более крупным планетам, астрономы подсчитали, что у более чем пятой части звезд солнечного типа есть пригодные для жизни, похожие на Землю планеты. Существует статистическая вероятность, что ближайшая из них находится на Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД engamika.ru расстоянии 12 световых лет от нас – по космическим меркам, на соседней улице. Это обнадеживает. Впрочем, в последние годы охотники за обитаемыми мирами поняли, что совершенно необязательно ограничивать поиски звездами, похожими на Солнце. «Когда я учился в школе, – вспоминает Давид Шарбонно, астроном из Гарварда, – нам говорили, что Земля вращается вокруг самой обычной, среднестатистической звезды. Но это не так». На самом деле 70–80 процентов звезд Млечного Пути – маленькие, относительно холодные, тусклые, красноватые тела – красные и коричневые карлики. Если бы планета земного типа вращалась вокруг такого карлика на правильном расстоянии (ближе к звезде, чем Земля, чтобы не обледенеть), условия для возникновения и развития жизни могли бы сложиться и на ней. Более того, планете не требуется быть размером с Землю, чтобы быть пригодной для жизни. «Если вам интересно мое мнение, – говорит Димитар Сасселов, еще один гарвардский астроном, – то любая масса от одной до пяти земных идеальна». Похоже, разнообразие пригодных для жизни звездных систем куда богаче, чем могли предположить в 1961 году Фрэнк Дрейк и участники его конференции. И это еще не все: оказывается, перепад температур и разнообразие химических сред, в которых могут процветать организмы-экстремофилы (буквально, «любители экстремальных условий»), также шире, чем можно было представить себе полстолетия назад. В 1970-е годы океанографы, в том числе работавший при поддержке National Geographic Society Роберт Баллард, открыли на океанском дне сверхгорячие источники – черные курильщики, вблизи которых существуют богатые бактериальные сообщества. Микробы, питающиеся сероводородом и другими химическими соединениями, в свою очередь, служат пищей для более сложных организмов. Кроме того, ученые обнаружили формы жизни, процветающие в гейзерах на суше, в ледяных озерах, скрытых под слоем антарктического льда толщиной в сотни метров, в условиях повышенной кислотности, щелочности или радиоактивности, в соляных кристаллах и даже в микротрещинах горных пород глубоко в недрах Земли. «На нашей планете это обитатели узких ниш, – говорит Лиза Калтенеггер, работающая по совместительству в Гарварде и в Астрономическом институте Макса Планка в немецком Гейдельберге. – Однако легко представить себе, что на иных планетах именно они могут преобладать». Единственный фактор, без которого, как утверждают биологи, жизнь в том виде, как мы ее знаем, существовать не Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД engamika.ru может, это жидкая вода – мощный растворитель, способный доставлять питательные вещества во все части организма. Что касается нашей Солнечной системы, то после экспедиции межпланетной станции Mariner 9 на Марс в 1971 году мы знаем, что когда-то по поверхности Красной планеты текли потоки воды. Возможно, там существовала и жизнь, по крайней мере микроорганизмы – и не исключено, что кто-то из них мог уцелеть в жидкой среде под поверхностью планеты. На относительно молодой ледяной поверхности Европы, спутника Юпитера, заметны трещины, свидетельствующие о том, что подо льдом волнуется океан. Под иссеченным трещинами ледяным покровом Европы, который мы видим на этом изображении, полученном с помощью космического аппарата Galileo, скрывается океан, где могут быть все условия, необходимые для жизни. Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД engamika.ru Фото:Проект Galileo/NASA/JPL; вторичная обработка: Тед Стрик На расстоянии около 800 миллионов километров от Солнца вода должна была бы замерзнуть, но на Европе под воздействием Юпитера и нескольких других его спутников постоянно происходят приливно-отливные явления, из-за чего выделяется тепло, и вода под слоем льда остается жидкой. Теоретически там тоже может существовать жизнь. В 2005 году межпланетный аппарат НАСА Cassini обнаружил водяные гейзеры на поверхности Энцелада, другого спутника Юпитера; исследования, проведенные Cassini в апреле этого года, подтвердили наличие подземных источников воды на этой луне. Однако ученые пока не знают, ни сколько воды скрывает ледяной щит Энцелада, ни насколько долго вода пребывает в жидком состоянии, чтобы послужить колыбелью жизни. На Титане, самом большом спутнике Сатурна, есть реки и озера, идут дожди. Но это – не вода, а жидкие углеводороды вроде метана и этана. Возможно, и там есть жизнь, но очень сложно предположить, какая она. Марс гораздо больше похож на Землю и куда ближе к ней, чем все эти далекие спутники. И от каждого нового спускаемого аппарата мы ждем вестей об открытии там жизни. Вот и сейчас марсоход НАСА Curiosity исследует кратер Гейла, где миллиарды лет назад находилось огромное озеро, условия в котором, судя по химическому составу осадков, были благоприятны для существования микробов. c. Обнаружение внеземной цивилизации. Для поиска внеземной жизни создана специальная наука – астробиология, которая изучает гипотетическую возможность эволюции на других планетах. Президент США Дональд Трамп в первые месяцы своего правления одним из своих распоряжений объявил всецелую поддержку этой науки, фактически выставив перед американскими учёными поиск инопланетян приоритетной задачей Вашингтона. В настоящее время, научные изыскания и мероприятия по поиску внеземной жизни имеют единую базу, известную как проект SETI (англ. Search for Extraterrestrial Intelligence), где обобщаются данные со всего мира. Основные Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московский образовательный комплекс ЗАПАД engamika.ru направления можно разделить на две ветки – поиск радиосигналов и отправка в глубину космоса так называемых «сигналов готовности», НАСА возобновило поиски внеземных цивилизаций. Конгресс США попросил агентство запустить этот проект заново в 2018 году. Его первым шагом к достижению этой цели стала рабочая конференция NASA Technosignatures Workshop, прошедшая в сентябре прошлого года. Если вы никогда не смотрели на звѐздное небо в размышлениях о том, существуют ли другие цивилизации, кроме нашей, вам будет сложно понять такой ход мыслей. Одно из древнейших и самых постоянных страстных желаний человека – узнать, одиноки ли мы. И хотя вероятность успеха кажется маленькой, противостоять этому стремлению невозможно. И в своей новой попытке в НАСА решили использовать технопризнаки [technosignatures]. Что такое технопризнаки? Технопризнаки – просто признаки наличия технологии. Это результат использования жителями планеты технологий. Самый очевидный пример – радиоволны, но некоторые эксперты по поискам отвергают их использование, поскольку Вселенная заполнена радиоволнами, испущенными естественными источниками. Первым проектом по поиску внеземных цивилизаций был SETI. Но это, по сути, был поиск радиосигналов, специально отправленных другой цивилизацией в нашу сторону. Область нового поиска будет другой. Технопризнаки – это не специально отправленные сигналы, обеспечивающие свидетельства наличия технологически развитой цивилизации. К технопризнакам относятся лазерные лучи, признаки наличия мегаструктур типа сферы Дайсона, или же, к сожалению, загрязнѐнная атмосфера. На конференции также рассуждали о возможности обнаружения мегаполисов на других планетах по выделяемому ими теплу, и об обнаружении искусственных спутников планет. Но в каждом из |