скачать книгу бесплатно
Космос для не космонавтов
Денис Игоревич Юшин
История и наука Рунета. Подарочное издание
На вопрос «Что такое космос?» обычно отвечают, что это «пустота» и «ничто». Но знаете ли вы, что космонавтика влияет на изучение генетики, создание новейших технологий в медицине, инженерные решения, применяемые в обычной жизни, развитие робототехники?
Стремление вырваться за пределы планеты было свойственно людям еще в древности, а в наше время оно только усилилось. В книге «Космос для не космонавтов» подробно, увлекательно и доступно рассказывается, например, что такое вселенная, почему людям так интересно её изучать, как внеземные работы способствуют развитию жизни на самой Земле и отчего в космосе развивается клаустрофобия. Космос – это такая загадка, которую можно разгадывать бесконечно.
И поможет вам в этом Денис Юшин – специалист ракетно-космической отрасли, автор крупного канала «Since&Future» на «ЯндексДзене».
В формате PDF A4 сохранен издательский макет книги.
Денис Юшин
Космос для не космонавтов
© Юшин Д. И., 2023
© ООО «Издательство АСТ», 2023
* * *
Раздел 1
Куда и почему расширяется Вселенная?
На вопрос: «что такое космос?» обычно отвечают, что это «пустота» и «ничто» Но так ли уж пуст космос на самом деле?
Давайте проведём эксперимент: глядя на ночное небо, поднимите большой палец вверх и наведите его ногтевую фалангу на область, кажущуюся вам абсолютно пустой. Конечно, она таковой и останется, если смотреть на неё невооружённым глазом. Но при использовании современных телескопов вы обнаружите здесь тысячи и десятки тысяч галактик.
По Интернету путешествует история о том, что по завершении технического обслуживания телескопа «Хаббл» «астронавты решили сделать пробный кадр, чтобы посмотреть, всё ли пришло в норму. Полученная фотография заставила их остолбенеть – настолько красивой выглядела наша Вселенная. Снимок демонстрировал её пустоту, но вместе с тем были видны и древние галактики, которые зародились сразу после Большого взрыва. Фотографию назвали «Hubble Deep Field» («Глубокое поле Хаббла»), а сами учёные утверждают, что она навсегда поменяла их представление о Вселенной.
Возможно, эта история выглядит красивой и даже романтичной, но она абсолютно не отражает как сложнейшую работу огромного количества людей и уникальность самого телескопа, так и исключительность астрономических наблюдений в целом. Впрочем, давайте рассмотрим всё по порядку.
Космический телескоп «Хаббл» (Hubble Space Telescope, HST; код обсерватории «250») – всем известная автоматическая обсерватория на орбите Земли. Её изображения долгое время оставались самыми популярными для заставок на рабочих столах компьютеров и гаджетов, пока нас не начал «забрасывать» новыми фотографиями телескоп имени Джеймса Уэбба.
Размещение телескопа в космосе имеет ряд преимуществ. Главная из них – возможность регистрировать электромагнитное излучение в диапазонах, в которых земная атмосфера непрозрачна. В первую очередь – в инфракрасном. Благодаря отсутствию влияния атмосферы разрешающая способность космического телескопа в 7–10 раз больше, чем у аналогичного телескопа, расположенного на Земле.
«Хаббл» обслуживали четыре экспедиции, одна из которых была разбита на два вылета, с выходом астронавтов в открытый космос из космических кораблей многоразового использования типа «Спейс Шаттл».
Полировка зеркала телескопа Hubble. © NASA
В первые же недели после начала работы телескопа полученные изображения продемонстрировали серьёзную проблему в оптической системе. Несмотря на то что качество изображений было лучше, чем у наземных телескопов, «Хаббл» не мог достичь заданной резкости.
Анализ изображений показал, что источником проблемы стала неверная форма главного зеркала. Несмотря на то что это было наиболее точно рассчитанное зеркало из когда-либо созданных на тот момент, а допуск составлял не более 1/20 длины волны видимого света, оно было изготовлено слишком плоским по краям. Отклонение от заданной формы поверхности составило всего лишь 2 мкм, но результат оказался катастрофическим – зеркало имело сильную сферическую аберрацию (оптический дефект, при котором свет, отражённый от краёв зеркала, фокусируется в точке, отличной от той, в которой фокусируется свет, отражённый от центра зеркала).
Это означало, что практически все космические программы стали просто невыполнимыми, поскольку требовали наблюдений именно особо тусклых объектов, для чего и создавалась космическая обсерватория.
Таким образом, во время первой экспедиции астронавты должны были установить на телескопе корректирующую оптику. Полёт «Индевор» STS-61 состоялся 2–13 декабря 1993 года. Работы на телескопе продолжались в течение десяти дней. Экспедиция была одной из сложнейших за всю историю космонавтики. В её рамках были осуществлены пять длительных выходов в открытый космос, за время которых астронавты установили систему оптической коррекции, широкоугольную и планетарную камеры, заменили солнечные батареи, четыре гироскопа и многое другое оборудование.
© NASA
Пустота, изменившая понимание Вселенной
Изображение, о котором пойдёт речь (Hubble Deep Field, HDF), получено из небольшой области в созвездии Большой Медведицы, равной 5,3 квадратным угловым минутам, что составляет примерно
?
площади небесной сферы. И вот тут начинается интересное! Просто направить телескоп в какую-либо область неба и тут же прийти в восторг от увиденного – нельзя. Получение и обработка изображений занимают очень много времени.
Исследования начались с выбора области наблюдения, которая должна была соответствовать следующим критериям:
1. Она должна находиться на высокой галактической широте.
2. В ней не должно быть ярких источников видимого света (таких, как звёзды переднего плана), а также источников инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучений, чтобы облегчить более поздние исследования в этих длинах волн.
Первоначально учёные нашли двадцать областей, удовлетворяющих всем этим критериям, из которых выбрали три оптимальных области. Все области находились в созвездии Большой Медведицы.
Область, выбранная для наблюдений. © NASA
Далее учёные приступили к разработке методики. Ведь «Хаббл», напомню, – это обсерватория, и в ней находится много инструментов для совершенно разных исследований. Так, в данном случае необходимо было определить, какие из 48 фильтров можно использовать для наблюдений. Выбор зависел от пропускной способности каждого фильтра.
В итоге были выбраны четыре широкополосных фильтра: 300, 450 (синий свет), 606 (красный свет) и 814 нм.
Изображения целевой области с использованием выбранных фильтров были получены в ходе непрерывных десятидневных наблюдений, в течение которых Hubble облетел вокруг Земли по своей орбите почти 150 раз. Полное время наблюдений в каждой длине волны составило: 48,93 ч (300 нм), 36,52 ч (450 нм), 34,94 ч (606 нм) и 34,86 ч (814 нм).
Изображения, полученные в разных длинах волн: 300 нм (сверху слева), 450 нм (сверху справа), 606 нм (снизу слева) и 814 нм (снизу справа). © NASA
Наблюдения были разделены на 342 отдельных «этапа», чтобы предотвратить существенное повреждение отдельных участков изображения яркими полосами, которые образуются в результате воздействия космических лучей на датчики CCD-матрицы.
Следующий шаг – обработка данных. В процессе объединения изображений, полученных в разных длинах волн, были удалены пиксели, засвеченные воздействием космических лучей, следы космического мусора и искусственных спутников.
Hubble Deep Field. © NASA
Приблизительно на четверти фрагментов отчётливо просматривался рассеянный свет от Земли. Для избавления от дефекта яркости эти фрагменты выровняли по уровню незатронутых рассеянным светом изображений. Благодаря этой процедуре почти весь рассеянный свет с изображений был удалён.
После того как с 342 отдельных снимков убрали дефекты, их объединили в одно. Каждому пикселю CCD-матрицы соответствовала область в 0,09 угловой секунды. Каждое последующее изображение частично перекрывало предыдущее. Используя сложные методы обработки (специальный алгоритм «Drizzle»), изображения объединили. В итоговом изображении в каждой длине волны размеры пикселя составили 0,04 угловой секунды.
Данное изображение HUDF в высоком разрешении содержит галактики самых разных размеров, форм, цветов и возрастов. Самые маленькие и самые красные галактики, которых на снимке около 10000, – это одни из самых удалённых галактик, когда-либо запечатленных оптическим телескопом. Вероятно, они возникли вскоре после Большого взрыва. © NASA
Таким образом, изображение Hubble Deep Field было собрано из 342 отдельных снимков. Его построение проводили с 18 по 28 декабря 1995 года. В этой невероятно маленькой космической области практически все 3000 объектов (за исключением нескольких звёзд с переднего плана Млечного Пути) – это галактики.
С 24 сентября 2003 до 16 января 2004 года с телескопа получили более качественные изображения, которые объединили в Hubble Ultra-Deep Field (HUDF). На этом изображении около десяти тысяч галактик, но «понимание о пустоте изменил» именно Hubble Deep Field (HDF).
Ещё несколько слов о пустоте
Уверен, вы довольно часто сталкивались с утверждением, что «всё вокруг состоит из пустоты». Но можете ли вы представить себе абсолютною пустоту? И существует ли вообще абсолютная пустота (Мигдал, 1986)? Уже даже в межзвёздном пространстве – такой вакуум, какого физики не могут достичь в лабораторных условиях ввиду того, что невозможно до такой степени выкачать вещество из камеры.
Но это ещё далеко не абсолютная пустота. Давайте пойдём дальше – в межгалактическое пространство. Здесь вещества ещё меньше, но это по-прежнему не абсолютно пустое пространство, которого мы хотим достичь. Поэтому двинемся в область между скоплениями галактик. Казалось бы, вот она – пугающая беспросветная пустота. Но даже здесь на каждый кубический метр пространства найдётся хотя бы один атом. Правда, этот атом за миллиарды лет может ни разу не столкнуться ни с одним другим. Что ж, пусть это и будет той самой пустотой. Во всяком случае, здесь мы можем представить, что этого одинокого атома просто нет.
Но знаете, что самое интересное? Даже если вы возьмёте часть пространства, в котором точно нет ни одного атома, оно не будет пустым. Понятие пустоты в физике вообще, как выясняется, довольно условно. Как только дело доходит до «абсолютного ничто», в свои права вступает квантовая механика. Физики называют это явление минимальным состоянием энергии.
Даже в самом «пустом» пространстве постоянно рождаются и умирают так называемые виртуальные частицы. Проблема этих частиц заключается в том, что они не способны «закрепиться» в физической Вселенной, так как их свойства далеки от «физического идеала» – они не могут набрать достаточно массы и энергии. Всё, что только можно было «взять» из этой пустоты, чтобы попытаться стать веществом, эти виртуальные частицы «взяли», но этого оказалось мало.
Привычным нам частицам (Estia J. Eichten) просто «повезло» иметь свойства, соответствующие законам физики, то есть разница между реальными и виртуальными частицами исключительно количественная. Российский астроном Владимир Сурдин однажды довольно поэтично назвал это явление «кипящей пустотой».
Откуда в абсолютной пустоте могут появляться частицы?
При всей своей математической точности квантовая механика довольно плохо описывает суть материи в попытке скрестить классическую (макроскопическую) картину мира с микроскопической. «Кипящая пустота» – абсолютно непонятное человеческому сознанию состояние.
Но существует теория, которая может значительно упростить восприятие Вселенной. Речь идёт о квантовой теории поля, которая исключает классические представления о реальности. Она гласит, что пространство состоит из квантовых полей, а отдельных частиц (как реальных, так и виртуальных) не существует. То, что нам кажется частицами, представляет собой просто возмущения этих полей.
Таким образом, квантовая теория поля говорит нам, что пустоты вообще не существует, так как квантовые поля – это монолитные структуры. Они заполняют собой всё пространство и имеют в каждой своей точке ненулевую энергию. Колебания этих полей и создают иллюзию рождения частиц.
Поэтому и видимое вещество, и виртуальные частицы, да и вообще всё во Вселенной – лишь рябь квантовых полей. Самая понятная аналогия, которую я встречал, звучит так:
«Считать, что между частицами ничего нет, – всё равно что смотреть на горные вершины и думать, что между ними бесконечная пустота, только потому, что пелена облаков скрывает поверхность под ними».
Существует идея, что такое «кипение» и привело к рождению нашей Вселенной. Вакуум той эпохи имел энергию, несколько большую, чем в наше время. Её оказалось достаточно для того, чтобы в какой-то момент сконцентрироваться и запустить цепную реакцию по созданию вещества и излучения.
Получается, всё, что сейчас существует, включая нас, людей, может быть результатом «выкипания» первичного вакуума. Таким образом, Вселенная постоянно активна и пытается создавать вещество из того, что нам кажется абсолютной пустотой. Разве это не потрясающе?
Как родилась Вселенная?
Самые интересные факты о большом взрыве
Теория Большого взрыва описывает рождение и последующее охлаждение Вселенной при расширении из первоначально крайне плотного и горячего состояния. Космологи уже десятки лет дискутируют о том, что же произошло в те доли секунды, которые «запустили» рождение нашей Вселенной.
Сам термин «Большой взрыв» не очень-то подходит в качестве описания тому, что происходило. Он вызывает путаницу, которая выливается в регулярные дискуссии между людьми, не совсем посвящёнными в тему. Образ взрыва никак не соотносится с тем, что в расширяющейся Вселенной нет ни центра, ни края, а галактики, независимо от массы, отдаляются одинаково. Впервые этот термин употребил в качестве насмешки астроном Фред Хойл, который был сторонником теории о вечной и неизменной Вселенной.
После рождения Вселенной следующие примерно 380 000 лет всё пространство заполняло облако плазмы. Дальнейшее охлаждение этого облака позволило электронам и протонам объединиться, создав нейтральные атомы водорода, что привело к его рассеиванию. Свет, испускаемый во время этого процесса, растянувшись в микроволны, является теперь самым ранним наблюдаемым явлением во Вселенной и называется реликтовым излучением (космическое микроволновое фоновое излучение).
Распределение реликтового излучения в наблюдаемой Вселенной
Фиксация фонового излучения породила новые дискуссии. Дело в том, что общая теория относительности (ОТО) предполагала сингулярность – начальную точку с неограниченными температурой и плотностью. Колебания таких температуры и плотности должны были породить области с различными свойствами. Температура же реликтового излучения тем временем колеблется в пределах всего долей градуса. Кроме того, кривизна пространства-времени выглядит, если можно так выразиться, довольно плоской, что подразумевает практически идеальный баланс вещества и кривизны в начальном состоянии.
В 1980-х годах Алан Гут предложил теорию, которая до сих пор является одной из самых популярных в среде космологов, – теорию инфляции. Он предположил, что в первые моменты Вселенная расширялась экспоненциально быстрее, пока этот процесс не привёл к образованию плотного и горячего беспорядка частиц, занявшего место сингулярности.
Эта теория отлично объясняет практически невероятное отсутствие неровностей реликтового излучения (оставшиеся незначительные колебания, согласно ей, привели к образованию скопления галактик), но никто не может объяснить, что именно заставило Вселенную расширяться так быстро в первые моменты существования.
Серьёзным подтверждением теории инфляции станет фиксация первичной пространственно-временной ряби (первичных гравитационных волн), чего до сих пор не произошло (о гравитационных волнах – в следующих главах). По аналогии с реликтовым излучением, которое присутствует даже в белом шуме, фиксируемом, скажем, вашим телевизором, первичные гравитационные волны могут быть повсеместными. Просто мы ещё их не увидели. Главное, что мы ищем.
Кстати, а вы слышали о парадоксе Ольберса (фотометрическом парадоксе) (Harrison, 1977)? Если кратко, то суть в следующем: если Вселенная действительно бесконечна и имеет число звёзд, фактически стремящееся к бесконечности, то тогда, следуя логике, куда бы ни упал наш взгляд, он должен попасть на звезду. То есть, если допустить, что космос полон звёзд, бесконечен и обладает однородной плотностью, мы будем неизбежно приходить к звезде, независимо от направления.
Так почему ночное небо не залито сплошным светом?
Всё дело как раз в Большом взрыве. Тот факт, что Вселенная не существовала всегда и мы можем наблюдать звёзды и галактики лишь на ограниченном расстоянии, и объясняет, почему света на ночном небе настолько мало. Количество видимых источников света ограничено собственно скоростью света и физикой расширяющейся Вселенной.
Так, основная предпосылка фотометрического парадокса устраняется тем фактом, что звёзды не расположены на любых, сколь угодно больших расстояниях от нас, как тот утверждает. То есть наблюдаемая Вселенная настолько молода, что звёзды ещё не успели в ней образоваться. Помимо этого, мы не видим огромное количество звёзд и галактик ввиду того, что с момента Большого взрыва прошло недостаточно времени, чтобы их свет достиг нашего взора.
Белый шум
Тем не менее существует возможность увидеть и полностью залитое светом ночное небо. В микроволновом спектре, например, ночное небо практически равномерно по яркости, что также работает в пользу теории Большого взрыва. Дело в том, что в своём начале Вселенная была настолько горячей, что в ней не могли образоваться нейтральные атомы, не говоря уже о звёздах и галактиках. А вот когда она «немного остыла» и нейтральные атомы всё-таки сформировались, свет начал распространяться по прямой линии во всех направлениях и постоянно. Если во время настройки своего телевизора вы наткнётесь на белый шум (чёрно-белую рябь на экране без какой-либо картинки), знайте, что около 1 % этих сигналов является остаточным послесвечением Большого взрыва.
Космическое микроволновое фоновое излучение
Если подвести итог этому отступлению, становится понятно, что ночное небо мы видим таким, каким видим. Просто потому, что нам доступна лишь та часть спектра, которую мы и называем видимой. Вселенная же имеет начало, существуя конечное время. То есть на самом деле всё вокруг наполнено светом (излучением), но у нас нет органов чувств, способных воспринимать его во всех диапазонах, – для этого мы создаём специальные приборы. Ну а наши органы зрения сформировались настроенными именно на видимую нам часть спектра потому, что мы развивались в окрестностях именно нашей звезды. Так работает эволюция. Но книга не о ней.
Насколько точно настроена Вселенная и подходит ли она для нас?
Люди склонны воспринимать окружающую действительность через призму антропного принципа, сильно упрощая её и, что важно, идеализируя. Отсюда берёт своё начало миф об уникальности жизни только на нашей планете и невероятном стечении обстоятельств для её появления. Тот факт, что мы не обнаружили инопланетную жизнь, свидетельствует лишь о том, что с технологической точки зрения человечество ещё недостаточно развито.
Мы не учитываем тот факт, что во многих аспектах нашей жизни людям приходится работать на пределе своих возможностей. Космическая деятельность – именно такой аспект. Мы воспринимаем как данность, например, наличие телескопа на орбите Земли. Но при этом забываем, насколько сложно не только его построить, но и работать с ним, о чём мы говорили в начале книги.
На сегодня дана большая часть ответов на вопросы о разумном вмешательстве, ставившиеся ещё 150 лет назад. Но, как только одна часть человечества получает результат в поиске ответов, вторая пользуется тем, что новых вопросов появляется не меньше, да ещё и притягивает их к старым утверждениям.
На деле же стоит осознать пару несложных фактов. Во-первых, самая распространённая молекула в человеке – это молекулы воды. Она же является основой известной нам жизни и состоит из двух самых распространённых во Вселенной элементов. Так что возникновение жизни с этой точки зрения – не удивительное событие, а лишь следствие работы законов физики и химии. Во-вторых (на этом остановимся чуть подробнее), тонкую настройку Вселенной в работе этих законов на сегодня никто наглядно не показал, а её сторонники апеллируют, как правило, к эмоциям, чтобы вызвать у нас благоговение перед уникальностью Вселенной, «созданной» ради появления человека.
Предлагаю рассмотреть те несколько утверждений, которые имеют отношение к самой основе возникновения и поддержания жизни.
Силы, создающие звёзды
Первое, что можно услышать от адептов тонкой настройки Вселенной, – это то, что условия существования самих звёзд невероятно хрупкие. Так, по их мнению, если бы электромагнитная сила была слишком велика, то электрическое отталкивание протонов прекратило бы ядерный синтез внутри звёзд и они бы перестали светить. В обратном же случае – будь электромагнетизм слишком слабым – ядерные реакции вышли бы из-под контроля. В этом случае продолжительность жизни звёзд была бы слишком короткой для возникновения и, тем более, поддержания их жизни.
Сюда же приплетают и гравитацию. Тут всё просто: при слишком сильной гравитации звёзды сжимались бы в чёрные дыры, а при слабой – никогда бы не зажглись.
А как на самом деле?
А вот как – звёзды удивительно живучи и стабильны. Величина силы электромагнитного взаимодействия может изменяться в 100 раз в оба направления, прежде чем существование звезды будет поставлено под угрозу. Гравитация вообще может изменяться в пределах нескольких порядков по сравнению с силами электромагнитного взаимодействия.
В целом допустимые значения гравитационных и электромагнитных сил зависят от сил ядерных. Если скорость реакций была бы выше, звёзды могли бы функционировать даже при большем диапазоне гравитационных и электромагнитных сил. Напротив, менее быстрые ядерные реакции сузили бы этот диапазон, оставив его, тем не менее, достаточно широким.
Сравнение размеров звёзд различного типа. Солнце на данном изображении слева и имеет размер в 1 пиксель
Получается, что величины фундаментальных сил могут изменяться в пределах нескольких порядков, а звёзды и планеты всё равно будут вписываться в заданные условия, автоматически подстраиваясь под них. Так что подобную настройку сложно назвать тонкой.
Углерод
После того как в ядрах среднего размера звёзд произошла ядерная реакция, преобразовавшая водород в гелий, сам гелий становится топливом этих звёзд. В результате сложной последовательности реакций гелий сгорает, образуя углерод и кислород. Из-за того что ядра гелия играют важную роль в ядерной физике, им даже дали специальное название: альфа-частицы. Наиболее распространённые ядра состоят из одной, трёх, четырёх или пяти альфа-частиц. Как можно заметить, ядра с двумя альфа-частицами, бериллия-8, не существует, чему есть простое объяснение: он нестабилен.
Нестабильность бериллия и помогает, и создает трудность для образования углерода. Когда звёзды преобразовывают ядра гелия, чтобы они стали бериллием, ядра бериллия практически сразу начинают распадаться обратно на свои составные части. В любой момент ядро звезды содержит небольшое и неустойчивое количество бериллия. Эти редко встречающиеся ядра могут взаимодействовать с гелием для образования углерода. Поскольку в данном процессе принимают участие три ядра гелия, он называется тройным альфа-процессом. Физики выяснили, что эта реакция слишком медленная для производства того количества углерода, которое наблюдается во Вселенной.
Как была решена проблема?
Чтобы разрешить этот парадокс, физик Фред Хойл предсказал в 1953 году, что при определенной энергии у ядра углерода должно быть резонансное состояние. Благодаря этому состоянию скорость реакции образования углерода намного выше, чем могла бы быть. Она настолько высока, что это вполне объясняет большое количество углерода, найденное во Вселенной (Kragh, 2010).
Позже этот резонанс измерили в лаборатории с рассчитанным уровнем энергии. Чем не тонкая настройка, которую точно кто-то подкрутил?
Между тем с другими величинами сил энергия этого резонанса могла бы быть другой, и звёзды не производили бы достаточно углерода. Образование углерода нарушается, если уровень энергии меняется в пределах всего 4 %. Этой проблеме в своё время даже дали негласное название «Тройная альфа-наладка Вселенной».
