108. Главные астрономические открытия

108. Главные астрономические открытия

Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»

 

Благотворительная стенгазета «Коротко и ясно о самом интересном». Выпуск 108, июнь 2017 года.

Главные астрономические открытия

Рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней

 
Стенгазеты благотворительного образовательного проекта «Коротко и ясно о самом интересном» предназначены для школьников, родителей и учителей Санкт-Петербурга. Наша цель: школьникам – показать, что получение знаний может стать простым и увлекательным занятием, научить отличать достоверную информацию от мифов и домыслов, рассказать, что мы живём в очень интересное время в очень интересном мире; родителям – помочь в выборе тем для совместного обсуждения с детьми и планирования семейных культурных мероприятий; учителям – предложить яркий наглядный материал, насыщенный интересной и достоверной информацией, для оживления уроков и внеурочной деятельности.

Мы выбираем важную тему, ищем специалиста, который может её раскрыть и подготовить материал, адаптируем его текст для школьной аудитории, компонуем это всё в формате стенгазеты, печатаем тираж и отвозим в ряд организаций Петербурга (районные отделы образования, библиотеки, больницы, детские дома, и т. д.) для бесплатного распространения. Наш ресурс в интернете – сайт стенгазет к-я.рф, где наши стенгазеты представлены в двух видах: для самостоятельной распечатки на плоттере в натуральную величину и для комфортного чтения на экранах планшетов и телефонов. Есть также группа Вконтакте и ветка на сайте питерских родителей Литтлван, где мы обсуждаем выход новых газет. Отзывы и пожелания направляйте, пожалуйста, по адресу: pangea@mail.ru.
 
 
 

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней» Астрофизик Сергей Борисович Попов (фото: roscosmos.ru).

Дорогие друзья! Герой нашего выпуска – астрофизик, доктор физико-математических наук, профессор Российской академии наук, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. Штернберга Московского государственного университета, лауреат нескольких престижных премий в области науки и просвещения – Сергей Борисович Попов. Он в равной степени известен и как крупный учёный, и как выдающийся популяризатор, что случается нечасто. Именно такой человек может рассказать о своей научной области лучше всех. И мы считаем большой удачей для нашего проекта, что Сергей Борисович согласился поучаствовать в создании этого выпуска, – особенно сейчас, когда астрономия снова вошла в список обязательных школьных предметов (приказ №506 Минобрнауки от 7 июня 2017 года).

При подготовке выпуска мы ориентировались на вебинар корпорации «Российский учебник», в рамках которого Сергей Борисович 9 июня 2017 года прочитал лекцию «Главные астрономические открытия: со времён Галилея до наших дней».

Какие бывают открытия?

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней» Архимед на пороге открытия основного закона гидростатики (Walther Hermann Ryff / Deutsche Fotothek, 1547 год).

Сегодня мы попробуем бросить взгляд на историю астрономических открытий. Нас будет интересовать не столько исторический аспект, сколько смысл, суть этих открытий. Астрономия – наука наблюдательная, и самое главное, что здесь происходит, это – открытия. Подчеркну, речь идёт не о теоретических результатах, а именно о наблюдательных открытиях. Попытаемся понять, какими бывают открытия, какими свойствами они должны обладать, чтобы войти в десятку действительно величайших в истории человечества.

Неожиданные. Самое главное, открытие – это, конечно, что-то неожиданное. Так бывает не всегда. Вот, например, два относительно свежих астрономических и физических открытия: бозон Хиггса и гравитационные волны. Это очень важные открытия, но их никак не назовёшь неожиданными. Для открытия бозона Хиггса специально создавался Большой адронный коллайдер, для открытия гравитационных волн – детектор LIGO (а до этого и другие детекторы). Мы будем говорить об открытиях, которые были действительно неожиданными, где элемент внезапности был очень важен.

Противоречат здравому смыслу. На возражения оппонентов, утверждающих, что теория относительности противоречит здравому смыслу, Эйнштейн отвечал: «Здравый смысл – это сумма предубеждений, приобретённых до восемнадцатилетнего возраста». У нас есть в голове какая-то, пусть плохо выраженная словами, картина мира. Мы что-то себе представляем на основе собственного опыта, который, естественно, ограничивается классическим миром. Мы непосредственно не видим квантовые процессы, не видим процессы, которые требуют привлечения Теории относительности, специальной или общей. Большие открытия должны противоречить «массовому» здравому смыслу. Ещё интересней, если они противоречат здравому смыслу профессионалов в своей области.

Понятные на словах. В прошлом все большие открытия были понятны на словах. В современном мире есть много очень важных результатов, о которых невозможно рассказать коротко, понятно и точно. Нужно очень много контекста. Собственно ради этого люди и учатся в школе и узнают что-то из фундаментальных наук – чтобы у них расширялся этот контекст, чтобы расширялся круг того, о чём можно было понятно рассказать на словах. Поскольку, чем больше правильных слов они знают, чем больше связи между этими словами они устанавливают у себя в голове, тем больше нового они могут усвоить с относительной лёгкостью.

Ставят не точку, а многоточие. Бывают важные результаты, которые можно назвать не открытием, а скорее закрытием. На основе какой-либо гипотезы развивалась модель, а новый экспериментальный, наблюдательный результат ставит крест на этой модели, не даёт науке развиваться дальше в этом направлении. Мы же будем говорить о таких важных открытиях, которые давали возможность для развития науки в новом направлении.

Меняют картину мира. Ну и, наконец, самое главное: большие открытия должны существенно менять картину мира. Условно говоря, нужно переписывать учебник. И для астрономии это особенно большая проблема. Учебники по астрономии (если пытаться включать них современную астрофизику) очень быстро устаревают. Скажем, экзопланеты (планеты у других звёзд) вообще начали открывать только в 90-е годы XX века. В этом смысле всё написанное до 90-х годов требует дополнения. Ускоренное расширение Вселенной открыли в самом конце XX века. Новые результаты появляются постоянно, и, поэтому, пытаться в учебнике передать современную астрофизическую картину мира – сложная задача. В некоторых областях даже научно-популярные книги писать тяжело. Как писать книгу, например, по экзопланетам, если в этой области постоянно происходит что-то новое? Только написал книгу, сдал в печать, а тут открыли систему из семи землеподобных планет у звезды TRAPPIST-1 или планету у Проксима Центавра (ближайшей к Солнцу звезды), и книга сразу становится неполна, нужно очень много чего менять и дописывать.

«Горячая десятка»

Давайте начнём с того, что в список не попало. Во-первых, всё, что остаётся – пусть самой лучшей, пусть стандартной, пусть общепринятой, но – гипотезой. Это, например, тёмное вещество и чёрные дыры. Формально нельзя сказать, что тёмное вещество достоверно и однозначно открыто, и что чёрные дыры достоверно и однозначно открыты. И, хотя среди астрофизиков мало кто сомневается, что и то, и другое существует, но такие учёные всё же есть. Поэтому альтернативные гипотезы в этих областях пока имеют право на существование, и в этом смысле настоящего открытия тёмного вещества и чёрных дыр не состоялось.

Не вошли в список, например, космические лучи и нейтрино – по той причине, что это, скорее, физика, хотя и имеет самое прямое, очень важное отношение к астрофизике. Не попало появление спектрального анализа и наблюдения в разных диапазонах спектра, потому что это технические достижения, хотя и очень важные. В список не вошли квазары (одни из самых ярких в видимой Вселенной астрономические объекты). Более того, когда я первый раз составлял десятку, квазары туда попали, а вот нейтронные звезды оказались в списке важности на одиннадцатом месте. Сейчас я склонен переставить их местами. Разные астрофизики, скорее всего, составили бы немного разные такие десятки. Так что, естественно, нужно относиться к этому списку не как к догме, а как к руководству к действию.

Открытия Галилея

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
По преданию, голландский оптик Иоанн Липперсгей подсмотрел идею увеличительной трубы у своих детей, которые, играя, случайно расположили пару линз нужным образом. Гравюра 1863 года (gettyimages.com).

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Иоанн Липперсгей в мастерской (erkantozluyurt.com).

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
И ещё одна гравюра, изображающая Иоанна Липперсгея, который выбирает линзы для телескопа (s-media-cache-ak0.pinimg.com).

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Одно из первых изображений телескопа, 1624 год. Гравюра Адриана ван де Венне. Он владел книгопечатней недалеко от оптической мастерской Иоанна Липперсгея (let.leidenuniv.nl).

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Галилей показывает телескоп правителю Венеции Леонардо Донато в 1609 году (H.J. Detouche, 1754 год), фрагмент.

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
То же самый сюжет: Галилей показывает телескоп правителю Венеции. Фреска Джузеппе Бертини, 1858 год, фрагмент.

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Галилей под домашним арестом (Solomon Alexander Hart, Wellcome Library, London, 1847 год), фрагмент.

Начнём мы с открытий Галилео Галилея, объединив их все в один пункт. Итак, в начале 17 века люди начали создавать подзорные трубы. Если взять подзорную трубу и посмотреть на астрономический объект, то получится телескоп. И это сразу привело к нескольким важным открытиям, причём их одновременно и независимо совершали много людей в разных частях Европы. Поскольку никакого Твиттера в начале XVII века не было, очень трудно было быстро сообщить о своём открытии. Люди потихонечку работали, смотрели на разные объекты в свои простенькие подзорные трубы и телескопы и что-то открывали независимо друг от друга.

Но именно Галилей, будучи одним из самых сильных учёных своего времени, делал это систематически. Он сделал из этих открытий много важных выводов и уложил их в достаточно стройную научную систему. Поэтому эти открытия мы ассоциируем, маркируем именем Галилео Галилея. Хотя, конечно, если внимательно посмотреть, многие из этих открытий немножечко раньше (или одновременно, но, безусловно, независимо от Галилея) совершили другие люди.

Спутники Юпитера

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Галилей наблюдает за спутниками Юпитера на площади Сан-Марко, Венеция (Wellcome Library, London).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Примерно такими Галилей мог наблюдать Юпитер и его четыре крупнейших спутника. Современное фото, сделанное с помощью 300-мм объектива (Andrey Fimushkin).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Сравнительный размер галилеевых спутников Юпитера (NASA/JPL/DLR).

 

Может быть, это самое важное открытие Галилео Галилея. Четыре крупных спутника Юпитера имеют размер примерно с Луну: Юпитер сам по себе очень большая планета, в сотни раз тяжелее Земли, у него и спутники должны быть тяжёлыми. Скорее, необычно, что у Земли такой тяжёлый спутник, как Луна. Поэтому для Луны придуман особый механизм формирования. Это не совместное образование планеты и спутников в протопланетном диске, не захват, а столкновение Земли с крупным телом размером примерно с Марс на раннем этапе эволюции Земли. Но для Юпитера эти четыре гигантских спутника – нормальное явление. Их было бы видно даже невооружённым глазом, если бы не яркость самого Юпитера (или не близость спутников к нему). Телескоп в данном случае нужен в первую очередь не для того чтобы увидеть слабый объект, а для того, чтобы эту картинку – Юпитер и спутники рядом – растянуть, чтобы глаз мог разглядеть эти мелкие детали. Галилею это удалось. И в чём же особая важность этого открытия? В том, что мы увидели миниатюрную Солнечную систему. Всё-таки, ключевой научный спор начала XVII века – крутится ли всё вокруг Земли или нет. Любой контрпример крайне важен. А здесь мы сразу видим маленькую систему: Юпитер, вокруг него крутятся четыре спутника, можно посчитать период их обращения, он составляет в среднем несколько дней. Это очень быстро – любой, даже не слишком терпеливый и квалифицированный наблюдатель может убедиться, что эти объекты вращаются вокруг Юпитера. Значимость открытия выходит за пределы астрономической, это действительно меняет картину мира, лишает Землю уникальности как центра вращения.

Пятна на Солнце

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Зарисовки солнечных пятен из хроники английского монаха Иоанна Вустерского, 1128 год.

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Пятна на Солнце 19-20 февраля 2013 года (NASA/SDO/AIA/HMI/Goddard Space Flight Center).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Гигантское пятно на звезде HD 12545 в созвездии Треугольника (K. Strassmeier (U. Wein), Coude Feed Telescope, AURA, NOAO, NSF).

Пятна на Солнце (участки пониженной температуры) бывают очень крупные. Солнечный диск в 107 раз больше, чем земной, поэтому пятна, которые вы видите на снимках, по своим размерам обычно гораздо больше Земли. Бывают настолько крупные пятна, что они видны даже невооружённым глазом, особенно, если смотреть через дымку. Есть соответствующие записи в летописях. Но это редкие неповторяющиеся события, и они выглядели почти как чудо. А с появлением телескопов появилась возможность наблюдать пятна на Солнце хоть каждый день, если только Солнце не находится в минимуме активности. На всякий случай напомню, что смотреть на Солнце в телескоп без фильтра нельзя. Есть замечательная шутка, что в телескоп на Солнце можно посмотреть два раза, а в бинокль – один раз. И лучше этого не делать ни одного раза без специальной аппаратуры. Галилей это очень хорошо понимал и проецировал изображение Солнца на экран, что гораздо безопаснее.

Это, наверное, единственное астрономическое открытие, которое во многих языках мира вошло в пословицы и поговорки («и на Солнце есть пятна») и означает, что даже такие «надлунные», небесные объекты, как Солнце, – не совершенны. Это характеризует философскую значимость открытия. Более того, совершенный объект не только не должен содержать каких-то дефектов, а, что ещё более важно, вообще не должен меняться. А пятна на Солнце появлялись и исчезали за несколько дней (или неделю, в зависимости от размера пятна), что делало надлунный мир ещё более мирским, приближало его к нам с некоторых философских позиций. Кстати, на классических портретах членов Политбюро СССР у Горбачёва не было родимого пятна, его всегда ретушировали. Это прекрасная иллюстрация того, как было плохо некоторым, что на Солнце обнаружились пятна. Наличие пятен на Солнце позволило впервые определить период его вращения. Поскольку крупные пятна живут всё-таки долго, несколько недель, Солнце успевает сделать оборот вокруг своей оси, и мы можем пронаблюдать, как характерная группа солнечных пятен ушла за край Солнца, а потом вышла с другой стороны. И мы можем прямо определить период вращения Солнца. Это открытие важно с астрономической точки зрения как инструмент изучения нашей ближайшей звезды.

Горы и ущелья на Луне

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Рисунок рельефа поверхности Луны, выполненный Галилеем в 1609 году (yung.scienceontheweb.net).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Этот впечатляющий снимок Земли над лунным кратером Комптона был сделан Лунным орбитальным зондом (LRO) 12 октября 2015 года (NASA/GSFC/Arizona State University).

Почему это так важно? Вот люди открыли Америку, открыли, что в Америке есть горы и ущелья, открыли Австралию – и там тоже есть горы и ущелья. Но никто не считал это чем-то особенным. Потому, что все понимали, что это часть Земли. А Луна всё-таки в небесном мире, и поэтому обнаружение там гор и ущелий вызвало протест. Чтобы убедиться, насколько велик был дискомфорт, вспомним замечательное утверждение философа из Флоренции Лодовико делле Коломбо. Он предположил, что видимый рельеф Луны залит сверху абсолютно прозрачным твёрдым веществом, поверхность которого – идеальная сфера, как и полагается небесным телам. И снова мы видим, как астрономическое открытие пробивает брешь в некоторой искусственной философской картине мира и выходит таким образом за рамки чистой астрономии.

Фазы Венеры

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
«Венера была видна на западе как вечерняя звезда, она становилась все больше, однако освещённая часть поверхности уменьшалась, превращаясь в тонкий серп. Венера обращается по орбите, расположенной между Землёй и Солнцем. В этот период она приближалась к Земле, и её видимый диаметр увеличивался. Однако её серп становился все ýже, потому что Венера приближалась к линии, соединяющей Землю и Солнце. Вскоре после этого Венера будет сиять над восточным горизонтом в предрассветном небе как утренняя звезда» (Daniel Herron по материалам Astronomy Picture Of the Day).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Зарисовка фаз Венеры, сделанная Галилео Галилеем (Museum of Science, Florence).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Картина смены фаз и изменение видимого размера Венеры согласно моделям мира Клавдия Птолемея и Николая Коперника (starrynighteducation.com с изм.).

Говорят, что есть люди, которые видят фазы Венеры невооружённым глазом. Это довольно трудно. В телескоп фазы Венеры видны хорошо, и их можно наблюдать регулярно. Почему это так важно? Потому что фазы Венеры вместе с данными о размере диска Венеры (обращу внимание, что меняется видимый размер диска), конечно, говорит о том, что, чем больше кажется Венера, тем она ближе к Земле, и наоборот. Так вот, если мы объединим данные по фазам, по размеру диска и по блеску, мы поймём, что объяснить их можно, только, если Венера вращается вокруг Солнца. Когда она маленькая, яркая и мы видим весь диск, она находится практически за Солнцем. Получить всё то же самое в модели, когда Венера всегда находятся между нами и Солнцем (как следует из геоцентрической модели), просто невозможно. И поэтому обнаружение фаз Венеры было очень сильным аргументом в пользу того, что Венера вращается вокруг Солнца, и, соответственно, в пользу гелиоцентрической картины мира.

Звёзды в Млечном Пути

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
На этом снимке, помимо широкой полосы Млечного Пути, видна также яркая Венера, след метеора и даже дым от взлетающей ракеты Ариан-5, запущенной с космодрома Куру во Французской Гвиане (Matipon Tangmatitham, Astronomy Picture Of the Day).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Панорамный вид Млечного Пути в направлении созвездия Лебедя (Eclipse.sx).

 

Показывая на одной из популярных лекций фотографию Млечного Пути, я, наконец, впервые услышал то, о чём только подозревал. Один ребёнок сказал: «Но это же фотомонтаж, Млечный Путь никогда не бывает виден!» Стало ясно, что есть на свете люди, (например, современные дети), которые никогда не видели достаточно тёмного звёздного неба. И не знают, что Млечный Путь может быть очень хорошо виден и, сделав снимок с достаточно большой выдержкой, можно получить впечатляющую полосу Млечного Пути с разными деталями, о которых мы ещё будем говорить, и это никакой не фотомонтаж. Так вот, Галилей обнаружил, что Млечный путь состоит из звёзд. Почему это было так важно? Практически одновременно с телескопами появились и микроскопы, и люди не только в большом надлунном мире, но и в маленькой капле воды, увидели что-то новое. Впервые стало наглядно ясно, что человеческие органы чувств недостаточны для постижения этого мира в полном объёме. Представьте, насколько велик должен был быть шок. Тысячи лет люди – философы, учёные, – строили мысленную модель Венеры, основываясь только на том, что они могут увидеть своими глазами. И вдруг оказалось, что это очень мало, и природа устроена гораздо богаче. Мы всё это время даже не видели бóльшую часть звёзд! И в капле воды, как оказалось, есть мельчайшие организмы, там кипит какая-то жизнь, и, соответственно, раньше картина мира была существенно неполна.

Таким образом, эти пять галилеевских открытий представляют собой идеальные иллюстрации того, что такое крупное астрономическое открытие. Это наблюдательное открытие, которое можно любому человеку описать простыми словами, и каждое из которых сильно меняет сложившуюся картину мира.

Планета Уран

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Уран был открыт в 1781 году английским астрономом Уильямом Гершелем. Так же, как у Юпитер и Сатурна, у Урана есть кольца и спутники (NASA and Erich Karkoschka, University of Arizona).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Гершель и его сестра Каролина (в будущем почётный член Королевского астрономического общества Великобритании) полируют зеркало телескопа. Литография А. Дите, 1896 год (Wellcome Library).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Модель телескопа, с помощью которого Уильям Гершель в 1781 году обнаружил Уран (Museum of Astronomy in Bath. Mike Young).

Мы двигаемся дальше и поговорим ещё о девяти сюжетах. Сделаем довольно большой скачок во времени, следующее открытие – открытие Урана, конец XVIII века. Это вовсе не означает, что между началом XVII и концом XVIII века ничего в астрономии не происходило – было много важных результатов, много важных работ, но десять – такое число, куда всего не уложишь.

Итак, открытие Урана. Почему это важно, почему это настолько существенное открытие, что оно удовлетворяет всем нашим базовым признакам: наблюдательное открытие, неожиданно, всем понятно и безусловно переписывает учебники. В то время достоверной космографией было описание Солнечной системы. Люди представляют себе размеры планет, размеры Солнца, расстояния между ними. Можно было нарисовать схему мира, и она, если не брать в расчёт кометы, заканчивалась Сатурном. И вот открывается Уран. Объем достоверного мира, который можно было уложить в голове, резко увеличивается (хотя бы просто потому, что объём пропорционален кубу радиуса). Как открытие Америки, Австралии или Антарктиды заполняло белые пятна на глобусе, так и открытие Урана добавляло на картинке Солнечной системы ещё один шарик. (Кстати, возможно, что, будь Уран поярче, в неделе у нас было бы не семь дней, а восемь – понимаете, почему?).

Расстояние до звёзд

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Принцип параллакса на простом примере.

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Способ определения расстояния до звёзд с помощью измерения угла видимого смещения (параллакса).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Томас Хендерсон, Василий Яковлевич Струве и Фридрих Бессель впервые измерили расстояния до звёзд методом параллаксов.

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Схема расположения звёзд в радиусе 14 световых лет от Солнца. Включая Солнце, в этой области находятся 32 известные звёздные системы (Inductiveload / wikipedia.org).

Следующее открытие (30-е годы XIX века) – определение звёздных параллаксов. Учёные давно подозревали, что звёзды могут быть похожими на далёкие солнца. Однако это всё-таки была гипотеза, причём, я бы сказал, до этого времени практически ни на чём не основанная. Было важно научиться напрямую измерять расстояние до звёзд. Как это делать, люди понимали достаточно давно. Земля вращается вокруг Солнца, и, если, например, сегодня сделать точную зарисовку звёздного неба (в XIX веке сделать фотографию было ещё нельзя), подождать полгода и повторно зарисовать небо, можно заметить, что часть звёзд сместилась относительно других, далёких объектов. Причина проста – мы смотрим теперь на звёзды с противоположного края земной орбиты. Возникает смещение близких объектов на фоне далёких. Это точно так же, как если мы вначале посмотрим на палец одним глазом, а потом другим. Мы заметим, что палец смещается на фоне далёких объектов (или далёкие объекты смещаются относительно пальца, в зависимости от того, какую мы выберем систему отсчёта). Тихо Браге, лучший астроном-наблюдатель дотелескопической эпохи, пытался измерить эти параллаксы, но не обнаружил их. По сути, он дал просто нижний предел расстояния до звёзд. Он сказал, что звёзды как минимум дальше, чем, примерно, световой месяц (хотя, такого термина тогда, конечно, ещё не могло быть). А в 30-е годы развитие технологии телескопических наблюдений позволило точнее измерять расстояния до звёзд. И не удивительно, что сразу три человека в разных частях Земного шара провели такие наблюдения для трёх разных звёзд.

Первым формально правильно расстояние до звёзд измерил Томас Хендерсон. Он наблюдал Альфу Центавра в Южном полушарии. Ему повезло, он практически случайно выбрал самую близкую звезду из тех, которые видны невооружённым глазом в Южном полушарии. Но Хендерсон считал, что ему не хватает точности наблюдений, хотя значение он получил правильное. Ошибки, по его мнению, были большими, и он результат свой сразу не опубликовал. Василий Яковлевич Струве наблюдал в Европе и выбрал яркую звезду северного неба – Вегу. Ему тоже повезло – он мог бы выбрать, например, Арктур, который гораздо дальше. Струве определил расстояние до Веги и даже опубликовал результат (который, как потом оказалось, был очень близок к истине). Однако он несколько раз его уточнял, изменял, и поэтому многие посчитали, что нельзя верить этому результату, поскольку сам автор его постоянно меняет. А Фридрих Бессель поступил по-другому. Он выбрал не яркую звезду, а ту, которая быстро двигается по небу – 61 Лебедя (само название говорит, что, наверное, она не очень яркая). Звёзды немножко двигаются относительно друг друга, и, естественно, чем ближе к нам звёзды, тем заметнее этот эффект. Точно так же, как в поезде придорожные столбы очень быстро мелькают за окном, лес лишь медленно смещается, а Солнце фактически стоит на месте. В 1838 году он опубликовал очень надёжный параллакс звезды 61 Лебедя и правильно измерил расстояние. Эти измерения впервые доказали, что звёзды – это далёкие солнца, и стало ясно, что светимость всех этих объектов соответствуют солнечным значением. Определение параллаксов для первых десятков звёзд позволило построить трёхмерную карту солнечных окрестностей. Всё-таки человеку всегда было очень важно строить карты. Это делало мир как бы чуть более контролируемым. Вот карта, и уже чужая местность не кажется такой загадочной, наверное там не живут драконы, а просто какой-то тёмный лес. Появление измерения расстояний до звёзд действительно сделало ближайшую солнечную окрестность в несколько световых лет какой-то более, что ли, дружелюбной.

Межзвёздная среда

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Йоханнес Хартман (Иоганн Гартман), немецкий астроном. Впервые доказал, что межзвёздное пространство не пустое.

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Наша Галактика по представлению Уильяма Гершеля. Солнце помечено звёздочкой чуть левее центра. «Пасть крокодила» появилась из-за того, что тёмное газопылевое облако в созвездии Стрельца закрывает от нас звёзды (daisy.astro.umass.edu с изм.).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Наша Галактика по представлению голландского астронома Якобуса Каптейна. Показаны центр Галактики и положение Солнца (astronomy.ohio-state.edu).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Компьютерная модель нашей Галактики. Она относится к типу спиральных галактик с перемычкой. Диаметр Галактики – около 100 тысяч световых лет, средняя толщина – около 1000 световых лет, количество звёзд – около 300 миллиардов (nasa.gov с изм.).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Галактику M104 из-за её характерной формы астрономы называют «Сомбреро». Отчётливо видно ребро из тёмного пылевого вещества (NASA/ESA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA).
 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Звёзды, просвечивающие сквозь облако тёмной межзвёздной пыли в созвездии Стрельца (Hubble Heritage Team, AURA/ STScI / NASA)

Когда мы смотрим на фотографии Млечного Пути, мы видим, что он какой-то клочковатый. Все эти тёмные провалы и прожилки – это не отсутствие звёзд, это пыль, которая закрывает эти звёзды. В самом начале XX века, в первую очередь трудами Иоганна Гартмана, удалось показать, что пространство между звёздами, даже там, где не видно непосредственно никаких облаков газа и пыли, не совсем пусто. Это удалось определить по очень точным и детальным анализам спектров звёзд. Был получен спектр звезды, и в этом спектре обнаружены линии, не типичные ни для звёзд, ни для земной атмосферы. Кроме того, было обнаружено, что эти спектры смещены из-за эффекта Доплера. Значит, газ, который формирует эти линии поглощения, двигается не с такой скоростью, как звезда. То есть по анализу спектров, по такому деликатному способу препарирования излучения удалось обнаружить невидимый другим способом газ между звёздами, в межзвёздном пространстве. И это многое поменяло, и в первую очередь, модели строения нашей Галактики. Уже Гершель в XVIII веке пытался строить модель нашей Галактики. Со времён Галилея стало ясно, что звёздная система, внутри которой мы находимся, уплощённая. Это достаточно плоский диск. Но где мы находимся внутри этого диска, и какие размеры у этого диска, сказать было трудно. Гершель использовал так называемый «метод черпков». Он, будучи дотошным наблюдателем, который делал к тому же самые лучшие телескопы своего времени, пошёл самым прямым путём. Он выбирал площадки на небе, в разных его частях, по-разному ориентированных относительно Млечного пути, то есть плоскости нашей Галактики, и считал количество звёзд в этих площадках. Естественно, идея была в том, что там, где больше звёзд, Галактика тянется дальше. Представьте себе, что вы заблудились в лесу. Вы пойдёте туда, где светлее, где деревьев меньше. Вам кажется, что там лес быстрее закончится. На рисунке показана схема Галактики по Гершелю. Мне она всегда напоминала крокодила. И там, где пасть крокодила, есть тёмное облако, которое закрывает от нас далёкие звёзды. Мы, согласно Гершелю, оказываемся вблизи центра Галактики. Как раз потому, что он не учитывал это поглощение. Если вы плывёте в тумане как Ёжик, то вы всегда будете в центре той сферы, которая доступна вашему взгляду. И вы не сможете увидеть, что находитесь на краю какой-то структуры, потому что доступная вам область меньше, чем эта структура. Поэтому вам кажется, что вы находитесь в центре. И даже в начале XX века, несмотря на то, что размеры Галактики были уже определены почти правильно, учёные всё равно полагали, что мы находимся вблизи центра, потому что снова было неправильно учтено поглощение света в межзвёздной среде.

Мир галактик

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Эдвин Хаббл у 100-дюймового (2.5-метрового) телескопа, который послужил для измерения расстояний до галактик, величины красного смещения и скорости расширения Вселенной (Palomar Observatory, futura-sciences.com).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Галактика Туманность Андромеды на фотопластинке Эдвина Хаббла. Хаббл обнаружил, что звезда, первоначально помеченная им как новая (N), на самом деле является переменной (VAR), похожей на хорошо изученные переменные звёзды в нашей Галактике. Хаббл подсчитал расстояние до этой звезды и обнаружил, что она была гораздо дальше, чем все известные звёзды. Из этого следовало, что «туманность» Андромеды является отдельной галактикой (Pearson Education / Addison-Wesley).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Гебер Кёртис и Харлоу Шепли, участники «Великого спора о природе спиральных туманностей».

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Спиральная галактика, вид сбоку: диск (звёздный и пылевой), центральное вздутие (балдж) и галó, которое далеко простирается за видимую часть галактики и состоит из разрежённого горячего газа, звёзд и тёмной материи.

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Галактика NGC 891, открытая Гершелем в 1784 году, считается очень похожей на нашу Галактику (Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / University of Arizona).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Классификация галактик, предложенная в 1936 Эдвином Хабблом. Изображения галактик сделаны орбитальными телескопами Спитцер и Хаббл (SIGNS, с изм.).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Красивая группа взаимодействующих галактик (Arp 273) в созвездии Андромеды находится на расстоянии 300 млн световых лет от нашей Галактики. Снимок орбитального телескопа Хаббл (NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team, STScI/AURA)

Итак, в начале XX века, отчасти благодаря открытию межзвёздного поглощения, люди начали правильно понимать параметры нашей Галактики и наше место в ней. Оставалось открыть мир галактик.

Довольно забавно, что всего лишь 100 лет назад люди не были уверены в существовании галактик. Если вы с помощью машины времени отправитесь на 100 лет назад и, чтобы не скучать, возьмёте с собой плеер и полный набор Звёздных войн, то начало фильма будет людям того времени непонятно. Они спросят, а что это такое – «далёкие-далёкие галактики»? В 1920 году в Национальном музее естественной истории в Вашингтоне был проведён публичный диспут между Гебером Кёртисом и Харлоу Шепли о природе спиральных туманностей. Со времён создания первых крупных телескопов люди поняли, что многие туманности, видимые на небе, имеют особую спиральную структуру. И довольно быстро люди начали подозревать, что это структуры, похожие на нашу Галактику. Но доказать это было чрезвычайно трудно, поскольку даже разглядеть отдельные звёзды в этих туманностях не удавалось. Кёртис считал, что спиральные туманности – это гигантские звёздные системы, звёздные острова за пределами нашей Галактики. А Шепли, несмотря на то, что он был очень хорошим астрофизиком, отстаивал, как мы теперь знаем, неправильную точку зрения, что все эти туманности находятся внутри нашей Галактики, которая и есть вся Вселенная. Конечно, в таких спорах истина не рождается, этот диспут остался в истории как интереснейшее интеллектуальное шоу. И ответ, конечно же, пришёл благодаря наблюдениям.
Ключевой вклад в понимание структуры космоса внёс Эдвин Хаббл, в начале 1920-х годов начавший работать с новым 2,5-метровым телескопом. По тем временам это был самый мощный телескоп в мире. Сейчас такие телескопы гораздо доступнее, отдельные университеты относительно легко могут получать телескопы такого диаметра. Хаббл с помощью этого телескопа обнаружил особые переменные звёзды, цефеиды, в нескольких близких галактиках, в первую очередь, в Туманности Андромеды. Посмотрите на фотографию из реальной работы Хаббла (благо, теперь все, по крайней мере, классические статьи доступны в интернете). Разными символами обозначены цефеиды – переменные звёзды, которые обладают замечательным свойством – они пульсируют, причём это действительно физические пульсации. Такая звезда становится ярче, когда сжимается (потому, что нагревается). И период пульсации хорошо связан со светимостью звезды. То есть, если вы наблюдаете период пульсации и видите видимый блеск звезды, вы можете измерить расстояние до неё. Это обнаружила в начале XX века Генриетта Ливитт. Это очень здорово, поскольку измерить параллаксом расстояние до звёзд в Туманности Андромеды невозможно. Хаббл наблюдал большое количество цефеид (очень важно, что именно большое количество, не одну-две цефеиды, это и до Хаббла было сделано), надёжно проведя крупномасштабное исследование, и смог определить расстояние до нескольких близких галактик.

В этот момент перед человечеством действительно раскрылся удивительный мир галактик. Оставалось сделать последний важный шаг и открыть самое грандиозное явление, происходящие в природе, – расширение Вселенной.

Расширение Вселенной

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Рисунок из статьи Хаббла «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей».

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Расширение Вселенной на простом примере: галактики приклеены к шарику и не увеличиваются в размере, а расстояние между ними растёт по мере надувания шарика (sinapress.ir).

График, который вы видите, – это самая главная научная картинка в мире. Это первая картинка, которая показывает глобальнейший процесс – расширение Вселенной. Это иллюстрация из работы Хаббла 1929 года. По горизонтальной оси – расстояние до галактики, по вертикальной – скорость её удаления. Для нескольких галактик скорость отрицательная (они приближаются к нам). Хаббл мужественно провёл прямую линию через эти точки, и теперь мы называем именно это «законом Хаббла». Очень простой и одновременно очень важный закон. Скорость удаления объекта прямо пропорциональна собственному расстоянию до него. Вселенная расширяется. Что было нужно Хабблу для этого результата? Во-первых, нужно было научиться получать хороший спектр, чтобы измерять скорости, во-вторых, нужен был метод определения расстояний. Спектры и определения скоростей уже делали до него. Уже определили, что галактики в среднем удаляются от нас. С расстояниями было сложнее. Хаббл придумал очень хороший способ. Вот смотрите: есть нации низкорослые, а есть высокорослые. Но максимальный рост везде примерно одинаковый (посмотрите олимпийский турнир по баскетболу – все сборные примерно одного роста). То есть самые высокие люди везде одинаковые. Так и для звёзд: самые яркие звёзды примерно одинаковы в каждой галактике. На самом деле Хаббл выбрал не звёзды, а яркие туманности, подсвеченные большим количеством звёзд, но, волею судеб, они тоже одинаковые в разных галактиках, и поэтому относительное расстояние всё равно он определил правильно, хоть с систематическим сдвигом. Итак, Хаббл смог установить удивительный факт: все галактики от нас удаляются, и, чем дальше они находятся, тем быстрее удаляются.

Означает ли это, что мы находимся в центре расширения Вселенной? Ничего подобного. Если мы перелетим на соседнюю Галактику, мы увидим то же самое. Можно прыгать с галактики на галактику, и всегда нам будет казаться, что все галактики от нас удаляются. Потому, что расширяется, собственно, Вселенная. Можно говорить, что расширяется пространство, но более правильно говорить, что изменяется метрика. Там есть такой коэффициент, который растёт со временем, и в этом смысле иллюстрация с надувающимся шариком, где сами галактики приклеены к шарику и не раздуваются по ходу расширения, (тем не менее, расстояние между ними растёт), ухватывает очень важное свойство расширение Вселенной. Это, возможно, действительно одно из самых важных открытий, а в неживой природе, я бы сказал, это самое главное открытие. Весь мир вдруг предстал эволюционирующим. Второе сравнимое открытие – открытие биологической эволюции. Изменчивость, эволюционность, – это чрезвычайно важное свойство нашего мира, и при этом достаточно понятное. Об этом может быть рассказано простыми словами безо всяких формул.

Реликтовое излучение

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Арно Пензиас и Роберт Уилсон – первооткрыватели космического микроволнового фона (v.uecdn.es).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Рупорная антенна Пензиаса и Уилсона в Нью-Джерси (фото: NASA).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Панорама неоднородностей реликтового излучения Вселенной. Красные цвета означают более горячие области, а синие цвета — более холодные области (NASA / WMAP Science Team).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Георгий Гамов и Ральф Альфер предсказали реликтовое излучение на основе созданной ими первой теории горячего Большого взрыва (encyclopedia.gwu.edu и aps.org).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Некоторая доля «шума» на телевизорах с аналоговой антенной вызвана именно реликтовым излучением.

Следующие важные открытия (включая открытие квазаров, которые не попали в список), были совершены в шестидесятые годы, и начнём мы в хронологическом порядке с обнаружения реликтового излучения.

Итак, Вселенная представлена расширяющейся. Значит, в прошлом плотность была больше (вся Вселенная расширяется, то есть в каждой точке плотность когда-то была больше). Довольно очевидно, что и температура была больше. Вопрос – насколько. Была ли Вселенная изначально горячей или холодной? Ответ дали Георгий Гамов и Ральф Альфер, которые изучали процесс так называемого первичного нуклеосинтеза. В какой-то момент своей эволюции (спустя несколько десятков секунд после начала расширения), Вселенная пришла в такое состояние, что уже могли происходить термоядерные реакции. Из частиц были только протоны и нейтроны, в том смысле, что не было ядер других элементов, но из протонов и нейтронов можно складывать другие ядра: гелий и, может быть, какие-то более тяжёлые.

Можно рассчитать, при каких температурах и плотностях идёт этот процесс. Оказывалось, что Вселенная должна быть горячей. Что всё-таки доминировать должно было излучение. После этого Вселенная расширяется, но изучение никуда не девается. У излучения слишком много фотонов, больше чем протонов в примерно миллиард раз. И это излучение должно было остаться с тех пор. Вселенная расширяется, при расширении всё, как известно, остывает (и излучение в том числе), поэтому современная температура излучения должна быть низкой. И Альфер и Гамов правильно рассчитали эту температуру – несколько кельвинов, грубо говоря, минус 270 градусов Цельсия. Это излучение совершенно случайно обнаружили в 1965 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон. Их антенна зафиксировала шум, приходящий равномерно со всех сторон. Теоретики немедленно это объяснили, поскольку вся теория уже была готова, а Пензиас и Уилсон получили в 1978 году Нобелевскую премию по физике. На карте неоднородности реликтового излучения мы видим портрет Вселенной в молодости. Мы видим, как температура была распределена по Вселенной спустя примерно 300 тысяч лет после начала расширения. И поэтому мы многое напрямую узнаём об этой эпохе именно по реликтовому излучению. Важно также, что реликтовое излучение шло к нам через всю видимую вселенную, просвечивая её. Значит, вот эта карта вобрала в себя всю Вселенную. И поэтому самым важным инструментом космолога на сегодняшний день является реликтовое излучение.

Нейтронные звёзды

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Нейтронная звезда в разрезе (v.uecdn.es).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Магнитар (тип нейтронных звёзд с исключительно сильным магнитным полем). Рисунок (ESO/L. Calçada).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Джоселин Белл Бернелл, первооткрыватель пульсаров (alchetron.com).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Нейтронная звезда EXO 0748-676 (синяя сфера в изображении) вращается вокруг общего центра масс вместе с обычной звездой. Художник показал, как вещество обычной звезды перетекает на нейтронную звезду под действием её сильной гравитации (NASA).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Кассиопея A – остаток сверхновой в созвездии Кассиопея, на расстоянии 11 тысяч световых лет от Солнца. В результате взрыва, который произошёл примерно в 1680 году, образовалась нейтронная звезда – самая молодая из наблюдаемых нейтронных звёзд нашей Галактики. Изображение составлено из трёх фотографий. Красный цвет – данные в инфракрасном диапазоне (телескоп «Спитцер»), оранжевый – видимый диапазон (телескоп «Хаббл»), зелёный и синий – рентгеновский диапазон (телескоп «Чандра»). На врезке – иллюстрация художника (X-ray: NASA / CXC / UNAM / Ioffe / D.Page, P.Shternin et al; Optical: NASA / STScI; Illustration: NASA / CXC / M.Weiss).

Следующее важное открытие шестидесятых годов – нейтронные звезды. Нейтронными звёздами я занимаюсь профессионально, у меня даже есть про них популярная книжка «Суперобъекты: звезды размером с город». Открыты они были совершенно случайно, и это открытие в 1974 году было отмечено Нобелевской премией. Интересно, что девушка, которая их, собственно, и открыла, не была включена в число лауреатов – это считается одной из самых больших ошибок Нобелевского комитета. Нейтронные звёзды вобрали в себя всю физику, и это очень легко объяснить. Мы берём любой объект, начинаем его сжимать, и он становится всё концентрированнее. Выше температура, плотность, магнитные поля, гравитационные – всё интереснее и интереснее. Мы приближаемся к экстремальному режиму. Если вы пережмёте, то всё упадёт в чёрную дыру. И тогда информация к нам из-под горизонта не попадёт. А нейтронная звезда – это там, где природа вовремя остановилась. Часть процессов нам видна напрямую, если это происходит вблизи поверхности, часть не видна, потому что это происходит под поверхностью и в центре, но косвенными методами мы можем это вытаскивать. И это чрезвычайно важная, интересная область физики и астрофизики. Есть большая популяция самых разных нейтронных звёзд, их любят за эти экстремальные свойства. Пульсары используют для проверок теория гравитации, за открытие первой двойной нейтронной звезды (нейтронная звезда плюс нейтронная звезда) тоже дали Нобелевскую премию по физике. Это стало на тот момент лучшим тестом для проверки Общей теории относительности. Сейчас мы ждём, когда будут открыты слияния нейтронных звёзд и гравитационные волны от этого события. Это крайне интересно потому, что мы всё-таки хотим в деталях узнать, что находится внутри нейтронной звезды. Чтобы узнать, что находится внутри какого-то предмета, его надо разобрать. Чтобы разломать нейтронную звезду, нужна другая нейтронная звезда. Поэтому самый лучший способ это сделать – попытаться увидеть, как две нейтронные звезды сольются, при этом произойдёт яркая вспышка. И, по всей видимости, вспышки мы такие наблюдаем. Много важной информации приходит с гравитационными волнами. И мы ждём, пока детектор LIGO или достигнет такой чувствительности, чтобы точно за несколько месяцев увидеть это событие, или просто нам повезёт, и на расстоянии меньше, чем 100 млн световых лет произойдёт такое слияние, и тогда LIGO сможет это увидеть. Тогда мы сможем узнать, из чего состоят нейтронные звёзды. Это очень важный вопрос, важный не только для астрономии. То есть снова мы говорим о том, что важное астрономическое открытие выходит за рамки просто астрономии. В данном случае это будет важно для ядерной физики, и отчасти для физики элементарных частиц.

Планеты у других звёзд

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Экзопланета на орбите коричневого карлика 2M1207. Это первый в истории снимок экзопланеты (2004 год). Период её обращения вокруг звезды превышает 2450 лет (ESO Paranal Observatory).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Изменение блеска звезды Kepler-6, вызванное прохождением по её диску экзопланеты Kepler-6b. Год на этой планете длится всего 3,2 земных дня (Поташев Р. Е.).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Взгляд художника на закат трёх светил на предполагаемом спутнике планеты HD 188753 A b. Эта планета (размером примерно с Юпитер) обнаружена в 2005 году с помощью телескопа на вершине горы Мауна Кеа на Гавайях. Период обращения планеты вокруг главной звезды системы составляет чуть больше трёх дней.

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Фотография системы Беты Живописца (63 световых года от Солнца). Это самая быстровращающаяся из известных экзопланет: один оборот вокруг звезды она делает за 8 часов (ESO/A.-M. Lagrange et al.).

Поскольку люди давно подозревали, что звёзды – это далёкие солнца, то они подозревали и о том, что у других звёзд могут быть планеты. С какого-то времени их стали называть «экзопланеты», то есть планеты, вращающиеся не вокруг Солнца, а вокруг другой звезды. Очень простое, понятное определение. Но обнаружить экзопланеты очень трудно. Они маленькие, сами они светят слабо, находятся рядом с яркой звездой, и увидеть их непросто. Экзопланеты начали открывать разными способами разные группы исследователей. Только в 90-е годы XX века, 25 лет назад, была надёжно открыта первая экзопланета. Сейчас число надёжно открытых экзопланет – на уровне 5000.

Удивительно, что первая надёжно открытая планета была открыта в 1992 году у нейтронной звезды – радиопульсара. Это как у Стругацких: «Дети, запишите: «рыба сидела на дереве»». – «Учитель, но рыбы не сидят на деревьях!» – «Это была сумасшедшая рыба». Никто не думал, что планеты могут существовать вокруг нейтронных звёзд. Оказалось, что они там есть. Вот такая сумасшедшая планета. Недавно появилась статья, в которой обсуждается возможность существования жизни на таких планетах. Первая надёжная планета вокруг нормальной звезды (51 Пегаса b) была открыта в 1995 году Мишелем Майором и Дидье Кело. Но и до этого находили подобные объекты. Одна группа обнаружила в 1988 году объект, который казался планетой, и спустя 15 лет это удалось подтвердить. Это действительно планета, но «надёжной» она стала всего лишь 14 лет назад. В 1989 году открыли очень надёжный объект, но про него мы до сих пор не знаем – планета это или так называемый бурый карлик. В звёздах идут термоядерные реакции горения нормального водорода, его много, в планетах никакие термоядерные реакции не идут, а в бурых карликах идёт горение дейтерия (изотопа водорода), его мало, но, тем не менее, возникают такие «недозвёзды», которые называют бурыми карликами.

Что было неожиданного в открытии экзопланет? То, что первые открытые планетные системы оказались совершенно не похожими на нашу. Первые открытые планеты относились к классу так называемых «горячих юпитеров». Это гигантские газовые планеты, такие, как Юпитер, иногда больше раз в десять, которые находятся очень близко от своих звёзд. Они делают оборот вокруг своей звезды не за несколько лет, как наши гигантские планеты, а иногда – за несколько часов. Они едва ли не чиркают по диску звезды. Вскоре (это «вскоре» может означать миллионы лет) они упадут на свою звезду или перетекут на неё. Что удивительно, они не могли там образоваться никаким способом. Их надо было «делать» где-то далеко, а потом каким-то способом тянуть к звезде, и последние годы люди активно занимаются изучением этих процессов.
Открытие экзопланет – замечательный пример того, как было прорублено новое окно во Вселенную, появился новый тип объектов – открылась «бездна, экзопланет полна». Они очень необычные, они часто не похожи на планеты Солнечной системы, они явно имели другую историю формирования, имеют другой химический состав, и всё это очень интересно. Поэтому экзопланетная астрофизика сейчас одна из самых бурно развивающихся областей этой науки.

Ускоренное расширение Вселенной

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Состав Вселенной по данным WMAP (это космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва). 74 % — тёмная энергия, 22 % тёмная материя, 3,6 % межгалактический газ, 0,4 % — наблюдаемые звезды (Nemets79).

 
 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Возможные сценарии эволюции Вселенной.

Наконец, последнее большое открытие – ускоренное расширение Вселенной. Если взять любую научно-популярную книжку о космологии, изданную до 2000 года, то, говоря о будущем Вселенной, авторы всегда обсуждали три сценария. Когда я преподавал в школе (с 1993 по 2002 год), то до 1998 года я рассказывал примерно то же самое. Итак, Вселенная начала расширяться, но самая главная действующая во Вселенной в большом масштабе сила (гравитация) стремится остановить это расширение. Дальше всё зависит от того, насколько много вещества, массы, насколько велика средняя плотность вещества. Если она больше некоторой критической, то всё это вещество схлопнется обратно, и, как это замечательно написано у Дугласа Адамса, получится обыкновенный gnab-gib, то есть big-bang наоборот. Если плотности не хватит, Вселенная будет расширяться всё медленнее и медленнее, но будет делать это всегда. Ну и, наконец, есть психологически приятный для нас промежуточный режим, когда расширение идёт всё медленнее и медленнее, и выходит на что-то постоянное. Мы подсознательно хотим какой-то стабильности в будущем, в том числе и в будущем нашей Вселенной. Такие три варианта всегда в основном рассматривались в популярной литературе. На самом деле космологи в своих книжках и статьях рассматривали и четвёртый вариант. И не только потому, что ключевой ингредиент этого варианта из совершенно других соображений придумал Эйнштейн в 1917 году, 100 лет назад. Во Вселенной может быть нечто, что заставляет её расширяться всё быстрее и быстрее. То, что работает «как будто» антигравитация. В Общей теории относительности никакой настоящей антигравитации нет. Но вы можете добавить нечто – какую-то среду, поле и ещё что-то, что обладает отрицательным давлением. И тогда в Общей теории относительности это будет приводить к кажущейся антигравитации. Приводить к тому, что объекты будут отталкиваться друг от друга, будучи погруженным в эту среду. Даже если объекты не погружать, у вас метрика будет расширяющейся. Так вот, неожиданно, в 1998 году две группы астрономов открыли это ускоренное расширение Вселенной. Они наблюдали сверхновые особого типа. Это взрывы белых карликов. Белый карлик – это то, что получится из Солнца, такой очень стабильный шарик. Но, если мы будем увеличивать массу белого карлика, то рано или поздно он взорвётся. Он взрывается, добравшись до некоторой критической массы, и поэтому такие взрывы (они называются взрывы сверхновых типа Ia) очень похожи друг на друга. Иногда о них говорят, что это «стандартные свечи». На самом деле взрыв происходит не точно на критической массе. Представьте себе: белый карлик и нормальная звезда. Вещество с нормальной звезды постепенно перетекает на белый карлик, у него растёт масса, она вырастает до критической и происходит взрыв. Тут всё более-менее должно быть стандартно. Но большая часть взрывов происходит по другой причине. У вас есть два белых карлика в системе, и они сливаются. Их масса может оказаться точно равна критической, но, скорее всего, она будет немного больше, а в некоторых случаях – почти в два раза. И поэтому взрывы разные. Но люди научились по характеру взрыва, по данным наблюдений рассчитывать светимость. Благодаря, в первую очередь, орбитальному телескопу имени Хаббла, удалось наблюдать сверхновые Ia на очень больших расстояниях. Это очень мощные взрывы, потому, что белый карлик при этом разрушаются целиком. Происходит глобальный термоядерный взрыв. Кстати, бóльшая часть железа, с которым мы имеем дело в повседневной жизни, родилась именно в результате взрыва в таких белых карликах. Так вот, наблюдая очень мощные взрывы на больших расстояниях, люди научились независимо определять расстояние до далёких галактик. С одной стороны, у нас есть красное смещение, и мы по космологической модели можем рассчитать это расстояние. А теперь мы его измеряем напрямую и сравниваем. И оказалось, что далёкие галактики находятся чуть-чуть дальше, чем им положено. То есть что-то в теории не так, нужно подкрутить какие-то параметры. И, когда попробовали это сделать, используя доступный космологический инструментарий, то оказалось, что надо добавить в уравнения тот самый лямбда-член, который ввёл Эйнштейн 100 лет назад, это нужно для того, чтобы Вселенную ещё немножко растянуть. И когда посчитали, сколько нужно вот этой необычной среды, оказалось что сейчас, в наше время, она доминирует. Результат был удивительным, сводится он сейчас к тому, что около 70% полной плотности нашей Вселенной связано именно с вот этой загадочной средой, которую назвали тёмная энергия. Энергия – потому, что её везде одинаково. Тёмное вещество можно «собрать в кучу», а тёмная энергия везде одинакова. И поскольку открытие было очень важное, его надо было перепроверить. Его довольно быстро перепроверили совершенно разными способами (не только по сверхновым), и поэтому спустя всего лишь несколько лет после публикации статьи, за открытие ускоренного расширения Вселенной была вручена Нобелевская премия. Строго говоря, мы не знаем, почему происходит это ускоренное расширение. Мы описываем, его вводя тёмную энергию. Мы не знаем, что это такое – то ли свойство вакуума, то ли какое-то новое физическое поле, люди над этим работают, ответа нет, это очень важный вопрос, очень интересная физическая загадка, и, скорее всего, не только астрофизическая, но и физическая. Но Вселенная, как минимум последние несколько миллиардов лет, действительно расширяется ускоренно, это очень надёжные данные. Это переписывает нашу картину мира, это меняет наше представление о будущем Вселенной.

Заключение

Напомним, почему мы выбрали именно эту десятку для нашего разговора. Все эти открытия существенно меняют текущую картину мира. Из-за каждого приходилось переписывать учебники. На первый взгляд они так или иначе противоречили здравому смыслу (по крайней мере, сложившемуся положению вещей): космос не пустой, Вселенная расширяется, другие планетные системы не похожи на нашу. Всё это, действительно, очень необычно. Но, я бы сказал, что это не создаёт какой-то интеллектуальный дискомфорт, а, наоборот, раскрывает горизонты, расширяет наше сознание. Все эти открытия создавали новые возможности для развития, они создали новые области исследований. Вот не было нейтронных звёзд, а теперь есть нейтронные звёзды. Я, например, занимаюсь нейтронными звёздами, значит, появилась моя узкая специализация. И эти открытия давали новые разные возможности, вплоть до прикладных. По невошедшим, как вы помните, в десятку квазарам мы теперь ориентируемся (космическая система ориентации построена на квазарах), а для межпланетных станций разрабатывается ориентация по нейтронным звёздам. Так что это действительно большие многообещающие открытия, о которых, к счастью, можно рассказать простым языком.

Что читать и смотреть?

 Стенгазета «Главные астрономические открытия: рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней»
Книги, автором или соавтором которых является Сергей Попов (xray.sai.msu.ru).

«Суперобъекты: звёзды размером с город» (эта книга вошла в лонг-лист премии «Просветитель» 2016 года).

Научно-популярная страница Сергея Попова (со ссылками на видео- и телепрограммы, выступления на радио, интервью, статьи и пр.).

Календарь научно-популярных лекций.

Обзоры препринтов научных статей по астрофизике (пополняется каждый рабочий день).

Статьи Сергея Попова на arXiv.org – крупнейшем бесплатном архиве электронных публикаций научных статей и их препринтов.

Записи вебинаров для учителей по астрономии на Образовательном портале «Российский учебник».

Ежемесячные обзоры важнейших астрономических открытий на сайте издания gazeta.ru.

Курсы лекций о физике компактных объектов и об экзопланетах и другие материалы на сайте ПостНауки – проекта о современной фундаментальной науке.

Курс лекций «Астрофизика для школьников с формулами» на Образовательном портале InternetUrok.ru

Научные фильмы: «В ожидании волн и частиц» и «Великое объединение нейтронных звёзд»).

Выступление Сергея Попова на церемонии вручения ему премии «За верность науке» 8 февраля 2016 года.

Отдельно отметим интервью Сергея Попова в 19 выпуске нашей стенгазеты «Коротко и ясно о самом интересном» – в чём состоит открытие ускоренного расширения Вселенной и почему оно удостоено Нобелевской премии по физике 2011 года.


 
 
 


 
Спасибо, друзья, за внимание к нашей публикации. Мы были бы вам очень признательны за оставленный отзыв. В наших следующих выпусках: современные исследования Медного всадника и Гром-камня, Александровская колонна, следы животных и другие интересные темы. Напоминаем, что наши партнёры в своих организациях бесплатно раздают наши стенгазеты.
 

Читайте и другие наши выпуски, посвящённые астрономии и космонавтике.
 

91. Подвиг Гагарина (устройство космической ракеты и порядок взлёта и приземления).

74. Лучшие фотографии космического телескопа Хаббл.

58. «Заправлены в планшеты космические карты» (консультант – астроном Дмитрий Вибе).

51. Сокровища новогоднего неба.

44. Коротко и ясно о метеоритах (интервью с Дмитрием Вибе).

27. Космический дом: устройство МКС (интервью с астронавтом Франком Де Винне).

11. Краткая история космонавтики (от крыльев Икара до любопытного марсохода).

 
Ваш Георгий Попов, редактор к-я.рф

 
 
 
 
 

Буду рад, если вы найдёте ошибку, выделите её и нажмёте Ctrl+Enter.


Спасибо!

Теперь редакторы в курсе.

Cloudim - .