Категории статей Популярная астрономия

Астрофизика в Пулково и не только

О чем рассказывает новая авторская экскурсия старшего научного сотрудника Лаборатории физики звезд Пулковской обсерватории Кирилла Масленникова.

Пулковская обсерватория запускает новую экскурсию – «Астрофизика в Пулково и не только». Ее автор, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Лаборатории физики звезд, ведущий программы «Заметки астронома» на YouTube-канале QWERTY Кирилл Масленников, рассказывает об астрофизике – одном из направлений астрономии, которое сделало в последние десятилетия множество открытий.

Астрометрия.

Пулковская обсерватория была задумана и построена как классическая астрометрическая* обсерватория. Тогда, в середине XIX века, знание координат небесных тел помогало мореплавателям держать курс и ориентироваться в океане. На протяжении многих десятилетий именно такая астрометрическая работа оставалась главной в стенах обсерватории.

*Астрометрия – раздел астрономии, изучающий геометрию небесных тел и создающий систему координат для астрономических измерений. Определяет положения и движения небесных объектов из наблюдений.

Черная дыра в галактике Messier 87, 55 млн световых лет от Земли, данные «Телескопа горизонта событий».

С приходом в нашу жизнь спутниковой связи, мореплавателям уже не нужно ориентироваться по звездам и знать их координаты. И куда большее значение стали приобретать астрофизические** открытия. Требования к качеству неба изменились: для получения необходимого для астрофизиков излучения, нужны уникальные, редкие земные условия: стабильно ясное небо, очень низкая влажность и отсутствие населенных пунктов в радиусе 30-50 км. Построению идеальной астрофизической обсерватории предшествуют годы, иногда десятилетия исследований и экспедиций, поиски подходящего места.

Для решения астрофизических задач нужно еще одно условие – уникальная техника. Современные телескопы очень большие, они должны собирать как можно больше света, поскольку излучение от далекой звезды чрезвычайно мало и примерно равно триллионной части энергии комара. При этом телескоп должен иметь очень высокое разрешение. Популярная фотография черной дыры в галактике Messier 87 была сделана с разрешением около 10 микросекунд дуги. При этом одна микросекунда дуги – миллионная доля секунды дуги, а секунда дуги – угол, создаваемый рублевой монетой с расстояния в 1 километр.

**Астрофизика – раздел астрономии, изучающий строение небесных тел и физические свойства космических объектов. Астрофизики меньше занимаются наблюдениями, но больше работают с полученными данными. Например, определяют физические параметры звезд по излучению, полученному от них.

Очень Большой Телескоп, Чили.

«Пулково сегодня решает определенный узкий круг задач, — говорит Кирилл Масленников. — Они, безусловно, важны для науки, но обсерватория, проводящая современные точные наблюдения, выглядит иначе». Например, Очень Большой Телескоп расположен в горах чилийской пустыни Атакама, на высоте 2635 метров. Это четыре 8-метровых телескопа-рефлектора, которые могут работать как одно целое, и четыре передвижных двухметровых телескопа.

Одна из задач астрофизики – изучение световых потоков и определение их отличий в разных диапазонах спектра. Цвет звезды – не просто красивая картинка. За ним стоит множество данных. Например, цвет звезды говорит о ее температуре (красные – холоднее, голубые – горячее). Также изучение астрофизиками света звезд дало человечеству понимание самой «жизни» звезды: как она появляется из пыли и газа, как на определенном этапе в ней начинается термоядерная реакция и звезда «зажигается», горит несколько миллиардов лет и затем начинает расширяться, сбрасывает верхние оболочки и превращается либо в белого карлика, либо в черную дыру.

Солнечный спектр.

Еще одним «орудием» современной астрофизики стал спектр – разложение белого света на составляющие. Спектр, как и цвет, способен дать много информации. Когда свет проходит через вещество, оно его поглощает в определенной длине волны, соответствующей атомам этого вещества. На спектре это выглядит как сеть темных линий. По их расположению можно узнать состав вещества, находящегося в атмосфере звезды, через которую прошел свет от нее. Фактически, таким способом можно выяснить химический состав всей Вселенной.

Также по этим линиям можно судить о температуре в данной области, о магнитных полях, о скоростях движения.

Второе удивительное и важное открытие современной астрофизики – красное смещение Хаббла – изменение длины волны в зависимости от того, приближается к нам свет объекта или удаляется. Чем больше красное смещение, тем быстрее удаляется объект. Измеряя спектры далеких галактик и расстояния до них, ученый Эдвин Хаббл обнаружил, что чем больше красное смещение, тем больше расстояние до галактики. Это означало, что чем дальше галактики, тем быстрее они от нас удаляются. Так была выдвинута Теория Большого взрыва, которая объяснила это явление.

Третье большое достижение современной астрофизики, которому способствовало появление нового спектрографа и использование эффекта Доплера – открытия планет у других звезд. Дело в том, что планета имеет массу и немного притягивает к себе звезду – смещение линий по эффекту Доплера можно наблюдать при помощи мощного спектрографа. Чувствительность таких измерений сегодня – полметра в секунду. Благодаря этим исследованиям на данный момент открыты около 4000 планет вне Солнечной системы.

Именно благодаря астрофизике была открыта одна из главных загадок современной астрономии – черная дыра. Советские ученые-астрофизики Рашид Сюняев и Николай Шакура в 1970-х годах прошлого века разработали теорию аккреционных дисков, благодаря которой объяснили необычную способность к очень яркому свечению далеких черных дыр – квазаров. Их работа до сих пор остается самой цитируемой научной работой в области астрономии в мире.

Ученые Пулковской обсерватории сегодня занимаются изучением излучения, которое идет от таких объектов.

Кирилл Масленников:

Мы живем в абсолютно уникальное время. Буквально недавно друг за другом произошли несколько научных революций. Это коренные изменения в самой основе наших знаний. Они касаются астрономии, теории строения вещества и биологии. Такого количества открытий и перемен, которые я застал за время своей работы, в прежние времена хватило бы на несколько сотен лет.

В масштабах Вселенной люди – крошечные букашки. Но именно нам, именно в нашем веке, удалось понять, как устроена вся Вселенная. Сейчас мы довольно точно знаем, что происходило после Большого взрыва.

Также в рамках экскурсии можно узнать о том, как развивалась астрофизика в России и в мире, о самых выдающихся экспонатах астрономического музея, прикоснуться к настоящему метеориту и посетить павильон самого большого в Пулково телескопа-рефрактора, наблюдения на котором проводятся практически каждую ночь.

Всеволновая Вселенная. За пределами человеческих возможностей

О чем рассказывается на новой экскурсии в Пулковской обсерватории.

Не секрет, что видимый человеческому глазу мир – лишь малая часть большого спектра электромагнитных волн.

Огромное число открытий было сделано астрономами именно при помощи визуальных наблюдений за небесными объектами. Но не менее интересный мир таится по обе стороны узкой полоски оптического излучения. Масса открытий сегодня делается при исследовании планет и звезд в радиоволнах, в частности, в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах, инфракрасном, ультрафиолетовом и рентгеновском излучении. Об этом – новая экскурсия Пулковской обсерватории «Всеволновая Вселенная».

Наблюдения в видимом диапазоне были основным способом постижения тайн небесных светил на протяжении нескольких веков. Астрономы смотрели глазом в окуляр телескопа и совершали открытия, а вся техническая база была направлена на создание более мощных инструментов. Большая линза собирает больше света. Но большую линзу сложнее изготовить. Довольно быстро стало понятно, что в какой-то момент размер и вес линзы начинает работать против: труба объектива гнется под весом линзы, а сама линза начинает вносить больше искажений в изображение звезд что в конечном счете ухудшает точность наблюдений.

Для получения более точных данных в видимом диапазоне сегодня используются телескопы-рефлекторы, в которых роль линзы выполняет зеркало или система зеркал – система адаптивной оптики. К наблюдениям в видимом диапазоне относятся и космические телескопы: точность их данных выше, а каталоги звезд полнее, поскольку атмосфера Земли не создает помех при получении данных.

Инфракрасное излучение: температура Земли в июле 2018. NASA Earth Observations.

Ученым, открывшим волны вне видимого диапазона, был Уильям Гершель. Астроном провел эксперимент: расщепив солнечный луч призмой, он измерил температуру каждой полосы спектра. С удивлением он отметил, что область за красной полосой тоже нагревалась. Так ученый открыл инфракрасное излучение. В быту мы ощущаем его как тепло. Инфракрасное излучение (равно как и излучение в других диапазонах электромагнитного спектра) исходит от всех тел, температура которых выше абсолютного нуля, то есть от всех известных тел во Вселенной.

Именно благодаря наблюдениям в инфракрасном диапазоне человечеству удалось увидеть центр нашей галактики Млечный Путь. В других длинах волн получить высокую точность наблюдений не удавалось: мешала космическая пыль и газ. Именно так было сделано важнейшее открытие последних лет – по движениям окрестных звезд было определено положение черной дыры в центре Млечного пути.

Длинноволновой окраиной  инфракрасного диапазона (на границе с радиоволнами) является субмиллиметровое излучение. Именно на такой длине волны наблюдает одна из самых современных обсерваторий современности – чилийская обсерватория ALMA. И именно возможности этого диапазона позволили получить первое в истории изображение чёрной дыры в галактике Дева А (или М87).

Космический телескоп «Чандра».

Наблюдения с земной поверхности доступны лишь в видимом свете и радиоволнах. Все прочие наблюдения выносятся за атмосферу. Например, в гамма-спектре и рентгеновском диапазоне изучает космический телескоп «Чандра», в ультрафиолетовых лучах Солнце изучает космическая Обсерватория солнечной динамики, в инфракрасных лучах – космический аппарат «Спитцер». Поскольку техногенное излучение Земли в радиодиапазоне сегодня довольно велико, ученые обдумывают возможность установки радиотелескопа на обратной стороне Луны, чтобы исключить земные помехи.

Поверхность Венеры в радиодиапазоне.

Венеру видно с Земли ровным белым шаром: облака в ее атмосфере настолько плотные, что поверхность самой планеты в видимом диапазоне не видна. Космические аппараты, которые запускались к Венере, работали всего несколько часов: техника выходила из строя из-за высокой температуры (460 градусов по Цельсию) и кислотных дождей. В инфракрасном диапазоне видны уже нижние слои облаков. В радиодиапазоне становится «видна» вся поверхность планеты, со всеми ее горами и впадинами.

Именно в радиодиапазоне регистрируется и реликтовое излучение – излучение, оставшееся после Большого Взрыва. Оно равномерно заполняет всю Вселенную и имеет температуру около 3 градусов по Кельвину, то есть едва выше абсолютного нуля.

Большой Пулковский радиотелескоп.

В арсенале Пулковской обсерватории есть как инструменты для наблюдений в видимом диапазоне, так и для наблюдений за его пределами. Один из них – Большой Пулковский радиотелескоп. Это 90 подвижных отражающих щитов, установленных полукругом. Если завершить эту окружность, ее диаметр составит 100 метров. Пулковский радиотелескоп является прототипом крупнейшего в мире радиотелескопа РАТАН-600, установленного в Карачаево-Черкессии.

Об этом и многом другом – например, каким образом шлифуется идеально гладкая линза для объектива, как создаются современные телескопы, в конструкцию которых входят сотни зеркал, или зачем в XIX веке в обсерватории держали аквариум с пауками, — можно узнать на новой экскурсии «Всеволновая Вселенная».

Автор и экскурсовод канд. физ.-мат. наук, ст. н. с. отдела радиоастрономических исследований Елена Куприянова.

Новое явление: черная дыра могла поглотить нейтронную звезду

Впервые в истории, возможно, зафиксировано поглощение нейтронной звезды черной дырой.

Обсерватории LIGO и Virgo зарегистрировали гравитационную «рябь», возможно, порожденную первой в истории регистрацией поглощения нейтронной звезды черной дырой. Если это предположение подтвердится, это станет первым свидетельством реального существования таких двойных систем.

В 15:22:17 UTC 26 апреля детекторы лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO в США и обсерватории Virgo в Италии сообщили о приходе волн необычного типа. Астрономы еще анализируют данные и проводят компьютерное моделирование, чтобы их проинтерпретировать. Но уже сейчас исследователи рассматривают возможность того, что им удалось зарегистрировать давно прогнозируемое событие, которое может дать огромное количество информации о космосе: от новых точных тестов общей теории относительности до измерения скорости расширения Вселенной. По всему миру астрономы соревнуются в попытках наблюдения этого явления с различными видами телескопов и приемников.

Принятый сигнал был не очень сильным – он может быть просто случайной флюктуацией. Все, конечно, возбуждены, но надо ясно понимать, что уровень значимости сигнала гораздо ниже, чем во многих предыдущих событиях. LIGO и Virgo уже регистрировали гравитационные волны—слабую рябь пространственно-временной «ткани» — от двух типов катаклизмических событий: слияний двух черных дыр и столкновений двух нейтронных звезд. Последние представляют собой маленькие сверхплотные объекты, образовавшиеся в результате коллапса массивных звезд.

Последнее же событие, предварительно обозначенное #S190426c, по-видимому, произошло на расстоянии около 375 мегапарсек (1,2 миллиарда световых лет) от нас. Исследователи построили «звездную карту», которая показывает, в какой точке неба, скорее всего, образовались гравитационные волны и опубликовали эту информацию, чтобы астрономы всего мира могли начать поиски этого события в оптике.

В рамках этого проекта работает сеть робот-телескопов по всему миру. В данном случае немедленно был задействован один из таких телескопов в Индии, где в момент прихода гравитационных волн как раз была ночь.

Накануне, в 08:18:26 UTC 25 апреля приемник LIGO в Ливингстоне, в штате Луизиана, и телескоп Virgo зарегистрировали еще один всплеск. Это событие – ясный случай слияния двух нейтронных звезд, произошедший почти два года спустя после первого исторического открытия такого же явления в августе 2017 года.

Исследователи могут делать такие выводы, так как гравитационные волны несут информацию о массе сливающихся объектов: объекты примерно вдвое тяжелее Солнца должны быть именно нейтронными звездами. Основываясь на «громкости» волн, исследователи заключили, что это столкновение произошло на расстоянии около 150 мегапарсек (500 миллионов световых лет) от нас.

Иаир Аркави (Iair Arcavi), астрофизик из университета в Тель Авиве, работающий в обсерватории Лас Кумбрес, был в это время в Балтиморе, штат Мэриленд, на конференции по «мульти-мессенджер-астрофизике»: Enabling Multi-Messenger Astrophysics (EMMA), на которой как раз обсуждались наблюдения таких событий в различных диапазонах спектра. Он был разбужен сообщением о событии 25 апреля в 5:01 утра: сообщение послал запрограммированный робот. Участников конференции тут же охватила наблюдательная лихорадка: сидя за кофейным столом, они возбужденно обменивались твитами, получаемыми с телескопов. Однако, в отличие от других аналогичных случаев, LIGO и Virgo не смогли определить направление, с которого приходят волны. Удалось очертить только широкую область примерно в четверть полушария небесной сферы. На следующий день эти границы удалось немного сузить. Все же астрономы уверены, что еще за одну-две ночи они в конце концов выявят источник излучения.

Во время слияния нейтронных звезд в 2017 г. сочетание наблюдений на разных длинах волн позволило получить огромное количество ценнейших научных данных. Спустя 2 секунды после события орбитальный телескоп зарегистрировал гамма-всплеск — который предположительно возникает, когда нейтронная звезда коллапсирует в черную дыру. Несколько месяцев около 70 других обсерваторий наблюдали явление во всех диапазонах электромагнитного спектра, от радиоволн до рентгеновских лучей.

Если событие 26 апреля все же не окажется слиянием черной дыры и нейтронной звезды, то, вероятно, это такое же столкновение нейтронных звезд, как и те два, что уже наблюдались.

Однако если все же подтвердится поглощение нейтронной звезды черной дырой, это может дать очень много такой информации, какую нельзя рассчитывать получить в ином случае. Прежде всего, это стало бы подтверждением самого существования таких систем, образующихся из двойных звезд с очень различными массами. Орбиты компонентов таких систем на последних стадиях перед слиянием должны очень сильно отличаться от случая пар черных дыр. В паре «нейтронная звезда–черная дыра, более массивная черная дыра искажает пространство вокруг себя в процессе вращения. Нейтронная звезда будет описывать вокруг черной дыры сферическую, а не квази-круговую орбиту. Поэтому такая система представляет собой гораздо более мощную тестовую установку для проверки общей теории относительности.

Наблюдения гравитационных волн и сопутствующего электромагнитного излучения может пролить свет на финальные состояния компонентов системы перед слиянием. Приливные силы должны разорвать нейтронную звезду, и эта космическая катастрофа может помочь раскрыть давнюю тайну: каково состояние вещества в недрах ультракомпактных объектов?

Коллаборация LIGO–Virgo начала новую наблюдательную кампанию 1 апреля, рассчитывая наблюдать примерно одно событие слияния черных дыр в неделю и одно слияние нейтронных звезд в месяц. Пока эти предсказания выполняются — в этом месяце было выполнено еще несколько наблюдений слияний черных дыр.

 

Не женская работа: о женщинах в астрономии

Женщин-астрономов, оставивших очевидный след в мировой науке, довольно много. Какими открытиями мы обязаны им?

Покорять – не женское дело. Тем более если речь идет о космосе. Да и в естественных науках женщин всегда было заметно меньше, чем мужчин. С другой стороны, если верить современным источникам, женщин-астрономов, оставивших очевидный след в мировой науке, очень много. Больше – только известных миру женщин-математиков. Чем же привлекал женщин космос и какими открытиями мы обязаны женщинам-астрономам?

Аглаоника

Аглаоника – первая женщина-астроном древней Греции. Ей удалось стать ученым тогда, когда другим ее современницам не разрешено было получать образование и даже выходить с супругами в свет. Уже тогда, во II веке до н.э., она умела предсказывать лунные затмения, за что прослыла колдуньей: люди считали, что Луна подчиняется Аглаонике и исчезает с небосвода по ее воле.

Гипатия Александрийская

Гипатия Александрийская, жившая в Греции в IV веке, была дочерью Теона Александрийского – известного ученого-математика, хранителя городской библиотеки. Гипатия стала не просто математиком, астрономом и философом, она читала лекции на философской кафедре Александрийской школы. Послушать ее стекались люди со всей страны. Гипатия усовершенствовала астролябию и разработала подвижную карту звездного неба, а также написала «Астрономический канон» и таблицы с данными о движении небесных тел.

К сожалению, судьба ее была незавидна: увлекшись политикой, она пала жертвой религиозных фанатиков, обвинивших ее в чародействе.

Фатима Мадридская

Как ни странно, именно в X-XI веках мусульманский мир переживал научный бум, подаривший миру множество ученых и открытий. Видной персоной того времени была Фатима Мадридская – также дочь ученого, работавшая вместе с отцом над астрономическими таблицами, включающими календари и положения Солнца и планет. Ее перу принадлежат и несколько самостоятельных научных работ.

Елизавета-Маргарита Гевелий

В Европе средних веков, равно как и в остальном мире, у женщины был лишь один путь к науке – стать помощником ученого-мужчины: отца, мужа или брата. Именно так пришла в астрономию Елизавета-Маргарита Гевелий – юная супруга польского ученого Яна Гевелия. Начав как помощница мужа, она не просто стала известным ученым, но и самостоятельно завершила их научные труды после его смерти. Их каталог, содержащий более полутора тысяч звезд, был самым полным в то время. И последним каталогом, составленным по наблюдениям без использования телескопа.

Мария Митчелл

Первой женщиной-астрономом Нового Света стала Мария Митчелл. Ее работы по открытию комет и наблюдению пятен на Солнце уже были признаны миром: в 1865 году она была принята в качестве профессора астрономии в Колледж Вассар, а вскоре стала и директором обсерватории колледжа. Чтобы попасть к ней на факультет, ученики проходили жесткий отбор. Имена 25 из них включены в почетное американское издание «Кто есть кто в Америке».

Целая плеяда звезд астрономии зародилась в так называемом «гареме Пикеринга» — вычислительном подразделении Гарвардской обсерватории, где работали исключительно женщины. Многие из них внесли неоценимый вклад в развитие мировой науки: они классифицировали и каталогизировали звезды, открывали туманности и переменные звезды, обнаруживали удивительные зависимости, которые ложились в основу последующих великих открытий.

Софья Ворошилова-Романская

Первой русской женщиной-астрономом стала Софья Ворошилова-Романская. Она работала в Пулковской обсерватории, проводила программные наблюдения широт, стоя у телескопа по 18 часов подряд, в любую погоду. Она выполнила 23,5 тысячи высокоточных наблюдений, внеся огромный вклад в развитие геодезии и навигации.

Ее последовательницы, астрономы Пулковской обсерватории Лидия Костина и Наталия Персиянинова, устроившие социалистическое соревнование в сфере наблюдений широт, набрали совместно 330 суток непрерывных наблюдений.

Нэнси Грейс Роман

Нэнси Грейс Роман была одной из первых женщин-руководителей в НАСА. Именно благодаря ее усилиям был осуществлен проект запуска телескопа «Хаббл» — телескопа, который уже три десятилетия радует землян потрясающими снимками далекого космоса.

Валентина Терешкова

СССР подарил миру первую женщину-космонавта – Валентину Терешкову. На ее счету – 48 оборотов вокруг Земли. Первая в мире женщина-космонавт, вышедшая в открытый космос, также наша соотечественница – Светлана Савицкая. Более того, первый длительный полет в космос также совершила россиянка, Елена Кондакова. Она провела на станции «Мир» почти полгода. Сравниться с ней может разве что Елена Серова, совершившая полет в 2014 году.

Елена Серова

О других женщинах-астрономах можно узнать на лекции н.с. Лаборатории проблем космической погоды Полины Стрекаловой «Дочери космоса: женщины в мировой астрономии и космонавтике». Например, о первой в мире женщине, открывшей малую планету – она была сотрудницей Пулковской обсерватории. О женщине-астрономе, объяснившей количество темной материи, а также о женщине-астрономе, открывшей радиопульсары. О женщинах-программистах, благодаря которым осуществлялись крупнейшие известные полеты астронавтов. А также о многих других представительницах прекрасного пола, покоривших космос.

Полина Стрекалова

Полина Стрекалова, н.с. Лаборатории проблем космической погоды:

В своей работе я никогда не сталкивалась с открытой гендерной дискриминацией, однако знаю, что в науке она ещё есть. И будет ещё какое-то время. Но если смотреть ретроспективно на историю науки, нельзя не отметить положительные тенденции. Сейчас во многих профессиях, требующих умственного труда, работодатель всё меньше смотрит на анкетные данные и всё больше – на уровень подготовки и профессионализма. Так что, на мой взгляд, «золотой век» гендерного равноправия ещё не наступил, но как минимум «бронзу» присуждать уже можно.

Нормальный астрограф: немузейный экспонат

Чем уникален астрономический инструмент с необычным названием.

В анонсах некоторых экскурсий в обсерватории можно увидеть приписку – «с посещением Нормального астрографа». Сегодня мы расскажем, чем уникален этот инструмент, в чем его отличия от других телескопов и почему он носит такое необычное название.

 

Чем астрограф отличается от других телескопов и какие задачи выполняет?

Нормальный астрограф был изготовлен в конце XIX века и привезен в Пулковскую обсерваторию в 1893 году. Тогда применение фотографии в астрономии только начиналось. Традиционно астрономы вели измерения, наблюдая за небесными объектами визуально через окуляр телескопа. Чтобы подчеркнуть отличие, телескопы, которые позволяют осуществить фотографическую съемку участков неба, стали называть астрографами.

Всего таких инструментов (нормальных астрографов) около двух десятков, все они были изготовлены в рамках международного проекта «Карта неба» (Carte du Ciel), инициированного французскими оптиками и астрономами Полем и Проспером Анри (Paul Henry and Prosper Henry). Проект ставил перед собой амбициозную цель – перефотографировать все небо.  Одного инструмента для этого было недостаточно: каждая фотография делалась довольно долго, от нескольких минут до часа, поскольку тогда, в конце XIX века (и почти весь XX век), для этого использовались фотопластинки.

Именно поэтому Нормальный астрограф имеет не одну, как обычный телескоп, а две трубы. Одна из них – фотографическая, в ее фокальной плоскости крепилась кассета с фотопластинкой. Вторая труба – для визуального наблюдения за фотографируемым участком неба. Астрономы вручную «помогали» часовому механизму телескопа поворачивать инструмент вслед за смещающимися по небу звездами, чтобы изображение получилось четким. Это было необходимо, так как в то время невозможно было обеспечить точное автоматическое гидирование — слежение за звездами.

 

Почему астрограф называется нормальным?

Чтобы найти объект на небе, нужно знать его координаты. Но откуда их взять, если небесный объект сфотографирован впервые? Тогда, в XIX веке, нужно было получить снимок участка неба, проявить пластинку и несколько дней высчитывать координаты. В докомпьютерную эпоху решение систем уравнений требовало длительных рутинных вычислений. Ведь положения звезд на небе измеряют в угловых единицах: градусах, угловых минутах и секундах. А на фотопластинке дистанции между изображениями звезд естественно выражать в миллиметрах. Трудность в том, что надо как-то быстро перевести эти миллиметры в градусы минуты и секунды дуги. Для Нормального астрографа линзы объектива подбирались так, что одна угловая минута на фотопластинке, снятой с его помощью, равна одному миллиметру. Это давало возможность уменьшить объем вычислений и получать координаты с точностью, достаточной для отождествления небесного объекта, практически сразу после проявки фотопластинки. Российский астроном, получив координаты, мог в ту же ночь послать телеграмму парижскому коллеге, и тот находил этот объект на небе. За это свойство астрограф и получил название «нормальный».

 

Какие еще задачи выполнял Нормальный астрограф?

Фотографирование неба  – это метод получения результатов астрономических наблюдений. Но для чего астрономы вели съемку звезд и астероидов на Нормальном астрографе в течение многих десятилетий?  Важное приложение астрономических измерений — помощь в морской навигации. Смещение нуль-пункта звездных координат — точки весеннего равноденствия, обусловленного прецессией оси вращения Земли очень важно знать при вычислении географических координат корабля в море. Более точному определению «поправок за прецессию» способствовали наблюдения на астрографе астероидов с хорошо изученными траекториями движения.

Движение астероида (3122) Флоренс среди звезд. Серия из 20-секундных экспозиций, полученных на Нормальном астрографе во время последнего сближения астероида с Землей. Размер поля зрения примерно соответствует размеру полной Луны на небе. Общее время съемки — 10 минут.

Многие явления во Вселенной протекают не очень быстро. Например, чтобы измерить, как двигаются звезды, надо сделать два снимка участка неба с перерывом в пару десятилетий. За скоростями перемещения звезд по небесной сфере в астрономии закрепился термин «собственные движения звезд». Пулковский Нормальный астрограф стал инструментом, с помощью которого был отснят материал для самых точных каталогов собственных движений слабых звезд XX века. Чтобы не переснимать все небо, но все же изучить глобальные свойства движения звезд, были выбраны определенные участки неба — так называемые площадки Каптейна или, позднее, пулковские площадки с галактиками (по плану известнейшего пулковского астронома Александра Николаевича Дейча). Собственные движения более чем 60 тысяч звезд (для XX века это было довольно много), определенные с помощью Нормального астрографа, позволили лучше изучить закономерности движений больших коллективов звезд, уточнить наши представления о вращении Галактики.

Удивительно, но данные, полученные с помощью Нормального астрографа столетие назад, пригодились в наше время, в 2000-х, при современном изучении собственных движений звезд. Соответствующие фотопластинки были подняты из архивов.

«Сравнение старых и новых результатов дали нам очень точные данные о собственных движениях звезд, — рассказывает кандидат физ.-мат. наук, с.н.с. Лаборатории Астрометрии и Звездной Астрономии Максим Ховричев. — «Карта неба» пригодилась спустя почти век и неизвестно, сколько еще раз к ней обратятся астрономы. Ведь любые фотопластинки – это документ, который хранит историю неба – того неба, каким оно было больше века назад. Другим способом эти данные не получить».

Сегодня в стеклотеке обсерватории хранятся несколько тысяч фотографических пластинок с изображениями, сделанными Нормальным астрографом. Значительная их часть уже оцифрована.

 

Астрограф по сей день участвует в научных открытиях

Казалось бы, какие открытия сегодня может совершить телескоп с диаметром объектива 33 см, изготовленный 125 лет назад? Но «научная экологическая ниша» для него нашлась.

Дело в том, что физика «легких» звезд, начиная от половины солнечной массы и меньше, в сторону коричневых карликов, сегодня изучена мало. И понимание этой «физики» невозможно без точных оценок масс данных объектов. Одним из самых надежных методов определения масс звезд до сих пор остается наблюдение движений компонент систем двойных звезд. Но сначала нужно найти достаточное количество таких двойных систем. Именно эту задачу и возложили на Нормальный астрограф. Последние 10 лет он участвует в наблюдениях тусклых карликов, и за его плечами уже более тысячи исследованных объектов.

«Мы измеряли движения этих звезд очень подробно и получили их скорость за последние 5 лет, — рассказывает Максим Ховричев. — Мы определили «мгновенную» скорость звезд, которая может не совпадать со средней скоростью. Это несовпадение — признак наличия невидимого соседа, составляющего вместе с изучаемой звездой еще неизвестную двойную систему. Оказалось, что из 1300 звезд у 22 обнаружились признаки несоответствия мгновенной скорости и средней, которая наблюдается на протяжении десятилетий».

Чтобы проверить эффективность этих исследований, пулковские астрономы получили наблюдательное время на телескопе БТА – крупнейшем в Евразии оптическом телескопе, расположенном в Карачаево-Черкессии в Специальной Астрофизической Обсерватории (САО РАН). Наблюдения на БТА подтвердили информацию, полученную Нормальным астрографом: сегодня есть данные о 6 подтвержденных объектах, у одного из которых можно видеть орбиту. Результаты этих исследований были опубликованы в нескольких научных статьях. Сейчас готовится очередная статья по итогам последних работ.

Туманность «Кольцо» (М57) в созвездии Лиры. Снимок сделан на Нормальном астрографе.

«Делегировать все астрономические задачи Хабблу и другим мощнейшим телескопам нереально, — говорит Максим Ховричев. — Задача, которая ставится для большого телескопа, должна быть подготовлена на более слабых инструментах, это гораздо эффективнее».

Недавно Нормальный астрограф принял участие в исследовании взаимных явлений в системе спутников Юпитера. Когда один спутник Юпитера бросает тень на своего соседа — на другой спутник гигантской планеты, мы можем уверенно сказать, что эти небесные тела находятся точно на прямой, проходящей через Солнце. Определить это мы можем, отслеживая измерение яркости спутника. Такие наблюдения преследуют целый набор целей. Например, они позволили доказать, что спутник Ио разогревается именно за счет приливного взаимодействия с Юпитером. Статья об этом была опубликована в журнале «Nature» французскими астрономами, собиравшими данные со всего мира. Доля пулковских наблюдений в этой области астрономии довольно высока —  около 8%.

Сегодня работа Нормального астрографа автоматизирована: задав нулевую точку, астроном может больше не следить за движением трубы, она будет двигаться самостоятельно. А результат благодаря ПЗС-камере ученые получат уже в цифровом виде. В среднем на Нормальном астрографе удается вести продуктивные наблюдения в течение примерно 60 ночей в год. Научные задачи подобраны так, чтобы этого количества наблюдательного времени хватало для прогресса исследований в выбранных направлениях астрономии.

Благодарим за предоставленную информацию кандидата физ.-мат. наук, с.н.с. Лаборатории Астрометрии и Звездной Астрономии, автора экскурсионной программы с посещением Нормального астрографа Максима Ховричева.

10 самых заметных событий мира астрономии в 2018 году

Научные открытия и космические миссии, которыми запомнился прошедший год.

2018-й завершился, и астрономы подводят его итоги. Какие события стали ключевыми в мире астрономии? Какие начала были положены, какие открытия сделаны? Представляем топ-10 самых важных астрономических событий минувшего года по версии кандидата физ.-мат. наук, старшего научного сотрудника Лаборатории физики звёзд Кирилла Масленникова.

 

  1. Выпуск второго релиза миссии GAIA

Главным астрономическим событием минувшего года Кирилл Масленников называет выпуск второго релиза (набора данных) миссии GAIA. Это астрометрический спутник, запущенный в 2013 году. Его цель – получить координаты, скорости и другие параметры звезд нашей галактики.

Первый релиз GAIA был опубликован в 2016 году, из него человечество узнало о расположении и яркости более чем 1 млрд звезд. В апреле 2018 года был опубликован второй релиз, содержащий самую детализированную на сегодняшний день трехмерную карту Млечного Пути. Карта раскрывает данные о более чем 1,5 млрд звезд.

 Кирилл Масленников:

«Это революция в астрономии. Теперь с огромной точностью нам известно положение более полутора миллиарда звезд. Геометрически точно нам известно положение звезд почти до самого центра нашей галактики. Гигантское количество статистических выводов теперь можно делать из этих материалов, они открыты для астрономов всего мира. Это невероятной важности шаг в астрофизике».

 

  1. Пролет космического корабля New Horizons мимо астероида Ultima Thule

Событие, которое произошло в новогоднюю ночь – сближение исследовавшего Плутон космического корабля «Новые горизонты» с астероидом Ultima Thule. Это один из астероидов пояса Койпера на периферии Солнечной системы. Из-за такого расположения астероиды пояса Койпера на протяжении миллиардов лет находятся под влиянием жесткого космического излучения, в результате чего приобретают красноватый оттенок.

 Кирилл Масленников:

«Интерес изучения объектов пояса Койпера заключается в том, что они являются остатками древнего протопланетного облака, из которого и сформировалась вся Солнечная система. Выяснить состав этих астероидов и их прочие физические характеристики – важная задача современной астрономии».

 

  1. Запуск космического телескопа TESS

Этот телескоп предназначен для открытия экзопланет. В последние 20 лет человечество открыло более 3 тысяч планет у других звезд. Предполагается, что TESS откроет еще около 20 тысяч планет.

Каким образом открываются планеты? Когда планета оказывается между телескопом и звездой, она частично ее закрывает, и яркость звезды падает. Если это происходит регулярно, можно точно сказать, что звезда имеет планету.

 Кирилл Масленников:

«Конечно, в первую очередь мы ожидаем открытия землеподобных планет, находящихся в зоне обитания, чтобы там могла существовать жизнь. Но одна из главных загадок астрономии заключается в том, что Земля – обычная планета, а Солнце – обычная звезда, и разумная жизнь, казалось бы, должна быть привычным явлением во Вселенной, однако мы до сих пор не обнаружили никаких признаков жизни на других планетах. Не исключено, что как раз развитие жизни на Земле – исключение из правил».

 

  1. Исследования сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики

В центре нашей галактики, который находится в районе созвездия Стрельца, существует сверхплотный объект, по всем признакам напоминающий черную дыру. Это объект с очень сильным тяготением, который имеет массу около 4,5 млн масс Солнца. При этом объем его небольшой – сравним с орбитой Меркурия.

Кирилл Масленников:

«Работы 2018 года подвели нас вплотную к этому таинственному объекту. Он изучается при помощи Очень Большого Телескопа, расположенного в Чили. Для одной из звезд, которая ближе всех подошла к черной дыре, удалось измерить гравитационное красное смещение – изменение в спектре, которое позволяет сверить эти результаты с предсказанием Теории относительности – все сошлось, она подтверждена. Сегодня есть несколько конкурирующих теорий, но в данном случае подтверждение получила работа Эйнштейна».

 

  1. Обнаружение воды на планетах системы TRAPPIST-1

TRAPPIST-1 была открыта в 2018 году – система из 7 планет вокруг значительно более слабого, чем Солнце, красного карлика. Все эти планеты гораздо ближе к своей звезде, чем планеты Солнечной системы. Исследование их плотности показало, что часть из них имеет плотность, примерно равную плотности воды.

Кирилл Масленников:

«К этим данным надо относиться с осторожностью, ошибки измерения довольно велики, но предварительное допущение именно такое – на этих планетах может оказаться очень много воды».

 

  1. Получен первый прямой снимок протопланеты

Солнечная система сформировалась из протопланетного облака, которое образовалось вместе с Солнцем и постепенно сконденсировалось в планеты. Аналогичную планету удалось запечатлеть у другой звезды.

Кирилл Масленников:

«Теперь мы такие облака можем напрямую наблюдать у других звезд. Пример такого снимка и был получен в 2018 году – фото планеты, которая образовалась буквально только что – несколько тысяч лет назад. В астрономических масштабах это и есть «только что».

 

  1. Открытие планеты у звезды Барнарда

В ноябре 2018 года была открыта планета, расположенная недалеко от нас, у звезды Барнарда – ближайшей к Солнцу одиночной звезде. Открытая планета принадлежит к типу «сверхземля» — она в несколько раз больше Земли, но не является газовым гигантом.

Кирилл Масленников:

«Интересен тот факт, что планета была открыта в рамках проекта «Красные точки» (reddots.space) — примера астрономической работы добровольцев-любителей. Все данные, собранные учеными в рамках этого проекта, сразу выкладываются в сеть в специальном формате, и обработать их может любой пользователь, освоивший работу с этим форматом. Работы в рамках проекта продолжаются и сейчас, присоединиться к обработке данных может каждый».

 

  1. Открытие протосверхскопления Гиперион в ранней Вселенной

Вселенная расширяется, и чем дальше от нас находится объект, тем быстрее он удаляется. Самые далекие галактики улетают от нас со скоростью, сравнимой со скоростью света. А поскольку свет идет до нас в течение конечного времени, то галактики, находящиеся на окраине Вселенной, мы видим такими, какими они были на заре существования Вселенной, вскоре после Большого взрыва. Одно из таких протосверхскоплений было открыто в 2018 году.

Кирилл Масленников:

«Возраст этого протосверхскопления очень мал, около полутора млрд лет от Большого взрыва. Но загадка в том, что образоваться все, что мы видим в скоплении, по всем расчетам к тому времени еще не могло. И это не первый случай, когда, наблюдая раннюю Вселенную, мы видим объекты, которых там быть еще не должно. Например, второму и третьему поколению звезд не хватило бы времени, чтобы создаться, а они там есть. Это одна из новых загадок современной астрономии».

 

  1. Финальный релиз миссии «Planсk»

Вскоре после Большого взрыва, когда Вселенная стала прозрачной, существовавшее в ней излучение остыло и сохранилось до наших дней – сегодня его называют реликтовым излучением. Задачей спутника «Planсk» было получить распределение этого излучения.

Кирилл Масленников:

«Полученные данные – не просто картинка. Из нее мы можем узнать о том, что звезды, планеты и туманности – это лишь 5% всего, что есть во Вселенной. Остальные 95% — темная материя и темная энергия, которые пока изучены очень мало. Кроме того, эта картинка показывает нам, что наша Вселенная абсолютно плоская».

 

  1. Отливка первых сегментов главного зеркала Чрезвычайно Большого Телескопа

Запуск Чрезвычайно Большого Телескопа планируется в 2025 году в Чили. Ожидается, что степень детализации изображений, которые удастся получить с его помощью, будет выше, чем у орбитального телескопа «Хаббл». Первые несколько сегментов его составного главного зеркала были отлиты в январе 2018 года.

Кирилл Масленников:

«Планируется, что после наладки технологического процесса каждый день будет отливаться по одному сегменту зеркала».

 

Каких открытий вы ждете от 2019 года?

Кирилл Масленников:

«Я очень жду результатов миссии телескопа горизонта событий. Это несколько радиотелескопов, разбросанных по всей планете и в результате образующих гигантский телескоп размером с Землю. Два года назад этот телескоп наблюдал область сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики, он должен был получить изображение ее тени, ведь саму черную дыру увидеть невозможно. Больше двух лет эти данные обрабатываются, и ходят слухи, что вот-вот они будут опубликованы. Вторая группа открытий, которые я жду – назревает скачок в наших знаниях и представлениях о черной материи. В конце концов, должно стать ясно, что это такое».

 

Звезда по имени Солнце

Огромная роль Солнца для жизни на Земле была понятна с древних времен. Какие физические свойства Солнца делают эту звезду столь могущественной?

Огромную роль Солнца для жизни на Земле люди понимали уже в древности. Например, в Древнем Египте бог Солнца Ра был верховным богом, создавшим Землю.

А в начале ХХ века была найдена «Солнечная повозка» — небольшая скульптура эпохи Бронзового века, изображающая Солнце, которое едет по миру в колеснице.

Впрочем, в мифах восточных стран, склонных к засухе, Солнце нередко представало злым персонажем. Но уже тогда люди понимали: жизнь на Земле без Солнца невозможна.

 

Огромное светило?

Диаметр Солнца равен 109 диаметрам Земли, а его масса более чем в 300 тысяч раз больше массы нашей планеты. Объем Солнца составляет 1,3 млн объемов Земли. Его температура на поверхности составляет 5778 К, однако температура солнечной короны гораздо выше – 1,5 млн К, а температура ядра – 15,7 млн К.

При этом в масштабах Вселенной Солнце относится к типу G2V, желтый карлик. Например, диаметр одной из крупнейших звезд, известных на сегодняшний день, в 1000 раз превосходит диаметр Солнца – это Бетельгейзе, красный сверхгигант в созвездии Ориона. Объем Бетельгейзе равен 300 млн объемов Солнца, при этом ее масса больше массы нашей звезды всего на один порядок.

 

Жизненный цикл Солнца

Возраст Солнца – около 4,5 млрд лет, это относительно молодая звезда, находящаяся в середине своего жизненного пути. Пройдет еще как минимум 5 млрд лет, прежде чем Солнца не станет. Это произойдет не сразу: оно будет увеличиваться в размерах, в какой-то момент внешняя оболочка отделится от центрального объекта в виде туманности. Из нее потом смогут появиться новые планеты или звезды.

На месте самого Солнца останется белый карлик – самостоятельный объект, образовавшийся из солнечного ядра.

 

На краю Галактики

Солнечная система расположена в так называемом рукаве Ориона – одном из рукавов Млечного Пути. Как Земля движется вокруг Солнца, так и само Солнце совершает движение вокруг центра Галактики – галактический год нашей звезды равен 255 млн лет. И хотя Млечный Путь содержит более 200 млрд звезд, ближайшая к Солнцу звезда довольно далека: если сжать Солнце до пятирублевой монетки в Петербурге, ближайшая звезда окажется в Подмосковье, на расстоянии 600-700 км. Такие средние расстояния между звездами характерны для областей Галактики, удаленных от центра. В центральных частях галактик плотность распределения звезд выше, и расстояния между ними – меньше.

 

Солнечная активность

Солнечная активность – это процессы, происходящие в солнечной атмосфере. Самые распространенные из них, которые в облачный день можно увидеть даже невооруженным глазом, это пятна – участки, где магнитное поле подавляет конвекцию плазмы, снижая ее температуру на 2 тыс. градусов. Существуют 11-летний и 22-летний циклы солнечной активности. Сейчас, в 2019 году, активность Солнца снижена, находясь в фазе минимума.

Другие проявления солнечной активности – вспышки и протуберанцы. Вспышки – это взрывные процессы выделения энергии, равные 1/6 энергии, выделяемой Солнцем за секунду, или 160 млрд мегатонн в тротиловом эквиваленте. Протуберанцы – фонтаны раскаленного газа, которые поднимаются над поверхностью Солнца и удерживаются над ней магнитным полем. Самый большой зафиксированный протуберанец имел высоту 1,7 млн км.

 

Наблюдения Солнца

Наблюдать Солнце так же, как другие звезды, невозможно: это вредно для глаза. Поэтому солнечные телескопы отличаются от обычных. И если несколько столетий назад стекло затемняли, прокаливая над свечой, то современные исследования Солнца гораздо сложнее. Есть телескопы, изучающие процессы, происходящие на Солнце, его спектр, наблюдения Солнца в разных частях спектра, есть специальные инструменты, коронографы, исследующие корону Солнца.

В августе 2018 года с мыса Канаверал был запущен космический зонд «Паркер» — аппарат для изучения солнечной короны, который приблизится к Солнцу максимально за всю историю наблюдений – на расстояние 6 млн км.

По лекции  н.с. Лаборатории физики Солнца Ивана Живановича «Обычно-необычная звезда – Солнце»

«Астрономия мне нравилась с детства. Но связать свою научную жизнь с Солнцем мне захотелось после работы на Кисловодской горной астрономической станции, где я проходил практику, еще будучи студентом. Именно тогда меня увлекло изучение Солнца».

 Иван Живанович, н.с. Лаборатории физики Солнца

Подробнее о Солнце можно узнать на лекциях, которые регулярно проходят в Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН. Следите за новостями!

Невидимая «ткань» Вселенной

Альберт Эйнштейн умел объяснять вещи, о которых человечество на тот момент даже не задумывалось: он находил ответы на еще не заданные вопросы.

Феномен гениальности Альберта Эйнштейна в том, что по сей день ученые находят подтверждения его теориям, выдвинутым более ста лет назад. Например, применение релятивистским эффектам Теории относительности в повседневной жизни нашлось уже в XXI веке.

Человек ловко разбирается в том, с чем сталкивается ежедневно, что может представить и в том, что подвластно его воображению. Эйнштейн умел объяснять вещи, о которых человечество на тот момент даже не задумывалось: он находил ответы на еще не заданные вопросы. Одним из таких ответов стала его теория относительности, которая, кстати, так и не была отмечена при его жизни.

Королевская академия наук на своем вчерашнем заседании приняла решение присудить Вам премию по физике за прошедший год, отмечая тем самым Ваши работы по теоретической физике, не учитывая при этом Ваши работы по теории относительности и теории гравитации, которые будут оценены после их подтверждения в будущем.

Секретарь Шведской Академии наук Кристофер Ауривиллиус

Если из нашего мира убрать все материальное, включая нас самих, останется загадочное «ничто», а на деле – нечто, имеющее структуру и свойства – ткань пространства. То самое пространство, о котором и рассказал Эйнштейн в теории относительности – объединенное со временем, обладающее собственным набором качеств, способное изменяться, деформироваться под воздействием гравитационных сил. Эйнштейн ввел понятие кривизны пространства-времени, произведя настоящую революцию в мире физики.

Но так ли это на самом деле? Эйнштейн предполагал, что единственный способ проверить гибкость пространства – подлететь к черной дыре, где гравитация настолько огромна, что пространство внутри нее закручивается, как кусок ткани, и в результате этой деформации по нему идет рябь – гравитационные волны.

sphere is affecting space / time around it .

Однако 14 сентября 2015 года обсерваториями LIGO и VIRGO было сделано прямое детектирование гравитационных волн от слияния двух далеких черных дыр – грандиозное открытие, полностью подтвердившее теорию относительности.

Почему именно я создал теорию относительности? Нормальный взрослый человек вообще не задумывается над проблемой пространства и времени. По его мнению, он уже думал об этой проблеме в детстве. Я же развивался интеллектуально так медленно, что пространство и время занимали мои мысли, когда я стал уже взрослым. Естественно, я мог глубже проникать в проблему, чем ребенок с нормальными наклонностями.

Альберт Эйнштейн

Теория относительности предсказывает наличие релятивистских эффектов. Это явления, наблюдаемые при скоростях, близких к скорости света. Например, если бы мы могли увидеть летящий на скорости света космический корабль, мы бы заметили, что его длина составляет всего несколько сантиметров, а время внутри корабля идет очень медленно. Замедление времени справедливо и для меньших скоростей, но тогда эффект гораздо слабее: например, прожив всю жизнь на МКС, можно «выиграть» едва ли одну секунду. Настоящее применение таким эффектам было найдено уже в наше время – в спутниковой навигации.

Теория производит тем большее впечатление, чем проще ее предпосылки, чем разнообразнее предметы, которые она связывает, и чем шире область ее применения.

Альберт Эйнштейн

Система спутниковой навигации базируется на 24 спутниках, обращающихся вокруг Земли с периодом 12 часов на высоте около 20000 км. Каждый спутник передает электромагнитные сигналы, содержащие информацию о местоположении спутника в момент, когда был излучен сигнал. Для получения необходимой точности позиционирования, нужно получить информацию с четырех спутников.

Данные, с которыми работают спутники, должны быть невероятно точными: погрешность во времени в 1 миллисекунду дает погрешность определения местоположения в 300 километров, 1 микросекунду – 300 метров. Допустимая погрешность – 30 наносекунд – не может быть достигнута без учета релятивистских эффектов Теории относительности.

Для спутников, которые движутся со скоростью 3874 м/с, часы идут медленнее, чем для наблюдателя с Земли. А время идет тем медленнее, чем сильнее поле гравитации. Для наблюдателя на земной поверхности часы спутника будут идти быстрее. Вычислив эти эффекты, можно получить значение финальной корректировки – часы на борту спутников идут быстрее земных на 38 микросекунд в день – огромное значение погрешности (более 10 км в день), которое невозможно не учесть.

Для учета релятивистских эффектов в атомные часы на спутниках искусственно вводится поправка в 38 микросекунд.

О подробностях вычислений, а также о том, где еще сегодня используются релятивистские эффекты теории относительности Эйнштейна, можно узнать на лекциях, которые регулярно проходят в Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН. Следите за новостями!

bmd

По лекции кандидата физ.-мат. наук, научного сотрудника Лаборатории физики Солнца Пулковской обсерватории Виктории Смирновой.

Лестница в небо: о расстояниях во Вселенной

На Земле мы легко определяем расстояния между любыми точками. Но космос – как измерить расстояния там, где не ступала нога человека?

Здесь, на Земле, мы легко определяем расстояния между любыми точками. Но космос – как измерить расстояния там, где не ступала нога человека? Где царят пыль, газ и невидимая глазу темная материя? Как определить расстояния до звезд, которые видны лишь при помощи мощных телескопов, и все это – в постоянно расширяющейся Вселенной? Ученые отвечают на эти вопросы при помощи удивительного «инструмента» — лестницы космических расстояний.

Понимание расстояний во Вселенной решает множество актуальных вопросов. Не зная расстояния до объектов, ученые не смогли бы отличить близкую тусклую звезду от далеких квазаров – одних из самых ярких объектов в видимой Вселенной, поскольку от этих объектов до нас доходит примерно одинаковое количество световой энергии.

Лестница космических расстояний – надежный метод определения расстояний во Вселенной. Это совокупность приемов, где каждый следующий базируется на стабильных данных предыдущего – получается, действительно, лестница, которая позволяет определиться с расстояниями. Для начала – внутри Солнечной системы, затем – до ближайших звезд, после — в пределах нашей галактики, Млечного пути, ну и, наконец, расстояния до ближайших и далеких галактик.

Первый «кирпич» лестницы расстояний лежит на Земле – это так называемый базис, известное расстояние между двумя точками. Для вычисления расстояния до объекта в космосе применяется параллакс — смещение более близкого объекта на фоне гораздо более далеких при перемещении наблюдателя. Каждый из нас может примерить на себя роль астронома, вытянув вперед большой палец и закрыв им Луну: палец будет смещаться в зависимости от того, каким глазом мы будем смотреть, и Луна будет то видна, то нет. Зная расстояние между «наблюдателями» и угол смещения, можно определить расстояние до объекта.

На этом эффекте и строятся первые ступени лестницы расстояний. Нижняя ступень построена на тригонометрических параллаксах – тех, что измерены непосредственно с Земли или с помощью космических миссий. Сегодня, благодаря современным возможностям радиолокации, расстояния между объектами Солнечной системы известны очень точно, вплоть до метров и сантиметров: первая ступень лестницы невероятно прочна.

Если говорить о методе параллакса, то остальные ступени лестницы расстояний выстраиваются на основании полученных ранее астрономических данных.

Межзвездные расстояния измеряются в парсеках – мере расстояния, при котором параллакс объекта равен одной угловой секунде. Чтобы лучше представить, что это такое, можно вспомнить несколько фактов:

— одна угловая секунда – это рублевая монета с расстояния 4 км;

— 1 парсек свет пройдет за 3,26 года;

— ближайшая к нам звезда (не считая Солнца) Проксима Центавра находится на расстоянии чуть более 1 парсека.

Также расстояние до далекого яркого объекта можно определить по излучению, которое от него исходит. Правда, есть сложность: из-за пыли и газа часть излучения от далеких объектов теряется на пути к Земле. Это ослабляет «ступени» лестницы расстояний, но этот метод позволяет «добираться» до расстояний в тысячи, миллионы, и даже миллиарды световых лет.

Здесь на помощь астрономам приходят цефеиды – очень яркие звезды-гиганты. Они видны даже в соседних галактиках. Измерив период изменения блеска цефеиды, можно определить ее светимость — мощность излучения световой энергии. Зная, сколько энергии приходит от этой звезды на Землю, можно вычислить расстояние. Благодаря этому свойству цефеиды часто именуют «маяками Вселенной».

Последняя на сегодняшний день ступень, расстояния до самых далеких галактик, которые мы можем наблюдать сегодня, строится на вспышках сверхновых звезд типа Ia: поскольку нам известна мощность ее взрыва (она всегда одинакова), можно узнать и расстояние до нее.

Споры вокруг лестницы расстояний

Уже почти сто лет ученые наблюдают галактики, раскладывая их свет в радужные полоски — спектры. По сравнению с близкими галактиками, в свете далеких звездных островов доминирует красная часть. Специалисты говорят — красное смещение. Этот факт объясняют расширением пространства-времени наблюдаемой Вселенной. Специальное число, «постоянная Хаббла», показывает, как быстро этот процесс протекает. Величина постоянной Хаббла, определенная с помощью лестницы расстояний, оказалась равной 73.52 ± 1.62 км/c/Mпк.

Когда речь идет о большой Вселенной, изучении так называемого реликтового излучения, несущего информацию о процессах, имевших место во Вселенной в первые секунды ее существования, появляются другие возможности для оценки величины постоянной Хаббла. Благодаря цифровым обзорам неба и космической обсерватории Planck, получается значение 67.4 ±0.5 км/c/Mпк.

Тот факт, что эти оценки сильно отличаются друг от друга, является одной из проблем современной астрономии. Ученые пытаются объяснить это расхождение. Наша надежная лестница расстояний дает постоянную Хаббла для «ближней части Вселенной». Результаты анализа данных спутника Planck можно условно считать основанными на изучении «дальней Вселенной». Одни ученые (их меньшинство) полагают, что, возможно, законы природы в ранней (дальней) Вселенной были не такими, как сейчас (в ближней Вселенной). Другие настойчиво ищут объяснение в том, что «просела» какая-то из ступенек лестницы космических расстояний. Споры продолжаются и их разрешение, возможно, изменит наше представление о Вселенной.

По материалам лекции кандидата физ.-мат. наук, старшего научного сотрудника Лаборатории Астрометрии и Звездной Астрономии Пулковской обсерватории (ГАО РАН) М.Ю. Ховричева «Как работает лестница космических расстояний?»

Еще больше о тайнах Вселенной можно узнать на лекциях, которые проходят в Обсерватории. Следите за новостями!

Темная материя и темная энергия: невидимая доминанта во Вселенной

96% Вселенной занимают темная энергия и темная материя — та часть реальности, о которой мы практически ничего не знаем.

Как ни странно осознавать, но наблюдаемый нами мир – мы сами, Земля, звезды и далекие галактики – это лишь 4% от всей материи, существующей во Вселенной. Все, о чем мы знаем, сопоставимо со стандартной ошибкой измерения. Остальные 96% — загадочные темная энергия и темная материя — та часть реальности, о которой мы практически ничего не знаем.

Впервые о темной материи заговорили почти век назад. В 30-е годы прошлого столетия ученый Фриц Цвикки наблюдал скопление галактик в созвездии Волосы Вероники.

Измерение скоростей движения галактик должно было дать представление о массе этого скопления. Однако, вопреки ожиданию, наблюдения показали: скорости галактик скопления соответствуют в несколько раз большей массе скопления, чем видимая масса всех его членов. Скопление вело себя так, будто там присутствует нечто, что мы не видим, и этого нечто в несколько раз больше того, что мы видим.

Галактика.

В 70-е годы ученые решили изучить скорость звезд в самих галактиках. Поскольку гравитационно периферия галактики не связана с ее центром, скорость движения звезд должна была падать по мере удаления от центра. Однако их скорость на периферии оказалась даже выше. Это можно было объяснить только одним: масса с увеличением расстояния от центра не падает, как ожидалось, а, наоборот, увеличивается. А это означало присутствие некоей материи, которая заставляет галактики вращаться не как скопление частиц в газе, а как цельное тело, похожее на колесо.

Темная материя.

Ученые долго пытались найти носителя обнаруженной загадочной массы. Сначала предположили, что это может быть пыль, но пыль поглощала бы свет звезд, а этого не происходило. Затем подумали, что это могут быть черные дыры, но они должны были влиять на соседние звезды, чего зафиксировано не было. Ученые пришли к выводу, что некое невидимое вещество окружает все звезды, все галактики, оно проникает всюду: темная материя есть даже вокруг нас.

Саму темную материю увидеть невозможно, но можно обнаружить ее присутствие при помощи гравитационного линзирования. Дело в том, что темная материя, как и любое массивное тело, изменяет своим гравитационным полем направление распространения электромагнитного излучения – по сути, действует как линза, меняющая направление светового луча.

Пример гравитационного линзирования.

Также о темной материи известно, что она распределена неравномерно: к примеру, может образовывать сгустки. Но она не излучает и не поглощает свет. Все это говорит о том, что она состоит из каких-то слабо взаимодействующих неизвестных нам частиц.

В конце 20-х годов прошлого века астроном Эдвин Хаббл выяснил, что чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется. Это означало, что Вселенная непрерывно расширяется. Однако только недавно выяснилось, что расширяется Вселенная неравномерно. На краю Вселенной галактики «улетают» быстрее. А это значит, Вселенная расширяется с ускорением. Силу, которая создает это ускорение, заставляя галактики разлетаться друг от друга, назвали темной энергией. Понимания, откуда она берется, у ученых пока нет.

Темная энергия.

По материалам лекции кандидата физ.-мат. наук, с.н.с. Лаборатории физики звезд К.Л. Масленникова «Темная материя и темная энергия».

Еще больше о тайнах Вселенной можно узнать на лекциях, которые проходят в Обсерватории. Следите за новостями!