Текст книги "Астрономия для "чайников""
Автор книги: Стивен П. Маран
сообщить о нарушении
Текущая страница: 24 (всего у книги 27 страниц)
Еще один адрес, который стоит внимательно выписать из этой книги, – адрес проекта SETI@home: setiathome.ssl.berkeley.edu. SETI@home– это составная часть проекта SERENDIP. Если вы заглянете на их сайт, то сможете бесплатно загрузить специальную компьютерную программу, сделанную в виде шикарной экранной заставки и работающую, только когда компьютер находится в ждущем режиме. После того как вы установите эту программу на своем компьютере, ваш модем будет периодически соединяться с сервером в Беркли, чтобы получить порцию данных проекта SETI. Затем программа обработает эти данные в поисках сигналов, а через несколько дней (в зависимости от того, как часто вы оставляете компьютер в ждущем режиме), результаты будут выгружены обратно на сервер.
И хотя ваши шансы обнаружить сигнал инопланетной цивилизации невелики, все же они не равны нулю. Кто знает? Возможно, вам суждено есть фрикадельки со шведским королем после вручения Нобелевской премии.
Как вы помните, один из параметров знаменитой формулы Дрейка – f p, доля солнцеподобных звезд, у которых есть планеты. Десятки лет ученые считали, что планет в нашей галактике – великое множество, просто потому, что после рождение звезды неизбежно остается материал – мешанина из газа и пыли, которая может превратиться в небольшие планеты, вращающиеся вокруг своей звезды.
Но на деле найти планеты, вращающиеся вокруг звезд, оказалось нелегко. Если просто направить телескоп на ближайшую звезду в надежде увидеть ее планеты, то ничего не выйдет. Планеты слишком тусклы и слишком близки к ослепительному источнику света (их солнцу). Чтобы в полной мере понять сложность данной задачи, представьте, что вы пытаетесь разглядеть бусинку, находящуюся в 30 метрах от электрической лампочки, с расстояния 16 тысяч километров.
Но, несмотря на эти обескураживающие сложности, астрономы все-таки нашли внесолнечныепланеты (т. е. планеты других звезд, за пределами Солнечной системы; их еще называют экзопланетами), причем не по фотографиям, а с помощью расчетов движения их «материнских» звезд.
Планеты и звезды вращаются вокруг своего общего центра масс, а это значит, что движутся и те, и другие. И во время этого движения под влиянием взаимной гравитации звезда притягивает планету, заставляя ее двигаться, а планета притягивает звезду, тоже заставляя ее двигаться. Конечно, масса планеты намного меньше массы звезды, поэтому ответное движение звезды обычно невелико – она проходит, наверное, всего 80 км в час (по сравнению с планетой, которая может пройти 16 000 км в час или даже больше). Используя чувствительные спектроскопы на больших телескопах, астрономы искали проявления небольшого эффекта Допплера (см. главу 11), который должно оказывать на свет звезды ее медленное покачивание. И теперь ученые уже нашли несколько десятков звезд, чье ленивое покачивание выдает наличие у них планет.
Осенью 1995 года два шведских астронома, Мишель Майор и Дидье Квелоц, объявили об открытии первой внесолнечной планеты, вращающейся вокруг нормальной (т. е. солнцеподобной) звезды. Это открытие вызвало большое волнение в научном мире, главным образом, потому, что новая планета мчалась вокруг своей звезды (51 Пегаса) с головокружительной скоростью, делая полный оборот всего за 4 дня. Отсюда следует, что она находится на расстоянии всего каких-нибудь несчастных 8 миллионов километров от своей звезды (рис. 14.5). Это в 8 раз меньше расстояния от Меркурия до Солнца, а значит, температура на планете достигает примерно 1000 °C. Колебания этой звезды, происходящие с периодом 4,23 суток, говорят о том, что они вызваны влиянием планеты с массой, равной по меньшей мере половине массы Юпитера. Естественно, новую планету вскоре прозвали горячим юпитером.
Рис. 14.5. Представление художника о том, насколько новая планета должна быть близка к своему солнцу
В течение четырех лет после открытия горячей планеты у звезды 51 из созвездия Пегаса были открыты примерно два десятка других внесолнечных планет, причем почти все – с помощью спектроскопических измерений допплеровского смещения. Оказалось, что очень многие из этих вновь открытых планет тоже относятся к «горячим юпитерам», так как это массивные планеты, сжимающие свое солнце в объятиях крепче, чем любящая мамаша.
Но кажется невероятным, чтобы все эти горячие и тяжелые планеты с самого начала двигались по нынешним "жарким" орбитам. Дело в том, что большим планетам намного легче образоваться на сумрачных окраинах "солнечной системы". Более низкие температуры и возможности накопления материала в этих призрачных районах способствуют быстрому превращению ледяных осколков в общую массу, т. е. их слипанию и образованию больших планет. Но после рождения взаимодействие этих планет с оставшимся газо-пылевым материалом может привести к тому, что они покидают свой "дом" и устремляются в огненные области вблизи своего обжигающего солнца.
Никто не знает, что не дает этим тяжеловесам и любителям жары упасть на свои звезды. Возможно, планеты поднимают волны горячего газа на внешней поверхности звезды, а гравитационное влияние этих приливов не дает планетам спикировать на звезды. Но это всего лишь теория, и астрономы честно признают, что и рождение, и окончательная судьба «горячих юпитеров» – это феномены, которые мы пока просто не в состоянии понять и объяснить.
В 1999 году Джефф Мэрси, Пол Батлер и их сотрудники (они открыли многие из новых планет, обнаруженных после 1995 года) объявили, что не одна, а целых три большие планеты вращаются вокруг звезды Ипсилон Андромеды. Это открытие они сделали после тщательного анализа едва заметного покачивания звезды.
Ипсилон Андромеды – это звезда типа F,находящаяся на расстоянии 44 световых лет от Земли. Таким образом, она стала первой нормальной звездой, помимо Солнца, имеющей настоящую планетную систему. Заметим, что и в этом случае планеты очень массивные – больше, чем 0,7; 2,1 и 4,6 масс Юпитера. Но не все они слишком близки к солнцу. Радиусы орбит двух внешних планет сравнимы с радиусами орбит Венеры и Марса.
Конечно, приятно сознавать, что существует множество планет, на которых могли бы обитать разумные существа. Но все же открытия новых планет слегка обескураживают. В конце концов, «горячие юпитеры» (или холодные, не имеет значения) трудно назвать благоприятными для развития «биологической жизни». И если эти слишком большие планеты – типичные представители планет галактики, то землянам не стоит рассчитывать на большую компанию инопланетных цивилизаций.
Впрочем, такое положение дел маловероятно. Метод, используемый для нахождения планет, – поиск допплеровского смещения в спектре звезд – идеально подходит именно для открытия гигантских планет, близко расположенных к своим звездам, т. е. "горячих юпитеров". Такой поиск можно сравнить с исследованием африканской саванны с вертолета. Конечно, слонов и носорогов вы увидите, а вот мышей и комаров – вряд ли. Ученые нашли большие планеты, потому что это легче всего. Возможно, малых планет очень много, но пока мы не создадим телескопы нового типа, открыть их будет очень трудно.
Если вас интересуют самые последние новости о поиске внесолнечных планет, посетите сайт по адресу cfa-www.harvard.edu/planets, где есть также ссылки на многие другие сайты по этой теме.
Хотя поиск радиосигналов – это излюбленный метод SETI-сообщества, ученые демонстрируют растущий интерес к поиску сильных световых сигналов от звезд. Мощные лазеры, особенно работающие в инфракрасном диапазоне, могут генерировать невероятно яркие кратковременные вспышки света. Эти вспышки способны даже затмить Солнце примерно на триллионную долю секунды (по крайней мере в диапазоне излучения лазера). Вполне возможно, что инопланетяне пытаются привлечь наше внимание, направляя мощные лазеры в нашу сторону. Первые неуверенные шаги в программе Optical SETI (Поиск внеземных цивилизаций в оптическом диапазоне), уже сделаны.
Минуло больше 40 лет с тех пор, как Фрэнк Дрейк сделал первые попытки познакомить нас с инопланетянами. Но с тех пор наши телескопы не перехватили ни одного подтвержденного инопланетного сигнала. Правда, нужно признать, что до настоящего времени возможности поиска были весьма ограничены. С дальнейшим развитием технологий (и, надеемся, увеличением финансирования) шансы на успех будут возрастать. И, возможно, очень скоро в один прекрасный день мы будем ломать голову над сигналом, пришедшим из холодных глубин Космоса. Наверное, это будет важный урок для нас. Мы задумаемся о смысле жизни или, по меньшей мере, о законах физики. Но, самое главное, мы наконец узнаем, что не одиноки во Вселенной.
Эта глава была написана в сотрудничестве с д-ром Сетом Шостаком, специалистом по общественным программам института SETI в Маунтин-Вью, штат Калифорния.
Глава 15
Темная материя и антиматерия
В этой главе…
Зачем нужна темная материя
Природа темной материи
Поиск таинственной материи
Что такое антиматерия
Звезды и галактики – это сияющие россыпи в ночном небе, но эти великолепные бриллианты составляют всего лишь незначительную долю всей материи космоса. Оказывается, во Вселенной намного больше материи, которую мы не видим.
В этой главе вы узнаете, что такое темная материя, почему астрономы уверены в ее существовании и какие эксперименты могут пролить свет на природу этого таинственного, невидимого вещества. Я расскажу также еще об одном экзотическом типе материи во Вселенной – антиматерии. Да, антиматерия существует в реальном мире, а не только в фантастических книгах. Причем реальность не менее поразительна, чем фантастические книги, телевизионные шоу и кинофильмы на эту тему.
Темная материя: то, что соединяет галактикиУже в 1930-х годах астрономы обнаружили признаки того, что по меньшей мере 90 % массы Вселенной не излучает света. Этот невидимый материал, называемый темной материей(dark matter), считается тем гравитационным клеем, который не дает звездам стремительно вращающейся галактики, как и галактикам скопления, разлететься в разные стороны. Похоже, что темная материя также сыграла решающую роль в том, что Вселенная стала такой, какой мы ее знаем сегодня, – паутиной из невероятно длинных сверхскоплений галактик, разделяемых гигантскими пустотами (см. главу 12). И, быть может, именно темная материя определяет судьбу Вселенной.
Первый намек на то, что во Вселенной есть темная материя, появился в 1933 году. Изучая движения галактик внутри большого скопления галактик в созвездии Волос Вероники, астроном Фриц Цвикки из Калифорнийского технологического института обнаружил, что некоторые галактики движутся с необычно высокой скоростью. И в самом деле, эти галактики из созвездия Волос Вероники двигались так быстро, что по всем законам физики выходило: все видимые звезды и газ в скоплении не сумели бы обеспечить такую связь между галактиками, чтобы те не разлетелись в разные стороны. И, тем не менее, со скоплением ничего не происходило, оно оставалось прежним.
Отсюда Цвикки заключил, что в созвездии Волос Вероники может существовать какая-то невидимая материя, восполняющая недостаток гравитации.
Но не менее удивительным, чем данный вывод, оказалось то, что в течение нескольких последующих десятилетий о темной материи не было никаких сенсационных статей в прессе. Многие астрономы считали, что, поскольку движение галактик изучено очень подробно, для "изобретения" невидимой материи нет никаких оснований. Но в 1970-х годах появились более убедительные доказательства существования темной материи. Выходило, что она есть не только в звездных скоплениях, но и в отдельных галактиках. В следующих разделах приведены основные аргументы в пользу существования темной материи.
Внешние и внутренние звезды движутся одинаково быстро
Вера Рубина и Кент Форд из Института Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия, изучали движение звезд в сотнях спиральных галактик и внезапно получили результат, казалось бы, противоречащий традиционным законам физики. Спиральная галактика напоминает плоскую яичницу, причем большая часть ее массы, по всей видимости, сосредоточена в "желтке"; астрономы называют это балдж (см. главу 12). Полученные изображения показывают, что видимая масса спирали быстро уменьшается с увеличением расстояния от балджа.
Ученые, естественно, ожидали, что звезды в спиральной галактике вращаются вокруг этого массивного центра так же, как планеты в нашей Солнечной системе вращаются вокруг Солнца. По открытому Ньютоном закону всемирного тяготения, внешние планеты, такие как Плутон и Нептун, вращаются вокруг Солнца медленнее, чем внутренние планеты, такие как Меркурий. Венера и Земля. Отсюда следует, что звезды на окраине спиральной галактики должны двигаться по орбитам медленнее, чем звезды, расположенные вблизи балджа. Однако Рубина и Форд получили иной результат.
Изучая галактику за галактикой, они обнаруживали, что внешние звезды движутся очень быстро, почти так же быстро, как и внутренние звезды. Как при столь малом количестве видимого вещества во внешних районах внешние звезды ухитряются мчаться так быстро и при этом не отрываться от галактики? При таких скоростях они давно должны были бы оторваться и улететь!
И астрономы пришли к выводу, что видимая материя(visible matter) – звезды и светящийся газ, которые запечатлены на фотографиях, сделанных с помощью телескопа, – составляют только малую долю общей массы спиральной галактики.
Хотя видимая масса действительно сосредоточена в центре, далеко за его пределами должно находиться огромное количество другого вещества. Каждую спиральную галактику должно окружать огромное галотемной материи. И чтобы оказывать достаточное гравитационное воздействие на звезды, находящиеся на видимых окраинах галактики, темная материя должна по массе превосходить видимую по меньшей мере в 100 раз. Другие типы галактик (эллиптических и неправильных) тоже имеют гало из темной материи.
Холодной темной материи в космосе очень много
Космологи (ученые, изучающие крупномасштабную структуру Вселенной и вопросы ее формирования) также ссылаются на темную материю в попытке объяснить главную тайну Вселенной: как из почти однородного "бульона" элементарных частиц, появившегося в результате Большого Взрыва (о котором я расскажу в главе 16), образовалась нынешняя "комковатая" структура Вселенной, состоящей из скоплений галактик и сверхскоплений?
И хотя с момента рождения Вселенной прошло примерно 15 миллиардов лет, этого времени недостаточно для того, чтобы видимая материя самостоятельно объединилась в гигантские космические структуры, которые мы наблюдаем сегодня.
Чтобы разрешить эту космологическую головоломку, ученые выдвинули гипотезу о том, что во Вселенной есть особый тип темной материи, холодная темная материя(cold dark matter), которая движется медленнее и группируется быстрее, чем обычная, видимая материя. В ответ на притяжение этого экзотического вещества обычная материя формирует звезды и галактики внутри мест самой плотной концентрации этой темной материи. Эта теория объясняет, почему все видимые галактики, похоже, находятся внутри гало из собственной темной материи.
Вселенная в значительной степени однородна
Астрономы верят в темную материю по еще одной "космической" причине: Вселенная, в крупном масштабе, выглядит одинаковой во всех направлениях и в целом однородна. Такое постоянство внешнего вида говорит о том, что Вселенная имеет как раз нужную плотность материи, называемую критической плотностью(critical density). По всей видимости, общего количества видимой материи, имеющегося во Вселенной, далеко недостаточно, чтобы достичь критической плотности. Этот недостаток и должна восполнять темная материя. И именно от количества темной материи зависит, будет ли Вселенная расширяться вечно или наступит поворотный момент, после которого она начнет сжиматься.
Темной материи больше 90 %
Если предыдущие рассуждения верны, то по меньшей мере 90 % (а может быть, даже 99 %) материи во Вселенной – это темная материя. В это трудно поверить, не правда ли?
Эта огромная Вселенная, с ее мириадами звезд и галактик, – всего лишь незначительная доля материи, находящейся вокруг нас! Если использовать аналогию с морем, то галактики – это морская пена, а темная материя – безбрежный невидимый океан, в котором они плавают.
Ну хорошо, есть много убедительных причин, заставляющих верить в существование темной материи. Но что она собой представляет?
Вообще говоря, астрономы поделили возможные виды темной материи на два класса – барионная темная материя и странная темная материя.
Барионная темная материя, или глыбы в космосе
Темная материя первого вида может состоять из того же материала, что и Солнце, планеты и люди. Это привычная нам барионная материя. А барионы – это элементарные частицы, относящиеся к тому же классу, что и протоны и нейтроны, находящиеся в ядрах атомов.
Барионная темная материя(baryonic dark matter) может содержать фрагменты любого трудно различимого материала, включая пыль, астероиды, коричневых карликов (неудавшиеся звезды) или белых карликов (холодные угасшие ядра солнцеподобных звезд). Такие глыбы материала, которые иногда называют МАСНО (Massive Compact Galo Objects – массивные компактные объекты гало) могут составлять гало, окружающие отдельные галактики. Однако этого далеко недостаточно, чтобы объяснить формирование крупномасштабных структур в космосе.
Странная темная материя
А темная материя второго типа может содержать множество необычных и экзотических, придуманных физиками субатомных частиц, которые очень мало или совсем не похожи на барионы. К этим частицам относятся нейтрино, которые действительно существуют, а также другие частицы – аксионы, скварки и фотино, которых пока еще не открыли.
Во время Большого Взрыва – потрясающего извержения энергии, в результате которого родилась Вселенная, – возможно, было создано множество странных "темноматериальных" частиц, из которых впоследствии осталось всего несколько. Сюда относится аксион(axion), представляющий собой что-то вроде миниатюрной черной дыры; он легче электрона в 100 миллиардов раз. И хотя аксионы очень легки, если их будет достаточно много, то они внесут значительный вклад в увеличение космической массы. Недавние эксперименты показывают, что нейтрино (частицы, которые, как раньше думали, имеют нулевую массу) на самом деле имеют массу и тоже могут вносить свой небольшой вклад в общую массу темной материи.
Другие кандидаты на роль представителей странной темной материи более тяжелые– их масса примерно в 10 раз больше массы протона, но все равно они слишком легки, если только не присутствуют в очень больших количествах. Сюда относятся также еще не открытые «партнеры» таких субатомных частиц, как кварки(quark) и фотоны(photon); их называют скварки(squark) и фотино(photino) соответственно. Собирательное название всей этой экзотики – слабо взаимодействующие массивные частицы(Weakly Interacting Massive Particle – WIMP).
Физики всего мира разрабатывают чувствительные детекторы, позволяющие обнаруживать неуловимые, но неопровержимые признаки темной материи. Некоторые ученые анализируют осколки субатомных частиц, полученные в гигантских ускорителях ядерных частиц, где можно быстро воссоздать условия (температуру, энергию, плотность), которые были на заре формирования Вселенной.
Но методы поиска должны быть новаторскими. В конце концов, ученые ищут вещество, которое по определению нельзя увидеть и которое, если не считать тяготения, никак не взаимодействуют с другой материей.
Давайте подумаем, сколько усилий нужно приложить, чтобы найти WIMP. Эти слабо взаимодействующие частицы нельзя удержать ни в одном контейнере, но зато ученые могут искать доказательства того, что они проходят сквозь детектор. Когда WIMP-частица проносится мимо, она слегка нагревает один из атомов детектора, придавая ему небольшую дополнительную энергию. Но такие соударения редки. В типичном лабораторном детекторе такой случай может произойти только один раз за много дней.
К сожалению, космические лучи, энергетические частицы, которые летят к нам из космоса со всех сторон, могут имитировать действие WIMP-частиц. Поэтому, чтобы минимизировать бомбардировку космическими лучами, детектор помещают в подземный туннель. Естественное радиоактивное излучение, исходящее от стен туннеля, также может нагревать атомы, поэтому детектор экранируют – помещают в свинцовый кожух. И чтобы снизить колебания атомов, вызванные увеличением их энергии при высоких температурах, детектор охлаждают до температуры абсолютного нуля.
