Astrofiziķis Boriss Šterns: 3 pārsteidzošākās zināšanas par Visumu, ko saņēmām 21. gadsimtā

29.-30.aprīlī notika konference "Zinātnieki pret mītiem». Tajā eksperti cīnīsies ar stereotipiem par dzīvi uz Zemes un kosmosā. Astrofiziķis Boriss Šterns piedalīsies diskusijā "Uz ko ved mēģinājumi izprast Visuma uzbūvi?".

Īpaši Lifehacker viņš runāja par veiksmīgiem kosmosa izpētes gadījumiem un to, kā tie mainīja zinātnisko ainavu un idejas par pasauli.

20. gadsimtā kosmosa izpētē notika izrāviens - attīstījās tehnoloģijas, uzlabojās novērošanas metodes. Ja agrāk zinātnieki bija apmierināti tikai ar teleskopiem, tagad viņiem ir citi, vairāk ideāli instrumentiKabīne: satelīti, radioastronomijas ierīces, interferometri.

Pateicoties tam, pēdējo 20 gadu laikā ir veikti vissvarīgākie atklājumi kosmoloģijā un astrofizikā: gravitācijas viļņu esamība, atklātās eksoplanetas un, visbeidzot, Visuma vēsture un tā saturs tiek noteikti ar augstu precizitāte. Tas viss ir vissvarīgākās zināšanas, kas ir paplašinājušas mūsu izpratni par apkārtējo pasauli.

1. Ir daudzas planētas, kur ir iespējama dzīvība

«eksoplanetu epopeja” sākās 1995. gadā, kad pirmo reizi tika pielietota radiālā ātruma metode. Pateicoties viņam, periodiski bija iespējams novērot zvaigžņu spektrālo līniju nobīdi atbilstoši Doplera efektam. Rezultātā tika atrasta šķietami neiespējama milzu planēta ar orbītas periodu 4,2 dienas – ļoti tuvu zvaigznei 51 Pegasus.

Tad tā kļuva par zinātnisku sensāciju, un zinātnieki sāka meklēt eksoplanetas. Īsts izrāviens šajā jomā notika 2009. gadā, kad tika palaists Keplera teleskops.

Viņš jau strādāja pie citas metodes – tranzīta. Mērķis bija "noķert" zvaigžņu nelielo aptumšošanu, ko izraisa planētu pāreja uz to fonu.

Rezultātā atklāto eksoplanetu skaits ir strauji pieaudzis. Ja pirms tam to bija simtiem, tad tagad to skaits mērāms tūkstošos.

Līdz šim no tiem 5357 esamība ir stingri apstiprināta. Tās ir pilnīgi dažādas planētas: gan aukstas, gan karstas, salīdzināmas gan ar dzīvsudraba masu, gan ar masu 10 Jupiters. Starp tiem, visticamāk, ir tādi, kuru virsma ir nepārtraukts okeāns, un ledus ar ārkārtīgi zemu temperatūru.

Tomēr starp visu šo eksoplanētu "zooloģisko dārzu" praktiski nav tādu eksemplāru, uz kuriem varētu būt dzīvība. Tas nenozīmē, ka tie vispār nepastāv. Šeit darbojas tikai atlases efekts: lai uzkarstu tāpat kā Zeme ar Saules klases zvaigzni, šādām planētām ir jābūt diezgan lielām orbītām - “garam gadam”. Lai salabotu to tranzītu, zvaigznēm nepieciešams ļoti ilgs laiks novērot. Bet Kepleram šī laika nebija - viņš strādāja tikai 3 gadus. Tajā pašā laikā, pat ja šādas planētas tiktu atklātas, būtu ļoti grūti pierādīt, ka tajās ir dzīvība.

Turklāt citplanētiešu dzīvība, visticamāk, atšķiras no Zemes. Ar lielu varbūtību mēs redzētu tikai baktēriju gļotas. Jo ceļā no dzīvības rašanās uz augsti attīstītu un vēl jo vairāk tās inteliģento formu ir dažādi maz ticami notikumi, un, visticamāk, uz citām planētām, process sākumposmā tiek palēnināts attīstību.

Šajā ziņā Zeme ir reta parādība.

Pašlaik mums trūkst instrumentu precizitātes, lai uztvertu šādas planētas, izmantojot radiālā ātruma metodi, un nav tādu teleskopu kā Keplers, lai izsekotu to tranzītu.

Bet es domāju, ka drīzumā līdzekļi tiks uzlaboti un zinātnieki sāks atklāt pirmās "Zemes". Piemēram, ir mājieni, ka Tau Ceti sistēmā - tuvu saule zvaigzne - tur ir planētas apdzīvojama zona.

2. Ir gravitācijas viļņi

Saskaņā ar Einšteina relativitātes teoriju gravitācijas spēks ir laika telpas izliekuma rezultāts matērijas ietekmē, kur gravitācijas viļņi ir tās viļņi.

Gravitācijas viļņi veidojas saplūšanas rezultātā melnie caurumi vai neitronu zvaigznes - tas ir, masīvi objekti. To tuvumā telpa sarūk un paplašinās par 10% vai vairāk, un līdz ar to arī jebkurš tajā esošais objekts. Mēs saņemam sīkus viļņus, kurus ir ļoti grūti reģistrēt.

Kad Einšteins formulēja relativitātes teoriju, zinātnieki sāka ilgu un neveiksmīgu mēģinājumu eksperimentāli noteikt gravitācijas viļņus.

Pirmā piedāvātā saprātīgā metode padomju zinātnieki: Vladislavs Pustovoits un Mihails Gercenšteins. Sešdesmitajos gados viņi uzrakstīja rakstu, kurā ierosināja izveidot gravitācijas viļņu detektoru lāzera interferometra formā.

Viņa darba princips bija šāds:

1. Divi spoguļi atrodas vairāku kilometru attālumā viens no otra.
2. Interferences lāzera stars precīzi mēra attālumu starp tiem.
3. Ja tas sāk mainīties, tas var būt saistīts ar gravitācijas viļņu ietekmi.

Ideja ir vienkārša, taču tās īstenošana izrādījās saistīta ar daudzām grūtībām. Fakts ir tāds, ka precizitāte, ar kādu ir nepieciešams izmērīt attāluma izmaiņas starp spoguļiem, ir desmitiem tūkstošu reižu mazāka nekā protona izmērs atoma kodolā. Lai to izdarītu, jums ir nepieciešams jaudīgs lāzera stars, vakuums, unikāls detektora iestatījums.

Lai to visu sasniegtu, bija vajadzīgas vairākas desmitgades. Rezultātā 2015. gadā ASV zinātniekiem tas izdevās. Viņiem bija divi detektori, kas fiksēja gravitācijas viļņu signālu, un to rezultāti sakrita gan savā starpā, gan ar teorētiskajiem aprēķiniem.

Nav šaubu: pastāv gravitācijas viļņi.

Vispārējā relativitātes teorija, skaista jau no paša sākuma, tika apstiprināta praksē. Bija ļoti svarīgi parādīt visiem šaubīgajiem: paskatieties, cik spēcīgi tas darbojas.

Kopš tā laika gravitācijas viļņu reģistrāciju skaits ir pārsniedzis simtu. Zinātnieki uzkrāj statistiku, kā arī izstrādā projektu īpaši jutīgam interferometram, ko var izmantot kosmosā.

3. Mikroviļņu fons - mācību grāmata par Visuma vēsturi

Mikroviļņu fons ir gaisma, kas veidojās pirmajos simtos tūkstošu gadu pēc Lielā sprādziena. Viņš mūs sasniedza īsu radioviļņu veidā – centimetra lieluma.

No kurienes radās šī gaisma? Pirmajos dzīves mirkļos Visums bija blīvs, karsts un ārkārtīgi jonizēts – tas ir, atomu kodoli tika atdalīti no elektroniem. Tikai pēc 380 tūkstošiem gadu viņi “sadraudzējās” viens ar otru un izveidoja neitrālus atomus. Šī iemesla dēļ gaismas mijiedarbība ar jaunām vielām ir krasi mainījusies. Fotoni izlidoja visos virzienos, kļuva mazāk enerģiski, jo to viļņa garums stiepās līdz ar Visuma izplešanos. Tā mūs sasniedza Lielā sprādziena gaisma.

20. gadsimtā sākās mikroviļņu fona pētījumi. Deviņdesmitajos gados instrumentu jutīgums palielinājās tik ļoti, ka kļuva manāms tā plankumainība un nelīdzenums.

2000. gados kosmosā tika palaists jaudīgs WMAP mikroviļņu starojuma detektors, kas paņēma šī starojuma karti no apm. debesis labā izšķirtspējā.

Pateicoties viņai, plankumu kontrasta sadalījums tika veidots atkarībā no to lieluma, tam bija virsotnes un kritumi. Šādu parādību sauc par Saharova svārstībām - to pirmais aprakstīja padomju fiziķis Andrejs Dmitrijevičs Saharovs.

Šo virsotņu un leju attiecība precīzi parāda, kāds bija agrīnais Visums, kā arī apraksta tā īpašības.

Tagad mēs precīzi zinām notikumu hronoloģiju no pirmajām niecīgajām sekunžu daļām pēc Lielā sprādziena līdz mūsdienām. Uzskatu, ka tas ir nozīmīgākais sasniegums 21. gadsimtā.

Diemžēl šis pētījums ir apstājies. Pēc WMAP eksperimenta Planck satelīts tika palaists ar modernāku mikroviļņu krāsns teleskops. Viņš ieguva datus, kas trūka, taču nekādus principiāli jaunus atklājumus nenesa.

Kosmoloģija ir izsmēlusi reliktā starojuma mērīšanas metodes iespējas. Tāpēc ir ļoti grūti virzīties uz priekšu. Bet tas ir dabiski: pēc revolūcijas parādās plato. Jauni sasniegumi būs jāgaida.