Открытия ученых меняют представления о мире. В «Парке науки ННГУ» состоялась лекция «Наши знания о Вселенной через призму Нобелевских премий XXI века». Декан физического факультета ННГУ Александр Малышев рассказал, как научные открытия дают возможность развивать новые области физики. 

Непостоянная Вселенная 

В 20-е годы прошлого века появилась теория большого взрыва – это модели, описывающие Вселенную, которая образовалась из какой-то точки и расширяется. 

В 1946 году физик Георгий Гамов выдвинул теорию горячей Вселенной. Упрощенно это можно представить так: когда наша Вселенная только-только родилась, она была заполнена чем-то схожим с плазмой очень высокой температуры. Вселенная расширялась, охлаждалась, и так стали рождаться первые атомы, молекулы и так появилось понятное нам вещество. Но в этом случае во Вселенной где-то должны быть древние фотоны, следы той самой плазмы. Соответствующее излучение, подтверждающее теорию горячей Вселенной, было открыто в 1965 году с помощью радиотелескопов, которые тогда появились. Это микроволновое излучение назвали реликтовым – древним и детально изучали и с Земли, а с появлением спутников и – из космоса. 

Нобелевским лауреатам 2006 года Джонку Мазеру и Джорджу Смуту удалось существенно уточнить параметры этого излучения. Был сделан вывод, что излучение приходит к нам со всех сторон Вселенной с одинаковой интенсивностью. Следовательно, Вселенная, в которой мы живем, одинакова во всех точках и, как говорят физики, изотропна. Это довольно серьезное открытие, уточняющее модель нашей Вселенной. 

Темная энергия 

В начале XX века Вселенная представлялась людям образцом постоянства и неизменности. В сознании огромного числа людей Вселенную создал Всевышний и она идеальна в соответствии с божественным замыслом. Когда в 1916 году теория относительности приобрела законченный вид. Эйнштейн, в числе других физиков, пытался из уравнений своей теории получить решения, которые бы описывали вечную неизменную Вселенную. Но доказать это математически не удавалось. В 1922 году независимо от Эйнштейна советский физик Александр Фридман предложил свои модели Вселенной, согласно которым Вселенная на глобальных масштабах однородная, изотропная одинаковая по всем точкам, во всех направлениях, но при этом она может... эволюционировать(!). Размер такой Вселенной может меняться со временем. Фридман получил математическое решение, описывающее расширяющуюся Вселенную. 

В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл в процессе своих наблюдений в телескопы также подтвердил эту идею. Это способствовало тому, что физики согласились с новыми представлениями о Вселенной, с тем, что она эволюционирует. Из моделей Фридмана следует, что расширение пространства Вселенной должно происходить замедленно. 

Нобелевские лауреаты 2011 года Сол Перлмуттер, Адам Рисс и Брайан Шмидт на основании своих данных к концу XX века пришли к выводу, что Вселенная расширяется с ускорением. Стоит отметить, что идея ускоренной Вселенной не очень хорошо сочетается с моделями Фридмана, которые логично вытекают из теории относительности. Для объяснения ускоренного расширения была придумана «темная энергия», несущая «антитяготение». 

Вся Вселенная равномерно заполнена темной энергией, которая разлита равномерно и она отвечает за процесс ускоренного ее раздувания, она несет в себе антитяготение. 1998 год стал годом рождения темной энергии. Но, что это по-прежнему никто не знает. То ли это новое поле (подобное электромагнитному), про которое мы ничего не знаем. Или это иные законы гравитации?  Есть интересное предположение, что темная энергия – это энергия вакуума. В этом есть своя некая логика. Вакуум пронизывает пространство Вселенной. Все, что у нас есть, погружено в вакуум, и если вакуум имеет некую энергию, то, возможно, это именно та энергия, которая позволяет Вселенной ускоренно расширяться. 

Волны иной природы 

Нобелевская премия по физике за 2017 год была присуждена Райнеру Вайссу, Кипу Торну и Барри Бэришу с формулировкой «за решающий вклад в создание детектора LIGO и регистрацию гравитационных волн». 

Барри Бэриш – первый директор детектора. Он смог собрать большую команду специалистов со всего мира – в коллаборацию из нескольких тысяч людей входили и представители России, в том числе нижегородцы из Института прикладной физики РАН. 

Стоит отметить, что гравитационные волны были еще предсказаны в рамках общей теории относительности. Она позволяет вывести волновое уравнение, а также некоторые свойства гравитационных волн. 

Гравитационные, в отличие от электромагнитных волн, – волны другой природы, но также распространяются со скоростью света. Они являются поперечными с двумя поляризациями, ориентированными под 45 градусов друг к другу.

Еще одна особенность – они  очень слабые, именно поэтому их так было сложно зафиксировать. Гравитационные волны излучают двойные системы черных дыр. 

Черные дыры – объекты очень массивные, но в то же время компактные. В конце своего жизненного пути две черные дыры в какой-то момент сливаются в одну. Этот процесс очень быстрый (занимает миллисекунды), но в этот момент большое количество энергии извлекается именно в виде гравитационных волн. Это рождает вспышку гравитационного излучения, которую можно «поймать». 

Для этого используют сегодня несколько огромных детекторов. Детектор VIRGO в Италии: длина плеч – три километра. Детектор LIGO – это два интерферометра, расположенные на западном и восточном побережье США. Длина плеч – четыре(!) километра. Первый полезный сигнал был пойман в 2015-м, объявили об этом только в феврале 2016-го после многочисленных проверок. С тех пор было получено около двух(!) десятков сигналов. Есть и уникальные. 

Например, пойман интересный сигнал от слияния двух нейтронных звезд, а они гораздо легче, нежели черные дыры. Также уникально было то, что удалось поймать сигнал не только в виде гравитационных волн, но и в виде электромагнитных волн в видимом диапазоне – яркую вспышку было видно в телескоп. Это, безусловно, прорыв – раньше мы могли только рассматривать небесные объекты в разном диапазоне длин волн - в оптическом диапазоне, инфракрасном, гаммоизлучении, а теперь мы научились небо слушать, принимать сигнал другой природы. 

Звезды качаются 

Еще одно важное открытие – экзопланеты. Еще 30 лет назад ни об одной из них ничего не было известно. Почему были проблемы с их открытием?  

Во-первых, планета свет не излучает, а только отражает. Если мы смотрим в телескоп, то свет, исходящий от звезды, в миллионы и миллиарды раз сильнее, чем свет отраженной планеты, которая рядом с этой звездой вращается. То есть за сиянием звезды никакую планету не разглядеть.

Во-вторых, планеты гораздо легче самих звезд и мало на них влияют. Планета и звезда обращаются вокруг общего центра масс. Звезда колеблется около своего положения равновесия. Это «качание» звезды в принципе можно было бы зафиксировать, но так как планеты обычно легче, чем звезда, вокруг которой они вертятся, то и смещение звезды относительно центра равновесия ничтожны. Чтобы их поймать, нужна очень чувствительная аппаратура. 

Только в 1995 году Мишель Майор и Дидье Кело (удостоенные Нобелевки в 2019 году) с помощью сверхточного спектрометра обнаружили покачивание звезды 51 Пегаса с периодом четверо с небольшим суток. Они установили, что вокруг этой звезды вращается планета с параметрами – радиус орбиты 7,5 миллиона километров. Для сравнения: Земля от Солнца расположена на расстоянии 150 миллионов километров. Меркурий – самая близкая планета к Солнцу, радиус орбиты 46 миллионов километров. Сейчас такие планеты называют горячими юпитерами. 

В 2004 году появился такой класс планет, как горячие нептуны. А в 2005 году открыта первая экзопланета, типа суперземля, около звезды Глизе. Ее масса в 7,5 раза больше массы Земли. В 2009 году открыта первая «суперземля», являющаяся планетой-океаном. Период обращения планеты вокруг звезды – 

38 часов, расстояние составляет около 2 млн км. Температура 230 градусов Цельсия. 

Система Кеплер-11 – это шесть экзопланет, вращающихся вокруг звезды. Ученые знают очень многое о них – их массу, расстояние, на котором они вращаются вокруг своей звезды, радиус этих планет, известен и период их вращения вокруг звезды. Если Земля вращается вокруг Солнца за 365 дней, Меркурий – за 88 суток, а планеты из системы Кеплер это делают в пределах десяти суток, именно столько там длится год. 

Вопрос дилетанта

– Есть ли жизнь во Вселенной? 

– В 2011 году у звезды Кеплер-20 обнаружены первые экзопланеты размером с Землю и меньше. Это говорит, что растет чувствительность измерительных инструментов, ведь это по космическим меркам легкие объекты. В том же 2011 году обнаружена экзопланета «суперземля» в так называемой обитаемой зоне. Это означает, что на поверхности такой планеты может существовать вода в жидком виде. Считается, что раз есть жидкая вода, то жизнь там может быть. Вероятность того, что мы не одни во Вселенной, растет, – отмечает Александр Малышев. 

Цифра 

Подтверждено существование 4396 экзопланет в 3242 планетных системах, в 720 из которых имеется более одной планеты, то есть известны целые системы экзопланет (по состоянию на январь 2021 года). 

Александра Махлина. Фото - ves-rf.ru.