Astrofizikas Borisas Sternas: 3 nuostabiausios žinios apie Visatą, kurias gavome XXI amžiuje

Balandžio 29-30 dienomis konferencija „Mokslininkai prieš mitus». Joje ekspertai kovos su stereotipais apie gyvybę Žemėje ir kosmose. Astrofizikas Borisas Sternas dalyvaus diskusijoje „Į ką veda bandymai suprasti Visatos sandarą?“.

Ypač „Lifehacker“ jis kalbėjo apie sėkmingus kosmoso tyrinėjimo atvejus ir apie tai, kaip jie pakeitė mokslinį kraštovaizdį ir idėjas apie pasaulį.

XX amžiuje kosmoso tyrime įvyko lūžis – tobulėjo technologijos, tobulėjo stebėjimo metodai. Jei anksčiau mokslininkai tenkinosi tik teleskopais, dabar jie turi kitų, daugiau tobuli įrankiai: palydovai, radioastronomijos prietaisai, interferometrai.

Dėl to per pastaruosius 20 metų buvo padaryti svarbiausi kosmologijos ir astrofizikos atradimai: gravitacinių bangų egzistavimas, atrastos egzoplanetos ir galiausiai visatos istorija ir jos turinys yra nulemti dideliu tikslumu. Visa tai yra svarbiausios žinios, praplėtusios mūsų supratimą apie mus supantį pasaulį.

1. Yra daug planetų, kuriose įmanoma gyvybė

«egzoplanetų epas“ prasidėjo 1995 m., kai pirmą kartą buvo pritaikytas radialinio greičio metodas. Jo dėka periodiškai buvo galima stebėti žvaigždžių spektrinių linijų poslinkį pagal Doplerio efektą. Dėl to buvo rasta iš pažiūros neįmanoma milžiniška planeta, kurios orbitos periodas yra 4,2 dienos – labai arti žvaigždės 51 Pegasus.

Tada tai tapo moksline sensacija ir mokslininkai pradėjo ieškoti egzoplanetos. Tikrasis proveržis šioje srityje įvyko 2009 m., kai buvo paleistas Keplerio teleskopas.

Jis jau dirbo prie kitokio metodo – tranzito. Tikslas buvo „pagauti“ nedidelį žvaigždžių tamsėjimą, kurį sukelia planetų perėjimas jų fone.

Dėl to aptiktų egzoplanetų skaičius smarkiai išaugo. Jei prieš tai jų buvo šimtai, tai dabar jų skaičius siekia tūkstančius.

Iki šiol iš jų 5 357 egzistavimas buvo tvirtai patvirtintas. Tai visiškai įvairios planetos: tiek šaltos, tiek karštos, panašios tiek su Merkurijaus, tiek su 10 masės. Jupiters. Tarp jų greičiausiai yra tokių, kurių paviršius yra ištisinis vandenynas, ir itin žemos temperatūros ledas.

Tačiau tarp viso šio egzoplanetų „zoologijos sodo“ praktiškai nėra tokių egzempliorių, ant kurių galėtų būti gyvybė. Tai nereiškia, kad jų apskritai nėra. Tiesiog čia veikia atrankos efektas: norint įkaisti taip, kaip Žemė su Saulės klasės žvaigžde, tokios planetos turi turėti gana dideles orbitas – „ilgus metus“. Norint sutvarkyti jų tranzitus, žvaigždėms reikia labai ilgai stebėti. Tačiau Kepleris neturėjo šio laiko - jis dirbo tik 3 metus. Tuo pačiu metu, net jei tokios planetos būtų atrastos, būtų labai sunku įrodyti, kad jose yra gyvybė.

Be to, ateivių gyvybė greičiausiai skirsis nuo Žemės. Su didele tikimybe pamatytume tik bakterines gleives. Nes pakeliui nuo gyvybės atsiradimo iki labai išsivysčiusios, o juo labiau jos protingos formos yra įvairių mažai tikėtini įvykiai ir, greičiausiai, kitose planetose, ankstyvosiose stadijose procesas sulėtėja plėtra.

Šia prasme Žemė yra retas reiškinys.

Šiuo metu mums trūksta instrumentų, kad galėtume užfiksuoti tokias planetas naudojant radialinio greičio metodą, ir nėra tokių teleskopų, kaip Kepleris, kad būtų galima stebėti jų tranzitą.

Bet manau, kad netrukus priemonės bus patobulintos ir mokslininkai pradės aptikti pirmąsias „Žemes“. Pavyzdžiui, yra užuominų, kad Tau Ceti sistemoje – arti saulė žvaigždė - ten yra planetų gyvenamoji zona.

2. Gravitacinės bangos egzistuoja

Pagal Einšteino reliatyvumo teoriją gravitacijos jėga yra erdvėlaikio kreivumo, veikiamo materijos, rezultatas, kur gravitacinės bangos yra jos bangavimas.

Dėl susijungimo susidaro gravitacinės bangos Juodosios skylės arba neutroninės žvaigždės – tai yra masyvūs objektai. Netoli jų erdvė susitraukia ir išsiplečia 10% ar daugiau, o kartu ir bet koks joje esantis objektas. Gauname mažyčių bangelių, kurias labai sunku užregistruoti.

Kai Einšteinas suformulavo reliatyvumo teoriją, mokslininkai pradėjo ilgą ir nesėkmingą bandymą eksperimentiškai aptikti gravitacines bangas.

Pirmasis pagrįstas pasiūlytas metodas sovietinis mokslininkai: Vladislavas Pustovoitas ir Michailas Gercenšteinas. 1960-aisiais jie parašė dokumentą, siūlydami sukurti gravitacinių bangų detektorių lazerinio interferometro pavidalu.

Jo darbo principas buvo toks:

1. Du veidrodžiai yra kelių kilometrų atstumu vienas nuo kito.
2. Interferencinis lazerio spindulys tiksliai išmatuoja atstumą tarp jų.
3. Jei jis pradeda keistis, tai gali būti dėl gravitacinių bangų įtakos.

Idėja paprasta, tačiau jos įgyvendinimas buvo susijęs su daugybe sunkumų. Faktas yra tas, kad tikslumas, kuriuo reikia išmatuoti atstumo tarp veidrodžių pokytį, yra dešimtis tūkstančių kartų mažesnis už protono dydį atomo branduolyje. Norėdami tai padaryti, jums reikia galingo lazerio spindulio, vakuumo, unikalios detektoriaus sąrankos.

Viso to pasiekti prireikė kelių dešimtmečių. Dėl to 2015 metais JAV mokslininkams pavyko tai padaryti. Jie turėjo du detektorius, kurie fiksavo gravitacinių bangų signalą, o jų rezultatai sutapo ir tarpusavyje, ir su teoriniais skaičiavimais.

Nelieka jokių abejonių: gravitacinės bangos egzistuoja.

Bendroji reliatyvumo teorija, graži nuo pat pradžių, buvo patvirtinta praktiškai. Labai svarbu buvo parodyti visiems abejojantiems: pažiūrėkite, kaip galingai tai veikia.

Nuo tada gravitacinių bangų registracijų skaičius viršijo šimtą. Mokslininkai kaupia statistiką, taip pat kuria itin jautraus interferometro projektą, kurį galima naudoti kosmose.

3. Mikrobangų fonas – visatos istorijos vadovėlis

Mikrobangų fonas yra šviesa, kuri susiformavo per pirmuosius šimtus tūkstančių metų po Didžiojo sprogimo. Jis mus pasiekė trumpų radijo bangų pavidalu – centimetro dalies dydžio.

Iš kur atsirado ši šviesa? Pirmosiomis savo gyvavimo akimirkomis Visata buvo tanki, karšta ir itin jonizuota – tai yra, atomų branduoliai buvo atskirti nuo elektronų. Tik po 380 tūkstančių metų jie „susidraugavo“ vienas su kitu ir suformavo neutralius atomus. Dėl šios priežasties šviesos sąveika su naujomis medžiagomis labai pasikeitė. Fotonai išskrido į visas puses, tapo ne tokie energingi, nes jų bangos ilgis ištįso kartu su visatos plėtimu. Taip mus pasiekė Didžiojo sprogimo šviesa.

XX amžiuje pradėti mikrobangų fono tyrimai. Dešimtajame dešimtmetyje instrumentų jautrumas taip išaugo, kad tapo pastebimas jo dėmėtumas ir nelygumai.

2000-aisiais į kosmosą buvo paleistas galingas WMAP mikrobangų spinduliuotės detektorius, kuris paėmė šios spinduliuotės žemėlapį iš aplink dangus gera raiška.

Jos dėka dėmių kontrastinis pasiskirstymas buvo pastatytas priklausomai nuo jų dydžio, turėjo viršūnių ir nuosmukių. Toks reiškinys vadinamas Sacharovo virpesiais – pirmasis jį aprašė sovietų fizikas Andrejus Dmitrijevičius Sacharovas.

Šių viršūnių ir duburių santykis tiksliai parodo, kokia buvo ankstyvoji visata, taip pat apibūdina jos savybes.

Dabar mes tiksliai žinome įvykių chronologiją nuo pirmųjų mažų sekundžių po Didžiojo sprogimo iki šių dienų. Manau, kad tai yra svarbiausias XXI amžiaus pasiekimas.

Deja, šis tyrimas sustojo. Po WMAP eksperimento Planck palydovas buvo paleistas su pažangesniu mikrobangų krosnelė teleskopu. Jis gavo duomenų, kurių trūko, bet neatnešė jokių iš esmės naujų atradimų.

Kosmologija išnaudojo reliktinės spinduliuotės matavimo metodo galimybes. Todėl labai sunku judėti į priekį. Bet tai natūralu: po revoliucijos atsiranda plynaukštė. Naujų proveržių teks palaukti.