Популярные анимации, показывающие движение планет Солнечной системы по красивой спирали вслед за летящим Солнцем, давно завоевали интернет. Однако, как объясняет ведущий научно-популярного канала PBS Space Time Мэтт О'Дауд, реальная траектория Земли в космическом пространстве устроена гораздо сложнее и интереснее. На самом деле наше путешествие сквозь Галактику и Вселенную представляет собой комплексный космический танец, задействующий законы относительности, скрытую массу темной материи и реликтовое излучение времен Большого взрыва.
🌀 Развенчание мем-модели: почему «вихревое» движение планет вводит в заблуждение 0:00
Красочные видеоролики, в которых планеты обращаются вокруг Солнца по спирали, закручиваясь в своеобразный вихрь (vortex), технически не являются абсолютно неверными. Проблема заключается в том, как их преподносят: авторы подобных видео часто утверждают, будто классическая Коперниковская модель круговых орбит ошибочна, а «вихревое» движение отражает некую абсолютную истину.
Мэтт О'Дауд называет этот подход «шовинизмом систем отсчета» (reference frame chauvinism). Логика создателей таких видео строится на предположении, что система отсчета, в которой видна галактическая спираль, фундаментально лучше любой другой.
Чтобы опровергнуть это утверждение, ведущий напоминает о знаменитом мысленном эксперименте, который Галилео Галилей описал в своей книге 1632 года «Диалог о двух главнейших системах мира». Представьте, что вы находитесь в закрытой каюте корабля, который движется абсолютно плавно и без ускорения по гладкой поверхности океана. Без окон вы никак не сможете определить скорость судна или даже сам факт движения.
Этот эксперимент иллюстрирует принцип галилеевской относительности:
- В физике не существует единой «абсолютно покоящейся» системы отсчета.
- Все не ускоряющиеся (инерциальные) системы отсчета абсолютно равноправны с точки зрения законов природы.
Следовательно, взгляд на Солнечную систему как на спираль, прорезающую пространство, полностью валиден. Но точно так же валидна и привычная нам со школьных времен модель, где планеты просто вращаются вокруг стационарного Солнца. Каждая система отсчета выбирается под конкретную задачу.
⚖️ Центр тяжести: как планеты заставляют Солнце танцевать пируэты 1:59
Хотя все инерциальные системы отсчета физически равноправны, они не одинаково полезны на практике. Когда человеческий мозг рассчитывает траекторию летящего мяча, он подсознательно считает поверхность Земли неподвижной, игнорируя тот факт, что из-за вращения планеты мы несемся со скоростью около 1000 км/ч.
Аналогично, если НАСА планирует отправить марсоход на Марс, инженеры используют инерциальную систему отсчета, привязанную к центру масс Солнечной системы, полностью игнорируя то, что само Солнце мчится вокруг центра Галактики со скоростью 230 км/с.
Даже в рамках нашей планетной системы классическое представление о неподвижной звезде является неточным. Планеты не просто вращаются вокруг Солнца — они гравитационно притягивают его в ответ. Единственной корректной точкой, вокруг которой обращаются все тела в системе, является барицентр — общий центр масс.
Из-за огромного веса Юпитера и Сатурна барицентр постоянно смещается. В зависимости от положения этих планет-гигантов, центр масс может находиться как глубоко под поверхностью Солнца, так и далеко за его пределами. В результате наше светило само выписывает сложные, хаотичные пируэты вокруг этой невидимой точки.
Такое смещение центра масс напрямую влияет на траекторию Земли, вызывая два ключевых эффекта:
- Земная эллиптическая орбита слегка растягивается и сжимается под воздействием Юпитера и Сатурна на временных масштабах их периодов обращения (5 и 12 земных лет соответственно).
- Ориентация самого земного эллипса медленно вращается в пространстве на протяжении тысячелетий. Этот феномен входит в число циклов Миланковича, которые, как известно науке, вызывают ледниковые периоды на Земле.
🌌 Местный стандарт покоя: как измерить скорость Солнца в Млечном Пути 4:52
Описать движение Солнечной системы внутри Галактики гораздо сложнее, чем рассчитать траектории планет. Если в Солнечной системе гравитация тотально подчинена одному массивному объекту, то в Млечном Пути нет единого доминирующего тела. Все миллиарды звезд вращаются в суммарном гравитационном поле, которое они создают совместно.
Солнечная система движется вокруг галактического центра со скоростью около 230 км/с. Один полный оборот занимает примерно 230 миллионов лет. Чтобы осознать этот масштаб, Мэтт О'Дауд приводит историческую аналогию: когда Земля в прошлый раз находилась в этой же точке галактического пространства, по сверхконтиненту Пангея бродили первые динозавры, а трилобиты только-только вымерли.
Поскольку точный центр Галактики трудно зафиксировать как ориентир, астрономы ввели понятие Местного стандарта покоя (LSR — Local Standard of Rest). Это гипотетическая точка, которая совершала бы идеально круговую орбиту вокруг центра Галактики в текущей позиции Солнца.
Физическое обоснование LSR весьма элегантно: практически все звезды рождаются из газовых облаков, которые из-за взаимного трения изначально движутся по строгим круговым орбитам. Однако после формирования звезды лишаются этого трения и на протяжении миллиардов лет получают бесчисленные гравитационные «пинки» от других массивных объектов, постепенно сбиваясь с кругового курса.
Сравнивая скорость Солнца со средней скоростью окружающих нас молодых звезд, которые еще не успели сойти со своих первоначальных орбит, ученые выяснили, что наше светило движется нестандартно. Солнце обладает так называемым собственным (пекулярным) движением и смещается относительно LSR сразу по трем направлениям:
- Дрейфует вперед по ходу галактической орбиты со скоростью около 5 км/с.
- Смещается внутрь, по направлению к галактическому центру, со скоростью около 8 км/с.
- Устремляется вверх и наружу из плоскости галактического диска со скоростью 7 км/с.
🛸 Галактические лепестки и смертоносные колебания сквозь диск 7:56
Постоянный дрейф Солнца внутрь Млечного Пути вовсе не означает, что мы обречены упасть в сверхмассивную черную дыру Стрелец А*. Наша система пытается двигаться по слегка вытянутому эллипсу. Из-за того, что масса Галактики распределена по всему ее объему, классические замкнутые эллипсы здесь невозможны. В итоге траектория Солнца напоминает изящный цветок, а геометрически этот узор называется эпициклическим.
Еще более интригующим является вертикальное движение Солнечной системы. Сейчас мы находимся на высоте нескольких десятков световых лет над средней линией галактического диска. Поскольку под нами сосредоточено больше массы Млечного Пути, чем над нами, гравитация диска постепенно замедляет наш подъем.
Примерно через несколько миллионов лет Солнечная система достигнет пика — около 300 световых лет над плоскостью диска, — полностью остановится и начнет падать обратно. Мы на огромной скорости прорежем галактический диск насквозь, вылетим с противоположной стороны, снова затормозим и повторим этот цикл. Один такой «нырок» вверх и вниз занимает около 60 миллионов лет.
По мнению некоторых астрономов, эти вертикальные колебания могут быть напрямую связаны с циклами массовых вымираний на Земле (например, динозавры исчезли как раз около 60 миллионов лет назад). Плоскость галактического диска — крайне опасное место с высокой плотностью звезд. Прохождение сквозь нее повышает риски оказаться вблизи взрыва сверхновой или столкнуться с массивными объектами, способными гравитационно дестабилизировать кометы на окраинах Солнечной системы и направить их к Земле.
Кроме того, это bouncing-движение служит уникальной лабораторией для исследования темной материи. Различные физические модели предсказывают разные свойства этой невидимой субстанции:
- В мейнстримных моделях частицы темной материи практически не взаимодействуют между собой, поэтому они остаются рассредоточенными в виде гигантского пушистого гало вокруг Галактики.
- Альтернативные теории предполагают наличие слабого самовзаимодействия (своеобразного трения), из-за чего темная материя могла бы накапливаться в самом диске, делая его значительно тяжелее.
Скорость и максимальная высота вертикальных колебаний звезд напрямую зависят от общей массы галактического диска. Измеряя эти параметры для соседних светил, астрономы пришли к выводу, что никакой избыточной плотности темной материи внутри диска не наблюдается. Это серьезный аргумент в пользу стандартных моделей невзаимодействующей темной материи.
🌪️ Косая траектория и ветер из темной материи 11:36
Плоскость, в которой обращаются планеты Солнечной системы (плоскость эклиптики), наклонена к плоскости галактического диска примерно на 60 градусов. Именно этот наклон и создает в пространстве тот самый эффект сжатого штопора. Из-за этого наклона Земля половину своего года движется «впереди» Солнца по ходу галактического полета (максимальное опережение происходит в сентябре), а вторую половину года отстает от него (в марте).
Более того, в июне Земля движется в том же направлении, что и Солнце вокруг центра Галактики, поэтому их скорости суммируются. В декабре же планета летит в противоположную сторону, и наша общая галактическая скорость падает до минимума.
Такое сезонное изменение скорости неожиданно оказалось полезным для поиска частиц темной материи. Поскольку Земля несется сквозь галактическое гало, мы постоянно испытываем на себе «ветер» из темной материи. По аналогии с каплями дождя, которые бьют по лобовому стеклу автомобиля тем сильнее, чем быстрее он едет, детекторы на Земле должны фиксировать пик столкновений с частицами темной материи в июне и спад в декабре.
Физики, работающие на эксперименте DAMA в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии, утверждают, что им удалось зафиксировать этот ежегодный циклический сигнал. Однако Мэтт О'Дауд подчеркивает, что данное открытие остается крайне спорным в научной среде, поскольку ни одна другая лаборатория в мире с аналогичными детекторами пока не смогла воспроизвести эти результаты.
Напоследок ведущий разрушает еще один миф «вихревой» модели планет. Сейчас плоскость Солнечной системы наклонена так, что мы действительно движемся почти «лицом» вперед, образуя подобие штопора. Однако из-за закона сохранения углового момента плоскость эклиптики не будет разворачиваться вслед за изгибом галактической орбиты. Через четверть галактического оборота (около 57 миллионов лет) Солнечная система встанет ребром к направлению своего движения и будет катиться сквозь космос подобно гигантскому колесу.
🌌 Абсолютный покой: реликтовое излучение как космический якорь 13:33
Если расширить горизонт до масштабов всей Вселенной, то наше движение становится еще более стремительным. Млечный Путь на огромной скорости приближается к галактике Андромеды. В свою очередь, вся наша Местная группа галактик несется на скорости в несколько сотен километров в секунду к Великому аттрактору — колоссальной зоне сверхплотного скопления галактик.
Существует ли способ определить нашу чистую, абсолютную скорость во Вселенной, избежав путаницы с относительными системами отсчета? Оказывается, да. Сама Вселенная предоставила нам идеальный космический якорь — космическое микроволновое фоновое излучение (реликтовое излучение, CMB).
Этот тусклый радиосвет был испущен горячим водородом, заполнявшим пространство в самые ранние эпохи, задолго до появления первых звезд. Атомы древнего газа двигались хаотично, но у них существовала четкая средняя групповая скорость. Если бы наблюдатель в то время двигался в точности с этой средней скоростью, реликтовый свет шел бы к нему абсолютно равномерно со всех сторон.
Однако если наблюдатель имеет какую-то собственную скорость относительно этого газа, возникает доплеровский сдвиг: свет, летящий навстречу движению, кажется более энергичным и синим, а свет, догоняющий сзади, — менее энергичным и красным.
Хотя те древние атомы водорода давно превратились в звезды, испущенный ими свет до сих пор пронизывает каждый кубический сантиметр космоса. Реликтовое излучение задает фундаментальную систему покоя Вселенной.
Измерив температурную анизотропию CMB, астрофизики установили: наша Солнечная система несется относительно этой абсолютной космической системы покоя со скоростью 368 ± 2 км/с. Нас утягивают за собой гигантские сверхскопления галактик, расположенные в сотнях миллионов световых лет отсюда.
Итоговая картина нашего реального перемещения в пространстве способна вызвать головокружение:
- Мы вращаемся вокруг колеблющегося барицентра Солнечной системы.
- Сама планетная система закручена в деформированный штопор, который постепенно превратится в катящееся колесо.
- Параллельно мы совершаем вертикальные прыжки над и под диск Галактики каждые 60 млн лет.
- В то же время мы выписываем лепестки «галактического цветка» вокруг Млечного Пути.
- И наконец, вся эта конструкция на колоссальной скорости мчится сквозь ткань пространства-времени относительно реликтового излучения Большого взрыва.
💬 Ответы на вопросы зрителей: кремниевая жизнь и парадокс Мультивселенной 16:15
В традиционном блоке ответов на комментарии к прошлому выпуску (который был посвящен гипотетической жизни на основе кремния) Мэтт О'Дауд затронул несколько глубоких химических и философских вопросов.
Пользователь с ником appletank 8 поинтересовался, возможен ли аналог фотосинтеза или хемосинтеза, способный расщеплять диоксид кремния ($SiO_2$), ведь если нижнее звено пищевой цепочки не сможет циркулировать, то и вся кремниевая биосфера окажется невозможной.
Мэтт О'Дауд согласился с этим аргументом, назвав его отличным инсайтом. По его словам, в биологии не известно ни одного энзима, способного разорвать прочнейшие связи в молекуле диоксида кремния. Кварц (песок) химически слишком стабилен. Попадая в эту форму, кремний навсегда выводится из биохимического оборота, что делает эволюцию невозможной. В отличие от него, углекислый газ ($CO_2$) расщепляется живыми организмами относительно легко.
Другой зритель, father Dragon Cal, спросил, почему ученые не рассматривают жизнь на основе бора или азота. Мэтт объяснил, что эти элементы принципиально не способны выстраивать длинные стабильные молекулярные цепочки, которые служат каркасом для сложных биомолекул. Сера способна собираться в одномерные цепи, но из-за наличия всего двух ковалентных связей она не может присоединять к себе другие разнообразные атомы. Только углерод обладает полным спектром идеальных свойств для зарождения жизни.
Отвечая на вопрос пользователя dintari о совсем экзотических формах жизни (таких как мыслящий океан в романе «Солярис», ядерная жизнь на нейтронных звездах в книге «Яйцо дракона» Роберта Форварда или плазменная жизнь в облаках космической пыли), О'Дауд выразил скепсис. По его мнению, все эти гипотезы выглядят чересчур натянутыми и физически труднореализуемыми по сравнению со старой доброй органической химией углерода.
В завершение Мэтт О'Дауд поделился личным мировоззренческим выводом:
«Кажущаяся тонкая настройка нашей Вселенной лично мне строго указывает на существование некоего Мультивселенной. Огромное большинство вселенных в ней абсолютно необитаемы. Нам повезло наблюдать мир, физика которого позволяет существовать хотя бы одной форме жизни. Однако шанс того, что конкретная вселенная будет настроена настолько филигранно, что в ней окажутся возможными сразу несколько принципиально разных химических баз для жизни, практически равен нулю. Так что другие типы жизни, скорее всего, действительно существуют, но это "где-то там" означает "в нескольких вселенных от нас"».
Ведущий также с юмором извинился перед внимательными зрителями (включая пользователя benedictor), которые заметили, что в прошлой графике вместо формулы нитроглицерина по ошибке была изображена химическая структура тротила (ТНТ). О'Дауд пообещал усерднее учить химию, чтобы больше не распространять дезинформацию вопреки заветам группы AC/DC.
