В 1990 году Королевский институт Великобритании (The Royal Institution) представил свою 161-ю серию знаменитых Рождественских лекций, посвященную фундаментальным вопросам космологии. Известный шотландский астрофизик профессор Малкольм Лонгейр в первой лекции под названием «Великий замысел» (The grand design) развернул перед юной аудиторией подробную картину строения Вселенной. Используя уникальные демонстрации и данные новейших спутников, ученый объяснил, как современные методы многоволновой астрономии позволяют заглянуть в самые далекие и холодные уголки космоса.
🌌 Шесть шагов к краю Вселенной: концепция «уютного космоса» 3:31
Начиная цикл лекций, Малкольм Лонгейр заявляет, что огромные космические расстояния и числа со множеством нулей не должны пугать исследователей. По мнению профессора, лучший способ понять масштабы Вселенной — это сопоставлять их друг с другом, благодаря чему космос начинает казаться «довольно уютным местом». Чтобы наглядно продемонстрировать эту иерархию, лектор предлагает пройти путь до границ наблюдаемого мира всего за шесть последовательных этапов:
- Этап 1. Солнечная система. На демонстрационном столе представлена модель, где верно переданы относительные расстояния между планетами. За основу масштаба берется расстояние от Солнца до Земли, а дистанция до Сатурна оказывается всего в 10 раз больше этого значения. Недавние снимки Сатурна, сделанные космическим телескопом Хаббл, фиксируют высокую активность на его поверхности.
- Этап 2. Ближайшие звезды. Чтобы добраться до ближайших звездных систем, нужно преодолеть расстояние, превышающее дистанцию от Солнца до Сатурна всего в 20 000 раз. Ассистенты Брайсон Гор, Пиппен и Джонатан воссоздали трехмерную модель 60 ближайших звезд в радиусе 17 световых лет от Земли. Ближайшая система Альфа Центавра находится на расстоянии 4,3 светового года. В этой окрестности преобладают мелкие и холодные красные звезды, присутствуют похожие на Солнце желтые, массивные горячие голубые гиганты, а также шесть крошечных, но горячих белых карликов.
- Этап 3. Галактика. Если увеличить масштаб межзвездных расстояний еще в 30 000 раз, открывается структура нашей Галактики. Она содержит около 100 миллиардов звезд, удерживаемых взаимной гравитацией в форме спирали, похожей на туманность Андромеды. Солнечная система располагается на периферии этого огромного звездного диска.
Для удобства картографирования ученые переводят трехмерную небесную сферу на двухмерную плоскость. С помощью юных ассистентов из зала по имени Джиллиан и Том профессор М. Лонгейр продемонстрировал этот процесс, развернув глобус так, чтобы полоса Млечного Пути легла строго на экватор, а центр Галактики оказался в середине карты — в так называемых галактических координатах.
🧽 Космическая губка: крупномасштабная структура материи 13:43
Галактики служат фундаментальными «строительными блоками» Вселенной. В астрономии выделяют спиральные и эллиптические галактики, последние из которых лишены дисков и удерживаются силами собственного тяготения. Иногда в космосе происходят масштабные столкновения. В качестве примера лектор демонстрирует кольцевую галактику, образовавшуюся в результате сквозного пролета другой галактики через ее центр, что вызвало мощные приливные волны.
Особый научный интерес вызывают активные галактические ядра и квазары. На коротких экспозициях обычных галактик исследователи фиксируют вспышки ядер, которые могут быть в миллиард раз ярче нашего Солнца. Ядро квазара 3C273 светит в тысячу миллиардов раз интенсивнее Солнца, излучая колоссальную энергию из крошечной области пространства, что, как отмечает Лонгейр, требует привлечения принципиально новой физики для объяснения явления.
В более крупных масштабах галактики объединяются в скопления, насчитывающие тысячи объектов. Размер типичного скопления примерно в 100 раз превышает диаметр нашей Галактики. Однако на сверхкрупных масштабах распределение материи становится крайне неоднородным. Профессор Лонгейр ссылается на масштабное трехмерное исследование около 30 000 галактик, проведенное Маргарет Геллер, Джоном Хукрой и их коллегами из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. Визуализация их данных показывает сложную ячеистую структуру Вселенной, состоящую из длинных нитей (филаментов) и гигантских пустот.
Для описания этой структуры ученый Ричард Готт из Принстонского университета предложил использовать модель обычной губки. По словам профессора Лонгейра, эта аналогия идеальна, поскольку в губке и сама материя, и все внутренние пустоты непрерывно связаны друг с другом. Размер этих космических пустот примерно в 50–100 раз больше размера скопления галактик. Сама же наблюдаемая Вселенная всего в 50 раз крупнее этих гигантских дыр.
⏳ Конечная скорость света как машина времени 23:30
Важнейшей концепцией современной космологии является конечность скорости света. Свет от Солнца доходит до Земли за 8 минут, а от далеких космических объектов он идет миллионы и миллиарды лет. Таким образом, вглядываясь вглубь космоса, астрономы видят объекты не такими, какими они являются сейчас, а какими они были в далеком прошлом.
Для графического описания этого эффекта космологи используют пространственно-временные диаграммы, где время откладывается по вертикали, а расстояние — по горизонтали. Расширение Вселенной началось с Большого взрыва, а информация о космических событиях доходит до земного наблюдателя строго вдоль линии, называемой прошлым световым конусом. Профессор Лонгейр определяет «текущий размер Вселенной» как расстояние, на которое мы можем заглянуть назад во времени до момента, когда Вселенная была примерно вдвое моложе своего нынешнего возраста.
Чтобы доказать неизбежность эволюции космических структур за этот период, лектор приводит аналогию с 15-летним подростком из зала по имени Дэвид. Когда Дэвиду было вдвое меньше лет — семь с половиной, — он выглядел и вел себя совершенно иначе. Профессор Лонгейр шутит, что и сам он сильно изменился, вспоминая времена, когда его волосы были в два раза длиннее. Точно так же и любые космические системы претерпевают кардинальные изменения за время, пока Вселенная увеличивает свой возраст вдвое.
🌊 Физика волн и электромагнитный спектр 27:15
Инструменты астрономов во многом родственны бытовым приборам, использующим различные диапазоны электромагнитного излучения. На лабораторном столе института собраны:
- параболическая спутниковая антенна для радиоволн;
- инфракрасный датчик движения (компонент охранной сигнализации);
- оптическая видеокамера;
- стоматологический рентгеновский аппарат;
- счетчик Гейгера для фиксации гамма-излучения.
Все эти устройства работают с одной и той же физической сущностью — электромагнитными волнами, отличающимися только длиной волны.
Для демонстрации свойств волн профессор Лонгейр приглашает на сцену юную помощницу Кейти. В ходе эксперимента на специальном волновом симуляторе они наглядно показывают фундаментальную связь между частотой колебаний и длиной волны. При низкой частоте движения руки волны получаются длинными, а расстояние между их гребнями — большим. Если же совершать колебания с высокой частотой, на той же дистанции умещается гораздо больше коротких волн.
Математически произведение частоты на длину волны всегда дает скорость распространения волны, что для электромагнитных колебаний равняется скорости света — открытие, совершенное бывшим профессором физики Королевского института Джеймсом Клерком Максвеллом.
Второй эксперимент с Кейти доказывает, что волны способны переносить механическую энергию. Запуск волны по симулятору приводит в движение шарик в трубке на противоположном конце стола. При этом высокочастотные короткие волны передают энергию гораздо эффективнее низкочастотных. В электромагнитном спектре красное оптическое излучение имеет длинную волну, голубое — короткую, а за пределами видимого спектра располагаются радиоволны, инфракрасные лучи, высокоэнергетические рентгеновские и ультракороткие гамма-лучи.
🌡️ Закон Вина и компьютерное моделирование звездных спектров 33:28
В астрофизике существует жесткая математическая зависимость между температурой космического тела и длиной волны, на которой оно излучает максимум энергии (закон смещения Вина). Профессор Лонгейр демонстрирует это с помощью раскаленного до 1000 Кельвинов пушечного ядра. Пропуская его свет через узкую щель и стеклянную призму, как это делал Исаак Ньютон, ассистент Брайсон разлагает излучение на спектральные компоненты: красный, yellow и зеленый цвета. По мере остывания ядра зеленый и желтый спектры исчезают, а излучение полностью смещается в невидимую инфракрасную, длинноволновую область.
Для более детального изучения феномена к доске вызывается школьник Том, увлекающийся компьютерами. С помощью компьютерной симуляции излучения абсолютно черного тела они исследуют, как меняется цвет и спектр излучения гипотетической звезды при изменении ее температуры:
- 3 000 Кельвинов: звезда имеет отчетливый оранжевый оттенок, в спектре преобладает красный цвет и практически отсутствует синий.
- 6 000 Кельвинов (температура Солнца): спектр выравнивается, увеличивается доля зеленого и синего, а звезда приобретает характерный желтовато-белый цвет.
- 10 000 Кельвинов: максимумы смещаются к коротким волнам, равная смесь всех цветов дает чистое белое свечение звезды.
- 20 000 Кельвинов: пик излучения уходит в невидимый ультрафиолет, а сама звезда становится ярко-голубой.
Этот эксперимент объясняет, почему массивные горячие звезды в космосе всегда имеют голубой цвет, а холодные — красный.
Обобщая данные на специальной диаграмме, Малкольм Лонгейр поясняет, что оптическая астрономия видит объекты с температурой около 10 000 К — это стандартная температура звезд и газовых облаков, из которых состоят галактики. Чтобы изучать экстремально горячую Вселенную (около 10 млн градусов), необходимо регистрировать рентгеновское излучение, а для миллиардных температур нужны гамма-телескопы.
Холодные же области космоса поддаются изучению исключительно в инфракрасном, миллиметровом и радиодиапазонах. Продемонстрированные снимки Земли со спутника в инфракрасном свете подтверждают это правило: наиболее нагретая пустыня Сахара сияет ярче всего, наглядно отражая температурную чувствительность метода.
💥 Космические взрывы и скрытая жизнь туманностей 42:32
Продолжая традиции Королевского института, известные своими громкими демонстрациями, ассистент Брайсон производит контролируемый химический микровзрыв прямо на лекционном столе. Профессор Лонгейр сопоставляет его с грандиозными катастрофами в космосе — взрывами целых звезд.
Главным астрономическим событием последних лет лектор называет вспышку сверхновой SN 1987A в Большом Магеллановом Облаке, зафиксированную 24 февраля 1987 года. Свежие снимки с телескопа Хаббл показывают, как расширяющееся вещество взорвавшейся звезды подсветило красивейшее газовое кольцо вокруг нее.
Другой пример — остаток сверхновой, взорвавшейся около 250 лет назад, которую никто не заметил из-за облачности или невнимательности. В оптическом диапазоне этот объект выглядит непечатляюще — как разрозненные блеклые волокна остывающего газа. Однако рентгеновский снимок той же области открывает совершенно иную картину: мощное сферическое облако газа, раскаленного взрывной волной до 10 миллионов градусов.
Похожая трансформация происходит при изучении знаменитой туманности Ориона. Великолепный оптический снимок Дэвида Мэлина с Англо-Австралийского телескопа фиксирует волокнистую газовую структуру, подсвеченную четырьмя центральными звездами. Но стоит переключиться на инфракрасный диапазон (длина волны в 4 раза больше), как вся былая прозрачность исчезает. На инфракрасном снимке проявляются сотни скрытых ранее звезд и плотные облака холодной красной пыли — именно там, по словам профессора Лонгейра, прямо сейчас рождаются новые звездные системы.
📡 Вселенная во всех диапазонах: от ROSAT до реликтового излучения 47:02
В финальной части лекции профессор Лонгейр демонстрирует, как выглядит вся карта ночного неба, если последовательно сканировать ее в разных длинах волн, используя уникальные космические обсерватории.
- Рентгеновское небо (спутник ROSAT): Созданный совместными усилиями Великобритании, Германии и США спутник ROSAT оснащен специальными микроканальными детекторами из Лестера для усиления слабых сигналов. Карта неба в рентгене фиксирует яркую плоскость Галактики, заполненную двойными системами, где вещество падает на компактные мертвые звезды, а также мириады далеких активных галактических ядер (таких как в квазаре 3C273), излучающих из газа с температурой 10 млн градусов.
- Гамма-небо (спутник COS-B): Гамма-телескопы принципиально отличаются от оптических; прототип, созданный в Саутгемптоне, содержит тяжелые экраны из вольфрама и свинца для улавливания сверхэнергичных квантов. Спутник COS-B за 8 лет работы уловил всего несколько тысяч гамма-лучей, но смог составить карту галактической плоскости. Она светится в гамма-диапазоне из-за присутствия экстремально горячего релятивистского газа миллиардных температур, подстегиваемого космическими лучами.
- Инфракрасное небо (спутник IRAS): Чтобы уловить тепловое излучение холодного космоса, инфракрасные кремниевые детекторы приходится искусственно охлаждать жидким азотом и гелием внутри огромных резервуаров-термосов (как на строящемся европейском спутнике ISO). Карта спутника IRAS (1980–1981 гг.) на волнах 60–100 микрон показывает Галактику, буквально пылающую холодным веществом с температурой всего 60–100 Кельвинов. Это межзвездная пыль, подогреваемая формирующимися протозвездами.
- Миллиметровое небо (спутник COBE): Аппаратура, созданная в Кембридже, позволила спутнику COBE построить в текущем 1990 году сенсационную карту реликтового фона. На ней полностью доминирует холодное излучение с температурой 2,736 Кельвина (чуть выше абсолютного нуля). Это микроволновое фоновое излучение — остывший «эхо-след» горячего Большого взрыва. Спутник COBE доказал, что его спектр идеально соответствует модели абсолютно черного тела, что является важнейшим подтверждением теории зарождения Вселенной.
- Радионебо (телескоп в Джодрелл-Бэнк): Радиокарта, созданная Институтом радиоастрономии Макса Планка в Бонне, демонстрирует структуры, буквально «вырывающиеся» из плоскости Млечного Пути. Это не тепловое излучение, а свечение релятивистских электронов высокой энергии, разогнанных неизвестными пока процессами, природа которых будет подробно рассмотрена в следующих лекциях цикла.
