10 вопросов о космосе

«Открыта планета, где идёт дождь из алмазов», «Учёные обнаружили планету где есть жизнь» и ещё кучу подобных заголовков можно увидеть на страницах новостных сайтов. Но на сколько можно им верить? Ответ на этот и много других интересных вопросов о космосе вы сегодня узнаете из нашей подборки из десяти интересных вопросов о космосе...

Как учёные судят о составе экзопланет?

За последние десять лет было разработано много новых методов обнаружения экзопланет и сейчас в СМИ постоянно появляются статьи и репортажи об открытии новых планет, которые часто пестрят заголовками вроде: «Открыта планета, где идёт дождь из алмазов» или «Учёные обнаружили планету где есть жизнь» и тому подобные. Чаще всего в таких статьях не говорится о том, что результат может быть не точным, а некоторые факты намеренно искажаются, чтобы привлечь и шокировать читателей.

Данные об экзопланетах мы получаем из наблюдений за их материнскими звёздами и из спектров излучения, идущих от самой планеты. Под воздействием гравитации планеты звезда немного колеблется и чем массивней планета тем больше амплитуда колебаний. Наблюдения за этими движением звезды дают возможность оценить массу экзопланеты, её размеры и радиус орбиты исходя из чего можно определить плотность планеты и количество тепла, которое она получает от звезды. Спектр звезды даёт возможность узнать приблизительный химический состав всей системы, на основе чего можно судить о недрах планет.

А спектр планеты указывает на химический состав атмосферы и её температуру, благодаря этому мы можем обнаружить на экзопланетах воду и узнать в каком агрегатном состоянии она пребывает. Когда астрофизики говорят, что обнаружена планета аналогичная Земле они имеют ввиду, что размеры планеты, её температура и химический состав атмосферы близки к земным, а значит там возможна жизнь. Спектральный анализ даёт очень высокую точность в определении условий на экзопланетах, но сейчас он применим не для всех экзопланет из-за их удалённости от Земли и низкой яркости. Как раз с планетами для которых не использовался спектральный анализ обычно и случаются ошибки, но астрофизики указывают результат с определённой вероятностью его правильности и рассматривают возможные альтернативы, а СМИ эти результаты возводят в абсолютную истину.

Почему планеты и звёзды имеют шарообразную форму, а звёздные системы и галактики — плоские?

Когда вещество из протозвёздного облака собирается в планету или звезду, оно падает на центр тяжести облака, при этом закручиваясь вокруг него в случайных направлениях. В результате сложного взаимодействия между частицами облака, со временем, из всех возможных плоскостей и направлений вращения остаётся только одна плоскость и одно направление. В силу сохранения углового момента, из-за сжатия туманности увеличивается скорость её вращения, а вслед за этим и центробежная сила. Это приводит к тому, что вещество, оставшееся на периферии туманности растягивается в диск в плоскости экватора звезды — облако становится «сплющенным». Таким образом, формируются плоские звёздные системы, механизм формирования галактик такой же, только происходит на значительно больших масштабах и требует больше времени.

Почему же тогда планеты и звёзды имеют форму шара? Материя, упавшая на планету/звезду/ядро галактики, теряет скорость (считается, что её импульс передаётся звёздному ветру или другим выбрасываемым частицам) и попадает в более сильное гравитационное поле. Центробежная сила  уже не столь велика и не может поддерживать форму диска, объкт становится сферическим или, точнее сказать, сплюснутым шаром, так как центробежная сила не исчезает полностью.

Было ли Солнце раньше меньшего размера?

Многие знают, что звёзды с возрастом увеличиваются в размере и перед гибелью превращаются в красных гигантов, диаметр которых в сотни раз больше, чем был у звезды в момент её формирования, но мало кто знает, как это происходит. Эволюция звёзд проходит достаточно странным образом, рассмотрим её на примере звезды с массой равной солнечной: после образования такая звезда горит несколько миллиардов лет, теряя по разным оценкам от 1 до 5 миллионов тонн массы в секунду, выжигая запасы водорода и накапливая гелий, с небольшой примесью углерода, кислорода и азота, что приводит к изменению характера ядерных реакций в недрах звезды. В ней выделяется всё больше энергии и звезда увеличивается в размерах вроде бы всё просто но таким образом звезда вырастает в объёме всего на 1-2% за 5 миллиардов лет жизни, что никак не тянет на красного гиганта.

Стремительный рост звезды происходит в самом конце её жизни, когда запасы гелия в ядре пересекают критическое значение, тогда начинаются ядерные реакции горения гелия и выделение энергии в звезде резко увеличивается и она быстро раздувается. Если бы люди жили как звёзды, то это выглядело бы так: человек рождается, взрослеет за несколько недель, а затем 80 лет живёт вообще не изменяясь, разве что располнеет на 1-2%, и вдруг за неделю старится до состояния столетнего старика, после чего ещё несколько десятилетий доживает в таком облике. В этом, кстати, заключается основная сложность в оценке возраста звёзд.

Возможна ли передача информации быстрее скорости света при помощи каких-нибудь квантовых эффектов?

Теория относительности принципиально запрещает передачу информации быстрее скорости света, но люди постоянно создают новые гипотезы о том, как это ограничение можно было бы обойти. Сейчас наиболее популярным является вариант квантового телеграфа, который должен передавать информацию при помощи запутанных частиц. Суть его проста: каждая частица имеет такую характеристику, как спин, у которого есть направление. В определённых условиях оно «постоянно меняется», а две запутанные частицы всегда имеют противоположные спины. Если одну оставить на Земле, а вторую отправить на Альфа Центавра, то как только мы на Земле словим частицу с конкретным направлением спина, её напарница на Альфе Центавра в тот же момент примет положение с противоположным спином. Казалось бы, всё просто, крути частицу на Земле как хочешь, а её напарница будет где-то там поворачиваться в противоположную сторону, остаётся лишь закодировать в эти движения информацию, но не тут-то было. Мы не можем придать частице определённый, нужный нам спин, пока не начнём манипуляций над ней, а как только мы их начнём, сразу же произойдёт передача случайного направления спина на другой конец телеграфа и запутанность частиц будет разрушена, второй раз передать данные уже не выйдет. Поэтому передавать информацию через квантовую запутанность невозможно.

Рассматривается также вариант передачи информации и путешествий через червоточины, при этом передавать информацию почти мгновенно на огромные расстояния станет возможно, но согласно теории относительности она будет передаваться не только в пространстве, но и во времени. Допустим, вы решили отправить так сигнал на ту же Альфу Центавра, сигнал передастся туда через червоточину мгновенно, но на том конце червоточины будет Альфа Центавра, которая на 4,3 года старше той, которая существовала в момент отправки сообщения на Земле, соответственно будет передача сигнала из прошлого в будущее технически с той же скоростью света. Если бы мы захотели предупредить Альфу-Центавра о грозящей им катастрофе то, что отправить сигнал напрямую, что через червоточину, он бы достиг цели в одно и тоже время.

Что такое звёздный ветер?

Обычный земной ветер — это поток частиц воздуха. Звёздный ветер представляет собой поток частиц звёздного вещества, летящий от звезды в межзвёздное пространство. Он образуется за счёт того, что фотоны и конвективные течения звёздного вещества, идущие из недр звезды, переносят к поверхности огромное количество энергии и большой импульс, они сталкиваются с частицами вещества на поверхности и придают им достаточную скорость для вылета из звезды. Влияние фотонов доминирует в горячих гигантах, а влияние течений в относительно холодных и небольших звёздах.

Средняя скорость частиц звёздного ветра зависит от массы звезды и этапа её жизни, для небольших молодых звёзд она может быть около 200 км/с, у гигантов в среднем около 2000 км/с. Для солнца средняя скорость ветра равна 400 км/с, а вот белый карлик J005311 является аномалией, скорее всего, он образовался из двух карликов с очень сильными вращающимися магнитными полями, воздействие которых и создаёт такой быстрый ветер.

Что будет если Земля попадёт в черную дыру?

Встреча Земли с чёрной дырой пугает многих, однако подобное столкновение является практически невозможным, но если бы оно произошло, то судьба планеты при встрече с чёрной дырой зависела бы от размеров чёрной дыры, как ни парадоксально, но чем больше чёрная дыра, тем безопаснее будет приближение к ней.

Если чёрная дыра будет порядка звёздной массы, то её приливные силы разорвут Землю на части задолго до того, как планета упадёт на чёрную дыру. В зависимости от массы такой чёрной дыры и траектории её движения планета может ощутить её влияние за многие столетия до столкновения. Всё начнётся с участившихся землетрясений и повышенной активности вулканов, они будут постепенно усиливаться и через некоторое время сделают жизнь на планете невозможной. Ближе к столкновению планету испещрят огромные разломы коры, сквозь которые поверхность планеты будет заливать магма, к этому моменту человечество на Земле уже вымрет. Когда чёрная дыра окажется недалеко от Земли (Точное расстояние зависит от размеров дыры), планета будет разорвана на куски, которые будут падать на чёрную дыру и постепенно измельчаться, под горизонт событий вещество будет уходить уже измельчённое до субатомных частиц.

В сверхмассивную чёрную дыру планета может попасть целиком, ведь приливные силы у неё не столь велики. Для человека это будет практически неощутимо, кроме того, что жизнь далёких звёзд для него будет всё ускоряться и ускоряться по мере приближения к горизонту событий, а при его пересечении человек увидит конец жизни Вселенной. То что может произойти внутри чёрной дыры описывается разнообразными математическими выкладками, которые пока не имеют практических подтверждений, достоверно неизвестно даже работают ли там наши законы физики. Согласно предположению ведущих специалистов по чёрным дырам, человек окажется в темноте в бесконечном пространстве-времени, в котором время поменялось с пространством местами, его ждёт бесконечное падение на сингулярность, которой он так никогда и не достигнет, будет ли он при этом что-то осознавать также неизвестно.

Часто можно слышать, что чёрные дыры умирают или засыпают, как это понять?

Смерть чёрной дыры и её «сон» являются разными процессами, которые связаны лишь косвенно, поэтому разберём их по отдельности.

Понятие спящая чёрная дыра не совсем научно, его чаще используют журналисты, а также оно иногда встречается в научно-популярной литературе. Спящими при этом называют чёрные дыры, которые в данный момент не поглощают вещество, из-за этого чёрная дыра не имеет аккреционного диска, который бы светился, и является невидимым для прямых наблюдений. Учёные называют такие чёрные дыры неактивными, обычно этот термин применяется к сверхмассивным чёрным дырам в центрах галактик.

Смерть чёрной дыры, это прекращение её существования как физического объекта. В теории если чёрная дыра не поглощает вещество, то она плавно уменьшается за счёт излучения Хокинга, и чем меньше становится дыра, тем быстрее она испаряется. Если чёрная дыра достаточно долго голодает, то она может полностью исчезнуть, дырам с массой планеты на это понадобятся десятки миллиардов лет. Конечный этап этого испарения будет подобен взрыву звёзды и как раз таки и будет смертью чёрной дыры.

Почему при слиянии двух тяжёлых чёрных дыр рождается одна ЧД с массой меньше суммы масс слившихся?

При слиянии чёрные дыры закручиваются вокруг общего центра масс и по очень длинной спирали падают на него. При этом пара чёрных дыр создаёт гравитационные волны, которые усиливаются по мере их сближения и на создание которых чёрные дыры расходуют энергию. Поскольку масса и энергия взаимосвязаны то уменьшение энергии чёрной дыры приводит к уменьшению её массы. Пока чёрные дыры находятся относительно далеко, то потери энергии невелики, но в последние доли секунды перед слиянием выделяется просто колоссальное количество энергии.

По данным полученным, в 2015 году при помощи детектора гравитационных волн LIGO при слиянии двух чёрных дыр с массами 36 и 29 масс Солнца образовалась одна дыра с массой в 62 Солнечных, то есть потеря массы за счёт гравитационных волн была равна трём массам Солнца.

Пожалуйста, почему галактики-спутники вращаются перпендикулярно плоскости вращения галактики?

Галактиками-спутниками называют галактики, которые вращаются по орбите вокруг более крупных галактик, на данный момент у Млечного Пути известна 31 потенциальная галактика-спутник, но принадлежность некоторых из них к спутникам оспаривается. Галактики-спутники в большинстве случаев постепенно падают на центральную галактику и поглощаются ею. Утверждение, что галактики-спутники вращаются исключительно перпендикулярно плоскости главной галактики ошибочно, вращаться вокруг главной галактики-спутники могут в абсолютно любой плоскости, но наблюдать с Земли удобнее всего за теми спутниками, которые в данный момент находятся вне плоскости галактического диска Млечного Пути.

Спутники, находящиеся в плоскости галактического диска, скрыты от нас огромным количеством вещества галактики, сквозь которое трудно вести поиски спутников, а на некоторых направлениях это вообще невозможно. Поэтому и может сложиться впечатление, что в плоскости галактики нет ни одного спутника.

Каково самое меньшее значение времени?

Согласно теоретическим расчётам наименьшее возможное значение времени это 5,39116(13)*10^-44 секунды, это время называют Планковским временем. Его физический смысл — это промежуток времени, за который безмассовая частица, двигаясь со скоростью света, преодолеет расстояние равное Планковскому расстоянию. Эти две Планковские величины считаются квантами пространства и времени, то есть являются самыми малыми значениями расстояния и времени, которые имеют значение.

При рассмотрении масштабов меньше планковских геометрия пространства-времени, предсказанная общей теорией относительности, теряет смысл, да и вообще все современные физические теории просто перестают работать, При этом достоверно утверждать, что Планковское время является неделимым минимумом мы пока не можем. Экспериментально удавалось наблюдать лишь время равное 10^-18 секунды, что на десятки порядков больше Планковского, до тех пор, пока экспериментально не удастся подтвердить, что Планковское время действительно является минимальным, сохраняется вероятность того, что оно обусловлено несовершенством наших теорий, а не является фундаментальным свойством пространства-времени.