Нобелевская премия 2019: современный этап исследования космоса
Канадский ученый Джеймс Пиблс в этом году получил половину общей суммы Нобелевской премии «за теоретические открытия в физической космологии». Он смог описать свойства реликтового излучения: рассчитал спектр его флуктуаций, оценил, как излучение будет выглядеть при добавлении холодной материи к обычной, и показал, на каком уровне находится относительная амплитуда колебаний температуры в такой модели.
Вторую половину премии между собой разделили швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Кело – «за открытие экзопланеты, обращающейся вокруг звезды солнечного типа». Для этого исследователям потребовалось разработать сверхточный спектрометр, который смог уловить слабые смещения спектра звезды, сопровождающие вращение планеты. Это открытие стало поворотным в сфере исследования экзопланет. Впоследствии, используя аналогичную методику, ученые смогли обнаружить еще около 4000 планет, разбросанных по Млечному пути.
Как все начиналось
Космология — раздел астрономии, изучающий свойства и эволюцию Вселенной, то, как она возникла, развивалась, какие формы материи ее наполняют и как происходит их внутренняя эволюция.
Как наука космология зародилась много тысяч лет назад, когда человек попытался осознать свое место в рамках Земли и за ее пределами, разглядывая ночное небо. Но первые шаги к самостоятельности космология сделала в 1915 году, когда перед Прусской академией наук Альберт Эйнштейн прочитал свои 4 знаменитые лекции, в которых представил новую теорию гравитации. А уже в 1922 году наш соотечественник Александр Фридман решил уравнения общей теории относительности применительно ко всей Вселенной. Именно с этого момента космология окончательно сформировалась как раздел физико-математической науки.
От Ньютона до Эйнштейна
Первая математическая Теория гравитации была создана Ньютоном. По ней взаимодействие между массивными телами определяется силой всемирного тяготения, пропорциональной произведению массы и обратно пропорциональной квадрату расстояния между этими телами. Эйнштейн же сказал, что никаких сил между массивными телами не существует. На самом деле тела искривляют пространство-время таким образом, что пробные тела в нем без какого-либо воздействия двигаются по траекториям. То есть Земля движется вокруг Солнца определенным образом, не потому что оно ее притягивает, а потому что Солнце так искривляет пространство-время.
Уже в 1916 году были получены первые аналитические решения для искривленных пространств. Шварцшильд нашел сферически-симметричные решения, которые оказались применимыми к любым массам, которые достаточно близки к сферически-симметричному распределению — актуально для Земли, Солнца, звезд, в том числе, и черных дыр.
Позже, в 1922 году, Фридман применил эти уравнения непосредственно ко всей Вселенной и получил целый класс решений. Но то, что пространство-время нашей Вселенной искривлено, было понятно и во времена Эйнштейна, а вот тот факт, что оно может быть еще и нестационарным, то есть его кривизна может меняться, а Вселенная — расширяться или сжиматься — стало открытием.
На сегодняшний момент классификация уравнений Фридмана выглядит следующим образом: в момент большого взрыва рождается Вселенная, после этого она начинает расширяться. Сначала с замедлением, что естественно для гравитации, силы, которая имеет только один знак, то есть все тела, подчиняющиеся ей, притягиваются друг к другу. Но приблизительно 5 миллиардов лет назад расширение начало ускоряться. Для того, чтобы Вселенная ускорялась, должен был существовать некий феномен, который бы порождал антигравитацию, то есть отталкивание вещества друг от друга. В 80-е годы прошлого века ученые установили, что этим феноменом была темная энергия.
Параметр Хаббла и химия Вселенной
Теоретические основы космологии заложил Эйнштейн, уравнения получил Фридман. А в 1929 году появилось первое наблюдательное подтверждение того, что Вселенная действительно расширяется. Знаменитый американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил следующую закономерность: он независимо измерил расстояние до близлежащих галактик, и также скорости до этих галактик. Когда ученый построил диаграмму, то выявил зависимость: чем дальше от нас галактика, тем с большей скоростью она от нас удаляется. Суть этого параметра вылилась в закон Хаббла, который говорит о том, что два объекта, находящиеся друг от друга на расстоянии A будут удалятся друг от друга со скоростью B пропорционально параметру Хаббла. Исследователи по сей день не прекращают измерять этот коэффициент, уточнять его. Современное значение составляет — 67,4 км/с на Мпк (мегапарсек).
Следующий важный аспект в изучении Вселенной — ее химический состав. В 1948 году физик Георгий Гамов сформулировал теорию горячей Вселенной. Зная, что она расширяется, ученый рассуждал так: если сейчас она становится больше, то значит, когда-то была значительно меньше, соответственно, вещество в ней было плотнее и горячее. А 13 миллиардов лет назад оно было настолько горячим, что обычное вещество во Вселенной в той форме, в которой мы привыкли к нему, еще не существовало. Температуры через секунду после большого взрыва составляли приблизительно миллиард градусов Кельвина, а это больше чем в недрах Солнца. При таких температурах не существует молекул, атомы ионизированы, ядра разбиты на свои легчайшие составляющие: протоны и нейтроны. Вселенная представляет собой чистую, равномерную смесь из протонов, нейтронов, электронов и огромного моря фотонов с очень высокой температурой.
Но как образовалось привычное нам вещество? Постепенно Вселенная остывала, и в ней запустился первичный нуклеосинтез, который сформировал первые легкие ядра. Изначально вещество во Вселенной представляло из себя очень простую смесь из водорода и гелия. Более тяжелых элементов было всего около 2%.
Все вещество, из которого мы с вами состоим, называется в космологической науке «барион». В 1966 году Пиблс заявляет: чем больше барионная плотность Вселенной, тем больше будет нарабатываться гелия. Если в первичном нуклеосинтезе не создавались тяжелые элементы – ни кислород, ни углерод – тогда, как появились мы с вами? Ведь мы — углеродная форма жизни, нас окружает вода, которая содержит большое количество кислорода, почва состоит из силициума. Так вот, тяжелые элементы во Вселенной образуются в результате различного рода эволюции первых звезд. Они были очень массивными и быстро перегорали. Исходно звезда состоит только из водорода и гелия, но когда она зажигается, то начинает активно пережигать водород в гелий, потом гелий в углерод, потом гелий и углерод — в кислород, марганец, неон, силициум и серу, которые, в свою очередь, пережигались в железо и никель. На этом цепочка термоядерных реакций заканчивалась, так как дальнейшие реакции были энергетически невыгодными.
Конец эволюции звезды — это мощный взрыв, который выбрасывает все эти химические элементы в первичную среду, состоящую только из гелия и водорода, перемешивая их там. Эта среда начинает группироваться, и в ней образуются первые звезды, такие как Солнце со своими планетарными системами. То есть все вещество сейчас, которое присутствует в этом зале, из которого состоим мы, было сгенерировано в предыдущей звезде, жившей в окрестности солнечной системы до Солнца. А мы с вами были рождены в звездах.
Находки человечества: реликтовое излучение и темная материя
Реликтовое излучение было открыто в 1965 году учеными, которые его не искали. Арно Пензиас и Роберт Вильсон занимались шумоподавлением помех на радиотелескопе, на длине 7,3 см они обнаружили, что никаким способом шумовую температуру с антенны не убрать. Потому что шел постоянный сигнал, но, что это за сигнал, они не знали. В то же время в Принстоне группа ученых, среди которых был лауреат Нобелевской премии 2019 года Пиблс, проектировала аппаратуру, которая должна была найти и измерить этот сигнал реликтового излучения, предсказанный еще Гамовым. Две команды исследователей встретились на семинаре, где космологи объяснили Пензиасу и Вильсону, что они на самом деле открыли. В 1978 году ученые получили Нобелевскую премию за свою находку.
Но почему реликтовое излучение так важно? Дело в том, что оно рождается в первые мгновения большого взрыва, то есть практически одновременно со Вселенной. При этом приблизительно 380 тысяч лет это излучение не проходит, потому что вещество во Вселенной находится в состоянии плазмы. Но спустя это время Вселенная расширяется и остывает настолько, что плазма рекомбинирует, водород и гелий становятся нейтральными, и с этого момента реликтовое излучение распространяется со всех сторон, во все стороны — в любую точку пространства. Когда мы сейчас его наблюдаем, мы видим Вселенную такой, какой она была приблизительно 13 миллиардов лет назад, то есть физические условия, которые тогда существовали, отпечатаны сейчас в реликтовом излучении.
Исследования продолжились в 80-90-е годы, когда ученые впервые измерили анизотропию реликтового излучения. В 2006 году за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике руководителям группы COBE Джорджу Смуту и Джону Мазеру. Анизотропия позволяет определить трехмерную кривизну нашего пространства и дать оценку нашей стандартной материи, из которой мы состоим. После ряда экспериментов ученые пришли к выводу, что такого вещества во Вселенной всего 5%, а остальные 95% — иное вещество. Оно состоит из холодной темной материи, которая создает гравитационные ямы. Они впоследствии вырастают до галактик, а попадающие в них 5% барионного вещества служат основой звезд и планет. Также в эти 95% входит темная энергия. Она однородно и равномерно заполняет нашу Вселенную точно так же, как реликтовое излучение, но обладает уникальным уравнением состояния — у нее отрицательное давление, которое играет роль антигравитации. Именно темная энергия начала доминировать 5 миллиардов лет назад, изменив темпы расширения Вселенной.
Но что такое темная материя? Первые представления о ней появились в 1933 году, когда Фриц Цвикки обнаружил, что галактики, входящие в скопления, двигаются довольно быстро – до нескольких тысяч километров в секунду. С такими скоростями они должны были давно выйти за пределы скоплений. Поэтому ученый предположил, что существует некая темная материя, которую мы по каким-то причинам не видим, но именно она создает глубокую гравитационную яму, в которой галактики движутся, не покидая системы.
Космология важная наука. Только за последние 19 лет XXI века было выдано 6 Нобелевских премий, имеющих непосредственное отношение к астрофизике. Ученые делают весомый вклад, потому что, исследуя космос, мы можем открывать новые фундаментальные законы физики, которые пока что недоступны в современных лабораториях.
