Kas must auk võiks olla läbitav ja ussiauk, mille on ehitanud kõrgelt arenenud tulnukate luure, nagu näidati filmis "Interstellar"? Mis ühist on neutronitähel ja mustal augul? Kuidas avastati neutronitähed ja kas Päikesesüsteemi äärel võib olla veel üks suur kivine planeet? Kuulus astrofüüsik Sergei Popov rääkis meile sellest ja paljudest muudest asjadest.
Sergei Borisovitš Popov - vene astrofüüsik, teaduse populariseerija, füüsikaliste ja matemaatiliste teaduste doktor, V. I. järgi nimetatud Riikliku Astronoomiainstituudi juhtiv töötaja. P. K. Sternberg (GAISH MSU). Teadushuvide ringiks on mustad augud ja neutrontähed. Ta pöörab palju tähelepanu teaduse populariseerimisele, kirjutab populaarteaduslikke artikleid ja peab avalikke loenguid.
Sergei Borisovitš, kuidas neutronitähed avastati?
- Nad olid üsna dramaatilised. Esiteks pean ütlema, et neid ennustati 1930. aastatel. Kuid keegi ei kiirustanud neid otsima, kuna ennustus ütles, et need peaksid olema nende käsutuses oleva tolleaegse tehnoloogia abil väikesed kuumad objektid, mida on raske tuvastada. Pärast seda avastati esimeste röntgenikiirguse vaatluste abil neutronitähed, kuid neid ei tuvastatud. Mida ma mõtlen? Neil allikatel ei olnud ühtegi spetsiaalset markerit, mis võimaldaks väga kiiresti kindlaks teha, millised need objektid olid. Selle tulemusel avastati nad ametlikult juhuslikult - nagu raadioimpulssid. Inimesed uurisid lihtsalt allikate virvendamist kosmilises plasmas ja üks allikatest näitas väga perioodilist signaali - impulsside kordust väga suure täpsusega.
Edasi. 1967. aastal tegi tähelepanekuid tollane tundmatu kraadiõppur Jocelyn Bell. Alguses keegi ei uskunud teda, sest mõned maapealsed allikad võivad tõesti raadioulatusse pääseda. Kuid selge igapäevane perioodilisus allikate asukoha muutuses näitas, et tegemist oli ikkagi astronoomilise objektiga ja siis otsustati, et vaadeldakse kunstlikku maavälist signaali. Sellises olukorras on see üsna loogiline eeldus, eriti kuna see teema oli väga populaarne.
Kuid lühikese aja jooksul avastati veel mitu sellist eri perioodidega allikat. Sai selgeks, et see ei olnud kunstlik signaal, vaid lihtsalt uus astronoomiliste objektide klass. Nad arvasid, et nad on kas pöörlevad neutronitähed või pulseerivad valged kääbused. Ainult need objektid võivad anda nii täpse lühikese perioodi - sekundi murdosa.
Kuid siin on kaks lihtsat ennustust. Selleks, et mõista, kuidas valge kääbuse vibratsioon peaks käituma, võtke pall, mis hüppab piisavalt hästi, visake see välja ja jälgige, kuidas vibratsioon aeglaselt tuhmub. Näete, et vibratsiooni sagedus (kui pall hüppab madalamale ja madalamale) suureneb. Kui see on neutronitähe pöörlemine, siis see aeglustub. Keerake palli lauale ja näete, et see pöörleb üha aeglasemalt. Kui impulsse seletatakse neutronitähtedega, peaks periood suurenema. Vaatlused on näidanud, et periood tõepoolest kasvab. Siis sai selgeks, et oleme neutronitähtede ees.
Reklaamvideo:
Siis järgnes, nagu arvatakse, kahjuks Nobeli komitee ilmsetest vigadest suurim: Jocelyn Bell ei saanud Nobeli preemiat, vaid võttis projekti juhi Anthony Hewishi vastu formaalselt mitte raadioimpulsside avastamise, vaid tema suure panuse eest raadioastronoomia arendamisse, ehkki Põhimõtteliselt said kõik aru, et see suur panus oli seotud ennekõike raadioimpulsside avastamisega. Nii avastati neutronitähed.
WISE teleskoobi pildil on näha neutronitäht, mis liigub uskumatult suurel kiirusel - umbes 4,8 miljonit km tunnis. Oma rekordkiiruse tõttu sai ta hüüdnime "Space Cannonball"
Foto: NASA
Mis ühist on neutronitähel ja mustal augul?
- Fakt on see, et neutronitähed on väga täpselt määratletud objektide klass, mis tekivad tähe evolutsiooni hilistes staadiumides ja tegelikes astrofüüsikalistes tingimustes on mass umbes üks kuni kolm korda suurem kui Päikese mass. Mustad augud on väga lai objektide klass selles mõttes, et neid saab jällegi hästi määratleda kui teatud ruumi piirkondi, mille sündmused sees ei saa mõjutada väljaspool toimuvat, st piirkondi, mis on meist eraldatud sündmuse horisondi kaudu … Kuid sellised piirkonnad võivad olla nii väga erineva suurusega kui ka väga erineva päritoluga. Seetõttu võib seal olla hiiglaslikke, ülikõrgeid mustaid auke, mille mass on kümneid miljardeid päikesemasse, ja muidugi muutuvad need juba neutronitähtedest täiesti erinevaks. Või võivad olla ürgsed mustad augudmis tekkis universumi koidikul. Neil võib olla mass nagu asteroidil ja suurus näiteks prootonil. Kuid üks kuulsamaid mustade aukude liike, nagu neutronitähed, on tähe evolutsiooni lõpptoode. Massiivsed tähed muutuvad pärast supernoova plahvatust reeglina neutrontähtedeks või mustadeks aukudeks. Ja ainult nende kahte tüüpi objektide vahel näete ühendust, millest räägite. Tõepoolest, võime võtta neutronitähe, lisada sellele aeglaselt ainet ja aja jooksul, kui selle mass ületab kriitilise, variseb see mustaks auku. Kuid sellest hoolimata on need ikkagi üsna erinevad objektide klassid.on tähe evolutsiooni lõpptoode. Massiivsed tähed muutuvad pärast supernoova plahvatust reeglina neutrontähtedeks või mustadeks aukudeks. Ja ainult nende kahte tüüpi objektide vahel näete ühendust, millest räägite. Tõepoolest, võime võtta neutronitähe, lisada sellele aeglaselt ainet ja aja jooksul, kui selle mass ületab kriitilise, variseb see mustaks auku. Kuid sellest hoolimata on need ikkagi üsna erinevad objektide klassid.on tähe evolutsiooni lõpptoode. Massiivsed tähed muutuvad pärast supernoova plahvatust reeglina neutrontähtedeks või mustadeks aukudeks. Ja ainult nende kahte tüüpi objektide vahel näete ühendust, millest räägite. Tõepoolest, võime võtta neutronitähe, lisada sellele aeglaselt ainet ja aja jooksul, kui selle mass ületab kriitilise, variseb see mustaks auku. Kuid sellest hoolimata on need ikkagi üsna erinevad objektide klassid.kui selle mass ületab kriitilise, kukub see musta auku. Kuid sellest hoolimata on need ikkagi üsna erinevad objektide klassid.kui selle mass ületab kriitilise, kukub see musta auku. Kuid sellest hoolimata on need ikkagi üsna erinevad objektide klassid.
Hiljuti, muide, on teadlased muide teada saanud, kui palju "kaalub" iidne must auk, mis avastati 2013. aastal. Sellest tulev valgus läks meile 12,9 miljardit aastat, see tähendab, et see ilmus universumi koidikul. Selle mass on, nagu selgus, 12 miljardit päikese massi. Tavaliselt pole iidsetel mustadel aukutel väga suurt massi, kuna nende moodustamine võtab aega ja tegelikult ka asja. Millised hüpoteesid on olemas, et seletada sellist masu sellises iidses mustas augus?
- Seal on juba märkimisväärne kvantitatiivne erinevus. Kujutage ette vaest inimest, kes maksab kõrgeid makse, mis tähendab, et tal peaks olema Porsche Cayenne ja ta juhib McLaren F1-d. Põhimõtteliselt on mõlemad kallid autod, erinevus nende vahel on kvantitatiivne, kuid see on kuidagi silmatorkav. Asi on selles, et meist nii kaugel asuvate mustade aukude mass ei tohiks olla 10–12 miljardit päikese massi, vaid, ütleme, 100 miljonit. Igapäevasest vaatepunktist need arvud nii palju ei erine, kuid kui võtame konkreetsed mudelid mustade aukude masside kasvu kohta. Selgub, et 700 miljoni aasta jooksul, mis mustal augul oli, on 12 miljardi päikesemassi jaoks üsna keeruline kasvada - see on kummaline. Ja praegu on kõige loomulikum seletus see, et esimene must auk, mis hakkas kasvama ja kasvas selliseksoli teistest pisut massiivsem. See tähendab, et taandame selle küsimusele, kust üldse tulevad ülimaitsvad mustad augud.
Kõige ilmsem musta augu ajalugu algab esimestest tähtedest. Esimesed tähed moodustavad kümneid miljoneid aastaid pärast Suurt Pauku - need on üsna massiivsed tähed. Elu lõpul muutuvad nad mustadeks aukudeks, mille mass peaks tavaliselt olema umbes 200 korda suurem kui Päikese mass. Pärast seda saavad nad üksteisega sulanduda, ainet neelata, aeglaselt kasvada ja nii on meie aja järgi võimalik suure galaktika keskmesse sattudes kasvada kuni 10 miljardit päikesemassi. 10 miljardi päikesemassi kasvamiseks, mitte 13 miljardi aasta jooksul, vaid 700 miljoni jaoks, peate esialgu olema raskem kui 200 päikesemassi. Ja kõik õnnestub, kui selline must auk on esialgu vaid kümme korda raskem. Probleem on selles, kust saada kohe alguses mustad augud, mille mass on mitu tuhat päikesemassi. Kõige vaieldamatu vastus sellele küsimusele on praeguet need mustad augud tekkisid mitte esimestest tähtedest, vaid kohe üsna suure gaasipilve kokkuvarisemise tagajärjel. Siis võite esialgu saada musta augu, mille mass on mitu tuhat päikese massi. Siis läheb kõik nagu tavaliselt, kuid on selge, et kui alguses alustad suurema kapitaliga, on lõpuks ka sul rohkem kapitali.
Kuidas saab teie arvates lahendada tuntud dilemmat, et mustad augud tunduvad olevat peaaegu sada protsenti olemas, kuid keegi pole neid veel avastanud?
- Tõepoolest, mustad augud on väga ebatavaline objekt, mida on väga raske jälgida. Astrofüüsikalisest vaatevinklist näeme palju erinevaid allikaid, mis käituvad samamoodi nagu must auk, mis põhimõtteliselt pole muidugi nende olemasolu kasuks lõplik argument. Füüsika seisukohast on palju igasuguseid huvitavaid protsesse, mis on otseselt seotud silmapiiri olemasoluga, mida on tõelises astrofüüsikas fantastiliselt keeruline jälgida. Ja rangelt öeldes, me ei tea, kuidas seda jälgida, saame seda teha ainult siis, kui meil on väga vedanud. Ühelt poolt on olemas füüsilisi ennustusi, mille mõju viitaks enam-vähem ühemõtteliselt sellele, et meil on tegemist mustade aukudega, teiselt poolt ei saa me seda otseselt kontrollida, ehkki võime kontrollida igasuguseid muid asju. Ja mustad augud on mõne vaatluse jaoks parim tõlgendus.
Mida saaksime lähitulevikus teha ja mida me loodame? Kõige usaldusväärsem asi, mis peaks juhtuma lähiaastatel, on gravitatsioonilaine signaali registreerimine mustade aukude ühinemisel. Moodustatakse mustad augud, sealhulgas massiivsetest tähtedest, massiivsetele tähtedele meeldib moodustada binaarsüsteeme, mis tähendab, et peavad olemas olema süsteemid kahest mustast august, mis järk-järgult ühinevad, mis viib gravitatsioonilise kiirguse purunemiseni. Selliste sündmuste registreerimine peaks algama juba järgmisel aastal ning loomulikult peaks kehade vastastikmõju silmapiiril ja tahketel pindadel olema erinev. Huvitav on see, et formaalselt ei ole see mustade aukude olemasolu täielik tõestus. Kuid ma ütleksin, et iga tavaline žürii nõustub selliste tõenditega kui piisavad.
Samuti oleks tore näha välgust Hawkingi mustade aukude aurustumisest. Füüsikutel on selle üle palju poleemikat ja on mudeleid, kus Hawkingi kiirgust ei esine, kuid sellest hoolimata on see siiani omamoodi standardne ennustus. Võib loota näha viimast välku, kui must auk aurustub, kuid see on osaliselt tõenäoliselt õnne küsimus. Eelmisel korral, kui ma ei eksi, vaatasime üsna hiljuti plahvatust, mida nad üritasid sarnaselt selgitada, ja mõned nõuavad endiselt sellist selgitust, ehkki seda üldiselt ei aktsepteerita - see on niinimetatud kiire raadiosaatmine. Tõenäoliselt on see puhang tingitud muudest põhjustest, siiski oleks tore näha musta augu "viimast hingetõmmet".
Samal ajal loodame lihtsalt, et mida kaugemale me läheme, seda paremini saame teada ja mõistame tuntud allikate omadusi. Ja teleskoopide, suurte interferomeetrite areng võimaldab näha nn musta augu varju. Ligikaudu see, mida näidatakse filmis "Interstellar". On olemas eriprojekt nimega Event Horizon Telescope - tosina maapealse teleskoobi ühendamine, millel on kolm peamist eesmärki - kolm suurimat musta auku taevas: must auk M87 galaktika keskel, must auk meie galaktika keskel ja must auk Andromeda udus. Teadlased loodavad näha kiirgusstruktuuri otse nende objektide lähedal ja see on ka heaks argumendiks asjaolu kohta, et meil on tegemist mustade aukudega. (Pärast intervjuud ilmus artikkel - näete seda minu selle lehe arvustustest). Selles artiklis käsitletakse uusi argumente M87 musta augu horisondi olemasolu jaoks).
Samal ajal jäävad kõikvõimalikud teoreetilised vaidlused alati selle teema juurde, et silmapiiriga reaalseid auke ei teki, kui oleme sobivas tugiraamistikus, kõik aurustub enne, kui auk ilmub jne. Kuid see ei ole üldiselt mõjutab astrofüüsikalisi tähelepanekuid ja tõenäoliselt jääb endiselt võimalus ehitada kohutavalt eksootilisi alternatiivmudeleid, kus inimesed tulevad välja keerukate konfiguratsioonidega, mis on mustast august pisut suuremad. Ja siis on vaatluslikust küljest ka üsna keeruline neid ümber lükata ning ka argumendid nende alternatiivide vastu on üsna kaudsed, ehkki veenvamad kui selliste mudelite kasuks räägitavad argumendid.
Filmitud filmist "tähtedevaheline"
Kui me juba mainisime filmi "Interstellar", siis küsin: kas must auk on ikka veel läbitav või on see liiga ebatõenäoline?
- Ma soovitaksin kõigil lugeda raamatut Interstellar Science, kus kuulus Ameerika füüsik ja astronoom Kip Thorne vastab kõigile neile küsimustele enam-vähem populaarsel kujul, kes mõistab neid palju paremini kui mina. Põhimõtteliselt on ussiaugud mitmesugustest vaatenurkadest endiselt omamoodi eksootika. Me ei ole täiesti kindlad, kas suudame rakendada üldist suhtelisust selliste ekstreemsete tingimuste korral nagu musta augu keskpunkt: seda pole selliste tingimuste jaoks lihtsalt testitud. Relatiivsusteooria ei ole lõplik gravitatsiooniteooria ja see asendatakse teooriaga, mis selle piiravatel juhtudel taandub üldisele relatiivsusteooriale, kuid annab kõigis äärmuslikes olukordades erinevaid ennustusi. See tähendab nii usside aukude kui ka mustade aukude sügavust,põhineb üldrelatiivsustegurite võrrandite ekstrapoleerimisel aladele, kus neid ei testita. Kuid tahan kohe kaitsta relatiivsusteooriat, kuna see iseenesest pole spekulatsioon. Põhimõtteliselt saab ussiauke seostada mustade aukudega, lihtsalt oletus selle kohta on omamoodi spekulatsioon, mis põhineb heal teoorial, kuid on objektiivsetel põhjustel testimata.
Kindlasti oleks kummaline, kui mõni must auk oleks ussiauku sissepääs. Mustad augud peaksid siiski olema täiesti looduslik objekt ja ussiaugud ei pruugi looduses iseenesest tekkida. Selles pole midagi halba, näiteks iPhone'e ei leidu ka loodusest - inimesed loovad need ise. Seetõttu pole asjatu, et Interstellar arutleb võimsama tsivilisatsiooni üle, mis selle ussiauku lõi. Ja see tundub teatud mõttes vähem fantastiline kui ussiaukude olemasolu iseenesest ja isegi suurel hulgal. Muidugi, ma räägin suurtest ussiaukudest, mitte aga struktuuridest, mis kvantvahu tasemel eksisteerivad.
Filmitud filmist "tähtedevaheline"
Mida arvate suure kivise planeedi olemasolust Päikesesüsteemi äärel? Ja miks, kui see on olemas, pole seda veel avastatud, sest tundub, et see on juba avastatud eksoplaneetidega võrreldes nii lähedal?
- Kui ma vaatan aknast välja, näen mingeid esemeid minust üsna kaugel, kuid diivani all üles keritud mansetinööpi ma ei näe, sest seal on pime. Umbes sama on ka juhul, kui Päikesesüsteemist avastatakse mõni teine planeet. Tänu selle tähe valgusele näeme planeeti teise tähe lähedal - või pigem vastupidi: selle planeedi vari tähe peal. Me ei näe planeeti ennast - me näeme, et tähe ketta alt on läbi käinud midagi tumedat. Ja siin oleks meil vaja näha täpselt planeeti ennast. Kuid seda on keeruline teha, sest esiteks on see meist kaugel ja teiseks asub Päikesest kaugel, seetõttu peegeldab see vähe valgust. Muidugi, kui teate täpselt, kus see planeet praegu asub, ja suunake sellesse kohta suur teleskoop, saab seda tuvastada. Kuid seda ei tehta lihtsalt seetõttu, et suured teleskoobid ei saa kogu taevast vaadata. Ja selline planeet 200 AU kaugusel. e.jääks märkamatuks. Kuid seni pole sellist õnne juhtunud, seega on seda võimatu praegu näha, kui see on olemas.
On argumente, et sellised tähesüsteemide äärealadel olevad planeedid võivad eksisteerida. Kõige tõsisemad argumendid on seotud Päikesesüsteemi väikeste kehade käitumisega. Mõne komeedi orbiidide uurimine näitab, et need on üsna anomaalsed ja muidugi saab seda kõrvalekallet seletada erineval moel. Kuid kõige lihtsam viis, mis nõuab vaid ühte arvamist, on öelda, et 100-200 AU kaugusel. See tähendab, et peab olema planeet, mille mass on suurusjärgus Maa mass. See selgitaks kõrvalekaldeid komeetide orbiitidel. Niipea, kui selline idee tekib, tekib astrofüüsikas mõistlik küsimus: kust see pärit on. See tähendab, et kui tegemist on loodusobjektiga, peame ette kujutama selle välimuse loomulikku viisi.
Selle kohta võis juhtuda kaks versiooni. Esimene näib olevat realistlikum. See koosneb järgmisest: kui planeedid alles moodustasid, lendas Päikesesüsteemis palju igasuguseid väga erineva massiga objekte. Aeglaselt põrkasid nad omavahel kokku, suuremate kehade sisse imbunud või välja visatud - mõni väljast, mõni seest. Kuna Jupiter on massiivne planeet, suudab ta oma raskusega välja visata üsna raskeid esemeid. Ta suudab visata planeedi, mille maa mass on kuskil 150 AU. e. Ja kui see visati sinna - siis ei saa ta enam oma orbiiti tagasi pöörduda. Modelleerimine on näidanud, et see kõik on üsna reaalne.
Teine versioon tundub veidi eksootilisem. Kui pilv, millest Päikesesüsteem moodustus, oli piisavalt massiline, siis põhimõtteliselt on seni võimalik koguda planeet. See nõuab esiteks palju ainet ja teiseks palju aega - umbes 1 miljard aastat. Päikesesüsteemi on üle 4 miljardi, nii et aega oli.
Kas hiljuti on avastatud uut tüüpi eksoplaneete (välja arvatud supermaad, kuuma ja külma gaasi hiiglased, veemaailmad)?
- Viimaste kuude jooksul pole ma kuulnud ühtegi täiesti uut tüüpi eksoplaneetide avastamisest. Leidub avastusi, kuid need pole nii revolutsioonilised, sest Kepleri teleskoop, nagu teate, ei ole enam oma töö aktiivses faasis ja eksperdid töötavad selle arhiividega. Maapealsed instrumendid on planeetide avastamine, kuid see pole nii suur voog, nii et kui me suudame midagi välja öelda, näiteks eelmise aasta avastustest, siis on see ilmselt minu subjektiivse arvamuse kohaselt üsna eksootilisel viisil - gravitatsiooni kasutades - avastatud planeedi avastus. läätsed. See omakorda välistab selle üksikasjaliku uurimise hiljem. Planeet on üsna tihedas binaarsüsteemis, kuid selle orbiit on üsna suur. See tähendab, et kaugus tähest tähte on 15 AU. e., ja planeedilt tähele - 1 a. e) Seetõttu minu arvatessee on üsna huvitav ja ebatavaline süsteem. Kahjuks, nagu ma ütlesin, on seda väga keeruline üksikasjalikult uurida.
Fakt on see, et üsna sageli kuuleb mõnes populaarteaduslikus filmis või programmis näiteks "teemant" planeete, mis koosnevad peamiselt süsinikust. Mida selle kohta öelda saab ja kuidas sellise spekulatsiooniga suhestuda?
- See on nii spekulatsioon kui ka samal ajal spekuleerimine, see on omamoodi liialdus. Võib olla väga kõrge süsinikusisaldusega planeete. Ja kui need on piisavalt massiivsed, siis on süsinik vastavalt kokkusurutud kujul, osa sellest on teemandiga sarnases olekus. See aga ei tähenda, et sellisele planeedile lennates näeksite suurt ümmargust teemanti. Planeet näeb välja palju proosalisem - väljastpoolt ja teemant peaks olema kaugel. Meie kujutlusvõime on lihtsalt kergesti ostetav mingiks liialduseks, mis põhineb põhimõtteliselt milleski reaalsuses.
Ma tahan öelda, et laboris ei saa me isegi maa sisemust reprodutseerida. Me ei tea üldse, mis Jupiteri kesklinnas toimub. Kuid see ei tähenda, et Jupiteri kesklinnas oleks suur jookidega baar - valime piiratud valiku igavamate võimaluste hulgast. Kui me teame nii halvasti isegi oma Maad ja Päikesesüsteemi planeete, siis mida saaksime öelda kaugete eksoplaneetide kohta. Enamasti teame nende kohta ainult massi, raadiust ja ongi kõik. Seetõttu pole üllatav, et kui me seisame silmitsi suure hulga eksoplaneetidega, tekib loomulikult tohutu hulk hüpoteese selle kohta, millised need võiksid välja näha ja millest need koosnevad. Kuid kahjuks on uued konkreetsed andmed eksoplaneetide kohta endiselt piiratud.
Tähtede PLAvõrguline läbisõit ja ostsillatsioonid (PLATO) on Euroopa Kosmoseagentuuri kavandatud kosmoseteleskoop, mis fotomeetrite rühma kasutades tuvastab ja iseloomustab igat tüüpi ja suurusega eksoplaneete kollastes ja oranžides kääbustesüsteemides nagu meie Päike. Teleskoobi plaanitakse käivitada 2017. või 2018. aastal. Sellel on palju suurem vaateväli kui Kepleril (mille vaateväli on 100 ruutkraadi), mis võimaldab tal uurida laiemat tähtede valimit.
Mida on teada eksoplaneetide satelliitide kohta?
- Mitte midagi. Nende avamiseks on piisavalt raske. Usutakse, et sellise põlvkonna teleskoobid nagu James Webb saavad seda teha ja seda erineval viisil. Niisiis, Webb näeb satelliite, kui need on piisavalt kuumad. PLATO suudab satelliite tuvastada samal viisil, nagu Kepler avastas planeedid - transiitide kaudu, mööda ketast läbides. Seetõttu on tema käsutuses ainult suured satelliidid, nagu meie Kuu või Jupiteri Galilea satelliidid. Ehkki seda on palju arutatud, on oodata palju huvitavaid ideid ja andmeid.
Olga Fadeeva
Intervjuu ilmus ajakirjas Naked Science (nr 19, mai-juuni 2015).
