Романтика относительности. О чём говорят астрономы

Небесная механика

После олимпиады по физике в 7-м классе мой преподаватель предложила заниматься астрономией. Так я стал участвовать в олимпиадах школьного, городского, регионального, всероссийского уровня. На астрономических сборах в Санкт-Петербурге решали, кто попадёт в сборную на международные олимпиады. Я ездил на несколько таких – в Корею, Румынию, Литву. Тех, кто хочет стать астрономом, преподаватели сразу приглашали поступать в Санкт-Петербургский госуниверситет. Я подумал: почему бы и нет? Факультет интересный, плюс учат математике и программированию, так что всегда есть запасной вариант будущей работы.

На первом курсе понял, что хочу заниматься именно астрономией и что учусь где надо. А некоторые студенты уходят сразу: поступали вроде как на романтичную специальность, а вместо этого – матанализ, физика, программирование. Астрономия делится на астрофизику, небесную механику и астрометрию. Астрометристы следят за спутниками и координатами звёзд. По их каталогам строят системы координат, по которым ориентируются спутники.

Астрофизика изучает масштабные процессы: как устроена Вселенная, что происходит в недрах Земли, как движутся облака в галактиках, какие взрывы происходят в космосе и что такое гравитационные волны. Наблюдательная астрофизика, где я учусь, занимается анализом полученных данных. Небесная механика изучает движение тел относительно друг друга.

Мне очень хочется заниматься наукой. Если у физиков есть адронный коллайдер, где они могут что‑то моделировать, то у астрономов есть небо, которое они исследуют. Можно остаться в университете и при нём пытаться открыть нечто новое. Для написания курсовой и диплома старшекурсники уже делают мини-открытия. Многие исследователи привлекают к работе студентов.

Хороший астроном всегда найдёт работу в обсерватории. Их в России много. В Санкт-Петербурге есть Пулковская, правда, у неё сейчас проблемы. В СССР её территория охранялась от застройки, так как пыль мешает наблюдениям. Сейчас часть территории решили продать.

Одна из самых известных в России – Специальная астрофизическая обсерватория РАН на Кавказе с 6-метровым большим телескопом. Я проходил там учебную практику, в этом году планирую поехать на производственную.

Павел Усачёв.
Фото Натальи Малыхиной

Телескопы-дальнобойщики

Даже наблюдая через телескоп, астроном смотрит в монитор компьютера. Наблюдения фиксируются, из них делают выводы. Например, у звезды можно заметить особую переменность (изменение блеска), и этот показатель приведёт к научному открытию. Но это нужно доказать научному сообществу – написать статью или серию статей, подкреплённых формулами, фотографиями и т. д. Астрономам удобнее работать в командах. Интернет позволяет постоянно быть на связи, больше не нужно съезжаться раз в полгода для обмена данными. Учёные объединяются в общий чат, где обсуждают, что и зачем будут наблюдать. Большие открытия, как правило, делаются командами.

Всё, что можно было открыть вручную, уже давно открыли. Сейчас звёзды открывают телескопы: спецпрограмма записывает полученные координаты в цифровые файлы. Но иногда астрономы сами вычисляют тусклые и сверхновые звёзды.

Телескопы разбросаны по всему миру и космосу, и вести наблюдение на любом из них можно в автоматическом режиме. Если я серьёзный астроном, то могу отправить заявку в любую обсерваторию, чтобы установить наблюдение за определённым объектом. Люди, которые обслуживают телескоп, задают набор команд: что, как и сколько наблюдать. После проведения съёмки обсерватория отправляет файл с изображениями и данными, которые астроном анализирует.

Например, вам стало известно, что в той или иной области находится астероид. Для вычисления орбиты нужно снять его с длинной выдержкой три раза в определённое время, чтобы по положению относительно звёзд узнать, как он движется и на каком расстоянии находится.

Астероидная опасность была всегда, но только с развитием технологий учёные задумались, как предотвращать столкновения. Сейчас есть дальнобойные телескопы, которые позволяют рассчитать орбиту астероида с высокой точностью и понять, угрожает он Земле или нет.

Пока потенциально опасный астероид находится за 100 лет до столкновения, к нему можно отправить булыжник или отработавший спутник и хорошенько по нему зарядить. Астероид, конечно, очень тяжёлый, но такой удар позволит сдвинуть его с орбиты хотя бы на полмиллиметра. Этого хватит, чтобы, подлетая к Земле, он сдвинулся на тысячи километров. Если не сделать это вовремя, сильно сдвинуть астероид не получится.

Сейчас разрабатываются ракеты с большой грузоподъёмностью, которые смогут оттащить или подорвать астероид.

Специальная астрофизическая обсерватория РАН, где Павел проходил практику.
Фото из личного архива Павла Усачёва

Болты-убийцы

Есть проблема с космическим мусором – аппаратами, которые уже не функционируют. Их обломки могут упасть на Землю. Пока существует два пути: топить их в океане или выводить на орбиту захоронения.

У телевизионных спутников есть своя орбита, по которой они синхронно вращаются с Землёй. А за ними на определённом расстоянии есть орбита, где по мировой договорённости хранятся спутники, которые отработали своё. Пока места там ещё достаточно, но в ближайшие десятилетия проблема может обостриться.

Даже болт, выроненный космонавтом в космосе, приобретает космическую скорость (7,8 км/с) и способен пробить толстый слой металла. Международную космическую станцию от мелких пылинок защищает специальное покрытие. За более крупными обломками и спутниками следят в оба, чтобы в случае чего успеть скорректировать траекторию МКС.

Вероятность столкновения спутников очень мала, так как между ними расстояния в несколько сотен километров. Кроме того, они летят с одной скоростью. Если пересекаются орбиты двух нерабочих спутников, тогда столкновения не избежать. Возможно, появятся технологии, которые будут собирать мусор в космосе – тогда его возможно вернуть на Землю, чтобы избежать засорения.

Бегство от тьмы

В галактиках летают облака. В определённый момент они сгущаются, сталкиваются, и происходит возмущение плотности. Уплотняясь, газ с пылью разогревается и превращается в звезду. Внутри неё начинаются термоядерные процессы. Со временем, излучая энергию и теряя массу, она расширяется, а внутри всё начинает выгорать. Из‑за нестабильности она схлопывается, превращаясь в нейтронную звезду (массивное тело, которое искривляет пространство) или чёрную дыру.

Нейтронная звезда довольно маленькая (10–15 км в радиусе), зато имеет массу Солнца. Чёрная дыра ещё меньше: например, звезда размером с Землю может превратиться в горошину с массой Солнца. Она так называется, потому что на определённом расстоянии от её центра невозможно убежать – настолько у неё сильная гравитация. Скорость убегания (скорость, с которой возможно покинуть объект) достигает скорости света – и получается, что ничто не может покинуть чёрную дыру, даже свет. Она ничего не излучает, поэтому её не видно.

Существование чёрных дыр можно доказать только по косвенным признакам. Например, если у двойной системы (две звезды, вращающиеся вокруг друг друга) оказывается чересчур большая масса, значит, один из них тяжёлый невидимый объект – чёрная дыра. Сверхмассивные чёрные дыры находятся в центре галактик.

Астрономы и физики поняли, какими уравнениями и зависимостями можно описать свойства сверхплотного вещества нейтронных звёзд и чёрных дыр. Но пока не понятно, как описать самое плотное состояние под названием «сингулярность» – то, что содержало в себе всю Вселенную и раскидало своё содержимое в пространстве при Большом взрыве.

Фото из личного архива Павла Усачёва

Плывём по волнам

Согласно общей теории относительности, гравитация – это искривление пространства. Волны возникают при быстром изменении пространства. Например, две нейтронные звезды в конце эволюции сближаются и очень быстро вращаются относительно друг друга. Это как раз и вызывает быстрые изменения пространства. Искривления импульсом распространяются по всей Вселенной – так и получаются гравитационные волны.

Их стали открывать недавно (экспериментально впервые засекли 11 февраля 2016 года), так как только сейчас появились специальные детекторы с лазером, способные уловить слабый сигнал.

Когда в августе 2017 года произошла вспышка гравитационных волн, все телескопы срочно переключились на ту область, где предсказывалось излучение. За счёт этого получили полную картину слияния двух нейтронных звёзд, при котором произошёл взрыв с большим выделением энергии.

Сейчас я понимаю, как появилась Вселенная и что такое тёмная материя. Раньше мне казалось, что я никогда этого не пойму. Когда разберёшься во всём, масштабы Вселенной действительно впечатляют. В нашей галактике сотни миллиардов звёзд, а галактик ещё сотни миллиардов – это только то, что мы можем наблюдать.

Кино и астрология

Я люблю фильмы, которые заставляют задуматься, и «Интерстеллар» – один из них. Астрономы отнеслись к этому фильму хорошо, потому что многое там описано так, как оно есть на самом деле, например замедление времени.

Есть, конечно, моменты, которые не соответствуют действительности. Про ту же чёрную дыру: невозможно залететь под поверхность чёрной дыры! Если быть точным – можно, но перед этим тебя расплющит на атомы.

А астрология – просто выдумка. Понимаю, что это звучит красиво, будто планеты и звёзды влияют на людей. Но никакой зависимости характера людей от даты рождения экспериментально не обнаружено.

Источник