Наука: вся астрофизика за час

В "Экспериментаниуме" рассказали об астрофизике доступным языком

В музее занимательных наук "Экспериментаниум" прошла лекция "Вся астрофизика за час". На ней ведущий научный сотрудник астрономического института Штернберга Сергей Попов рассказал о том, чем живет современная астрофизика. Прямую трансляцию лекции провело сетевое издание M24.ru.

Сергей Попов — известный астрофизик, специалист по нейтронным звездам и черным дырам, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Государственного Астрономического института имени Штернберга. Активно занимается популяризацией науки, в том числе на радио, в интернете, печатных изданиях, читает лекции для аудитории разных возрастов. Автор более ста научных и научно-популярных статей, лауреат фонда по поддержке молодых ученых "Династия".

Сергей Попов родился 8 декабря 1971 года в Москве. В 1995 году закончил физический факультет МГУ, в 1998-м – аспирантуру с кандидатской диссертацией "Популяционный синтез двойных систем после вспышки звездообразования и эволюция одиночных нейтронных звезд". Попов защитил докторскую диссертацию на тему "Магнито-вращательная эволюция и популяционный синтез одиночных нейтронных звезд" в 2011 году. Его научные работы публикуются в журналах "Успехи физических наук", Astronomy and Astrophysics и других. Статьи ученого печатаются в журналах "Звездочет", на сайтах "Русский переплет", "Астронет", Scientific.ru, также он выступает с публичными лекциями в рамках проектов журнала "Популярная механика", сайта Полит.ру и других. В соавторстве с Михаилом Прохоровым Сергей Попов написал научно-популярную книгу "Звезды: жизнь после смерти"(2007). Состоит в Международном астрономическом союзе, входит в редакционный совет газеты ученых и научных журналистов "Троицкий вариант".

Более подробную информацию о деятельности Сергея Попова можно найти на страницах сети "ВКонтакте" и сайте postnauka.ru.

Названия и понятия, упоминавшиеся в лекции

Экспериментаниум - музей занимательных наук, где посетители могут принять непосредственное участие во всевозможных опытах и экспериментах. Музей был открыт в 2011 году для увлекательного изучения законов точных наук и явлений природы. Более 250 интерактивных экспонатов музея рассказывают о механике, электричестве, магнетизме, акустике, демонстрируют оптические иллюзии, головоломки и другие научные открытия и изобретения. Коллекция экспонатов музея постоянно пополняется, разрабатываются новые образовательные и развлекательные программы.

Экзопланета (от древне-греческого "вне, снаружи") или внесолнечная планета — планета, обращающаяся вокруг звезды за пределами Солнечной системы. Экзопланеты чрезвычайно малы и тусклы по сравнению со звездами, а сами звезды находятся далеко от Солнца (ближайшая — на расстоянии 4,22 световых года). Поэтому долгое время задача обнаружения планет возле других звезд была неразрешимой, первые экзопланеты были обнаружены в конце 1980-х годов. Сейчас их стали открывать благодаря усовершенствованным научным методам, зачастую на пределе их возможностей.

По данным на 11 октября 2013 года, достоверно подтверждено существование 998 экзопланет в 759 планетных системах. Однако количество кандидатов в экзопланеты значительно больше.

Общее количество экзопланет в галактике Млечный Путь, по последним данным, составляет от 100 миллиардов. Из них от 5 до 20 миллиардов, возможно, являются "землеподобными". Также, согласно текущим оценкам, около 34% солнцеподобных звезд имеют в обитаемой зоне планеты, сравнимые с Землей. Большинство открытых экзопланет обнаружено с использованием различных непрямых методик детектирования, а не визуального наблюдения. Большинство из них являются газовыми гигантами и больше похожи на Юпитер, чем на Землю.

Радиопульсар — космический источник импульсного радиоизлучения, приходящего на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков или импульсов. Пульсары были открыты в 1967 году в Маллардской радиоастрономической обсерватории Кембриджского университета на длине волны 3,5 м (85,7 МГц). Их зафиксировала во время исследования мерцаний "точечных" радиоисточников Джоселин Белл - аспирантка английского физика Энтони Хьюиша. За выдающееся открытие Хьюишь получил в 1974 году Нобелевскую премию. Результаты наблюдений были засекречены на полгода: некоторое время предполагалось, что природа строго периодических импульсов радиоизлучения была искусственной. Первому открытому пульсару присвоили имя LGM-1 (от англ. little green men — "маленькие зеленые человечки"). По утверждению ученых, технически обнаружить пульсары в радиодиапазоне можно было еще за десять лет до их открытия. Известно также, что незадолго до результатов, полученных группой Хьюиша, на обсерватории Джодрелл-Бэнк были зафиксированы сигналы от пульсара PSR B0329+54, но ученые приняли их за шум земного происхождения. К 2011 году было обнаружено около 1970 радиопульсаров.

Галактика — гигантская гравитационно связанная система из звезд и звездных скоплений, межзвездного газа и пыли, а также темной материи. Все объекты в составе галактики участвуют в движении относительно общего центра масс. Термин происходит от греческого названия нашей Галактики – Млечный Путь (Γαλαξίας с древне-греческого переводится как "молочный, млечный").

Галактики являются чрезвычайно удаленными астрономическими объектами. Расстояние до ближайших из них измеряют в мегапарсеках, до самых дальних — в единицах красного смещения z. Разглядеть на небе невооруженным глазом можно всего лишь три галактики: туманность Андромеды - она видна в северном полушарии, а также Большое и Малое Магеллановы Облака - в южном.

В начале 1990-х годов насчитывалось не более 30 галактик, в которых можно было разглядеть отдельные звезды, все они входили в Местную группу. После запуска космического телескопа "Хаббл" и ввода в строй 10-метровых наземных телескопов число таких галактик резко возросло.

Галактики отличаются большим разнообразием: среди них выделяют сфероподобные эллиптические галактики, дисковые спиральные галактики, галактики с перемычкой или баром, линзовидные, карликовые, неправильные и т. д. Их масса варьируется от 107 до 1012 масс Солнца. Для сравнения, масса нашей галактики Млечный Путь равна 2•1011 масс Солнца. Диаметр галактик — от 5 до 250 килопарсек, что составляет от 16 до 800 тысяч световых лет. Диаметр нашей галактики - почти 30 килопарсек или 100 тысяч световых лет. Самая большая известная на 2012 год галактика IC 1101 имеет диаметр более 600 килопарсек.

Одной из загадок строения галактик является темная материя, проявляющая себя только в гравитационном взаимодействии. Она может составлять до 90% от общей массы галактики, а может и полностью отсутствовать, как в некоторых карликовых галактиках.

В пространстве галактики распределены неравномерно, их количество в наблюдаемой части Вселенной может составлять порядка ста миллиардов.

Солнечная система — планетная система, включающая в себя центральную звезду Солнце и все естественные космические объекты, обращающиеся вокруг него. Система сформировалась путем гравитационного сжатия газопылевого облака примерно 4,57 млрд лет назад. Все объекты можно разделить на четыре группы: Солнце, большие планеты, спутники планет и малые тела. На Солнце приходится большая часть всей массы системы (около 99,87%). Вокруг него практически в одной плоскости - плоскости эклиптики - движутся 8 планет. Четыре меньшие, внутренние, планеты, которые также называют планетами земной группы: Меркурий, Венера, Земля и Марс, - состоят в основном из силикатов и металлов. Четыре внешние планеты, также называемые газовыми гигантами: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, - намного массивней планет земной группы. Юпитер и Сатурн являются крупнейшими в Солнечной системе и состоят в основном из водорода и гелия. Уран и Нептун кроме того содержат метан и угарный газ.

Все планеты, большинство крупных объектов и почти все другие объекты обращаются вокруг Солнца в одном направлении с вращением Солнца. Исключение составляет, например, комета Галлея. Большая часть планет вращается вокруг своей оси в ту же сторону, что и вокруг Солнца, исключением являются лишь Венера и Уран.

Самой большой угловой скоростью обладает Меркурий. Он успевает совершить полный оборот вокруг Солнца за 88 земных суток. А для самой удаленной планеты — Нептуна — период обращения составляет 165 земных лет.
В Солнечной системе есть две области, заполненные малыми телами. Пояс астероидов, находящийся между Марсом и Юпитером, сходен по составу с планетами земной группы - состоит из силикатов и металлов. Его крупнейшие объекты - Церера, Паллада, Веста и Гигея. За орбитой Нептуна располагаются транснептуновые объекты, состоящие из замерзшей воды, аммиака и метана, крупнейшими из которых являются Плутон, Седна, Хаумеа, Макемаке, Квавар, Орк и Эрида. В Солнечной системе существуют и другие популяции малых тел, такие как планетные квазиспутники и троянцы, околоземные астероиды, кентавры, дамоклоиды, а также перемещающиеся по системе кометы, метеороиды и космическая пыль.

Солнечная система изучена человеком менее чем на одну миллионную часть.

Световой год — внесистемная единица длины, равная расстоянию, проходимому светом за один год. По определению Международного астрономического союза, световой год - это расстояние, которое свет проходит в вакууме, не испытывая влияния гравитационных полей, за один юлианский год (равный по определению 365,25 стандартных суток). В профессиональной литературе для выражения больших расстояний вместо светового года обычно используются парсеки, кило- и мегапарсеки.

Альфа Центавра — звездная система в созвездии Центавра, ближайшая к Солнцу. Состоит из трех компонентов: тесной двойной системы α Центавра А и α Центавра B и невидимого невооруженным глазом красного карлика Проксима Центавра. Альфа Центавра является третьей по яркости звездой ночного неба. Звезды системы имеют собственные имена Ригель Кентаврус (от арабского "нога Кентавра"), Бунгула (возможно, от лат. ungula — "копыто") и Толиман, но они употребляются довольно редко.

Комета (от др.-греч. - "волосатый, косматый") — небольшое небесное тело, имеющее туманный вид, обращающееся вокруг Солнца по вытянутой эллиптической орбите. Ядро кометы представляет собой тело из твердых частиц и льда, окутанное туманной оболочкой, которая называется комой. Ядро диаметром в несколько километров может иметь вокруг себя кому в 80 тыс. км в поперечнике. Потоки солнечных лучей выбивают частицы газа из комы и отбрасывают их назад, вытягивая в длинный дымчатый хвост, который движется за ней в пространстве и может достигать в длину нескольких миллионов километров.

Предположительно долгопериодические кометы залетают к нам из Облака Оорта, в котором находится огромное количество кометных ядер. Тела, находящиеся на окраинах Солнечной системы, как правило состоят из летучих веществ (водяных, метановых и других льдов), испаряющихся при подлете к Солнцу.

На данный момент обнаружено более 400 короткопериодических комет. Многие из них входят в так называемые семейства. Например, большинство самых короткопериодических комет (их полный оборот вокруг Солнца длится 3—10 лет) образуют семейство Юпитера. Также существуют семейства Сатурна, Урана и Нептуна, к которому, в частности, относится знаменитая комета Галлея.

Многие из наблюдаемых метеоров ("падающих звезд") имеют кометное происхождение. Это потерянные кометой частицы, которые сгорают при попадании в атмосферу планет.

Облако Оорта — гипотетическая сферическая область Солнечной системы, служащая источником долгопериодических комет. Инструментально существование облака Оорта не подтверждено, однако многие косвенные факты указывают на его существование. Предполагаемое расстояние до внешних границ облака Оорта от Солнца составляет примерно один световой год. Это почти четверть расстояния до Проксимы Центавра - ближайшей к Солнцу звезды. Объекты в облаке Оорта в основном состоят из водяных, аммиачных и метановых льдов. Астрономы считают, что облако Оорта является источником всех долгопериодических комет и комет галлеевского типа, прилетающих в Солнечную систему. Впервые идея существования такого облака была выдвинута эстонским астрономом Эрнстом Эпиком в 1932 году. В 1950-х идею независимо выдвинул нидерландский астрофизик Ян Оорт.

Белые карлики – проэволюционировавшие звезды с массой, не превышающей предела Чандрасекара (максимальная масса, при которой звезда может существовать как белый карлик), лишенные собственных источников термоядерной энергии. Это компактные звезды с массами, сравнимыми с массой Солнца, но с радиусами приблизительно в 100 и светимостями в 10 000 раз меньшими, чем у него. Плотность белых карликов почти в миллион раз выше плотности обычных звезд. По разным оценкам, белые карлики составляют 3—10 % от общего числа звезд нашей Галактики.

Черная дыра — область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий, а ее характерный размер — гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной черной дыры он равен радиусу Шварцшильда.

Теоретически возможность существования таких областей пространства-времени следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна, первое из которых было получено Карлом Шварцшильдом в 1915 году. Ранее подобные астрофизические объекты называли "сколлапсировавшиеся звезды" или "коллапсары", а также "застывшие звезды". Автор термина "черная дыра" точно неизвестен, но впервые его употребил Джон Арчибальд Уилер в популярной лекции "Наша Вселенная: известное и неизвестное" 29 декабря 1967 года.

Вопрос о реальном существовании черных дыр тесно связан с тем, насколько верна теория гравитации, из которой следует их существование. В современной физике стандартной теорией гравитации, лучше всего подтвержденной экспериментально, является общая теория относительности, уверенно предсказывающая возможность образования черных дыр, но их существование возможно и в рамках ряда альтернативных теорий.

Различают 4 сценария образования черных дыр, два реалистичных: гравитационный коллапс или сжатие достаточно массивной звезды и коллапс центральной части галактики или протогалактического газа - и два гипотетических: формирование черных дыр сразу после Большого Взрыва (первичные черные дыры) и возникновение в ядерных реакциях высоких энергий.

Млечный Путь (или Галактика от др.-греч. "молочный") — галактика, в которой находятся Земля, Солнечная система и все отдельные звезды, видимые невооруженным глазом. Относится к спиральным галактикам с перемычкой. Млечный Путь вместе с Галактикой Андромеды (М31), Галактикой Треугольника (М33), и более 40 маленькими галактиками-спутниками его и Андромеды образуют Местную Группу галактик, которая входит в Местное сверхскопление - Сверхскопление Девы. Диаметр Галактики составляет около 30 тысяч парсек (порядка 100 000 световых лет или 1 квинтиллион километров), при этом средняя толщина оценивается примерно в 1000 световых лет. В Галактике насчитывается, по последним данным, от 200 до 400 миллиардов звезд, основная масса которых расположена в форме плоского диска. Большую часть массы Галактики, которая оценивается в 5•1011 масс Солнца, составляют не звезды и межзвездный газ, а несветящееся гало из темной материи.

Галактика Андромеды (M 31 или Туманность Андромеды) — спиральная галактика типа Sb, крупнейшая галактика Местной группы, ближайшая к Млечному Пути из других больших галактик. Содержит 1 триллион звезд, что в 2,5-5 раз больше Млечного Пути. Расположена в созвездии Андромеды и удалена от Земли на расстояние 2,52 млн св. года (772 000 парсек).

Первое письменное упоминание о галактике Андромеды содержится в "Каталоге неподвижных звезд" персидского астронома Ас-Суфи (946 год), описавшего ее как "маленькое облачко". Первое описание объекта, основанное на наблюдениях с помощью телескопа, было сделано немецким астрономом Симоном Мариусом в 1612 году.

Галактика Андромеды, как и Млечный Путь, принадлежит к Местной группе, и движется по направлению к Солнцу со скоростью 300 км/с. Астрономы выяснили, что галактика Андромеды и наша Галактика приближаются друг к другу со скоростью 100—140 км/с. Соответственно, столкновение двух галактических систем произойдет приблизительно через 3-4 миллиарда лет. Если это произойдет, они скорее всего сольются в одну большую галактику. Не исключено, что при этом наша Солнечная система будет выброшена в межгалактическое пространство мощными гравитационными возмущениями. Разрушения Солнца и планет, вероятнее всего, при этом не произойдет.

Туманность Андромеды находится в созвездии Андромеды и является одним из немногих внегалактических объектов, которые можно увидеть невооруженным глазом. Для наблюдателя с Земли хорошо различимо только ядро галактики. Чтобы увидеть галактику, сначала необходимо найти Полярную звезду (α Малой Медведицы, последняя звезда рукоятки "Малого ковша"). Затем необходимо найти самую яркую звезду в созвездии Кассиопеи (второй нижний угол, если наблюдатель видит Кассиопею в виде буквы W). После этого необходимо мысленно провести линию между двумя найденными звездами. Галактика M 31 будет лежать на этой линии, после выхода линии за пределы Кассиопеи, в виде размытого эллипса.

Темное вещество (скрытая масса или темная материя) — общее название совокупности астрономических объектов, недоступных прямым наблюдениям современными средствами астрономии, но наблюдаемых косвенно по гравитационным эффектам, которые отражаются на видимых объектах. Ученые считают, что количество темной материи как минимум в 5 раз превышает количество видимой.

Темная энергия — феномен, объясняющий факт, что Вселенная расширяется с ускорением. Существует два варианта объяснения сущности темной энергии: это неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной или динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.