Космос по-прежнему остается непознанным: чем больше мы погружаемся в его тайны, тем больше вопросов возникает.

Происхождение Вселенной

Это загадка из загадок, над которой еще долго будет биться человечество. Одна из самых первых научных гипотез – теория «Большого Взрыва» – была выдвинута советским геофизиком А. А. Фридманом в 1922 году, однако и сегодня является наиболее популярной при объяснении происхождения Вселенной.

Согласно гипотезе, в начале вся материя была сжата в одну точку, представляющую из себя однородную среду с чрезвычайно высокой плотностью энергии. Как только критический уровень сжатия был преодолен, произошел Большой Взрыв, после которого Вселенная начала свое постоянное расширение.

Ученых интересует, что же было до Большого Взрыва. По одной из гипотез - ничего, по другой – все: Большой Взрыв - это лишь очередная стадия бесконечного цикла расширений и сжатий пространства.
Однако теория Большого Взрыва имеет и уязвимые места. По мнению некоторых физиков, расширение Вселенной после Большого Взрыва сопровождалось бы хаотичным распределением вещества, а оно, напротив, упорядочено.

Границы Вселенной

Вселенная постоянно растет, и это установленный факт. Еще в 1924 году американский астроном Эдвин Хаббл с помощью 100-дюймового телескопа обнаружил расплывчатые туманности. Это были такие же галактики, как наша. Через несколько лет он доказал, что галактики удаляются друг от друга, подчиняясь определенной закономерности: чем дальше галактика, тем быстрее она движется.
С помощью мощных современных телескопов астрономы, погружаясь в глубины Вселенной, одновременно переносят нас в прошлое – в эпоху формирования галактик.

По свету, приходящему из дальних рубежей Вселенной, астрономы высчитали ее возраст – около 13,7 млрд. лет. Так же определился размер нашей галактики Млечный Путь – около 100 тыс. световых лет и диаметр всей Вселенной – 156 млрд. световых лет.

Однако американский астрофизик Нил Корниш обращает внимание на парадокс: если движение галактик так и будет равномерно ускоряться, то со временем их скорость превысит скорость света. По его мнению, в будущем уже нельзя будет «увидеть так много галактик», потому что сверхсветовой сигнал невозможен.
А что же находится за пределами обозначенных границ Вселенной? На этот вопрос пока нет ответа.

Черные дыры

Несмотря на то, что о существовании черных дыр было известно еще до создания теории относительности Эйнштейна, доказательства их присутствия в космосе получены сравнительно недавно.

Саму черную дыру увидеть нельзя, но астрофизики обратили внимание на движение межзвездного газа в центре каждой из галактик, в том числе и в нашей. Особенности поведения вещества дали ученым понять, что притягивающий его объект обладает «чудовищной» гравитацией.

Мощность черной дыры настолько велика, что окружающее ее пространство-время просто схлопывается. Любой объект, включая свет, попадая за так называемый «горизонт событий», оказывается навсегда втянут в черную дыру.

В центре Млечного Пути, по предположению ученых, располагается одна из самых массивных черных дыр – в миллионы раз тяжелее нашего Солнца.

Британский физик Стивен Хокинг предположил, что во Вселенной имеются и сверхмалые черные дыры, которые можно сопоставить с массой горы, уплотнившейся до размера протона. Может быть, изучение этого явления окажется доступным для науки.

Сверхновая

Когда звезда погибает, она озаряет космическое пространство ярчайшей вспышкой, способной по мощности превзойти свечение галактики. Это сверхновая звезда.

Несмотря на то, что по мнению астрономов, сверхновые звезды возникают регулярно, полные данные наука имеет только по вспышкам, зафиксированным в 1572 году Тихо Браге и в 1604 году Иоганном Кеплером.

По свидетельству ученых, продолжительность максимума блеска сверхновой около двух земных суток, однако последствия взрыва наблюдаются спустя тысячелетия. Так, считается, что одно из самых удивительных зрелищ во Вселенной – Крабовидная туманность – порождение сверхновой.

Теория сверхновых звезд еще далека от завершения, но уже сейчас наука утверждает, что это явление может возникать как при гравитационном коллапсе, так и при термоядерном взрыве. Некоторые астрономы высказывают гипотезу, что химический состав сверхновых звезд - это строительный материал галактик.

Космическое время

Время – величина относительная. Эйнштейн полагал, если отправить со скоростью света в космос одного из братьев-близнецов, то при возвращении он окажется гораздо моложе своего брата, оставшегося на Земле. «Парадокс близнецов» объясняется теорией, по которой чем быстрее движется человек в пространстве, тем медленнее течет его время.

Однако есть и другая теория: чем сильнее гравитация, тем больше замедляется время. Согласно ей, время на поверхности Земли будет течь медленнее, чем на орбите. Данную теорию подтверждают и часы, установленные на КА GPS, которые в среднем опережают земное время на 38700 нс/день.

Впрочем, исследователи утверждают, что за полгода пребывания на орбите космонавты наоборот выигрывают примерно 0,007 секунды. Все зависит от скорости движения космического аппарата. Чтобы на практике проверить теорию относительности.

Пояс Койпера

Обнаруженный в конце XX века за орбитой Нептуна пояс астероидов (пояс Койпера) изменил привычную картину Солнечной системы. В частности он предопределил судьбу Плутона, который из семейства планет перекочевал в когорту планетоидов.
Часть газов, оказавшихся при формировании Солнечной системы в наиболее удаленной и холодной области, превратилась в лед, образовав множество планетоидов. Сейчас их насчитывается больше 10 000.

Интересно, что совсем недавно был обнаружен новый объект – планетоид UB313 превышающий в своих размерах Плутон. Находку некоторые астрономы уже прочат на место убывшей девятой планеты.

Пояс Койпера расположившийся на расстоянии 47 астрономических единиц от Солнца, казалось бы, очертил окончательные границы для объектов Солнечной системы, однако ученые продолжают находить все новые, гораздо более удаленные и загадочные планетоиды. В частности астрофизики предположили, что ряд объектов пояса Койпера «к Солнечной системе отношения не имеют и содержат вещество чужой нам системы».

Обитаемые миры

По Стивену Хокингу, физические законы Вселенной везде одинаковы, следовательно, законы жизни тоже должны быть универсальными. Ученый допускает возможность существования жизни, подобной земной и в других галактиках.

Оценками жизнепригодности планет на основании сходства с Землей занимается относительно молодая наука – астробиология. Пока основные усилия астробиологов направлены на планеты Солнечной системы, но результаты их исследований не утешительны для тех, кто надеется найти органическую жизнь недалеко от Земли.

В частности, ученые доказывают, что на Марсе жизни нет и не могло быть, так как гравитация планеты слишком мала чтобы удерживать достаточно плотную атмосферу.

Более того, недра таких планет, как Марс, быстро остывают, что приводит к прекращению геологической активности, поддерживающей органическую жизнь.

Единственная надежда ученых - это экзопланеты других звездных систем, где условия могут быть сопоставимы с земными. Для этих целей в 2009 году был запущен космический аппарат «Кеплер», который за несколько лет работы обнаружил больше 1000 кандидатов в обитаемые планеты. Размер 68 планет оказался таким же, как и у Земли, но до ближайшей из них - не менее 500 световых лет. Так что поиск жизни в столь удаленных мирах - это вопрос не очень близкого будущего.

Недавно обнаруженные космические феномены

Мы многое знаем о космосе, но так как во Вселенной все относительно, то можно с уверенностью сказать, что о космосе мы практически ничего не знаем. И совсем необязательно, что это плохо, потому что каждое новое открытие по-прежнему продолжает вызывать в нас восторг и захватывает нас как минимум до следующего крупного открытия.

Вот десятка самых интересных космических феноменов, открытых недавно.

Искусственный щит Земли
Исследователи аэрокосмического агентства NASA обнаружили, что глобальное использование передачи радиосигналов приводит к удивительному и весьма практичному последствию – созданию вокруг Земли «пузыря» из сверхнизких частот, защищающего все живое на планете от некоторых видов космического излучения. У нашей планеты есть так называемые естественные, природные пояса Ван Алена, области, где накапливаются и удерживаются проникшие в магнитосферу высокоэнергетичные заряженные частицы солнечного излучения. Однако ученые отметили, что аккумулируемая на Земле электромагнитная сила образовала своего рода низкочастотный барьер, отражающий некоторые высокоэнергетичные космические частицы, ежедневно пытающиеся бомбардировать Землю. Основой для этого барьера служат остатки космического электромагнитного мусора, сохранившегося еще со времен ядерных испытаний во времена атомной эры. Кроме того, Земля (а точнее, человечество) последние более 100 лет тоже активно излучала радиоволны в космос. Вдобавок наши многочисленные энергосистемы, разбросанные по всему миру, излучают радиоволны определенного диапазона.

Галактика с двойным кольцом
Галактика PGC 1000714 является, возможно, самой уникальной среди когда-либо обнаруженных. Она относится к так называемому Хоговскому типу, и ее окружает кольцо, как планету Сатурн, только, разумеется, галактического масштаба. Среди всех известных нам галактик только 0,1 процента обладают кольцами. Уникальной же PGC 1000714 делает то, что она одна в своем роде обладает не одним, а сразу двумя галактическими кольцами. Кольца окружают сердцевину галактики, возраст которой, по подсчетам исследователей, составляет 5,5 миллиарда лет. Она изобилует стареющими звездами, чей свет уходит в красный диапазон спектра. Вокруг основного кольца имеется гораздо более молодое, внешнее, возрастом 0,13 миллиарда лет. Его заполняют более горячие молодые синие звезды.
Когда ученые провели наблюдение за галактикой в разных диапазонах спектра, то обнаружили совсем неожиданный отпечаток второго, внутреннего кольца, расположенного ближе к галактическому ядру, сопоставимого с ним по возрасту и совсем не связанного с внешним кольцом. Учитывая факт, что подавляющее большинство галактик относятся к классам эллиптических и спиральных, PGC 1000714 может на долгое время сохранить свою уникальность.

Планета горячее звезд
Самая горячая среди обнаруженных экзопланет оказалась жарче большинства известных нам звезд. Температура Kelt-9b составляет 3777 градусов Цельсия, и это только на ее темной стороне! На стороне же, обращенной к своей звезде, температура возрастает примерно до 4327 градусов Цельсия. Она почти такая же горячая, как поверхность Солнца! Экзопланета Kelt-9b вращается вокруг звезды Kelt-9, относящейся к типу-А звезд, и расположена примерно в 650 световых годах от нас в созвездии Лебедя. Тип-A звезд рассматривается учеными как один из самых горячих, а ведь возраст Kelt-9 пока составляет всего каких-то 300 миллионов лет. Со временем звезда расширится и, в конце концов, фактически соприкоснется с планетой Kelt-9b. К тому моменту от планеты, вероятнее всего, останется не больше, чем голое твердое ядро, потому как излучение звезды ежесекундно выжигает около 10 миллионов тонн материи планеты, что заставляет Kelt-9b выбрасывать гигантский хвост, как у комет.

Тихая сверхновая
Совсем необязательно иметь пространственно-искажающую сверхновую или столкновение двух невероятно плотных объектов вроде нейтронных звезд, чтобы получить черную дыру, потому, как оказывается, что звезды сами по себе могут превращаться в черные дыры. Ученые давно подозревали, что такое возможно. По крайней мере, компьютерные модели об этом ясно твердили. Но на практике такое явление, судя по всему, наблюдалось впервые.
Используя Большой бинокулярный телескоп, ученые смогли определить тысячи потенциально «неудавшихся сверхновых». И среди всех была обнаружена по-настоящему очень интересная. Звезда, получившая название N6946-BH1, обладала достаточной массой (примерно в 25 раз больше, чем у Солнца) для проявления такого феномена. Вот как, по мнению ученых, это должно происходить: сначала яркость звезды незначительно (по сравнению с другими сверхновыми) увеличивается, а затем превращается в полную тьму.

Самое большое магнитное поле во Вселенной
Многие небесные тела производят свои собственные магнитные поля, но самое большое среди когда-либо обнаруженных принадлежит гравитационно-связанным скоплениям галактик. У некоторых обнаруженных скоплений оно может растягиваться примерно на 10 миллионов световых лет. Учитывая размеры нашего Млечного Пути, которые составляют каких-то жалких 100 тысяч световых лет, цифры не могут не впечатлять.
Внутри скоплений содержится колоссальный объем заряженных частиц, газовых облаков, звезд и темной материи. И их хаотическое взаимодействие между собой может создавать такие гигантские магнитные поля. Когда галактики слишком сближаются и, в конце концов, сталкиваются друг с другом, то содержащийся в них нагретый от трения газ сильно сжимается, создавая и выстреливая так называемыми «реликтами» аркообразной формы, чья протяженность может достигать 6 миллионов световых лет, что потенциально больше размера скоплений, которые их породили.

Скоротечные галактики
Ранняя Вселенная полна загадок. И одной из таких загадок являются, например, странные галактики, которые по всем законам не должны были существовать долго, чтобы набрать достаточный уровень наблюдаемости. Эти галактики уже состояли из сотен миллиардов звезд (по нынешним космологическим стандартам весьма впечатляющая цифра), когда Вселенной было всего лишь 1,5 миллиарда лет или около того. Заглянув в прошлое еще дальше, астрономы обнаружили новый тип гиперактивных галактик, которые выросли быстрее всех в ранних галактических гигантов.
Когда Вселенной не было еще и 1 миллиарда лет, эти протогалактики уже содержали огромное число звезд, порождая их в 100 раз быстрее, чем наш Млечный Путь. Исследователи также выяснили, что даже в ранней и довольно пустой Вселенной существовали галактики, которые, сливаясь, создавали самые первые скопления.

Загадочный выброс рентгеновских волн
Космическая рентгеновская обсерватория «Чандра» увидела нечто очень странное, когда проводила исследование света ранней Вселенной. Телескоп стал свидетелем мощного выброса рентгеновского излучения, чей источник расположен примерно в 10,7 миллиарда световых лет. Неожиданно на мгновение его яркость стала в 1000 раз выше, а затем полностью исчезла примерно на день. Астрономы и раньше обнаруживали подобные странные рентгеновские всплески, но особенно примечательным этот случай стал потому, что мощность этого рентгеновского излучения оказалась в 100 тысяч раз больше, чем у аналогичных всплесков в прошлом. Возможно, речь здесь идет о гигантской сверхновой, столкновении нейтронных звезд или чрезмерной активности белых карликов. Однако полученные данные не указывают ни на одно из этих явлений. Галактика, из которой произошел этот выброс, гораздо меньше в размерах и расположена гораздо дальше, чем в случае аналогичных явлений, отмеченных в прошлом, поэтому ученые надеются, что речь идет «о совершенно новом типе космического катаклизмического события», и очень хотят в нем разобраться.

Жертва черной дыры
С легкостью можем представить, как черная дыра способна поглотить любое зазевавшееся космическое тело, опрометчиво приблизившееся к ней, но существует объект, который по какому-то чудесному обстоятельству способен приближаться на безумно близкое расстояние к черной дыре, и, как говорится, ему за это ничего не бывает. Обнаруженный белый карлик X9 является самым близко расположенным объектом, оборачивающимся вокруг черной дыры. Вы только вдумайтесь: X9 находится от черной дыры на расстоянии, не превышающем в три раза расстояние от Земли до Луны. Исходя из этого, орбитальный период белого карлика составляет всего 28 минут! Каждые 28 минут он совершает полный оборот вокруг гигантского разрыва в пространстве и времени Вселенной. Даже при заказе пиццы вам в лучшем случае приходится ждать час времени.
Два «закадычных друга» находятся примерно в 15 тысячах световых годах от нас в шаровом звездном скоплении 47 Тукана, являющегося частью звездного кластера Тукана. Астрономы говорят, что раньше X9, вероятнее всего, являлся большой красной звездой, однако позже попал в поле воздействия черной дыры, которая высосала из него все соки, лишив всех внешних слоев. Особенность происходивших в этот момент процессов могла превратить звездный объект в гигантское алмазоподобное тело.

Мертвый космос
Цефеиды представляют собой класс очень молодых звезд возрастом всего от 10 до 300 миллионов лет. Они являются пульсирующими звездами, отчего изменяющаяся яркость делает их идеальными своеобразными галактическими маяками. Исследователи находят их разбросанными по всему Млечному Пути. Однако одна вещь оставалась для ученых неизведанной: какова ситуация с цефеидами в галактическом ядре, не позволяющем заглянуть туда из-за сверхплотного скопления межзвездной пыли? Тем не менее, способ, заглянуть внутрь все же нашелся. Исследования ядра провели в ближнем инфракрасном диапазоне спектра, и этот анализ показал весьма интересные результаты. Оказывается, что эта область представляет собой «космическую пустыню» и полностью лишена каких-либо молодых звезд. Несколько цефеид все же удалось найти в самом центре галактики. Однако за пределами этого региона на 8000 световых лет во всех направлениях пространство представляет собой мертвый космос.

«Семья» гигантов
Планеты класса «горячие Юпитеры» странные во всех отношениях. Они размером с наш газовый гигант Юпитер, но при этом их орбиты пролегают настолько близко к своим звездам, что в некоторых случаях расположены даже ближе, чем Меркурий от Солнца. Ученые изучают этих необычных гигантов последние 20 лет и обнаружили к настоящему моменту около 300 из них. Однако все эти горячие Юпитеры, как правило, находятся в одиночестве. Но в 2015 году исследователи Мичиганского университета подтвердили то, что ранее казалось невозможным, – горячий Юпитер состоит в паре! Более того, компаньоном для него выступает не один, а сразу два небесных тела! Семья получила название WASP-47 и состоит собственно из самого горячего Юпитера и двух очень разных и гораздо более компактных тел. Одно представляет собой нептуноподобный объект, а вторым является еще более компактная и более плотная каменистая супер-Земля.

В начале 2000-х два физика из Принстонского университета предложили космологическую модель, согласно которой Большой взрыв не уникальное событие, а пространство-время существовало уже задолго до того, как родилась Вселенная.

В циклической модели Вселенная проходит через бесконечный самоподдерживающийся цикл. В 1930-х годах Альберт Эйнштейн высказал идею о том, что Вселенная может переживать бесконечный цикл больших взрывов и больших сжатий. Расширение нашей Вселенной может быть результатом коллапса предшествующей вселенной. В рамках этой модели можно сказать, что Вселенная возродилась из гибели своей предшественницы. Если это так, то Большой взрыв не был чем-то уникальным, это всего лишь один незначительный взрыв среди бесконечного числа других. Циклическая теория необязательно заменяет собой теорию Большого взрыва: она скорее пытается ответить на иные вопросы: например, что было до Большого взрыва и почему Большой взрыв привел к периоду быстрого расширения?

Одна из новых циклических моделей Вселенной была предложена Полом Стейнхардтом и Нилом Туроком в 2001 году. Стейнхардт описал эту модель в своей статье, которая так и называлась - «Циклическая модель Вселенной» (The Cyclic Model of the Univers). В теории струн мембрана, или «брана», - объект, существующий в определенном количестве измерений. Согласно Стейнхардту и Туроку, видимые нам три пространственных измерения соответствуют этим бранам. Две трехмерные браны могут существовать параллельно, разделенные дополнительным, скрытым измерением. Эти браны - их можно воспринимать как металлические пластины - могут двигаться вдоль этого дополнительного измерения и сталкиваться друг с другом, создавая Большой взрыв, а значит, и вселенные (вроде нашей). При их столкновении события разворачиваются согласно стандартной модели Большого взрыва: создаются горячее вещество и излучение, происходит быстрая инфляция, а затем все остывает - и формируются такие структуры, как галактики, звезды и планеты. Однако Стейнхардт и Турок утверждают, что между этими бранами всегда присутствует некоторое взаимодействие, которое они называют межбранным: оно притягивает их друг к другу, из-за чего они снова сталкиваются и производят следующий Большой взрыв.

Модель Стейнхардта и Турока тем не менее оспаривает некоторые предположения модели Большого взрыва. Например, согласно им, Большой взрыв был не началом пространства и времени, а скорее переходом от более ранней фазы эволюции. Если говорить о модели Большого взрыва, то она гласит, что это событие положило непосредственное начало пространству и времени как таковым. Кроме того, в этом цикле сталкивающихся бран крупномасштабная структура Вселенной должна определяться фазой сжатия: то есть это происходит перед тем, как они столкнутся и произойдет очередной Большой взрыв. Согласно теории Большого взрыва, крупномасштабная структура Вселенной определяется периодом быстрого расширения (инфляции), который имел место вскоре после взрыва. Более того, модель Большого взрыва не предсказывает, сколько времени будет существовать Вселенная, а в рамках модели Стейнхардта продолжительность каждого цикла - примерно триллион лет.

Циклическая модель Вселенной / © Astronomy Magazine

Циклическая модель Вселенной хороша тем, что, в отличие от модели Большого взрыва, она может объяснить так называемую космологическую постоянную. Величина этой постоянной напрямую связана с ускоренным расширением Вселенной: она объясняет, почему пространство так быстро расширяется. Согласно наблюдениям, величина космологической постоянной очень мала. До недавнего времени считалось, что ее значение на 120 порядков меньше, чем предсказывает стандартная теория Большого взрыва. Эта разница между наблюдением и теорией уже давно представляет собой одну из самых больших проблем в современной космологии. Однако не так давно были получены новые данные о расширении Вселенной, согласно которым она расширяется быстрее, чем считалось. Остается ждать новых наблюдений и подтверждения (или опровержения) уже полученных данных.

Стивен Вайнберг, лауреат Нобелевской премии 1979 года, пытается объяснить разницу между наблюдением и предсказанием модели при помощи так называемого антропного принципа. Согласно ему значение космологической постоянной случайно и различается в разных частях Вселенной. Нас не должно удивлять, что мы живем в такой редкой области, где наблюдаем малую величину этой постоянной, так как только при этом значении могут развиваться звезды, планеты и жизнь. Некоторых физиков тем не менее такое объяснение не устраивает из-за отсутствия доказательств того, что в других регионах в наблюдаемой Вселенной эта величина отличается.

Инфляционная мультивселенная. Пузыри с разными свойствами образуются и расширяются на высокоэнергетическом фоне. Мы живем в одном из этих пузырей и наблюдаем только небольшую часть всей Вселенной, в которой преобладают известные нам законы физики / © Scienceexpress

Похожая модель была разработана американским физиком Лэрри Эбботом в 1980-х. Однако в его модели спад космологической постоянной до низких значений был таким продолжительным, что все вещество во Вселенной за такой период рассеялось бы по пространству, оставив его, по сути, пустым. Согласно циклической модели Вселенной Стейнхардта и Турока причина, по которой величина космологической постоянной настолько мала, в том, что изначально она была очень большой, но со временем, с каждым новым циклом, уменьшалась. Другими словами, при каждом большом взрыве количество вещества и излучения во Вселенной «обнуляется», но не космологическая постоянная. На протяжении множества циклов ее значение падало, и сегодня мы наблюдаем именно эту величину (5,98 x 10-10 Дж/м3).

В одном из интервью Нил Турок высказался об их со Стейнхардтом модели циклической Вселенной так:

«Мы предложили механизм, в котором теория суперструн и М-теория (наши лучшие объединенные теории квантовой гравитации) позволяют Вселенной проходить через Большой взрыв. Но чтобы понять, полностью ли согласовано наше предположение, необходимы дальнейшие теоретические работы».

Каждый скачок занимает все больше и больше времени, поэтому вся Вселенная проводит гораздо больше времени при самом низком положительном значении Λ (космологической постоянной), которое мы видим сегодня, чем при любом другом значении / © Physics World

Ученые надеются, что с развитием технологий появится и возможность испытать эту теорию наряду с другими. Так, согласно стандартной космологической модели (ΛCDM) вскоре после Большого взрыва последовал период, известный как инфляция, который наполнил Вселенную гравитационными волнами. В 2015 году был зарегистрирован гравитационно-волновой сигнал, форма которого совпадала с предсказанием Общей теории относительности для слияния двух черных дыр (GW150914). В 2017 году за это открытие физикам Кипу Торну, Райнеру Вайссу и Барри Бэришу присудили Нобелевскую премию. Также впоследствии были зарегистрированы гравитационные волны, исходившие от события слияния двух нейтронных звезд (GW170817). Однако гравитационные волны от космической инфляции еще не зарегистрированы. Более того, Стейнхардт и Турок отмечают, что если их модель верна, то такие гравитационные волны будут слишком малы, чтобы их можно было «засечь».