Серия «Устройство Вселенной»

Экзопланета TOI-2431 b, расположенная в 117 световых годах от Земли, побила все рекорды скорости вращения вокруг своей звезды. За время одного земного года эта экстремальная планета размером с Землю успевает совершить почти 1 600 оборотов!

Такая невероятная скорость возможна благодаря крайне близкому расположению к своему красному карлику. Один год на TOI-2431 b длится всего 5,5 земных часов. Представьте: вы просыпаетесь утром на этой планете, а к обеду уже наступает Новый год!

Из-за экстремально сильного влияния приливных сил со стороны родительской звезды планета имеет искаженную, вытянутую форму.

Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется вернуться назад во времени, в 1916 год, когда Альберт Эйнштейн, один из величайших умов в истории, опубликовал свою общую теорию относительности.

До 1916 года физики, пытаясь объяснить, что такое гравитация и почему она существует, выдвигали бесчисленное множество всевозможных гипотез. Ни одна из них не устраивала Эйнштейна, и он предложил свое объяснение: гравитация — это искривление пространства-времени.

Пространственно-временной батут

Математически Эйнштейн доказал, что за гравитационные эффекты отвечает искривление пространства-времени. Батут — отличный способ продемонстрировать это сложное явление на плоской поверхности.

Представьте, что вы кладете пушечное ядро в центр батута — его масса прогибает полотно, создавая впадину. Если мы поместим у внешнего края батута теннисный мяч, то он покатится не просто внутрь, но и вокруг ядра.

Гравитация — искажение ткани пространства-времени, влияющее на движение объектов.

Именно это объясняют знаменитые математические уравнения Эйнштейна — как пространство-время ведет себя при различных физических условиях.

Мы знаем, что во Вселенной все и всегда находится в постоянном движении. И когда объекты ускоряются в пространстве-времени, они могут создавать небольшую рябь, подобно камешку, брошенному в спокойную воду пруда.

Эта рябь — то, что мы называем гравитационными волнами.

Эйнштейн, предсказывая их существование, сомневался, что когда-нибудь в распоряжении человечества появится сверхчувствительный инструмент, который сможет зафиксировать эти ничтожно малые колебания, сотрясающие при этом всю Вселенную.

Хотелось бы узнать, как бы он отреагировал на тот факт, что мы не просто подтвердили существование гравитационных волн, но и зафиксировали около 300 событий, начиная с 2015 года. Это одно из крупнейших достижений в физике, и то, как ученым удалось осуществить это, просто взрывает мозг!

Сжатие и растяжение

Когда гравитационная волна проходит через Землю, она слегка сжимает или растягивает всю планету в направлении своего движения. Измерить такой эффект с помощью обычной линейки невозможно — ведь сама линейка тоже растянется или сожмется вместе с пространством, и показания останутся неизменными.

Поэтому для этих целей физики решили использовать свет, который за определенное время может пройти определенное расстояние. Если пространство растянуто, то свету придется пройти большее расстояние, потратив на это больше времени. И наоборот, если пространство сжато.

Чтобы узнать, сжалось или растянулось пространство, нужно измерить его в двух направлениях и вычислить разницу. Звучит просто, но осуществить подобное на практике — сложнейшая задача. Все дело в том, что искомая разница в расстоянии в 1 000 раз меньше крошечной частицы, именуемой протоном. Для понимания масштаба: в наших телах содержится около 10 октиллионов протонов (единица с 28 нулями). А детекторы должны уловить изменения, которые в тысячу раз меньше одной такой частицы.

Как уловить невозможное?

Для решения этой задачи ученые создали невероятно сложные устройства — лазерные интерферометры. Принцип их работы основан на измерении расстояния между специальными тестовыми массами с помощью лазерных лучей.

Тестовые массы устанавливаются на огромном расстоянии друг от друга — это позволяет сделать даже мельчайшие изменения достаточно заметными для измерения. Эти массы тщательно изолируются от всех возможных помех, кроме одной — гравитации, от которой защититься невозможно.

Лазеры непрерывно измеряют точное расстояние между массами. Когда проходит гравитационная волна, пространство-время слегка растягивается или сжимается, и время, необходимое свету для преодоления расстояния между массами, изменяется. Эти крошечные изменения и улавливают детекторы.

Первый улов

14 сентября 2015 года произошло событие, навсегда изменившее науку. Детекторы LIGO в США впервые зарегистрировали гравитационные волны от слияния двух черных дыр, произошедшего на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от нас.

В 2017 году к охоте присоединился европейский детектор Virgo в Италии, а в 2020 году — японский детектор KAGRA. На начало 2030-х годов намечен запуск космического детектора гравитационных волн LISA в рамках программы Европейского космического агентства.

Что нам рассказывают волны?

Гравитационные волны подарили нам совершенно новый способ изучения Вселенной. Они помогают понять фундаментальные законы физики и рассказывают о самых грандиозных событиях космоса, которые невозможно наблюдать напрямую: формировании галактик, росте и слиянии сверхмассивных черных дыр, рождении и смерти звезд.

Ученые убеждены, что будущие детекторы позволят нам "заглянуть" в первые мгновения после Большого взрыва и приблизиться к пониманию того, как зарождалась наша Вселенная. Каждая новая зафиксированная гравитационная волна — это послание не только из глубин Вселенной, но и из невообразимо далекого прошлого.

Читайте также:

• Коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA зафиксировала слияние самых массивных черных дыр.

• Новое исследование опровергает теорию о водном прошлом Марса.

• Ученый предлагает отправить наноспутник размером со скрепку к черной дыре.

Одной из наиболее сильных сторон космического телескопа NASA "Джеймс Уэбб" является его способность "заглядывать" внутрь областей звездообразования, которые окутаны чрезвычайно плотными газовыми облаками, делающими их недоступными для наблюдений в обычные оптические телескопы.

Ярким примером исследования колыбели звезд является изображение области NGC 346, представляющей собой очень яркий и крупный регион активного звездообразования в Малом Магеллановом Облаке (ММО).

Галактика-соседка с сюрпризами

ММО — карликовая галактика-спутник Млечного Пути, находящаяся на расстоянии около 210 000 световых лет от нас. Эту галактику, расположенную в направлении созвездия Тукана, можно лицезреть невооруженным глазом из Южного полушария Земли и вблизи экватора, но с территории России ее, к сожалению, увидеть не получится.

Ключевая особенность этой галактики — низкое содержание тяжелых элементов по сравнению с Млечным Путем. Дело в том, что все элементы тяжелее водорода и гелия "выпекаются" в ядрах массивных звезд. Когда такие звезды завершают свой жизненный цикл и вспыхивают как сверхновые, они обогащают окружающее пространство новыми химическими элементами.

Космическая пыль состоит преимущественно из тяжелых элементов — кремния, кислорода и других, — поэтому ученые ожидали, что в ММО ее должен быть дефицит. Однако наблюдения "Джеймса Уэбб" показали иную картину.

В регионе NGC 346 сосредоточено огромное количество космической пыли, а значит в прошлом там происходили многочисленные вспышки сверхновых, которые не только локально насытили карликовую галактику тяжелыми элементами, но и дали толчок следующей волне звездообразования.

Кирпичики жизни в космосе

Еще более интригующей находкой стало обнаружение большого количества полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) — сложных органических молекул, которые ученые часто называют "кирпичиками жизни". ПАУ играют важную роль в формировании более сложных органических структур и могут служить основой для зарождения жизни.

Яркие шестиконечные точки на изображении представляют собой протозвезды — светила на ранней стадии эволюции, все еще окутанные плотными газопылевыми оболочками. Согласно оценке астрономов, всего в этом регионе скрываются более 1 000 звездных объектов, большинство из которых протозвезды, продолжающие активно формироваться.

Открытие показывает, что карликовые галактики представляют собой динамично развивающиеся системы. По мере накопления тяжелых элементов и формирования новых поколений звезд они эволюционируют, постепенно становясь все более сложными структурами.

Возможно, именно из подобных карликовых галактик в далеком будущем могут "вырасти" массивные звездные системы, подобные нашему Млечному Пути. Правда, это может произойти только в том случае, если карликовая галактика будет изолирована, а не поглощена более крупной галактикой-соседкой.

Читайте также:

• «Джеймс Уэбб» впервые обнаружил кристаллический водяной лед в протопланетном диске.

• Космический торнадо и далекая галактика: новый снимок телескопа «Джеймс Уэбб».

• «Джеймс Уэбб» запечатлел идеальное кольцо Эйнштейна.

17 мая 1882 года астрономы стали свидетелями невероятного космического совпадения — во время полного солнечного затмения рядом с нашим светилом пролетала яркая комета семейства Крейца.

Комета X/1882 K1, позже получившая неофициальное название "Комета затмения", подошла к Солнцу на рекордно близкое расстояние — всего 450 000 километров от поверхности. Для сравнения: среднее расстояние от Земли до Луны составляет 384 400 километров. В ходе такого маневра ядро X/1882 K1 раскалилось до нескольких тысяч градусов.

Хвост "Кометы затмения" растянулся более чем на 100 миллионов километров — это две трети расстояния от Земли до Солнца! Комета стала настолько яркой, что ее можно было наблюдать невооруженным глазом даже днем.

Гигантские хвосты комет формируются под действием солнечного ветра и излучения. Когда комета приближается к Солнцу, ее ядро — смесь льда, пыли и камней (поэтому кометы нередко называют "грязными снежками") — начинает нагреваться. Лед сублимирует — сразу превращается в газ, минуя жидкую фазу. Солнечный ветер и световое давление уносят частицы газа и пыли прочь от Солнца, формируя характерный хвост, который всегда направлен в противоположную от звезды сторону.

Кометы семейства Крейца — особая группа комет, образовавшихся в результате разрушения гигантской кометы около тысячи лет назад. Названы в честь немецкого астронома Генриха Крейца, который установил связь между этими небесными телами, выдвинув теорию их общего происхождения. Все кометы семейства Крейца имеют схожие орбиты с периодом от 500 до 900 лет и регулярно "ныряют" к Солнцу на экстремально близкие расстояния.

На сегодняшний день известно более 2 000 комет семейства Крейца, большинство из которых было обнаружено космическим аппаратом NASA/ESA SOHO. Примечательно, что многие из этих комет настолько малы, что полностью испаряются при приближении к Солнцу.

Прародительница всех комет Крейца, вероятно, была одной из крупнейших комет Солнечной системы — ее ядро достигало десятков километров в диаметре. При распаде она породила целую "династию" комет, которые до сих пор напоминают нам об этом древнем космическом катаклизме.

Читайте также:

• Долгопериодические кометы: скрытая угроза для Земли.

• Самая большая известная комета в Солнечной системе.

• 456P/PANSTARRS: ученые подтвердили существование редкой кометы в поясе астероидов.

В созвездии Цефея, на расстоянии около 550 световых лет от Земли, находится один из самых завораживающих объектов Млечного Пути — туманность Призрак (IC 63). Этот космический гигант медленно "тает" под воздействием мощного излучения близлежащей звезды, словно утренний туман, встречающий лучи восходящего Солнца.

Первое, что поражает в туманности Призрак — это ее удивительное сходство с мифическим фениксом. Золотисто-синие газовые облака образуют силуэт гигантской птицы с широко расправленными крыльями, застывшей в безмолвном полете через тьму Вселенной. Не менее впечатляющей особенностью этого космического создания является его колоссальный размер — около семи световых лет в поперечнике, что почти в 443 000 раз превышает расстояние от Земли до Солнца.

Призрачное свечение туманности обеспечивает звезда Гамма Кассиопеи, которая представляет собой чрезвычайно яркий бело-голубой гигант, удаленный примерно на три световых года от IC 63. Это светило в 19 раз массивнее и в 65 000 раз ярче Солнца!

Мощное ультрафиолетовое излучение звезды ионизирует атомы водорода в туманности, вынуждая их светиться красноватым цветом, в то время как частицы космической пыли рассеивают голубой свет. Вкупе это создает неповторимую цветовую палитру, наблюдаемую на изображении, которое было получено с помощью космического телескопа NASA/ESA "Хаббл".

Однако интенсивное излучение со стороны Гаммы Кассиопеи не только освещает газово-пылевое облако, но и буквально испаряет его, унося частицы материи в межзвездное пространство. Астрономы подсчитали, что если темп выдувания сохранится, что через несколько десятков тысяч лет — мгновение по космическим меркам — от туманности Призрак ничего не останется.

Туманность IC 63 — напоминание о мимолетности даже самых грандиозных космических явлений. Этот небесный призрак существует лишь благодаря хрупкому балансу между гравитацией, удерживающей газ и пыль вместе, и звездным ветром, стремящимся их рассеять. Каждый фотон, покидающий Гамму Кассиопеи и врезающийся в туманность Призрак, приближает момент, когда последние частицы IC 63 разлетятся по холодной пустоте межзвездного пространства.

Читайте также:

• «Джеймс Уэбб» показал детали туманности Кошачья Лапа.

• Исследование: в Млечном Пути может существовать более 35 миллиардов суперземель.

• «Джеймс Уэбб» запечатлел идеальное кольцо Эйнштейна.