Тысячи лет назад человек впервые взглянул в небо и, честно говоря, не понял ничего. Возможно, он увидел там бога. Возможно, комету. Пусть разбираются историки. Прошли тысячи лет, и человек снова взглянул в небо — уже с помощью, например, космического телескопа Хаббла. Он увидел там мириады звезд, квинтиллионы планет, гигантские расстояния и… ничего (темную материю, то есть). Мы быстро учимся. Космический телескоп Джеймса Вебба будет в 100 раз мощнее Хаббла и покажет еще больше. Но что-то мы открыли и без него.
Небо меняется, планеты движутся
Наши древнейшие предки отслеживали смену времен года по небу. Оно говорило им, когда можно будет охотиться на определенные виды животных, например. Когда развилось сельское хозяйство, цивилизации вроде Древнего Египта использовали звезды, чтобы определить, когда нужно засевать урожай, а когда собирать. Мы использовали небо как гигантские часы, чтобы считать время в течение года. Когда случались затмения или кометы, их считали неожиданными событиями, знамением богов. Сегодня мы знаем, что они происходят вследствие гравитационных взаимодействий и орбитального положения в космосе.
Со временем некоторые умные люди подметили, что звезды движутся по небу предсказуемым образом. Они проходили по тому же пути, что и Солнце, и движутся на фоне других звезд. Теперь мы знаем, что это планеты (от греческого слова, означающего «странники»). Во многих культурах эти планеты получили имена богов. Меркурий, Венера, Марс, Сатурн и Юпитер, Нептун, Уран названы в честь высших существ, почитаемых в древности.
Земля и Солнце не являются центром Вселенной
Ранние верования (в зависимости от религий) часто указывали Землю центром Вселенной. Но когда первые астрономы наблюдали небо, они не понимали многих вещей. Почему Марс, например, иногда меняет свой курс в небе, а затем снова начинает маршировать в том же направлении, что и другие планеты? Некоторые астрономы придумали сложные геометрический построения — эпициклы — которые должны были предсказывать хаотическое, на первый взгляд, движение планет.
Простое решение было предложение Николаем Коперником в 1500-х годах, когда он поставил Солнце в центр Вселенной, а Землю пустил вращаться вокруг него, подобно другим планетам. (В третьем веке это также предлагал Аристарх Самосский из Греции, но его труды не были хорошо известны в западном мире на тот момент). Такая расстановка решала проблему эпицикла и подкреплялась другими свидетельствами. К примеру, открытие Галилеем спутников Юпитера в 1610 году показало, что не все вращается вокруг Земли. Религиозные власти были недовольны, но со временем все встало на свои места.
По мере развития телескопических технологий, мы узнали также, что и Солнце не является центром Вселенной. В 1750-х годах считалось, что Млечный Путь — это большая коллекция звезд со своим собственным центром. К началу 1900-х наблюдения новых звезд в других галактиках показали, что они были дальше, чем Млечный Путь. Наконец, астроном Эдвин Хаббл обнаружил доказательства того, что Вселенная расширяется равномерно во всех направлениях, не имея истинного центра.
Все зависит от гравитации
Хотя мы видим движение планет, почему они движутся, было непонятно тысячи лет. В 1600-х годах все изменилось, когда сэр Исаак Ньютон начал применять математическую теорию к наблюдениям Вселенной. Он рассчитал три основных закона движения, а также закон всемирного тяготения, согласно которому две любые вещи во Вселенной взаимно притягиваются. Планеты обладают большей силой притяжения, галька в кольцах Сатурна — меньшей.
В начале 1900-х наше понимание гравитации изменилось вместе с наблюдениями физиков вроде Альберта Эйнштейна, который выяснил, что время может меняться в зависимости от системы координат. Если вы путешествуете на скорости, близкой к световой, ваше чувство времени замедляется по сравнению с чувством живущих на Земле. Время стали считать четвертым измерением (после ширины, высоты и длины), и это привело к лучшему пониманию невероятных гравитационных условий вокруг черных дыр и других массивных гравитационных объектов. Гравитация объекта стала следствием «искривления» пространства-времени.
В начале 2016 года гравитационные волны были обнаружены обсерваторией LIGO. Это рябь в пространстве-времени, вызванная взаимным вращением массивных объектов вроде черных дыр. Эйнштейн предсказал их существование, и астрономы искали их более 50 лет.
За Сатурном есть планеты
Телескоп показал множество мелких объектов, недосягаемых невооруженному глазу. Уильям Гершель открыл Уран в 1781 году случайно, когда каталогизировал все звезды, которые мог найти, восьмой величины или ярче. Тогда-то он и нашел Уран, движущийся на фоне звезд. Он планировал назвать его в честь короля Георга III, но другие астрономы решили назвать планету в честь бога, как и остальные.
За этим открытием стремительно последовали другие: Церера (тогда ее назвали астероидом, а не карликовой планетой) была обнаружена в 1801 году. Нептун в 1846, а Плутон (сначала ставший планетой) в 1930 году. Солнечная система оказалась куда более большим местом, чем думали раньше. Со временем модели позволили предположить, что кометы обитают за пределами орбиты Нептуна среди других ледяных объектов — в поясе Койпера. В начале 2000-х несколько новых объектов размером с Плутон были обнаружены в поясе Койпера, что позволило Международном астрономическому союзу создать новую категорию объектов — «карликовые планеты» — и поместить Плутон и Цереру в эту категорию.
Не менее поразительным стало открытие планет за пределами нашей Солнечной системы. Сначала астрономы нашли три планеты возле пульсара PSR B1257+12 в 1992 году, потом крупную экзопланету возле звезды главной последовательности 51 Пегаса в 1995 году. Сегодня мы знаем о существовании более 1000 планет за пределами Солнечной системы, и еще тысячи ожидают своего часа. Большую их часть обнаружил космический телескоп NASA Кеплер, запущенный в 2009 году.
Существует космический предел скорости
Мы используем скорость света как один из способов измерения Вселенной. Веками мы уточняли его скорость, и сегодня она составляет порядка 300 000 километров в секунду в вакууме. Солнце в восьми световых минутах от Земли. Ближайшая звездная система (Альфа Центавра) в четырех световых годах от нас, а ближайшая из крупных галактик (Андромеда) в 2,5 миллиона световых лет.
Хотя все мы мечтаем о варп-двигателе из «Звездного пути», который позволил бы нам в мгновение ока покрывать огромные расстояния, нас стесняют ограничения физики. Другим открытием Эйнштейна было уравнение E = mc2, определяющее эквивалентность массы и энергии. Когда вы летаете на скорости, близкой к скорости света, необходимая вам энергия увеличивает вашу массу. В точке непосредственно перед нарушением светового предела масса становится бесконечной. Двигаться быстрее просто невозможно.
Однако теоретическая физика предлагает хитроумные короткие ходы. Возможно, во Вселенной имеются червоточины, через которые вы сможете путешествовать легко и непринужденно, пересекая огромные расстояния в минуты. Возможно, существуют способы хотя бы коммуникации со скоростью света, поскольку квантово-запутанные частицы могут сообщаться мгновенно, вне зависимости от разделяющего их расстояния. Но насколько нам известно сейчас, скорость света равна максимально возможной скорости путешествия.
Мы видим эхо Большого Взрыва
Если бы Вселенная началась с сингулярности и затем расширилась наружу — согласно теории Большого Взрыва, — она должна была находиться в окружении невообразимой энергии. Со временем, когда Вселенная стала больше, эта энергия рассеялась, остыла и конденсировалась в вещество, которое заполнило космос.
Мы можем наблюдать останки этого огромного взрыва, благодаря случайному открытию в 1965 году. В то время как существование фонового излучения впервые предположил Ральф Альфер в 1948 году, двое ученых из Bell Telephone Laboratories обнаружили его лишь десятки лет спустя, когда столкнулись с помехами на новом радиоприемнике. Арно Пензиас и Роберт Вильсон нашли излучение вместе с другой командой, что вылилось в две работы (по одной от каждой группы), опубликованные в Astrophysical Journal в 1965 году.
Астрономы теперь знают о существовании крошечных температурных колебаний (анизотропии) в космическом микроволновом фоне (CMB), которые выявляют незначительные колебания плотности в ранней Вселенной. Эти незначительные флуктуации могут быть обнаружены с помощью очень чувствительных приборов вроде WMAP и европейского космического телескопа Планка. Считается, что эти вариации могут раскрыть многое о формировании ранней Вселенной, крупномасштабной структуры Вселенной и природе самых первых галактик.
Вселенная расширяется (и все быстрее)
В 1929 году астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется. Он был старательным и прилежным наблюдателем со своим 100-дюймовым телескопом на горе Вильсон в Калифорнии и сделал множество открытий вроде настоящих расстояний до галактик. Он вглядывался в новые звезды в этих галактиках, оценивал их яркость и затем рассчитывал, как сильно должна была тускнеть эта яркость с расстоянием. Затем, основываясь на работе астронома Весто Слифера, Хаббл измерил движение галактик и опубликовал работу, в которой окончательно показал расширение Вселенной.
Открытие было весьма громким, но еще больше астрономы удивились в конце 90-х годов прошлого века, когда обнаружили, что расширение ускоряется. Астрономы, измеряющие сверхновые в далеких галактиках, обнаружили, что эти сверхновые были менее яркими, чем предсказывали по их красному смещению (что указывает на то, что они удаляются от нас). Это открытие в конечном итоге принесло ученым Нобелевскую премию.
Мы не сможем увидеть большую часть материи во Вселенной
Ускоренное расширение Вселенной было загадкой для астрономов, но они предположили, что должна быть некая сила, которая «расталкивает» Вселенную. Ведущей теорией сегодня является темная энергия, которую нельзя обнаружить напрямую с помощью современных астрономических методов.
Есть также несколько теорий относительно того, чем может быть эта темная энергия. Она может быть свойством самого пространства-времени. По мере расширения пространства рождается больше темной энергии, которая еще дальше толкает расширение. Другое возможное объяснение связано с квантовой теорией вещества, в рамках которой допускается возникновение и исчезновение частиц, рождающих энергию.
Темная энергия, как полагают, составляет 68% массы известной Вселенной, а темная материя — 27%. Ученые не уверены относительно природы темной материи, но знают о ее существовании по гравитационному воздействию. Мы видим, как она искривляет свет за счет гравитационного линзирования. Остальная часть Вселенной, менее 5%, состоит из привычной энергии и материи, которые мы можем видеть с телескопами.
На других мирах есть вода и лед
Вода считалась одним из ключевых элементов для жизни, и со временем мы пришли к выводу, что это универсальный элемент в Солнечной системе и вообще во Вселенной. Первые наблюдения космических аппаратов в 1970-х и 80-х годах показали существование ледяных миров за пределами Земли. Открытие ледяных лун возле Юпитера, Сатурна и дальше стало сюрпризом, поскольку мы привыкли наблюдать безвоздушную Луну близ Земли. Со временем эти миры продемонстрировали сложный химический состав.
Европа, спутник Юпитера, и Энцелад, спутник Сатурна, считаются наиболее перспективными для жизни за пределами Земли, по крайней мере в Солнечной системе. Кроме того, вода может существовать в жидкой форме внутри этих лун. На Титане, спутнике Сатурна, много углеводородов, а под поверхностью может скрываться жидкий океан.
Более продвинутые наблюдения в 90-х годах и далее нашли водяной лед в самых неожиданных местах. Оказалось, водяной лед может быть на безвоздушной Луне и даже на Меркурии — ближайшей к Солнце планете — если лежит в постоянно закрытых от Солнца кратерах или под защитным слоем пыли. Полярные шапки, состоящие частично из льда, имеются на Марсе. Лед есть на кометах и на небольших мирах вроде карликовой планеты Церера.
Впереди нас ждет много интересного
Астрономия только начинает быть интересной, поскольку телескопы становятся все лучше и лучше, появляются новые способы исследовать нашу Вселенную. Один из запланированных к запуску в 2018 году телескопов, Джеймс Вебб, должен быть в 100 раз мощнее своего предшественника, телескопа Хаббла.
Европейский Чрезвычайно Большой Телескоп, который будет завершен в 2024 году, если все пойдет по плану, будет изучать тайны Вселенной с Земли. По плану, он будет искать экзопланеты, вглядываться в первые дни существования Вселенной, сверхмассивные черные дыры и загадочную темную материю. Телескопы нового поколения также поищут планеты, похожие на Землю, в других солнечных системах, изучат их атмосферы, орбиты и происхождение.
Недавнее открытие гравитационных волн, ключевого компонента общей теории относительности Эйнштейна, открыло путь новому типу астрономии — гравитационно-волновой астрономии. Независимая от электромагнитного спектра, гравитационно-волновая астрономия измерит рябь пространства-времени и покажет массивные объекты, которые оставались бы невидимыми для оптических телескопов.
