L'uomo ha iniziato a esplorare lo spazio prima di entrare in orbita, creando altre 400 storie di fantascienza
- È vero che il Sole è piccolo per gli standard stellari?
Non certo in quel modo.Ci sono stelle giganti rosse mille volte più grandi del Sole, ad esempio UY Shield, AH Scorpio e W Cepheus. Ma ci sono anche altri esempi. Ad esempio, la stella 2MASS J0523-1403, scoperta nel 2003, ha le dimensioni di Giove (ma 70 volte più massiccia). La sua massa è 15 volte inferiore a quella del sole: questo è il limite per le stelle, al di sotto del quale le reazioni nucleari semplicemente non si accendono.
- In che modo le stelle si trasformano in buchi neri?
Questo destino attende le stelle con una massa maggiore di 8–10solare. Dal collasso gravitazionale (cioè dal "collasso in se stesso") sono trattenuti dall'energia delle reazioni nucleari. Ma prima o poi il carburante si esaurisce: tali stelle bruciano prima idrogeno, poi elio, poi carbonio e così via finché il nucleo non si trasforma in ferro. A questo punto, le reazioni nucleari al suo interno si fermano e la compressione inizia sotto l'influenza della gravità. Una volta che la massa del nucleo di ferro raggiunge il cosiddetto limite di Chandrasekhar (circa una massa e mezzo solare), nulla può resistere al collasso di una stella in un buco nero.
- Che cos'è un gigante gassoso? Questo significa che il pianeta non ha solide fondamenta e non può essere atterrato?
Stiamo parlando di pianeti molto grandi, costituiti daprincipalmente idrogeno ed elio. Ce ne sono due nel nostro sistema solare: Giove e Saturno. Se hanno una superficie solida è una domanda molto interessante a cui gli scienziati stanno cercando di rispondere usando la navicella spaziale Juno. Attualmente è in orbita attorno a Giove.
Quando ti immergi su Giove, dovrai prima passarelo strato esterno di nuvole fredde e dense composte da ammoniaca e acqua. Più si abbassa l'osservatore, maggiore è la pressione e la temperatura nell'atmosfera. Ad un certo punto, l’idrogeno si condenserà allo stato liquido e formerà un enorme oceano. Ancora più in profondità, e l'idrogeno sotto un'enorme pressione inizia a comportarsi come un metallo liquido.
I dati di Giunone suggeriscono che il nucleo del pianeta non ha confini chiari, sembra essere dissolto. Forse questo è successo perché miliardi di anni fa il gigante si è scontrato con un altro pianeta.
Collisione di proto-Giove con un altro pianeta.a) prima della collisione - è visibile un nucleo solido. b) l'ora dell'urto, c) dieci ore dopo l'urto. A causa della collisione e dell'ulteriore mescolamento, il nucleo di Giove si è rivelato esteso e "diluito". Figura adattata da Liu ed altri (2019)
- È possibile passare attraverso un buco nero in un'altra dimensione?
Non sappiamo.Le equazioni di Einstein presuppongono che un buco nero corrisponda a un buco bianco inverso, che può portare a un universo parallelo (il ponte Rosen-Einstein). Ma per arrivarci, devi muoverti a una velocità superiore a quella della luce. Gli stessi buchi bianchi possono manifestarsi nel nostro Universo sotto forma di lampi luminosi di radiazioni nella gamma gamma - e vogliono trovarli dal telescopio spaziale Fermi per raggi gamma. Il fisico teorico Lee Smolin ha suggerito che i buchi bianchi sono il Big Bang per altri universi.
diagramma di Penrose. Sopra c'è un buco nero e sotto c'è un buco bianco. E ai lati ci sono due universi: il nostro e un parallelo
E hanno proposto i fisici Oleg Lunin e Samir Mathursoluzione per un buco nero, basata sulla teoria delle superstringhe. Nella teoria delle superstringhe, tutte le particelle conosciute sono vibrazioni di stringhe di energia in spazi multidimensionali. In un buco nero, questi fili e questi spazi si intrecciano, formando un'unica struttura, simile a un gomitolo di lana sputato da un "gatto multidimensionale" dall'iperspazio.
Sulla destra c'è un buco nero "ordinario" con una singolarità eorizzonte degli eventi, a sinistra - un buco nero ottenuto dalla teoria delle stringhe, senza orizzonte degli eventi e senza singolarità (fuzzball - un gomitolo di lana). Arte di Olena Shmahalo/Quanta Magazine
- Come facevano gli antichi a scoprire le galassie se non avevano i moderni telescopi?
L'occhio è uno strumento sensibile.Possiamo percepire sorgenti nel cielo fino alla sesta magnitudine. A proposito, questa scala è stata introdotta dall'astronomo romano Cladius Tolomeo. Nel suo catalogo, la prima magnitudine indicava le stelle più luminose e la sesta quella più debole. Pertanto, vediamo la Nebulosa di Andromeda, che ha una magnitudine di 3,44, senza un telescopio. A proposito, questa galassia è stata descritta per la prima volta dall'astronomo e matematico persiano Abdurrahman al-Sufi circa mille anni fa. Scoprì anche la Grande Nube di Magellano.
- Perché dicono che il tempo è la quarta dimensione? Quante dimensioni sono aperte?
Fino al ventesimo secolo, gli scienziati credevano in quel momentolo spazio e i processi fisici sono indipendenti l’uno dall’altro. Ma nel 1905 Albert Einstein creò la teoria della relatività speciale, secondo la quale il tempo e lo spazio possono allungarsi e contrarsi. Poco dopo, il suo insegnante Herman Minkowski collegò lo spazio e il tempo in un comune continuum spazio-temporale quadridimensionale.
Sulla base di queste idee, Einstein sviluppò un generaleteoria della relatività. Ha scritto un'equazione che descrive come massa ed energia possono influenzare lo spazio-tempo, piegandolo e come cambia il movimento della materia in queste condizioni. Si è scoperto che lo spazio e il tempo sono partecipanti ai processi fisici e non un palcoscenico per loro. Ecco perché gli scienziati credono che il tempo sia la quarta dimensione.
Per quanto riguarda le dimensioni extra, la teoriale stringhe consentono la loro esistenza a livello micro e l'idea associata di cosmologia sulla brana (derivata dalla parola "membrana") - al contrario, molto grande. Piccole dimensioni extra sono ricercate al Large Hadron Collider, grandi - nello spazio, utilizzando le antenne gravitazionali LIGO e VIRGO e il telescopio spaziale Fermi-LAT a raggi gamma. Finora inutilmente.
- È vero che l'orologio sulla cima di un'alta montagna funziona in modo diverso che sulla superficie della Terra?
Il ritardo si verifica in due casi:quando un oggetto si muove ad alta velocità rispetto a un osservatore esterno; vicino alla fonte di gravità (pianeta massiccio, buco nero). Un esempio con un orologio della seconda categoria. La montagna si trova sulla superficie della Terra, che ha gravità, e il tempo sulla cima della montagna scorrerà più velocemente rispetto a un osservatore al livello del mare. È vero, questo effetto è molto piccolo: 83 nanosecondi al giorno nell'esperimento dell'Everest.
Ma i satelliti GPS volano a un'altitudine di circa 20mila metri.km. Lì, l'accelerazione gravitazionale del tempo è più significativa. Il tempo scorre 40 microsecondi al giorno più velocemente che sulla superficie del pianeta, e questo deve essere preso in considerazione. In questo senso, i satelliti GPS sono un ottimo laboratorio per testare gli effetti della teoria della relatività.
- Come si possono curvare il tempo e lo spazio?
Sappiamo che il tempo e lo spazio si deformanoma come fanno è una domanda difficile. Per rispondere, dobbiamo considerare l'azione della gravità a livello quantistico, ma non esiste ancora una teoria universale per questo.
Esistono approcci separati come la teoria delle stringheo gravità quantistica in loop. Quest'ultimo rappresenta lo spazio non come continuo, ma come costituito da anelli chiusi del campo gravitazionale. Su larga scala sembra il solito spazio della relatività generale, e su piccola scala sembra che sia composto da pixel. La massa e l'energia collocate in tale spazio circolare lo influenzano e quindi lo distorcono.
- È vero che il vuoto non è effettivamente vuoto e che le particelle stesse sorgono in esso?
Secondo la teoria dei campi e il principio di indeterminazioneHeisenberg, per brevissimi periodi di tempo, il vuoto può trovarsi in un tale stato energetico in cui è in grado di generare particelle accoppiate. Gli scienziati li chiamano virtuali. Sono in qualche modo diversi da quelli ordinari, ma allo stesso tempo obbediscono alle leggi di conservazione quantistica.
Non possiamo osservare le particelle virtuali, loronascono in coppia e si annientano rapidamente senza intaccarci in alcun modo. Tuttavia, questo equilibrio può essere disturbato in alcuni casi, ad esempio in presenza di un forte campo gravitazionale, come in un buco nero. Stephen Hawking ha mostrato che i buchi neri possono non solo assorbire, ma anche emettere particelle (principalmente fotoni) e quindi evaporare. Prima di allora, si credeva che nulla, nemmeno la luce, potesse "scappare" da un buco nero.
- Qual è il Big Bang? Perchè è successo?
Questo è un modello teorico che descrivel'emergere dell'Universo moderno da uno stato molto denso e molto caldo. In un picosecondo (un trilionesimo di secondo) sono apparse interazioni fondamentali: prima gravitazionali e poi elettromagnetiche, deboli e forti. Poi, a temperature molto elevate, è iniziata la nascita di coppie particella-antiparticella, e successivamente si sono annientate, il cui prodotto è un fotone (luce).
Fortunatamente per noi, è nata un'asimmetria:per un miliardo di coppie protone-antiprotone, un protone si è rivelato "extra". Tutte le stelle, le galassie, i pianeti e noi stessi siamo fatti di questa miliardesima parte. Per le successive centinaia di migliaia di anni, la luce e la materia furono "aggrovigliate" e l'universo fu molto opaco. Circa 400.000 anni dopo il Big Bang, si raffreddò e gli atomi iniziarono a formarsi. Non c'erano più elettroni liberi e l'Universo divenne trasparente alla luce. C'è stata una potente esplosione di radiazioni, che ora osserviamo come radiazione reliquia (fondo cosmico a microonde).
Perché l'Universo abbia iniziato ad espandersi da uno stato molto compresso, non lo sappiamo (così come ciò che era prima del Big Bang). Forse il motivo erano le fluttuazioni quantistiche del vuoto.
- Perché le astronavi non possono volare alla velocità della luce?
Dalla teoria della relatività speciale segue:per accelerare un oggetto massiccio alla velocità della luce, devi spendere una quantità infinita di energia. Il che, ovviamente, è impossibile. Solo le particelle prive di massa, come il fotone, possono muoversi alla velocità della luce.
Nel 1994, il fisico messicano Miguel Alcubierreha proposto l'idea di un motore a curvatura (come nella serie cult di fantascienza Star Trek). Invece di viaggiare a FTL, il veicolo spaziale deve comprimere lo spazio-tempo di fronte ad esso ed espanderlo dietro di esso, pur essendo ancora in una bolla di spazio-tempo piatto. È vero, c'erano diversi problemi irrisolti. Per creare una bolla del genere, è necessaria una materia esotica con massa negativa. La buona notizia è che un recente articolo ha trovato soluzioni per le bolle di curvatura superluminali con una densità di energia positiva. Ma il problema resta come disperdere la bolla stessa almeno alla velocità della luce e dove ottenere molta energia senza creare un buco nero.
Rendering 2D del motore Alcubierre
- Quale sostanza c'è di più nell'universo?
Secondo gli ultimi dati ottenuti dallo spazioOsservatorio Planck, il nostro Universo è composto solo per il 5% da materia ordinaria o, come dicono gli scienziati, da materia barionica, cioè stelle, galassie, gas e te.
Una parte più significativa - 26% - èmateria oscura. È stato scoperto studiando la rotazione delle galassie e dei loro ammassi. La massa e la gravità non bastavano a spiegare il loro "comportamento". Pertanto, è stato necessario introdurre il concetto di materia oscura, che si manifesta solo per gravità e non interagisce altrimenti con la materia ordinaria. In realtà, non si sa cosa sia la materia oscura.
Sulla sinistra c'è una mappa della radiazione gamma con un'energia di 1–3.16 GeV al centro della nostra galassia. Nota pulsar firmata. Se rimuoviamo tutte le sorgenti conosciute di radiazioni gamma, come mostrato a destra, allora ci sarà un eccesso di radiazione, che può essere spiegato dall'annichilazione della materia oscura
Infine, la sostanza più misteriosa cheil 69% è costituito dall’energia oscura, di cui non sappiamo quasi nulla. Si manifesta principalmente attraverso l'espansione dell'Universo. Inoltre, gli scienziati hanno concluso che la densità dell'Universo è prossima al livello critico. Tuttavia, la materia (normale + oscura) rappresenta solo il 30% della densità critica. Dov'è il resto? Potrebbe trattarsi dell'energia dello spazio o del vuoto stesso, oppure di un'ulteriore forza sconosciuta, comunemente chiamata energia oscura.
- Quanto è probabile che ci siano altri esseri intelligenti nella nostra galassia?
Ci sono molte indicazioni che la nostra galassiadeve essere riempito di vita. Innanzitutto, secondo il telescopio spaziale Kepler, ci sono circa 40 miliardi di pianeti simili alla Terra che orbitano attorno a stelle simili al sole o nane rosse e si trovano anche nella zona abitabile (condizioni favorevoli per l'origine della vita).
In secondo luogo, ha avuto origine la vita sul nostro pianetaquasi immediatamente dopo la formazione della Terra ed esiste da 4 miliardi di anni. Per quanto riguarda gli esseri intelligenti, la situazione è un po’ più complicata. Su scala galattica, l’uomo esiste per un tempo trascurabilmente breve.
L'astronomo americano Frank Drake ha compilatoun'equazione per stimare il numero di civiltà avanzate nella nostra galassia, ma ha molte incognite. Pertanto, la soluzione varia notevolmente: da 20 pezzi a 50 milioni! Quest'ultimo è improbabile, perché c'è anche il paradosso di Fermi, che suona letteralmente così: perché non osserviamo tracce di civiltà avanzate - satelliti, segnali radio vari e così via? Forse le condizioni sul nostro pianeta e nel sistema solare sono ancora uniche (abbiamo ad esempio un enorme Giove, che protegge la Terra dai grandi meteoriti e dagli asteroidi con il suo campo gravitazionale). Cioè, la vita, forse, non è una regola per l'Universo, ma una grande eccezione.
- Cosa accadrà all'Universo alla fine della sua esistenza?
Ora lo scenario più probabile èuniverso in rapida espansione. Tra circa un trilione di anni, tutte le galassie voleranno via oltre l'Universo visibile. Tra 100 trilioni di anni esploderà l’ultima stella, una nana rossa. Entro 10 quantilioni di anni, le galassie andranno in pezzi e i loro resti inizieranno a cadere nei buchi neri. Cosa accadrà alla vita intelligente? Questa è un’era molto lunga e una civiltà super avanzata potrebbe trovare un modo per utilizzare i buchi neri come fonti di energia.
Prima o poi anche i buchi neri evaporerannoConto delle radiazioni di Hawking (secondo varie ipotesi, entro 1040-10106 anni). Naturalmente, tutto può finire molto più velocemente se la densità dell’energia oscura aumenta nel tempo. In questo caso, ad un certo punto, diciamo tra 20 e 70 miliardi di anni, il tasso di espansione dell’Universo sarà così elevato che tutta la materia si romperà a livello subatomico. Questo scenario è chiamato Big Rip.
E se guardi ancora più lontano nel futuro inimmaginabile, un giorno le fluttuazioni quantistiche potrebbero portare di nuovo alla nascita dell'universo.
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