Człowiek zaczął eksplorować kosmos jeszcze zanim wszedł na orbitę – poprzez stworzenie opowiadań science fiction kolejnych 400
- Czy to prawda, że Słońce jest małe jak na standardy gwiazdowe?
Nie na pewno w ten sposób.Istnieją czerwone olbrzymy, które są tysiąc razy większe od Słońca - na przykład UY Shield, AH Scorpio i W Cepheus. Ale są też inne przykłady. Na przykład gwiazda 2MASS J0523-1403, odkryta w 2003 roku, jest wielkości Jowisza (ale 70 razy masywniejsza). Jego masa jest 15 razy mniejsza niż Słońca - to granica dla gwiazd, poniżej której reakcje jądrowe po prostu nie ulegają zapłonowi.
- Jak gwiazdy zamieniają się w czarne dziury?
Ten los czeka gwiazdy o masie większej niż 8–10słoneczny. Od zapadnięcia grawitacyjnego (czyli „zapadnięcia się w siebie”) są utrzymywane przez energię reakcji jądrowych. Ale prędzej czy później paliwo się wyczerpie: takie gwiazdy najpierw spalają wodór, potem hel, potem węgiel – i tak dalej, aż rdzeń zamieni się w żelazo. W tym momencie reakcje jądrowe w nim zatrzymują się, a kompresja zaczyna się pod wpływem grawitacji. Gdy masa żelaznego jądra osiągnie tak zwaną granicę Chandrasekhara (około półtora masy Słońca), nic nie może się oprzeć zapadnięciu się gwiazdy w czarną dziurę.
- Czym jest gazowy gigant – czy to oznacza, że planeta nie ma solidnego fundamentu i nie można na nim wylądować?
Mówimy o bardzo dużych planetach, składających się zgłównie wodór i hel. W naszym Układzie Słonecznym są dwa z nich: Jowisz i Saturn. To, czy mają stałą powierzchnię, jest bardzo interesującym pytaniem, na które naukowcy próbują odpowiedzieć za pomocą statku kosmicznego Juno. Obecnie znajduje się na orbicie wokół Jowisza.
Nurkując na Jowisza, najpierw będziesz musiał przez niego przejśćzewnętrzna warstwa zimnych, gęstych chmur składających się z amoniaku i wody. Im niżej znajduje się obserwator, tym wyższe jest ciśnienie i temperatura w atmosferze. W pewnym momencie wodór skondensuje się do stanu ciekłego i utworzy ogromny ocean. Jeszcze głębiej, a wodór pod ogromnym ciśnieniem zaczyna zachowywać się jak ciekły metal.
Dane z Juno sugerują, że jądro planety nie ma wyraźnych granic, wydaje się być rozpuszczone. Być może stało się tak, ponieważ miliardy lat temu gigant zderzył się z inną planetą.
Zderzenie proto-Jowisza z inną planetą.a) przed zderzeniem - widoczny jest solidny rdzeń. b) czas zderzenia, c) dziesięć godzin po zderzeniu. W wyniku zderzenia i dalszego mieszania jądro Jowisza okazało się rozciągnięte i „rozrzedzone”. Rysunek zaadaptowany za Liu i wsp. (2019)
- Czy można przejść przez czarną dziurę do innego wymiaru?
Nie wiemy.Równania Einsteina zakładają, że czarna dziura odpowiada odwróconej białej dziurze, co może prowadzić do równoległego wszechświata (most Rosen-Einstein). Ale żeby się tam dostać, musisz poruszać się z prędkością większą niż światło. Same białe dziury mogą manifestować się w naszym Wszechświecie w postaci jasnych błysków promieniowania w zakresie gamma - i chcą je znaleźć z kosmicznego teleskopu gamma Fermiego. Fizyk teoretyczny Lee Smolin zasugerował, że białe dziury są Wielkim Wybuchem dla innych wszechświatów.
Schemat Penrose'a. Powyżej znajduje się czarna dziura, a poniżej biała dziura. A po bokach są dwa wszechświaty: nasz i równoległy
A fizycy Oleg Lunin i Samir Mathur zaproponowalirozwiązanie dla czarnej dziury, oparte na teorii superstrun. W teorii superstrun wszystkie znane cząstki są drganiami strun energii w przestrzeniach wielowymiarowych. W czarnej dziurze te struny i przestrzenie przeplatają się, tworząc jedną strukturę, podobną do kłębka wełny wypluwanego przez „wielowymiarowego kota” z hiperprzestrzeni.
Po prawej stronie znajduje się „zwykła” czarna dziura z osobliwością ihoryzont zdarzeń, po lewej czarna dziura uzyskana z teorii strun, bez horyzontu zdarzeń i bez osobliwości (fuzzball - wełniana kula). Grafika autorstwa Oleny Shmahalo/Quanta Magazine
- Jak starożytni ludzie odkrywali galaktyki, jeśli nie mieli nowoczesnych teleskopów?
Oko to czuły instrument.Możemy dostrzec źródła na niebie do szóstej wielkości. Nawiasem mówiąc, tę skalę wprowadził rzymski astronom Kladiusz Ptolemeusz. W jego katalogu pierwsza wielkość oznaczała najjaśniejsze gwiazdy, a szósta najciemniejsza. Dlatego widzimy Mgławicę Andromedy, która ma jasność 3,44 magnitudo bez teleskopu. Nawiasem mówiąc, tę galaktykę po raz pierwszy opisał perski astronom i matematyk Abdurrahman al-Sufi około tysiąca lat temu. Odkrył także Wielki Obłok Magellana.
- Dlaczego mówią, że czas to czwarty wymiar? Ile wymiarów jest otwartych?
Aż do XX wieku naukowcy wierzyli w ten czasprzestrzeń i procesy fizyczne są od siebie niezależne. Ale w 1905 roku Albert Einstein stworzył szczególną teorię względności, zgodnie z którą czas i przestrzeń mogą się rozciągać i kurczyć. Nieco później jego nauczyciel Herman Minkowski połączył przestrzeń i czas we wspólne czterowymiarowe kontinuum czasoprzestrzenne.
W oparciu o te pomysły Einstein opracował generałateoria względności. Napisał równanie opisujące, jak masa i energia mogą wpływać na czasoprzestrzeń, zakrzywiając ją, oraz jak w tych warunkach zmienia się ruch materii. Okazało się, że przestrzeń i czas są uczestnikami procesów fizycznych, a nie sceną dla nich. Dlatego naukowcy uważają, że czas jest czwartym wymiarem.
Jeśli chodzi o dodatkowe wymiary, teoriastruny pozwalają na ich istnienie na poziomie mikro, a związana z tym idea kosmologii na branie (wywodząca się od słowa „membrana”) – wręcz przeciwnie, na bardzo dużym. Małych dodatkowych wymiarów poszukuje się w Wielkim Zderzaczu Hadronów, dużych - w kosmosie, za pomocą anten grawitacyjnych LIGO i VIRGO oraz kosmicznego teleskopu gamma Fermi-LAT. Jak dotąd bezskutecznie.
- Czy to prawda, że zegar na szczycie wysokiej góry biegnie inaczej niż na powierzchni Ziemi?
Opóźnienie czasowe występuje w dwóch przypadkach:gdy obiekt porusza się z dużą prędkością w stosunku do zewnętrznego obserwatora; w pobliżu źródła grawitacji (masywna planeta, czarna dziura). Przykład z zegarem z drugiej kategorii. Góra znajduje się na powierzchni Ziemi, która ma grawitację, a czas na szczycie góry będzie płynął szybciej w stosunku do obserwatora na poziomie morza. To prawda, że ten efekt jest bardzo mały: 83 nanosekundy dziennie w eksperymencie Everest.
Ale satelity GPS latają na wysokości około 20 tysięcy metrów.km. Tam grawitacyjne przyspieszenie czasu jest bardziej znaczące. Czas płynie 40 mikrosekund dziennie szybciej niż na powierzchni planety i trzeba to wziąć pod uwagę. W tym sensie satelity GPS są doskonałym laboratorium do testowania efektów teorii względności.
- Jak zakrzywić czas i przestrzeń?
Wiemy, że czas i przestrzeń się wypaczająale jak to robią, to trudne pytanie. Aby na nie odpowiedzieć, musimy rozważyć działanie grawitacji na poziomie kwantowym, ale nie ma jeszcze na to uniwersalnej teorii.
Istnieją odrębne podejścia, takie jak teoria strunlub pętla grawitacji kwantowej. Ta ostatnia przedstawia przestrzeń nie jako ciągłą, ale składającą się z zamkniętych pętli pola grawitacyjnego. W dużych skalach wygląda jak zwykła przestrzeń ogólnej teorii względności, a w małych skalach wygląda, jakby składała się z pikseli. Masa i energia umieszczone w takiej przestrzeni pętli oddziałują na nią i tym samym ją zniekształcają.
- Czy to prawda, że próżnia w rzeczywistości nie jest pusta i że same w niej powstają cząsteczki?
Zgodnie z teorią pola i zasadą nieoznaczonościHeisenberga, przez bardzo krótkie okresy czasu, próżnia może być w takim stanie energetycznym, że jest w stanie generować sparowane cząstki. Naukowcy nazywają je wirtualnymi. Różnią się nieco od zwykłych, ale jednocześnie są zgodne z prawami zachowania kwantowego.
Nie możemy obserwować wirtualnych cząstek, onerodzą się w parach i szybko unicestwiają, nie wpływając na nas w żaden sposób. Jednak w niektórych przypadkach ta równowaga może zostać zakłócona, na przykład w obecności silnego pola grawitacyjnego, jak w czarnej dziurze. Stephen Hawking wykazał, że czarne dziury mogą nie tylko pochłaniać, ale także emitować cząstki (głównie fotony), a zatem odparowywać. Wcześniej wierzono, że nic, nawet światło, nie może „uciec” z czarnej dziury.
- Czym jest Wielki Wybuch? Dlaczego to się stało?
Jest to model teoretyczny, który opisujepojawienie się współczesnego Wszechświata z bardzo gęstego i bardzo gorącego stanu. W ciągu pikosekundy (jednej trylionowej sekundy) pojawiły się w nim oddziaływania fundamentalne: najpierw grawitacyjne, a potem elektromagnetyczne, słabe i silne. Następnie, w bardzo wysokich temperaturach, zaczęły się narodziny par cząstka-antycząstka, a następnie anihilacja, której produktem jest foton (światło).
Na szczęście dla nas powstała asymetria:dla miliarda par proton-antyproton jeden proton okazał się „dodatkowy”. Wszystkie gwiazdy, galaktyki, planety i my sami jesteśmy zbudowani z tej miliardowej części. Przez następne setki tysięcy lat światło i materia były „splątane”, a wszechświat był bardzo nieprzejrzysty. Około 400 000 lat po Wielkim Wybuchu ochłodził się i zaczęły formować się atomy. Nie pozostały żadne wolne elektrony, a Wszechświat stał się przezroczysty dla światła. Nastąpił potężny wybuch promieniowania, który teraz obserwujemy jako promieniowanie reliktowe (tło mikrofali kosmicznej).
Dlaczego Wszechświat zaczął się rozszerzać z bardzo skompresowanego stanu, nie wiemy (tak jak przed Wielkim Wybuchem). Być może powodem były fluktuacje kwantowe próżni.
- Dlaczego statki kosmiczne nie mogą latać z prędkością światła?
Ze szczególnej teorii względności wynika:aby przyspieszyć masywny obiekt do prędkości światła, musisz wydać nieskończoną ilość energii. Co oczywiście jest niemożliwe. Tylko cząstki bezmasowe, takie jak foton, mogą poruszać się z prędkością światła.
W 1994 roku meksykański fizyk Miguel Alcubierrezaproponował ideę napędu warp (jak w kultowym serialu science fiction Star Trek). Zamiast podróżować w FTL, statek kosmiczny musi skompresować czasoprzestrzeń przed sobą i rozszerzyć ją za nią, pozostając jednocześnie w bańce płaskiej czasoprzestrzeni. To prawda, że było kilka nierozwiązanych problemów. Do stworzenia takiej bańki potrzebna jest egzotyczna materia o ujemnej masie. Dobrą wiadomością jest to, że niedawny artykuł znalazł rozwiązania dla superluminalnych pęcherzyków osnowy o dodatniej gęstości energii. Pozostaje jednak problem, jak rozproszyć samą bańkę przynajmniej do prędkości światła i skąd uzyskać dużo energii bez tworzenia czarnej dziury.
Renderowanie 2D silnika Alcubierre
- Jaka substancja jest bardziej we wszechświecie?
Według najnowszych danych uzyskanych przez kosmosObserwatorium Planck, nasz Wszechświat składa się tylko z 5% zwykłej lub, jak mówią naukowcy, materii barionowej, czyli gwiazd, galaktyk, gazu i Ciebie.
Większa część - 26% - toCiemna materia. Odkryto go badając rotację galaktyk i ich gromad. Masa i grawitacja nie wystarczały, by wyjaśnić ich „zachowanie”. Dlatego konieczne było wprowadzenie pojęcia ciemnej materii, która objawia się wyłącznie grawitacją i nie oddziałuje w inny sposób ze zwykłą materią. W rzeczywistości nie wiadomo, czym jest ciemna materia.
Po lewej stronie znajduje się mapa promieniowania gamma o energii 1–3.16 GeV w centrum naszej galaktyki. Znane pulsary podpisane. Jeśli usuniemy wszystkie znane źródła promieniowania gamma, jak pokazano po prawej stronie, to pojawi się nadmiar promieniowania, co można wytłumaczyć anihilacją ciemnej materii
Wreszcie najbardziej tajemnicza substancjastanowiąca 69% to ciemna energia, o której prawie nic nie wiemy. Przejawia się to przede wszystkim poprzez ekspansję Wszechświata. Ponadto naukowcy doszli do wniosku, że gęstość Wszechświata jest bliska krytycznej. Jednak materia (zwykła + ciemna) stanowi tylko 30% gęstości krytycznej. Gdzie jest reszta? Może to być energia przestrzeni lub samej próżni, albo dodatkowa nieznana siła, powszechnie nazywana ciemną energią.
- Jakie jest prawdopodobieństwo, że w naszej galaktyce istnieją inne inteligentne istoty?
Wiele wskazuje na to, że nasza galaktykamusi być wypełniony życiem. Po pierwsze, według teleskopu kosmicznego Keplera, istnieje około 40 miliardów planet podobnych do Ziemi, które krążą wokół gwiazd podobnych do Słońca lub czerwonych karłów, a także znajdują się w strefie nadającej się do zamieszkania (korzystne warunki dla powstania życia).
Po drugie, powstało życie na naszej planecieniemal natychmiast po powstaniu Ziemi i istnieje od 4 miliardów lat. Jeśli chodzi o istoty inteligentne, jest to nieco bardziej skomplikowane. W skali galaktycznej człowiek istnieje przez znikomo krótki czas.
Opracował amerykański astronom Frank Drakerównanie do szacowania liczby zaawansowanych cywilizacji w naszej galaktyce, ale ma wiele niewiadomych. Dlatego rozwiązanie dla niego jest bardzo różne - od 20 sztuk do 50 milionów! To ostatnie jest mało prawdopodobne, bo istnieje też paradoks Fermiego, który dosłownie brzmi tak: dlaczego nie obserwujemy śladów zaawansowanych cywilizacji – satelitów, różnych sygnałów radiowych itd.? Być może warunki na naszej planecie i w Układzie Słonecznym są wciąż wyjątkowe (na przykład mamy ogromnego Jowisza, który swoim polem grawitacyjnym chroni Ziemię przed dużymi meteorytami i asteroidami). To znaczy, być może życie nie jest regułą dla Wszechświata, ale dużym wyjątkiem.
- Co stanie się ze Wszechświatem pod koniec jego istnienia?
Teraz najbardziej prawdopodobny scenariuszszybko rozszerzający się wszechświat. Za około bilion lat wszystkie galaktyki odlecą poza widzialny Wszechświat. Za 100 bilionów lat eksploduje ostatnia gwiazda, czerwony karzeł. W ciągu 10 kwantylionów lat galaktyki rozpadną się, a ich pozostałości zaczną wpadać w czarne dziury. Co stanie się z inteligentnym życiem? To bardzo długa era, a super zaawansowana cywilizacja może znaleźć sposób na wykorzystanie czarnych dziur jako źródła energii.
Wcześniej czy później nawet czarne dziury wyparująRachunek promieniowania Hawkinga (według różnych założeń, w ciągu 1040-10106 lat). Oczywiście wszystko może zakończyć się znacznie szybciej, jeśli z czasem gęstość ciemnej energii wzrośnie. W tym przypadku w pewnym momencie, powiedzmy za 20–70 miliardów lat, tempo ekspansji Wszechświata będzie tak duże, że cała materia ulegnie rozerwaniu na poziomie subatomowym. Scenariusz ten nazywany jest Wielkim Rozdarciem.
A jeśli spojrzysz jeszcze dalej w niewyobrażalną przyszłość, to pewnego dnia fluktuacje kwantowe mogą ponownie doprowadzić do narodzin wszechświata.
Te odpowiedzi mogą prowadzić do nowych pytań −eksploracja kosmosu jest nieskończona. Możesz zagłębić się w ten temat za pomocą interaktywnego kursu „Drukowanie w kosmosie” z „Uchi.ru”. To propozycja dla tych, którzy chcą opanować umiejętność pisania bezwzrokowego i po drodze ocalić Wszechświat przed robotami-agresorami.
Czytaj więcej:
Największe drzewo genealogiczne ludzkości ukazywało historię naszego gatunku
Opracowane ekologiczne paliwo na bazie dwutlenku węgla
Wielka Piramida Cheopsa będzie badana za pomocą promieni kosmicznych