Великие открытия в астрономии

До недавних пор единственным источником света для человечества было небо: днем – Солнце, ночью – бесконечное множество звезд. С незапамятных времен люди верили, что Солнце и звезды – создания божественные, принадлежащие к другому миру.

И они были правы. Уже многие тысячелетия человек устремлял взгляд на небо, но только совсем недавно смог рассмотреть все как следует и понять свою связь с космосом. Сейчас мы можем видеть дальше и четче, мы можем наблюдать за объектами, невидимыми человеческому глазу. Это все более совершенная способность видеть позволила человеку сделать величайшие открытия, пролившие свет на тайну удивительной и прекрасной Вселенной.

Движение планет

Это великое открытие было сделано много веков назад. В те времена первые люди наблюдали за движением небесных светил, всматриваясь в безоблачное небо пустынь юго-запада Северной Америки, Ближнего Востока, Африки и Южной Америки.

Астрономы Месопотамии сделали наиболее важные открытия. Они считали небесные тела богами и строили громадные башни, чтобы следить за восходом и закатом Солнца, Луны и звезд. Более тысячелетия они использовали глиняные таблички для записи того, что они видели.

После первых записей, сделанных в Месопотамии, настала очередь греков. Несколько греческих астрономов отправились в Месопотамию, чтобы узнать, чего удалось добиться местным ученым. Впоследствии они вернулись домой с систематическими записями, которые стали основой математической теории движения планет.

На основании своих наблюдений греки разработали модель Солнечной системы, которая просуществовала около двух тысяч лет. Она гласила, что планеты вращаются вокруг Земли.

Следующее великое открытие исправило неверную картину.

 

Движение Земли

1543 год. Умирает 70-летний юрист. Последние 40 лет своей жизни он занимался астрономией, его звали Николай Коперник. Именно он опроверг одно из наиболее основательных и даже священных убеждений современности.

Еще в молодости Коперник изучал движение небесных тел и пришел к выводу, что геоцентрическая система, разработанная греками, не может объяснить движение планет.

Он задумался: а вдруг Земля двигается сама? Коперник понял, что движение планет намного легче объяснить, если поместить Солнце в центр системы и представить, что Земля вращается вокруг него как обычная планета. Это была революционная идея!

Не имея никаких доказательств, что Земля на самом деле вращается вокруг Солнца, он выпустил книгу, излагающую его новую теорию. Эта теория и книга перевернула мир, потому что она давала Земле роль простой планеты, а Солнце перемещала в центр системы.

 

Эллиптические орбиты планет

И греки, и Коперник считали, что орбиты планет круглые. Но в 1571 году немецкий математик Йоганн Кеплер разрушил это предположение, сделав еще одно великое открытие.

У Кеплера не было возможности проводить обширные расчеты, и он придумывал другие способы, чтобы рассчитать круговую орбиту Марса. Занятие было утомительным, Кеплер писал, что работа просто сводила его с ума.

По мере того, как он работал, становилось понятно, что общепринятая модель, в которой планеты движутся по круговым орбитам, попросту неверна. Ему в голову пришла новая мысль.

Кеплер понял, что Солнце каким-то образом, каким он не совсем понимал, влияет на планеты. Однако, все вставало на свои места, если предположить, что орбиты планет не круглые, а эллиптические. Благодаря этому открытию, Кеплер разработал методику для точного расчета движения небесных тел.

Когда его таблицы предсказали проход Меркурия между Солнцем и Землей, о чем в таблицах прочих ученых не было сказано ни слова, в этом все увидели яркое доказательство верности теории Кеплера. Она жестко привязывала движение всех планет к Солнцу и в то же время являлась важным доказательством верности гелиоцентрической теории Коперника.

Несмотря на явный успех теории Кеплера, многие сомневались, что Солнце действительно является центром Солнечной системы. Последний камень, добивший уходящую в прошлое геоцентрическую систему был брошен человеком, который, как и Кеплер, предпочитал строить свои теории на наблюдениях. Звали его Галилео Галилей.

 

Луны Юпитера

Галилео Галилей – человек, стремившийся к правде независимо от того, где бы она ни была скрыта. В свете следующего великого открытия его стремление сыграло ключевую роль, перевернув наше представление о Солнечной системе.

Шел 1609 год. Галилей увлекся новым изобретением под названием телескоп. Интересно, что началось все с праздничной игрушки. Когда Галилей услышал о телескопе, он тут же занялся изготовлением собственного, превратив детскую игрушку в научный инструмент.

Галилей направил свой телескоп на небо и первым разглядел горы на Луне, скопление звезд Млечного пути, а затем нечто необычное: планету Юпитер окружали четыре небольшие яркие звезды.

Существует рукопись первой недели его наблюдений, в которой он шаг за шагом приходит к выводу, что эти четыре звезды движутся вместе с Юпитером. Это и стало моментом истины. Галилей понял, что звезды на самом деле были лунами, вращавшимися вокруг Юпитера.

Открытие Галилея стало доказательством того, что гелиоцентрическая модель Коперника была верна: если луны могут вращаться вокруг Юпитера, то и Земля может вращаться вокруг Солнца.

Открытие Галилея показало, что астрономия может развиваться только на основании действительных наблюдений, теория лишь тогда становится жизненной, когда ее подкрепляют факты.

То же самое получилось и в случае со следующим великим открытием.

 

Комета Галлея

Веками кометы считали предвестниками бедствий, к концу Средних веков появление кометы вызывало у людей панический страх.

Однако, Эдмунда Галлея, ученого, жившего в эпоху Возрождения, интересовали не предрассудки, а факты. В 1695 году он принялся искать как древние, так и недавние записи наблюдений за кометами. Он обнаружился достаточно подробные наблюдения за 24 кометами, которые позволяли ему очень приблизительно определить их орбиты.

К своему удивлению он обнаружил, что 3 из 24 комет следуют приблизительно одной и той же орбитой, делая за 76 лет один оборот вокруг Солнца. Он выяснил, что три разные кометы на самом деле являлись одной и той же.

Галилей был настолько уверен в орбите кометы, что сделал смелое утверждение: он предсказал, что комета вернется к Земле в 1758 году. Комета действительно вернулась. К сожалению, Галилей не дожил до этого времени, чтобы насладиться своим открытием.

С тех пор комета Галлея, как ее стали называть, трижды возвращалась к Земле и становилась объектом наблюдения во всему земному шару.

Уже не являясь предвестником несчастий, комета Галлея стала еще одной вехой в истории астрономии, заменив предрассудки рациональным научным пониманием устройства Вселенной.

 

Млечный пусть – это звездный диск

Вильям Гершель, живший в 18 веке, получил классическое музыкальное образование, но оставил музыку и устремил свой взор в небо. Это стало началом следующего великого открытия.

Когда он узнал, сколько стоит линзовый телескоп, он понял, что это ему не по карману, и поэтому решил сделать свой собственный, став создателем самого необычного телескопа своего времени – зеркального, самого большого на тот момент.

Он использовал свой телескоп для методического исследования неба, подробно записывая увиденное. Исследуя небо, он наткнулся на нечто, не похожее на то, что он видел ранее. Оказалось, что он обнаружил новую планету, которая была следующей за Сатурном – Уран. Уран стал первой новой планетой, открытой за предшествующие 3,5 тысячи лет.

Однако, эта находка была ничто по сравнению с основной целью Гершеля. Он построил мощный 6-метровый телескоп, затем разделил небо на равные части и принялся систематически подсчитывать количество звезд в каждой части. Это была кропотливая и грандиозная по своим масштабам работа.

Постепенно подсчеты Гершеля стали обнаруживать нечто необычное: Млечный путь оказался гораздо больше, чем кто-либо мог предположить, он представлял собой огромный звездный диск. Некоторые секции были переполнены звездами — в какой-то секции насчитывалось более четверти миллиона звезд, а какие-то в более отдаленной части были практически пустыми.

Открытие Гершеля стало откровением. Его модель Млечного пути дошла и до наших дней. Гершель исследовал только небольшую часть всего Млечного пути, но даже она внесла большие изменения в изучение астрономии. Открытие Гершеля показало, что наша Солнечная система – всего лишь крохотный островок в глубокой и необъятной Вселенной.

 

Общая теория относительности

Размышления никому не известного клерка, работавшего в швейцарском патентном бюро, привели к следующему великому открытию. Этим клерком был Альберт Эйнштейн.

В начале 20 века все научное сообщество, а вместе с ним и Альберт Эйнштейн, обсуждало проблему орбиты Меркурия. Несмотря на способность Закона всемирного тяготения Ньютона точно предсказывать движение планет, когда дело доходило до определения орбиты Меркурия, все расчеты заводили в тупик.

Загвоздка была в определении перигелия Меркурия – точки, когда планета находится к Солнцу ближе всего. Каждые сто лет перигелий Меркурия немного смещался, и уравнения Ньютона не могли объяснить этого явления.

Молодой Эйнштейн смело выдвинул свою собственную теорию, объясняющую загадку обриты Меркурия, а в процессе исследования создал еще одну теорию, дополняющую законы притяжения Ньютона.

Ньютон говорил, что сила притяжения распространяется по Вселенной мгновенно. Здесь Эйнштейн усмотрел в теории Ньютона слабое место. Ему нужна была теория, объясняющая явление гравитации, теория, которая могла бы объяснить ускорения, зигзагообразные круговые движения. Должны существовать некие волны, гравитационные волны, гравитация работает не сразу, требуется время для распространения. Если Солнце перестанет существовать, мы об этом узнаем только через 8 минут, сила притяжения так же распространяется со скоростью света. Эйнштейну была необходима новая модель, чтобы объяснить это явление. Он создал модель искривленного пространства, само пространство искривлялось, заставляя объекты двигаться.

Эйнштейн считал, что его идея искривленного пространства объясняет меняющуюся орбиту Меркурия, и назвал свою теорию общей теорией относительности.

Представьте перед собой батут, в который мы поместим шар для боулинга. Шар погрузится внутрь батута, вытянув его. А теперь запустите небольшой шарик вокруг батута, он станет вращаться вокруг батута. Ньютон бы, глядя на расстояние сверху вниз, сказал бы, что существует невидимое мгновенное усилие, притягивающий маленький шар к большому, но Эйнштейн бы возразил: нет никакой силы, нет притяжения, есть только батут. А почему маленький шар вращается вокруг большого? Потому что батут толкает маленький шар. Человек сидит на стуле не потому, что сила гравитации притягивает его к Земле, а потому что пространство прижимает его в ней.

Мысль о том, что само пространство искривлено массой, звучало для многих слишком необычно, чтобы просто принять ее на веру. Приближалось солнечное затмение, и ученые решили использовать этот шанс, чтобы проверить теорию Эйнштейна.

Были сделаны фотографии звезд, находящихся за Солнцем до затмения и после него. Потом эти фотографии сравнили с теми, что были сделаны во время затмения. По фотографиям стало понято, что во время затмения звезды как бы немного приблизились. Изображение искажалось, когда свет от звезд проходил через гравитационное поле Солнца. Общая теория относительности Эйнштейна была верна, его великое открытие потрясло мир.

Люди никогда не останутся равнодушными, хоть раз взглянув на уравнения Эйнштейна. Они совсем не большие, но отвечают на вечные вопросы, преследовавшие нас с того самого дня, когда человек, впервые взглянув в звездное небо, задал себе вопрос: что же все это значит?

 

Вселенная расширяется

Общая теория относительности доказало нам, что пространство обладает еще более причудливыми свойствами, чем все мы думали, все, кроме Эйнштейна. Чтобы получить более ясное представление об этой загадочной Вселенной, астрономам требовалось больше наблюдений, а для этого были нужны более мощные телескопы, как, например, тот, благодаря которому было сделано следующее великое открытие.

Когда в 1830 году Гершель закончил исследование неба, у ученых собрался материал о тысячах прекрасных, но неясных и смутных объектах. Позже их назвали белыми туманностями. В то время еще никто не знал, принадлежат ли они к нашей галактике или являются отдаленными островками Вселенной, как Млечный путь.

В 1924 году астроном Эдвин Хаббл с помощью 2,5-метрового телескопа из Маунт-Вилсонской обсерватории штата Калифорния изучал звезды в нескольких таких туманностях. С помощью этого телескопа Хаббл установил, что галактики удалены от нас на многие тысячи и даже миллионы световых лет. На этом удалении находились такие же плотные, полные звезд галактики, как и наш Млечный путь. Именно поэтому сегодня мы называем белые туманности галактиками. Чем больше Хаббл изучал эти галактики, тем больше это его увлекало.

В то время ученые уже знали, что луч света от звезды может иметь различный световой спектр, он изменяется в зависимости от характера движения звезды. Смещение к синему краю спектра означало, что звезда приближается к Земле, смещение в сторону красного края – звезда удаляется. Величина смещения также говорило о скорости движения. Хаббл обнаружил, что когда он измерял удаление галактики, ее спектр почти всегда смещался в сторону красного края.

Он также заметил кое-что еще: чем дальше было удаление, тем больше была величина смещения к красному краю, иными словами Вселенная расширяется.

Это стало удивительным открытием с очень глубокими выводами. Восстановив обратную картину, ученые пришли к выводу, что, по-видимому, рождение Вселенной походило на катастрофу. Один из астрономов назвал происходившее Большим взрывом.

 

Млечный путь излучает радиоволны

Всего лишь три года спустя после того, как Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется, было сделано новое великое открытие: был обнаружен загадочный объект, скрытый за космической пылью в центре Млечного пути. В результате появился новый раздел в астрономии, изучающий волны, невидимые человеческому глазу.

В 1930 году Карлу Янскому было 25 лет в Белл Лабораториз в городе Хоумдейл, штат Нью-Джерси. Янский исследовал помехи, возникающие на 15-метровой частоте, в то время использовавшейся для трансатлантической радиосвязи и связи между судами и берегом.

Янский провел год, собирая информацию, и пришел к выводу, что на этой частоте присутствуют три типа помех: первый тип, несомненно, возникал в ионосфере Земли, второй был следствием гроз, а третий сигнал имел загадочное постоянное свойство.

Сначала казалось, что третий сигнал исходит от Солнца. Каждое утро вместе с восходом Солнца он нарастал. С течением дня он следовал за Солнцем по земному шару и исчезал с его заходом.

Однако, со временем Янский заметил, что сигнал плавно смещается с пути следования Солнца, как будто источник находился за пределами Солнечной системы.

Наконец, Янский определил его местонахождение как район созвездия Стрельца. Он считал, что обнаружил неизвестный межзвездный объект в центре галактики, и был прав. Впоследствии астрономы подтвердили, что Янский обнаружил сверхтяжелую черную дыру, по массе превосходящую Солнце в три миллиона раз!

Может быть, даже больше значение, чем его открытие, имело то, что он впервые использовал радиоастрономию для исследования Вселенной, это стало поворотным пунктом в развитии науки. Янский доказал, что небо не просто источает мягкий свет миллионов звезд, на расстоянии многих световых лет в нем сокрыты неизвестные объекты, излучающие больше энергии, чем целые галактики, среди нихквазары и пульсары — бешено вращающиеся мертвые звезды с такой большой массой, что чайная ложка на их поверхности будет весить миллионы тонн.

Необходимо построить новые телескопы, способные принимать информацию с неба на множестве разных частот, прежде, чем астрономы смогут заглянуть в тайну рождения и смерти звезд. Но даже пока это не произошло, радиоастрономия сделала еще одно великое открытие, предсказанное ранее, но неожиданное для первооткрывателей, каким был Янский. И снова оно было сделано в Белл Лабораториз, Хоумдейл, штат Нью-Джерси.

 

Сверхвысокочастотное фоновое излучение

В 1964 году на балансе Белл Лабораториз оказалась 5-метровая незадействованная сверхвысокочастотная антенна. Вместо того, чтобы уничтожить ее, лаборатория позволила ученых использовать ее для проведения исследований.

Два физика – 31-летний Арно Пензиас и 28-летний Роберт Вильсон – решили использовать антенну для измерения температуры газового ореола вокруг Млечного пути. Далее было сделано одно из величайших открытий в современной астрономии.

Они только что пришли работать в лабораторию и решили измерить уровень излучения Млечного пути, измеряя его температуру. Эта антенна как раз подходила для этой задачи, потому что они могли отфильтровать собственное излучение Земли и получать в остатке то, что приходило с неба. Два градуса погрешности за счет атмосферы Земли, но когда они впервые включили антенну, то уровень был в два раза выше, чем семь градусов. Что-то за Земле влияло на результат.

В то время, когда Пензиас и Вильсон обнаружили радиопомехи, существовало две теории происхождения Вселенной: теория Большого взрыва, подтверждаемая теорией Хаббла о расширении Вселенной, и теория устойчивого состояния – Вселенная находилась без времени, без начала и конца, вечно расширяясь.

Когда один их друг узнал, что они обнаружили, он посоветовал им связаться с астрономами из Пристонского университета, которые были сторонниками теории Большого взрыва. Они считали, что Большой взрыв должен был оставить после себя слабое тепловое послесвечение – следы тепла после самого взрыва, которые можно обнаружить по всему небу. Они собрались провести исследование в надежде измерить это послесвечение.

Пензиас и Вильсон пригласили их к себе и дали им взглянуть на результаты. Они немедленно согласились, что Пензиас и Вильсон измерили как раз это послесвечение.

Это открытие означает, что мы живем во Вселенной, произошедшей от Большого взрыва, и наблюдаем излучение, распространяющееся уже более трехсот тысяч лет после Большого взрыва. В большинстве случаев требуется, чтобы сменилось целое поколение прежде, чем люди примут какое-то кардинальное изменение в науке, но в данном случае мир готов к такому изменению. Людей всегда интересовало, каким образом они появились на Земле, в каждой цивилизации существуют религиозные версии происхождения бытия. Пензиас и Вильсон считают, что у них есть точный ответ – мы произошли из Большой взрыва.

 

Вспышки гамма-излучения

Приход космической эры возвестил о начале «золотого века» в астрономии, который продолжается и по сей день. Парадоксально, что «золотой век» начался не в самом космосе, а вместе с поворотным пунктом в «холодной» войне, которая также оказала влияние на следующее великое открытие.

В 60-х годах прошлого века Советский Союз отказался допустить инспекторов на свои ядерные объекты. В результате Соединенные Штаты Америки решили наблюдать за Советским Союзом с помощью орбитальной спутниковой системы, которая могла регистрировать вспышки гамма-излучения, возникающие при атомных взрывах.

Так как детекторы спутников регистрировали излучение как исходящее с поверхности Земли, так и из космоса, ученые решили использовать их заодно и для того, чтобы определить, появляется ли гамма-излучение при вспышке сверхновых звезд.

В период между 1969 и 1972 годами было зафиксировано 16 коротких вспышек гамма-излучения по всему небу. Была только одна проблема: ни одна из вспышек не совпадала с известными взрывами сверхновых звезд.

Дальше – больше. За последующие два десятилетия астрономы фиксировали в среднем одну вспышку гамма-излучения в день, однако, все вспышки длились очень короткий промежуток времени и сходили на нет до того, как астрономы успевали нацелить на них телескоп.

Наконец, в дело вступил телескоп БеппоСАКС – специально разработанный для обнаружения коротких вспышек гамма и рентгеновского излучения, а также точного определения их источника.

14 декабря 1997 года БеппоСАКС зафиксировал вспышку гамма-излучения и впервые сделал фотографию этой вспышки. К своему большому удивлению, ученые обнаружили, что вспышка произошла в галактике, находящейся в 12 миллиардах световых лет от нас. Это была одна из крупнейших вспышек во Вселенной.

С тех пор были сделаны фотографии десятков других вспышек гамма-излучения, все они были такими же мощными и удаленными от нас. Что же это значит?

Открытие вспышек гамма-излучения еще раз показало, что за пределами земной атмосферы находятся не только непонятные объекты, с трудом поддающиеся исследованию, например, черные дыры, пульсары, квазары, но и те, что могут стать смертельно опасными для человечества. Вспышки гамма-излучения считаются сейчас возможной причиной вымирания живых видов, произошедшего на Земле давным-давно.

Однажды ученый сэр Артур Эддингтон заметил, что Вселенная не просто более загадочная, чем мы представляли ее себе, она более загадочная, чем мы можем это представить. Это высказывание можно отнести и к вспышкам гамма-излучения, и к теории расширяющейся Вселенной и к общей теории относительности.

 

Планеты вокруг других звезд

Когда-то астрономы и подумать не могли о том, чтобы обнаружить другие солнечные системы с такими же планетами, как наша. Однако, сегодня ученые обладают такой возможностью благодаря мощным телескопам в космосе и на Земле, как например в Ликской обсерватории, город Маунт-Гамильтон, штат Калифорния.

Как здесь ищут планеты вокруг звезд? Ученые смотрят, колеблется ли звезда в ответ на воздействие гравитационного поля планет. По определению планеты не производят энергию, они светят отраженным светом, однако, яркость планет является одной миллиардной яркости их звезды, планеты невозможно увидеть даже с помощью телескопа Хаббл.

Для этого нужно применить хитрость – эффект Доплера. Ученые измеряют колебания яркости звезды, исследуя изменение спектра волн, исходящих от нее.

Поиск внеземных планетных систем набрал обороты в начале 90-х годов, после того, как польский астроном сделал неожиданное открытие. Алекс Волчин сделал потрясающее открытие, обнаружив три планеты, вращающиеся вокруг пульсара. Способ, которым он обнаружил их, весьма примечателен: он исследовал пульсации, исходящие от пульсара, и выяснил, что характер пульсаций меняется по мере того, как пульсар приближается или отдаляется от нас. Эти звезды излучают ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма лучи, они причудливые продукты взрыва сверхновой звезды. И несмотря на этого, вокруг звезды существует и вращается планета размером с Землю. Значит, и у других звезд есть планеты.

После открытия Волчина астрономам удалось обнаружить более 130 планет за пределами Солнечной системы. Для поиска ученые стараются выбирать звезды, более-менее похожие на наше Солнце. Что требуется от планеты типа Земля, чтобы она стала обитаемой? Правильная температура: не слишком низкая, иначе вся вода превратится в лед, и не слишком высокая, чтобы не позволить воде испариться. Планета должна находиться на нужном удалении от своей звезды, чтобы вода сохранилась в жидком состоянии многие миллиарды лет, и эволюция, о которой писал Дарвин, могла сделать свое дело.

 

Вселенная ускоряется

После того, как произошел Большой взрыв, вселенная начала расширяться. Согласно логике, гравитационное притяжение должно было стягивать расширяющийся металл и в конце концов привести к замедлению этого расширения. Однако, как сильно замедляется расширение Вселенной?

В 90-х годах благодаря телескопу «Хаббл» команды ученых смогли ответить на этот вопрос путем изучения измерения яркости светового излучения особого типа у взорвавшейся звезды, называемой сверхновая типа 1а.

Когда ученые впервые увидели результаты, они удивились: было ощущение, что Вселенная вовсе не замедляется. После проведенных проверок расчетов они пришли к выводу, что Вселенная ускоряется. Ускорение Вселенной не вписывается ни в какие правила. Ученые довольно хорошо понимают, что из себя представляют все силы Вселенной, все объекты, но в первые получены результаты, которые они не могли объяснить.

Почему же Вселенная ускоряется? Этот вопрос мучает всех астрономов. Одно из возможных решений выглядит так: предположим, существует энергия какого-то непонятного типа, которая заполняет все пространство. Эта энергия может ускорять расширение Вселенной, в то время, как сила гравитации стремится замедлить его. Ее называют темной энергией, потому что не знают ее природу.

В то время, когда Вселенная была по-настоящему плотной, сила гравитации играла куда более важную роль, замедляя расширение. Расширение шло все медленнее и медленнее, но тем не менее шло. И настал момент, когда сила притяжения оказалась слабее темной энергии, которая начала ускорять расширение.

Также, как и астрономы древности, современные ученые обнаружили в космосе что-то, что пока не могут объяснить. Черед за теоретиками и наблюдателями – они должны объяснить, что происходит в нашей расширяющейся Вселенной. Для этого им нужны свежие мысли и новые инструменты. Будет ли этот вопрос разрешен в скором будущем или нет – в одном мы можем быть абсолютно уверены: мы все также будем смотреть на небо, пытаясь понять наше место в этом мире.

Еще из этой рубрики:

Загрузка...
Новости Абакана и Хакасии



Метки текущей записи:
 
Статья прочитана 99 раз(a).
 
Еще из этой рубрики:
События Хакасии
На нашем сайте можно узнать последния новости в Хакасии и Абакане сегодня: криминал, происшествия, видео новости 2015. Все новости республики Хакасия. онлайн у нас на сайте 19 инфо
Архивы
Наша статистика
Яндекс.Метрика
Читать нас
Связаться с нами
88, за 0,225