Почему небо темное. Как устроена Вселенная [заметки]

1

Например, «Человек раздвоен снизу, а не сверху, — для того, что две опоры надежнее одной» (Козьма Прутков).

2

Когда впервые была осознана эта загадка, мир считался состоящим из звезд. Сейчас мы знаем, что основными «кирпичиками» Вселенной являются не звезды, а галактики. Однако для формулировки парадокса это не важно, поскольку галактики состоят из звезд.

3

Наглядным подтверждением справедливости принципа Берри является то, что принцип Арнольда по сути дублирует сформулированный в 1980 году так называемый закон эпонимии Стиглера — ни одно открытие не носит имя того ученого, который его сделал. Сам Стиглер при этом ссылается на то, что формулировка этого закона принадлежит великому социологу Роберту Мертону.

4

Кривая блеска — изменение видимой звездной величины небесного объекта со временем, а видимая звездная величина — это безразмерная характеристика освещенности (п. 1.2). Для звезд понятия звездная величина, блеск и яркость часто используются как синонимы.

5

Параллакс — изменение направления на светило при наблюдениях из разных точек (видимое изменение положения небесного светила вследствие перемещения наблюдателя). Суточный параллакс — разница в направлениях на светило из центра Земли и из точки на поверхности Земли. Другими словами, это угол, под которым со светила виден радиус Земли.

6

1 пк (парсек) — это расстояние, с которого средний радиус орбиты Земли виден под углом в 1 угловую секунду. Парсек равен 3.26 светового года или примерно 3×10¹⁸ см. В окрестности Солнца характерные расстояния между звездами близки к 1 пк.

7

Ньютон принял, что Сатурн отражает 1/4 падающего излучения, что примерно в два раза меньше реального альбедо планеты. Использование правильного альбедо несколько уменьшило бы оценку расстояния и сделало бы ее еще более реалистичной.

8

С 2006 года Церера классифицируется как «карликовая планета».

9

Эта оценка основана на идее Гельмгольца о том, что Солнце излучает за счет выделения гравитационной энергии при постепенном сжатии. Основной механизм энерговыделения в звездах, конечно, другой — это термоядерные реакции, за счет которых подобные Солнцу звезды могут светить ~10¹⁰ лет. Однако такое увеличение продолжительности жизни звезд, по сути, не меняет выводы Томсона.

10

Цефеиды — яркие звезды, систематически изменяющие свой блеск. Причиной изменения блеска цефеид являются радиальные пульсации, в ходе которых они периодически увеличивают и уменьшают свой размер. Механизм этих пульсаций отчасти сходен с подпрыгиванием крышки на кастрюле с кипящей водой — давление накапливающегося пара заставляет крышку приподняться, пар выходит, крышка опускается, давление пара снова начинает расти и т. д. У цефеид роль крышки играет внешний слой частично ионизованного гелия, а роль пара — излучение звезды: непрозрачность наружного слоя задерживает идущее из недр звезды излучение, слой нагревается, начинает расширяться, состояние ионизации увеличивается, слой становится более прозрачным, затем расширившаяся оболочка охлаждается, сжимается, непрозрачность растет, излучение снова запирается и т. д.

11

Цитируется по книге Ю. Н. Ефремова «Вглубь Вселенной».

12

Красное смещение, обычно обозначаемое буквой z, — это относительное смещение линий в спектре небесного объекта: z = (λ — λ0)/λ0, где λ — наблюдаемая длина волны линии в спектре космического объекта, а λ0 — длина волны той же линии в спектре неподвижного лабораторного источника. При интерпретации z как следствия движения источника, то есть результата эффекта Доплера, скорость движения объекта находится просто как ν = с×z (при ν << с ), где с — скорость света.

13

Как вспоминал Сендидж, Хаббл плохо реагировал на критику и, когда Джесси Гринстейн в конце 1930-х годов опубликовал заметку, в чем-то опровергавшую его результаты, Хаббл был недоволен. В конце 1940-х годов Гринстейн перебрался в Калифорнийский университет и по совместительству стал работать в обсерватории Маунт Вилсон, где с 1919 года уже работал Хаббл. Сендидж отметил, что Хаббл и Гринстейн так и не стали близкими коллегами и их отношения всегда оставались холодными.

Летом 1949 года Хабблу для работы на Маунт Вилсон понадобился студент. Он обратился с этим вопросом к Гринстейну и тот порекомендовал ему Сендиджа. Таким образом, с начала 1950 года Алан Сендидж стал сотрудником Хаббла. Свои воспоминания о том времени Сендидж закончил вопросом: «Кого бы Гринстейн послал к Хабблу, если бы они были друзьями?».

14

В 1961 году во время одной из конференций Алан Сендидж оказался рядом с Жоржем Леметром. Леметр поинтересовался у Сендиджа, может ли он представить себе кривизну пространства, его красоту и неевклидов характер. Сендидж признался, что он пытался, но это оказалось не по силам его воображению. Леметр ответил: «Жаль. Мир нельзя понять без этого. Если ваша интуиция не срабатывает, возможно, вам стоит сменить вид деятельности».

15

Приведенное выше описание красного смещения в терминах концепции расширяющегося пространства является в настоящее время наиболее популярным. Однако, как отмечают некоторые космологи, слишком буквальная трактовка расширения в виде поверхности расширяющегося резинового шарика, может приводить к ошибкам. При таком описании, например, сложно удержаться от неверного представления, что наша Галактика, Солнечная система и вообще любые объекты также должны расширятся. Как считает, например, известный английский космолог Джон Пикок, космологическое красное смещение более естественно рассматривать как совокупность бесконечно малых кинематических доплеровских смещений. Это означает, что о наблюдаемом в спектрах далеких объектов красном смещении можно все-таки говорить как об эффекте Доплера с той оговоркой, что для его расчета нельзя пользоваться известными из классической физики или специальной теории относительности формулами.

16

Основы этих идей были высказаны Гамовым в устном докладе еще в 1942 году, а первая публикация относится к 1946 году.

17

История одной из этих работ увлекательно описана А. Д. Черниным в статье «Как Гамов вычислил температуру реликтового излучения, или немного об искусстве теоретической физики» — см. Успехи физических наук, том 164, стр. 889, 1994.

18

Иногда можно встретить утверждения, что Пензиас и Вилсон были радиоинженерами. Это не совсем так. Работая в компании, Пензиас и Вилсон занимались, конечно, и техническими вопросами, но их основные интересы лежали в области астрономии. Ко времени своей работы в «Белл» оба исследователя уже защитили диссертации по радиоастрономии — работа Пензиаса была посвящена исследованию радиоизлучения галактик в скоплениях, а Вилсон занимался изучением нашей собственной Галактики. Реликтовое излучение было открыто ими в ходе тестовых астрономических наблюдений.

19

Температура рекомбинации в первом приближении определяется энергией связи атома водорода, равной 13.6 эВ (именно такая энергия требуется, чтобы ионизовать водород, «оторвать» от него электрон). Реальная рекомбинация (переход из плазменного в газообразное состояние) произошла при гораздо меньшей температуре (~0.3 эВ или ~3000 К). Основная причина — в эту эпоху плотность фотонов уменьшилась настолько, что процессы рекомбинации начали преобладать над процессами ионизации, то есть нейтральные атомы стали попросту «выживать». До этого времени образующиеся нейтральные атомы снова быстро ионизовывались.

20

Этот эффект состоит в том, что фотоны микроволнового фонового излучения рассеиваются на горячем газе скоплений, что приводит к искажению наблюдаемого спектра реликтового излучения и к локальному уменьшению температуры реликтового фона в направлении на скопления.

21

Именно такой самолет 1 мая 1960 года был сбит советской зенитной ракетой в районе Свердловска. Пилот — Фрэнсис Пауэрc — спасся на парашюте и в феврале 1962 года его обменяли на знаменитого советского разведчика Рудольфа Абеля.

22

Годы войны оставили почти незамеченными еще несколько замечательных, сильно опередивших свое время, работ. Например, в 1941 году шведский астроном Эрик Хольмберг впервые смоделировал процесс взаимодействия двух галактик, на два-три десятилетия предвосхитив некоторые результаты, полученные позднее с помощью компьютеров. В своей работе Хольмберг воспользовался тем, что освещенность, как и гравитация, уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Это позволило Хольмбергу представить каждую из двух галактик в виде круга из 37 лампочек, а неоднородности гравитационного поля, в соответствии с которыми перемещались звезды (лампочки), измерялись им с помощью фотоэлемента!

Осталась незамеченной и работа американца Карла Сейферта, описавшего в 1943 году несколько галактик с сильными эмиссионными линиями в ядрах. Сейчас такие объекты называют галактиками Сейферта и они являются представителями интенсивно изучаемого класса галактик с активными ядрами, к которому принадлежат, кстати, и знаменитые квазары.

23

Барионы — общее название тяжелых элементарных частиц с полуцелым спином, самыми известными из которых являются протоны и нейтроны.

24

Вскоре после образования группы интересы Пеннипакера стали все больше смещаться в сторону образования. Он основал знаменитый международный образовательный проект «Hands-οn Universe» и стал посвящать ему основное время.

25

Диаграмма Хаббла — зависимость видимой звездной величины объекта от красного смещения.

26

Верхний значок «m» означает звездную величину.

27

Один из первооткрывателей, Брайан Шмидт, чье высказывание было процитировано в журнале «Science» в феврале 1998 года, сказал так: «Моя собственная реакция была чем-то между изумлением и ужасом. Изумлением, потому что я просто не ожидал этого результата, а ужасом — от знания того, что в него, вероятно, не поверит большинство астрономов, которые, как и я сам, чрезвычайно скептически относятся к неожиданностям».

28

Не путать с темной материей, обсуждавшейся в п. 2.5!

29

Не могу удержаться, чтобы не привести шутливые высказывания знаменитого советского физика Я. И. Померанчука, заметившего, что вакуум не пуст, он полон глубокого физического содержания, и что вся физика — это физика вакуума.

30

Реакция нескольких коллег-физиков приведена Вайнбергом в книге «Мечты об окончательной теории». К примеру, американский космолог Джим Пиблс предположил, что в тот день, когда Вайнберг это написал, у него просто было плохое настроение.

31

В стихотворении «Странно» Игорь Северянин написал так:

Мы живем, точно в сне неразгаданном,

На одной из удобных планет…

32

Существует множество терминов для описания такого ансамбля вселенных — Мегавселенная, Метавселенная, Мультиверс (от английского Multiverse) и др.

33

Полувшутку-полувсерьез космологи иногда говорят, что история Вселенной — это просто история образования и распада скалярных полей.

34

Известный американский физик Брайан Грин предложил следующую метафору: «Если мы сравним массу частицы со степенью известности личности, то океан Хиггса будет подобен толпе папарацци: неизвестные персоны проходят через толпящихся фотографов с легкостью, но видные политики и кинозвезды проталкиваются с большим трудом». Папарацци в этом сравнении играют роль бозонов Хиггса.

35

1 Ν10 — одна звезда 10-й звездной величины на квадратный градус.