ПопулярнеРедакціяСвіже
КращеОбговорюване

В пустоту

Этот текст также доступен на русском языке
image
Мы несемся в новую область межзвездного пространства. Что нас ждет? Credit: Джо Уилсон (Joe Wilson)

Межзвездное пространство не является абсолютной пустотой, оно бурлит активностью, которая может иметь огромные последствия для жизни на Земле. По мере того, как мы приближаемся к загадочному новому пузырю межзвездного пространства, новые идеи раскрывают его экзотическую химию, странные волны и огромные пузыри, а также их последствия.

Публикация на сайте New Scientist – 15 февраля 2023 г. (в журнале – 18 февраля 2023)
Джонатан О’Каллаган

image
Credit: Джо Уилсон (Joe Wilson)

Шутки давались Томасу Баниа легко, когда он начал изучать свойства пустого пространства за пределами нашей Солнечной системы. «Я помню выражение лица моего отца, когда я учился в аспирантуре, — говорит он. — Я сказал ему, что я эксперт по пустоте».

Большинство из нас может понять, почему отец Бани колебался в выборе специализации своего сына. Захватывающие части вселенной — это сияющие звезды, экзотические планеты, ледяные кометы. Разве межзвездное пространство не является просто безликой пустотой и находится так далеко, что его в любом случае сложно изучать?

Это не так. Все атомы в звездах и планетах Вселенной составляют лишь смехотворные 4 процента ее обычного вещества. Остальное тонко рассредоточено в промежутках между звездами, в межзвездном и межгалактическом пространстве. По этому показателю то, что мы обычно называем «пустым пространством», это не ничто, это почти все.

За последнее десятилетие или около того такие исследователи, как Баниа, показали, что межзвездное пространство глубоко завораживает. Это так называемое ничто наполнено экзотическими молекулами, пульсирующими радиоволнами и разделено на гигантские пузыри, каждый со своими свойствами. Теперь, когда мы начинаем более четко определять свое место в пустоте, мы начинаем понимать, что это разнообразие имеет огромное значение, поскольку Солнечная система движется к новой области межзвездного пространства, а это может иметь важные последствия для жизни на Земле.

Мы привыкли жить в густом супе атмосферы. В кубическом сантиметре воздуха, в объеме размером с шестигранную игральную кость, содержатся триллионы атомов. Газ, пыль, водяной пар, вирусы, пыльца и многое другое витают вокруг.

Однако сразу за пределами нашей атмосферы, в межпланетном пространстве, условия близки к идеальному вакууму. «Космос огромен, и в основном он пуст. – говорит Сет Редфилд из Уэслианского университета в Коннектикуте. – Там этот же объем содержит в среднем всего пять атомов». Эта материя в основном состоит из заряженных частиц, вылетающих из солнца в виде солнечного ветра. Мы десятилетиями знали об этом потоке материала и о том, как он создает защитную зону вокруг Солнечной системы, называемую гелиосферой. Это защищает нас от высокоэнергетических космических лучей, падающих на нас из глубокого космоса – и это тоже хорошо, потому что эти лучи могут повредить клетки и ДНК живых существ. За пределами этой зоны уровень радиации в восемь-десять раз выше. «Существовала бы жизнь вообще без нашей гелиосферы?» – спрашивает Джейми Рэнкин из Принстонского университета. Однако многое в этой важнейшей зоне долгое время оставалось загадкой, и не в последнюю очередь то, где она заканчивается и где начинается межзвездное пространство.

image
То, что мы считаем «пустым космосом» — это не ничто, это почти все. Credit: NASA/ESA/Hubble Heritage Team

Все изменилось благодаря двум космическим зондам Вояджер-1 и Вояджер-2. Оба они стартовали в 1977 году и были отправлены по разным траекториям с главной целью – исследовать внешние планеты Солнечной системы. После пролета мимо них зонды продолжили свой путь к непроглядной черноте межзвездного пространства. В 2012 году Вояджер-1 зафиксировал огромное падение силы солнечного ветра и одновременное увеличение количества входящих космических лучей. Это произошло на расстоянии 122 астрономических единиц (AU) от Солнца (одна AU – это расстояние между Землей и Солнцем, около 150 миллионов километров).

image
Инженеры готовят “Вояджер-2” к запуску в 1977 году, Credit: NASA/JPL

Это, как позже заявили ученые, была гелиопауза, край гелиосферы.

Вояджер-2 прошел более длинным маршрутом, направляясь под несколько иным углом, чем его близнец, но в 2018 году он также обнаружил гелиопаузу на таком же расстоянии от Солнца.

В гелиопаузе взаимодействие солнечного ветра и входящей межзвездной среды приводит к температурам, часто составляющим тысячи градусов Цельсия, что заставляет частицы двигаться с высокой скоростью. Но разреженность материи – едва ли один атом на кубический сантиметр в межзвездной среде – означает, что вы все равно замерзнете до смерти. Это потому, что для того, чтобы что-то нагреть, частицы должны столкнуться с этим, а при таком малом количестве частиц это займет ужасно много времени. Плотность материи здесь эквивалентна “апельсину внутри объема Земли”, – говорит Баниа. «Самый лучший лабораторный вакуум, который мы можем создать, в миллионы раз плотнее».

Однако в гелиопаузе все еще много загадок. Например, когда исследователи проанализировали данные, отправленные с Вояджера-2 в 2019 году, они обнаружили, что у него, по-видимому, был более плавный проход через более тонкий участок гелиопаузы, чем у Вояджера-1. Мы не знаем почему.

Тогда возникает более фундаментальный вопрос о форме гелиопаузы.

Наша солнечная система движется через окружающую межзвездную среду, которая давит на гелиосферу и искажает ее. По этой причине широко распространено мнение, что передний край нашей гелиосферы должен быть закругленным. Но форма его «хвоста» остается спорной. Многие предпочитают простую каплевидную форму.

Но не все. Астроном Мерав Офер из Бостонского университета в Массачусетсе и ее коллеги работали над финансируемым NASA проектом под названием Щит (Shield), используя данные наблюдений за гелиосферой для построения ее компьютерных моделей.

Эта работа привела Офер в 2021 году к выводу о том, что гелиосфера имеет форму круассана с двузубым хвостом. Офер считает, что в ближайшие годы этот вопрос может быть окончательно решен, так как планируется запустить больше зондов, предназначенных для наблюдения за гелиосферой.

Помимо выяснения того, где начинается межзвездное пространство, мы узнаем все больше и больше о том, что оно содержит. Мы знаем, что существует рассеяние атомов и пыли и что плотность этой среды может значительно варьироваться по всей нашей галактике. «Если бы межзвездное пространство было однородным и гладким, оно было бы гораздо менее интересным», – говорит Брюс Дрейн из Принстонского университета. Однако всегда считалось, что сложные молекулы не могут существовать в межзвездном пространстве, поскольку они наверняка будут разорваны на части шквалом мощных космических лучей.

Ингредиенты жизни

Но в 1970 году астрономы Роберт Уилсон и Арно Пензиас, прославившиеся случайным открытием космического микроволнового фонового излучения (космическое микроволновое фоновое излучение – послесвечение Большого взрыва), увидели признаки монооксида углерода в туманности Ориона, богатой газом области нашей галактики. Это открытие положило начало новой области науки – изучению молекул, дрейфующих в межзвездной среде. Баниа – один из тех, кто возглавил эту работу.

«Большим прорывом в моей жизни было открытие молекул в межзвездном пространстве», – говорит он. По состоянию на 2022 год было обнаружено около 256 типов молекул, в основном идентифицированных по тому, как они поглощают определенные длины проходящих радиоволн. «Мы обнаружили богатую молекулярную химию в космосе», – говорит Баниа.

Некоторые из этих молекул представляют собой сложные углеводороды. Были замечены даже простые аминокислоты, являющиеся строительными блоками белков. Это натолкнуло астрономов на мысль о том, что ингредиенты жизни могли быть доставлены на такие планеты, как Земля, через межзвездное пространство, либо в свободном полете, либо на кометах или астероидах – вопрос, который до сих пор остается без ответа.

«Это очень интересный вопрос, – говорит Александр Тиленс из Лейденского университета в

Нидерландах. – Зародилась ли жизнь где-то во Вселенной и затем распространилась? Или у нас просто везде есть условия, благоприятные для формирования жизни?».

Межзвездное пространство не пустое, как зона спокойствия. Вместо этого оно похоже на океан, полный волн. Мы узнали это, опять же, от зондов Вояджер. В 2021 году, когда Стелла Кох Оккер из Корнельского университета в Нью-Йорке и ее коллеги проанализировали данные, отправленные Вояджером из-за гелиопаузы, они с удивлением обнаружили волны радиоактивности, омывающие космический аппарат. Они были вызваны событиями, происходящими на Солнце, [излучение от которых] просачивалось через гелиопаузу и взаимодействовало с межзвездной средой. «Это действительно захватывающе», – говорит Рэнкин.

В межзвездном пространстве могут быть волны, подобные океанским, это не сплошное пространство. Вместо этого оно разделено на множество пузырей, каждый со своим собственным характером. Первоначально это было признано в 1992 году астрономом Розин Лаллеман из Парижского университета науки и литературы во Франции. Изучая движение газообразного натрия в нашем уголке галактики, она обнаружила, что Солнечная система движется сквозь облако пыли и газа размером примерно в 10 световых лет в поперечнике, теперь известное как Местное межзвездное облако (Local Interstellar Cloud). Она также поняла, что мы выходим из этого пузыря и направляемся к другому, называемому G-cloud (см. рисунок «Новый пузырь» ниже). «Это был важный момент в моей карьере», – говорит Лаллеман. В течение года обнаружение потока межзвездного газообразного гелия космическим аппаратом NASA «Улисс» подтвердило полученные результаты.

image
Новый пузырь. Солнечная система находится в одном из нескольких огромных пузырей межзвездного пространства. Мы приближаемся к новому пузырю, называемому G-облаком, и должны достичь его края примерно через 2000 лет. Credit: New Scientist

Более поздняя работа Лаллеман и других с использованием космического телескопа Хаббла помогла

определите наше местоположение более точно, измерив движение нашего Солнца относительно соседней звездной системы Альфа Центавра. Это показало, что наша Солнечная система вошла в Местное межзвездное облако около 60 000 лет назад и перейдет в G-облако примерно через 2000 лет. С космической точки зрения, мы находимся на самом краю.

Что произойдет, когда мы войдем в этот новый «пузырь»? Хорошая новость заключается в том, что G-облако имеет плотность, схожую с плотностью нашего Местного межзвездного облака, что означает незначительные изменения. Плохая новость заключается в том, что характер границы между облаками неясен. Неясно, соприкасаются ли они или между ними есть промежуточная область с другой плотностью.

Если мы столкнемся с областью более высокой плотности, это может оказать более сильное давление на нашу гелиосферу, что приведет к ее сжатию и позволит вредным космическим лучам проникнуть глубже внутрь, к скалистым планетам Солнечной системы, таким как Земля. Это было бы нежелательно. Более высокий поток космических лучей может увеличить облачность Земли и охладить наш климат, а также вызвать больше генетических мутаций в клетках, поскольку высокоэнергетические частицы попадут в наши тела. «Земля будет ощущать воздействие [космических лучей] гораздо сильнее, чем в настоящее время», – говорит Джеффри Лински из Университета Боулдера, штат Колорадо. С другой стороны, если мы попадем в регион с более низкой плотностью, гелиосфера может расшириться, увеличив объем пространства, защищенного от космических лучей, и, возможно, повысив пригодность для обитания районов на отдаленных краях Солнечной системы.

В более широком масштабе наше Местное межзвездное облако шириной 10 световых лет находится в гораздо более крупной структуре неправильной формы, называемой Местным пузырем (Local Bubble), который имеет в поперечнике 1000 световых лет.

Это гигантская оболочка расширяющегося газа, образованная более чем десятком взорвавшихся сверхновых, с плотностью примерно в десятую часть от плотности пространства за пределами Местного пузыря. По последним оценкам, наша Солнечная система попала в этот пузырь около 5 миллионов лет назад, и сейчас мы находимся примерно в его центре.

Наше место в космосе

Согласно прогнозам, еще через 8 миллионов лет мы достигнем его края. В 2022 году Кэтрин Цукер из Научного института космических телескопов в Мэриленде и ее коллеги использовали телескоп Gala Европейского космического агентства для отслеживания движения и положения звезд в наших окрестностях.

Это показало, что центр Местного пузыря относительно пуст, но края имеют гораздо более высокую плотность материала. «Мы случайно оказались в отличном положении, – говорит Цукер.

– Однако все может измениться, когда мы приблизимся к краю». Текущая работа Офер предполагает, что более высокое давление, которое мы будем испытывать, приближаясь к краю Местного пузыря, приведет к сжатию гелиопаузы, которая окажется не на той стороне орбиты Земли, что подвергнет нас воздействию гораздо большего количества космических лучей». Земля оказалась бы «в межзвездном пространстве», говорит Офер.

Достаточно хорошо известно, что Солнце станет намного горячее в течение следующего миллиарда лет.

Оно станет достаточно горячим, чтобы вскипятить океаны Земли. Но наше путешествие по межзвездному пространству может иметь свои серьезные последствия для жизни на Земле гораздо раньше. «То, где мы были в прошлом, и то, где мы окажемся в будущем, имеет решающее значение, – говорит Офер. – Я думаю, что это будет иметь прямое влияние на обитаемость».

Мы не можем узнать много о межзвездном пространстве, изучая его только изнутри нашей Солнечной системы. Поэтому сейчас ученые предлагают новые миссии, которые превзойдут работу аппаратов Вояджер и будут оснащены приборами, специально предназначенными для изучения дальнего космоса. В США предложение под названием «Межзвездный зонд» (Interstellar Probe) рассматривается NASA, и решение о том, получит ли он финансирование, должно быть принято к концу 2024 года. Эта 50-летняя миссия будет запущена в 2030 году и достигнет гелиопаузы за 15 лет, а затем пролетит, возможно, в 10 раз дальше, чем корабли Вояджер. «Вся идея заключается в том, чтобы выйти далеко за пределы гелиопаузы в нетронутую межзвездную среду», – говорит Лински, который входит в научную группу миссии.

Одной из ключевых целей будет получение снимка нашей гелиосферы – можно сказать, что это будет самое настоящее селфи – и вывод о ее форме раз и навсегда. Это будет сделано с помощью прибора, предназначенного для обнаружения атомов от нашего солнца, попадающих в межзвездную среду, что позволит определить, имеет ли она форму круассана, как ожидает Офер, или что-то другое.


Другая предлагаемая китайская миссия под названием «Межзвездный экспресс» (Interstellar Express) состоит из двух аппаратов, которые планируется запустить в конце десятилетия. Они будут оснащены аналогичными приборами, обеспечивающими виды с различных позиций за пределами Солнечной системы, что даст нам лучшее понимание формы гелиосферы. Эти миссии также смогут непосредственно изучать остатки сверхновых, которые сформировали наш Местный пузырь, и, возможно, расскажут нам, когда и где произошли некоторые из этих взрывов.

«Мы начинаем собирать это воедино», – говорит Джесси Миллер из Университета Иллинойса Урбана-Шампейн.

Межзвездная среда – это нечто гораздо большее, чем просто промежуток между звездами. Это океан, в котором плывут наше Солнце и все остальные звезды нашей галактики. Как никогда ранее, мы знаем, где мы находимся в этом океане. «Это необычно, – говорит Рэнкин. – Сейчас мы впервые начинаем смотреть на себя со стороны».

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti.space)
Оригинал: We’re hurtling into a new region of interstellar space. What now?

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

11

Це користувацький матеріал, який було написано учасником спільноти, що не входить до складу редакції чи адміністрації. Підтримуючи авторів оцінками, ви допомагаєте нашій спільноті розвиватися.

Увійдіть, щоб читати ще 9 коментарів, брати участь в обговореннях та не бачити рекламу.
Ідейний Ілон
Вечность назад

Намагався уявити, де у Землі той бік орбіти, а де не той "приведет к сжатию гелиопаузы, которая окажется не на той стороне орбиты Земли" Безрезультатно

Винятковий Пол Атрейдес
Вечность назад

А говорят что мы в пузыре 60 000 лет. :) https://i.postimg.cc/JnNxWvy0/image.jpg

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Повідомити про помилку

Текст, який буде надіслано нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зареєструйтесь на сайті щоб не бачити рекламу, створювати та відслідковувати теми, зберігати статті в особисті закладки і брати участь в обговореннях
Якщо не виходить увійти тут, спробуйте за посиланням.