Puzzle

Быстрее скорости света

Отправляя космические корабли к звёздным берегам, фантасты, как правило, описывают двигатели на антивеществе или путешествие в гиперпространстве, через кротовые норы. Увы, все это пока из разряда несбыточных мечтаний. Но если не сосредотачиваться на получении результата в обозримом будущем, можно представить и еще один способ. Использовать в качестве локомотива очень быстрые объекты космоса. Так можно выскочить и за пределы своей галактики.

Млечный путь, который с Земли представляется светящейся полоской на звездном небе, на самом деле – диск галактики, повернутый к нам ребром. Окружает этот диск звездное гало – не видимая сфера, которая простирается на сотни тысяч световых лет и состоит из разреженного горячего газа, звезд и темной материи. На долю последней приходится основная масса галактики. Звезд в этой сферической подсистеме примерно столько же, сколько и в диске галактики. При этом, именно в гало можно обнаружить и самые старые звездные системы, и первые кирпичики, из которых сформировалась галактика. В процессе эволюции сформировались диск и балдж в центр галактики, вобравшие в себя, обогащенные тяжелыми элементами, вещества. К плотности диска довольно быстро осели и газовые облака. Они взаимодействуют, сталкиваясь и теряя кинетическую энергию. Скорость, с которой эти звезды гало обращаются вокруг центра галактики, огромная. Опуская с высоты над галактическим диском, они разгоняются гравитационным полем галактики до 300 километров в секунду. Для сравнения, скорость солнца примерно 220-250 километров в секунду, а вот относительно друг-друга, близкие звезды обычно движутся на скорости 10-30 километров в секунду. Измеряя скорости звезд, можно определить их принадлежность к диску или гало.

И так, в галактике имеется отличный локомотив, который, правда, нереально свернуть с пути. Если представить, что космический аппарат сможет долететь до ближайшей звезды гало, и станет ее спутником, то можно будет выключить двигатели и вместе со светилом подняться высоко над плоскостью млечного пути. Правда, со скоростью 300 километров в секунду за тысячу лет мы пролетим всего один световой год, и из галактики мы все равно не улетим. Гравитация понемногу снизит нашу скорости и притянет обратно к диску. Есть ли другие варианты?

Убегающие звезды. Скорость таких звезд, относительно ближних объектов, может превышать 100 километров в секунду. Чтобы так разогнаться нужны серьезные причины. Например, гравитационное взаимодействие с другими объектами. Массивные звезды часто рождаются тесными скоплениями, и одна из них может совершить гравитационный маневр, получив высокую скорость. А вот, если звезды родились парой – они будут кружить вокруг общего центра масс, пока одна из них не взорвется, как сверхновая. При этом, она станет куда менее массивной и подружка улетит в сторону со своей орбитальной скоростью, которая может составлять в сотни километров в секунду. Получается ослепительный миг. Звезда взмывает высоко над диском, пережигает запасы термоядерного топлива, у массивных звезд срок жизни не велик, и взрывается сверхновой, становясь нейтронной звездой или черный дырой. Изучая пульсары, учёные долгое время не могли понять, как же это некоторые из них забираются так высоко. Разгадка оказалось сравнительно простой: не пульсары взмывают, а звезды-предшественницы.

Гиперскоростные звезды. Чтобы развить скорость, звезда должна получить импульс. Причем, чем массивнее объект, с которым она взаимодействует, тем легче разогнаться. Самый массивный объект в нашей галактике – черная дыра в ее центре. Несколько миллионов солнечных масс. Если пара звезд окажется рядом с ней, из-за гравитационного взаимодействия и обмена импульсом, связь между ними разорвется и одна из них полетит с огромной скоростью, преодолевая тысячи километров в секунду. Этого достаточно, чтобы улететь из галактики. Одна из таких гиперскоростных звезд – HE 0437-5439 – летит в сторону большого Магелланова облака. Если бы мы решили отправить туда колонистов, можно было бы поселить их на планете такой звезды. Построили города и вперед, в соседнюю галактику, прямо вместе с новой Землей, под новым Солнцем. Лететь, правда, долго, десятки, а то и сотни миллионов лет, но и корабль поколений получится огромным и способным к саморазвитию. На место прилетит уже совсем другая цивилизация, и никакого анабиоза. За один из многочисленных недостатков этого плана заключается в том, что центр галактики от нас очень далек, а вероятность того, что гиперскоростная звезда полетит прямо к нам, не велика. А вот убегающие звезды неподалеку от нас есть. Конечно, неподалеку с астрономической точки зрения.

Нейтронные звезды. Упомянутые выше нейтронные звезды, кстати, куда быстрее убегающих. После взрыва сверхновой, образуется шар диаметром около 20 километров с удивительными свойствами. Вещество в его недрах отличаются сверхтекучестью и сверхпроводимостью. Плотность звезды больше, чем у атомного ядра. Масса больше солнечной. Дополняют эту картину гравитации и магнитное поле, тоже сверхсильные. Вспышка сверхновой превосходит энергию, которую Солнце излучит за всю жизнь, а это около 10 миллиардов лет. Вряд ли этот чудовищный взрыв случится в самом центре звезды, а если симметрия нарушена, образовавшийся объект получит сильнейший импульс, толчок, по-английски это называется KIK – пинок. Тяжелый компактный шар можно разогнать до сотен, а то и тысяч километров в секунду. Первым этот механизм разгона нейтронной звезды рассмотрел в 1970 году советский астроном Иосиф Шкловский. Позже появились другие возможные сценарии. Один из них предложил в 1984 году Николай Чугай: основную долю энергии взрыва сверхновой уносят нейтрино – многочисленные легкие частицы, которые трудно уловить. Нейтрино могут излучаться в виде двух струй, а они не обязательно симметричные. Если один из реактивных двигателей мощнее другого, звезда может разогнаться до скорости более тысячи километров в секунду. К примеру, не так давно Джон Томсик с соавторами заявили, что обнаружили своеобразного чемпиона – нейтронную звезду, чья скорость похоже близка к 3000 километров в секунду. Команда Томсики и другие ученые пока проверяют и уточняют эти данные. Скорость другой нейтронной звезды – пульсара, который находится на расстоянии в 6500 световых лет от Земли, измерили Аида Кириченко из ФТИ имени Иоффе в Санкт-Петербурге и ее коллеги. Цифры впечатляющие, объект пролетает около 2000 километров в секунду. Фантастом остается написать об этом в межгалактическом локомотиве.

Гравитационный серфинг. Еще один вариант набрать скорость в сотни и даже тысячи километров в секунду – использование гравитационных волн. Пара массивных звезд, до поры до времени, кружит вокруг общего центра масс, а потом они поочередно взрываются, как сверхновые, порождая черные дыры. Иногда система из двух объектов умудряется выжить после всех этих катаклизмов не распадаясь. Такое может случиться, если при вспышке сбрасывалась меньше половинной массой системы, или новая черная дыра получила пинок против орбитальной скорости. Постепенно дыры сближаются и в конце концов должны слиться. Именно для поиска таких событий, точнее всплесков гравитационных волн, полтора десятилетия назад построенный американский детектор LIGO и франко-итальянский VIRGO. Астрономы надеются, что с помощью этих приборов, года через три-четыре, к 100-летию теории относительности, будет окончательно доказано существование черных дыр и обнаружены их слияния. Какое отношение это имеет к быстрым объектам? Все просто: черные дыры в паре имеют разную массу, значит процесс испускания гравитационных волн и слияния будут несимметричными. Гравитационные волны уносят энергию и импульс, а если импульс ушел в одну сторону, то слипшаяся черная дыра полетит в другую. Этот механизм стал понятен в 60-х годах прошлого века, а астрофизики начали о нём писать лет через тридцать, говоря об образовании галактик.

Считается, что вначале во вселенной возникли звезды, состоявшие из первичного вещества. Состоявшие из водорода и гелия, без более тяжелых элементов, они могли быть очень массивными. В сотни раз тяжелее Солнца. Срок их существования был недолог, и затем звезды превращались в черные дыры. Потом образовались новые звезды и одновременно небольшие строительные блоки объединялись друг с другом, порождая в итоге галактики. Когда такие блоки объединяются, черные дыры образуют пары и постепенно сливаются. Если в результате получится медленная черная дыра, она остается в центре формирующейся структуры, и возможно станет сверхмассивной. А вот быстрая черная дыра вылетит в гало или в межгалактическое пространство. Галактики взаимодействуют друг с другом и иногда сливаются. Астрономы нередко моделируют этот процесс, который занимает миллиарды лет. В начале, пара галактик двигается довольно быстро, относительно друг друга. Из-за приливного взаимодействия они обзаводятся красивыми хвостами, потом сливаются воедино. Есть потрясающие фотографии этого процесса. Практически все крупные галактики имеют сверхмассивную черную дыру в центре. Значит в результате тесных объятий, получится пара черных дыр, которые в итоге сольются в одну. Получит скорость до нескольких сотен километров в секунду, что приведет к колебаниям черной дыры в центре галактики, даже если покинуть ее объекту не удастся. К сожалению, проект космического гравитационноволнового телескопа Лайза, был заморожен из-за кризиса, иначе мы бы узнали о таких процессах намного больше.

Итак, еще раз рассмотрим наш парк локомотивов. В диске галактики звезды вращаются вокруг ее центра со скоростью, которая может превосходить 200 километров в секунду. Но относительно друг друга они движутся медленно, со скоростями 20-30 километров в секунду. На расстоянии от центра почти не меняют, над диском не поднимаются. Убегающие звезды, чья скорость на сотни километров в секунду выше, вполне могут и взлететь над диском, и улететь в сторону, но ненадолго и недалеко. Несущиеся со скоростью километров 300 в секунду, звезды гало поднимаются на многие тысячи световых лет над плоскостью млечного пути, но потом летят обратно из-за гравитации. Гиперскоростные звезды могут покинуть галактику, ведь их начальной скорости порядка 700 километров в секунду достаточно для этого. Эти путешественники могут улететь и к другим звездным системам, правда, за миллионы лет. Зато, у теоретических пассажиров не будет проблем с теплом и энергией, все подарит звезда. Рекордсмены, среди известных галактических объектов – нейтронные звезды, которые после вспышки сверхновой, получают толчок и разгоняются до тысячи километров в секунду. А гигантские черные дыры с массами в миллионы и миллиарды солнечных, теоретически, вполне могут носиться по просторам с огромными скоростями. Конечно, в реальности прицелиться к такому объекту ради межгалактического путешествия, пока невозможно. Но изучение сверхскоростных объектов требуется для решения иных задач. Они свидетельствуют о процессах, происходящих в нашей вселенной. Звезды гало – свидетели зарождения мира. Скоростные нейтронные звезды рассказывают астрономам о взрывах сверхновых, a движущееся черные дыры о слиянии галактик. Так что, сверхбыстрые объекты тянут за собой развитие науки. А там, глядишь, и до кораблей дело дойдет.

Темнота привлекает

Я уверен, выражение темная материя знакомо каждому. Однако, мало кто на самом деле понимает, что именно скрывается под этим названием. И этой я сейчас не только о простых смертных. Сами ученые понятия не имеют, что такое тёмная материя. На сегодняшний день в США и Европе тратятся миллионы долларов на установки, которые вроде как должны помочь нам выяснить природу этой загадочной субстанции. Но вот что действительно странно: если мы не знаем, что такое тёмная материя, то откуда мы знаем как ее искать?

Темная материя, что же это за зверь такой? Прежде чем говорить об этой таинственной штуке, надо хотя бы понять откуда мы вообще узнали, что она существует. Приведу очень простой пример: вот есть у нас спутник, Он вращается по орбите вокруг земли. Если мы возьмем и значительно увеличим его скорость, гравитация Земли больше не сможет удерживать его на орбите и эта глыба улетит в открытый космос. Если говорить о цифрах: максимальная скорость вращения вокруг составляет 11 километров в секунду. Если бы наша планета была в сто раз тяжелее, то соответственно и максимальная скорость была бы в 10 раз больше, то есть, чем тяжелее объект, тем быстрее вокруг него могут вращаться другие тела. Именно так астрономы измеряют массы далеких галактик и их скоплений, чем собственно и занимался в 1933 году ни о чем не подозревающий американский астроном австрийского происхождения Фриц Цвикке. Исследуя скорость единичных галактик в скоплениях, он обнаружил, что они в среднем движутся примерно в 100 раз быстрее, чем ожидалось. Складывалось впечатление будто кроме той массы которую мы видим, есть еще дополнительная, скрытая масса, которая составляет галактики двигаться гораздо быстрее, чем они должны были. Именно тогда Цвикки впервые и ввел термин темная материя для обозначения этой непонятной массы.

В 30-х годах наука о космосе только расправляла свои крылья, поэтому на необъяснимые явления никто не обратил должного внимания, мало ли что там может быть. Позже, в 1970 году два астронома Вера Рубин и Кент Форд более детально исследовали скорости вращения звёзд в галактике Андромеда, и их результат навсегда изменил картину современной астрофизики. Оказалось, что звёзды в галактике вращается слишком быстро чтобы их вращение можно было объяснить. То есть, в галактике Андромеда, помимо звезд, была еще какая-то масса, которую мы по какой-то мистической причине увидеть не могли. И судя по скорости вращения звезд, эта масса должна быть в несколько раз больше, чем масса всех звезд Андромеды вместе взятых. Позже оказалось, что примерно такая же картина обстоит и с другими галактиками. Их массы гораздо больше, чем массы звезд из которых они состоят. Уже тогда стало понятно, что здесь что-то не так. В течение последующих десятков лет ученые пытались выяснить, что же все-таки себя представляет эта загадочная темная материя, которую мы не видим, но при этом чувствуем ее гравитацию. Были отсеяны множество различных кандидатов на эту роль. Как один из вариантов, это мог быть какой-то загадочный газ или пыль, которые наполняют всё межзвездное пространство. Но дело в том, что эти вещества так или иначе обладают излучением. Как ни крути, если бы в галактиках было настолько много газа и пыли, мы бы смогли это увидеть как на фотографии, показывающей излучение пыли. Да и потом, газ и пыль кучкуются в основном где-нибудь в центре галактик, а как показывали наблюдения, эта загадочная темная материя простиралась на много тысяч световых лет за ее пределы, образуя некое подобие гало.

Также был вариант, что это просто очень холодные трупы умерших звезд, которые настолько маленькие и слабые, что мы их просто не видим: белые карлики, нейтронные звезды или может даже черные дыры. Но и эта гипотеза была опровергнута наблюдениями, ведь если бы эти объекты существовали в таком огромном количестве, во много раз больше чем самих звезд, то мы бы замечали их в явлениях, называющихся микролинзированием – это когда какой-нибудь космический объект перекрывает собой свет от звезды. Но за все время наблюдений таких событий оказалось слишком мало, и эта гипотеза тоже была откинута, оставив вопрос открытым. Единственный возможный вариант, который оставался – это предположить, что эта материя состоит из более экзотических частиц, нежели наши привычные протоны и нейтроны. Проблема в том, что так как мы фактически никак не видим эти частицы. Значит они не должны уметь взаимодействовать со светом, они не должны ни поглощать, не излучать его. Из известных нам частиц, таким возможным кандидатом оказались нейтрино. Действительно, эти сверхлегкие частицы повсюду. Буквально в эту самую секунду сквозь вас пролетают миллиарды нейтрино, когда-то рожденный в недрах Солнца, и вы даже не подозреваете об их существовании. Эти частицы практически ни с чем не взаимодействуют, не излучают и не поглощают свет. Казалось бы, все идеально подходит. Быть может, та скрытая темная материя – это просто огромное количество нейтрино, которых мы не видим? Но и тут не все так просто. Хоть точная масса нейтрино нам неизвестна, мы точно знаем, что она не больше чем одна десятимиллионная от массы электрона, а это примерно в 100 раз меньше той необходимой массы, которая нам нужно, чтобы объяснить такое огромное количество темной материи. И так, что же получается?

Это загадочное вещество точно не обычный газ из частиц, типа протонов и нейтронов. И на нейтрино это тоже не похоже. Что ж это такое, чёрная дыра ее побери? В рамках известной нам стандартной модели, никаких других подходящих частиц не оказалось. Единственная возможность – это искать ответы, выходя за ее рамки. Есть два основных типа экзотических кандидатов. Мы не знаем существуют ли в природе такие частицы, но оба эти типа, в случае если они существуют, могут вполне объяснить мистику темной материи. Первый тип – это так называемый WAMP, с английского – слабовзаимодействующие массивные частицы, некий класс частиц, которые возникают в так называемой теории суперсимметрии. В теории, они в десятки раз тяжелее протонов и нейтронов, и взаимодействует только посредством так называемого слабого взаимодействия. Для их обнаружения учёные используют огромные резервуары с жидким ксеноном. Если WAMP частицы существуют в виде огромного облака по всей нашей галактике, то за долгие месяцы наблюдения, хотя бы несколько из них должны взаимодействовать с ядрами ксенона в лаборатории и излучить свет, который можно будет увидеть. Однако, пока никаких прямых результатах нет, что очень сильно сужает поиск возможных параметров, например, масс этих частиц. Другой тип частиц – это аксионы, тоже гипотетические частицы, которые предсказаны теорией ядерных взаимодействий. Эти частицы, в отличие от предыдущих, крайне легкие, миллиардные доли от массы электрона, но теоретически их может быть очень-очень много. Одна из свойств этих аксиомах в том, что в очень сильных магнитных полях они могут трансформироваться в фотоны – частицы света – и обратно. Именно такой эффект помогает ученым искать эти частицы. Если взять небольшую камеру с огромным магнитным полем внутри и светить туда фотонами, то, если очень долго ждать, какие-то из фотонов могут превратиться в аксионы, что мы обязательно заметим. Опять же, пока прямых результатов эти многомиллионные эксперименты не дали. Но как это обычно бывает в науке: отсутствие результата – это тоже результат. За последние 40 лет мы поняли, что никаким межзвёздным газом и пылью, никакими из известных нам частиц мы не можем объяснить наличие этой загадочной массы во вселенной. Несмотря на это, наблюдение и эксперименты помогли нам за последние несколько лет закрыть возможность существования огромных классов различных импов и аксионоподобных частиц, значительно сузив круг поиска. Если и будущие эксперименты не дадут никаких результатов, то физика в очередной раз в своей истории встанет перед колоссальной проблемой, потому что окажется, что при всей сложности и многообразии физических частиц, мы все ещё не знаем из чего состоят 85 процентов материи нашей вселенной.

Пора заканчивать

Давайте взглянем правде в глаза: мы душим нашу собственную планету. Выбросы парниковых газов в атмосферу постоянно растут. Благодаря нашему неуёмному аппетиту климат становится всё теплее и всего через сто лет в некоторых местах станет невозможно жить из-за высокой температуры. Машин становится все больше, население земного шара растет, а вместе с ним и потребность в пище. Мы требуем слишком многого, никто не хочет сдерживать и ограничивать себя, но это наш единственный путь. Нам придется постепенно переходить на чистую энергию, если мы хотим оставить после себя хоть что-то.

Сегодня автомобиль с двигателем внутреннего сгорания есть практически у каждой семьи. В крупных городах люди каждый день стоят в пробках, а свободных мест для парковки становится все меньше и меньше. И самое удивительное, что машины простаивают без дела 95 процентов времени. Выходит, не самый дешевый и определенно вредный в производстве продукт, работает всего на пять процентов. Как решить эту проблему? Во-первых, мир активно переходит на электромобили. Совсем недавно компания Tesla обогнала по капитализации Ford – четвертого по величине автопроизводителя в мире. Люди понемногу начинают верить в электромобили. При этом, та же Tesla активно внедряет систему автопилота – управление автомобилем при помощи искусственного интеллекта. Человеку не придется держаться за руль и смотреть на дорогу. Следующим шагом будет разделение автомобилей. Если машина действительно простаивает без дела большую часть времени, зачем ее покупать, ведь можно скинуться сообща, например, группой из двадцати человек и пользоваться когда нужно. Вызвал самоуправляемый электромобиль, доехал до работы, а искусственный интеллект будет развозить других. Такой подход сделает переезды значительно дешевле и уменьшит количество машин на дорогах. И вот мы уже отказались от бензина и лишнего металлолома. Но зачем ограничиваться только транспортом. Известная всем дрель, сегодня должна быть у каждого уважающего себя мужчины. 99,9 процентов времени она лежит без дела, где-нибудь в дальнем ящике. Почему бы не поделиться этой дрелью, сдать ее в аренду и еще подзаработать на этом? Даже обычный ящик с инструментами мог бы себя окупать. В ближайшем будущем мы неизбежно придем к экономии и разделению даже в простых вещах, вроде мелких бытовых приборов. В этом есть смысл – развитие интернета-вещей, миниатюризация датчиков и большие данные неизбежно приведут нас к этому.

Огромный вклад в уничтожение климата нашей планеты вносит сжигание ископаемого топлива, то есть угля. С его помощью производят электричество – это дешево, привычно и очень вредно для окружающей среды. Какие альтернативы? Для примера возьмем Исландию. Это крошечная, северная страна производит 85 процентов энергии чистым, безуглеродным способом. Правда ей немного повезло, поскольку 65 процентов этой энергии поступает из геотермальных источников в недрах земли. При этом, одни только исландские гидроэлектростанции производят так много энергии, что ее даже получается продавать, совмещая приятное с полезным. Да, в Исландии дорого, но кто сказал, что все должно быть дешево как в Китае. Как раз дешевый китайский импорт и оборачивается абсурдным выбросам углерода, при производстве и перевозке. Этот принцип нам тоже нужно перебороть, осталось решить вопрос с хранением энергии, чтобы ее можно было накапливать впрок. Но если мир движется в сторону электромобилей, которым нужно хранить электричество в мощных аккумуляторах, эта проблема тоже будет решена, главное двигаться в правильном направлении, искать новые, практически неисчерпаемые источники энергии. К примеру, почему бы не добывать ее прямо из космоса?

Солнце могло бы обеспечить население Земли практически бесконечными энергетическими возможностями. К 2030 году японское космическое агентство планирует построить систему спутников – сbsp. Их разместят на высоте 39 тысяч километров над экватором, то есть, на орбите Земли, чтобы собирать солнечный свет и посылать его на наземную электростанцию в виде лазерного луча. Два таких спутника смогут обеспечить энергией около миллиона домов. И вот мы сократили выбросы парниковых газов на 25 процентов. Когда человечество получит больше чистой энергии, у нас будут развязаны руки во всех отраслях. Сегодня мало кто задумывается о том, сколько метана в атмосферу выбрасывает стадо домашних животных, которых кормят на убой, чтобы обеспечить пищей растущее население. За последние 50 лет выбросы парниковых газов в сельском, лесном и рыбном хозяйстве выросло вдвое. Чтобы остановить эту разрушительную тенденцию, нам нужно питаться по-другому, с помощью вертикальных ферм и мяса из пробирки. Новое производство пищи позволит сократить еще 24 процента выбросов в атмосферу.

Правильная генетика позволит использовать меньше пестицидов и вырубать меньше лесов. Животные будут не так часто болеть и давать больше мяса на один квадратный метр. Растения будут требовать меньше удобрений. Кто сказал, что ГМО это плохо? Не верьте мифам. Вертикальные фермы, на которых растения будут плодоносить под ультрафиолетовыми лампами в закрытых условиях, должны быть в сто раз эффективнее обычных. В будущем каждый из нас будет жить в высокотехнологичном доме, в котором овощи будут выращиваться поэтапно и полностью автономно. Движение воды в таких домах будет цикличным, отходы будут утилизироваться, корпус дома будет впитывать дождевую воду, очищать ее и использовать для полива растений. Конечно, большая часть этой работы будет осуществляться искусственным интеллектом. В этом тоже есть прелесть нашего чистого будущего. Человеку придется меньше работать на черной работе. Самое главное, что нужно понять каждому из нас – это, что не нужно быть жадным и брать больше, чем тебе необходимо. Сегодня никто не хочет себя ни в чем ограничивать. Люди отчаянно этому сопротивляются, как будто у них отнимают последнее. Будет сложно, но мы обязательно справимся, ибо это единственный способ спасти нас и нашу планету.