Топ-5 прорывных космических достижений XXI века30.12.2021 11:48

Астрофизик кандидат физико-математических наук спикер курса Skillbox »‎Астрономия и космос»Антон Бирюков рассказывает про ключевые достижения нашего времени в истории освоения космоса.

Многие люди ошибочно полагают, что все наши знания о Вселенной были добыты только в XX веке. Но начинать разговор о космосе стоит с астрономии — науки о Вселенной, существующей уже несколько тысяч лет. Еще в III веке до нашей эры греческий ученый Эратосфен Киренский совершил открытие поистине космических масштабов: он измерил радиус Земли.

Однако стремительное освоение космоса в XX веке изменило мир до неузнаваемости и помогло разработать множество технологий, связанных с электроникой и программным обеспечением. Например, рентгеновские сканеры в аэропортах, метод получения изображения в компьютерной томографии, wi-fi-связь, технология беспроводных устройств. Даже знакомую всем застежку-липучку придумали для удобства полетов в невесомости.

Если говорить именно о космонавтике, то ее первое достижение — пересечение линии Кармана во время Второй мировой войны, в июне 1944 года. Это условная граница между атмосферой Земли и космосом, которая находится на высоте в 100 км над уровнем моря. Плотность воздуха там настолько низкая, что летательному аппарату для движения нужно набрать скорость, превышающую первую космическую (7,91 км/с). Итак, ракета «Фау-2» достигла высоты в 180 км над уровнем моря и упала на Землю, не выходя на околоземную орбиту, то есть не став искусственным спутником нашей планеты. С этого первого полета началось развитие космонавтики. Уже через 13 лет, 4 октября 1957 года, на орбиту вышел первый искусственный спутник Земли, который положил начало долгой гонке за освоение космоса.

Первый искусственный спутник Земли «Спутник-1»

Выход за атмосферу Земли дал нам возможность наблюдать Вселенную не только в видимом свете, но и в других электромагнитных диапазонах. Благодаря этому мы сформировали современное представление об устройстве Вселенной. В первую очередь речь идет о рентгеновском и гамма-диапазоне. Это высокоэнергетичные кванты, которые не проходят через атмосферу. 

За последние 20 лет астрофизики и космологи совершили ряд открытий, которые в корне изменили наше представление о Вселенной. 

Если говорить про главные достижения нашего века, то первым в голову приходит открытие ускоренного расширения Вселенной. Формально это событие произошло в 1998 году. Именно тогда появилась первая публикация с анализом наблюдений сверхновых типа Ia в далеких галактиках. Это особенный тип сверхновых, которые связаны с термоядерными взрывами белых карликов. Мы можем достаточно точно вычислить светимость таких звезд, а значит, и расстояние до них. Наблюдения показали, что чем больше расстояние до галактики, тем быстрее она удаляется от нас. Это и есть эффект ускоренного расширения Вселенной. Полноправной частью астрофизической картины мира это открытие стало уже в XXI веке.

Эффект ускоренного расширения Вселенной

Современное объяснение этого эффекта заключается в том, что Вселенная на 70% состоит из необычной «темной энергии», которая заставляет наш мир расширяться все быстрее и быстрее. Этой субстанции гораздо больше, чем привычной материи, из которой состоят окружающие вещи или мы сами. А её главное экзотическое свойство — обладание «отрицательным давлением», в итоге и приводящим к ускоренному разбеганию галактик. Можно сказать, что темная энергия заставляет Вселенную расширяться, как воздух заставляет расширяться воздушный шар.

Лучше понять феномен темной энергии помогли детальные и высокоточные наблюдения так называемого космического микроволнового фона. Такие наблюдения проводились последние 20 лет и стали возможны благодаря космическим телескопам WMAP и «Планк». 

Что такое космический микроволновый фон? Это излучение возрастом более 13 млрд лет: оно сохранилось во Вселенной с ранних этапов ее эволюции. В нем зашифрована информация о том, как появился мир и почему сейчас он именно такой.

Итак, вторым важным достижением нашего века стало изучение свойств этого микроволнового фона с очень высокой детализацией. Оно подтвердило теорию Большого взрыва, описывающую хронологию развития Вселенной. В частности, эти наблюдения позволяют сказать, что с большой долей вероятности расширение Вселенной будет длиться вечно. 

Третье достижение последних десятилетий, связанное с возможностью обнаружения внеземной жизни, — открытие экзопланет. Это планеты, которые находятся вне Солнечной системы. Часть из них, как ожидается, обладает условиями, позволяющими предположить наличие живых организмов на их поверхности. Экзопланеты находятся в так называемой зоне обитаемости своих звезд: не слишком близко к ним и не слишком далеко. Это дает основания полагать, что на их поверхности может существовать жидкая вода и достаточно плотная атмосфера. Определяющий вклад в изучение экзопланет внесли космические телескопы: ранее «Кеплер», а сейчас пришедший ему на замену TESS.

Открытие экзопланет позволило нам понять, что у большой доли звезд, похожих на Солнце, есть планеты, напоминающие Землю. Это меняет видение Вселенной: потенциально она стала для нас гораздо более обитаемой. 

Еще одно важное открытие XXI века, в котором Вселенная вновь подтвердила свой статус большой космической лаборатории, — гравитационные волны. Условия земных лабораторий не позволяли доказать их существование. Поэтому догадки о существовании волн следовали из свойственного физикам XX и XXI века понимания пространства-времени, которое предлагает общая теория относительности. Прямое экспериментальное доказательство существования гравитационных волн, совершенное обсерваториями LIGO и VIRGO, еще раз подтвердило эту теорию.

Гравитационные волны

Более того, это открытие — новый канал для изучения Вселенной. Он позволяет получить информацию от далеких объектов, например от черных дыр — самых опасных объектов во Вселенной. 

Еще одно важное достижение — первая мягкая посадка на ядро кометы. Это случилось в 2014 году с кометой Чурюмова — Герасименко. На нее приземлился модуль «Филы» межпланетной станции «Розетта».

Модуль «Фила»

Во-вторых, спускаемый модуль собрал данные о свойствах льда, из которого состоит комета. Оказалось, что изотопный состав воды на этом небесном теле отличается от состава воды на Земле. Это идет вразрез с устоявшимся представлением о том, что вода на нашу планету была занесена именно кометами. Кроме того, в химическом составе кометного вещества были обнаружены сложные органические вещества — ксенон и сахар. Это, в свою очередь, может быть подтверждением того, что кометы могли занести на Землю другие вещества, необходимые для зарождения жизни.

Пожалуй, главная задача, которая стоит сейчас в изучении космоса, — углубить знания об экзотических объектах вроде черных дыр и нейтронных звезд. Другая приоритетная задача — узнать больше о природе и свойствах темной энергии и темной материи. Пока что про эти субстанции, которые составляют большую часть Вселенной, мы знаем очень мало. Тем не менее постоянное развитие технологий позволяет надеяться, что в будущем их природа будет расшифрована. 

Все большую роль в астрофизике начинают играть машинное обучение и обработка больших данных. Они позволяют существенно ускорить анализ данных, которые мы получаем с космических телескопов. Разработка алгоритмов обработки данных становится значимой областью науки о Вселенной.

Изучение и освоение космоса — способ узнать и про нас самих. Ведь открытия астрофизиков позволяют объяснить суть привычных вещей. Кроме того, космические технологии часто становятся массовыми и улучшают нашу повседневность. 

Получается, что наука о Вселенной гораздо ближе к нам, чем может показаться.

Материал подготовлен Skillbox