Ekologia wiedzy. Nauka i odkrycia: Wszechświat jest nieskończony i nie ma w nim żadnej liczby gwiazd. W środku mniejszego od Wszechświata lasu, w którym nie ma tyle drzew, co gwiazd, nie widać szczelin - pole widzenia zasłaniają pnie i liście. Dlaczego więc nocne niebo nie jest pełne gwiazd? Jest to paradoks Olbersa, czyli paradoks fotometryczny. Dziś znajdziemy dla niego rozwiązanie.
Wszechświat jest nieskończony i nie ma w nim żadnej liczby gwiazd. W środku mniejszego od Wszechświata lasu, w którym nie ma tyle drzew, co gwiazd, nie widać szczelin - pole widzenia zasłaniają pnie i liście.
Dlaczego więc nocne niebo nie jest pełne gwiazd? Jest to paradoks Olbersa, czyli paradoks fotometryczny. Dziś znajdziemy dla niego rozwiązanie.
Potężny teleskop może zobaczyć tak wiele gwiazd na małym kwadracie nieba. Rzecz w tym, że powinno być ich jeszcze więcej.
Nauka kontra nauka Logika
Tajemnica, dlaczego na nocnym niebie jest tak mało gwiazd, dręczyła astronomów już w dojrzałym naukowo XIX wieku. To prawda, że naukowcy widzieli przez teleskopy znacznie więcej ciał luminalnych, ale mniej niż płonie w nieskończonym Wszechświecie. Logika pod łukami uczonych czół podpowiadała, że nocne niebo powinno wyglądać podobnie do animacji obok.
Rozwiązanie paradoksu okazało się jeszcze prostsze niż sformułowanie.
Niewidzialne gwiazdy
Zacznijmy od tego, że obserwatorzy gwiazd ostatniego tysiąclecia nie mylili się aż tak bardzo. Poniższe zdjęcie zostało wykonane przez Orbitalny Teleskop Hubble'a (niezwykle fajne urządzenie). Przedstawiony jest tutaj kawałek mierzący 1/13 000 000 całej sfery niebieskiej.
Niebo według paradoksu Olbersa
Wszystkie te kolorowe gwiazdy to galaktyki niewidoczne dla oka. Aby wykonać to zdjęcie, teleskop musiał wylecieć w kosmos, zastosować ultraczułe matryce i utrzymać kadr przez ponad 11 dni! Takie technologie pojawiły się dopiero pod koniec ubiegłego wieku.
Ultragłębokie Pole Hubble'a
Gdyby człowiek mógł zobaczyć wszystko, co może orbitujący teleskop, nocne niebo byłoby tak jasne, jak środek ramienia naszej Drogi Mlecznej! Jednakże nadal istnieją czarne luki, którym paradoks Olbersa zaprzecza. Odpowiedź na te puste przestrzenie leży w tym samym powodzie, dla którego galaktyki są ukryte przed gołym okiem.
Wszechświat rozszerza się zbyt szybko
Rozmawialiśmy już wspólnie o tym, jak i dlaczego świat wokół nas się kurczy. Krótko mówiąc, światło z odległych galaktyk pokonuje do nas większą odległość niż wtedy, gdy opuszczało dom. Tworzy to efekt przesunięcia ku czerwieni - maleje częstotliwość i energia promieni od odległych gwiazd.
Co z tego wynika? Są takie odległe gwiazdy, których promienie znikną, zanim jeszcze dotrą do Ziemi. Dlatego w czarnych otchłani kosmosu jest światło - po prostu nigdy go nie widzimy.
Przesunięcie ku czerwieni
Nawiasem mówiąc, głównym źródłem paradoksu fotometrycznego jest odległość. Więcej na ten temat poniżej.
Dotarcie światła do Ziemi wymaga czasu. Od Słońca do nas pokonuje 149 600 000 kilometrów w 8,3 minuty, a 81360544648396 km od gwiazdy Syriusz w 8,6 roku. Im większa odległość, tym dłużej przebywa światło, tutaj wszystko jest jasne.
Nasz Wszechświat ma około 13,8 miliardów lat. Ale wymiary przestrzeni są nieskończone! Najpotężniejsze teleskopy były w stanie wykryć światło z odległości 12-13 miliardów lat. Oznacza to, że szczelina galaktyk pozostaje niewidoczna – są one tak daleko, że promieniowanie fizycznie nie miało czasu dotrzeć nawet w postaci nieuchwytnych neutrin!
Horyzont zdarzeń ma wiele wspólnego z tym, dlaczego czarne dziury są czarne.
W miarę rozszerzania się Wszechświata światło musi pokonywać jeszcze większe odległości. A pewnego dnia na obrzeżach świata ekspansja stanie się równa prędkości światła - to ustanowi tzw. horyzont zdarzeń. Będzie się do nas zbliżać coraz bardziej, aż nawet najbliższe gwiazdy przestaną być widoczne.
Stanie się to tylko wtedy, gdy ekspansja będzie kontynuowana i to po wielu miliardach lat. Niedawno pisaliśmy o katastrofach kosmicznych na dużą skalę – nawet ich wyłapanie jest łatwiejsze niż czekanie na horyzont zdarzeń na wyciągnięcie ręki.
Wreszcie
SUBSKRYBUJ NASZ kanał YouTube Ekonet.ru, na którym możesz oglądać filmy online na temat ludzkiego zdrowia i odmładzania. Ważnym czynnikiem jest miłość do innych i do siebie, jako uczucie wysokich wibracji
Okazuje się, że zagadka Olbersa wcale nie jest paradoksem - po prostu prawa fizyki nie pozwalają, aby wszystkie gwiazdy na raz oślepiły nas. Nie może to jednak powstrzymać naukowców, którzy nadal odkrywają nowe gwiazdy. opublikowany
Polub i udostępnij znajomym!
https://www.youtube.com/channel/UCXd71u0w04qcwk32c8kY2BA/videos
Subskrybuj -
Nasz Wszechświat składa się z kilku bilionów galaktyk. Układ Słoneczny znajduje się wewnątrz dość dużej galaktyki, której całkowita liczba we Wszechświecie jest ograniczona do kilkudziesięciu miliardów jednostek.
Nasza galaktyka zawiera 200-400 miliardów gwiazd. 75% z nich to słabe czerwone karły, a tylko kilka procent gwiazd w galaktyce jest podobnych do żółtych karłów, widmowego typu gwiazd, do którego należy nasza. Dla ziemskiego obserwatora nasze Słońce jest 270 tysięcy razy bliżej najbliższej gwiazdy (). Jednocześnie jasność maleje wprost proporcjonalnie do zmniejszania się odległości, więc widzialna jasność Słońca na ziemskim niebie jest 25 magnitudo, czyli 10 miliardów razy większa niż widoczna jasność najbliższej gwiazdy (). Pod tym względem z powodu oślepiającego światła Słońca gwiazdy nie są widoczne na dziennym niebie. Podobny problem pojawia się przy próbie fotografowania egzoplanet krążących wokół pobliskich gwiazd. Oprócz Słońca w ciągu dnia można zobaczyć Międzynarodową Stację Kosmiczną (ISS) i rozbłyski satelitów pierwszej konstelacji Iridium. Wyjaśnia to fakt, że Księżyc, niektóre i sztuczne satelity (sztuczne satelity Ziemi) na ziemskim niebie wyglądają znacznie jaśniej niż najjaśniejsze gwiazdy. Na przykład pozorna jasność Słońca wynosi -27 magnitudo, dla Księżyca w pełnej fazie -13, dla rozbłysków satelitów pierwszej konstelacji Iridium -9, dla ISS -6, dla Wenus -5, dla Jowisza i Marsa -3, dla Merkurego -2, Syriusz (najjaśniejsza gwiazda) ma -1,6.
Skala wielkości pozornej jasności różnych obiektów astronomicznych jest logarytmiczna: różnica w pozornej jasności obiektów astronomicznych o jedną wielkość odpowiada różnicy 2,512 razy, a różnica 5 wielkości odpowiada różnicy 100 razy.
Dlaczego nie widzisz gwiazd w mieście?
Oprócz problemów z obserwacją gwiazd na niebie dziennym, pojawia się problem obserwacji gwiazd na nocnym niebie na obszarach zaludnionych (w pobliżu dużych miast i przedsiębiorstw przemysłowych). Zanieczyszczenie świetlne w tym przypadku jest spowodowane sztucznym promieniowaniem. Przykładami takiego promieniowania są oświetlenie uliczne, podświetlane plakaty reklamowe, latarki gazowe przedsiębiorstw przemysłowych i reflektory do imprez rozrywkowych.
W lutym 2001 roku astronom-amator ze Stanów Zjednoczonych John E. Bortle stworzył skalę świetlną do oceny zanieczyszczenia nieba światłem i opublikował ją w magazynie Sky&Telescope. Skala ta składa się z dziewięciu działów:
1. Całkowicie ciemne niebo
Przy takim nocnym niebie nie tylko jest ono wyraźnie widoczne, ale poszczególne obłoki Drogi Mlecznej rzucają wyraźne cienie. Szczegółowo widoczne jest także światło zodiakalne z przeciwpromiennikiem (odbiciem światła słonecznego od cząstek pyłu znajdujących się po drugiej stronie linii Słońce-Ziemia). Gwiazdy o wielkości do 8mag są widoczne gołym okiem na niebie; jasność tła nieba wynosi 22 magnitudo na kwadratową sekundę łukową.
2. Naturalne ciemne niebo
Przy takim nocnym niebie Droga Mleczna jest wyraźnie widoczna w szczegółach, a światło zodiakalne wraz z przeciwpromieniowaniem. Gołym okiem widać gwiazdy o pozornej jasności do 7,5 mag, jasność tła nieba jest bliska 21,5 mag na kwadratową sekundę łukową.
3. Wiejskie niebo
Przy takim niebie światło zodiakalne i Droga Mleczna są nadal wyraźnie widoczne z minimalną ilością szczegółów. Gołym okiem widać gwiazdy o wielkości do 7mag, jasność tła nieba jest bliska 21mag na kwadratową sekundę łukową.
4. Niebo obszaru przejściowego między wsiami a przedmieściami
Przy takim niebie Droga Mleczna i światło zodiakalne są nadal widoczne z minimalną ilością szczegółów, ale tylko częściowo – wysoko nad horyzontem. Gołym okiem widać gwiazdy do 6,5mag, jasność tła nieba jest bliska 21mag na kwadratową sekundę łukową.
5. Niebo otaczające miasta
Przy takim niebie światło zodiakalne i Droga Mleczna są rzadko widoczne, przy idealnej pogodzie i warunkach sezonowych. Gołym okiem widać gwiazdy o jasności do 6mag, jasność tła nieba jest bliska 20,5mag na kwadratową sekundę łukową.
6. Niebo przedmieść miast
Przy takim niebie światła zodiakalnego nie obserwuje się w żadnych warunkach, a Droga Mleczna jest ledwo widoczna jedynie w zenicie. Gołym okiem widać gwiazdy do 5,5mag, jasność tła nieba jest bliska 19mag na kwadratową sekundę łukową.
7. Niebo przejściowe pomiędzy przedmieściami i miastami
Na takim niebie w żadnym wypadku nie widać światła zodiakalnego ani Drogi Mlecznej. Gołym okiem widać tylko gwiazdy o wielkości do 5mag, jasność tła nieba jest bliska 18mag na kwadratową sekundę łukową.
8. Miejskie niebo
Na takim niebie gołym okiem widać tylko kilka najjaśniejszych gromad otwartych gwiazd. Gołym okiem widać tylko gwiazdy o jasności do 4,5 mag, jasność tła nieba jest mniejsza niż 18 mag na kwadratową sekundę łukową.
9. Niebo centralnych części miast
Na takim niebie widać jedynie gromady gwiazd. W najlepszym wypadku gołym okiem widać gwiazdy o jasności do 4mag.
Zanieczyszczenie światłem pochodzące z obiektów mieszkalnych, przemysłowych, transportowych i innych obiektów gospodarczych współczesnej cywilizacji ludzkiej prowadzi do konieczności tworzenia największych obserwatoriów astronomicznych na obszarach wysokogórskich, jak najbardziej oddalonych od obiektów gospodarczych cywilizacji ludzkiej. W miejscach tych obowiązują specjalne zasady ograniczania oświetlenia ulicznego, minimalizowania ruchu nocnego oraz budowy budynków mieszkalnych i infrastruktury transportowej. Podobne zasady obowiązują w specjalnych strefach chronionych najstarszych obserwatoriów, które znajdują się w pobliżu dużych miast. Na przykład w 1945 r. W promieniu 3 km wokół Obserwatorium Pułkowo pod Petersburgiem zorganizowano ochronną strefę parkową, w której zabroniono produkcji mieszkaniowej lub przemysłowej na dużą skalę. W ostatnich latach próby zorganizowania budowy budynków mieszkalnych w tej strefie ochronnej stały się częstsze ze względu na wysoki koszt gruntów w pobliżu jednej z największych metropolii w Rosji. Podobna sytuacja panuje wokół obserwatoriów astronomicznych na Krymie, które zlokalizowane są w regionie niezwykle atrakcyjnym turystycznie.
Zdjęcie z NASA wyraźnie pokazuje, że najlepiej oświetlonymi obszarami są Europa Zachodnia, wschodnia część kontynentalnych Stanów Zjednoczonych, Japonia, przybrzeżne Chiny, Bliski Wschód, Indonezja, Indie i południowe wybrzeże Brazylii. Z kolei minimalna ilość sztucznego światła jest charakterystyczna dla regionów polarnych (zwłaszcza Antarktydy i Grenlandii), obszarów Oceanu Światowego, dorzeczy tropikalnych rzek Amazonki i Kongo, wysokogórskiego płaskowyżu tybetańskiego, pustynnych regionów Afryki. północna Afryka, środkowa Australia, północne regiony Syberii i Daleki Wschód.
W czerwcu 2016 roku w czasopiśmie Science opublikowano szczegółowe opracowanie na temat zanieczyszczenia światłem w różnych regionach naszej planety („Nowy światowy atlas jasności sztucznego nocnego nieba”). Badanie wykazało, że ponad 80% mieszkańców świata i ponad 99% mieszkańców Stanów Zjednoczonych i Europy żyje w warunkach poważnego zanieczyszczenia światłem. Ponad jedna trzecia mieszkańców planety jest pozbawiona możliwości obserwacji Drogi Mlecznej, w tym 60% Europejczyków i prawie 80% mieszkańców Ameryki Północnej. Ekstremalne zanieczyszczenie światłem dotyczy 23% powierzchni Ziemi pomiędzy 75 stopniem szerokości północnej a 60 stopniem szerokości geograficznej południowej, a także 88% powierzchni Europy i prawie połowy powierzchni Stanów Zjednoczonych. Ponadto w badaniu wskazano, że energooszczędne technologie polegające na zamianie oświetlenia ulicznego z żarówek na lampy LED doprowadzą do około 2,5-krotnego wzrostu zanieczyszczenia świetlnego. Wynika to z faktu, że maksymalna emisja światła z lamp LED o efektywnej temperaturze 4 tys. Kelwinów przypada na promienie niebieskie, gdzie siatkówka ludzkiego oka ma maksymalną czułość na światło.
Z badania wynika, że największe zanieczyszczenie światłem obserwuje się w Delcie Nilu w rejonie Kairu. Wynika to z niezwykle dużej gęstości zaludnienia egipskiej metropolii: na obszarze pół tysiąca kilometrów kwadratowych żyje 20 milionów mieszkańców Kairu. Oznacza to średnią gęstość zaludnienia wynoszącą 40 tys. osób na kilometr kwadratowy, czyli około 10-krotność średniej gęstości zaludnienia w Moskwie. W niektórych obszarach Kairu średnia gęstość zaludnienia przekracza 100 tysięcy osób na kilometr kwadratowy. Inne obszary o maksymalnej ekspozycji na światło znajdują się w obszarze metropolitalnym Bonn-Dortmund (w pobliżu granicy Niemiec, Belgii i Holandii), na Równinie Padańskiej w północnych Włoszech, pomiędzy amerykańskimi miastami Boston i Waszyngton, wokół angielskich miast Londyn , Liverpoolu i Leeds oraz na obszarze azjatyckich megamiast Pekinu i Hongkongu. Mieszkańcy Paryża muszą przejechać co najmniej 900 km na Korsykę, środkową Szkocję lub prowincję Cuenca w Hiszpanii, aby zobaczyć ciemne niebo (poziom zanieczyszczenia światłem mniejszy niż 8% światła naturalnego). A żeby mieszkaniec Szwajcarii mógł zobaczyć wyjątkowo ciemne niebo (poziom zanieczyszczenia światłem wynosi mniej niż 1% światła naturalnego), będzie musiał przejechać ponad 1360 km do północno-zachodniej części Szkocji, Algierii czy Ukraina.
Maksymalny stopień braku ciemnego nieba występuje w 100% Singapuru, 98% Kuwejtu, 93% Zjednoczonych Emiratów Arabskich (ZEA), 83% Arabii Saudyjskiej, 66% Korei Południowej, 61% Izraela, 58% Argentyny, 53% Libii i 50% Trynidadu i Tobago. Możliwość obserwacji Drogi Mlecznej nie mają wszyscy mieszkańcy małych stanów Singapuru, San Marino, Kuwejtu, Kataru i Malty, a także 99%, 98% i 97% mieszkańców Zjednoczonych Emiratów Arabskich, Izraela i Egiptu, odpowiednio. Kraje o największym udziale terytorium, na którym nie ma możliwości obserwacji Drogi Mlecznej, to Singapur i San Marino (po 100), Malta (89%), Zachodni Brzeg (61%), Katar (55%), Belgia i Kuwejt ( 51%), Trynidad i Tobago, Holandia (po 43%) i Izrael (42%).
Z kolei Grenlandia (tylko 0,12% jej terytorium ma ciemne niebo), Republika Środkowoafrykańska (CAR) (0,29%), terytorium Niue na Pacyfiku (0,45%), Somalia (1,2%) i Mauretania (1,4%). %) mają minimalne zanieczyszczenie światłem.
Pomimo ciągłego rozwoju gospodarki światowej, wraz ze wzrostem zużycia energii, następuje także wzrost poziomu wykształcenia astronomicznego społeczeństwa. Uderzającym tego przykładem była coroczna międzynarodowa akcja Godzina dla Ziemi, podczas której większość populacji wyłącza światła w ostatnią sobotę marca. Początkowo akcja ta została pomyślana przez World Wildlife Fund (WWF) jako próba popularyzacji oszczędzania energii i ograniczenia emisji gazów cieplarnianych (walka z globalnym ociepleniem). Jednak jednocześnie na popularności zyskał także astronomiczny aspekt akcji – chęć uczynienia nieba megamiast bardziej odpowiednim, przynajmniej na krótki czas, do amatorskich obserwacji. Kampania została po raz pierwszy przeprowadzona w Australii w 2007 roku, a rok później rozprzestrzeniła się na cały świat. Z roku na rok wydarzenie przyciąga coraz większą liczbę uczestników. O ile w 2007 roku w wydarzeniu wzięło udział 400 miast z 35 krajów, to w 2017 roku wzięło w nim udział ponad 7 tysięcy miast ze 187 krajów.
Jednocześnie można zauważyć wady działania, które polegają na podwyższonym ryzyku awarii w światowych systemach energetycznych na skutek nagłego jednoczesnego wyłączania i włączania ogromnej liczby urządzeń elektrycznych. Ponadto statystyki pokazują silną korelację między brakiem oświetlenia ulicznego a wzrostem liczby obrażeń, przestępczości ulicznej i innych zdarzeń nadzwyczajnych.
Dlaczego gwiazd nie widać na zdjęciach z ISS?
Zdjęcie wyraźnie pokazuje światła Moskwy, zielonkawy blask zorzy na horyzoncie i brak gwiazd na niebie. Ogromna różnica w jasności Słońca i nawet najjaśniejszych gwiazd uniemożliwia obserwację gwiazd nie tylko na dziennym niebie z powierzchni Ziemi, ale także z kosmosu. Fakt ten wyraźnie pokazuje, jak duża jest rola „zanieczyszczenia świetlnego” pochodzącego od Słońca w porównaniu z wpływem atmosfery ziemskiej na obserwacje astronomiczne. Jednak fakt, że na zdjęciach nieba podczas załogowych lotów na Księżyc nie było gwiazd, stał się jednym z kluczowych „dowodów” teorii spiskowej o braku astronautów NASA lecących na Księżyc.
Dlaczego gwiazd nie widać na zdjęciach Księżyca?
Jeśli różnica między widzialną jasnością Słońca i najjaśniejszą gwiazdą - Syriuszem na ziemskim niebie wynosi około 25 magnitudo, czyli 10 miliardów razy, wówczas różnica między widzialną jasnością Księżyca w pełni a jasnością Syriusza zmniejsza się do 11 magnitudo lub około 10 tysięcy razy.
Pod tym względem obecność pełni Księżyca nie prowadzi do zniknięcia gwiazd na całym nocnym niebie, a jedynie utrudnia ich dostrzeżenie w pobliżu dysku księżycowego. Jednak jednym z pierwszych sposobów pomiaru średnicy gwiazd był pomiar czasu trwania dysku księżycowego pokrywającego jasne gwiazdy konstelacji zodiakalnych. Naturalnie, takie obserwacje zwykle przeprowadza się w minimalnej fazie Księżyca. Podobny problem z wykryciem słabych źródeł w pobliżu jasnego źródła światła występuje podczas fotografowania planet krążących wokół pobliskich gwiazd (pozorna jasność analogu Jowisza w pobliskich gwiazdach pod wpływem światła odbitego wynosi około 24 mag, podczas gdy analog Ziemi ma tylko około 30 mag ). W związku z tym astronomom do tej pory udało się sfotografować podczas obserwacji w podczerwieni jedynie młode masywne planety: młode planety są bardzo gorące po procesie formowania się planet. Dlatego, aby dowiedzieć się, jak wykrywać egzoplanety wokół pobliskich gwiazd, opracowywane są dwie technologie dla teleskopów kosmicznych: koronografia i interferometria zerowa. Według pierwszej technologii jasne źródło jest przykryte zaćmionym dyskiem (sztuczne zaćmienie), według drugiej światło jasnego źródła jest „unieważniane” za pomocą specjalnych technik interferencji fal. Uderzającym przykładem pierwszej technologii była funkcja, która od 1995 roku monitoruje aktywność Słońca od pierwszego punktu libracji. Obrazy z 17-stopniowej kamery koronograficznej obserwatorium kosmicznego pokazują gwiazdy o jasności do 6mag (różnica 30mag, czyli bilion razy).
Czarna dziura jest produktem grawitacji. Dlatego prehistorię odkrycia czarnych dziur można rozpocząć od czasów I. Newtona, który odkrył prawo powszechnego ciążenia – prawo rządzące siłą, której podlega absolutnie wszystko. Ani w czasach I. Newtona, ani dzisiaj, wieki później, nie odkryto drugiej tak uniwersalnej siły. Wszystkie inne rodzaje oddziaływań fizycznych są związane z określonymi właściwościami materii. Na przykład pole elektryczne działa tylko na ciała naładowane, a ciała neutralne są na nie całkowicie obojętne. I tylko grawitacja absolutnie króluje w naturze. Pole grawitacyjne oddziałuje na wszystko: cząstki lekkie i ciężkie (i w tych samych warunkach początkowych dokładnie w ten sam sposób), nawet na światło. O tym, że światło przyciągają ciała masywne, założył już I. Newton. Z tego faktu, ze zrozumienia, że światło również podlega siłom grawitacyjnym, rozpoczyna się prehistoria czarnych dziur, historia przewidywań ich niesamowitych właściwości.
Jednym z pierwszych, który to zrobił, był słynny francuski matematyk i astronom P. Laplace.
Nazwisko P. Laplace'a jest dobrze znane w historii nauki. Przede wszystkim jest autorem ogromnego, pięciotomowego dzieła „Traktat o mechanice niebieskiej”. W pracy tej, publikowanej od 1798 do 1825 roku, przedstawił klasyczną teorię ruchu ciał w Układzie Słonecznym, opartą wyłącznie na prawie powszechnego ciążenia Newtona. Przed tą pracą niektóre zaobserwowane cechy ruchu planet, Księżyca i innych ciał Układu Słonecznego nie zostały w pełni wyjaśnione. Wydawało się nawet, że zaprzeczają prawu Newtona. P. Laplace za pomocą subtelnej analizy matematycznej wykazał, że wszystkie te cechy można wytłumaczyć wzajemnym przyciąganiem ciał niebieskich, wpływem wzajemnej grawitacji planet. Głosił, że w niebiosach panuje tylko jedna siła, a jest nią siła grawitacji. „Astronomia, rozpatrywana z najogólniejszego punktu widzenia, jest wielkim problemem mechaniki” – napisał P. Laplace we wstępie do swojego „Traktatu”. Nawiasem mówiąc, po raz pierwszy użył samego terminu „mechanika niebieska”, który tak mocno ugruntował się w nauce.
P. Laplace był także jednym z pierwszych, który zrozumiał potrzebę historycznego podejścia do wyjaśniania właściwości układów ciał niebieskich. Za I. Kantem zaproponował hipotezę pochodzenia Układu Słonecznego z początkowo rozrzedzonej materii.
Główna idea hipotezy Laplace'a dotyczy kondensacji Słońca i planet z mgławicy gazowej i nadal służy jako podstawa współczesnych teorii pochodzenia Układu Słonecznego...
Wiele napisano o tym wszystkim w literaturze i podręcznikach, podobnie jak dumne słowa P. Laplace’a, który w odpowiedzi na pytanie Napoleona: dlaczego w „Mechanice nieba” nie ma wzmianki o Bogu? - powiedział: „Nie potrzebuję tej hipotezy”.
Jednak do niedawna niewiele wiedziano o jego przewidywaniach dotyczących możliwości istnienia niewidzialnych gwiazd.
Przewidywania tego dokonano w jego książce Exposition of the Systems of the World, opublikowanej w 1795 roku. W tej książce, którą dziś nazwalibyśmy popularną, słynny matematyk ani razu nie odwoływał się do wzorów i rysunków. Głębokie przekonanie P. Laplace'a, że grawitacja działa na światło w taki sam sposób, jak na inne ciała, pozwoliło mu napisać następujące znamienne słowa: „Świecąca gwiazda o gęstości równej gęstości Ziemi i średnicy 250 razy większej od średnicy Słońca nie daje żaden promień światła nie może do nas dotrzeć ze względu na jego grawitację; Jest zatem możliwe, że najjaśniejsze ciała niebieskie we Wszechświecie okażą się z tego powodu niewidoczne.”
Książka nie dostarczyła żadnych dowodów na poparcie tego twierdzenia. Została ona przez niego opublikowana kilka lat później.
Jak rozumował P. Laplace? Korzystając z teorii grawitacji Newtona, obliczył wartość, którą obecnie nazywamy drugą prędkością ucieczki z powierzchni gwiazdy. Jest to prędkość, jaką należy nadać każdemu ciału, aby po pokonaniu grawitacji na zawsze odleciało od gwiazdy lub planety w przestrzeń kosmiczną. Jeśli początkowa prędkość ciała będzie mniejsza niż druga prędkość kosmiczna, wówczas siły grawitacyjne zwolnią i zatrzymają ruch ciała i zmuszą je do ponownego opadania w kierunku środka grawitacji. W naszych czasach lotów kosmicznych wszyscy wiedzą, że druga prędkość ucieczki na powierzchni Ziemi wynosi 11 kilometrów na sekundę. Im większa masa i mniejszy promień tego ciała, tym większa jest druga prędkość ucieczki na powierzchni ciała niebieskiego. Jest to zrozumiałe: wszak wraz ze wzrostem masy wzrasta grawitacja, a wraz ze wzrostem odległości od środka słabnie.
Na powierzchni Księżyca druga prędkość ucieczki wynosi 2,4 km na sekundę, na powierzchni Jowisza 61, na Słońcu – 620, a na powierzchni tzw. gwiazd neutronowych, które mają w przybliżeniu taką samą masę jak Słońce, ale mają promień zaledwie dziesięciu kilometrów, prędkość ta osiąga połowę prędkości światła - 150 tysięcy kilometrów na sekundę.
Wyobraźmy sobie, rozumował P. Laplace, że bierzemy ciało niebieskie, na powierzchni którego druga prędkość kosmiczna przekracza już prędkość światła. Wtedy światło takiej gwiazdy nie będzie mogło wylecieć w przestrzeń kosmiczną na skutek działania grawitacji, nie będzie mogło dotrzeć do odległego obserwatora i nie zobaczymy gwiazdy, mimo że emituje ona światło!
Jeśli zwiększysz masę ciała niebieskiego, dodając do niego materię o tej samej średniej gęstości, wówczas druga prędkość kosmiczna wzrośnie w miarę wzrostu promienia lub średnicy.
Teraz wniosek P. Laplace'a jest jasny: aby grawitacja opóźniała światło, trzeba wziąć gwiazdę o substancji o tej samej gęstości co Ziemia i o średnicy 250 razy większej niż Słońce, czyli 27 tysięcy razy więcej niż na Ziemi. Rzeczywiście, druga prędkość ucieczki na powierzchni takiej gwiazdy będzie również 27 tysięcy razy większa niż na powierzchni Ziemi i będzie w przybliżeniu równa prędkości światła: gwiazda przestanie być widoczna.
To był genialny wgląd w jedną z właściwości czarnej dziury – brak emisji światła i bycie niewidzialnym. Aby być uczciwym, należy zauważyć, że P. Laplace nie był jedynym naukowcem i formalnie nawet nie pierwszym, który dokonał takiej prognozy. Stosunkowo niedawno okazało się, że w 1783 r. podobne stwierdzenie wygłosił angielski ksiądz i geolog, jeden z twórców naukowej sejsmologii J. Michell. Jego argumentacja była bardzo podobna do argumentacji P. Laplace’a.
Teraz między Francuzami i Brytyjczykami toczy się czasem półżartem, czasem poważna debata: kogo należy uważać za odkrywcę możliwości istnienia niewidzialnych gwiazd - Francuza P. Laplace'a czy Anglika J. Michella? W 1973 roku znani angielscy fizycy teoretyczni S. Hawking i G. Ellis w książce poświęconej współczesnym szczególnym zagadnieniom matematycznym struktury przestrzeni i czasu zacytowali pracę Francuza P. Laplace'a z dowodem na możliwość istnienia czarnych gwiazd; W tym czasie nie była jeszcze znana twórczość J. Michella. Jesienią 1984 roku słynny angielski astrofizyk M. Riess przemawiając na konferencji w Tuluzie stwierdził, że choć na terenie Francji nie jest zbyt wygodnie przemawiać, to jednak musi podkreślić, że Anglik J. Michell jako pierwszy przewidywał niewidzialne gwiazdy i pokazał migawkę pierwszej strony odpowiednich swoich dzieł. Ta historyczna uwaga spotkała się z aplauzem i uśmiechami obecnych.
Jak nie pamiętać dyskusji Francuzów i Brytyjczyków na temat tego, kto przewidział położenie planety Neptun na podstawie zakłóceń w ruchu Urana: Francuz W. Le Verrier czy Anglik J. Adams? Jak wiadomo, obaj naukowcy niezależnie poprawnie wskazali położenie nowej planety. Wtedy więcej szczęścia miał Francuz W. Le Verrier. Taki jest los wielu odkryć. Często są one wykonywane niemal jednocześnie i niezależnie przez różne osoby. Zwykle pierwszeństwo mają ci, którzy wniknęli głębiej w istotę problemu, ale czasami jest to po prostu kaprys losu.
Ale przewidywania P. Laplace'a i J. Michella nie były jeszcze prawdziwymi przewidywaniami czarnej dziury. Dlaczego?
Faktem jest, że w czasach P. Laplace'a nie było jeszcze wiadomo, że nic w przyrodzie nie może poruszać się szybciej niż światło. Nie da się prześcignąć światła w pustce! Zostało to ustalone przez A. Einsteina w szczególnej teorii względności już w naszym stuleciu. Dlatego dla P. Laplace'a gwiazda, którą rozważał, była tylko czarna (nieświecąca) i nie mógł wiedzieć, że taka gwiazda straci zdolność „komunikowania się” w jakikolwiek sposób ze światem zewnętrznym, „raportowania” cokolwiek do odległych światów o wydarzeniach na nim zachodzących. Innymi słowy, nie wiedział jeszcze, że to nie tylko „czerń”, ale także „dziura”, w którą można wpaść, ale nie można się z niej wydostać. Teraz wiemy, że jeśli światło nie może wydostać się z jakiegoś obszaru przestrzeni, to w ogóle nic nie może wyjść i taki obiekt nazywamy czarną dziurą.
Innym powodem, dla którego rozumowania P. Laplace'a nie można uznać za rygorystyczne, jest to, że rozważył on pola grawitacyjne o ogromnej sile, w których spadające ciała rozpędzane są do prędkości światła, a samo pojawienie się światła może być opóźnione, i zastosował prawo grawitacji Newtona.
A. Einstein wykazał, że teoria grawitacji Newtona nie ma zastosowania dla takich pól i stworzył nową teorię, która obowiązuje zarówno dla pól supersilnych, jak i szybko zmieniających się (dla których teoria Newtona również nie ma zastosowania!), i nazwał ją ogólną teorią względność. To właśnie wnioski płynące z tej teorii należy wykorzystać, aby udowodnić możliwość istnienia czarnych dziur i zbadać ich właściwości.
Ogólna teoria względności jest niesamowitą teorią. Jest tak głęboka i szczupła, że wywołuje poczucie estetycznej przyjemności u każdego, kto ją pozna. Radzieccy fizycy L. Landau i E. Lifshitz w swoim podręczniku „Teoria pola” nazwali ją „najpiękniejszą ze wszystkich istniejących teorii fizycznych”. Niemiecki fizyk Max Born powiedział o odkryciu teorii względności: „Podziwiam ją jako dzieło sztuki”. A radziecki fizyk W. Ginzburg napisał, że wywołuje ono „...uczucie... podobne do tego, jakiego doświadcza się, oglądając najwybitniejsze arcydzieła malarstwa, rzeźby czy architektury”.
Liczne próby popularnego przedstawienia teorii Einsteina mogą oczywiście dać jej ogólny obraz. Ale, szczerze mówiąc, jest to tak mało podobne do rozkoszy poznania samej teorii, jak znajomość reprodukcji „Madonny Sykstyńskiej” różni się od doświadczenia, jakie pojawia się podczas oglądania oryginału stworzonego przez geniusz Rafaela.
A jednak, gdy nie ma możliwości podziwiania oryginału, można (i warto!) zapoznać się z dostępnymi reprodukcjami, najlepiej dobrymi (a jest ich cała masa).
Aby zrozumieć niesamowite właściwości czarnych dziur, musimy krótko omówić niektóre konsekwencje ogólnej teorii względności Einsteina.
| <<< Назад
|
Do przodu >>> |
Uważa się, że pierwsze gwiazdy były zasilane ciemną materią. Możliwe, że te niewidzialne olbrzymy, które powstały prawie 13 miliardów lat temu, nadal istnieją we Wszechświecie. Możliwe, że po prostu nie emitują światła widzialnego, co utrudnia ich wykrycie.
Początkowo badacz Paolo Gondolo, profesor astrofizyki cząstek na Uniwersytecie w Utah (USA), który pracuje nad tym problemem, chciał nazwać nowy, teoretycznie istniejący typ niewidzialnych gwiazd – „brązowe olbrzymy”, niczym brązowe karły, które mają przybliżony rozmiar Jowisza, ale odpowiednio znacznie większą masę. Jednak jego koledzy nalegali, aby nazwać je „ciemnymi gwiazdami” na cześć piosenki o tym samym tytule, którą po raz pierwszy wykonał w 1967 roku uwielbiany zespół rockowy Grateful Dead.
Zdaniem naukowców „ciemne gwiazdy” powinny mieć średnicę 200–400 tysięcy razy większą od naszego Słońca i 500–1000 razy większą od supermasywnych czarnych dziur.
Urodzone prawie 13 miliardów lat temu „ciemne gwiazdy” mogą istnieć do dziś, chociaż nie emitują światła widzialnego. Faktem jest, że astronomom trudno jest wykryć te tajemnicze olbrzymy, ponieważ aby stać się widocznymi, muszą emitować promienie gamma, neutrony i antymaterię. Co więcej, powinny być osłonięte chmurami zimnego gazowego wodoru cząsteczkowego, który obecnie nie wystarcza do zasilania energetycznych cząstek takich obiektów.
Jeśli naukowcom uda się je wykryć, pomoże to znaleźć i zidentyfikować ciemną materię. Wtedy będzie można dowiedzieć się, dlaczego czarne dziury powstają tak szybko.
Naukowcy uważają, że niewidzialna i jeszcze niezidentyfikowana ciemna materia stanowi około 95 procent całego Wszechświata. Są przekonani, że istnieje – jest na to mnóstwo dowodów. Na przykład galaktyki wirują znacznie szybciej, niż powinny, jeśli weźmiemy pod uwagę tylko te obiekty, które do tej pory odkryto w naszym polu widzenia.
Według naukowców cząstki ciemnej materii mogą być tak zwanymi WIMP, czyli słabo oddziałującymi masywnymi cząstkami. Za jedną z badanych odmian WIMP-a badacze uważają neutrina biorące udział w oddziaływaniach grawitacyjnych. Cząstki takie mogą się niszczyć, wytwarzając wysokie temperatury.
Z cząstek ciemnej materii powstają także kwarki (hipotetyczne pierwiastki podstawowe, z których według współczesnych wyobrażeń zbudowane są wszystkie cząstki elementarne biorące udział w oddziaływaniu silnym), a także kopie antymaterii – antykwarki, które po zderzeniu emitują promienie gamma, neutrina oraz antymateria, taka jak pozytony i antyprotony.
Naukowcy obliczyli, że w nowonarodzonym Wszechświecie, około 80–100 milionów lat po Wielkim Wybuchu, zniszczone protogwiazdowe obłoki wodoru i helu ostygły i skurczyły się, pozostając jednocześnie gorące i masywne.
W wyniku tych procesów mogą powstać ciemne gwiazdy, zasilane ciemną materią, a nie energią jądrową (jak w przypadku zwykłych gwiazd). Składały się głównie ze zwykłej materii, głównie wodoru i helu, ale były znacznie masywniejsze i miały większą objętość niż Słońce i większość innych współczesnych gwiazd.
„To zupełnie nowy typ gwiazdy, która ma nowe źródło energii” – mówi badaczka Katherine Freese, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu Michigan.
Niewidzialna Kobieta stanęła na samym skraju skały i patrzyła, jak błotnistobrązowa, brudna woda z unoszącymi się w niej gałązkami, zwiędłymi liśćmi i korzeniami pluska, wijąc się wokół jej łap. I niezależnie od tego, jak kot na nią patrzył, nie potrafiła nawet dostrzec kamieni na dnie rzeki, nie mówiąc już o odbiciach na grzbietach ryb, które wcześniej zawsze zdradzały obecność ofiary. Pochyliła się, żeby językiem dotknąć powierzchni wody. Gorzki i brudny.
Wcale nie tak jak wcześniej, prawda? – zauważyła ze smutkiem Gwiazda Łaciata, stojąca nieopodal. Mglista Stopa podniosła głowę, aby spojrzeć na swojego przywódcę. Wcześniej lśniące złote futro wyblakło w szarym zmierzchu świtu, a ciemne plamy, od których wzięła się jego nazwa, stały się tak przyćmione podczas ostatniego księżyca, że nie można było ich już rozróżnić. - Kiedy woda wróciła, zdecydowałem, że teraz wszystko będzie tak, jak wcześniej. – Łaciata Gwiazda westchnęła i opuszczając łapę do wody, poruszała nią trochę z boku na bok. Następnie wyprostowała go, obserwując, jak brud kapie z jej pazurów na kamień.
Ryba wkrótce wróci” – miauknął Niewidzialny Człowiek. - W końcu strumienie znów są pełne. Dlaczego ryby miałyby ich unikać?
Ale Cętkowana Gwiazda patrzyła na falującą wodę i zdawała się nie słyszeć słów herolda.
Tak wiele ryb zginęło podczas suszy” – westchnęła ponownie. - A co jeśli jezioro pozostanie puste? Co będziemy jeść?
Niewidzialny Człowiek przysunął się do niej bliżej, dotknął jej ramienia i z przerażeniem poczuł ostre żebra wystające spod skóry.
– Wszystko będzie dobrze – wymamrotała. - Dom bobrów został zniszczony, a po deszczu skończyła się susza. To był trudny sezon, ale już go przetrwaliśmy.
Czarny Pazur, Sum i Pierwiosnek – nie” – w odpowiedzi przywódczyni wyszczerzyła zęby. - Trzej martwi starsi ludzie za jeden Zielony Liść! Jestem zmuszony patrzeć, jak moi ludzie umierają. A wszystko dlatego, że w jeziorze nie ma już nic oprócz brudu! I łuskowate? Był odważny, jak reszta kotów, które poszły w górę rzeki – dlaczego więc nie zasłużył na szansę powrotu? Może tylko dlatego, że poszedł za daleko, gdzie Klan Gwiazdy nic nie widział?
Niewidzialna Kobieta bezradnie głaskała ją ogonem po plecach.
Łuski zginęły, ratując jezioro, plemiona i nas wszystkich. Zawsze będziemy czcić jego pamięć.
Lampart Gwiazda odwrócił się zirytowany i zaczął wspinać się po zboczu.
„Zapłacił za dużo” – warknął kot, nie odwracając się. „A jeśli ryba nie wróci do jeziora, jego ofiara pójdzie na marne”.
Przywódczyni potknęła się, a Niewidzialny rzucił się do przodu, gotowy ją wesprzeć. Ona jednak tylko syknęła zirytowana i dalej się wspinała, potykając się i zataczając.
Niewidzialny Człowiek ułożył się za nią kilka ogonów dalej, nie chcąc zawracać sobie głowy dumnym złotym kotem. Wiedziała, że teraz Lampart Gwiazda nieustannie cierpiał, którego nawet żadne zioła Ćmiego Skrzydła nie były w stanie zagłuszyć, mimo że ta choroba nie była wcale niczym niezwykłym - po prostu miażdżące pragnienie, gwałtowny spadek wagi, ciągły głód i rosnące osłabienie co przyćmiło jej słuch i wzrok. Mglista Stopa poczuła ulgę dopiero, gdy jej przywódczyni przecisnęła się przez paprocie otaczające obóz Klanu Rzeki i zniknęła w środku.
I nagle stamtąd, z głębin, rozległ się stłumiony krzyk.
Gwiazda Lamparta? - zmarznięty wewnętrznie, kot pobiegł na górę. Przywódca leżał na ziemi z szeroko otwartymi oczami z bólu i desperacko próbował oddychać.
Nie ruszaj się – rozkazał Niewidzialny Człowiek. - Przyniosę pomoc.
Przedarła się przez paprocie i wpadła na polanę pośrodku obozu.
Mothwing, pospiesz się! Cętkowana Gwiazda spadła!
Słychać było ciężki tupot łap po ziemi, potem błysnęło piaszczyste futro Ćmiego Skrzydła, aż w końcu ona sama pojawiła się na progu namiotu. Potem zatrzymała się i potrząsnęła głową, nie wiedząc, dokąd iść.
Tutaj! - krzyknęła do niej Niewidzialna Kobieta.
Koty ramię w ramię przeciskały się pomiędzy zielonymi łodygami ku swemu przywódcy. Lampart Gwiazda ze zmęczeniem zamknęła oczy, a powietrze ugrzęzło jej w gardle przy każdym oddechu. Ćmie Skrzydło pochylił się nad nią, wąchając futro. Niewidzialna Kobieta również podeszła bliżej, ale cofnęła się, gdy poczuła nieświeży zapach wydobywający się od chorego kota. Z bliska zobaczyła brud na futrze Lamparta Gwiazdy, jakby nie była lizana przez cały księżyc.
„Przyprowadź Myatnika i Trzcinnika” – poprosiła ją cicho uzdrowicielka, odwracając się przez ramię. „Nie poszli jeszcze na patrol i pomogą zanieść Cętkowaną Gwiazdę do jej namiotu”.
Czując ulgę, że ma teraz powód do wyjścia i poczucie winy, że chce to zrobić, Mglista Stopa w milczeniu skinęła głową, wycofała się i pobiegła z powrotem na polanę. Wróciła z Myatnikiem i Kamyshinnikiem. Przywódczyni pomogła Ćmiemu Skrzydłu wstać, a ona mocno oparła się na wojownikach. Herold szedł przodem, rozrywając paprocie i lekko trzymając ich liście przed współplemieńcami, którzy albo prowadzili, albo ciągnęli chorego kota.
Czy Gwiazda Lamparta nie żyje? - rozległ się dźwięczny głos jednego z kociąt Duska.
Oczywiście, że nie, moja droga – odpowiedziała szeptem królowa. - Jest po prostu bardzo zmęczona.
Niewidzialna Kobieta stała na progu namiotu przywódcy i patrzyła, jak Reed Man grabił mech pod głową leżącego kota. To coś więcej niż zmęczenie. Wydawało się, że jaskinia pogrążyła się w ciemności, w rogach zgromadziły się cienie, jakby Gwiezdni Przodkowie byli już gotowi do pojawienia się i powitania odchodzącego przywódcy Plemienia Rzeki. Mięta przepchnęła się obok heroldów, pachnąca zapachem paproci.
„Daj mi znać, jeśli będę mógł coś jeszcze dla niej zrobić” – powiedział cicho, a Mglista Stopa skinęła głową. Trzcinowy Ogon również wyszedł, opuszczając głowę i ciągnąc za sobą ogon, zostawiając długi ślad w pyle.
Ćmie Skrzydło przesunął nieco łapę Lamparta Gwiazdy do wygodniejszej pozycji i wyprostował się.
„Muszę przynieść trochę ziół z mojego namiotu” – oznajmiła. „Zostań tutaj, żeby zrozumiała, że jesteś w pobliżu” – uzdrowicielka spojrzała na nieruchomego kota, po czym podeszła bliżej i szepnęła jej do ucha: „Bądź silna, moja przyjaciółko”.
Po jej wyjściu w namiocie zapadła martwa cisza. Oddech Spotted Star stał się płytki, jej świszczący oddech ledwo poruszał mchem obok jej pyska. Niewidzialna Kobieta opadła obok niej i ogonem pogładziła kościsty bok przywódcy.
– Śpij dobrze – mruknęła cicho. - Teraz wszystko będzie dobrze. Ćma wkrótce przyniesie zioła i poczujesz się lepiej.
Ku jej zaskoczeniu, Lampart Gwiazda zaczął się poruszać.
Jest późno – wychrypiała, nie otwierając oczu. - Gwiezdni przodkowie są blisko, czuję ich obok mnie. Nadszedł czas, abym odszedł.
Nie mów tak! – syknął do niej Niewidzialny Człowiek. - Twoje dziewiąte życie właśnie się rozpoczęło! Mothwing cię wyleczy, zobaczysz!
Mothwing jest dobrą uzdrowicielką, ale nie zawsze może pomóc. Pozwól mi odejść spokojnie. Nie stoczę tej ostatecznej bitwy i nie chcę, żebyś próbował” – Lampart Gwiazda próbował się uśmiechnąć, ale jedyne, co mógł zrobić, to sapnąć.
Ale nie chcę cię stracić! – Niewidzialny Człowiek był oburzony.
Czy to prawda? – wychrypiał przywódca, otwierając lekko jedno oko. Bursztynowe spojrzenie przesunęło się po niej od stóp do głów. - Po tym wszystkim, co zrobiłem twojemu bratu? Ze wszystkimi mieszańcami?
Przez chwilę Mglista Stopa znów czuła się uwięziona w tej straszliwej czarnej dziurze, cuchnącej królikiem, w pobliżu starego obozu Klanu Rzeki. Następnie Lamparcie Gwiazda i Tygrysia Gwiazda zjednoczyły się, tworząc Klan Tygrysa i próbując oczyścić krew wojowników, schwytali wszystkich półkrwi. Mglista Stopa i Kamień, będący wówczas heroldem Klanu Rzeki, właśnie dowiedzieli się, że ich matką jest Błękitna Gwiazda. W oczach przywódców to wystarczyło na wyrok, a Cętkowana Gwiazda pozwoliła Czarnej Stopie zabić Stone'a z zimną krwią. Jego siostra została uratowana przez Ognistą Gwiazdę, a on przyprowadził ją do Klanu Pioruna, gdzie pozostała, dopóki jego moc, wraz z dziewięcioma życiami Tygrysiej Gwiazdy, nie zakończyła się w bitwie z Klanem Krwi.