На днях ученые сделали сенсационное заявление: открыта девятая планета в Солнечной системе (наверняка вы помните, что Плутон лишили этого почетного титула). Удача улыбнулась астрофизикам из Калифорнийского технологического института, США, Константину Батыгину и Майклу Брауну. Обнаружили новую планету благодаря гравитационному воздействию, которую она оказывает на соседние небесные тела.
Кип Торн (кстати, выпускник и преподаватель этого же института — Калтеха) в своей книге «Интерстеллар. Наука за кадром» не только рассказывает много интересного о гравитации, но и знакомит читателей с удивительным феноменом — гравитационными аномалиями — и поразительными историями научных открытий. Но обо всем по порядку.
Новая планета в Солнечной системе
Как же ученые выяснили, что далеко-далеко от Земли находится таинственная планета Х? Вы скажете: «Что сложного — найти новую планету. Смотри себе в телескоп да и все!» Но все не так-то просто, друзья. Сначала нужно провести сложные расчеты, построить модели и теории, касающиеся тех или иных небесных тел, проверить все на соответствие теории относительности Эйнштейна. И если все сойдется, тогда (может быть) пора ликовать.
Проще говоря, сначала ученые подозревают, что на расстоянии Х есть объект Y (хотя бывает и так, что открытия — результат случайно обнаруженных новых свойств уже известных сущностей), а потом уже проверяют догадки.
Новая планета Х в 10 раз тяжелее Земли, а по размерам сравнима с Нептуном, — источник.
Поразительно то, что предположили существование планеты аж в 2014 году другие ученые — Трухильо и Шеппард: они опубликовали статью в научном журнале. А Батыгин и Браун решили опровергнуть работу коллег. Почему бы и нет? После сложнейшего анализа данных и моделирования выяснилось — планета Х действительно существует.
А самое любопытное в этой истории то, что планету Х еще никто не видел. И Трухильо с Шеппардом, и Батыгин с Брауном собираются побороться за этот приз. Уже забронировано место в обсерватории на Гавайях. Нешуточная конкуренция!
Возвращаясь к гравитации и ее странностям
История противостояния ученых и их стремления первыми сделать серьезное открытие не нова. С середины XIX столетия физики со всем рвением выискивают новые гравитационные аномалии и изучают уже найденные. Почему? Потому, что исследование любой истинной аномалии может привести к научной революции, коренному изменению наших взглядов на то, что мы считаем истиной. Начиная с середины XIX века подобное происходило уже трижды.
Гравитационная аномалия — это нечто такое, что связано с гравитацией и не укладывается в наши представления о Вселенной или не соответствует нашему пониманию законов физики, — источник.
В 1859 году астроном Урбен Леверье из Парижской обсерватории объявил, что обнаружил аномалию орбиты Меркурия. Рассчитав полную прецессию (это когда момент импульса тела меняет свое направление под воздействием внешней силы) орбиты Меркурия, вызванную влиянием других планет, он получил неверный результат. Наблюдаемая прецессия оказалась больше расчетной примерно на 0,1 секунды дуги на каждый оборот Меркурия вокруг Солнца.
Леверье решил, что аномалия вызвана притяжением еще не открытой планеты, находящейся ближе к Солнцу, чем Меркурий, — он назвал ее Вулкан. Астрономы долго и безуспешно искали Вулкан. Но не могли ни отыскать его, ни придумать иное объяснение аномалии. К 1890 году созрело решение: ньютоновский закон обратных квадратов неверен — но совсем чуть-чуть.
Невероятно важное «чуть-чуть»
И что означало это «чуть-чуть»? Как оказалось, это «чуть-чуть» предвещало революцию. Ту самую, которую совершил Эйнштейн 25 лет спустя. Искривление времени и пространства наделяет Солнце силой гравитации, которая подчиняется закону обратных квадратов, но лишь приблизительно, не абсолютно точно.
Осознав, что его новые релятивистские законы объясняют наблюдаемую аномалию, Эйнштейн пришел в восторг.
Он почувствовал, будто что-то у него внутри щелкнуло, и его сердце заколотилось как бешеное: «Несколько дней я был вне себя от радостного возбуждения». На сегодняшний день измеренная аномалия прецессии и прогнозы законов Эйнштейна совпадают с точностью до одной тысячной (одной тысячной от аномальной прецессии), что соответствует точности измерений — грандиозное достижение Эйнштейна!
Аномальные орбиты галактик и темная материя
В 1933 году астрофизик Фриц Цвикки из Калтеха заявил, что обнаружил крупную аномалию орбитального движения галактик относительно друг друга. Пользуясь данными о доплеровском сдвиге в спектральных линиях галактик, Цвикки мог оценить, насколько быстро они движутся друг относительно друга, а измерив яркость каждой галактики — оценить ее массу и, следовательно, гравитационное притяжение. Галактики двигались так быстро, что их гравитационное притяжение не смогло бы удержать скопление от распада.
Галактическое скопление Кома, увиденное через сильный телескоп. Иллюстрация из книги
Из всех наших знаний о Вселенной и гравитации явно следует, что этим галактикам положено разлететься в разные стороны и вскоре скопление должно полностью исчезнуть. В таком случае выходит, что скопление образовалось из-за случайных перемещений галактик и должно разрушиться в мгновение ока (конечно, по сравнению с другими астрономическими явлениями).
Но этот вывод казался Цвикки совершенно невероятным. Что-то было не так с нашими привычными взглядами. Цвикки сделал обоснованное предположение: скопление Кома должно быть заполнено некой «темной материей», гравитация которой достаточно сильна, чтобы удерживать скопление от распада. К 1970-м годам стало ясно, что так называемая темная материя пронизывает практически все скопления галактик и даже отдельные галактики. К началу XXI века выяснилось, что темная материя гравитационно линзирует свет, исходящий от более далеких галактик, — так же, как Гаргантюа (черная дыра из фильма «Интерстеллар»).
Темная материя в скоплении галактик Abell 2218 гравитационно линзирует свет от более далеких галактик. Изображения линзированных галактик дугообразны (обведены фиолетовыми овалами), подобно изображениям, которые видны при гравитационном линзировании Гаргантюа. Иллюстрация из книги
Сейчас физики вполне уверены, что открытие темной материи — свершившаяся революция и что эта материя состоит из фундаментальных частиц незнакомого нам типа, причем типа, предсказанного наиболее перспективными на сегодняшний день концепциями в квантовой физике.
Отныне ученые ищут святой Грааль — пытаются обнаружить частицы темной материи, безнаказанно пролетающие мимо нас, и измерить их свойства.
В 1998 году две исследовательские группы, независимо друг от друга, обнаружили поразительную аномалию расширения нашей Вселенной. Так что у современных физиков есть еще одна священная миссия — разобраться, противоречит ли ускоренное расширение Вселенной законам теории относительности (и тогда они неверны?!) или ускорение вызвано влиянием отталкивающей темной энергии (и если так, какова природа этой темной энергии). Потрясающе интересная загадка!
По материалам книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
P.S.: Понравилось? Подписывайтесь на нашу новую рассылку. Раз в две недели будем присылать 10 самых интересных и полезных материалов из блога МИФ.
Обложка поста: planetxnews.com
