Де ми у космосі та як утворюються планети: про Нобелівську премію з фізики 2019

10 грудня у Стокгольмі відбудеться урочиста церемонія нагородження нобелівських лауреатів 2019.

Щороку Нобелівську премію присуджують за видатні наукові дослідження, революційні винаходи або значний внесок у культуру чи розвиток суспільства.

Лауреатів обирають у шести галузях: фізика, хімія, медицина або фізіологія, економіка, література та захист миру.

Ми уже розповідали деталі, за що цьогоріч вручили Нобеля з фізіології та медицини.

Впродовж наступних кількох тижнів розкажемо деталі про фізику, хімію, літературу, економіку та захист миру.

Почнемо з фізики.

Цьогоріч нагороду вручили Дідьє Кело та Майклу Мейору за відкриття першої екзопланети, яка обертається навколо зірки сонячного типу.

А також Джеймсу Піблсу – за теоретичні відкриття у фізичній космології.

Цьогорічні лауреати Нобелівської премії з фізики. Слайд з презентації Андрія Філатова

Як вони допомогли зрозуміти наше місце у Всесвіті, на Nobilitet пояснив інженер-метролог, популяризатор науки та співорганізатор Mars Society Ukraine Андрій Філатов.

***

Перша частина цьогорічного Нобеля має прив'язку до Теорії великого вибуху.

Люди довго думали, що Всесвіт стаціонарний і не міняється. Коли у 1921 році Альберт Енштейн створив теорію відносності та написав рівняння, як має поводитися Всесвіт, дані показали, що Всесвіт не може бути стаціонарним, він має або розширюватись, або стискатися.

Ці результати його настільки збентежили, що він додав у рівняння ще один член, щоб Всесвіт зробити стаціонарним.

Через кілька років видатний астроном Едвін Хаббл відкрив, що інші галактики віддаляються від нас, і чим далі, тим швидше. Це дотично свідчило, що Всесвіт розширюється.

[BANNER1]

Але навіть тоді люди продовжували будувати теорії, що це розширення локальне, а глобально Всесвіт стаціонарний і нікуди не рухається.

Тодішній популяризатор науки та фізик Фред Гойл казав: "Який Великий вибух?". Мовляв, якби він був, мали б залишитись наслідки, реліктове випромінювання. А якщо його не виявили, то теорія неправильна.

У 1946-1948 роках Георгій Гамов, космолог українського походження, розробив теорію утворення хімічних елементів шляхом послідовного нейтронного захоплення та модель гарячого Всесвіту, в межах якої передбачив реліктове випромінювання. 1956-го року він оцінив його температуру в 6К, але не знайшов її підтвердження.

Через кілька років, у 1965-му, два інженера Арно Пензіас та Роберт Вілсон працювали на радіоантені, хотіли налаштувати супутниковий зв’язок. Щоб відкалібрувати антену, увімкнули її у порожній простір у Всесвіті.

Слайд з презентації Філатова

Вони нічого не мали почути, бо налаштувались в пустоту, але почули фоновий шум. І куди б не налаштовували, продовжували його чути. Спочатку подумали, що антену не так склали, перевірили. Все гаразд. А шум залишався.

Вчені зв’язались з одним з найкращих астрономів того часу, Робертом Діккі. Попросили допомоги. Діккі якраз в той час проектував антену, яка б дозволила вловити реліктовий шум. І коли він подивився на дані інженерів, сказав, що вони його випередили.

Це підтвердило Теорію великого вибуху, перевернуло всю фізику того часу з ніг на голову. Пензіас і Вілсон отримали за відкриття реліктового шуму Нобелівську премію у 1978 році.

Слайд з презентації Андрія Філатова

Роберт Діккі не встиг добудувати свою антену, щоб отримати Нобеля, але він не впав у відчай і випустив статтю зі своєю науковою групою, яка описувала, що ж за реліктовий шум знайшли.

У ній серед авторів є прізвище Джеймса Піблса, цьогорічного Нобелівського лауреата. Він тоді працював під керівництвом Діккі.

На початку своєї кар’єри Піблс попав у відкриття, яке перевернуло уявлення фізиків про те, як влаштований світ. Його це захопило. За свою подальшу кар’єру він просунув наше розуміння реліктового випромінювання. Написав підручник, за яким вчилось два покоління космологів.

Завдяки багатьом його роботам ми знаємо, що якийсь час у нас був дуже гарячий і щільний Всесвіт. Потім він почав розширюватись, реліктове випромінювання мандрувало через весь Всесвіт до нас.

[BANNER2]

Аналізуючи його, ми можемо дізнатися, яким був наш Всесвіт з самого початку. А через те, що реліктове випромінювання пролетіло через весь Всесвіт, зрозуміти, що ньому є.

Наприклад, що там 75% темної енергії, 25% – темної матерії і лише 5% з цього ми можемо побачити чи пощупати.

За тривале просування цієї теорії та багато наукових робіт з цієї теми Піблс і отримав свого Нобеля.

Друга частина премії з фізики – за відкриття першої екзопланети біля зірки на кшталт Сонця. Її отримали два астрономи: Дідьє Кело та Майкл Мейор. Їхнє відкриття було проривним, воно дозволило по-іншому подивитися на увесь світ.

Екзопланети – це планети, які обертаються навколо інших зірок (не Сонця).

А що таке планети? Ось спрощене до дитячого пояснення.

Якщо відправимо котика в космос на мільйон років, з ним нічого не відбудеться. Але якщо ми збільшимо котика в мільйон разів і відправимо в космос, він стане круглим.

Ось котик

Якщо ми збільшимо котика в мільйон разів і відправимо в космос, він стане круглим...

Чому? Бо в кожного тіла є центр маси. Всі атоми тіла прагнуть до цього центру маси під дією гравітації. Але міцності наших кісток достатньо, щоб втримати наше тіло в формі.

Якщо ж ми нарощуватимо масу безкінечно довго, дійдемо до межі, коли жоден матеріал не зможе противитися силі гравітації, і почне набувати форми кулі.

Коли це станеться, молекули більш важкої речовини ітимуть ближче до центру, а більш легкої виходитимуть назовні. Це створюватиме величезну кількість енергії.

На цьому тілі у вас може початись вулканізм, який створить атмосферу. А атмосфера і тепло – уже щось схоже на те, де ми живемо.

Тому планети відрізняються від астероїдів. Астероїди недостатньо масивні, щоб стати круглими. Вони бувають різної неправильної форми, і літають у космосі.

Астероїди недостатньо масивні, щоб стати круглими. Вони бувають різної неправильної форми, і літають у космосі

Планеті також потрібна зірка поруч. Це дуже важливо, бо зірка дає тепло, тому наше кругле тіло має обертатися навколо якоїсь зірки.

Навколо Сонця – це планета, навколо іншої зірки – екзопланета.

В 2006 році до цих правил додали ще один пункт: траєкторія руху планети має бути звільнена від інших тіл.

Так Плутон перестав бути планетою. Спочатку його вважали єдиним тілом на його орбіті, але потім там знайшли ряд інших тіл. Вчені назвали це Kuiper belt, "Пояс Койпера".

Як утворюється планета? Є хмара газу і пилу, яка з часом починає стискатися. Стискається доти, поки в центрі тиск не підвищується настільки, щоб сталася термоядерна реакція і почала горіти зірка.

Не весь матеріал стає зіркою. Частина залишається на орбіті та з часом збирається в грудочки – стає планетами.

Наша планетарна система дуже неоднорідна. Ближче до Сонця у нас маленькі залізнокам’яні планети. А далі від Сонця – великі газові гіганти: Сатурн, Юпітер… Чому?

Є теорія, що коли зірка запалюється, вона своїм світлом видуває весь газ зі своїх околиць. Тобто спочатку газ був рівномірно розподілений, потім запалилась зірка, видула газ. І куди вона додула, там газу більше, а всередині – кам’янисті планети.

Ніби все логічно. Але щоб будувати твердження про складні системи, бажано мати кілька подібних об’єктів, щоб не помилитися з висновками.

Цим і займались два видатні вчені, які отримали цьогорічного Нобеля: Мішель Майор та Дідьє Кело. Вони спостерігали через телескоп за величезною кількістю зірок.

У 1995 році вони вперше відкрили планету поза межами Сонячної системи – екзопланету, що обертається навколо зірки 51 Pegasi (51 Пегаса) сонячного типу.

А як знати, чи є у зірки планети? Роздивитись не вдасться, бо зірка дуже яскрава.

У 12 столітті більшість вважала, що Сонце обертається навколо Землі. Зараз вважають, що Земля обертається навколо Сонця. Але не мають рації ні ті, ні інші.

Все обертається навколо спільного центру маси. Коли планета обертається навколо Сонця, останнє теж трохи крутиться через гравітацію планети. В результаті Сонце починає трохи рухатись по орбіті, то ближче, то далі від нас.

[BANNER3]

Якщо біля зірки є планета, ця планета починає її колихати. Як це побачити? Уявіть ДАІ-шників з пристроєм, що заміряє швидкість авто.

Цей пристрій посилає радіосигнал в автомобіль. Коли сигнал повертається, по зміні довжини його хвилі визначається, чи автомобіль рухається від пристрою чи до нього, і з якою швидкістю.

З зірками можна зробити те саме. Треба уважно проаналізувати спектр випромінювання, щоб зрозуміти, куди рухається зірка і з якою швидкістю.

Так знайшли планету Пегас 51, розташовану біля зірки. Це планета розміром з Юпітер, газовий гігант. Але рухалась вона майже впритул до своєї зірки, робила повний оберт за 4,2 дні. Вона ще ближча до своєї зірки, ніж Меркурій до Сонця.

Це поламало все уявлення про те, як наші планетарні системи формуються. Це відкриття змусило зрозуміти, що ми не все до кінця розуміємо і треба думати по-іншому.

На нині відомо близько 4 тисяч екзопланет. Це дозволяє нам краще зрозуміти, як наші планети народжуються, як живуть і як вмирають.

Тому є дві новини.

Перша – навколо кожної зірки є так звана зона життя, зона планет, де не надто холодно, щоб все замерзло, і не надто жарко, щоб все згоріло. У такій зоні Земля.

Друга новина: так буде не завжди. Через певний час зона життя зміститься далі від Сонця, Сонце перетвориться на червоний гігант і спалить усе на Землі.

Тому якщо ви запланували жити більше кількох мільярдів років, задумайтесь про план В.

Записала Ірина Андрейців

Цікаво також:

Чому полетіти на Марс – уже не фантастика. Пояснює науковець з Mars Society

Ми хочемо тримати з вами зв'язок. Будемо раді бачитися і спілкуватися з вами на наших сторінках у Facebook та у Twitter.

А якщо хочете бути в курсі лише новин та важливої інформації про здоров'я, підписуйтесь на нашу Facebook-групу про здоров'я та здоровий спосіб життя.