Читаем Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса онлайн бесплатно

Annotation

Изучать астрономию – значит рассматривать самые удивительные явления Вселенной в самых грандиозных масштабах. Когда вы поднимаете голову к небу, видите ли вы мириады звезд, что в 10 раз больше Солнца, черные дыры, метеорные потоки и соседние планеты? В этом авторском гайде бывший ученый НАСА Уильям Уоллер проведет вас сквозь толщу земной атмосферы навстречу бесконечному и невероятному космосу. Начиная с первых звездных карт и заканчивая исследованиями темной материи – автор собрал и объединил самые яркие и выдающиеся открытия из области астрономии в одной книге, которая теперь станет вашим путеводителем по закоулкам Вселенной.

Уильям Уоллер

Предисловие

Вступление

ЧАСТЬ I. ЧЕЛОВЕК ВО ВСЕЛЕННОЙ

1. Первые представления

2. Дневное и ночное небо

Взгляд с Земли

Важность географической широты

Небесные долготы и широты

В едином ритме с колебанием Земли

Ежемесячное перемещение ночного неба

«Странствующие» планеты

Облики Луны

Очарование затмений

Времена года: оборот, вращение, наклон

Завершающий пассаж

3. Космические дали

Космический адрес человечества

Исторические вехи

Планета Земля

Солнечная система

Окрестности Солнца и Сириус

Пояс Гулда

Местный пузырь

Рукав Ориона

Млечный Путь

Галактическая нить сверхскоплений Девы — Гидры — Центавра

Ланиакея и запределье

Космические масштабы

ЧАСТЬ II. СОСТАВЛЯЮЩИЕ КОСМОСА

4. Знакомство с Солнечной системой

Общий план

Планеты земной группы

Газовые гиганты

Юпитер

Сатурн

Ледяные гиганты

Уран

Нептун

Плутон

Космический мусор

Завершающий пассаж

5. Звезда по имени Солнце

Строение Солнца

Энергия Солнца

Солнечная активность

6. Звезды и планеты вне владений Солнца

Звездный рог изобилия

Расстояния до звезд

Блеск и светимость звезд

Цвета звезд и спектральные классы

Сводим все воедино: диаграмма Герцшпрунга — Рессела

Звездные массы

Соотношение массы, светимости и времени жизни

Экзопланеты, ваш выход!

7. Галактика Млечный Путь

Границы Галактики

Компоненты Галактики

Звездные скопления

Суперзвезды

Переменные звезды

Газовые туманности

Темное сердце Галактики

8. «Бродячий цирк» галактик и их космическая экспансия

Местная группа галактик

Галактики за пределами Местной группы

Последовательность Хаббла

Гигантские спиральные галактики

Гигантские эллиптические галактики

Галактики со вспышкой звездообразования

Галактики с активными ядрами

Подсчет галактик

Расширение космоса

ЧАСТЬ III. НАШ МИГ ВО ВРЕМЕНИ

9. Большой взрыв

Подготовка декораций

Происхождение космоса

Ключевые эпохи

Планковская эпоха

Эпоха инфляции

Эпоха частиц

Эпоха первичного нуклеосинтеза

Эпоха вещества

Эпоха атома

Завершающий пассаж

10. Возникновение галактик

Моделируемые сценарии

Реионизация космоса

Слияние и объединение

Взгляд в будущее

11. Рождение звезд и планет

Откровение от Солнечной системы

Откровение от темных туманностей

Откровение от физических моделей

12. Циклы жизни и гибели звезд

Маломассивные звезды

Солнцеподобные звезды

Другие звезды средней массы

Массивные звезды

13. Загадки материи и энергии

Белые карлики

Нейтронные звезды

Черные дыры

Черные дыры звездной массы

Черные дыры средней массы

Гравитационное излучение

Темная материя

Обычная темная материя

Горячая темная материя

Холодная темная материя

Модифицированная ньютоновская динамика

Темная энергия

14. Наше космическое достояние

Алхимия жизни

Преемственность жизни

Завершающий пассаж

Рекомендуемая литература и ресурсы

Источники общего характера

История

Журналы

Другие источники

notes

1

2

3

4

5

6

7

Уильям Уоллер

Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

William H. Waller

ASTRONOMY: A BEGINNER'S GUIDE

ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2023

КоЛибри^®

Посвящается Полу Уильяму Ходжу (1934–2019), доброму наставнику, коллеге и другу

* * *

Предисловие

Я начал писать эту книгу, устроившись высоко над землей, в уютной операторской четырехметрового телескопа, названного в честь Николаса Ульриха Мейола, — а если быть еще немного точнее, то стоит сказать, что телескоп этот располагался в Южной Аризоне, на вершине Национальной обсерватории Китт-Пик. Подразумевалось, что я проведу там научные наблюдения, но несколько ночей подряд шли дожди, затем все окутал тяжелый туман, а под конец разразилась свирепая буря, поэтому исследования мои больше касались земли, а не неба. К счастью, эту ночную стражу я нес не один, а вместе с давней знакомой по студенческой скамье и подающей надежды аспиранткой. Последняя уже успела доказать свое превосходство в компьютерной науке, оставив нас, маститых астрономов, совершенно не у дел. И пока мы в спешке составляли план наблюдений, рассказывали друг другу свои самые интересные истории и делились видеороликами, я чувствовал, как нас поддерживает дух многих бесстрашных первопроходцев, проторивших нам путь.

За четыре столетия до моих злополучных исследований итальянский математик Галилео Галилей первым применил оптические телескопы для изучения астрономии. Он сам создавал подзорные трубы, постигая с их помощью небо, и последствия этого были невероятны. Лунные горы и солнечные пятна; Венера, менявшая фазы и видимый размер; крошечные луны, что обращались вокруг Юпитера; Млечный Путь, распавшийся на мириады звезд, — все эти чудеса открылись ему, и его наблюдения окончательно перевернули наше прикованное к Земле представление о Вселенной.

Примерно в то же время немецкий математик, астроном и астролог Иоганн Кеплер размышлял над результатами точнейших наблюдений за положением и движением планет, когда-либо сделанных невооруженным глазом. На основе гелиоцентрической системы мира, предложенной Николаем Коперником, Кеплер разработал математическую модель, согласно которой шесть известных тогда планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер и Сатурн) вращались по круговым орбитам вокруг Солнца. Он полагал, что в основе расстояний, разделивших орбиты, лежали математические соотношения: планеты вращались на хрустальных сферах, а каждая из сфер соприкасалась с правильными многогранниками, один из которых был в нее вписан, а другой — очерчен вокруг, и благодаря этому контакту — как представлял себе Кеплер — рождалась божественная музыка. К сожалению, идее о «музыке сфер» противоречил Марс — он никак не хотел вписываться в схему, и Кеплер не мог закрыть на это глаза, ведь он сам проводил подробнейший анализ перемещений «красной планеты»! В конце концов астроном отказался от своей изящной модели, допустил, что Марс, двигаясь по слегка эллиптической траектории, ускоряется по мере приближения к Солнцу и замедляется при удалении от него, — и в итоге вывел три закона движения планет, впоследствии обоснованные Исааком Ньютоном исходя из понятия всемирного тяготения. Это квинтэссенция того, как истины, постигаемые тяжелым трудом, рождаются в горниле тщательных наблюдений, творческого анализа и должного усердия.

Самоотверженность и гениальность Галилея, Кеплера, Ньютона, Гершеля, Пейн-Гапошкиной, Шепли, Хаббла и многих других астрономов подарили нам возможность созерцать поистине дивную Вселенную — непредставимо безграничную, изобильную и способную к преображению. Безусловно, история не стоит на месте, и новые открытия совершаются с головокружительной быстротой. Работая над книгой, я не пытался написать обновленный компендиум, охватывающий все, что познано нами, — я хотел создать путеводитель для начинающих и рассказать обо всем, что есть в нашей Вселенной, а также о том, как она устроена, как появилась на свет и как продолжает развиваться. А это означало, что мне придется умолчать о многих темах, достойных внимания, — ради того, чтобы книга получилась цельной и связной. Иногда я приводил и свои размышления, которые, возможно, внесут нотку человеческого участия в повествование о необъятных космических просторах. И если порой мои рассуждения покажутся немного хвастливыми, то так тому и быть: такие уж мы, астрономы.

Поделиться своими мыслями мне помогли великодушие и чуткая поддержка огромного числа моих коллег, друзей и родственников. Особенно я признателен ученым, профессорско- преподавательскому составу, служебному персоналу и студентам Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, Вашингтонского и Массачусетского университетов, университета Тафтса и государственных школ Рокпорта, которые на протяжении десятилетий помогали мне находить верный путь в изучении и преподавании астрономической науки. Многие мои коллеги из той «вселенной», которую представляет собой отдел NASA, проводящий информационную работу с общественностью в области космических наук, дали мне шанс преодолеть ту пропасть, которая лежит между формальным образованием и более публичными формами общения, принятыми в современной астрономии. Любители из астрономического клуба Глостера и других подобных организаций поддерживали мой энтузиазм, устраивая веселые встречи и вдохновляющие вечера под звездным небом. Коллеги из других стран напомнили мне, что все восхищаются космосом и каждому стоит воспитать в себе этот восторг. А родственники, и ныне здравствующие, и уже покинувшие этот мир, неизменно одобряли мое стремление к астрономии и созданию научно-популярных проектов, таких как этот путеводитель для начинающих. Именно их благословения — и, конечно же, непреодолимо влекущие чудеса дневного и ночного неба — сыграли в моем стремлении решающую роль.

Уильям Уоллер,

Рокпорт, штат Массачусетс

Вступление

Космос — это все, что когда-либо существовало, все, что существует сейчас, и все, что будет существовать в грядущем. Даже при мимолетной мысли о нем мы приходим в волнение, душу пронзает трепет, голос дрожит, и откуда-то приходит чувство падения с высоты, подобное смутному, далекому отголоску памяти, — так мы осознаем, что стоим в преддверии величайшей из тайн.

Карл Саган. Космос

Сфера астрономии охватывает всю Вселенную и все, что в ней есть. Те, кто стремится ее изучить, в плановом порядке постигают удивительнейшие явления в огромнейших масштабах. Но даже сегодня астрономы-профессионалы — это редчайший род людей. Международный астрономический союз, объединивший астрономов всего мира, насчитывает примерно 11 000 человек. И даже если мы условно удвоим эту цифру, то получим одного астронома на каждые 300 000 человек, живущих на планете, — конечно, это не один на миллион, но, безусловно, близко. Впрочем, сколь бы мизерным ни казалось число специалистов и аспирантов, астрономия — это одна из самых популярных наук, а возможно, и самая популярная. Во всем мире сотни миллионов людей интересуются чудесами Вселенной, посещают академические курсы, записываются в любительские клубы, читают журналы, смотрят шоу в планетариях и телепередачи, заходят на сайты, приобретают книги. И мой путеводитель для новичков призван утолить интерес любознательных читателей и дать им понятное и легкое в изложении руководство, посвященное астрономии и космосу, в котором мы живем.

Сегодня мы сталкиваемся со странным парадоксом. Мы никогда еще не знали так много о Вселенной — и все же мы еще никогда не знали о ней так мало. Мы открыли планеты у других звезд, мы сделали снимки новорожденных галактик на границе пространства и времени, мы с неведомой прежде точностью измерили космические бездны, — и все наши открытия неизменно поражали нас и бросали нам вызов. Каждая планета Солнечной системы обладает своим причудливым характером и совершенно не похожа на другие; Солнце настолько непостоянно, что это внушает тревогу; а наши звездные окрестности в прямом смысле затоплены выбросами от недавних вспышек сверхновых. И более того, настало время, когда нам просто необходимо взглянуть правде в глаза и осмыслить тот факт, что большая часть материи во Вселенной, как ни странно, невидима, — мы называем эту материю темной, — и что всей тканью пространства-времени может управлять некая неосязаемая действующая сила, которую мы окрестили темной энергией. Эти перспективы настолько ошеломляют, что всех нас — космологов-теоретиков, астрофизиков- наблюдателей, разработчиков программ, водителей такси, работников поддержки и теологов — объединило желание представить и познать ту Вселенную, которая нас окружает.

Главная цель этого путеводителя — позволить читателям яснее почувствовать и осознать то место, которое мы занимаем в космосе. В первой части мы взглянем на небо невооруженным глазом, а во второй углубимся в предмет и познакомимся с необычайно прекрасной иерархией, в которой перед нами предстанут планеты нашей Солнечной системы, Солнце как одна из многих звезд Млечного Пути, сам Млечный Путь как основной игрок в Местной группе галактик — и Местная группа как маленькая пылинка на бескрайнем галактическом небосводе. По пути мы поговорим о таинственных формах материи и энергии, которые, по большей части, и сейчас ускользают от самых пристальных исследований. Кстати, благодаря этому мы гораздо лучше поймем, как проходит процесс научных изысканий, неизменно ведущий нас вперед, несмотря на всю напряженную полемику и споры, без которых он не обходится.

Когда же мы подготовим космическую сцену и опишем всех чудесных актеров, третья часть книги расскажет нам величественную историю бытия и становления. И может быть, читатели, пускай и опосредованно, сумеют ощутить, какие удивительные преображения происходили около 14 млрд лет назад, после Большого взрыва. Эти метаморфозы — от рождения галактик из раскаленного хаоса до формирования в них звезд и планетных систем и появления жизни на одной особенно влажной планете — очертят границы космоса, унаследованного нами, и соединят нас со всем, что когда-либо возникало в бытии. И, конечно же, мы будем неустанно обращаться к научным проблемам и загадкам, поскольку история Вселенной далека от завершения.

А в последней главе я приглашу читателей задуматься о нашей космической судьбе и о том наследии, которое мы оставим. Что ждет нас всех или тех, кто вытеснит нас с этой драгоценной планеты? Высока ли вероятность того, что за пределами Земли мы встретим других разумных существ? И как нам вести себя теперь, когда мы стали гражданами Млечного Пути?

ЧАСТЬ I. ЧЕЛОВЕК ВО ВСЕЛЕННОЙ

1. Первые представления

Самый прекрасный опыт, доступный нам, — это чувство тайны. Именно из него проистекают истинное искусство и наука.

Альберт Эйнштейн. Во что я верю