Современные исследования космоса

Коротко о том, как рождаются чёрные дыры.

Чёрная дыра - это область во Вселенной, в которой настолько сильное притяжение, что ее не может покинуть даже свет. По сути, это небесное тело настолько тяжелое и "притягательное", что оно не просто тонет в окружающем пространстве, а буквально пожирает всё вокруг, искажая материю. В результате виден не сам объект,а результат его взаимодействия с окружающими телами. К примеру, если звезда или туманность окажутся рядом с чёрной дырой, то этот монстр постепенно поглотит их.

Доказано ли существования чёрных дыр? Скорее да, чем нет. Их существования подкрепляются многочисленными исследованиями. А в апреле 2019 года учёные впервые обнародовали снимок сверхмассивной чёрной дыры, которая находится в центре галактики М87.

Существует четыре гипотезы, которые объясняют появление чёрных дыр.

Гипотеза №1. Коллапс(сжатие) массивной звезды.

Если верить этой теории, чёрная дыра - не что иное, как сжавшаяся массивная звезда массой как минимум в три Солнца. А сжимается этот гигант потому, что когда внутри у него заканчивается "топливо", вещество начинает резко съеживаться. Если тело не получает подпитки извне, то оно продолжает коллапсировать до тех пор, пока сжиматься будет уже некуда. Тогда в результат взрыва сверхновой и образуется чёрная дыра.

Гипотеза № 2. Коллапс центральной части галактики.

Согласно этой гипотезе, не только звезды, но и газовые облака могут сжиматься до невероятных размеров. Они также схлопываются до тех пор, пока в этом месте не появится чёрная дыра.

Гипотеза № 3. Первичные чёрные дыры.

В это случае предполагается, что чёрные дыры сформировались сразу после Большого взрыва. Согласно этой теории, они возникли буквально из ничего, как и все остальные космические объекты.

Гипотеза № 4. Результат высоко энергетических ядерных реакций.

Эта гипотеза о том, что чёрные дыры рождаются, когда в космическом пространстве происходят бурные ядерные реакции.

Какая из этих теорий верна, мы, к сожалению, до сих пор не знаем. Есть вероятность, что все они ошибочный (равно как и верны).

Знаменитое «сердце» Плутона может «биться»

Пролет зонда NASA «Новые горизонты» через систему Плутона в 2015 году открыл массу интересного об этой загадочной карликовой планете. В первую очередь ученых и любителей космоса поразили виды Плутона, который кажется не таким безжизненным и замерзшим, как это представлялось. Одной из наиболее популярных ландшафтных структур карликовой планеты стало знаменитое ледяное сердце – регион Томбо.

В своем новом исследовании ученые показали, что это сердце может и «биться», управляя циркуляцией в тончайшей атмосфере Плутона.

Большую часть атмосферы составляет азот с примесью оксида углерода и метана. Замороженный азот составляет значительную часть льда, формирующего то самое сердце. В течение дня тонкий слой этого азотного льда нагревается и превращается в газ. Ночью он снова оседает. Такая последовательность похожа на сердцебиение, которое разгоняет азотные ветры вокруг карликовой планеты. Этот цикл заставляет атмосферу Плутона циркулировать в направлении, противоположном вращению.

Циркулирующие части атмосферы переносят энергию, частицы льда, аэрозолей, создавая на поверхности равнины, характерные для северных и северо-западных регионов, а также ландшафтные образования в виде полос. Эти образования показывают наличие циркуляции и подчеркивают, что даже при крайне малой плотности атмосферы ветровая эрозия имеет место.

Большая часть азотного льда находится в регионе Томбо. Его левая «доля» представляет собой сплошной ледяной 1000-километровый район, лед расположен в глубине бассейна протяженностью 3 км под названием Спутник. Из-за низкой высоты здесь сосредоточена большая часть азота. Правая часть сердца состоит из высокогорий и богатых азотом ледников, опускающихся в бассейн.

Авторы исследования использовали собранные ландшафтные данные «Новых горизонтов», а также информацию об азотном льде. Затем были смоделированы климатические условия и азотный цикл на карликовой планете, что и дало сведения о циркуляции и динамике атмосферы.

На Плутоне глобальные ветры на высоте 4 км дуют на запад, в противоположном вращению направлении, что достаточно редко для Солнечной системы. Также было обнаружен относительно сильный атмосферный поток у поверхности вдоль западной границы бассейна Спутник. Такое течение вызвано не только суточным изменением концентрации азота, но и ландшафтом, ограниченным горами. 

Пульсар и белый карлик подтвердили очередной эффект, предсказанный Эйнштейном

Одним из эффектов, который был предсказан общей теорией относительности, является так называемое увлечение инерциальных систем отсчета (frame-dragging) или эффект Лензе-Тирринга. Его суть заключается в том, что пространство и время могут искажаться, увлекаясь за массивными вращающимися телами. Можно себе представить массивное тело, например, Землю, погруженную в гигантский резервуар с медом. При вращении тела окружающий мед также будет увлекаться во вращение.

Однако этот эффект достаточно тяжело уловить, он выглядит несущественным для земной массы. Хотя эксперимент Gravity Probe B со спутником на орбите Земли смог его подтвердить (см. картинку). Ученым нужна была естественная массивная система, которая могла бы явным образом подтвердить этот эффект. И такая система обнаружилась. Она состоит из белого карлика и пульсара. Белые карлики представляют собой очень плотные остатки ядер звезд. Они могут быть сопоставимы с Землей по размерам, но в сотни тысяч раз массивнее, скорость вращения также может достигать оборота в минуту-две. Эффект frame-dragging от такого объекта будет примерно в 100 млн раз заметнее земного.

20 лет назад с помощью радиотелескопа CSIRO Parkes была обнаружена уникальная пара PSR J1141-6545, состоящая из белого карлика (размером с Землю, но примерно в 300 тысяч раз массивнее) и радиопульсара (размером со средний город, но в 400 тысяч раз массивнее). Скорость вращения пульсара – 150 оборотов в минуту. Этот пульсар излучает в радиодиапазоне, и этот луч периодически попадает в поле зрения наблюдателей на Земле. По этому «лучу маяка» можно точно определить не только скорость вращения, но и траекторию движения пульсара. Такая естественная гравитационная лаборатория стала отличным объектом для исследования. Тела внутри системы вращаются друг вокруг друга менее чем за пять часов со скоростью около 1 млн км/ч. Наблюдение за орбитой пульсара показало ее отклонение.

Ученые тщательно ее картировали и отметали влияние дополнительных эффектов, оставив лишь влияние эффекта увлечения пространства-времени – именно этот эффект отвечает за наблюдаемое отклонение вращения. С точки зрения классической механики такое поведение объяснить было бы невозможно. Также исследование показало, что белый карлик вращается со скоростью примерно 30 оборотов в час. Причем он образовался в системе раньше, чем пульсар, что является редкостью. На протяжении около 16 тысяч лет белый карлик вытаскивал из звезды-компаньона массу, сопоставимую с 20 тысячами масс Земли. Потом только случилась вспышка сверхновой, оставившая на месте компаньона пульсар. Так что система интересна не только своими гравитационными эффектами, но и эволюцией. 

Получены самые детальные снимки поверхности Солнца

Новый наземный телескоп, построенный специально для изучения Солнца, сделал первые снимки поверхности звезды. Это самые подробные изображения Солнца, на поверхности которого легко различимы конвекционные гранулы, а также корни магнитных силовых линий. Снимки телескопа Daniel K. Inouye Solar Telescope помогут лучше понять динамику солнечной поверхности.

Запуск этого инструмента – значимый скачок в деле изучения нашей звезды. Гранулы – это вершины конвекционных ячеек в солнечной плазме, которая поднимается из глубины и опадает вниз, охлаждаясь. Каждая гранула в поперечнике достигает 1600 км. Особый интерес для ученых представляют следы магнитных полей, которые отвечают за перенос энергии в атмосферу Солнца и возникновение солнечного ветра, формирование космической погоды на Земле.

В ближайшее время новый телескоп будет дополнен уникальными инструментами. Например, Cryogenic Near-Infrared Spectropolarimeter (CryoNIRSP) позволит изучать магнитные поля в солнечной короне. А Diffraction-Limited Near-IR Spectropolarimeter (DL-NIRSP) изучит поля у поверхности в более детальном разрешении. Полная сборка телескопа завершится к июню. 

«ЭкзоМарс – 2020» В поисках жизни на Красной планете

Совместный российско-европейский проект «ЭкзоМарс» готовится к своей главной миссии – поиску следов прошлой и настоящей жизни на Красной планете. Европейское космическое агентство изготовит перелетный модуль и марсоход, а Россия – десантный модуль и посадочную платформу. Запустит все это в космос российская ракета-носитель «Протон-М».

Стартовав по плану 25 июля 2020 года, станция должна будет достичь цели 19 марта 2021 года. Одним из главных условий для мягкой посадки на поверхность Марса станет защитный экран десантного модуля из специального композита производства ОНПП «Технология», входящего в Ростех.

Марсианские хроники: история проекта

«ЭкзоМарс» – проект Европейского космического агентства (ESA) и Роскосмоса по исследованию Марса, его поверхности, атмосферы и климата с орбиты и на поверхности планеты.

С начала 2000-х годов «ЭкзоМарс» разрабатывался как совместный проект ESA и NASA. Предполагалось, что американцы предоставят для запуска двух миссий две ракеты Atlas, а также будут участвовать в разработке марсохода. Однако в 2013 году NASA прекратило свое участие в проекте из-за сокращений бюджета. Место NASA занял Роскосмос. В рамках проекта российской стороной будет разработан десантный модуль с посадочной платформой, а европейской стороной – перелетный модуль и марсоход.

Считается, что основной научной миссией проекта «ЭкзоМарс» является поиск признаков жизни на Марсе в прошлом и в настоящее время. Но не только эту загадку Красной планеты предстоит разгадать «ЭкзоМарсу». Целью проекта также является исследование водной/геохимической среды как на поверхности, так и в недрах планеты. Как известно, вода на Марсе – больше не миф. Впервые о ее наличии заявлено около двадцати лет назад. За все это время воду на Марсе изучили с поверхности и картографировали. А в июле прошлого года был назван первый постоянный водоем: радаром MARSIS обнаружено озеро на Марсе на глубине 1,5 км подо льдом Южной полярной шапки.

Сегодня появилась загадка не менее важная – марсианский метан. Впервые ученые сообщили о метане на Марсе в 2003 году. Обнаружен был этот газ в ничтожно малой концентрации, а общий объем выброса соответствовал 42 тыс. тонн газа. Для сравнения, это примерно треть среднего танкера-газовоза.

В 2012 году американский марсоход Curiosity провел первые исследования и установил, что метана на Марсе нет. Но примерно через год Curiosity снова зафиксировал наличие метана в кратере Гейла. Так что исследование метана, а также других газовых примесей и их источников в атмосфере Красной планеты также является одной из ключевых миссий «ЭкзоМарса».

Первый этап программы «ЭкзоМарс» начался в 2016 году именно с целью разгадки метановой головоломки. Тогда с космодрома Байконур была запущена станция «ЭкзоМарс-2016». Она состояла из научного орбитального аппарата Trace Gas Orbiter (TGO) и демонстрационного спускаемого модуля Schiaparelli. Аппарат Schiaparelli должен был отработать технологию входа в атмосферу, спуска и посадки на поверхность планеты перед запуском второго этапа миссии, но не сумел успешно совершить мягкую посадку и разбился.

TGO в апреле 2018 года начал выполнение своей научной программы, успешно передает снимки Красной планеты и сейчас ждет своей основной миссии – начала функционирования в качестве станции-ретранслятора для марсохода и автоматической научной станции в рамках второго этапа «ЭкзоМарса».

Второй этап: марсоход и станция на Марсе

Старт второго этапа «ЭкзоМарса» первоначально планировался на 2018 год, однако затем запуск отложили на два года. Именно данный этап считается основным в проекте и призван помочь найти ответ на вопрос, есть ли жизнь на Марсе.

В рамках второй миссии планируется на перелетном модуле, разработанном ESA, доставить на Марс российскую посадочную платформу и европейский марсоход. Перелетный модуль обеспечивает перелет по маршруту Земля – Марс и вход десантного модуля в атмосферу планеты со скоростью примерно 5800 м/с. Десантный модуль осуществляет торможение в атмосфере и спуск на поверхность Марса посадочного модуля в составе посадочной платформы и марсохода.

Защитит российский десантный модуль при вхождении в марсианскую атмосферу специальный экран из «космического» композита – легкого и прочного материала, который называется стеклосотопласт. Такой материал выдерживает сильную вибрацию, экстремальные температуры и при этом мало весит. Производят защитный экран на предприятии Ростеха – ОНПП «Технология». «Защитный экран имеет достаточно сложную конструкцию, это своего рода многослойный пирог, который чередуется слоями углепластика и сотового заполнителя, и в дальнейшем он еще покрывается теплозащитой», – рассказывает Анатолий Свиридов, директор НПК «Композит» ОНПП «Технология».

На предприятии заявляют, что работы по проекту «ЭкзоМарс-2020» идут по плану. Разработаны крупногабаритные конструкции из полимерных композиционных материалов для десантного модуля и посадочной платформы. Всего программой предусмотрено создание четырех комплектов – трех для испытаний и «летный» экземпляр.

Кроме того, уже изготовлены 62 панели терморегулирования и каркасы солнечных батарей, в том числе 12 каркасов и шесть панелей терморегулирования, которые необходимы для функционирования посадочной платформы на поверхности Марса после съезда марсохода.

Далее марсоход и посадочная платформа будут работать автономно, осуществляя передачу телеметрической и научной информации на Землю через орбитальный модуль TGO, который уже на околомарсианской орбите.

Шестиколесный европейский ровер массой около 350 кг рассчитан на работу на Марсе в течение семи земных месяцев. Он может проходить до 100 м в сутки и должен проехать за это время несколько километров. Этот марсоход впервые будет искать молекулярно-биологические признаки в подповерхностном слое Красной планеты.

После съезда марсохода российская посадочная платформа массой 828 кг начнет работать как долгоживущая автономная научная станция. Планируется, что она проработает на Марсе около года. На ее борту будет установлен комплекс научной аппаратуры для изучения состава и свойств поверхности планеты. Всего будут установлены 13 научных приборов, в том числе два европейских – LARA (радиоэксперимент для исследований внутреннего строения Марса) и HABIT (эксперимент по поиску потенциально обитаемых зон, жидкой воды, исследований УФ-излучения и температуры).

Пункт и время прибытия: Марс, 19 марта 2021 года

В первые месяцы 2019 года начнется окончательная сборка автоматической межпланетной станции «ЭкзоМарс-2020». Запуск состоится в период с 25 июля по 13 августа 2020 года с космодрома Байконур на ракете «Протон-М». Прибытие на Марс произойдет 19 марта 2021 года, заявил глава госкорпорации Роскосмос Дмитрий Рогозин в сентябре прошлого года.

С 2014 года обсуждаются предложения по месту посадки. Изначально было четыре района-кандидата: равнина Оксия, долина Маврта, гряда Арама и равнина Гипанис. Наконец в ноябре 2018 года Международная рабочая группа по выбору места посадки (Landing Site Selection Working Group, или LSSWG) рекомендовала равнину Оксия для посадки аппаратов миссии «ЭкзоМарс-2020».

Равнина Оксия расположена вблизи экватора в северном полушарии Марса около границы высокогорных регионов и низменностей. По имеющимся данным, здесь не очень много крупных ударных кратеров, но достаточно много сухих русел. Таким образом, должны быть заметны следы действия воды в геологическом прошлом.

Район посадки – эллипс 120х19 км внутри неглубокого кратера. Здесь на поверхность выходят породы, обогащенные железом и магнием. Над ними лежит слой темного вещества, возможно, вулканического происхождения. То есть ландшафт достаточно разнообразный, и марсоход сможет исследовать различные образования вблизи места посадки. Кроме того, соблюдены все требования к безопасности посадки. Внутри эллипса посадки нет существенных возвышенностей, и район достаточно низкий и ровный.

Рекомендация группы будет направлена для рассмотрения в Роскосмос и Европейское космическое агентство. Окончательное решение о выборе места будет сделано не позже второй половины этого года.