Astrophysiker Boris Stern: 3 erstaunlichste Erkenntnisse über das Universum, die wir im 21. Jahrhundert erhalten haben
Verschiedenes / / April 27, 2023
Kosmologen haben die Botschaften des Urknalls entschlüsselt und Astrophysiker von Einsteins Vorhersagen überzeugt.
Am 29. und 30. April findet die Konferenz "Wissenschaftler gegen Mythen». Darin bekämpfen Experten Klischees über das Leben auf der Erde und im Weltraum. Der Astrophysiker Boris Stern nimmt an der Diskussion „Wohin führen Versuche, die Struktur des Universums zu verstehen?“ teil.
Speziell für Lifehacker sprach er über erfolgreiche Fälle der Weltraumforschung und wie sie die wissenschaftliche Landschaft und die Vorstellungen von der Welt veränderten.
Boris Stern
Astrophysiker. Doktor der physikalischen und mathematischen Wissenschaften, leitender Forscher am Institut für Kernforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften und am Astrospace Center des FIAN.
Im 20. Jahrhundert gelang ein Durchbruch in der Erforschung des Weltraums - Technologien wurden entwickelt, Beobachtungsmethoden verbessert. Wenn sich frühere Wissenschaftler nur mit Teleskopen begnügten, haben sie jetzt andere, mehr perfekte Werkzeuge: Satelliten, radioastronomische Geräte, Interferometer.
Dank dessen wurden in den letzten 20 Jahren die wichtigsten Entdeckungen in Kosmologie und Astrophysik gemacht: die Existenz von Gravitationswellen, entdeckte Exoplaneten und schließlich die Geschichte des Universums und seines Inhalts werden mit einem High bestimmt Genauigkeit. All dies ist das wichtigste Wissen, das unser Verständnis der Welt um uns herum erweitert hat.
1. Es gibt viele Planeten, auf denen Leben möglich ist
«Exoplaneten-Epos“ begann 1995 mit der ersten Anwendung der Radialgeschwindigkeitsmethode. Dank ihm war es regelmäßig möglich, eine Verschiebung der Spektrallinien von Sternen gemäß dem Doppler-Effekt zu beobachten. Als Ergebnis wurde ein scheinbar unmöglicher Riesenplanet mit einer Umlaufzeit von 4,2 Tagen gefunden - ganz in der Nähe des Sterns 51 Pegasus.
Dann wurde es zu einer wissenschaftlichen Sensation und Wissenschaftler begannen zu suchen Exoplaneten. Der wirkliche Durchbruch auf diesem Gebiet kam 2009, als das Kepler-Teleskop gestartet wurde.
Er arbeitete bereits an einer anderen Methode – Transit. Es ging darum, die kleine Verdunkelung der Sterne zu "fangen", die durch den Durchgang von Planeten in ihrem Hintergrund verursacht wurde.
Infolgedessen hat die Zahl der entdeckten Exoplaneten explosionsartig zugenommen. Gab es vorher Hunderte von ihnen, so geht ihre Zahl jetzt in die Tausende.
Bis heute wurde davon die Existenz von 5.357 fest bestätigt. Dies sind völlig unterschiedliche Planeten: sowohl kalt als auch heiß, vergleichbar sowohl mit der Masse von Merkur als auch mit der Masse von 10 Jupiter. Unter ihnen gibt es höchstwahrscheinlich solche, deren Oberfläche ein durchgehender Ozean ist, und Eis mit extrem niedrigen Temperaturen.
In all diesem exoplanetaren "Zoo" gibt es jedoch praktisch keine solchen Exemplare, auf denen Leben sein könnte. Das bedeutet nicht, dass es sie überhaupt nicht gibt. Nur funktioniert hier der Selektionseffekt: Um sich wie die Erde mit einem Stern der Sonnenklasse zu erwärmen, müssen solche Planeten ziemlich große Umlaufbahnen haben - ein „langes Jahr“. Um ihre Transite zu fixieren, brauchen die Sterne sehr lange beobachten. Aber Kepler hatte diese Zeit nicht - er arbeitete nur 3 Jahre. Gleichzeitig wäre es, selbst wenn solche Planeten entdeckt würden, sehr schwierig zu beweisen, dass sie Leben haben.
Außerdem unterscheidet sich außerirdisches Leben wahrscheinlich von der Erde. Mit hoher Wahrscheinlichkeit würden wir nur Bakterienschleim sehen. Denn auf dem Weg von der Entstehung des Lebens zu einer hochentwickelten und mehr noch intelligenten Form gibt es verschiedene unwahrscheinliche Ereignisse und höchstwahrscheinlich auf anderen Planeten wird der Prozess in den frühen Stadien verlangsamt Entwicklung.
In diesem Sinne ist die Erde ein seltenes Phänomen.
Im Moment fehlt uns die Präzision von Instrumenten, um solche Planeten mit der Radialgeschwindigkeitsmethode aufzunehmen, und es gibt keine Teleskope wie Kepler, um ihre Transite zu verfolgen.
Aber ich denke, dass bald die Mittel verbessert werden und Wissenschaftler beginnen werden, die ersten "Erden" zu entdecken. Zum Beispiel gibt es Hinweise darauf, dass im Tau Ceti-System - in der Nähe Sonne Stern - da sind Planeten drin bewohnbare Zone.
2. Gravitationswellen existieren
Nach Einsteins Relativitätstheorie ist die Schwerkraft das Ergebnis der Krümmung der Raumzeit unter dem Einfluss der Materie, deren Wellen Gravitationswellen sind.
Durch die Verschmelzung entstehen Gravitationswellen Schwarze Löcher oder Neutronensterne - also massive Objekte. In ihrer Nähe schrumpft und dehnt sich der Raum um 10 % oder mehr aus und damit auch jedes Objekt darin. Wir bekommen winzige Wellen, die sehr schwer zu registrieren sind.
Als Einstein die Relativitätstheorie formulierte, begannen Wissenschaftler einen langen und erfolglosen Versuch, Gravitationswellen experimentell nachzuweisen.
Die erste vernünftige Methode vorgeschlagen Sowjetisch Wissenschaftler: Vladislav Pustovoit und Mikhail Gertsenstein. In den 1960er Jahren schrieben sie eine Arbeit, in der sie die Schaffung eines Gravitationswellendetektors in Form eines Laserinterferometers vorschlugen.
Das Prinzip seiner Arbeit war wie folgt:
- Zwei Spiegel sind mehrere Kilometer voneinander entfernt.
- Der Interferenzlaserstrahl misst genau den Abstand zwischen ihnen.
- Wenn es sich zu verändern beginnt, kann dies auf den Einfluss von Gravitationswellen zurückzuführen sein.
Die Idee ist einfach, aber ihre Umsetzung erwies sich als mit vielen Schwierigkeiten verbunden. Tatsache ist, dass die Genauigkeit, mit der die Änderung des Abstands zwischen den Spiegeln gemessen werden muss, zehntausendmal geringer ist als die Größe eines Protons in einem Atomkern. Dazu benötigen Sie einen starken Laserstrahl, ein Vakuum und eine einzigartige Detektoranordnung.
Um all dies zu erreichen, hat es mehrere Jahrzehnte gedauert. Infolgedessen gelang dies 2015 Wissenschaftlern aus den Vereinigten Staaten. Sie hatten zwei Detektoren, die das Signal von Gravitationswellen aufzeichneten, und ihre Ergebnisse stimmten sowohl miteinander als auch mit theoretischen Berechnungen überein.
Es besteht kein Zweifel: Gravitationswellen existieren.
Die von Anfang an schöne allgemeine Relativitätstheorie wurde in der Praxis bestätigt. Es war sehr wichtig, allen Zweiflern zu zeigen: Schaut, wie mächtig es wirkt.
Seitdem hat die Zahl der Registrierungen von Gravitationswellen Hundert überschritten. Wissenschaftler sammeln Statistiken und entwickeln auch ein Projekt für ein ultraempfindliches Interferometer, das verwendet werden kann im Weltraum.
3. Mikrowellenhintergrund - ein Lehrbuch zur Geschichte des Universums
Der Mikrowellenhintergrund ist das Licht, das sich in den ersten Hunderttausenden von Jahren nach dem Urknall gebildet hat. Er erreichte uns in Form von kurzen Radiowellen – Bruchteile eines Zentimeters groß.
Woher kam dieses Licht? In den ersten Augenblicken seines Lebens war das Universum dicht, heiß und extrem ionisiert – das heißt, die Atomkerne waren von den Elektronen getrennt. Erst nach 380.000 Jahren „freundeten“ sie sich an und bildeten neutrale Atome. Dadurch hat sich die Wechselwirkung von Licht mit neuen Stoffen dramatisch verändert. Die Photonen flogen in alle Richtungen aus und wurden energieärmer, da sich ihre Wellenlänge zusammen mit der Ausdehnung des Universums ausdehnte. So erreichte uns das Licht des Urknalls.
Im 20. Jahrhundert begannen Studien zum Mikrowellenhintergrund. In den 1990er Jahren nahm die Empfindlichkeit der Instrumente so stark zu, dass sich Flecken und Unebenheiten bemerkbar machten.
In den 2000er Jahren wurde ein leistungsstarker WMAP-Mikrowellenstrahlungsdetektor in den Weltraum geschossen, der eine Karte dieser Strahlung aus der Umgebung erstellte Himmel in guter Auflösung.
Dank ihr wurde die Kontrastverteilung der Flecken je nach ihrer Größe aufgebaut, sie hatte Spitzen und Einbrüche. Ein solches Phänomen nennt man Sacharow-Oszillationen - es wurde erstmals vom sowjetischen Physiker Andrej Dmitriewitsch Sacharow beschrieben.
Das Verhältnis dieser Höhen und Tiefen zeigt genau, wie das frühe Universum aussah und beschreibt auch seine Eigenschaften.
Jetzt kennen wir die Chronologie der Ereignisse von den ersten winzigen Sekundenbruchteilen nach dem Urknall bis heute genau. Ich glaube, dass dies die wichtigste Errungenschaft des 21. Jahrhunderts ist.
Leider ist diese Forschung ins Stocken geraten. Nach dem WMAP-Experiment wurde der Planck-Satellit mit einem fortschrittlicheren gestartet Mikrowelle Fernrohr. Er beschaffte fehlende Daten, brachte aber keine grundlegend neuen Erkenntnisse.
Die Kosmologie hat die Möglichkeiten der Methode zur Messung der Reliktstrahlung ausgeschöpft. Daher ist es sehr schwierig, voranzukommen. Aber das ist natürlich: Nach der Revolution erscheint ein Plateau. Neue Durchbrüche müssen warten.
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