#Вселенная

В классической физике принято выделять три агрегатных состояния вещества, хорошо знакомые каждому еще с начальной школы: твердое, жидкое и газообразное. Однако в астрофизике и физике высоких температур этого набора недостаточно.

При очень высоких температурах или под действием интенсивного излучения газ ионизируется: его атомы теряют часть электронов, и вещество превращается в плазму — ионизированный газ, содержащий свободные электроны и ионы.

Именно наличие большого числа заряженных частиц делает плазму особой формой материи. В отличие от обычного газа, она активно взаимодействует с электрическими и магнитными полями, а ее свойства зависят не только от температуры и плотности, но и от того, как заряженные частицы воздействуют друг на друга через эти поля. Благодаря этому плазма может образовывать потоки, волны, нити и другие замысловатые структуры, поскольку ее поведение определяется не только законами газовой динамики, но и действием электромагнитных полей.

На Земле плазма естественного происхождения встречается довольно редко. Преимущественно она сосредоточена в ионосфере — верхней области атмосферы, простирающейся примерно от 60 до 1 000 километров над поверхностью планеты.

Здесь под действием солнечного излучения атомы и молекулы теряют электроны, образуя разреженную плазменную оболочку. Помимо этого, земная плазма возникает при разрядах молний, полярных сияниях и некоторых других высокоэнергетических атмосферных явлениях.

Однако в масштабах Вселенной именно плазма, а не твердые тела, жидкости или обычные газы, является наиболее распространенной формой обычной материи. По современным оценкам, в плазменном состоянии находится от 99% до 99,999% видимой материи во Вселенной. Из нее состоят Солнце и другие звезды, горячие туманности, звездные короны, солнечный ветер и значительная часть межзвездной и межгалактической среды.

Особенно важна роль плазмы в звездах. При экстремально высоких температурах вещество там не может сохраняться в виде обычного газа: атомы теряют электроны, и звездное вещество переходит в ионизированное состояние. Именно в этой плазменной среде протекают термоядерные реакции, благодаря которым звезды светят, а в их недрах синтезируются новые химические элементы. Без плазмы не существовало бы ни самого Солнца в его нынешнем виде, ни звездного нуклеосинтеза, постепенно обогащающего Вселенную элементами тяжелее водорода и гелия.

Плазма лежит и в основе многих процессов, определяющих космическую погоду. Солнечные вспышки, корональные выбросы массы, магнитные бури и потоки заряженных частиц связаны с поведением плазмы и магнитных полей. Поэтому ее изучение важно не только для фундаментальной науки, но и для практики: чем лучше мы понимаем плазменные процессы, тем точнее можем прогнозировать явления, способные влиять на космические аппараты, навигацию, радиосвязь и энергосистемы на Земле.

При этом плазму не только изучают на расстоянии, но и давно используют в земных технологиях — от неоновых ламп и плазменных дисплеев до промышленных резаков, систем обработки материалов и экспериментальных термоядерных установок.

Вот и получается любопытный парадокс: мы живем среди твердых тел, жидкостей и газов, поэтому именно они кажутся нам основой мироздания. Но стоит взглянуть на Вселенную шире, и становится ясно: привычная земная картина — лишь частный и редкий случай. В космических масштабах господствует именно плазма.

15 марта 1955 года ушел из жизни Микеле Анджело Бессо — швейцарско-итальянский инженер и близкий друг Альберта Эйнштейна.

Узнав об отбытии товарища к праотцам, Эйнштейн написал его семье весьма необычное письмо, часть которого была особенно интересной:

"Он покинул этот странный мир немного раньше меня. Это ничего не значит. Для нас, верящих в физику, различие между прошлым, настоящим и будущим — всего лишь упорно сохраняющаяся иллюзия", — такими словами великий физик утешал семью друга.

Чуть больше чем через месяц, 18 апреля того же года, этот "странный мир" покинул и сам Эйнштейн. Похоже, предчувствуя, что его конец уже близко, он попытался в письменной форме выразить свое понимание смерти языком физики.

Что он хотел сказать?

В письме Эйнштейн говорил о времени в контексте своей теории относительности, согласно которой время — не отдельная "река", текущая одинаково для всех. Оно связано с пространством в единое пространство-время, а его ход зависит от скорости и гравитации.

Это породило в физике концепцию "блочной Вселенной": события в прошлом, настоящем и будущем не "исчезают" и не "возникают", а просто занимают свое место в пространстве-времени.

Поэтому фраза Эйнштейна — это завуалированная попытка сказать: смерть не обесценивает жизнь его друга. Их общая история, прожитые моменты с семьей, сам факт жизни и научной деятельности Бессо не "исчезли в никуда" — они просто отныне находятся в других участках пространства-времени, доступа к которым у нас нет.

Время как иллюзия

В теории относительности единого "сейчас" во Вселенной не существует: у разных наблюдателей оно устроено по-разному. Поэтому привычное для всех нас, живущих на Земле, ощущение, что существует только настоящий момент, прошлое исчезло, а будущее еще не наступило, — может быть не фундаментальным свойством природы, а особенностью нашего восприятия реальности и языка.

Именно это и озвучивает Эйнштейн в письме: граница между "было", "есть" и "будет" иллюзорна.

Физик-теоретик, всю сознательную жизнь стремившийся понять устройство мира, в конце жизненного пути сформулировал мысль, которая во многом перекликается с религиями и верованиями разных эпох и народов: жизнь — не мимолетная вспышка, исчезающая бесследно, а факт, который вписывается в летопись Вселенной. И хотя для нас граница между "было", "есть" и "будет" кажется непреодолимой — по меркам Вселенной она условна. Ничто по-настоящему не исчезает, и прожитая жизнь не стирается — она остается фактом мира, но просто не в нашем "сейчас".

Важно отметить, что это скорее философский вывод из физической картины мироустройства, а не научное доказательство "жизни после смерти".

Перед вами солнечная фотосфера — видимая "поверхность" звезды, предстающая в виде плотной мозаики из светлых гранул и темных промежутков между ними. Именно так в сверхвысоком разрешении выглядит поверхность нашего светила, где раскаленная плазма непрерывно поднимается из глубин и переносит энергию наружу.

Поверхность Солнца в сверхвысоком разрешении / © J. Sanchez Almeida (IAC), SST, APOD/NASA

Светлые гранулы на изображении — это вершины гигантских конвективных ячеек. В центре таких структур находится наиболее горячая поднимающаяся плазма, а по краям — остывающее вещество, плотность которого возрастает, из-за чего оно вновь опускается в глубину. Поэтому границы между гранулами выглядят темнее: там плазма холоднее, плотнее и движется вниз. Все это — прямое проявление бурной солнечной конвекции, которая никогда не прекращается.

Особого внимания заслуживают крошечные яркие точки в темных межгранульных промежутках. Это не артефакты съемки, а области очень сильных локальных магнитных полей. Они выглядят ярче потому, что магнитное давление меняет структуру плазмы, позволяя нам увидеть более глубокие и горячие слои звезды, лежащие ниже фотосферы. Именно поэтому на снимке эти участки выделяются как маленькие сверкающие "искорки" среди более темной сетки.

Белая линия в нижней левой части кадра показывает масштаб: ее длина составляет 5 000 километров. На изображении ниже я добавил Землю в ее реальном размере относительно этого снимка, чтобы вы могли еще нагляднее оценить, насколько крошечные по меркам Солнца элементы на деле имеют колоссальные размеры в масштабах нашей планеты. Отдельные солнечные гранулы сопоставимы по размерам с территориями крупных государств.

© J. Sanchez Almeida (IAC), SST, APOD/NASA

Снимок был получен в сентябре 2007 года с помощью Шведского 1-метрового солнечного телескопа (англ. SST — Swedish 1-m Solar Telescope) на испанском острове Ла-Пальма. Этот инструмент, установленный в обсерватории Роке-де-лос-Мучачос, является одним из наиболее эффективных наземных солнечных телескопов в мире. Высочайшая детализация достигается не только благодаря современной адаптивной оптике, но и за счет сложной компьютерной обработки, которая позволяет компенсировать искажения, вызванные земной атмосферой.

Такие наблюдения позволяют ученым буквально видеть физику звезды в действии. Чем точнее наше понимание поведения плазмы и магнитных полей на Солнце, тем лучше мы можем разобраться в природе солнечных вспышек, корональных выбросов массы и других явлений космической погоды. В перспективе это помогает совершенствовать прогнозы событий, способных нарушить работу спутников, навигации, радиосвязи и даже вывести из строя наземную инфраструктуру.

23 февраля 1987 года. В карликовой галактике Большое Магелланово Облако, расположенной на расстоянии около 160 000 световых лет от нас, вспыхнула сверхновая SN 1987A.

Но за три часа до первого света, донесшего информацию о взрыве массивной звезды, на Землю прибыли нейтрино*.

*Нейтрино — класс нейтральных фундаментальных частиц, участвующих только в слабом и гравитационном взаимодействиях.

Нейтрино долетели до нас быстрее света? Да. И это не ошибка. Дело в том, что в момент коллапса звезды ядро испускает нейтрино, которые проходят через внешние слои, как сквозь пустоту. Свет же задерживается, потому что ему нужно время, чтобы "пробиться" через взрывающуюся оболочку. Вот и получается, что нейтрино, наделенные возможностью миновать препятствия, опережают свет, но не превышают скорость света.

В тот день земные детекторы поймали 24 нейтрино. Это подтвердило, что наше понимание механизма звездных взрывов абсолютно верно.

Сегодня нейтрино продолжают выступать в роли наших информаторов, способных доносить вести о космических катастрофах раньше, чем свет.

Это одно из самых выразительных изображений атмосферы Юпитера, полученное космическим аппаратом NASA "Юнона", который работает в системе газового гиганта с 4 июля 2016 года. На снимке видны сразу несколько разноразмерных вихревых структур, окруженных клубящимися облачными потоками, которые закручиваются в сложный, почти гипнотический узор.

Этот кадр показывает, насколько атмосфера крупнейшей планеты Солнечной системы в действительности далека от того кажущегося однообразия при наблюдении с большого расстояния. Юпитерианская атмосфера — это не просто полосы и пятна, а гигантская подвижная система, где сталкиваются струйные течения, рождаются, взаимодействуют и сливаются вихри, а облачные массы непрерывно меняют форму.

Но у таких изображений не только эстетическая ценность: они помогают ученым лучше понять, как в атмосфере Юпитера перераспределяются тепло, вещество и энергия. Это дает возможность уточнять наши модели строения и эволюции газовых гигантов как в Солнечной системе, так и далеко за ее пределами. А это, в свою очередь, играет важную роль в поисках потенциально обитаемых экзопланет, поскольку газовые гиганты во многом формируют облик своих планетных систем: влияют на распределение вещества, эволюцию орбит, поведение малых тел и, как следствие, на условия, в которых могут возникать и сохраняться пригодные для жизни миры.

Снимок был получен 24 мая 2018 года.

В созвездии Треугольника, на расстоянии около 2,4 миллиона световых лет от Земли, находится одна из самых завораживающих структур ближнего космоса — туманность NGC 604. Она расположена в галактике Треугольник (M 33), входящей в Местную группу вместе с Млечным Путем и Андромедой.

NGC 604 представляет собой гигантскую область ионизированного газа, которая светится под воздействием мощного ультрафиолетового излучения звезд. По своим размерам она примерно в 50 раз превосходит знаменитую туманность Ориона в нашей Галактике, простираясь почти на 1 500 световых лет.

Внутри NGC 604 наблюдается чрезвычайно бурное звездообразование. Астрономам удалось идентифицировать более 200 молодых и в то же время уже "пожилых" по меркам массивных звезд светил, большинство из которых в десятки раз тяжелее Солнца.

Эти звездные гиганты живут ярко, но недолго: их возраст составляет "всего" 3-5 миллионов лет, тогда как продолжительность жизни таких объектов обычно не превышает десяти миллионов лет — мгновение по космическим меркам.

Специфический зеленоватый оттенок NGC 604 связан с излучением дважды ионизированного кислорода. Жесткое ультрафиолетовое излучение горячих звезд выбивает электроны из атомов газа, заставляя его светиться. Температура внутри туманности составляет примерно 10 000 градусов Цельсия, а мощные звездные ветры, скорость которых достигает десятков километров в секунду, выдувают в окружающем веществе огромные полости и пузыри.

Это способствует фрагментации газопылевых облаков, их постепенному остыванию, сжатию и превращению в протозвезды — звезды на начальном этапе эволюции.

NGC 604 — уникальная природная лаборатория, позволяющая изучать рождение, эволюцию и гибель одних из самых массивных звезд во Вселенной. Благодаря этому уточняются модели звездообразования и эволюции галактик, а значит, и наше понимание космического пространства.

В мозге среднестатистического человека около 100 триллионов синапсов — соединений между нейронами, которые передают нервные импульсы и химические сигналы. Вся эта вычислительная мощность умещается в небольшой черепной коробке объемом 1200–1400 кубических сантиметров.

В Млечном Пути, простирающемся на 100 000 световых лет, насчитывается от 100 до 400 миллиардов звезд. Выходит, что число связей в нейронной сети одного человека в сотни раз превышает количество звезд в целой галактике!

Каждый синапс способен передавать импульсы с частотой до нескольких сотен раз в секунду. В любой момент времени — даже когда вы спите — миллиарды нейронов обмениваются сигналами. Во время бодрствования нейронная сеть мозга обрабатывает информацию от органов чувств, управляет движениями, фокусирует внимание, помогает извлекать воспоминания и порождает мысли. Во сне активность не выключается: мозг перерабатывает пережитое, сортирует полученные знания, укрепляет память, регулирует эмоции и поддерживает работу жизненно важных систем.

Галактика против мозга

Звезды в галактике — отдельные объекты, разделенные колоссальными расстояниями. Несмотря на их гравитационное взаимодействие друг с другом, они все же не образуют плотную сеть связей. Мозг устроен иначе: все упаковано очень плотно, и каждый нейрон тесно связан с тысячами других, что вкупе приводит к формированию сложнейшей паутины коммуникаций.

И эта паутина постоянно меняется. Одни связи усиливаются, другие ослабевают, старые исчезают, а их место занимают новые. Это называется нейропластичностью — способностью мозга адаптировать нейронные связи под опыт, обучение и даже травмы.

Ученые давно мечтают смоделировать работу всего человеческого мозга, а не его отдельных участков, но это все еще невозможно из-за отсутствия необходимых вычислительных мощностей. Даже самые мощные суперкомпьютеры способны симулировать лишь крошечную часть процессов — и то с огромными упрощениями.

Маленький, да удаленький

Мозг — одна из самых сложных известных структур во Вселенной. Да, галактики и даже галактические скопления огромны, но они довольно предсказуемы и без особых проблем поддаются моделированию. Мозг, несмотря на его крошечность в космических масштабах и доступность для прямого исследования, все еще остается очень плохо изученной структурой с невероятно сложной внутренней организацией.

При должном подходе мозг человека способен постичь целую Вселенную, понять законы природы, рождать гениальные идеи, менять через тело окружающий мир и создавать произведения искусства, которые останутся в истории на века.

Прямо сейчас, читая эти строки, в вашей голове разворачивается процесс, по сложности сопоставимый со всем, что происходит в целой галактике. Каждый из вас — космос.

Туманность Розетка — область активного звездообразования в созвездии Единорога, где гигантские облака водорода и пыли под действием гравитации сжимаются, формируя новые светила.

Перед вами составное изображение центральной области Млечного Пути, созданное на основе наблюдений в радио- и рентгеновском диапазонах.

В таком виде галактическое ядро предстает чрезвычайно активной областью, наполненной раскаленным газом, плотными пылевыми облаками и следами мощных энергетических процессов.

В центре нашей Галактики царят одни из самых экстремальных условий, какие только можно представить. Здесь находятся протяженные газовые структуры, нагретые до миллионов градусов, остатки звездных взрывов и сверхмассивная черная дыра Стрелец A*, связанная с ядром Млечного Пути.

Особую выразительность этому изображению придают гигантские вытянутые структуры, поднимающиеся над центральной областью. Они наглядно показывают, что процессы в галактическом ядре могут влиять на окружающую среду на расстояниях в сотни световых лет.

Составные изображения дают возможность увидеть более полную картину мира, большая часть которой скрыта от наших органов чувств. Обходя эти ограничения с помощью технологий, ученые лучше понимают эволюцию галактик, а значит — и Вселенной в целом.

Изображение было обнародовано 4 июня 2018 года.

В ходе пилотируемой миссии NASA "Артемида-2" был сделан впечатляющий снимок лунного затмения, который озадачил многих. Все дело в том, что темный диск Луны усеян множеством ярких точек, создающих впечатление, будто на ее поверхности горят огни — если не целых городов, то как минимум баз постоянного присутствия людей. Но все куда прозаичнее.

На самом деле эти светящиеся точки — не реальные источники света на Луне. Это так называемые горячие пиксели — артефакты, возникающие на матрице цифровой камеры. Чтобы получить качественный снимок затмения в условиях крайне низкой освещенности, камеру настроили на высокую светочувствительность. Большое значение параметра ISO, определяющего чувствительность сенсора к свету, позволило запечатлеть детали в темноте, но одновременно усилило цифровой шум — случайные светлые точки, появляющиеся на изображении.

Однако в космосе на фотосъемку влияет еще один фактор, с которым люди на Земле почти не сталкиваются, — космические лучи. Это потоки высокоэнергетических частиц, главным образом протонов и ядер атомов, которые непрерывно пронизывают космическое пространство. Часть из них приходит от Солнца, часть рождается при вспышках сверхновых и других мощных процессах далеко за пределами Солнечной системы. Пройдя через корпус космического корабля "Орион" и матрицу камеры, они оставили энергетические следы на сенсоре. Каждый такой след выглядит как яркая точка на снимке.

Для аппаратуры это в основном источник незначительных помех и редких сбоев, а для человека при длительном воздействии — серьезный фактор риска: космическое излучение повреждает клетки и ДНК, повышает вероятность рака, катаракты и может приводить к нарушениям в работе нервной и сердечно-сосудистой систем. Кстати, фантазеры, рассуждающие о колониях на Луне, Марсе и у черта на куличках, почему-то этот фактор обходят стороной.

Мы, живя на Земле, защищены от большей части космических лучей благодаря плотной атмосфере и магнитосфере. Поэтому астрофотографы с подобной проблемой почти не сталкиваются. Но в открытом космосе высокоэнергетические частицы воздействуют на аппаратуру гораздо сильнее. Чем дольше выдержка и выше светочувствительность камеры, тем заметнее этот эффект. Именно поэтому на снимке затмения от "Артемиды-2" оказалось так много ложных световых точек.

Таким образом, этот кадр, несмотря на всю его эстетическую привлекательность, служит важным напоминанием о том, насколько суровы и опасны условия за пределами нашей родной планеты.