При поддержке
Лед комет скрывает жизнь
Рассказывает Арсений Гавдуш
Старший научный сотрудник лаборатории широкополосной диэлектрической спектроскопии отдела субмиллиметровой спектроскопии Центра лазерной физики и фотоники института общей физики имени А. М. Прохорова РАН
АХАХАХ,
девчонки
девчонки
— Ну-к сюда подошел
А я буду создавать космос в лаборатории!
А я — снежинкой!
Я буду зайкой!
Наблюдения с помощью телескопов лишь вначале порождают больше знаний, чем вопросов.
Мы воссоздаём условия из космоса в лабораториях на Земле! Не все, конечно, но многие. Это очень удобно: не надо каждый раз туда летать, в конце концов. Только не говорите об этом Константину Эрнсту и Пересильд.
Нет, интересно! Основное направление моей текущей работы — лабораторная астрофизика: это оксюморон. Как древнегреческий интернет, средневековая крипта или доброе утро… Утро и доброе, это же нонсенс!
Я занимаюсь получением и обработкой экспериментальных спектроскопических данных в Институте общей физики.
И в разных лабораториях на Земле создаются условия температуры, давления, которые мы можем встретить в космосе. А уже в этих условиях проводятся исследования. Конечно, мы не можем все изучить в лаборатории и с невесомостью никак не поработаем. Но важные составные части — вполне изучим.
Представьте, что вы такой теоретик и смотрите на сложные и многоступенчатые формулы. И ответ очень сильно зависит от численных значений. Вот простой пример: представьте на секунду, что ускорение свободного падения стало равно не 9,8, а 5 м/с2. Да, кто‑то пожал плечами, потому что и про 9,8 не вспомнил.
Эксперименты, результаты которых я обрабатываю, очень нужны астрофизикам-наблюдателям и астрофизикам-теоретикам. Они хотят понимать, на что они смотрят в телескопы и как будут развиваться глобальные процессы во Вселенной.
Представьте: у вас в руках телескоп и вы смотрите на небо. А вы точно можете сказать, что именно вы видите? Звезды, тёмные куски неба… А из чего они состоят? Тёмная материя? Нет. Скорее всего, это космическая пыль.
А вот ваш вес стал бы в два раза меньше без каких‑либо диет и спортивных упражнений. Вот, смотрю, женская половина аудитории заинтересовалась. Слишком не обольщайтесь, масса все равно не изменится.
Сложно?
А почему? А потому что вес измеряется в Ньютонах, а масса — в килограммах. На поверхности Земли вес и масса более-менее совпадают из-за ускорения свободного падения в 9,8 м/с2. Но на других космических телах ускорение иное и от этого вес будет меняться, хотя масса останется прежней.
5 м/с2 — с таким ускорением свободного падения космонавт с массой в 100 кг весил бы половину от своей сотни. И мог бы вприпрыжку забивать с одной руки в кольцо. Ближе всего к такой конфигурации планеты Марс и Меркурий — там ускорение свободного падения равно ~3,8 м/с2. Тогда как на Юпитере наш герой бы весил 244 кило. Вот для того никто и не хочет осваивать Юпитер!
Как называется исследование взаимодействия света с веществом?
| Дальше |
| Узнать результат |
В нашей Вселенной очень большая часть вещества представлена…
| Дальше |
| Узнать результат |
Какие из этих соединений можно обнаружить как льды в космосе?
| Дальше |
| Узнать результат |
Среди газопылевых облаков есть самые знаменитые
| Дальше |
| Узнать результат |
Из чего и за сколько времени сформировалась наша Солнечная система?
| Дальше |
| Узнать результат |
Ой-ой-ой. Кажется, кто-то запутался в лекарствах и должен посмотреть выступление спикера снова.
Поздравляем! Почти победа! Чтобы окончательно и бесповоротно разобраться в нефи — посмотри выступление Марии или прочти краткий текст
БРАВО! За лекарства можно не волноваться.
Та елки-палки!
— Есть че?
— Ага
Алмаз, он же углерод, он же карандаш
Все объекты вокруг нас по‑разному реагируют на свет. И вампиры здесь ни при чем. Свет можно отражать и поглощать, пропускать, рассеивать. Вот смотритель маяка сигналит светом кораблям и может получить от них ответ.
А мне объекты отвечают редко. Обидно…
Но вернёмся. Моя деятельность часто сводится к обработке спектроскопических экспериментальных данных. Что это такое и как их получить?
А теперь про путь к астрофизике. Мне всегда было интересно разнообразие в жизни. Родители, профессиональные музыканты, заложили во мне тягу к прекрасному — и я до сих пор очень серьёзно увлечён музыкой, играю на фортепиано, гитаре и вистле (не путайте с рекой в Польше, это такая народная флейта). А вот за системность мышления я должен сказать спасибо моему дедушке, профессору.
Однако отмотаем немного назад, и — как же я здесь оказался? Да очень просто, доехал на метро, как и вы. Вышел на Сухаревской из 4-го выхода и повернул направо.
А они сильно зависят от внешних условий, таких как температура и давление. Ведь и алмаз, и графит — это углерод, но вы же не предлагаете своей девушке надеть в качестве украшения карандаш!
Что же мы получим в результате спектроскопии? Например, сможем узнать диэлектрические свойства изученных объектов.
За все это взаимодействие вещества и света и отвечают показатель преломления и диэлектрическая проницаемость вещества.
Исследование взаимодействия света с веществом и называется спектроскопией.
И самый известный прием спектроскопии в искусстве — это обложка альбома Dark side of the Moon группы Pink Floyd, где призма раскладывает белый свет на спектр — она же по-научному дисперсия света.
Посветили на чёрную и матовую поверхность — свет поглотился,
Просветили сквозь призму — свет рассеялся.
Посветили вы на зеркало — свет отразился
Можете ещё кошке в глаз засветить, она вас поцарапает, потому как сложный и неоднородный биологический объект.
Все ответы о жизни во Вселенной скрыты во льдах…
Всего мы можем насчитать не менее чем 180 различных молекулярных составов льда.
Но какие именно объекты нас будут интересовать в первую очередь? Мы знаем, что во Вселенной очень большая часть вещества представлена льдами. Нет, не теми льдами, что в вашем бокале.
Но почему астрофизика «лабораторная»? Чтобы в «тепличных» условиях можно было сформировать базы данных для последующей интерпретации астрономических наблюдений.
Вот вы читаете и думаете, а при чем же здесь лабораторная астрофизика? Так телескопы тоже про взаимодействие — электромагнитного излучения самых разных частот с веществом во Вселенной.
Зная их физические и химические свойства, исследуя их происхождение и эволюцию, можно дать ответы и на ключевые вопросы астрофизики самого разного масштаба!
От эволюции газопылевых облаков в новые звёздные системы, как и Солнечная (только она уже старая), до вопросов о возникновении жизни на Земле и во Вселенной.
Там льды воды, азота, кислорода, аммиака, угарного и углекислого газов (о них вы тоже могли слышать, если слышали, что бывает «сухой лед»), спиртов…
Каждый космический объект может поглощать, излучать, рассеивать свет, и излучает он его в терагерцовом диапазоне, согласно кривой Планка. Как та планка, в которой вы стоите
В астрофизике вещества с температурами замерзания составляют примерно 100 Кельвинов (или -173,15 °C)
Собственно, за это Уран и Нептун в Солнечной системе называют ледяными гигантами.
Азотные, кислородные, аммиачные и водяные льды в разных пропорциях существуют в атмосферах Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна.
При этом, такое излучение (в отличие от рентгеновского) для человека совершенно безопасно. Сканеры в терагерцовом диапазоне уже много лет используются в аэропортах разных стран.
Терагерцовое излучение — это диапазон невидимых электромагнитных волн, которые по спектру расположены между инфракрасным и микроволновым излучением. Для спецслужб всего мира, например, терагерцовое излучение ценно тем, что способно как бы «просвечивать» одежду на пронос запрещённых предметов.
Вот и съемочной группе стало повеселей!
Замерзая, молекулы воды выстраиваются в точно такую же шестиугольную форму, что и падающие с неба снежинки. Неудивительно: и там, и там вода.
☝
👉
👉
👉
Даже облако может эволюционировать, а чего добился ты?
Эти облака по своим размерам значительно превышают размеры Солнечной системы.
В космическом пространстве есть такие масштабные объекты, как газопылевые облака.
В них есть газ, пылевые силикатные частицы (почти как осколки стекла или песка, только и ни то, и ни другое) с мантиями льда (просто-напросто намороженным льдом) на них.
В них есть газ, пылевые силикатные частицы (почти как осколки стекла или песка, только и ни то, и ни другое) с мантиями льда (просто-напросто намороженным льдом) на них.
Кстати, среди этих газопылевых облаков есть очень известные по своим фотографиям, например «Столпы творения».
Рассмотрим одну из наших задачек.
А эти параметры зависят от молекулярного состава, где и нужны полученные нами данные. А то окажется, что облако ещё слишком горячее и «пока не готово к эволюции в звёздную систему». И конечно, мы не знаем, есть ли ещё жизнь в космосе, но можем довольно точно предсказать, где она может зародиться, если подождать всего пару сотен миллионов лет.
Тем лучше для начала этого процесса
И одновременно чем меньше температура этого облака
И чем больше его масса
Чем больше размер облака
Газопылевые облака Столпы Творения в туманности Орёл, в галактике Млечный Путь примерно в 7 000 световых лет от Земли.
Атомы кислорода светятся синим, атомы водорода — зеленым, атомы серы — красным.
Не столпотворение в метро в час пик, а Столпы творения.
Нет у них мамы-галактики, которая скажет, что «часики‑то тикают». Вот наша Солнечная система, по оценкам, всего‑то за 30 миллионов лет сформировалась из такого облака. С погрешностью в пару миллионов лет.
А ещё они эволюционируют, и могут это делать весьма быстро — через жалкие сто тысяч лет такое облако может стать новой звёздной системой. Впрочем, так могли только первые звезды, у современных обычно задержанное развитие — им потребуется до миллиарда лет.
Впрочем, для астрофизиков интереснее не то, как долго этот процесс протекает, а то, будет ли он вообще протекать
Через жалкие сто тысяч лет мы узнаем ответ
Чтобы получить эти знания, научные группы из разных стран работают совместно, потому что они важны для всего человечества!
Я не буду вдаваться в технические, физико-математические и инженерные подробности, но это гелиевый криостат замкнутого цикла, в котором и растут наши льды.
А сейчас я просто предлагаю посмотреть на фотографию и пару красивых рисунков.
И если вы думаете, что обработка экспериментальных данных — скучное и предсказуемое дело, знайте: это очень экспериментальный процесс. Иногда почти искусство!
Поверьте мне на слово, эти линии и пики у разных льдов разные, это связано с особенностями строения вещества. И эти результаты нам и помогут сказать — будет ли эволюционировать звёздная система или нет.
И сами результаты: вот они, оптические свойства двух различных льдов.
К проблеме исследования льдов в космическом пространстве очень серьёзно относятся в научном сообществе. Мы тесно сотрудничаем с Институтом внеземной физики общества Макса Планка, и наши результаты вносят важный вклад в лабораторную астрофизику!
Рок-звезды российской науки
При поддержке
В спецпроекте использованы мемы и изображения из свободных источников (NASA, портрет Исаака Ньютона кисти Готфрида Книллера, Портрет девушки с карандашом кисти Аньоло Бронзино), платные изображения: Артур Новосильцев/Агентство городских новостей «Москва», Владимир Веленгурин/«КП» — Москва, E2.art.lab/Shutterstock/Fotodom, Stefan. Simonovski/Shutterstock/Fotodom, Triff/Shutterstock/Fotodom, Alexei Tacu/Shutterstock/Fotodom, Retouch man/Shutterstock/Fotodom, Valentina Razumova/Shutterstock/Fotodom, Hayati Kayhan/Shutterstock/Fotodom, Andrew Zarivny/Shutterstock/Fotodom, wedmoments. stock/Shutterstock/Fotodom, Ja Het/Shutterstock/Fotodom, Andrii_K/Shutterstock/Fotodom, Valentina Shilkina/Shutterstock/Fotodom, Undrey/Shutterstock/Fotodom, jose m feito/Shutterstock/Fotodom, Alexey Kljatov/Shutterstock/Fotodom, 3divan/Shutterstock/Fotodom, а также кадры из фильмов «Настоящий Человек-паук» (1966—1968. Marvel Comics Group, Krantz Films. Авторы идеи: Стэн Ли, Стив Дитко), «Хэллоуин Хьюби» (2020. Happy Madison Productions. Сценарий: Тим Херлихи, Адам Сэндлер. Режиссер — Стивен Брилл. Композитор — Руперт Грегсон-Уильямс), «Москва слезам не верит» (1978. Мосфильм. Сценарий — Валентин Черных. Режиссер — Владимир Меньшов. Композитор — Сергей Никитин), «Сумерки» (2008. Goldcrest Pictures, Imprint Entertainment, Maverick Films, Summit Entertainment, Temple Hill Entertainment, Twilight Productions. Сценарий: Мелисса Розенберг, Стефани Майер. Режиссер — Стивен Брилл. Композитор — Картер Бёруэлл), «Симпсоны» (1989—… 20th Television Animation, The Curiosity Company, Fox Television Animation, Gracie Films. Автор идеи: Мэтт Гроунинг).