Силы света: как путешествовать через вещество?

Почему стекло прозрачное, а металл и кирпич — нет? Почему зеркало отражает? Почему сквозь матовое стекло проникает свет, но ничего не видно? Разберемся в непростом вопросе: как вещество действует на падающий на него свет.

Простой, казалось бы, вопрос: как свет проходит через оконное стекло и почему он не проходит через стену? Чтобы понять это, нам придется углубиться в строение вещества и самого света.

Свет — это волны

О свете можно говорить на двух языках: как о потоке частиц света (фотонов) и как об электромагнитных волнах. Первый язык более точен, чем второй, но гораздо более сложен. Фотон в веществе — отнюдь не шарик или мячик. Законы его поведения сложны, не до конца еще изучены и плохо поддаются изложению на обыденном языке. Поэтому оставим в покое дебри квантовой оптики и поговорим о свете как о волнах.

Вспомним, что вещество состоит из атомов. У каждого атома есть положительно заряженное ядро и кружащие вокруг него отрицательно заряженные электроны. Отрицательные заряды притягиваются к положительным, поэтому ядро притягивает электроны, не давая им разлететься.

Как заряженные частицы могут притягиваться или отталкиваться на расстоянии, не касаясь друг друга? Дело в том, что они окружены электрическим полем. Электроны погружены в поле ядра, и это поле притягивает их к ядру. Образно говоря, электрические поля — это длинные руки, которые заряды протягивают друг другу, чтобы взаимодействовать.

Электрическое поле есть не только у заряженных частиц, но и у света. Дело в том, что свет — электромагнитная волна. Другими словами, он состоит из колеблющегося электрического и магнитного поля. Магнитного поля света мы здесь касаться не будем, а вот об электрическом поговорим подробнее.

Электромагнитные волны во многом похожи на волны в воде от брошенного камня. Бросим камень в воду и зафиксируем взгляд на какой-нибудь торчащей из воды былинке. Ее поочередно будут накрывать гребни и впадины. Точно так же атом, попавший под световую волну, будут накрывать «гребни», где электрическое поле очень сильное, и «впадины», где оно такое же сильное, но противоположно направленное. Правда, в случае света гребни и впадины будут сменять друг друга очень часто: сотни триллионов раз в секунду!

Грузики и пружинки

Что при этом произойдет с атомом? Вспомним, что электрическое поле действует на заряженные частицы, притягивая их или отталкивая. Эта сила со стороны света будет действовать и на ядро, и на электроны. Но ядра тяжелее электронов в тысячи, а то и сотни тысяч раз, их так просто с места не сдвинешь. А вот электроны начнут колебаться в такт волне.

Однако притяжение между электроном и ядром никуда не денется. Волна будет утаскивать электрон с его законного места, а ядро притягивать его обратно. В результате электрон будет колебаться, но не как поплавок на поверхности озера, который всецело во власти волны. Скорее, он будет похож на подвешенный на пружине грузик, за который ритмично тянут вверх-вниз. Здесь пружина — это притяжение к ядру, а тянущая рука — раскачивающая электрон световая волна.

Дальше начинается самое интересное. Колеблющийся электрон сам станет источником света! Таков уж закон природы, что колеблющаяся заряженная частица испускает электромагнитные волны. Физики называют эти волны вторичными, чтобы отличить их от первичной волны, которая накрыла атом и заставила электрон колебаться.

Конечно, под светом одного атома книжку не почитаешь. Но атомов много, очень много. В стекле вашего окна их больше, чем стаканов воды в Мировом океане. И во всех атомах, попавших под световую волну, электроны колеблются и излучают вторичные волны.

Коллективная прямота

Эти вторичные волны накладываются друг на друга. Это не всегда значит, что они становятся сильнее. Если гребень второй волны накладывается точно на гребень первой (говорят, что эти волны в фазе друг с другом), то они усиливают друг друга. Если же гребень второй волны попадает точно на впадину первой (эти волны в противофазе), то они сглаживают, ослабляют друг друга. Две строго одинаковые волны в противофазе компенсируют друг друга полностью, как будто никаких волн нет вообще. Нам еще придется вспомнить об этом ниже!

Получается сложная картина. Каждый отдельный атом излучает вторичные волны во всех направлениях. Но волны от разных атомов накладываются друг на друга, где-то в фазе, где-то в противофазе, а где-то «серединка на половинку». В результате где-то волны вообще компенсируют друг друга и исчезают, а где-то усиливаются.

У физиков есть способ рассчитать, что получается, когда друг на друга накладываются вторичные волны от всех бесчисленных атомов. Правда, он требует высшей математики, так что здесь вам придется поверить ученым на слово, даже если результат покажется очень странным. А он действительно поразителен: получается… свет, идущий сквозь вещество по прямой. Не во все стороны, а строго по прямой линии.

Силы света: как путешествовать через вещество?
Дым рассеивает свет / (с) StockSnap / Pixabay

Рассеяние света: ах, какой рассеянный!..

Правило «свет движется по прямой» не работает для матового стекла, задымленного воздуха и прочих мутных сред. В таких веществах световая волна то и дело наталкивается на препятствия: пузырьки воздуха в стекле, частицы дыма в воздухе и так далее. Из-за этого она постоянно меняет направление. В мутной среде свет рассеивается: беспорядочно движется во все стороны. Изображение становится похоже на пазл, кусочки которого перемешали и разбросали. Именно поэтому сквозь матовое стекло ничего не видно (что весьма уместно в некоторых ситуациях!). Поэтому же непрозрачна груда мелких осколков разбитого стекла: границы между осколками тоже рассеивают свет.

Силы света: как путешествовать через вещество?
Преломление света искажает видимую форму карандаша / (с) ScienceGiant / Pixabay

Преломление света: поворот в пути

Вернемся к прозрачному оконному стеклу. Если первичная волна падала под прямым углом к поверхности стекла, то точно так же будет двигаться и свет в веществе, порожденный вторичными волнами. Если же она падала под любым другим углом, свет, попав в вещество, несколько изменит направление. Это называется преломлением света.

Одни прозрачные вещества преломляют свет сильнее, другие слабее. Это зависит, во-первых, от плотности: чем теснее расположены атомы, тем сильнее преломляется свет. Стекло плотнее воды, поэтому преломление в стекле заметнее. Во-вторых, атомы тоже бывают разные. Выше мы сравнивали электрон, колеблющийся под действием световой волны, с грузом на пружине. Но пружины бывают разной длины и жесткости. Так и атомы различаются расстоянием от электрона до ядра и силой притяжения между ними. От этого зависит, какие вторичные волны будут излучаться и в конечном итоге — как будет преломляться свет.

Силы света: как путешествовать через вещество?
Под стеклом зеркала скрывается отражающий слой металла / (с) Holger Detje / Pixabay

Отражение света: мир в зеркалах

Все предметы, прозрачные и непрозрачные, хоть немного отражают свет. Только благодаря тому, что отраженный свет попадает нам в глаза, мы их и видим. Кстати, предметы, отражающие много света, мы воспринимаем как светлые, а почти ничего не отражающие — как темные. В жаркий день надевайте светлый головной убор, чтобы не напекло голову!

Откуда берется отраженная световая волна? Теперь, когда мы познакомились с колеблющимися электронами, легко дать ответ. Вторичные волны от каждого атома на поверхности вещества идут во всех направлениях, как вглубь вещества, так и наружу. Те, что идут внутрь, образуют свет в веществе, а те, что идут наружу,— отраженный свет.

Раз предметы отражают свет, почему мы не видим в них своего отражения? Во-первых, они отражают не весь свет, а только часть, и обычно небольшую. Но даже в свежем снегу, отражающем 90% падающего света, не полюбуешься своим отражением. Он слишком неровный: каждый крошечный участок поверхности представляет собой зеркальце, отражающее свет в собственную сторону. Чтобы поверхность стала единым зеркалом, она должна быть очень гладкой.

Лучшие зеркала получаются из металлов. В больших настенных зеркалах свет отражается от тончайшего слоя серебра, прикрытого прозрачным стеклом. В дешевых карманных зеркалах отражающий слой часто делают из алюминия.

Почему именно металлы так хорошо отражают свет? Дело в том, что в металлах есть свободные электроны. Они не прикреплены к конкретному атому, а свободно путешествуют по всему объему вещества. Эти электроны, не сдерживаемые ядрами, колеблются с большим размахом. Неудивительно, что они порождают сильные вторичные волны. Как мы помним, часть этих волн идет наружу, а часть внутрь вещества.  Волны, идущие наружу, это и есть отраженный свет. А вот волны, идущие вглубь металла, находятся в противофазе с падающей волной и почти полностью гасятся (почему именно в противофазе, сложно объяснить без привлечения математики, просто поверьте).  Поэтому металлы хорошо отражают свет, но очень непрозрачны.

Почему же тогда железный гвоздь, алюминиевая ложка или серебряный крестик — это не зеркало? Потому что гвоздь покрыт оксидом железа, ложка — оксидом алюминия, а крестик — оксидом серебра. Оксиды — это уже не сами металлы, и они гораздо хуже отражают свет.

Поглощение света: исчезнуть без следа

Кстати, о непрозрачности. С металлами мы уже разобрались, а вот куда девается свет, падающий, например, на кирпичную стену? Небольшая часть отражается от нее, а остальной свет поглощается. Что такое поглощение и как оно работает?

Представим, что пружина, на которой подвешен груз, очень тугая. Тогда груз не очень-то раскачаешь: все усилия будут уходить на то, чтобы хоть чуть-чуть растянуть пружину! Так и в атомах непрозрачных веществ — кроме металлов — электроны связаны с ядрами так прочно, что почти не колеблются (а об особой природе непрозрачности металлов мы говорили выше). Падающая световая волна растрачивает свою энергию, пытаясь сдвинуть их с места, и сходит на нет. Эта энергия переходит в тепло, нагревающее вещество.

Вот какие разные и удивительные вещи происходят, когда свет падает на вещество!

Чилийские игнимбриты объяснили поведение супервулканов перед извержениями

Британские и американские геологи изучили породы чилийского супервулкана Оксайя и разработали модель поведения таких вулканов перед извержениями. Возраст цирконов и санидинов из миоценовых игнимбритов указал на разрыв в 4,6 миллиона лет между началом внедрения магмы в кору и первым суперизвержением Оксайя. Представленная модель объяснила, что магма копилась в коре несколько миллионов лет, а затем быстро переместилась на небольшую глубину, разрушая образовавшиеся ранее породы. Магматические очаги будущих суперизвержений росли всего пару тысяч лет. Исследование опубликовано в Nature.

Разрушительные извержения, которые вызывают глобальные изменения климата, часто имеют приставку «супер». Они выбрасывают более 1000 кубических километров пепла и способны вызвать похолодание в планетарном масштабе. Несмотря на катастрофические последствия, суперизвержения случаются сравнительно редко — каждые 20 000 лет на Земле происходит только один такой взрыв. Чтобы понять предпосылки и последствия суперизвержений, геологи обращаются к горным породам. Суперизвержениям предшествуют долгие периоды внедрения в кору крупных магматических тел, интрузий. Такое предположение было сделано в первую очередь на основе данных моделирования, но доказательств ранее не хватало.

Группа исследователей из Великобритании и Соединенных Штатов под руководством Марит ван Залинге (Marit van Zalinge) из Бристольского университета решила изучить эволюцию магматических систем супервулканов на примере провинции Оксайя. Она расположена в Центральных Андах на севере Чили и включает в себя игнимбриты миоценового возраста. Это мощные толщи обломков, которые осели из пепловых туч и спеклись. Объем чилийских игнимбритов превышает 2000 кубических километров. Геологи отобрали породы и продатировали аргон-аргоновым методом десятки фрагментов санидина, а с помощью уран-свинцового метода — кристаллы циркона. Затем для интерпретации данных была разработана модель внедрения магмы и роста интрузива за счет деформации коры.

Датировки санидина и циркона показали, что супервулкан Оксайя просуществовал почти восемь миллионов лет. Самыми древними в чилийских игнимбритах оказались унаследованные от родоначального расплава цирконы. Их возраст около 27,3 миллиона лет. Первое суперизвержение произошло 22,7 миллиона лет назад, последнее — 19,6 миллиона лет назад, то есть возраст отдельных кристаллов оказался на несколько миллионов лет старше первого извержения. Ученые утверждают, что такая ситуация может быть только при хранении санидина и циркона при температурах ниже 470 градусов Цельсия.

Геологи представили модель, которая объяснила эволюцию супервулкана Оксайя. Его магматическая система начала развиваться за 4,6 миллиона лет до первого суперизвержения. Магма поднялась на глубину 5–8 километров, где кристаллизовались первые цирконы и санидины. Интрузив рос со скоростью менее сантиметра в год, поддерживая температуру ниже 450 градусов Цельсия. Затем наступил этап эпизодических суперизвержений длительностью три миллиона лет. Магма быстро перетекала по трещинам в верхнюю часть коры, образуя неглубокую магматическую камеру. Очаг рос 2–4 тысячи лет, после чего начиналось суперизвержение. Во время взрыва остывшие породы интрузива дробились и попадали в извергающуюся магматическую камеру. Именно таким механизмом геологи объясняют находки старых минералов в более молодых игнимбритах.

Исследование показывает, что магма копилась в коре несколько миллионов лет, а затем быстро переместилась на небольшую глубину, разрушая образовавшиеся ранее породы. Магматические очаги будущих суперизвержений развивались всего за пару тысяч лет. Геологи отмечают, что эта реконструкция системы Оксай поможет определить места, у которых есть потенциал стать супервулканами.

Последствия суперизвержений давно волнуют геологов. Ранее было обнаружено, что последнее извержение Йеллоустона запустило две вулканических зимы, а выбросы индонезийского супервулкана Тоба 74 тысячи лет назад истощили озоновый слой.

Дорога в Атлантиду?

Океанологи, исследуя глубины Тихого океана северо-западнее Гавайских островов, опустили камеру к подводному хребту Лилиуокалани и на вершине одной из его гор на глубине около 3 километров заметили странную структуру, напоминающую мостовую, замощенную тротуарной плиткой. Или брусчаткой.

— Дорога в Атлантиду! – выразили свой восторг ученые, которые проводили исследования с борта научного судна Наутилус (Exploration Vessel Nautilus), принадлежащего Национальному управлению океанических и атмосферных исследований (National Oceanic and Atmospheric Administration — NOAA).

Дали волю эмоциям, конечно. Не удержались от первой пришедшей на ум аналогии. Какая Атлантида посреди Тихого океана? Как говорится, да неё ехать и ехать. Следы другой исчезнувшей древней цивилизации? Это еще можно было бы допустить. Или пришельцев припомнить, как обычно. Но исследователи предложили, в итоге, говоря уже серьезно, менее фантастическое объяснение. Суть его, изложенная в газете The Daily Mail, сводится к следующему: так называемая дорога образована вулканической деятельностью. То есть, лавой, которая таким причудливым образом потрескалась – разделилась на прямоугольники, которые стали похожи на тротуарную плитку. Для непосвященных звучит не слишком убедительно. Хотя вулканов в районе Гавайских островов действительно много. В том числе и подводных.

Дорога в Атлантиду?
Дорога в Атлантиду найдена посреди Тихого океана.

Кстати, еще в 2004 году марсианский робот Opportunity нашел очень похожую дорогу на Марсе. Тогда тоже хватало фантастических предположений на счет древних марсиан или пришельцев. Но канадские геофизики из университета Торонто (University of Toronto) указали на вполне естественные природные процессы, которые приводят к появлению «дорог», «тротуаров», «кирпичей» и других объектов, так похожих на рукотворные. В том числе и на Земле. По их предположению, правильная геометрическая форма возникает в результате растрескивания застывающей лавы. Гипотезу проверили экспериментально. Получилось.

Дорога в Атлантиду?
«Дорогу», как две капли воды похожую на подводную земную в 2004 году сфотографировал на Марсе ровер Opportunity.

Похоже, что исследователи с Наутилуса воспользовались идеями канадцев, объясняя появление «дороги в Атлантиду».

Ученые предупреждают: если не спать ночью, жизнь может превратиться в кошмар

В 2021 году среди тысяч людей был проведен онлайн-опрос о том, во сколько часов ночи они ложатся спать. Результаты показали, что большая часть людей отправляются в постель между 22:00 и 23:00 ночи. При этом, есть довольно большая группа людей, которая отходит ко сну после полуночи или даже ближе к утру. Ведущие здоровый режим сна мужчины и женщины достойны похвалы — мы уже много раз говорили о том, что чем раньше ложится спать человек, тем более долгую жизнь он проживет. А вот для любителей бодрствовать до утра есть плохая новость: ученые считают, что ночью головной мозг работает таким образом, что человек может натворить много плохих вещей и превратить свою (и не только!) жизнь в сущий кошмар. Кажется, тема серьезная и актуальная для всех, поэтому давайте углубимся в подробности.

Многие люди любят бодрствовать ночью потому, что в это время все окружающие спят и не мешают заниматься делами. Многие творческие люди отмечают, что ночью у них лучше работает фантазия, появляется неисчерпаемый запас мотивации и в целом они чувствуют себя лучше, чем днем. Это явление можно объяснить тем, что после захода солнца наш организм начинает расходовать меньше энергии на переваривание пищи и другие процессы. Из-за этого большая часть крови и питательных веществ поступает в головной мозг — продуктивность сильно повышается.

Ученые предупреждают: если не спать ночью, жизнь может превратиться в кошмар
Некоторым людям лучше работается ночью, и это вполне объяснимо

Почему ночью лучше спать, а не работать

Но есть обратная сторона медали — в ночное время головной мозг людей больше концентрируется на негативе. Так, по крайней мере, считают авторы научной работы, результаты которой опубликованы в журнале Frontiers in Network Psychology. Они считают, что особенности работы мозга ночью передалось нам от далеких предков. Когда-то давно, ночуя в дикой среде, древние люди всегда находились в опасности — на них в любой момент мог напасть свирепый хищник. Поэтому, даже во время сна, им приходилось оставаться начеку и быть готовыми вступить в схватку.

Ученые предупреждают: если не спать ночью, жизнь может превратиться в кошмар
Ночная тревожность передалась людям от далеких предков

Современным людям ночью ничего не угрожает — тем более, если человек находится у себя дома. Однако, головной мозг все равно может быть склонен к ожиданию чего-то плохого. Попробуйте вспомнить хотя бы одну из ваших бессонных ночей: скорее всего, вы лежали уставившись в потолок и не могли уснуть из-за тревоги. Даже небольшие проблемы в ночное время кажутся катастрофическими, а на утро размышлять о них уже гораздо легче. Все это может быть результатом вынужденной ночной тревожности наших предков.

Последствия тревоги по ночам

Ученые считают, что ночная тревога зачастую ведет к рискованному поведению. В качестве примера авторы научной работы привели человека, который борется со своими вредными привычками. Если мужчина или женщина, допустим, пытаются бросить курить, днем они вряд ли «сорвутся». А вот ночью, под влиянием тревоги, они вполне могут потянуться за сигаретой и свести на нет все свои достижения.

Ученые предупреждают: если не спать ночью, жизнь может превратиться в кошмар
Ночью человек может сделать то, что навсегда испортит его жизнь

Есть более пугающий пример со студентом колледжа, который страдает от проблем в учебе и одиночества. В совокупности с недостатком сна, рискованным поведением в ночное время и накопленным стрессом, человек способен себе навредить. Статистика показывает, что большинство несчастных случаев из-за эмоциональных проблем происходят в период между полуночью и шестью утра. Исходя из этого, людям с накопленным стрессом нужно каким-то образом нормализовать режим сна — с этим могут помочь специалисты вроде сомнолога.

Почему люди не спят по ночам

Впрочем, существуют и другие причины рискованного поведения в ночное время. Так, например, склонные к риску люди зачастую предпочитают ночной образ жизни из-за того, что ночная тьма дает им «укрытие» для совершения плохих деяний. Авторы научной работы это прекрасно понимают, но подчеркивают, что ночная тревога — тоже немаловажная причина несчастных случаев.

Ученые предупреждают: если не спать ночью, жизнь может превратиться в кошмар
Ночь таит в себе множество опасностей, осторожность не помешает

Получается, что от бодрствования ночью можно как извлечь пользу, так и сильно пострадать. С одной стороны, многие люди после полуночи чувствуют прилив сил и могут легче концентрироваться на задачах — это можно использовать для выполнения долго откладываемых дел. С другой стороны, при наличии проблем в жизни, ночная жизнь может стать причиной несчастных случаев.

А как часто вы испытываете прилив сил в ночное время и бывает ли, что вы ложитесь спать только к утру? Может, вы не можете уснуть от тревоги и согласны со словами ученых? Своим мнением делитесь в комментариях.

Снимки далеких экзопланет, галактик и звездных скоплений: что покажет самая крупная орбитальная станция?

Долгожданные снимки далеких экзопланет, галактик и звездных скоплений, полученные на космический телескоп НАСА «Джеймс Уэбб», были опубликованы в середине июля. Этому знаменательному событию предшествовала колоссальная работа многотысячной команды: от инженеров и проектировщиков до астрономов. Запуск телескопа был затруднен, из-за чего от задумки до реализации прошло 35 лет. Стоимость проекта также беспрецедентная: всего на нее потратили порядка десяти миллиардов долларов. Однако израсходованные средства и усилия оправдаются: только в рамках первого цикла с помощью «Уэбба» планируется провести свыше 286 наблюдений, которые займут около шести тысяч часов исследовательского времени. Полученные данные позволят ученым всего мира изучить формирование и развитие галактик, звезд, планетных систем и происхождение жизни, а также увидеть свет первых объектов, образовавшихся после Большого взрыва. «Лента.ру» рассказывает о старте исследовательской деятельности «Джеймса Уэбба», его открытиях и будущих планах.

Как разрабатывали «Джеймса Уэбба»

Идея создания самой крупной орбитальной станции, когда-либо запущенной человечеством, пришла в голову ученым в 1986 году во время выпуска доклада HST and Beyond американскими специалистами. В результате участие в проекте приняли 17 стран, однако основной вклад сделало НАСА, а затем Европейское и Канадское космические агентства (ЕКА, ККА).

Общий размер зеркала достигает более шести метров. Оно состоит из 18 шестиугольных сегментов размером 1,32 метра от ребра до ребра, которые созданы из позолоченного бериллия

Снимки далеких экзопланет, галактик и звездных скоплений: что покажет самая крупная орбитальная станция?

Зеркало телескопа «Джеймс Уэбб»

Общий размер зеркала достигает более шести метров. Оно состоит из 18 шестиугольных сегментов размером 1,32 метра от ребра до ребра, которые созданы из позолоченного бериллия . Фото: Сhris Gunn / NASA

Ключевую деталь телескопа — зеркало — решили сделать сегментированным, а не цельным, поскольку размер не позволял бы уместить его в ракете-носителе. В итоге зеркало создали из 18-ти шестиугольных сегментов размером 1,32 метра от ребра до ребра, которые созданы из позолоченного бериллия. Общий размер зеркала достигает более шести метров, что дает возможность собирать в 5,6 раза больше света, чем у предыдущего крупнейшего телескопа — «Хаббла». Однако в отличие от последнего, который работает только в ближнем ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном спектрах, «Джеймс Уэбб» позволяет вести наблюдения в более низком диапазоне: от длинноволнового видимого света до среднего инфракрасного. Такое оснащение предоставляет возможность исследовать самые дальние тела во Вселенной, а также объекты с большим красным смещением (таким светом обладают первые галактики и звезды во Вселенной).

Телескоп оборудовали пятислойным тепловым экраном, регулирующим температуру зеркала и приборов. Для эффективной работы «Уэбба» было принято решение разместить его на гало-орбите в точке Лагранжа L2 системы Солнце — Земля, на отдалении примерно в 1,5 миллиона километров от Земли. Там исследованию не помешает излучение от других объектов, а также это снизит его нагревание.

В августе 2019 года закончилась сборка телескопа, и команда «Уэбба» приступила к наземным испытаниям. В ходе проверки на устойчивость к вибрации и шуму от ракеты-носителя «Ариан-5» решили заменить электронную аппаратуру, которая ранее нештатно сработала. Спустя два года в НАСА сообщили об окончании всех испытаний и о готовности к запуску. Старт ракеты «Ариан-5» с телескопом на борту произошел 25 декабря 2021 года, а спустя месяц «Уэбб» добрался до точки назначения — гало-орбиты в точке Лагранжа L. Первое тестовое изображение на инфракрасную камеру NIRCam было получено уже в феврале 2022 года. На нем была запечатлена изолированная звезда HD 84406.

Однако не все предварительные этапы подготовки телескопа проходили гладко. В период с 23 по 25 мая в одно из главных зеркал попал небольшой метеорит, нанесший повреждения. Предсказать появление этого объекта было невозможно, поскольку он не принадлежал к какому-либо известному метеорному потоку. Полученный урон оказался сильнее, чем было заложено при разработке на Земле. Специалисты отметили «незначительные, но ощутимые искажения в поступающих данных». Несмотря на появившиеся нештатные повреждения, телескоп продолжил выполнять весь свой основной функционал, отправляя при этом даже более качественные кадры, чем должны были быть на том этапе подготовительных работ.

Снимки далеких экзопланет, галактик и звездных скоплений: что покажет самая крупная орбитальная станция?
Ракета-носитель телескопа «Ариан-5»

Первые результаты

Первое полноценное изображение было представлено 12 июля, на нем можно разглядеть скопления галактик SMACS 0723. На переднем плане выделяются яркие объекты — такими они были 4,6 миллиарда лет назад. Позади них более тусклые галактики, на фотографии их возраст достигает 13 миллиардов лет. Получить снимок удалось благодаря наложению нескольких кадров с различными длинами волн. Исследование подобных изображений позволит ученым понять, как формировались первые звезды и галактики. Захваченные камерой NIRCam объекты могут быть самыми отдаленными, а следовательно, старыми во Вселенной. Этот же снимок предварительно был представлен в инфракрасном спектре.

Этот кусочек огромной вселенной покрывает участок неба размером примерно с песчинку, которую кто-то на Земле держит на расстоянии вытянутой руки

сотрудники НАСА

На пробных изображениях телескопа в кадр инфракрасной камеры NIRCam попал Юпитер вместе со всеми тремя спутниками — Европой, Фивой и Метидой. Этот снимок был необходим для подтверждения возможности «Уэбба» снимать быстро вращающиеся объекты, а также те, которые отражают большое количество света, что необходимо для дальнейшего изучения околоземных астероидов и межзвездных комет.

Также «Джеймс Уэбб» запечатлел Квинтет Стефана — это группа из пяти сливающихся галактик, которые находятся в созвездии Пегаса на расстоянии 290 миллионов световых лет от Земли. Согласно полученным данным, в центре Квинтета находится сверхмассивная черная дыра, а рядом рождаются новые звезды. Исследование этих объектов с помощью «Уэбба» позволит более глубоко изучить развитие галактик и скорость роста сверхмассивных черных дыр.

Кроме того, были представлены кадры с самой яркой и большой туманностью в созвездии Киля. Она состоит из пыли и газа, в которых формируются новые звезды. Из-за препятствий в виде облаков ученые не могли разглядеть этот процесс, но благодаря инфракрасному спектру камер телескопа стало возможным преодолеть плотную преграду из пыли. Туманность находится в 7600 световых годах от Земли в южном созвездии Киля. На снимках изображены сотни новых звезд, а также испускаемые ими струи.

Снимки далеких экзопланет, галактик и звездных скоплений: что покажет самая крупная орбитальная станция?
Первый снимок «Джеймса Уэбба». На изображении возможно разглядеть скопления галактик SMACS 0723

Снимки далеких экзопланет, галактик и звездных скоплений: что покажет самая крупная орбитальная станция?
Скопления галактик SMACS 0723 в инфракрасном спектре, сделанные на прибор NIRCam

Снимки далеких экзопланет, галактик и звездных скоплений: что покажет самая крупная орбитальная станция?
Инфракрасное изображение Юпитера и его спутников — Европы, Фивы и Метиды, полученное на NIRCam

Снимки далеких экзопланет, галактик и звездных скоплений: что покажет самая крупная орбитальная станция?
Квинтет Стефана. Группа из пяти сливающихся галактик, которые находятся в созвездии Пегаса на расстоянии 290 миллионов световых лет от Земли

Снимки далеких экзопланет, галактик и звездных скоплений: что покажет самая крупная орбитальная станция?
Квинтет Стефана

Снимки далеких экзопланет, галактик и звездных скоплений: что покажет самая крупная орбитальная станция?
Самая яркая и большая туманность, находящаяся в созвездии Киля. Она состоит из пыли и газа, в которых формируются новые звезды

Снимки далеких экзопланет, галактик и звездных скоплений: что покажет самая крупная орбитальная станция?
Туманность «Восемь взрывов», также называемая Южным кольцом. Голубой центр в кадре — заряженный электричеством газ, а оранжевые структуры по краям — молекулярный водород. На втором изображении можно разглядеть две умирающие звезды

Снимки далеких экзопланет, галактик и звездных скоплений: что покажет самая крупная орбитальная станция?
Вода в атмосфере гигантской экзопланеты WASP-96b. Спектральные измерения «Уэбба» на наличие паров воды в верхних слоях атмосферы гигантской экзопланеты WASP-96b

Следующим объектом, зафиксированным «Джеймсом Уэббом», стала туманность «Восемь взрывов», также называемая Южным кольцом, которая находится на отдалении 2000 световых лет от Земли. Она представляет собой планетарную туманность — две умирающие звезды, вращающиеся вокруг друг друга и окруженные облаком газа. Диаметр Южного кольца достигает почти половины светового года. Голубой центр в кадре — заряженный электричеством газ, а оранжевые структуры по краям — молекулярный водород (газ, появляющийся во время синтеза двух атомов водорода). На втором изображении можно разглядеть две умирающие звезды, что дает максимально подробное (из доступных на сегодняшний день) представление об этом процессе.

Впечатляющим открытием стало обнаружение воды в атмосфере гигантской экзопланеты WASP-96b, вращающейся вокруг звезды WASP-96 в созвездии Феникса. Система отдалена от Земли более чем на 1000 световых лет. Объект наблюдения полностью состоит из очень горячего газа. С помощью спектральных измерений «Уэбба» удалось зафиксировать наличие паров воды в верхних слоях атмосферы. Также там впервые заметили облака и скопления тумана.

Будущие открытия

Одной из самых волнующих целей телескопа является изучение раннего периода возникновения Вселенной — сразу после Большого взрыва, который случился 13,8 миллиарда лет назад. Поскольку свет от самых далеких от наблюдателя объектов доходит очень медленно, мы можем увидеть их такими, какими они были миллиарды лет назад. Другими словами — изучение максимально отдаленных космических тел позволяет исследовать их в прошлом.

Звезды первого поколения, появившиеся спустя 100 миллионов лет после Большого взрыва, также называемые звездами населения III, должны были быть гигантскими — в несколько сотен или тысячу раз крупнее Солнца. По предположениям астрономов, они состоят только из водорода и гелия. Их перевоплощение в сверхновые наполнило космос различными химическими элементами, положив начало формированию современных светил. Ученые не знают, смогут ли они их обнаружить когда-либо, но новые технические возможности, появившиеся благодаря «Джеймсу Уэббу», позволяют это сделать.

Мы собираемся заглянуть в самое раннее время, чтобы увидеть первые галактики в истории Вселенной

Дэн Коу
астроном из Научного института космического телескопа (Space Telescope Science Institute, STScI)

Коу будет курировать два проекта с помощью «Уэбба»: отслеживание одной из самых отдаленных (из известных на сегодняшний день) галактик MACS0647-JD и самой далекой звезды Earendel, зафиксированной в марте 2022 года.

Получить возможность исследовать Вселенную с помощью «Уэбба» можно было на конкурсной основе. В опубликованном в 2017 году списке целей «Джеймса Уэбба» было более 2100 наблюдений. Позднее НАСА сформировало окончательный набор первичных целей, в которые входило 286 заявок по семи направлениям астрономии. При этом ученые из НАСА получат около 80 процентов времени эксплуатации телескопом, в ЕКА — 20, а в Канадском космическом агентстве около 5 процентов.

Снимки далеких экзопланет, галактик и звездных скоплений: что покажет самая крупная орбитальная станция?
Расположение «Джеймса Уэбба»

Телескоп находится на гало-орбите в точке Лагранжа L2 системы Солнце — Земля, на отдалении примерно 1,5 миллиона километров от Земли . Изображение: NASA

В ходе этих работ планируется обнаружить свет первых звезд и галактик, изучить их происхождение и развитие, а также приблизиться к истокам появления жизни. Кроме того, ученые хотят попытаться выяснить, где и почему началась реионизация (одна из эпох становления Вселенной, заключающаяся во вторичной ионизации водорода) Вселенной. Затем астрономы рассчитывают найти достаточно холодные (схожие по температуре с Землей) экзопланеты. Задача этого исследования заключается в поиске схожих по среде с Землей планет. Еще одним объектом в поле интересов ученых оказались протопланетные диски. Планируется провести спектрограмму 17 дисков, которая позволит выявить их химический состав и внутреннее строение системы, что необходимо для понимания наличия воды в потенциально обитаемой зоне. Целью исследований являются не только далекие космические тела, но и более ближние к нам объекты, которые находятся в Солнечной системе, например, водные миры — спутник Юпитера Европа и спутник Сатурна Энцелада.

286 заявок
было сформировано для первичных исследований с «Джеймсом Уэббом»

Шанс на работу с телескопом представился молодому доктору Оливии Лим из Монреальского университета. Она хочет изучить семь каменистых планет размером с Землю, которые вращаются вокруг звезды Trappist-1. Три объекта располагаются не слишком близко и не слишком далеко от светила, что, по мнению исследовательницы, предоставляет благоприятные условия, чтобы найти там признаки жизни. На этих планетах, вероятнее всего, присутствует жидкая вода, а возможно — озон и углекислый газ. Вместе с тем звездная система находится относительно рядом с Землей — всего в 39 световых годах.

Телескоп предоставляет беспрецедентные для исследований спектрографические возможности. Анализ светового спектра помогает выявить температуру, массу и даже химический состав астрономического объекта. Нет сомнений, что открытия, произведенные «Джеймсом Уэббом», совершат революцию в современном понимании космоса и его объектов так же, как когда-то было с «Хабблом».

error: Content is protected !!
Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика Рейтинг SunHome.ru Твоя Йога