Фантастичні фільми навчили нас, що вибухи в космосі гуркочуть, астероїди летять щільним роєм, а чорні діри поглинають усе, до чого дотягнуться. Частина цих уявлень так глибоко вкорінилася, що їх сприймають як шкільні істини. Астрофізик Олександр Велесь перевірив найпопулярніші з них і пояснив, що відбувається насправді.
Чи справді в космосі панує тиша
Так, і це одна з найпомітніших розбіжностей між реальним космосом і кіно. На екрані кораблі пролітають із гуркотом мопеда, лазери свистять, вибухи оглушують. Якби ж поруч з астронавтом справді вибухнув корабель, той побачив би яскравий спалах і уламки, що розлітаються в різні боки. Почути цей вибух він би не зміг.
Звук є механічними коливаннями частинок, і для поширення йому потрібне середовище: повітря, вода чи тверде тіло. Коли ми розмовляємо, голосові зв’язки створюють коливання тиску повітря, і ця хвиля добігає до вуха співрозмовника. Міжпланетний простір майже порожній, частинок там так мало, що звуковій хвилі просто немає чим поширюватися.
Усередині корабля є повітря, тож звук там поширюється як на Землі. А якщо астронавт торкнеться обшивки, він може відчути або навіть почути вібрацію, яка йде крізь конструкцію.
Вислів «слухати космос» при цьому має сенс. Всесвіт постійно надсилає сигнали: радіоімпульси пульсарів, електромагнітне випромінювання Сонця, гравітаційні хвилі від злиття чорних дір. Органів, які могли б їх відчути, у людини немає, тому науковці перетворюють ці дані на звук. Процес називають соніфікацією. Зміну інтенсивності радіосигналу пульсара можна передати гучністю, частоту — висотою тону, і тоді в навушниках з’являється його власний ритм. Ідеться про звукове представлення наукових даних, а самі хвилі долетіли до нас беззвучно.
Чи може в космосі горіти вогонь
Для горіння потрібні три речі: пальне, окисник (найчастіше кисень) і достатньо висока температура. Варто прибрати бодай одну, і вогонь згасне. У відкритому космосі кисню практично немає, тому свічка, винесена за борт, одразу погасне.
Ракетні двигуни при цьому без проблем працюють у вакуумі. Ракета везе з собою і пальне, й окисник, тому атмосферний кисень їй не потрібен. Горіння можливе будь-де, якщо зібрати всі складники разом.
На борту станції є атмосфера, а отже, звичайний вогонь там можливий. Поводиться він дуже дивно. На Землі полум’я тягнеться вгору, бо нагріте повітря легше за холодне: воно підіймається, а знизу надходить свіже, багате на кисень. У невагомості гарячі гази нікуди не підіймаються, і кисень потрапляє до вогню переважно через дифузію, тобто повільне перемішування молекул. Полум’я свічки стає майже кулястим, меншим, тьмянішим і часто блакитним.
Такий вогник на вигляд цілком мирний, однак пожежа на станції належить до найнебезпечніших аварійних сценаріїв. Вийти на свіже повітря із замкненого модуля неможливо, а чадний газ і токсичний дим здатні розійтися вентиляцією по всій станції. Саме тому NASA та інші агенції проводять окремі експерименти з горінням у невагомості, щоб зрозуміти, як запобігати таким пожежам і як їх гасити.
Що станеться з людиною без скафандра
Кіно любить два сценарії: людина у відкритому космосі миттєво перетворюється на крижану статую або вибухає. Ні того, ні іншого не станеться, хоча довго вижити у вакуумі теж не вийде.
Почнімо з холоду. У вакуумі немає повітря, яке швидко забирало б тепло від тіла. Організм втрачатиме його через теплове випромінювання та випаровування вологи, але миттєвого замерзання не відбудеться.
Вибуху теж не буде. Шкіра і сполучні тканини достатньо міцні, щоб утримати тіло цілим. Через різке падіння тиску гази в організмі почнуть розширюватися, а волога на відкритих поверхнях, як-от слина на язиці, може закипіти навіть за температури людського тіла. Кров у судинах не закипить, бо перебуває під тиском, але в тканинах можуть утворюватися бульбашки газу й пари, через що вони набрякають.
Найбільша загроза — нестача кисню. Повітря виходить із легень, а кисень у крові швидко втрачається. Приблизно за 10–20 секунд людина, найімовірніше, знепритомніє від гострої гіпоксії, кисневого голодування мозку. Затримувати дихання в такій ситуації особливо небезпечно: під час різкого падіння зовнішнього тиску повітря в легенях розширюється і може їх серйозно травмувати.
Шанс вижити є, якщо людину дуже швидко повернути до нормального тиску й дати їй кисень. За хвилину-дві стан стає критичним, і кожна наступна секунда у вакуумі різко підвищує ризик незворотних ушкоджень і смерті. Реальність тут страшніша за кіно. Людина тихо й дуже швидко втрачає свідомість, і без негайної допомоги це закінчується смертю.
Чи правда, що зорі на небі давно згасли
Популярна думка звучить водночас романтично й сумно: дивлячись на нічне небо, ми бачимо світло зір, яких уже немає. Частка правди тут є, але картина значно цікавіша.
Світло рухається з величезною, хоч і скінченною швидкістю, приблизно 300 тис. км/с, тому про будь-який далекий об’єкт ми дізнаємося із запізненням. Сонце ми бачимо таким, яким воно було близько восьми хвилин тому. Світло Проксими Центавра, найближчої до нас зорі після Сонця, летить приблизно 4,2 року, світло Денеба — понад 2,5 тис. років.
Зорі живуть надзвичайно довго. Сонце пробуде на головній послідовності близько 10 млрд років, а невеликі червоні карлики здатні світити трильйони років, значно довше, ніж нині існує Всесвіт. Кілька сотень чи тисяч років, за які до нас доходить світло більшості зір, видимих неозброєним оком, — дрібниця у порівнянні з їхнім віком. Твердження, ніби більшість цих зір давно згасли, — гарний міф без наукового підґрунтя.
Телескоп у цьому сенсі працює як машина часу: що далі ми зазираємо, то давніші етапи історії Всесвіту бачимо. Фраза «ми бачимо зорю такою, якою вона була тисячу років тому» — зручне науково-популярне спрощення. У спеціальній теорії відносності одночасність віддалених подій залежить від системи відліку і способу синхронізації годинників, і це фундаментальна властивість простору-часу. Нічне небо показує нам минуле, а переважна більшість зір на ньому досі живі.
Чи схожий пояс астероїдів на сцену із «Зоряних війн»
Хто дивився «Зоряні війни», пам’ятає, як корабель на шаленій швидкості пробирається крізь щільне поле астероїдів, ухиляючись від велетенських брил. Видовищно, але з реальністю має мало спільного.
Головний пояс астероїдів розташований між орбітами Марса та Юпітера, на відстані приблизно від 300 до 500 млн км від Сонця. Він справді містить мільйони тіл — від дрібних уламків до об’єктів діаметром у сотні кілометрів. Річ у масштабі: простір, де вони розкидані, — колосальний. Навіть якщо брати до уваги лише великі астероїди, між сусідніми зазвичай сотні тисяч чи мільйони кілометрів.
Корабель, що летить крізь пояс, найімовірніше, не побачить неозброєним оком жодного астероїда, і пілоту не доведеться щосекунди крутити штурвал. Реалістична версія сцени із «Зоряних війн» вийшла б нудною: години, дні й тижні польоту, а за ілюмінатором — порожнеча.
Як Сонце гріє нас крізь вакуум
Тепло передається трьома способами. Теплопровідність відчуваєш, коли металева ложка в гарячому чаї поступово нагрівається аж до ручки: енергія передається всередині матеріалу завдяки взаємодії його частинок. Конвекцію видно в чайнику, де тепло переносить рух самої води чи газу. Через вакуум між Сонцем і Землею жоден із цих механізмів не працює.
Третій спосіб — випромінювання. Будь-яке тіло з температурою, вищою за абсолютний нуль, випромінює електромагнітні хвилі, й Сонце робить це надзвичайно інтенсивно, у видимому, інфрачервоному та ультрафіолетовому діапазонах. Електромагнітним хвилям середовище не потрібне, вони чудово поширюються у вакуумі зі швидкістю світла і долають відстань від Сонця до Землі приблизно за вісім хвилин.
Ґрунт, океани, рослини й будівлі поглинають це випромінювання, і його енергія перетворюється на внутрішню енергію речовини, нагріваючи її. Нагріта поверхня вже сама віддає тепло атмосфері через теплопровідність і конвекцію. Сонце нагріває лише об’єкти, які поглинають його випромінювання, тоді як порожній простір між ними залишається незмінним.
Що буде, якщо Сонце раптом зникне
Уявімо суто фантастичну ситуацію: Сонце не вибухнуло й не стало чорною дірою, воно просто миттєво перестало існувати разом з усією своєю масою. Закони фізики такого не допускають, проте як уявний експеримент це дуже корисно.
Світло від Сонця летить до Землі приблизно 8 хвилин 20 секунд, і весь цей час ми бачили б його на небі. З гравітацією так само. Земля не відчула б зникнення світила миттєво і не полетіла б геть тієї ж секунди, бо зміни гравітаційного поля теж поширюються зі швидкістю світла. Це один із фундаментальних висновків загальної теорії відносності Ейнштейна. Маса й енергія викривлюють простір-час, а інші тіла рухаються відповідно до його геометрії. Коли розподіл маси змінюється, інформація про це не може поширюватися швидше за світло.
Перші вісім із гаком хвилин на Землі не відбувалося б нічого незвичного: світить Сонце, планета рухається звичною орбітою. Лише через 8 хвилин 20 секунд до нас дійшли б остання порція світла й інформація про зміну гравітаційного поля. Сонце зникло б із неба, а Земля полетіла б приблизно прямою лінією, по дотичній до колишньої орбіти, зі швидкістю близько 30 км/с. Її подальший шлях змінювало б тяжіння інших небесних тіл. Миттєвого зв’язку у Всесвіті немає навіть через гравітацію, і час на дорогу потрібен самій геометрії простору-часу.
Чи може чорна діра засмоктати Землю
У фантастиці чорні діри часто зображують космічними пилососами, які поглинають зорі, планети й цілі галактики. Іноді можна почути, що чорна діра здатна з’їсти весь Всесвіт. Насправді її гравітація підкоряється тим самим законам, що й гравітація будь-якого масивного тіла.
Уявімо, що Сонце якимось чином замінили чорною дірою точно такої самої маси. З погляду орбітального руху майже нічого б не змінилося. Земля, Меркурій, Венера, Марс та інші планети оберталися б майже тими самими орбітами, бо на великих відстанях гравітацію сферично-симетричного тіла визначає його маса, і зоря це чи чорна діра, значення не має. Без сонячного світла й тепла життю на Землі настав би кінець, однак засмоктувати нас ніхто б не став. Горизонт подій такої чорної діри, межа, з-за якої не вирветься навіть світло, мав би радіус лише близько 3 км. Уся маса Сонця вмістилася б в об’єкт діаметром приблизно 6 км.
Небезпечною чорна діра стає, коли підлетіти до неї надто близько. Там виникають потужні припливні сили: ближчу частину тіла гравітація тягне помітно сильніше, ніж дальшу, і в крайніх випадках об’єкт буквально розтягується. Вчені жартома назвали це спагетифікацією. Навіть поблизу чорної діри всередину падає далеко не все. Навколо неї існують стабільні орбіти, й речовина, яка не втратила достатньо орбітальної енергії та моменту імпульсу, може обертатися там дуже довго.
У центрі Чумацького Шляху розташована надмасивна чорна діра Стрілець A*, маса якої приблизно в 4 млн разів більша за сонячну. Навколо неї кружляють зорі, а Сонячна система спокійно перебуває на відстані близько 26 тис. світлових років. Чорні діри не полюють на планети. Їхня небезпека пов’язана з тим, що величезна маса стиснута в надзвичайно малому об’ємі.
Чи справді в космосі старіють повільніше
Так, і це експериментально підтверджений факт. Астронавт, який провів певний час на орбіті, повертається на Землю трішки молодшим за тих, хто весь час залишався вдома. Понад сто років тому Альберт Ейнштейн показав, що час однаковий не для всіх, і його плин залежить, зокрема, від швидкості руху та гравітації.
Що швидше рухається корабель відносно Землі, то повільніше йде час на борту у порівнянні із земним годинником. МКС мчить зі швидкістю близько 28 тис. км/год, і годинники на ній через це трохи відстають. Є й другий ефект, гравітаційний: що сильніше поле, то повільніше плине час. На висоті МКС земне тяжіння дещо слабше, тому цей ефект, навпаки, прискорює годинники. Два ефекти тягнуть у протилежні боки, але для станції переважає швидкість. Астронавт, що провів на МКС пів року, повертається на кілька мілісекунд молодшим, ніж якби залишався на Землі. У дзеркалі чи за самопочуттям цього не помітиш, а от надточні годинники різницю вимірюють.
На великих швидкостях усе стає цікавіше. Уявімо корабель, який рухається з постійним прискоренням, рівним земному. Першу половину шляху він розганяється, другу — гальмує з тим самим прискоренням, щоб прибути до цілі з нульовою швидкістю, а потім так само повертається. Політ до Проксими Центавра за 4,2 світлового року і назад для спостерігачів на Землі триватиме близько 12 років, для екіпажу — близько семи. Експедиція до Бетельгейзе, що за 550 світлових років, повернеться через 1104 роки за земним календарем, тоді як на борту мине лише 24 роки. До галактики Андромеди 2,5 млн світлових років, і за годинником екіпажу політ туди й назад займе 57 років, хоча на Землі мине понад 5 млн. За таких умов навіть подорож до іншої галактики теоретично вкладається в одне людське життя.
Подорож у майбутнє в певному сенсі реальна, і для неї вистачає звичайних законів фізики. Сам астронавт уповільнення не відчує: серце битиметься як завжди, годинник відлічуватиме звичайні секунди, біологічні процеси йтимуть своїм ходом. Різниця проявиться лише після повернення, коли він порівняє свій годинник із земним.
Чи існує темний бік Місяця
Вічно темного боку в Місяця немає. Міф виник через плутанину між «зворотним» і «темним» боком. Місяць завжди повернутий до Землі практично однією півкулею, тому в телескоп ми щоразу бачимо ті самі моря й кратери. Навколо своєї осі він обертається приблизно за 27,3 доби, й рівно стільки ж триває його оберт навколо Землі. Це явище називають синхронним обертанням, або припливним захопленням.
Зворотна півкуля отримує сонячного світла не менше. Сонце освітлює обидва боки Місяця по черзі, так само як різні частини Землі під час її обертання. У повню видима із Землі півкуля майже повністю освітлена, а зворотна здебільшого в темряві. На молодик усе навпаки: звернений до нас бік майже не освітлений, а на зворотному триває справжній місячний день.
