Вибух зорельота в «Зоряних війнах» звучить так гучно, що здригається крісло в кінозалі. Насправді ви не почули б нічого. Але це не означає, що у Всесвіті панує цілковита тиша.
Чому звук поширюється по-різному
Крізь космічний вакуум звукові хвилі не поширюються, тож будь-яка битва зорельотів мала б відбуватися беззвучно. Це знає майже кожен. І саме звідси виростає, на перший погляд, простий, але неправильний висновок, ніби в космосі немає звуку взагалі. Насправді все залежить від середовища.
Звук — це механічна хвиля, у якій чергуються ділянки стискання та розрідження середовища. Частинки самого середовища не рухаються разом із хвилею на великі відстані — вони лише коливаються поблизу своїх положень рівноваги й передають збурення сусіднім частинкам.
Тому швидкість звуку залежить від властивостей середовища — зокрема, його густини та пружності. У повітрі за температури близько 20 °C звук поширюється зі швидкістю приблизно 343 м/с. У воді — близько 1500 м/с, тобто більш ніж у чотири рази швидше. У сталі швидкість поздовжніх звукових хвиль сягає приблизно 5900 м/с.
Одне й те саме явище, три різні швидкості. Змінилося тільки середовище.
Де звуку справді немає
Тепер приберемо середовище. Частинок, які передавали б коливання далі, немає, тож хвиля не поширюється. Не згасає поступово, а не поширюється взагалі.
Цей самий принцип працює навіть у побуті. Наприклад, у термосі між двома стінками відкачане повітря і саме розріджений прошарок різко зменшує втрату тепла. Він так само не пропускає й звук. Але постукайте по термосу і стук буде чутно, бо коливання пройдуть крізь метал у місцях, де стінки з’єднані.
Те саме працює в космосі, тільки в іншому масштабі. Уявіть два кораблі поруч. Крізь практично порожній простір між ними звук не пошириться. А по обшивці власного корабля коливання пошириться чудово. Тому удар дрібної космічної частинки об обшивку може породити в корпусі коливання, які екіпаж почує або зафіксує приладами.
Та варто уточнити одну річ. Абсолютно порожнього простору в космосі немає. У міжзоряному середовищі є газ, пил, плазма і магнітні поля. Середня концентрація частинок становить приблизно одну частинку на кубічний сантиметр, хоча вона може сильно змінюватися залежно від області простору. Через таку розрідженість звук, подібний до того, що поширюється в атмосфері Землі, між зорельотами не передавався б. Водночас у плазмі можуть існувати інші типи хвиль — саме їх, наприклад, реєстрував Voyager 1 у міжзоряному середовищі.
Звук на інших світах
Але порожнеча між об’єктами це ще не весь космос. Планети з атмосферами, супутники, газові хмари, надра твердих тіл — усе це середовища, у яких звук поширюється, тільки по-різному, залежно від їхньої густини та складу. Перший звук на іншій планеті записали 1982 року. 1 березня радянський спускний апарат «Венера-13» сів на поверхню Венери. Акустичний мікрофон на його борту зафіксував шум приземного вітру, що дало змогу оцінити його швидкість приблизно у 0,3–0,6 м/с. Надзвичайно густа атмосфера Венери — біля поверхні її тиск майже у 90 разів перевищує земний — створює умови, за яких звук може поширюватися в газовому середовищі, хоча його швидкість та характеристики відрізняються від земних.
На Марсі все навпаки. Атмосфера дуже розріджена, на різних висотах атмосферний тиск в 100–160 разів менше за земний. Хоча за вмістом, як і на Венері, переважає вуглекислий газ, десь 95–96 %. Тому звукові хвилі швидко слабшають, особливо на високих частотах. За допомогою двох мікрофонів ровера Perseverance вдалося записати майже п’ять годин марсіанських звуків — від поривів вітру до скреготу коліс. Дослідження показало, що в такій атмосфері швидкість звуку залежить від частоти. Низькочастотні звуки поширюються приблизно зі швидкістю 240 м/с, тоді як високочастотні — близько 250 м/с. Крім того, атмосфера Марса значно сильніше поглинає високі частоти, тому звук на відстані швидко стає тихим і глухим. Через це розмова двох людей на кілька метрів одне від одного звучала б значно тихіше й менш чітко, ніж на Землі.
Рідина — теж середовище, і в Сонячній системі її вистачає. У Європи, супутника Юпітера, і в Енцелада, супутника Сатурна, під крижаною кіркою є океани рідкої води. Записів звідти поки немає, бо жоден апарат туди не проникав, але фізика однозначна. Звук поширювався б там не гірше, ніж у земному океані, тому для майбутніх місій вже випробовують гідрофони, тобто підводні мікрофони.
Звукові хвилі можуть поширюватися і крізь тверді породи. Це підтвердили сейсмометри, встановлені на Місяці експедиціями Apollo. У листопаді 1969 року, після завершення місії Apollo 12, злітний ступінь місячного модуля навмисно спрямували на поверхню Місяця, створивши контрольований удар. Сейсмометри зафіксували сигнал, амплітуда якого наростала приблизно 7 хвилин, а потім дуже повільно спадала, коливання тривали майже годину.
Причина пов’язана з особливостями місячного середовища. Сейсмічні хвилі в ньому поглинаються значно слабше, ніж у земній корі, а сильно неоднорідна й роздроблена приповерхнева структура спричиняє їхнє розсіювання та багаторазове проходження різними шляхами. Свого часу це стало основою популярного міфу про порожнистий Місяць. Проте сейсмічні дані Apollo, навпаки, дали змогу досліджувати реальну внутрішню структуру супутника Землі.
Зорі, скупчення і молодий Всесвіт
Те саме відбувається і в надрах зір. Сонце складається з густої розпеченої плазми, і в його надрах безперервно поширюються справжні акустичні хвилі. Їх збуджують турбулентні конвективні рухи плазми поблизу поверхні: висхідні й низхідні потоки створюють флуктуації тиску, які запускають звукові хвилі всередині Сонця.
У міру поглиблення в надра, де температура і швидкість звуку зростають, траєкторія хвилі поступово викривляється, і вона повертає до поверхні. Там хвиля відбивається й знову прямує вглиб.
Сонце одночасно коливається на величезній кількості різних частот. Спостерігаючи за цими коливаннями на поверхні, науковці можуть визначати властивості речовини всередині світила. Цей метод називається геліосейсмологією, своєрідною «сейсмологією Сонця», яка дає змогу досліджувати його внутрішню будову подібно до того, як сейсмологія допомагає вивчати надра Землі.
Почути ці коливання людина не може. Частоти сонячних акустичних хвиль становлять близько кількох мілігерців, а їхній період — приблизно п’ять хвилин. Це набагато нижче діапазону людського слуху. Щоб перетворити їх на звук, дані сонячної обсерваторії SOHO за 40 днів спостережень пришвидшили у 42 000 разів.
Ще більший масштаб дає скупчення галактик Персея, за 250 млн світлових років від Землі. У ньому простір між сотнями галактик заповнений надзвичайно гарячим газом, що випромінює в рентгені. У центрі центральної галактики скупчення, Perseus A, розташована надмасивна чорна діра. Її активність породжує потужні джети, які створюють у навколишньому газі величезні бульбашки. Розширюючись, вони відтискають гарячий газ і породжують хвилі тиску, тобто справжні акустичні хвилі. Їхні брижі вдалося побачити в рентгенівських даних обсерваторії Chandra.
Одне коливання триває трохи менш ніж 10 млн років. Це відповідає надзвичайно низькій частоті — приблизно 57 октав нижче ноти сі-бемоль поблизу середнього до. Для порівняння, людський слух охоплює лише близько десяти октав. Тож почути цю космічну «ноту» безпосередньо людина не може.
А найдавніші акустичні хвилі старші за всі зорі. У перші сотні тисяч років Всесвіт являв собою гарячу щільну плазму, в якій фотони й звичайна речовина були тісно пов’язані. Початкові невеликі згущення речовини створювали гравітаційне притягання, а тиск фотонів протидіяв їхньому стисканню. Це породжувало хвилі тиску — своєрідні звукові хвилі, що розходилися крізь первісну плазму.
Приблизно через 380 тис. років після Великого вибуху Всесвіт достатньо охолонув. Тиск випромінювання більше не підтримував ці акустичні хвилі, тож їхнє поширення припинилося. Але хвилі встигли відійти від початкових згущень на певну максимальну відстань — близько 150 мегапарсеків, або приблизно 490 млн світлових років. Цей масштаб називають звуковим горизонтом.
Так навколо початкових згущень залишилися сферичні оболонки з трохи підвищеною густиною. Згодом із цих згущень формувалися галактики, які в сучасному Всесвіті розділені відстанню близько 500 млн світлових років. Почути Великий вибух неможливо, але виміряти його давній акустичний слід цілком реально.
Коли звук лише метафора
У всіх цих випадках йдеться про справжні хвилі тиску. Але є записи, які публікують під назвою «звуки космосу», хоча до акустики вони стосунку не мають.
За допомогою приладу на борту Voyager 1 зафіксували плазмові хвилі в міжзоряному просторі, у яких коливаються електрони. Спершу — із жовтня по листопад 2012 року, потім — навесні 2013-го. Частота цих коливань виявилася в кілька разів вищою, ніж у зоні сонячного вітру, і саме за цією зміною зрозуміли, що апарат уже покинув її. Частота плазмових хвиль залежить від концентрації електронів, тому за нею науковці змогли визначити густину міжзоряної плазми. Вона виявилася значно більшою, ніж у розрідженому сонячному вітрі на такій відстані від Сонця.
Цікаво, що частоти цих плазмових хвиль лежать приблизно в межах людського слуху. Тому сигнал Voyager 1 можна перетворити на звук без величезного прискорення, як у випадку із сонячними або космологічними хвилями, й відтворити через динамік.
Але це не звукові хвилі у звичайному розумінні. Тут немає механічного стискання й розрідження речовини, як у повітрі. Це електромагнітні та електростатичні процеси в плазмі — зарядженому середовищі, що складається переважно з електронів та іонів.
Гравітаційні хвилі — ще далі від акустики. У вересні 2015 року за допомогою лазерно-інтерферометричної обсерваторії LIGO вперше зареєстрували злиття двох чорних дір, коротке наростання частоти, схоже на пташиний спів. Англійською такий сигнал називають chirp, тобто цвірінькання. У медіа його подавали як звук зіткнення.
Але це не звук у фізичному сенсі. Гравітаційна хвиля є збуренням геометрії простору-часу. Для її поширення не потрібне жодне матеріальне середовище, і у вакуумі вона рухається зі швидкістю світла. Детектори LIGO не «чули» зіткнення, вони виміряли надзвичайно малі зміни відстані між дзеркалами інтерферометра, спричинені проходженням гравітаційної хвилі.
Таке перетворення виміряних даних на звук називають соніфікацією. Це не аудіозапис самого явища, а спосіб представити числові дані так, щоб їх можна було сприймати на слух. Такий метод, зокрема, може допомагати помічати в даних певні зміни, ритми й закономірності, які не завжди легко розпізнати на графіку.
Між фізикою та кінозалом
Отже, тиша у Всесвіті — не суцільна. Звукові, або акустичні, хвилі можуть поширюватися всюди, де є середовище, здатне передавати зміни тиску — від щільної атмосфери Венери до гарячої плазми раннього Всесвіту. Але для звичайного звуку потрібна достатня густина речовини, бо частинки мають часто взаємодіяти між собою, щоб передавати збурення далі. У більшості міжпланетного й міжзоряного простору речовина настільки розріджена, що звичайна звукова хвиля там практично не поширюється. Саме тому для людини космос залишається майже абсолютною тишею. Хоча Всесвіт і сповнений інших хвиль і коливань, які ми можемо вимірювати, а іноді й перетворювати на звук.
Кіно ж порушує фізику свідомо, і це художня умовність, а не помилка. Звукорежисер Бен Бьорт ще під час роботи над фільмом «Зоряні війни. Епізод IV. Нова надія» експериментував зі звучанням вибухів у космічних сценах, але Джордж Лукас ті напрацювання відхилив. Через двадцять п’ять років їх використали для сейсмічного заряду у стрічці «Зоряні війни. Епізод II. Атака клонів», де вибуху передує коротка пауза цілковитої тиші. Пітер Браун, який відповідав за звук у фільмі «Стартрек. За межами», згадував, що мовчазний варіант космічних сцен вони відкинули як нудний.
Тиша в кіно все ж трапляється, просто дозовано. У «Гравітації» та «Інтерстелларі» є епізоди, де звук зникає повністю або доходить лише через дотик до конструкції, й саме на цьому контрасті побудовані найнапруженіші сцени.
