Нашим читателям достаточно хорошо известно понятие черных дыр, которые образуются в результате «смерти» сверхмассивных звезд. Но в астрофизике существует понятие и обратного явления, так называемых белых дыр, которые более редки, чем мифический единорог и более фантастические, нежели всякие гномы и эльфы. И, прежде чем начать говорить о белых дырах, стоит сделать короткий экскурс в тему о черных дырах.
Черные дыры — это области пространства Вселенной, в которых материя и энергия «упакованы» столь плотно, что для того, чтобы преодолеть их силы притяжения требуется развить скорость, превышающую скорость света. Черные дыры являются достаточно распространенными объектами во Вселенной, ученые-астрономы имеют в своем распоряжении сотни и тысячи снимков квазаров, областей пространства, прилегающих непосредственно к черным дырам.
Полное описание черной дыры состоит из огромного количества сложнейших математических формул, параметрами которых являются весьма экзотические физические явления и величины. Тем не менее, они являются реальными объектами, существование которых допускается Теорией относительности Альберта Эйнштейна, и астрономические наблюдения, проведенные в течение нескольких последних десятилетий, подтверждают факт их существования.
Понятие белой дыры возникло тогда, когда ученые-астрофизики, работающие с математическим описанием физики черной дыры, искусственно исключили возможность наличия любой материи и массы в области пространства, находящейся ниже горизонта событий. Это исключение привело к значительному упрощению математического аппарата, но послужило причиной возникновения весьма экзотических теоретических эффектов.
Белые дыры являются пока абсолютно теоретическими математическими понятиями, вещами, которые не существуют в действительности. В настоящее время никому из астрономов не удавалось обнаружить области пространства с параметрами, подходящими под описание белой дыры. Более того, не было ни единого случая регистрации вспышек рентгена и других излучений, источником которых могла быть белая дыра.
Однако, если бы белая дыра существовала бы в реальности, она вела себя в полной противоположности черной дыре, по крайней мере на это указывает математическая модель этого объекта. Вместо того, что бы притягивать и поглощать материю из окружающего пространства, белая дыра извергала бы огромное количество материи в окружающее пространство, подобно волшебному фонтану. Правда происхождение этой материи, даже в теории, является полной загадкой для современной науки.
Согласно имеющейся теории, белая дыра может существовать лишь до тех пор, пока в пределах ее горизонта событий не будет находиться ни единой частицы материи. Единственная альфа-частица, ядро атома водорода, попавшая внутрь белой дыры, может стать причиной полного разрушения этого объекта. И если белые дыры когда-нибудь возникали во Вселенной, то они все разрушились тогда, когда космическое пространство начало заполняться массой «беспризорной» материи.
Однако, существует несколько ученых-физиков, которые считают, что белые дыры существовали и могут существовать сейчас во Вселенной. Хэл Хаггард (Hal Haggard) и Карло Ровелли (Carlo Rovelli) из университета Aix-Marseille University во Франции пытаются объяснить все происходящее в черных и белых дырах с точки зрения области теоретической физики, называемой теорией петель квантовой гравитации (loop quantum gravity).
Еще одной интересной идеей является то, что существование белых дыр может послужить подтверждением теории Большого Взрыва, который в чем-то родственен белой дыре, так как во время взрыва и в недрах белой дыры буквально из ниоткуда спонтанно возникают огромные количества материи и энергии.
В любом случае, белые дыры пока представляют собой лишь необычное математическое понятие. И как показала практика, столь необычная математика крайне редко воплощается в реальности. Так, что, белые дыры существуют пока лишь в головах у некоторых из ученых.
Земля блуждает по космосу примерно 4,5 миллиарда лет. Большую часть этого времени она переносит жизнь. Ученые подсчитали, что живые организмы впервые возникли на нашей Pale Blue Dot порядка 3,5 миллиардов лет назад (хотя по другим оценкам жизнь, возможно, появилась еще 3,9 миллиарда лет назад).
В это время возникли отдельные клетки. Они процветали в воде в течение некоторого времени, и хоть медленно, но выработали более сложные формы жизни, и покинули мутные воды Земли ради суши. В течение следующих нескольких миллиардов лет, эта жизнь разветвилась деревьями, взлетела птицами и стала людьми, вроде нас с вами.
Пока что мы знаем, что жизнь в нашей Вселенной существует как минимум 3 миллиарда лет; тем не менее она может быть намного, намного старше.
В 2003 году космический телескоп Хаббла направил свои линзы на солнцеподобную звезду и увидел по-настоящему древнюю планету. Этому миру было 13 миллиардов лет, что делает его одной из самых старых планет во Вселенной. Будучи возрастом в два раза старше Земли, эта планета образовалась спустя всего миллиард лет после Большого Взрыва.
Ученые обнаружили ее в центре шарового звездного скопления M4, которое находится всего в 5600 световых годах от Земли в созвездии Стрельца. Итак, могла ли жизнь, известная нам, образоваться на этой планете за много лет до того, как образовалась на Земле?
Ну, маловероятно, поскольку планета находится очень близко к пульсару. Пульсары, насколько нам известно, — это сильно намагниченная нейтронная звезда. Эти звезды излучают чрезвычайно мощные энергетические пучки электромагнитного излучения, которое прокатывается по планете и делает ее стерильной.
В дополнение к этому, планета является газовым гигантом, а значит маловероятно будет обладать твердой поверхностью, как мы на Земле. Более того, учитывая массу в 2,5 раза выше юпитерианской, к моменту, когда вы достигнете гипотетического твердого ядра этой планеты, давление обнулит любые шансы на выживание хоть какой-нибудь формы жизни. Если этого недостаточно, ученые считают, что из-за времени образования во Вселенной, этой планете не хватает тяжелых элементов, вроде углерода и кислорода, поскольку их изобилие появилось значительно позже (когда первые звезды превратились в первые сверхновые).
Конечно, углерод и кислород являются двумя необходимыми для жизни ингредиентами, а значит, эта планета не будет лучшим кандидатом на развитие жизни. Но надежда есть.
Когда родилось наше Солнце и планеты, система Kepler-444 уже была старше, чем наша Солнечная система сейчас. Кроме того, в этой системе присутствует пять планет, размеры которых похожи на земной. Об этом открытии сообщил 27 января 2015 года Astrophysical Journal, и сделано оно было на основе наблюдений космического аппарата «Кеплер» за четыре года.
В статье ученые сообщили, что Kepler-444 образовалась порядка 11,2 миллиарда лет назад, а планеты были образованы практически в то же время, что делает эти миры самыми старыми планетами земного типа, которые нам известны. Дэниел Хьюбер из Сиднейского университета в Австралии, автор работы, сказал следующее:
«Мы никогда не видели ничего подобного. Такая старая звезда и огромное количество малых планет делает систему особенной. Удивительно, что настолько древняя система планет земного типа образовалась, когда Вселенная только-только появилась, когда возраст составлял одну пятую от текущего. Kepler-444 в два с половиной раза старше нашей Солнечной системы, которая практически еще ребенок — ей всего 4,5 миллиарда лет».
Это говорит нам о том, что планеты таких размеров формировались на протяжении большей части истории Вселенной, а мы практически можем понять, когда именно это началось.
Могут ли эти миры иметь жизнь? Опять же, скорее всего, нет. Потому что эти планеты обращаются вокруг родительской звезды всего за 10 дней. Короткий орбитальный период означает, что планеты находятся очень близко к звезде. На дистанции одной десятой от Земли до Солнца вода в жидком виде уже не может существовать. Добавьте к этому высокие уровни радиации — для нас эти миры точно будут непригодными.
Можно ли сказать, что жизнь просто не может быть старше 3 миллиардов лет?
Мы рассмотрели лишь небольшую выборку планет, существующих в нашей Вселенной. В действительности же их намного больше. Мы не нашли и не изучили даже малую долю миров, существующих где-то там. Вполне возможно, что существуют миры, намного старше нашего, условия пребывания на которых позволяют существовать жизни. Впрочем, возможно, эта жизнь будет кардинально отличаться от нашей.
Вы будете удивлены, услышав, что наша Вселенная на самом деле довольно простая — это наши космологические теории оказываются неоправданно сложными, утверждает один из ведущих физиков-теоретиков мира. Такой вывод может показаться нелогичным: в конце концов, чтобы понять истинную сложность Природы, приходится мыслить шире, изучать вещи в более и более мелких масштабах, добавлять новые переменные в уравнения, придумывать «новую» и «экзотическую» физику. Когда-нибудь мы выясним, что такое темная материя, получим представление о том, где прячутся гравитационные волны — если только наши теоретические модели станут более развитыми и более… сложными.
Это не так, говорит Нил Турок, директор Института теоретической физики Периметра в Онтарио, Канада. По мнению Турока, если Вселенная, на самых больших и малых масштабах, о чем-то нам говорит, так это о своей невероятной простоте. Но чтобы в полной мере это осознать, нам необходима революция в физике.
В интервью Discovery Турок отметил, что крупнейшие открытия последних десятилетий подтвердили структуру Вселенной на космологических и квантовых масштабах.
«На крупных масштабах мы составили карту целого неба — космического микроволнового фона — и измерили эволюцию Вселенной, процесс ее изменения, процесс ее расширения… и эти открытия показывают, что Вселенная поразительно проста, — говорит он. — Другими словами, вы можете описать структуру Вселенной, ее геометрию, плотность материи всего одним числом».
Самый захватывающий вывод этого рассуждения в том, что описать геометрию Вселенной всего одним числом проще, чем описать численно простейший из известных нам атомов — атом водорода. Геометрия атома водорода описывается тремя числами, которые вытекают из квантовых характеристики электрона на орбите вокруг протона.
«Это говорит нам, что Вселенная гладкая, но имеет небольшой уровень колебаний, который описывается этим числом. И все. Вселенная — самое простое, что мы знаем».
Где-то там, на противоположном конце масштаба, нечто подобное произошло, когда физики исследовали поле Хиггса, используя самую сложную машину, когда-либо построенную людьми, — Большой адронный коллайдер. Когда в 2012 году физики исторически открыли частицу-посредника поля Хиггса — бозон Хиггса — она оказалась простейшим типом, описываемым Стандартной моделью частиц.
«Природа использует минимальное решение, минимальный механизм, который только можно представить, чтобы дать частицам их массу, их электрический заряд и так далее», — говорит Турок.
Физики 20 века научили нас, что если увеличивать точность и углубляться в квантовый мир, вы обнаружите зоопарк новых частиц. Поскольку экспериментальные результаты производили множество квантовой информации, теоретические модели предсказывали еще больше и больше частиц и сил. Но теперь мы достигли распутья, когда многие из наших передовых теоретических идей о том, что лежит «за пределами» нашего текущего понимания, физики ожидают некоторых экспериментальных результатов, которые подтвердят прогнозы.
«Мы оказались в странной ситуации, когда Вселенная с нами говорит; она говорит нам о том, что она чрезвычайно проста. В то же время теории, которые были популярны (последние 100 лет развития физики), становятся все более сложными, произвольными и непредсказуемыми», — говорит он.
Турок указывает на теорию струн, которая была заявлена как «окончательная теория объединения», упаковывающая все тайны мироздания в аккуратную упаковку. А также на поиск доказательств инфляции — быстрого расширения Вселенной, которое она пережила почти сразу после Большого Взрыва где-то 14 миллиардов лет назад — в форме первичных гравитационных волн, выгравированных на космическом микроволновом фоне, «эхе» Большого Взрыва. Но поскольку мы ищем экспериментальные доказательства, мы хватаемся за соломинку; экспериментальные доказательства просто не согласуются с нашими невыносимо сложными теориями.
Теоретическая работа Турока отведена происхождению Вселенной, темой, которая привлекла много внимания в последние месяцы.
В прошлом году коллаборация BICEP2, которая использует телескоп, расположенный на Южном Полюсе, для изучения реликтового излучения, объявила об обнаружении сигналов первичных гравитационных волн. Это своего рода «святой Грааль» космологии — открытие гравитационных волн, порожденных Большим Взрывом, может подтвердить инфляционные теории Вселенной. Но, к сожалению для команды BICEP2, они объявили «открытие» еще до того, как европейской космический телескоп Планка (который тоже составляет карту микроволнового фона) показал, что сигнал BICEP2 был вызван пылью в нашей галактике, а не древними гравитационными волнами.
Что, если первичные гравитационные волны никогда не найдут? Многие теоретики, которые возлагали свои надежды на Большой Взрыв с последующим периодом быстрой инфляции, могут быть разочарованы, но, по словам Турока, «это будет мощным намеком» на то, что Большой Взрыв (в классическом понимании) может не быть абсолютным началом Вселенной.
«Самое сложное для меня — это описать сам Большой Взрыв математически», — добавляет Турок.
Возможно, циклическая модель эволюции вселенной — когда наша Вселенная коллапсирует и начинает заново — будет лучше соответствовать наблюдениям. Таким моделям необязательно производить первичные гравитационные волны, и если эти волны не обнаруживаются, возможно, наши инфляционные теории нуждаются в улучшении.
Что касается гравитационных волн, которые, согласно прогнозам, производятся быстрым движением массивных объектов в нашей современной Вселенной, Турок уверен, что мы достигли такой степени чувствительности, что наши детекторы должны вскоре их обнаружить, подтверждая одно из предсказаний Эйнштейна на тему пространства-времени. «Мы ожидаем увидеть гравитационные волны от столкновений черных дыр в ближайшие пять лет».
От крупнейших масштабов до мельчайших, Вселенная кажется «безмасштабной» — другими словами, на какой бы пространственный или энергетический масштаб вы ни взглянули, нет в масштабах ничего «особенного». И этот вывод говорит в пользу того, что у Вселенной куда более простая природа, чем предполагают современные теории.
«Это кризис, но кризис в лучшем виде», — говорит Турок.
Таким образом, чтобы объяснить происхождение Вселенной и прийти к соглашению с некоторыми из самых загадочных тайн нашей Вселенной, вроде темной материи и темной энергии, нам, возможно, придется совершенно иначе взглянуть на космос. Для этого потребуется переворот в понимании физики, революционный подход, по силе сравнимый с эйнштейновским осознанием того, что пространство и время являются двумя сторонами одной медали, когда и была сформирована общая теория относительности.
«Нам нужно совсем другое представление фундаментальной физики. Пришло время для кардинально новых идей», — заключает Турок, отмечая, что сейчас прекрасное время для молодежи заниматься теоретической физикой, поскольку именно следующее поколение, вероятнее всего, перевернет наше понимание Вселенной.
Мы знаем, как добраться до Марса. Мы знаем, как высадиться на Марсе. Осталось выяснить, как покинуть Красную планету. Когда инженеры NASA смотрят на Марс, они видят венерину мухоловку размером с планету. Она соблазняет нас обещанием научных открытий, но к моменту, когда мы приземлимся туда, гравитация и климат будут в сговоре и надолго прижмут нас к поверхности.
Но это плохой вариант. Легко предположить, что общественность не захочет тратить миллиарды долларов только на то, чтобы оставить астронавтов загнивать на другой планете. Наиболее важной частью плана NASA по посещению Красной планеты будет, безусловно, отлет с нее.
Космический аппарат, который NASA будет строить для этой задачи, Mars Ascent Vehicle (MAV), представляет собой сложную инженерную задачу. Когда он полностью заправлен, он слишком тяжел, чтобы оторвать его от Земли и безопасно приземлить на Марсе. Вместо этого космический аппарат будет предварительно собран и отправлен на Красную планету — за годы до прибытия астронавтов — где займется выжиманием топлива из тонкой марсианской атмосферы.
Что потом? MAV должен быть достаточно крепким, чтобы остаться полностью работоспособным, несмотря на массивные пылевые бури и ультрафиолетовое излучение. Когда этот транспорт, наконец, оторвется, он должен будет поддерживать астронавтов в течение нескольких дней, пока они будут лететь на орбитальное судно, которое отвезет их домой.
Mars Ascent Vehicle станет миссией в миссии: пилотируемым космическим аппаратом, запущенным на орбите с поверхности чужой планеты. И будет только один шанс все сделать правильно.
Миссия на Марс станет первым караваном человечества в глубокий космос. Может понадобиться аж пять отдельных космических аппаратов, чтобы доставить астронавтов и их груз на Красную планету. «Вы вряд ли захотите пытаться завести двигатели на Марсе в своем скафандре, особенно в перчатках, предназначенных для пыльной погоды», — говорит Мишель Рукер, системный инженер в Космическом центре Джонсона при NASA.
Как говорят в NASA, это делает MAV «крупнейшим неделимым элементом полезного груза» одной миссии, весить он будет порядка 18 тонн. На сегодняшний день самым массивным объектом, который мы отправляли на поверхность Марса, был однотонный марсоход «Кьюриосити».
Приземлить объект на Марсе — особенно весом в несколько тонн — будет не так просто, как приземлиться на Земле, где капсула просто падает с неба, полагаясь на атмосферу, которая снизит скорость спуска.
На Марсе, где воздух в сотни раз менее плотный, чем на Земле, «как раз достаточно атмосферы, чтобы доставлять неудобства, но недостаточно, чтобы извлечь что-то полезное для себя», говорит Рукер. Или, если уточнить этот тезис, ее достаточно, чтобы поджарить вас, но недостаточно, чтобы замедлить.
Поэтому NASA разрабатывает технологию Hypersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator (сверхзвуковое надувное аэродинамическое замедление) — массивный конусообразный надувной тепловой щит, который будет также выступать в роли тормозной системы.
Щит разворачивается при входе в атмосферу Марса, замедляя спускаемый аппарат с гиперзвуковой до средней сверхзвуковой скорости. В тот же момент включаются ракетные двигатели для контролируемого приземления.
Приземление потребует от пяти до семи тонн топлива. Когда придет время взлетать с поверхности Марса, MAV понадобится 33 тонны топлива, чтобы преодолеть гравитацию планеты, пробиться через атмосферу и безопасно отвезти астронавтов и их научный груз на орбите, где они встретятся и произведут стыковку с аппаратом возвращения на Землю.
Слишком много придется отправлять наперед. Топливо должно быть произведено на Марсе.
Если экспедиции на Красную планету и будут иметь шансы на успех, то за счет взлета с поверхности. Производя топливо на Марсе, NASA может скостить несколько тонн изначальной массы полезного груза. И, по завершении первой миссии, оборудование можно оставить на Марсе, где оно послужит зарождающейся инфраструктуре для расширения производства по переработке не только топлива, но и воздуха, и воды для будущих исследователей.
Двигатели MAV будут работать на метане и жидком кислороде. Все ингредиенты, необходимые для производства топлива — углерод, водород и кислород — можно найти на Красной планете, если знать, где искать.
В теории кислород можно извлекать из марсианской атмосферы, которая на 95% представлена диоксидом углерода (CO2), и из жидкой и замороженной воды (H2O), погребенной под поверхностью. Оставшийся углерод и водород можно соединить с образованием жидкого метана.
Впрочем, бурение земли ради воды добавит нежелательный элемент неопределенности в уже и так трудную миссию. Добыть и обработать воду намного сложнее, чем просто использовать атмосферу Марса. «Другая проблема производства топлива с подземной водой в том, что это накладывает условия на место приземления: вам придется выбирать, где есть вода», — говорит Рукер. Вам нужно будет копать, и если вы «приземлитесь где-то на вершине коренных пород, все будет напрасно».
Если не извлекать водород из марсианской воды, планом Б будет отправка груза с водородом на Марс как затравка для производства метана. Но для первоначальной миссии эта идея тоже не лучшая. Хотя водород не особо тяжелый, он требует крупных баков для хранения, которые займут много драгоценного пространства.
«У нас есть проект посадочного модуля; сейчас он имеет сверху плоскую палубу, — говорит Тара Пулсгров, аэрокосмический инженер Центра управления космическими полетами Маршалла при NASA. — Сейчас MAV занимает большую часть этой палубы. На ней не так уж и много места для водородного бака».
Инженеры NASA могли бы вместить баки с водородом, сделав MAV выше, а не шире. Но увеличивать высоту космического аппарата крайне нежелательно. Они беспокоятся, что если аппарат будет слишком высоким, увеличится риск его опрокидывания после приземления.
Также, говорит Рукер, высокий MAV может усугубить физическую нагрузку на астронавтов. Если один или несколько из них станут недееспособными в ходе миссии, подниматься по высоким лестницам будет последнее, что они бы хотели. Легкий доступ будет в приоритете.
Таким образом, нынешний план предусматривает отправку полностью загруженного жидким метаном аппарата восхождения, а с ним и химический завод для производства жидкого кислорода из атмосферы Марса.
Этот процесс, как ожидается, займет от одного до двух лет. Когда баки MAV будут полны, человеческий экипаж будет отправлен на Марс в полной уверенности в том, что найдут там заправленный транспорт, ожидающий момента подъема их в космос.
Но инженеры NASA пока не готовы поднимать паруса. «Одна из проблем в том, что мы используем криогенное топливо, — говорит Рукер. — После того как вы сделаете свое топливо на Марсе, вам придется держать его в холодном состоянии несколько лет, прежде чем оно вам понадобится, чтобы оно не выпарилось».
«У нас есть топливо, но нет клапанов, которые гарантируют нулевую утечку, — добавляет Пулсгров. — Об этом приходится задумываться, поэтому мы уделяем особое внимание развитию технологий в области клапанов с низкой степенью утечки».
В более широком смысле, инженеры опасаются, что время не на их стороне. MAV потребует от одного до двух лет, чтобы произвести топливо. Затем экипаж людей потратит от 200 до 350 дней на дорогу к Марсу, а затем до 500 дней на исследование Красной планеты.
Сложите все это, и окажется, что MAV должен оставаться в рабочем состоянии и готовым ко взлету в течение четырех лет после первоначальной посадки на Марсе. «Он будет находиться в марсианской среде, — говорит Рукер. — Она очень пыльная. Там интенсивное ультрафиолетовое излучение. Как бы выглядела мебель вашего внутреннего дворика после такого? Так это на Земле, где защиты против этого всего куда больше».
Среди многих вопросов, которые инженеры должны учитывать при проектировании MAV, есть один важный: что будут носить астронавты?
«Вы видели фотографии с космической станции, — говорит Рукер. — Они там гуляют в шортах и футболках. Когда вы пребываете в стабильном полете в большом транспорте, вы можете себе такое позволить. Если вы взлетаете в транспорте, деться просто некуда. Если в нем окажется дырка, лучше бы вам быть в одежде».
Но в какой? Те скафандры для внекорабельной деятельности, что астронавты будут надевать во время изучения поверхности Марса, тяжелые и громоздкие. Если астронавты наденут их на борту MAV, инженерам придется увеличить размер кабины.
Еще возникает проблема марсианской пыли, которая будет цепляться к костюмами. Это не то, что астронавты должны привозить домой без надлежащих протоколов планетарной защиты. Рукер считает, что лучшим решением было бы оставить громоздкие скафандры на Марсе, где будущие миссии смогут разобрать их на части. А возвращение астронавтов осуществить в скафандрах корабельной деятельности (IVA) — таких пухлых оранжевых скафандрах, которые экипажи надевали во время запуска и повторного входа в атмосферу.
Скафандры IVA весят меньше и куда более подвижны. Их также можно избавить от пыли, ограничив их использование пределами транспорта на Марсе. Астронавты могут покинуть свое жилье и попасть в ровер с помощью порта стыковки. Уже оказавшись в ровере, они могут надеть чистые IVA-скафандры и доехать до MAV, в который попадут через специально спроектированный туннель под давлением.
Недостаток отправки такого туннеля на Марс в том, что он добавит веса к общему оборудованию, да еще и будет использоваться только один раз. Рукер, однако, считает, что туннелю можно найти и другие применения.
«Думаю, это вообще неплохая вещь, — говорит она. — Вместо одного большого жилища вы можете разделить его на небольшие жилища и использовать туннель для их присоединения. Добавлять новый элемент всегда не очень хорошо, но если этот элемент решает множество проблем, он может стать хорошим дополнением».
Наконец, пришло время отправляться.
Интерьер MAV будет спартанским, чтобы минимизировать вес. Это такси в один конец, а не жилье. Инженеры могут даже не включить сиденья — во время поездки астронавты будут стоять.
Восхождение с помощью ракетного двигателя продлится семь минут. Но на этом путешествие не заканчивается. Астронавты сожгут еще больше топлива для маневра на орбите, который позволит им встретиться и состыковаться с аппаратом для возвращения на Землю (ERV).
Это означает, что астронавты могут пробыть на борту подъемного транспорта до 43 часов, при условии что ERV будет припаркован на эллиптической орбите в диапазоне высот от 300 до 40 000 километров над поверхностью Марса. Однако Рукер говорит, что этот вопрос пока не решили планировщики марсианской миссии.
«Ребята, которые занимаются движением в космосе, хотят, чтобы это большое, толстое переходное жилье оставалось так высоко, как только сможет, — говорит она. — Они не хотят, чтобы оно погружалось в гравитацию Марса. Им было бы удобнее, чтобы транспорт восхождения подъезжал к нему».
Но есть проблема: длительное пребывание на борту MAV потребует дополнительных мер.
«Возможно, вы сможете остаться в скафандре и обойдетесь без горячего супа и ванной в течение сорока трех часов, — говорит она. — Но вам придется начать перетаскивать все, что вы с собой взяли, в течение трех, пяти, семи дней — все это суммируется, учитывая размеры транспорта восхождения».
Как только стыковка наконец осуществится — и экипаж с грузом перейдут в космический аппарат, который доставит их на Землю, — MAV отсоединится и начнет финальный маневр: выход на орбиту, которая не будет мешать будущим миссиям на Марс: неблагородный конец для небольшого космического аппарата, который сыграет ключевую роль в истории человечества.
Исследователи из университета Саутгемптона (University of Southampton) разработали новый способ, позволяющий с достаточно высокой точностью измерить массу пульсаров — вращающихся с высокой скоростью нейтронных звезд, обладающих чрезвычайно сильным магнитным полем. Такие звезды являются останками сверхмассивных звезд, взорвавшихся сверхновыми, и раньше астрономы определяли их массу, изучая движение планет, звезд и других спутников, удерживаемых гравитационными силами пульсара.
Новый метод позволяет вычислить массу не только старых пульсаров, но и молодых, которые еще не успели обзавестись окружением и которые находятся в космосе в полном одиночестве. «В отношении измерений характеристик пульсаров нам пришлось использовать фундаментальные принципы ядерной физики, а не наблюдения за силами гравитации» — рассказывает Уинн Хо (Wynn Ho), доктор математических наук из университета Саутгемптона, — «И разработанный нами способ может буквально преобразить некоторые методы, которые мы используем для измерений параметров самых разных космических объектов».
Известно, что вращающиеся пульсары излучают луч электромагнитного излучения, сигнал, который может быть обнаружен при помощи радиотелескопов. Из-за вращения пульсара и движения Земли этот сигнал является прерывистым. Старые пульсары имеют очень стабильную скорость вращения и их сигнал следует со строго определенным периодом, чего не скажешь о молодых пульсарах, которые продолжают «трястись» после взрыва, то ускоряясь, то замедляясь в течение короткого промежутка времени.Неравномерность скорости вращения возникает из-за того, что супержидкость ядра быстро вращающейся нейтронной звезды передает энергию своего вращения коре звезды. «Представьте себе пульсар как тарелку с супом. Посередине этой тарелки с одной скоростью вращается картофелина, а жидкость супа вращается в этом же направлении быстрее» — объясняет профессор Хо, — «Разница между скоростями вращения приведет к тому, что картофелина начнет ускоряться, и чем больше масса жидкости супа, тем быстрей она будет это делать».
Взяв за основу эту идею и последние данные, полученные при помощи современных радио- и рентгеновских телескопов, ученые разработали математическую модель, позволяющую вычислить массу молодого пульсара по колебаниям скорости его вращения. В основе этой модели лежит явление сверхтекучести, которым обладает супержидкость ядра звезды и которая определяет образование вихрей на границе ядра и коры пульсара. Комбинируя расчетные данные и данные наблюдений можно достаточно точно определить массу звезды.
Данная методика будет использована в самом ближайшем будущем при обработке данных, которые будут собираться радиотелескопами следующих поколений, таких, как Square Kilometre Array (SKA) и Low Frequency Array (LOFAR), последний из которых предназначен специально для поисков новых и изучения известных астрономам пульсаров.
Последнее время в том или ином виде часто появляются новости о Марсе. Аэрокосмическое агентство NASA нашло текучую воду на Красной планете. В кинопрокат вышел фильм «Марсианин», создававшийся при консультации с учеными и позволяющий посмотреть на марсианские просторы глазами актера Мэтта Дэймона. На этой волне у нас накопилось множество вопросов о загадках этого холодного мира. Например, означает ли наличие жидкой воды на Марсе возможность существования там жизни? Будут ли там расти растения? Можно ли переработать тамошнюю воду в кислород для дыхания и сделать когда-нибудь Марс новым туристическим пунктом назначения?
Если однажды человек действительно соберется жить на этой планете, то придется решить по крайней мере несколько критических задач. Во-первых, климат там очень нестабильный. Температура варьируется от -140 до +20 градусов Цельсия. Поэтому нам придется либо свыкнуться с этим, либо попытаться изменить этот климат. Именно об этом наверняка думал Элон Маск, когда высказывал свои предположения о проведении ядерных взрывов на полюсах планеты. После этого нам понадобятся жилища, еда и кислород. И хотя пока никто точно не знает, когда именно стартуют первые пилотируемые экспедиции на Марс, инженеры и ученые уже работают над технологиями, призванными решить все эти вопросы.
3D-печатные дома
NASA очень любит проводить разного рода соревнования, воодушевляя дизайнеров и инженеров на разработку новых подходов покорения космического пространства. Совсем недавно агентство провело конкурс на разработку 3D-напечатанного жилища на Марсе. Победителем конкурса стал концепт 3D-напечатанного космического иглу ICE HOUSE, разработали который нью-йоркские студии SEArch (Space Exploration Architecture) и Clouds AO (Clouds Architecture Office). Задачей конкурса была разработка концепта марсианского жилища на четырех человек с использованием 3D-печатных технологий и материала, имеющегося на Марсе. Победители забрали приз в размере 25 000 долларов.
Космические овощи
Эксперимент на МКС доказал, что в космосе можно выращивать свежий салат и микрозелень и без каких-либо опасений употреблять их в пищу. В прошлом году ракета SpaceX Falcon 9 доставила на МКС первый портативный парник, в котором каждый вид растения выращивается в своей индивидуальной камере. Совсем недавно команда МКС собрала выросший урожай салата Ромэн и с большим удовольствием его употребила по назначению.
Безусловно, если люди собираются жить на Марсе, даже при временных условиях, то им потребуется доступ к свежим продукта и в частности овощам. К счастью, для их же здоровья, даже находясь в 55 миллионах километрах от Земли, отказаться от свежей зелени на своей тарелке теперь не получится.
Искусственная зелень, производящая кислород
Одной из самых больших и очевидных препятствий, стоящих между человеком и его путешествиями на Марс, является отсутствие на планете кислорода для дыхания. Кислород, конечно, можно доставить туда в специальных емкостях с Земли. Однако в случае долговременного пребывания на планете куда разумнее и практичнее будет создание кислорода непосредственно на месте, вместо того чтобы тащить его через Солнечную систему. Для этого отлично подходят растения, которые, например, на Земле являются его основным источником. Но на Марсе, ввиду очень суровых условий, выжить они не смогут. Логичным решением проблемы является создание «искусственной зелени», которая, используя те же принципы и состоящая из тех же компонентов, что и натуральная зелень, сможет вырабатывать чистый кислород для дыхания, используя только воду и свет в качестве источника роста.
Инструменты для работы
Тут на помощь опять придет технология 3D-печати, которая позволит производить любые инструменты, необходимые для работы и обустройства жилища марсианских колонистов. Возможность, используя обычные материалы и 3D-принтер, создать любой инструмент, который может потребоваться, будет по-настоящему бесценной. Ведь дожидаться очередной посылки с Земли будет крайне непрактично — потребуются месяцы для того. В самом лучшем случае — минимум 280 дней.
На чем полетим?
На летающей тарелке, конечно! Без шуток. В NASA разрабатывают и испытывают новый посадочный модуль, напоминающий летающую тарелку из многих фантастических фильмов. Аппарат обладает новой надувной системой мягкой посадки Low Density Supersonic Decelerator (LDSD). Что интересно, дизайн нового спускаемого модуля был вдохновлен технологиями, которые использовались для посадки на Марсе в 1976 году. Кроме того, аналогичный аппарат использовался для доставки марсохода «Кьюриосити» на поверхность Красной планеты в 2012 году.
Еда из 3D-принтера
Итак, проблемы жилища, кислорода, натуральных овощей и даже гаечных ключей нужного размера мы уже рассмотрели, и теперь дело за самым важным аспектом, который необходимо решить, а затем дважды перепроверить перед тем, как мы отправимся на Марс. К сожалению, на Красной планете пока отсутствуют супермаркеты, где мы могли бы закупаться необходимыми продуктами питания. Однако есть и другой способ обеспечить себя нужным количеством ежедневных калорий. Еду мы будем печать на 3D-принтере.
Несмотря на то, что некоторые овощи мы уже научились выращивать в условиях микрогравитации, большая часть рациона астронавтов по-прежнему состоит из расфасованных продуктов питания, созданных в первую очередь для удобства и долгого хранения, нежели для поддержания пищевого баланса. Говорить о каких-то кулинарных изысках здесь не приходится. 3D-напечатанная еда могла бы разнообразить рацион, обеспечив людей дополнительными жизненно важными питательными веществами и аминокислотами.
