Космос - это не однородное ничто. Между различными объектами есть облака газа и пыли. Они являются остатками после взрыва сверхновых и местом для формирования звезд. В некоторых областях этот межзвездный газ достаточно плотный, чтобы распространять звуковые волны, но они не восприимчивы для человеческого слуха.
Есть ли в космосе звук?
Когда объект движется - будь то вибрация гитарной струны или взрывающийся фейерверк - он воздействует на близлежащие молекулы воздуха, как бы толкая их. Эти молекулы врезаются в своих соседей, а те, в свою очередь, в следующие. Движение распространяется по воздуху подобно волне. Когда она достигает уха, человек воспринимает ее как звук.
Когда звуковая волна проходит сквозь воздушное пространство, его давление колеблется вверх и вниз, словно морская вода в шторм. Время между этими вибрациями называется частотой звука и измеряется в герцах (1 Гц - это одна осцилляция в секунду). Расстояние между пиками наивысшего давления называется длиной волны.
Звук может распространяться только в среде, в которой длина волны не больше среднего расстояния между частицами. Физики называют это «условно свободной дорогой» - среднее расстояние, которое молекула проходит после столкновения с одной и перед взаимодействием со следующей. Таким образом, плотная среда может передавать звуки с короткой длиной волны и наоборот.
Звуки с длинными волнами имеют частоты, которые ухо воспринимает как низкие тона. В газе со средней длиной свободного пробега, превышающей 17 м (20 Гц), звуковые волны будут слишком низкочастотными, чтобы человек смог их воспринять. Они называются инфразвуками. Если бы существовали инопланетяне с ушами, воспринимающими очень низкие ноты, они бы точно знали, слышны ли звуки в открытом космосе.
Песнь черной дыры
На расстоянии около 220 миллионов световых лет, в центре кластера из тысяч галактик, сверхмассивная черная дыра напевает самую низкую ноту, которую когда-либо слышала вселенная. На 57 октав ниже средней «до», что примерно на миллион миллиардов раз глубже, чем звук той частоты, которую человек может услышать.
Самый глубокий звук, который возможно уловить людям, имеет цикл около одного колебания каждые 1/20 секунды. У черной дыры в созвездии Персея цикл составляет около одного колебания каждые 10 миллионов лет.
Это стало известно в 2003 году, когда космический телескоп NASA «Чандра» обнаружил нечто в газе, заполняющем кластер Персея: концентрированные кольца света и темноты, похожие на рябь в пруду. Астрофизики говорят, что это следы невероятно низкочастотных звуковых волн. Более яркие - это вершины волн, где наибольшее давление на газ. Кольца темнее - это впадины, где давление ниже.
Звук, который можно увидеть
Горячий, намагниченный газ вращается вокруг черной дыры, похожий на воду, циркулирующую вокруг слива. Двигаясь, он создает мощное электромагнитное поле. Достаточно сильное, чтобы ускорить газ возле края черной дыры практически до скорости света, превращая его в огромные всплески, называемые релятивистскими струями. Они вынуждают газ повернуть на своем пути в сторону, и это воздействие вызывает жуткие звуки из космоса.
Они переносятся через кластер Персея в течение сотен тысяч световых лет от своего источника, но звук может путешествовать только до тех пор, пока достаточно газа для его перевозки. Поэтому он останавливается на краю газового облака, заполняющего скопление галактик Персея. Это значит, что невозможно услышать его звук на Земле. Можно увидеть только влияние на газовое облако. Это выглядит так, как если смотреть через пространство на звукоизолированную камеру.
Странная планета
Наша планета издает глубокий стон каждый раз, когда двигается ее кора. Тогда не остается сомнений: распространяются ли звуки в космосе. Землетрясение может создавать вибрации в атмосфере с частотой от одного до пяти Гц. Если оно достаточно сильное, то может посылать инфразвуковые волны через атмосферу в открытый космос.
Конечно, нет четкой границы, где атмосфера Земли заканчивается и начинается космос. Воздух просто постепенно становится тоньше, пока в конце концов не исчезает вовсе. От 80 до 550 километров над поверхностью Земли длина свободного пробега молекулы составляет около километра. Это означает, что воздух на этой высоте примерно в 59 раз тоньше такого, при котором была бы возможность слышать звук. Он способен лишь переносить длинные инфразвуковые волны.
Когда в марте 2011 года землетрясение магнитудой 9.0 потрясло северо-восточное побережье Японии, сейсмографы во всем мире зафиксировали, как его волны проходили сквозь Землю, а вибрации вызывали низкочастотные колебания в атмосфере. Эти вибрации прошли весь путь до того места, где корабль Европейского космического агентства (Gravity Field) и стационарный спутник Ocean Circulation Explorer (GOCE) сравнивает гравитацию Земли на низкой орбите с отметкой 270 километров над поверхностью. И спутнику удалось записать эти звуковые волны.
GOCE обладает очень чувствительными акселерометрами на борту, которые управляют ионным двигателем. Это помогает поддерживать спутник на стабильной орбите. 11 марта 2011 года акселерометры GOCE обнаружили вертикальное смещение в очень тонкой атмосфере вокруг спутника, а также волнообразные сдвиги в давлении воздуха, в момент распространения звуковых волн от землетрясения. Двигатели спутника скорректировали смещение и сохранили данные, которые стали подобием записи инфразвука землетрясения.
Эта запись была засекречена в данных о спутнике до тех пор, пока группа ученых, возглавляемая Рафаэлем Ф. Гарсией, не опубликовала этот документ.
Первый звук во вселенной
Если бы была возможность вернуться в прошлое, примерно в первые 760 000 лет после Большого Взрыва, можно было бы узнать, есть ли в космосе звук. В это время Вселенная была настолько плотной, что звуковые волны могли свободно распространяться.
Примерно тогда же первые фотоны начинали путешествовать в космосе в качестве света. После всё наконец охладилось настолько, чтобы субатомные частицы конденсировались в атомы. До того, как произошло охлаждение, Вселенная была заполнена заряженными частицами - протонами и электронами - которые поглощали или рассеивали фотоны, частицы, составляющие свет.
Сегодня он достигает Земли как слабое свечение микроволнового фона, видимое только очень чувствительными радиотелескопами. Физики называют это реликтовым излучением. Это самый старый свет во вселенной. Он отвечает на вопрос, есть ли звук в космосе. Реликтовое излучение содержит запись древнейшей музыки вселенной.
Свет в помощь
Как свет помогает узнать, есть ли звук в космосе? Звуковые волны проходят сквозь воздух (или межзвездный газ) как колебания давления. Когда газ сжимается, становится жарче. В космических масштабах это явление настолько интенсивно, что образуются звезды. А когда газ расширяется, он остывает. Звуковые волны, распространяющиеся по ранней вселенной, вызывали слабые колебания давления в газовой среде, что, в свою очередь, оставляло слабые сбои температуры, отраженные в космическом микроволновом фоне.
Используя температурные изменения, физику Университета Вашингтона Джону Крамеру удалось восстановить эти жуткие звуки из космоса - музыку расширяющейся вселенной. Он умножил частоту в 1026 раз, чтобы человеческие уши смогли его услышать.
Так что никто действительно не услышит крика в космосе, но останутся звуковые волны, движущиеся сквозь облака межзвездного газа либо в разреженных лучах внешней атмосферы Земли.
