Космічна молодість: чому астронавти старіють повільніше і яку ціну вони платять за кілька мілісекунд

Чому астронавти старіють повільніше за людей на Землі? Ті, хто місяцями літає навколо планети, справді молодшають відносно нас із вами. Це не фантастика і не красива легенда: це прямий наслідок теорії відносності Альберта Айнштайна, яку сьогодні підтверджують точні атомні годинники. Та є нюанс, який рідко згадують у популярних статтях: виграш у часі вимірюється мілісекундами, а ось організм у космосі зношується помітно швидше.

Розберемося, чому час на орбіті тече інакше, наскільки саме молодшими повертаються космонавти, що показав знаменитий експеримент із братами-близнюками Келлі та чому за кілька мілісекунд молодості людське тіло платить зовсім не мілісекундною ціною.

Далі пояснюємо кожен пункт детально, простою мовою й без складної математики.

 

Чому астронавти старіють повільніше: час у космосі тече інакше

До початку двадцятого століття час вважали однаковим для всіх: секунда в Києві дорівнювала секунді на Місяці. Айнштайн довів, що це не так. Темп перебігу часу залежить від двох речей: від швидкості руху та від сили гравітації в тому місці, де перебуває спостерігач.

Перший ефект описує спеціальна теорія відносності. Чим швидше рухається об’єкт, тим повільніше для нього тече час відносно нерухомого спостерігача. Другий ефект описує загальна теорія відносності. Чим сильніша гравітація, тим повільніше йде час. Тому годинник біля поверхні Землі відстає від годинника, який розташований далі від планети.

Обидва ефекти давно перевірені на практиці. У дослідах із надточними атомними годинниками фіксували різницю в ході часу навіть тоді, коли годинник підіймали лише на кілька десятків сантиметрів. Тож питання не в тому, чи існує цей феномен, а в тому, наскільки він помітний для людини.

 

Швидкість проти гравітації: хто виграє на орбіті МКС

Міжнародна космічна станція обертається навколо Землі на висоті близько 400 кілометрів зі швидкістю приблизно 7,66 км/с. Це понад 27 тисяч кілометрів на годину, і станція робить один оберт за півтори години. Астронавти на борту бачать до шістнадцяти сходів і заходів сонця щодоби.

Через високу швидкість час на борту сповільнюється приблизно на 28 мікросекунд за добу. Водночас гравітація на висоті 400 кілометрів трохи слабша, ніж на поверхні, і це прискорює час приблизно на 3,6 мікросекунди за добу. Два ефекти діють у протилежних напрямках, але швидкість переважає.

У сумі годинник на МКС відстає від земного приблизно на 25 мікросекунд щодоби. Мікросекунда дорівнює одній мільйонній частці секунди, тож за рік різниця становить менше десяти мілісекунд. Людина не здатна відчути такий проміжок: моргання ока триває у кілька десятків разів довше.

 

Близнюки Келлі: знаменитий космічний експеримент

Ідею про брата, який летить у космос і повертається молодшим за близнюка, що залишився вдома, фізики називають парадоксом близнюків. Довгий час це був лише уявний експеримент. Проте в 2015 році він став реальним: американський астронавт Скотт Келлі провів на МКС майже рік, 340 діб, а його брат-близнюк Марк, також астронавт, усе цей час залишався на Землі.

З погляду теорії відносності Скотт повернувся молодшим за Марка приблизно на кілька мілісекунд. Це надзвичайно мало, проте принципово важливо: вперше людський організм пройшов такий експеримент із повним медичним супроводом. NASA запустило масштабне Дослідження близнюків, щоб порівняти два генетично ідентичні тіла, одне з яких пережило рік у невагомості.

 

Рекордсмени космічного часу

Найбільше часу в польоті провів російський космонавт Валерій Поляков: 437 діб поспіль на станції «Мир». За сумарним часом на орбіті тривалий період лідирував Сергій Крикальов: за кілька польотів він прожив у космосі близько 803 діб, тобто понад два роки. Пізніше його результат перевершили Геннадій Падалка й Олег Кононенко, який налітав понад тисячу діб.

Розрахунки показують, що Крикальов помолодшав приблизно на 0,02 секунди порівняно з тими, хто залишався на Землі. Це й досі один із найвідоміших прикладів практичного уповільнення часу для людини. Проте навіть така цифра не має жодного відчутного впливу на життя: ні на вік за паспортом, ні на самопочуття.

 

Чи можна помолодшати на роки: швидкості, близькі до світла

Щоб виграти в часі не мілісекунди, а місяці чи роки, потрібна швидкість, співмірна зі швидкістю світла, або надзвичайно сильна гравітація. На сучасних космічних апаратах це недосяжно. Найшвидші зонди рухаються зі швидкостями, які становлять лише кілька сотих відсотка від швидкості світла.

У фільмі «Інтерстеллар» показано планету поблизу чорної діри, де одна година дорівнює семи рокам на Землі. З погляду фізики ідея правдоподібна: біля масивного гравітаційного об’єкта час справді сповільнюється. Та поки що це сфера теорії й кінематографа, а не реальних польотів.

 

Де ми користуємося цими поправками щодня: GPS

Релятивістські ефекти не залишаються лише темою для наукпопу. Кожен, хто користується навігатором у смартфоні, щодня спирається на них. Супутники системи GPS летять на висоті понад 20 тисяч кілометрів. Там гравітація слабша, тож годинники на борту поспішають приблизно на 45 мікросекунд за добу, а через швидкість відстають приблизно на 7 мікросекунд. Підсумок становить близько 38 мікросекунд вперед щодоби.

Якби інженери не враховували цю різницю, помилка в визначенні місця зростала б приблизно на десять кілометрів щодоби, і навігація стала б марною вже за кілька годин. Тож теорія відносності давно працює на користь звичайних людей.

 

Чому організм астронавта старіє швидше, попри уповільнення часу

Тепер головний нюанс. Релятивістський виграш зникомо малий, а космічне середовище чинить на тіло потужний стресовий вплив. Саме тому кажуть, що за біологічними ознаками астронавти старіють швидше, хоча за годинником часу в них минає менше.

Ось основні чинники прискореного зношування:

• Втрата кісткової маси. У невагомості кістки перестають отримувати звичне навантаження. Щільність кісток у несучих відділах скелета може знижуватися приблизно на один-півтора відсотка щомісяця, а це нагадує остеопороз у літніх людей.
• Атрофія м’язів. Без гравітації м’язи спини, ніг і серця працюють значно менше, тому слабшають, попри щоденні тренування по дві години.
• Космічна радіація. За межами захисного шару атмосфери доза опромінення в десятки разів вища за земний фон. Це підвищує ризик ушкоджень ДНК і ракових захворювань.
• Зміни зору. Рідина в невагомості перерозподіляється до голови, і в частини астронавтів розвивається так званий космічний синдром очей з погіршенням чіткості зору.
• Порушення сну та ритмів. Шістнадцять сходів сонця за добу збивають біологічний годинник, що позначається на обміні речовин і нервовій системі.

Теломери й гени: що показало дослідження близнюків NASA

Результати Дослідження близнюків опублікували в 2019 році в журналі Science, і вони виявилися несподіваними. Теломери, захисні кінчики хромосом, довжина яких зазвичай вважається маркером біологічного віку, у Скотта Келлі під час польоту не скоротилися, а в середньому подовжилися. Проте після повернення на Землю вони швидко вкоротилися, а частина навіть стала коротшою, ніж була до польоту.

Окрім того, у Скотта змінилася активність тисяч генів, і приблизно сім відсотків цих змін не повернулися до норми навіть через півроку після приземлення. Зафіксували також короткочасне зниження когнітивних показників, насамперед швидкості та точності відповідей. Науковці наголошують, що дослідження охопило лише одну пару близнюків, тому робити остаточні висновки зарано, проте напрям зрозумілий: космос помітно впливає на біологію людини, і цей вплив не зводиться до простого омолодження.

 

Поширені запитання про старіння в космосі

Чому астронавти старіють повільніше і чи справді вони молодші за ровесників? За астрономічним часом так, але різниця становить мілісекунди, і вона нічого не змінює в житті людини.

Чи помолодшає астронавт на Марсі? Під час польоту до Марса сповільнення часу буде невеликим, оскільки швидкості залишаються далекими від світлових. Набагато більше значення матимуть радіація та тривала невагомість.

Чи можуть астронавти повернутися дійсно молодшими біологічно? Наразі ні. Усі спостереження вказують на те, що космічні умови радше навантажують організм, ніж омолоджують його, хоча після повернення на Землю частина показників поступово відновлюється.

Хто відчуває різницю в часі найсильніше? Найбільше виграють ті, хто проводить в космосі найдовше й рухається найшвидше, але навіть для рекордсменів виграш, це соті долі секунди.

Отже, вислів про те, що астронавти старіють повільніше, є абсолютно правдивим з погляду фізики, але водночас оманливим з погляду біології. Час на борту МКС тече трохи повільніше, а тіло астронавта зношується швидше. Саме це поєднання й робить тему такою захопливою для науковців, які вчаться захищати людей на майбутніх маршрутах до Місяця й Марса.