В глубинах вселенной. Взгляд в дальние глубины вселенной в трех измерениях

ВСЕЛЕННАЯ И МЫ

Что там, в глубинах Вселенной?

Как возник мир? По каким законам развивается Вселенная? Сколько ей лет и какова продолжительность её будущего существования? Не одно столетие человечество занимают эти вопросы. Сегодня наука достигла таких высот, что, кажется, вот-вот даст на них ответы. Так ли это? Мы попросили прояснить ситуацию доктора физико-математических наук, профессора Научно-исследовательского ядерного университета «МИФИ» С.Г. РУБИНА.

– Сергей Георгиевич, как известно, самой распространённой теорией возникновения Вселенной считается теория Большого взрыва. Объясните, пожалуйста, в чём её суть. Многие, хотя и знают, что она существует, плохо представляют себе, что это такое.

– Знаете, современная наука, хотя и не решила окончательно вопрос о происхождении Вселенной, продвинулась так далеко, что человеческого воображения уже не хватает, чтобы представить суть некоторых научных открытий. То же и с теорией Большого взрыва. Поскольку наш мозг формировался миллионы лет в определённых условиях (малые скорости, слабая гравитация, макроскопические размеры), нам очень трудно принять, что пространство и время изначально возникли в микроскопической области, что Вселенная постоянно расширяется и так далее. Не могут себе этого зримо представить и учёные, но у них, помимо воображения, есть ещё один инструмент, которого лишены люди, не связанные с наукой, – это хорошо проверенные уравнения. Именно они доказывают, что до Большого взрыва существовало некое поле, обладавшее рядом физических свойств, в том числе и плотностью энергии. Согласно квантовой теории, флуктуации этого поля постоянно возникают как в прошлом, так и в настоящем. Так вот, лет тридцать-сорок назад выяснилось, что при некоторых видах флуктуаций поля возникает расширение пространства, причём в первый момент процесс расширения имел огромную скорость. В науке это называется инфляцией. Соответственно плотность энергии поля, внутри которого происходила инфляция, начала быстро уменьшаться, порождая энергичные частицы (именно из них потом и образовались все небесные тела). Это означало рост температуры во Вселенной, поскольку известно, температура системы пропорциональна характерной энергии его частиц. Вот этот процесс, который для нас, современных наблюдателей, кажется единым мгновением и называется Большим взрывом. И с этого момента пространство продолжало расширяться, замедляясь, температура постепенно понижалась, а примерно через 13,6–13,7 миллиарда лет появился на Земле человек.

– Но как возникло вот это первоначальное поле и в каких условиях оно существовало, если тогда не было ни пространства, ни времени – в нашем понимании?

– На этот вопрос у науки нет ответа. Возможно, поле существовало всегда, возможно, оно когда-то возникло по неведомым нам причинам… Единственное, что мы знаем точно, – оно существовало до возникновения Вселенной и существует до сих пор, продолжая постоянно флуктуировать. Также нет ответа на вопрос о том, в каких условиях оно существовало: мы не знаем уравнений, которые могут их описать, а значит, можно только гадать. А всё, что может существовать только на уровне догадок, наука в расчёт не принимает.

– А помимо математических расчётов есть какие-то аргументы, подтверждающие теорию Большого взрыва?

– Ну конечно! Любой уважающий себя физик всё время проверяет свои уравнения на практике. Например, в 1960‑х годах было открыто реликтовое излучение, которое доказало, что Вселенная раньше была очень горячей, а потом стала охлаждаться за счёт расширения. А вот ещё одно доказательство: звёзд старше тринадцати миллиардов лет не обнаружено. Более того, если бы Вселенная существовала вечно, звёзды не могли бы образовываться, по крайней мере, в том виде, в каком они существуют сейчас. Потому что любая звезда состоит в основном из водорода, который постепенно перерабатывается в гелий. То есть водорода уже давно не осталось бы. Ну и наконец, теорию подтверждают расчёты на мощных компьютерах, в коде которых воссоздаются условия Большого взрыва, и они, опираясь на эти данные, моделируют то же распределение галактик, какое существует на самом деле.

– Но ведь есть альтернативные теории? Например, теория пульсирующей Вселенной…

– Да, такая теория есть и её разрабатывают серьёзные учёные. Согласно ей, наша Вселенная существует вечно, то расширяясь в пространстве до своего максимума, то сжимаясь обратно и уничтожая всё существующее в ней. Но я этой теорией никогда не занимался и, честно говоря, считаю её не слишком перспективной. Что же до других альтернативных теорий, то вероятность их корректности мала.

– Интересно, что теории Большого взрыва доверяют не только светские учёные. К ней положительно относятся Католическая и Православная Церкви – по их мнению, она не опровергает возможности сотворения мира Богом.

– Я с большим уважением отношусь ко всем религиям и к верующим людям. Но для меня как для физика нет понятия веры, есть лишь понятие вероятности. И если мы хотим определить степень вероятности существования Бога, необходимо определиться с предметом разговора, ответить на вопрос – какими свойствами обладает сущность, которую мы называем Богом. Может ли Он нарушать законы природы? Продолжает ли Он за нами, грешными, наблюдать и карать за проступки? Если да, то зачем, каким образом? Конечно, вероятность того, что первопричина возникновения нашей Вселенной – Бог, остаётся, но, по моему мнению, она крайне мала. И чем бóльшим количеством свойств, подобных тем, что я только что назвал, мы Его наделяем, тем меньше шансов (на мой взгляд!), что Бог существует, то есть вероятность падает практически до нуля. Но, как известно, вера – явление самодостаточное, научного обоснования ей не требуется, так что верить в Бога или нет – личное дело каждого.

– Конечно, вы правы, вопрос веры каждый решает сам для себя. Но если принять атеистическую точку зрения, то получается, что возникновение Вселенной – чистая случайность?

– Совершенно верно.

– Но тогда почему в ней всё настолько упорядочено, гармонично? Ведь случайность ассоциируется скорее с хаосом.

– Замечательный вопрос. Над ним размышляют многие учёные. Действительно, такая случайность поначалу кажется невероятной. Однако все мы когда-нибудь видели, как из небольшой трещинки на заасфальтированной площади пробивается на свет одинокий цветочек. Спрашивается, как же семя, из которого он вырос, ухитрилось попасть именно в эту трещину? Но вопрос снимается, как только мы понимаем, что это было одно из тысячи семян, большинство которых погибло на асфальте.

Да и по поводу гармонии природы у меня большие сомнения. Практически каждый человек чем-нибудь да болен. Мир животных жесток – всё время идёт борьба за выживание. Идеальные природные условия для существования реализуются крайне редко и т. д.

– Не хотите ли вы сказать, что наша Вселенная образовалась в результате одной из тысяч случайных реакций, большинство из которых ни к чему не привели?

– Именно! Только не тысяч – многих миллиардов! Наша Вселенная – всего лишь одна из бесконечного числа Вселенных с самыми разными свойствами. Все они возникают в результате различных флуктуаций. В подавляющем большинстве Вселенных ничего зародиться не может, они пустые. А вот наше поле сфлуктуировало так, что возникли условия для зарождения жизни.

– В связи с этим хочется задать другой вопрос – вы в инопланетян верите?

– Повторюсь, слово «вера» – не из лексикона учёных. Только в нашей Галактике порядка 100 миллиардов звёзд. Вокруг большинства вращаются планеты. Очевидно, что на многих из них имеются условия, аналогичные Земным. Ну а одинаковые условия приводят к одинаковым результатам – разум на них должен зародиться. Так что уверен с высокой вероятностью, что наша планета далеко не единственная, на которой возникла жизнь, и в нашей Вселенной, помимо Земли, существует множество других цивилизаций.

– А почему же тогда до сих пор нет никаких реальных подтверждений этому?

– Это как раз очень тревожит современных учёных. Ведь многие из этих цивилизаций намного древнее нас, может быть, они уже погибли. А может быть, они о нас знают, но мы им просто не интересны. Ведь представьте только, насколько они более развиты, чем мы, если их цивилизация на несколько миллиардов лет древнее нашей? Не исключено даже, что эти цивилизации и выполняют для нас те самые функции Бога, о которых мы с вами говорили.

– То есть жизнь на Земле, возможно, инопланетного происхождения?

– Вполне возможно. Но проблемы существования Бога это всё равно не решает, ведь те цивилизации тоже как-то возникли.

– Надеюсь, что мы встретимся с инопланетными братьями раньше, чем придёт конец земной цивилизации… Кстати, раз уж конец света не случился 21 декабря, как нам предрекали, то будет ли он вообще?

– Ну, если говорить о конце света как о гибели Вселенной, то это произойдёт очень нескоро – через много миллиардов лет. И скорее всего причиной тому станет чрезмерное расширение и, как результат, – охлаждение, при котором ни движение небесных тел, ни тем более какая-либо жизнь станут невозможны.

– Я недавно прочла, что этот процесс объясняется действием некой тёмной энергии, которой противостоит тёмная материя. Не могли бы вы пояснить, что это за феномены такие?

– Тёмная материя была открыта несколько десятков лет назад в результате наблюдения за движением звёзд в галактике. Было обнаружено, что звёзды движутся так, будто помимо них самих существует нечто, создающее дополнительное гравитационное притяжение. И вот это самое нечто и получило название «тёмная материя», потому что никто не знал, что это такое. Сейчас предполагается, что тёмная материя – это некие частицы, которым присущи два особых свойства: они очень массивные и практически не взаимодействуют с окружающей средой, что делает их невидимыми.

Тем не менее они повсеместно присутствуют, поэтому учёные не теряют надежду их всё-таки найти. Кто первый найдёт – тот и нобелевский лауреат.

– А тёмная энергия?

– С ней сложнее. Тёмную энергию обнаружили в 1998 году, и оказалось, что именно она составляет около 70 процентов всей существующей плотности энергии. Если коротко, то тёмная энергия создаётся полем, которое очень равномерно распределено по всему пространству Вселенной, что само по себе весьма странно. Но ещё более странно, что в этом поле отсутствуют какие-либо колебания, только чистая энергия, пребывающая в стационарном состоянии. Почему – существует множество версий, но точного ответа пока никто не знает.

– Но тёмная энергия как-то воздействует на Вселенную?

– Говоря простым языком, она заставляет далёкие галактики разбегаться все дальше, причём с небольшим ускорением. Если бы тёмной энергии не было, то на каком-то этапе расширение Вселенной замедлилось бы до минимума. А так пространство расширяется всё с бóльшим ускорением, скопления галактик разлетаются всё дальше, температура во Вселенной понижается. В конце концов небесные тела остынут. Впрочем, как я уже говорил, до этого ещё миллиарды лет.

– Это обнадёживает! Но то Вселенная, а как насчёт нашего земного шарика? Ему-то сколько осталось?

– Да столько же, сколько будет светить наша звезда – Солнце. Ведь опасностей из космоса не так много. Исследования же Солнца свидетельствуют, что ещё примерно 5 миллиардов лет оно наверняка будет функционировать в том же режиме, что и сейчас. Не погаснет и не начнёт греть нас слишком сильно. Большой метеорит, конечно, может уничтожить жизнь на Земле, но учёные контролируют движение крупных небесных тел, и в случае возникновения опасности мы сможем её предотвратить уже в недалёком будущем. Так что главная опасность исходит от нас же самих. И день конца света в первую очередь зависит от того, насколько бережно мы будем относиться к миру, в котором оказались по счастливой случайности…

– От себя добавлю – случайность, которая, несмотря ни на что, так похожа на чудо…

Беседовала Марианна МАРГОВСКАЯ

Аннотация

Вы приступаете к изучению одной из древнейших наук – астрономии. Астрономия изучалась в академии Платона в IV в. до н. э. В античные времена её приравняли к одному из видов искусств, и богиня Урания покровительствовала ей. В Средние века астрономию включили в число предметов факультета свободных искусств всех университетов. В эпоху Просвещения энциклопедисты XVIII в. включили астрономию в число обязательных наук, которые должны изучать молодые люди – будущие члены общества.

Пример из учебника

В настоящее время развитие цивилизации определяется астрономическими исследованиями, так как они позволяют нам прикоснуться к тайнам Вселенной. А «ощущение тайны:– самое прекрасное из доступных нам переживаний. Именно это чувство стоит у колыбели истинного искусства и настоящей науки … » (А. Эйнштейн).
В предлагаемом учебнике астрономии вы познакомитесь с описанием вида звёздного неба, с природой планет и звёзд, строением Солнечной системы, Млечного Пути, галактик, их распределением в пространстве и строением Вселенной в целом. Изучите, как астрономы определяют расстояние до звёзд и галактик, их размеры, массу, температуру, химический состав. Познаете, как небесные тела возникают, живут и умирают, как эволюционирует Вселенная во времени. Вы познакомитесь с новейшими достижениями астрономии, современными крупными наземными и космическими телескопами, которые используют для наблюдений самых далёких и необычных небесных тел: квазаров, пульсаров, нейтронных звёзд и чёрных дыр. Узнаете о возникновении и развитии совершенно новых методов астрономических наблюдений – нейтринной и грави­тационно-волновой астрономии. Увидите, как астрономы на основе законов небесной механики рассчитывают орбиты космических аппаратов, искусственных спутников Земли и планет.
Вы сможете почувствовать, как современная астрономия делает фундаментальные открытия, которые существенно меняют наши представления об окружающем мире. К таким открытиям, несомненно, относится открытие ускоренного расширения Вселенной, наличия тёмной материи, тёмной энергии и всемирной силы отталкивания, природа которых пока не понятна.
В материале учебника рассматриваются наблюдения и эксперименты, связанные с одной из важнейших мировоззренческих проблем существования жизни во Вселенной и связи с внеземными цивилизациями.
Основной метод исследования в астрономии – наблюдение. Если в вашем распоряжении окажется бинокль или телескоп, проводите самостоятельные наблюдения. Это поможет вам заглянуть в космические дали и увидеть недоступные небесные тела.

Введение 5
Работаем с учебником 6
Глава 1. Введение в астрономию.
1. Структура и масштабы Вселенной 8
2. Далёкие глубины Вселенной 12
Подведём итоги 14
Глава 2. Астронометрия.
3. Звёздное небо 16
4. Небесные координаты 20
5. Видимое движение планет и Солнца 22
6. Движение Луны и затмения 24
7. Время и календарь 28
Подведём итоги 32
Глава 3. Небесная механика.
8. Система мира 34
9. Законы движения планет 40
10. Космические скорости 44
11. Межпланетные полёты 46
Подведём итоги 48
Глава 4. Строение солнечной системы.
12. Современные представления о Солнечной системе 50
13. Планета Земля 52
14. Луна и её влияние на Землю 56
15. Планеты земной группы 60
16. Планеты-гиганты. Планеты-карлики 64
17. Малые тела Солнечной системы 68
18. Современные представления о происхождении Солнечной системы 72
Подведём итоги 74
Глава 5. Астрофизика и звездная астрономия.
19. Методы астрофизических исследований 76
20. Солнце 80
21. Внутреннее строение и источник энергии Солнца 86
22. Основные характеристики звёзд 91
23. Внутреннее строение звёзд 94
24. Белые карлики, нейтронные звёзды, пульсары и чёрные дыры 95
25. Двойные, кратные и переменные звёзды 98
26. Новые и сверхновые звёзды 100
27. Эволюция звёзд 103
Подведём итоги 106
Глава 6. Млечный путь – наша галактика
28. Газ и пыль в галактике 108
29. Рассеянные и шаровые звёздные скопления 110
30. Сверхмассивная чёрная дыра в центре Галактики 112
Подведём итоги 114
Глава 7. Галактики.
31. Классификация галактик 116
32. Активные галактики и квазары 120
33. Скопления галактик 122
Подведём итоги 124
Глава 8. Строение и эволюция Вселенной.
34. Конечность и бесконечность Вселенной - парадоксы классической космологии 126
35. Расширяющаяся Вселенная 128
36. Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение 132
Подведём итоги 134
Глава 9. Современные проблемы астрономии.
37. Ускоренное расширение Вселенной и тёмная энергия 136
38. Обнаружение планет около других звёзд 138
39. Поиск жизни и разума во Вселенной 140
Подведём итоги 142
Ответы и решения 143

Вместе с этим также читают:

Математика Арифметика Геометрия 5 класс – Бунимович Е.А., Дорофеев Г.В., Суворова С.Б.

Заглядывая в далекие глубины молодой вселенной, астрономы пытаются понять, как зажигались первые звезды.

Еще лет двадцать назад была известна лишь горсточка галактик старше семи миллиардов лет (этот порог соответствует космологическому красному смещению, превышающему единицу). Некоторые ученые даже открыто сомневались, что столь древние звездные скопления в самом деле существуют в значительных количествах. Устранению этого заблуждения помог случай. В 1995 году руководитель научных программ космического телескопа «Хаббл» Роберт Уильямс попросил у нескольких авторитетных астрономов совета, как лучше всего использовать ту долю обсервационного времени, которой он распоряжался по своему усмотрению. Часы горячих споров ни к чему не привели - каждый участник встречи отчаянно боролся за собственную программу. И тогда кто-то предложил просто направить телескоп в любую точку небесной сферы и «просверлить там дыру максимальной глубины» (именно в таких выражениях).

Эта идея оказалась на редкость плодотворной. В рамках нового проекта HDF (The Hubble Deep Field ) орбитальная обсерватория более десяти суток наблюдала участок небесной сферы площадью в 5,25 квадратной угловой минуты. В результате было обнаружено несколько тысяч сверхдалеких галактик, часть которых (с красным смещением порядка 6) возникла всего через миллиард лет после Большого взрыва. Стало совершенно ясно, что процесс возникновения звезд и звездных скоплений шел полным ходом, когда Вселенная была в 20 раз моложе своего нынешнего возраста. Дальнейшие наблюдения в рамках проектов HDF-South и Great Observatories Origins Deep Survey только подтвердили эти выводы. А в январе 2011 года астрономы из Нидерландов, США и Швейцарии сообщили о вероятной идентификации галактики с более чем десятикратным красным смещением, возникшей не позднее 480 млн лет после Большого взрыва. Можно надеяться, что уже в нынешнем десятилетии космические и наземные телескопы отловят звездный свет с двадцатикратным красным смещением, который ушел в космос, когда Вселенной было не более 300 млн лет.

Отдельные звезды первого поколения, в отличие от составленных из них галактик, еще не обнаружены. Это и понятно - их излучение достигает Земли в виде очень слабых потоков фотонов, отодвинутых красным смещением в далекую инфракрасную зону. Однако за несколько сотен миллионов лет с момента своего рождения эти светила (их также называют звездами популяции III) так повлияли на состав межгалактического вещества, что эти изменения замечают даже современные телескопы. С другой стороны, теоретики неплохо разбираются в процессах, которые свыше 13 млрд лет назад впервые запустили процесс рождения звезд и звездных скоплений.

Облака-предшественники

Звезды образуются из диффузной космической материи, сгустившейся под действием сил гравитации. В общих чертах этот механизм был ясен еще Ньютону, что следует из датированного 1961 годом письма, адресованного филологу Ричарду Бентли. Разумеется, современная наука сильно обогатила ньютоновское объяснение. В начале прошлого века британский астрофизик Джеймс Джинс доказал, что газовое облако коллапсирует лишь в том случае, если его масса превышает определенный предел. Когда газ стягивается к центру облака, возрастает его давление и возникают звуковые волны, распространяющиеся к периферии. Если их скорость меньше скорости гравитационного стягивания газа, облако продолжает коллапсировать, увеличивая плотность вещества в центральной зоне. Поскольку скорость звука пропорциональна квадратному корню температуры, а темп гравитационного сжатия возрастает вместе с массой, газовое облако коллапсирует тем легче, чем оно холоднее и тяжелее.

Как измерить расстояние в расширяющейся Вселенной

D L В расширяющейся Вселенной далекие галактики выглядят гораздо более тусклыми, чем в стационарной, потому что фотоны испытывают красное смещение и «размазываются» по большему пространству.

D A Галактики на самом краю видимой Вселенной выглядят так же, как 13 млрд. лет назад. Но когда свет от них начал свой путь к нам, они были не только моложе, но и гораздо ближе. Поэтому далекие галактики выглядят значительно более крупными, чем можно было бы ожидать.

D C Сопутствующая шкала расширяется вместе с нашей Вселенной. Она указывает, где находятся далекие объекты в данный момент (а мы видим Вселенную более молодой).

D T Эта шкала основана на времени прохождения света от далеких галактик до земного наблюдателя. Она одновременно показывает и расстояние, и возраст далеких галактик.

Во времена юной Вселенной в возрасте нескольких десятков миллионов лет космический газ состоял из водорода (76% массы) и гелия (24%), образовавшихся через несколько минут после Большого взрыва (плюс совсем немного лития). Его температура не особенно отличалась от температуры реликтового микроволнового излучения, которая к тому времени составляла около 100 К. Пространство было заполнено и темной материей, плотность которой тогда была довольно высока (сейчас из-за расширения Вселенной она в десятки раз меньше). Темная материя, как и обычная, служит источником тяготения и потому вносит вклад в полную гравитационную массу газовых облаков. В этих условиях масса Джинса составляет примерно 105 солнечных масс. Это и есть нижний предел полной массы скоплений обычной (барионной) и темной материи, из которых могли родиться первые звезды. Для контраста следует отметить, что звезды нашей Галактики, в том числе и Солнце, появились на свет без всякой помощи темной материи.

Темное начало

Роль темной материи в запуске процесса звездообразования исключительно важна. Ионизированный водородно-гелиевый газ, заполнявший пространство вплоть до эпохи возникновения нейтральных атомов (около 400 000 лет после Большого взрыва), был настолько «сглажен» взаимодействием с реликтовым электромагнитным излучением, что его плотность всюду была практически одинакова. Если бы еще и темная материя равномерно распределялась по космическому пространству, то локальным газовым сгусткам просто неоткуда было бы взяться, и звездообразование никогда бы не началось. Этому помешали флуктуации квантовых полей, породившие частицы темной материи в первые мгновения после Большого взрыва. Поскольку она не была подвержена нивелирующему действию реликтовой радиации, ее плотность кое-где несколько превышала средние значения. Эти максимумы плотности создавали гравитационные «колодцы», в которых собирались частицы газа. Темная материя не только обеспечивала формирование первичных газовых облаков, но и влияла на их последующий коллапс. Она создавала гравитационные конверты, внутри которых обычный газ закручивался приливными силами и превращался в тонкий вращающийся диск. Так формировались протогалактики, окруженные оболочками (гало) из темной материи. Локальные уплотнения внутри диска давали начало отдельным звездам.

Но это еще не полная картина. Поскольку уплотняющийся газ нагревается, его давление растет и противодействует дальнейшему коллапсу. Чтобы коллапс не прекратился, газ должен охладиться. Для звезд, формировавшихся в нашей Галактике, в том числе и для Солнца, это не составляло проблемы. В те времена космическая среда уже содержала частицы пыли и отдельные многоэлектронные атомы (скажем, азота, углерода и кислорода). При столкновениях они легко излучали фотоны и теряли энергию, вследствие чего температура газовой среды упала до 10–20 К. У первичных облаков такого выхода не было, и они могли терять температуру лишь за счет излучения атомарного и молекулярного водорода. Но атомарный водород служит эффективным охладителем лишь при нагреве свыше 10 000 К, а первичные облака были много холоднее. Процесс звездообразования спасали двухатомные молекулы водорода, теряющие энергию уже при нескольких сотнях кельвинов. По всей вероятности, они возникли благодаря столкновениям атомов водорода со свободными электронами, которых в космическом пространстве вполне хватало (электроны лишь катализировали эту реакцию и потому сами не расходовались).

Когда зажглись первые звезды, не знает никто, но некоторые специалисты полагают, что это могло произойти всего через 30 млн лет после Большого взрыва. Не исключено, что в будущем эту дату пересмотрят, однако есть все основания утверждать, что в возрасте 100 млн лет Вселенная уже обладала звездными популяциями.

Звезды-пионеры были законченными эгоистами. Они заливали окружающее пространство жестким ультрафиолетом, легко разрушающим молекулы водорода, и тем самым препятствовали возникновению новых звезд. Однако своим излучением (особенно рентгеном) они постоянно подогревали окружающее пространство. Поэтому космический газ постепенно прогрелся до температур, при которых на холодильную вахту заступил атомарный водород, и процесс звездообразования возобновился. Более того, этот процесс усилился, поскольку атомарный водород при температурах свыше 10 000 К излучает больше энергии, нежели молекулярный. Вторая стадия интенсивного формирования звезд популяции III имела место внутри самых ранних галактик, которые были еще очень мелкими (по современной классификации - карликовыми).

Эра светил

Дозвездная вселенная не отличалась сложностью. Ее состояние описывает лишь несколько космологических параметров - в частности плотность различных форм материи и температура реликтового излучения. Новорожденные звезды одновременно исполняли роль мощных источников электромагнитных волн и фабрик химических элементов. Хотя жизненный срок первых светил был недолгим, они качественно изменили космическую среду.

Первые звезды вспыхивали в зоне повышенной плотности газовых частиц, образовавшихся в ходе гравитационного коллапса облаков барионной и темной материи с массой порядка 105–106 солнечных масс. Естественно, существуют разные сценарии звездообразования (их можно обсчитать на суперкомпьютере, хотя и не полностью), но в целом все модели сходятся в том, что в ходе фрагментации первичных облаков внутри гало из темной материи формировались сгустки газа, тянущие на несколько сотен солнечных масс. Эта величина соответствует массе Джинса для температуры около 500 К и плотности газа порядка 10 000 частиц на 1 см 3 . Поэтому вскоре после формирования газовые сгустки теряли устойчивость и претерпевали гравитационный коллапс. Их температура возрастала весьма умеренно благодаря охлаждающему действию молекулярного водорода. В конечном счете они превращались в аккреционные диски, в которых и родились первые звезды.

До недавнего времени считали, что коллапсирующий сгусток с подобными параметрами больше не распадается и становится родоначальником единственной звезды. Вычисления, основанные на оценке темпов аккреции газа к центру диска, показывают, что масса таких звезд не могла быть больше 1000 солнечных масс. Это теоретическая верхняя граница, и пока не ясно, действительно ли существовали подобные сверхгиганты. Согласно консервативным оценкам, звезды первого поколения не были тяжелее 300, максимум 500 солнечных масс. Нижний предел массы этих звезд задается тем, что молекулярный водород способен снизить температуру облака только до 200 К, и потому звезда, не дотягивающая до 30 масс Солнца, просто не может родиться. Поскольку первичные облака фрагментировались на множество локальных сгущений, первые звезды, скорее всего, возникали сериями численностью в сотни, тысячи (а то и больше) светил. Конечно, это были еще не галактики (те сформировались позднее), но все-таки вполне внушительные звездные сообщества.

Звезды в сотни солнечных масс отличались яркостью и величиной. Их поверхность была разогрета до 100 000 К (атмосфера нашего Солнца в 17 раз холоднее). Типичный радиус такой звезды составлял 4–6 млн км против 700 000 км у Солнца, а светимость превосходила солнечную в миллионы раз. Их существование было очень коротким, максимум 2–3 млн лет, и завершали они его неодинаково. Звезды, которые появлялись на свет с массой в 140–260 солнечных, в конце жизни сгорели без остатка в сверхмощных термоядерных взрывах, высвобождая энергию порядка 10 53 эрг. Светила большей и меньшей массы коллапсировали в черные дыры. А вот нейтронных звезд они после себя не оставили - это удел светил с начальной массой 12–20 (максимум 30) солнечных масс, время которых тогда еще не пришло. Конечно, все вышесказанное - теоретические сценарии, ведь первые звезды никто никогда не наблюдал. Однако же некоторые из них в момент гибели породили мощнейшие гамма-всплески, почти доступные для современной аппаратуры. В 2009 году был замечен всплеск, датируемый 630 млн лет жизни Вселенной, а регистрация еще более ранних всплесков уже не за горами.

Совсем недавно возникли сомнения в правомерности модели изолированного возникновения первых звезд. В феврале 2011 года астрофизики из ФРГ и США опубликовали в журнале Science результаты компьютерного моделирования динамики аккреционных дисков, положивших начало первым звездам. Анализ показал, что такие диски, скорее всего, распадались на фрагменты, и первые звезды появлялись на свет не поодиночке, а парами, тройками и даже более крупными группами.

А не случилось ли так, что отдельные звездные эмбрионы под действием тяготения своих соседей вылетали за границы диска еще до того, как набрали огромную массу? В этом случае среди звезд третьей популяции могли оказаться и довольно легкие светила, способные протянуть миллиарды лет и даже дожить до нашего времени. Однако, как объяснил «ПМ» профессор Техасского университета в Остине Фолькер Бромм, пока удалось проследить лишь начальный этап эволюции аккреционного диска на протяжении нескольких сотен лет: «Скорее всего, первые звезды, даже появившиеся на свет группой, все-таки дорастали как минимум до нескольких десятков солнечных масс, как и полагали ранее. Так что гипотетическое появление в ту эпоху светил с умеренной массой – всего лишь логическая возможность».

От суперзвезд к гипердырам

Черные дыры, которые оставили после себя первые звезды, были, во всяком случае, легче их самих и вряд ли имели более сотни солнечных масс. Однако результаты анализа излучения древних квазаров позволяют утверждать, что спустя 800–900 млн лет после Большого взрыва во Вселенной уже имелись черные дыры в миллиард раз тяжелее Солнца. Как могли возникнуть подобные гиганты за столь короткое время? «На первый взгляд в этом нет никакой загадки, - говорит Абрахам Лёб, профессор астрономии Гарвардского университета и автор недавно опубликованной монографии о первых звездах.– Если постоянно щедро снабжать дыру веществом, с течением времени ее масса станет увеличиваться по экспоненте, подобно колонии бактерий в богатой питательной среде. На таком режиме за несколько сотен миллионов лет дыра, начавшая с сотни солнечных масс, спокойно доберется до миллиарда. Однако дело в том, что гипотеза стабильной подпитки черной дыры аккретирующим газом не соответствует действительности. Вычисления показали, что такая аккреция прерывается по целому ряду причин. Так, при слиянии галактик черные дыры образуют двойные системы, излучающие мощные гравитационные волны, которые буквально вымывают газ из окрестного пространства. А в отсутствие непрерывной подпитки экспоненциального роста просто не будет. Однако есть и другая возможность. Результаты этого же компьютерного моделирования показывают, что внутри первых карликовых галактик, которые уж точно существовали спустя 500 млн лет после Большого взрыва, могли сформироваться подлинные звезды-исполины. Молекул водорода в пространстве тогда уже не осталось, а среда из атомарного водорода не могла снизить температуру менее 10 000 К. Однако эти галактики все же имели солидный объем и с помощью темной материи захватывали много больше газа, нежели облака, положившие начало самым первым звездам. В этой ситуации возможен сценарий, в соответствии с которым горячий коллапсирующий газ не распадается на многочисленные сгустки, а очень быстро, без предварительного формирования аккреционных дисков, порождает одиночные и парные звезды в несколько миллионов солнечных масс. После них могли остаться черные дыры-миллионники, имеющие реальный шанс тысячекратного роста в течение последующих 300–400 млн лет. Это решает загадку раннего появления сверхмассивных черных дыр - пока, естественно, только в теории».

Вселенная

В безлунные ночи на небе хорошо видна туманная полоса Млечного Пути. Но это не скопление туманных масс, а множество звезд – наша звездная система Галактика. В Галактике по современным оценкам около 200 миллиардов звезд. Чтобы пересечь её из конца в конец световой луч при скорости 300 тысяч километров в секунду должен затратить около 100 тысяч лет1.

Однако, несмотря на столь грандиозные размеры, наша Галактика лишь один из множества подобных звездных островов Вселенной. У неё есть спутники. Самые крупные из них – Большое и Малое Магеллановы Облака. Вместе с нашей Галактикой они обращаются вокруг общего центра масс. Наша Галактика, Магеллановы Облака и еще несколько звездных систем, в том числе знаменитая туманность Андромеды, образуют так называемую Местную Группу Галактик.

Современным телескопам и радиотелескопам, а также другим средствам астрономических исследований доступна колоссальная область пространства. Её радиус 10-12 миллиардов световых лет. В этой области расположены миллиарды галактик. Это – Метагалактика.

^ В расширяющейся метагалактике

Одной из самых ошеломляющих астрономических теорий, появившейся на свет в текущем столетии, бесспорно, можно считать теорию «расширяющейся Вселенной» или, точнее говоря, расширяющейся Метагалактики.

Главная идея этой теории состоит в том, что Метагалактика возникла около 15-20 миллиардов2 лет назад в результате грандиозного космического взрыва компактного сгустка сверхплотной материи.

^ Несколько слов о том, как родилась эта теория

Одним из самых эффективных методов изучения Вселенной является построение различных теоретических моделей, т. е. упрощенных теоретических схем мироздания. Длительное время в космологии изучались так называемые однородные изотропные модели. Что это значит?

Вообразим, что мы разбили Вселенную на множество «элементарных» областей и что каждая из них содержит большое количество галактик. Тогда однородность и изотропия означают, что свойства и поведение Вселенной в каждую эпоху одинаковы во всех достаточно больших областях и по всем направлениям.

Первую модель однородной изотропной Вселенной предложил А. Эйнштейн. Она описывала так называемую стационарную Вселенную, т. е. такую Вселенную, которая с течением времени не меняется в общих чертах, но в которой вообще нет каких-либо движений достаточно крупного масштаба.

Однако в 1922 г. талантливый ленинградский ученый А. А. Фридман показал, что уравнения Эйнштейна допускают также множество нестационарных, а именно расширяющихся и сжимающихся, однородных изотропных моделей. Позднее выяснилось, что, и статическая модель Эйнштейна неизбежно переходит в нестационарную. Но это означало, что однородная изотропная Вселенная обязательно должна либо расширяться, либо сжиматься.

Еще до этого американский астроном Слайфер обнаружил красное смещение спектральных линий в спектрах галактик. Подобное явление, известное в физике под названием эффекта Доплера, наблюдается в тех случаях, когда расстояние между источником света и приемником увеличивается.

^ Вселенная в гамма-лучах

Как известно, на протяжении весьма длительного времени астрономия была чисто «оптической»1 наукой. Человек изучал на небе то, что он видел – сперва невооружённым глазом, а затем с помощью телескопов. С развитием радиотехники родилась радиоастрономия, значительно расширившая наши знания о Вселенной. Наконец, в последние годы в результате появления космических средств исследования возникла возможность изучения и других электромагнитных вестников Вселенной – инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-излучений. Астрономия превратилась во всеволновую науку.

Одним из новых методов исследования космических объектов является рентгеновская астрономия. Несмотря на то, что этот метод сравнительно молод, в настоящее время Вселенную уже невозможно представить себе без тех данных, которые получены благодаря наблюдениям в рентгеновском диапазоне.

Пожалуй, ещё более многообещающим источником космической информации являются гамма-излучения. Дело в том, что энергия гамма-квантов может в сотни тысяч и миллионы раз превосходить энергию фотонов видимого света. Для таких гамма-квантов Вселенная фактически прозрачна. Они распространяются практически прямолинейно, приходят к нам от весьма удалённых объектов и могут сообщить чрезвычайно ценные сведения о многих физических процессах, протекающих в космосе.

Особенно важную информацию гамма-кванты способны принести о необычайных, экстремальных состояниях материи во Вселенной, а именно такие состояния интересуют современных астрофизиков в первую очередь. Так, например, гамма-излучение возникает при взаимодействии вещества и антивещества, а также там, где происходит рождение космических лучей – потоков частиц высоких энергий.

Главная трудность гамма-наблюдений Вселенной заключается в том, что хотя энергия космических гамма-квантов и очень велика, но число этих квантов в околоземном пространстве ничтожно мало. Современные гамма-телескопы даже от самых ярких гамма-источников регистрируют примерно один квант за несколько минут.

Значительные трудности возникают и вследствие того, что первичное космическое излучение приходится изучать на фоне многочисленных помех. Под действием заряжённых частиц космических лучей, приходящих на Землю, – протонов и электронов, начинают ярко «светиться» в гамма-диапазоне и земная атмосфера, и конструкции космического аппарата, на борту которого установлена регистрирующая аппаратура.

Как же выглядит Вселенная в гамма-лучах? Представьте себе на минуту, что ваши глаза чувствительны не к видимому свету, а к гамма-квантам. Какая картина предстала перед нами? Взглянув на небо, мы не увидели бы ни Солнца, ни привычных созвездий, а Млечный Путь выглядел бы узкой светящейся полосой. Кстати, подобное распределение галактического гамма-излучения подтвердило предположение, высказанное в своё время известным советским физиком академиком В. Л. Гинзбургом о том, что космические лучи имеют в основном галактическое, а не внегалактическое происхождение.

В настоящее время с помощью гамма-телескопов, установленных на космических аппаратах, зарегистрировано несколько десятков источников космического гамма-излучения. Пока ещё нельзя точно сказать, что они собой представляют, – звёзды ли это или другие компактные объекты, или, может быть, протяжённые образования. Есть основания предполагать, что гамма-излучение возникает при нестационарных, взрывных явлениях. К числу таких явлений относятся, например, вспышки сверхновых звёзд. Однако при обследовании 88 известных остатков сверхновых было обнаружено только два источника гамма-излучения.

^ Судьба одной гипотезы

У планеты Марс есть два маленьких спутника – Фобос и Деймос. Деймос обращается по орбите, удаленной от планеты примерно на 23 тыс. км, а Фобос движется на расстоянии всего около 9 тыс. км от Марса. Вспомним, что Луна удалена от нас на 385 тыс. км, т.е. находится в 40 с лишним раз дальше от Земли, чем Фобос от Марса.

Вся история изучения Фобоса и Деймоса полна удивительных событий и увлекательных загадок. Судите сами: первое напоминание о наличии у Марса двух небольших спутников появилось не в научных трудах, а на страницах знаменитых «Путешествий Гулливера», написанных Джонатаном Свифтом в начале 18 столетия.

По ходу событий Гулливер оказывается на летучем острове Лапуте. И местные астрономы рассказывают ему, что им удалось открыть два маленьких спутника, обращающихся вокруг Марса.

В действительности же марсианские луны были открыты А.Холлом лишь спустя полтора столетия после выхода романа в свет, во время великого противостояния Марса 1877 г. И открыты при исключительно благоприятных атмосферных условиях после упорных многодневных наблюдений, на пределе возможностей инструмента и человеческих глаз.

Сейчас можно только гадать, что побудило Свифта предсказать существование двух спутников Марса. Во всяком случае, не телескопические наблюдения. Скорее всего, Свифт предполагал, что число спутников у планет должно возрастать по мере удаления от Солнца. В то время было известно, что у Венеры спутников нет, вокруг Земли обращается один спутник – Луна, а вокруг Юпитера – четыре, они были открыты Галилеем в 1610 г. Получалось «очевидная» геометрическая прогрессия, в которую на свободное место, соответствующее Марсу, казалось, сама собой просилась двойка.

Впрочем, Свифт предсказал не только существование Фобоса и Деймоса, но и то, что радиус орбиты ближайшего спутника Марса равен трем поперечником планеты, а внешнего – пяти. Три поперечника – это около20 тысяч км. Примерно на таком расстоянии расположена орбита Деймоса. Правда, не внутреннего спутника, как утверждал Свифт, а внешнего – но все равно совпадение впечатляет. Разумеется, именно совпадение

В очередной раз очередной раз внимание к марсианским лунам было привлечено во второй половине текущего столетия. Сравнивая результаты наблюдений, проведенных в разные годы, астрономы пришли к выводу, что ближайший спутник Марса Фобос испытывает торможение, благодаря которому постепенно приближается к поверхности планеты. Явление выглядело загадочно. Во всяком случае, никакими эффектами небесной механики наблюдаемое торможение объяснить не удалось.

^ Черные дыры во вселенной

В последние годы большую популярность в астрофизике приобрела гипотеза так называемых черных дыр.

Двадцатый век принес с собой целый ряд удивительных открытий в физике и астрономии. Идет своеобразная цепная реакция: обнаруживаются диковинные явления, а их дальнейшее изучение и осмысление приводит к открытию явлений, еще более поразительных. Таков закономерный путь развития естествознания.

Один из самых диковинных, правда, пока еще «теоретических» космических объектов, который в последние годы привлекает особое внимание физиков и астрофизиков, – черные дыры. Одно название чего стоит: дыры во Вселенной да еще черные!

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, силы тяготения непосредственно связаны со свойствами пространства. Любое тело не просто существует в пространстве само по себе, но определяет его геометрию. Однажды какой-то предприимчивый репортер обратился к Эйнштейну с просьбой изложить суть его теории в одной фразе и так, чтобы это было понятно широкой публике. «Раньше полагали, – ответил на это Эйнштейн, – что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранилось бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время».

Любые массы искривляют окружающее пространство. В повседневной жизни мы этой искривленности практически не ощущаем, поскольку нам обычно приходится иметь дело со сравнительно небольшими массами. Однако в очень сильных полях тяготения этот эффект может приобретать существенное значение.

За последние годы во Вселенной обнаружен целый ряд явлений, которые свидетельствуют о возможности концентрации огромных масс в сравнительно небольших областях пространства.

Если некоторая масса вещества окажется в малом объеме, критическом для данной массы, то под действием собственного тяготения это вещество начинает сжиматься. Наступает своеобразная гравитационная катастрофа – гравитационный коллапс.

1 Эти данные получены

2 Это основная идея

1 Это известно далеко не всем

Глава1.

Введение в астрономию

Внутри доступной наблюдениям части Вселенной содержится несколько десятков миллиардов крупных галактик различной формы.

Газ и пыль собраны в газопылевые облака, которые наблюдаются в виде диффузных светящихся туманностей и отражательных туманностей возле звёзд.

Наблюдаются рассеянные и шаровые звёздные скопления.

Средняя плотность вещества во Вселенной в виде звёзд, газа, пыли и галактик составляет всего около1,2 × 10 –26 кг/м 3 .

Самыми плотными объектами являются нейтронные звёзды.

Наблюдаются остатки взрывов сверхновых звёзд, в которых вещество разлетается со скоростью в тысячи километров в секунду, в результате чего образуются релятивистские частицы.

В центре Млечного Пути находится сверхмассивная чёрная дыра.

Для изучения самых далёких небесных тел астрономы строят гигантские телескопы, чтобы различить как можно меньшие детали небесных тел.

Чтобы избавиться от влияния атмосферы и изучать излучение небесных тел в рентгеновских, γ- и инфракрасных лучах, запускают космические телескопы.

Структура и масштабы Вселенной

Наука о небесных телах получила название астрономия (от древнегреческих слов «астрон» - звезда и «номос» - закон). Она изучает их видимые и действительные движения и законы, определяющие эти движения; формы, размеры, массы и рельеф поверхности; природу и физическое состояние небесных тел; взаимодействие между ними, их эволюцию - вероятную прошлую историю и будущее развитие. Объект исследований астрономов - вся Вселенная в целом.

Внутри доступной наблюдениям части Вселенной имеются несколько десятков миллиардов галактик. Каждая галактика содержит десятки и сотни миллиардов звёзд. Полное число звёзд в наблюдаемой части Вселенной составляет порядка 1022.

При фотографировании неба в самые мощные телескопы удаётся зафиксировать до 10 миллиардов звёзд. Практически все они принадлежат нашей Галактике, которой ещё в древности дали название Млечный Путь .

Астрономы измерили расстояния до многих звёзд. Расстояние до ближайшей к нам звезды Проксимы Центавра составляет 4,2 св. г. Значение «несколько световых лет» характеризует среднее расстояние между звёздами в Млечном Пути.

Наряду со звёздами и планетами, во Вселенной имеются газ и пыль. Масса газа и пыли в галактиках почти в сто раз меньше, чем масса, заключённая в звёздах

Самые разреженные области Вселенной - это пространство между галактиками, а самые плотные - ядра звёзд. Если средняя плотность Солнца составляет около 1400 кг/м3, почти как плотность воды, то в центре Солнца уже около 150 000 кг/м3.

Астрономам удалось измерить и рассчитать температуры различных небесных тел и областей космоса. Так, самыми холодными оказались плотные облака газа и пыли, удалённые на большие расстояния от звёзд, - в них температура составляет всего несколько Кельвинов. Именно в этих областях образуются новые звёзды.

На поверхности Солнца температура равна примерно 6000 К, а в его центре - около 15 000 000 К. В некоторых звёздах температура в центре достигает миллиардов Кельвинов. Благодаря высоким температурам в них протекают термоядерные реакции и образуются все, в том числе тяжёлые химические элементы.

Последние наблюдения показали, что Вселенная расширяется с ускорением. По наблюдениям ускоренного удаления галактик не так давно была открыта новая сила Всемирного отталкивания . Природа этой силы пока не ясна. Кроме этого, было установлено, что основную часть Вселенной занимают тёмная материя и тёмная энергия , а обычное вещество составляет всего несколько процентов.

Далёкие глубины Вселенной

Современная астрономия нацелена на изучение самых далёких областей Вселенной и детальной структуры небесных тел. В последние десятилетия были построены несколько обсерваторий с гигантскими телескопами.

Следует отметить южную международную астрономическую обсерваторию в Чили на высоте около 5000 метров. Очень Большой Телескоп, состоящий из четырёх телескопов с диаметрами 8,2 м каждый. С помощью компьютерных технологий они могут работать вместе как гигантский интерферометр, с угловым разрешением в несколько миллисекунд дуги.

Хороший астрономический климат в обсерватории и чувствительные инфракрасные приёмники света, позволил проникнуть в центр Млечного Пути через облака газа и пыли, которые непрозрачны для видимого света, изучить движение отдельных звёзд в центре и обнаружить сверхмассивную черную дыру в нём.

Чтобы исключить влияние атмосферы на результаты наблюдений, астрономы запускают телескопы за пределы земной атмосферы.

Используя длительные экспозиции, впервые были получены изображения протогалактик, первых сгустков материи, которые сформировались менее чем через миллиард лет после Большого взрыва.

В настоящее время в космическом пространстве работает российская космическая обсерватория «Радиоастрон». Телескоп двигается по очень вытянутой орбите с апогеем до 360 000 км. Радиоастрон позволяет получить информацию о структуре галактических и внегалактических радиоисточников на угловых масштабах до 8 микросекунд дуги (8 × 106″).

Сейчас в космическом пространстве вокруг Земли вращается гамма телескоп имени Ферми. Так как гамма излучение образуется при высокоэнергичных процессах, рождения и аннигиляции частиц и античастиц, при ядерных реакциях, то телескоп позволяет исследовать эти процессы в небесных телах. Многие астрономы склонны думать, что в гамма излучении себя проявляют необычные свойства тёмной материи.

Большое развитие получила нейтринная астрономия. Её методами удалось заглянуть внутрь Солнца и в ядра взрывающихся сверхновых звёзд. Совершенно новое направление представляет гравитационно-волновая астрономия. Её первые успехи связывают с прямым наблюдением гравитационного излучения, которое, по-видимому, образовалось при слиянии двух чёрных дыр.

Подведём итоги

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ:

Объект с каким минимальным линейным размером мы сможем различить в галактике Туманность Андромеды, расстояние до которой 2,5 млн св. лет, с помощью «РадиоАстрона»?

Скорость волокон в Крабовидной туманности составляет 1500 км/с. Расстояние до неё 6500 св. лет. Через сколько лет мы сможем заметить это перемещение в телескоп с диаметром 86 м с пространственным разрешением 0,004′′?

Чем отличаются исследования в области астрономии от исследований в области физики и биологии?

Справочник

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2018-01-31