История парадокса
реклама
Лекция 7. Мегамир. Гипотезы возникновения и эволюции Вселенной. Квантовая теория вакуума. Горбачев, с.150 – 154, 164 - 181 Карпенков, с. Дубнищева, с. 491 - 509 Вопросы: 1. Космологические парадоксы 2. Теории возникновения и развития Вселенной 3. Структура Вселенной 4. Современные представления о физическом вакууме Млечный Путь над Онтарио 1 Авторы: Керри-Энн Леки Хепберн (Фотографии неба и погоды) Перевод: Д.Ю.Цветков Authors & editors: Robert Nemiroff (MTU) & Jerry Bonnell (USRA) NASA Web Site Statements, Warnings, and Disclaimers NASA Official: Jay Norris. Specific rights apply. A service of: LHEA at NASA / GSFC & Michigan Tech. U. 29.07.2008 Иногда, когда ваши глаза привыкнут к темноте, можно увидеть великолепное ночное небо. В начале этого месяца над Онтарио в Канаде можно было любоваться не только прекрасным небом, но и его отражением в озере. Ярчайшие объекты, которые можно увидеть на картинке—это яркие звезды и планета Юпитер — самое яркое пятнышко слева вверху. Далекий город выдает себя раcсеянным светом над горизонтом. Еще слабее светится эффектная диффузная полоса, пересекающая все небо и, кажется, падающая на далекий горизонт — диск нашей Галактики Млечный Путь. На переднем плане виден живописный пейзаж: деревья, озеро и каменная стена. И, наконец, этой ясной ночью в июле воды озера были необычно тихими, и в нем появились отражения. В озере видны отражения не только нескольких ярких звезд, но и части полосы Млечного Пути. Внимательно рассматривая картинку, можно заметить, что отражения ярких звезд в озере немного растянуты, в то время как на небе этого не видно. Причина в том, что картинка на самом деле является цифровым монтажом из последовательных экспозиций, снятых одной камерой. Изображения неба были сложены с небольшими поворотами, чтобы звезды не сдвинулись. На переднем плане находятся близкие деревья и более далекие покрытые снегом горы. Силуэты облаков можно увидеть прямо над горизонтом, а внимательный взгляд может рассмотреть также более далекое зеленое и красное северное сияние, которое возникает в верхних слоях атмосферы Земли. Красные эмиссионные туманности усеивают небо, включая туманности Сердце и Душа, I C 1396 и туманность Северная Америка. По диагонали из верхнего левого к нижнему правому углу протянулась величественная сияющая полоса центральной плоскости нашей Галактики Млечный Путь. И, наконец, самый далекий из объектов &mdash галактика Андромеды. Ее можно найти левее центра над горизонтом, и мы видим ее такой, какой она была более двух миллионов лет назад. Небесные сокровища над Швецией 15.04.2008 2 Авторы: П.-М. Хеден (Ясные небеса, Ночной мир) Перевод: Д.Ю.Цветков На переднем плане находятся близкие деревья и более далекие покрытые снегом горы. Силуэты облаков можно увидеть прямо над горизонтом, а внимательный взгляд может рассмотреть также более далекое зеленое и красное северное сияние, которое возникает в верхних слоях атмосферы Земли. Красные эмиссионные туманности усеивают небо, включая туманности Сердце и Душа, IC 1396 и туманность Северная Америка. По диагонали из верхнего левого к нижнему правому углу протянулась величественная сияющая полоса центральной плоскости нашей Галактики Млечный Путь.. И, наконец, самый далекий из объектов &mdash галактика Андромеды. Ее можно найти левее центра над горизонтом, и мы видим ее такой, какой она была более двух миллионов лет назад. Authors & editors: Robert Nemiroff (MTU) & Jerry Bonnell (USRA) NASA Web Site Statements, Warnings, and Disclaimers 3 Понятие «Вселенная» означает Космос, доступный человеческому наблюдению. Наука, изучающая строение и эволюцию Вселенной называется космологией. Её цель – выявление и изучение законов, функционирующих во Вселенной, выявление её состава и структуры. Нынешнее понимание Вселенной основано на экспериментальных наблюдениях, которые теоретики пытаются объяснить путём существующих теорий или выдвижением новых гипотез. Затем проводятся новые опыты для увязки действительности с предсказанием. Вселенная – упорядоченное целое, значит, космология открывает и изучает упорядоченность Вселенной. Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Первые научно-обоснованные модели Вселенной появились после открытий Коперника, Галилея и Ньютона, в результате которых мир предстал бесконечным в пространстве и времени. Ньютон дал всеобщий закон управления Вселенной – гравитацию, но его друг Галлей сразу выделил парадокс, сформулированный им в виде космологического принципа: Гравитационный парадокс (парадокс Неймана — Зелигера, название по имени немецких учёных К. Неймана и Х. Зелигера, 19 в.) имеет менее очевидный характер и состоит в том, что закон всемирного тяготения Ньютона не даёт какого-либо разумного ответа на вопрос о гравитационном поле, создаваемом бесконечной системой масс (если только не делать очень специальных предположений о характере пространственного распределения этих масс). Для космологических масштабов ответ даёт теория А. Эйнштейна, в которой закон всемирного тяготения уточняется для случая очень сильных гравитационных полей. - гравитационный парадокс: согласно ньютоновскому понятию гравитации бесконечный Космос с конечной плотностью массы должен давать бесконечную силу притяжения. Бесконечно возрастающее тяготение неизбежно приводит к бесконечным ускорениям и бесконечным скоростям космических тел. Следовательно, скорость тел должна расти с увеличением расстояния между телами. Но этого не происходит, и тогда получается, что вселенная не может существовать вечно и должна распасться на подсистемы. Решая эту проблему, И.Кант сделал вывод о нестатичности Космоса. Туманности он назвал «мировыми островами». Идеи Канта развил Ламберт, который считал, что при увеличении размеров островов увеличивается и расстояние между ними, так что суммарные силы Космоса остаются конечными. Тогда парадокс разрешается. Эти рассуждения были первой попыткой получить эмпирические сведения о Вселенной с помощью статистических методов. У.Гершель начал искать в космосе «острова Канта», чтобы показать, что они состоят из миллионов звёзд и удерживаются силами взаимного притяжения. Согласно Гершелю, видимые в телескоп звёзды вместе с Млечным Путём и образуют тот остров, к которому принадлежит наше Солнце со своей планетной системой. В 1744 г. швейц. астроном Ж.Шезо сформулировал фотометрический парадокс: в бесконечной Вселенной, заполненной бесконечным числом звёзд, небо должно быть равномерно ярким, тогда как между звёздами наблюдаются проме4 жутки. Ольберс в 1923 г. показал, что пылевые облака, поглощающие свет более дальних звёзд, не снимают этот парадокс, поскольку сами должны были нагреваться и излучать свет (парадокс Ольберса). "Фотометрический парадокс - один из парадоксов классической космологии, сформулированный в 1826 году немецким астрономом Генрихом Ольберсом. Суть фотометрического парадокса состоит в следующем. Если существует бесконечное количество звезд, то ночное небо должно быть полностью светящимся, ибо в бесконечной Вселенной, все пространство которой заполнено звездами, всякий луч зрения должен оканчиваться на звезде, и поэтому все небо должно быть таким же ярким, как и звезды, реально же ночное небо темное. Эту проблему называют также парадоксом Шезо – Ольберса, в связи с тем, что швейцарский астроном Жан Шезо высказал аналогичную идею в 1744 году. Этой же проблемы, примерно в те же годы, касался Эдмунд Галлей, а еще раньше – Иоганн Кеплер, который в 1610 году приводил факт темноты ночного неба как аргумент против безграничной Вселенной, заполненной бесконечным количеством звезд". Фотометрический парадокс (парадокс Шезо — Ольберса, название по имени швейцарского астронома Ж. Шезо, 1744, и немецкого астронома Г. В. Ольберса, 1826) состоит в том, что классическая физика затрудняется объяснить, почему ночью темно: если повсюду в бесконечном пространстве[1] стационарной Вселенной (или хотя бы в достаточно большой её области) имеются излучающие звёзды, то в любом направлении на луче зрения должна оказаться какаянибудь звезда и вся поверхность неба должна представляться ослепительно яркой, подобной, например, поверхности Солнца. Это противоречие с тем, что наблюдается в действительности, и называлось фотометрическим парадоксом. Парадокс решается при учёте одного из следующих факторов: Вселенная не бесконечно древняя; Вселенная пространственно ограничена и не замкнута; Свет поглощается облаками межзвёздной пыли, чёрными дырами и т. п. Фотометри́ческий парадо́кс (парадокс Ольберса) — один из парадоксов дорелятивистской космологии, заключающийся в том, что в стационарной Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Парадокс разрешается в космологической модели Большого Взрыва. Сущность парадокса B бесконечной Вселенной, всё пространство которой заполнено звёздами, всякий луч зрения должен оканчиваться на звезде, аналогично тому, как в густом лесу мы обнаруживаем себя окружёнными «стеной» из удалённых деревьев. Поток энергии излучения, принимаемого от звезды, уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния до неё. Но угловая площадь (телесный угол), занимаемая на небе каждой звездой, также уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, из чего следует, что поверхностная яркость звезды (равная отношению потока энергии к телесному углу, занимаемому на небе звездой) не зависит от расстояния. Поскольку наше Солнце является во всех отношениях типичной звездой, то поверхностная яркость звезды в среднем должна быть равна поверхностной яркости Солнца. Когда мы смотрим в какую-то точку неба, мы видим звезду с той же поверхностной яркостью, что и Солнце; поверхностная яркость соседней точки должна быть такой же, и вообще во всех точках неба поверхностная яркость должна быть равна поверхностной яркости Солнца, поскольку в любой точке небосвода должна находиться какая-нибудь звезда. Следовательно, всё небо (не только ночью, но и днём) должно быть таким же ярким, как и поверхность Солнца. История парадокса 5 Анимация предыдущего рисунка: добавление звезд слой за слоем. Впервые этот парадокс сформулировал во всей его полноте швейцарский астроном ЖанФилипп Луи де Шезо (1718—1751) в 1744 году, хотя аналогичные мысли высказывали ранее и другие учёные, в частности, Иоганн Кеплер, Отто фон Герике и Эдмунд Галлей. Иногда фотометрический парадокс называется парадоксом Ольберса в честь астронома, который привлёк к нему внимание в XIX веке. В прошлом делались попытки разрешить этот парадокс предположением, что облака космической пыли экранируют свет далёких звёзд. Однако это объяснение неправильно: в однородной изотропной Вселенной пыль сама должна нагреваться и светиться так же ярко, как звезды. Другое объяснение заключалось в том, что бесконечная Вселенная устроена иерархически, подобно матрёшке: каждая материальная система входит в состав системы более высокого уровня, так что средняя плотность излучателей света по мере роста масштабов стремится к нулю. Однако это предположение отвергается в современной космологии, основанной на космологическом принципе, согласно которому Вселенная однородна и изотропна. Разрешение парадокса Правильное объяснение фотометрического парадокса содержится в космологической поэме Эдгара По «Эврика» (1848); поскольку эта поэма не является научным сочинением, авторство можно приписать также немецкому астроному Иоганну Медлеру (1861). Подробное математическое рассмотрение этого решения было дано Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) в 1901 году. Оно основано на конечности возраста Вселенной. Поскольку (по современным данным) более 13 млрд лет назад во Вселенной не было галактик и квазаров, самые далёкие звёзды, которые мы можем наблюдать, расположены на расстояниях около 13 млрд световых лет. Это устраняет основную предпосылку фотометрического парадокса — то, что звёзды расположены на любых, сколь угодно больших расстояниях от нас. Вселенная, наблюдаемая на бо́льших расстояниях, настолько молода, что звезды ещё не успели в ней образоваться. Заметим, что это нисколько не противоречит космологическому принципу, из которого следует безграничность Вселенной: ограничена не Вселенная, а только та часть её, где успели за время прихода к нам света родиться первые звёзды. Некоторый (существенно меньший) вклад в уменьшение яркости ночного неба вносит и красное смещение галактик. Действительно, далёкие галактики имеют в (1 + z) бо́льшую длину волны излучения, чем галактики на близких расстояниях. Но длина волны связана с энергией света по формуле ε = hc/λ. Поэтому энергия фотонов, принимаемых нами от дальних галактик, в (1 + z) раз меньше. Далее, если из галактики с красным смещением z вылетают два фотона с интервалом времени δt, то интервал между принятием этих двух фотонов на Земле бу6 дет ещё в (1 + z) раз больше, стало быть, интенсивность принятого света во столько же раз меньше. В итоге мы получаем, что суммарная энергия, поступающая к нам от далёких галактик, в (1 + z)2 раз меньше, чем если бы эта галактика не удалялась от нас вследствие космологического расширения. Позднее, нем. астрономы Фридрих Цельнер (1834 - 1882) и Карл Шварцшильд (1873 - 1916) указали, что в основе закона Ньютона лежит эвклидова геометрия, которая после открытий Гаусса, Больяйи, Лобачевского и Римана потеряла своё абсолютное значение, поэтому стало возможным допущение о конечности Вселенной, но фотометрический парадокс всё ещё оставался неразрешённым. Этот парадокс разрешился сам собой после создания модели расширяющейся Вселенной: для каждого наблюдателя в расширяющейся Вселенной есть горизонт видимости, поэтому он видит только конечное число звёзд. Горизонт видимости для каждого из нас разделяет мир на открытый и закрытый – и мы видим свет звёзд ограниченной части Вселенной – Метагалактики – в радиусе 13 млрд. световых лет. Вблизи этого объекта вещество Вселенной находится в далёком прошлом, когда его плотность была максимальной (не было ни объектов, ни вещества, ни излучения). Этот горизонт расширяется, примерно, на одну стомиллионную своей величины за сто лет. При переходе к микромиру исследователь столкнулся с новыми силами и новыми явлениями. Но масштаб атомных ядер только в 1015 раз меньше масштабов макромира , тогда как масштаб Вселенной – в 1026 раз больше. Земных законов может быть недостаточно для объяснения происходящих во Вселенной процессов. Поэтому «рабочую модель» Вселенной допустимо строить на основе экстраполяции законов земной физики и химии. Современная космологическая модель наблюдаемого состояния Вселенной базируется на ОТО. В 1922 г. профессор Петроградского университета А.А.Фридман (1888 - 1925) в результате решений космологических уравнений пришёл к выводу: Вселенная должна либо расширяться, либо сужаться. На пространственно-временной схеме эволюции Вселенной чётко просматриваются несколько вариантов её дальнейшей судьбы. Главным фактором эволюции является величина совокупной плотности её вещества и энергии, которая обычно выражается величиной Ω, равной приведённой плотности вещества (энергии) по отношению к критической плотности (/kr). Ω=1, в случае совпадения плотности вещества-энергии с критическим значением плотности, указывает на расширение Вселенной с всё уменьшающейся скоростью; через бесконечное время на бесконечном удалении она уже не будет ни расширяться, ни сжиматься. Этот случай характерен для Вселенной с критической плотностью. Если масса определяет геометрию времени-пространства, критической плотности соответствует плоская вселенная, где сохраняется параллельность линий и справедлива евклидова геометрия. Если Ω > 1, значит расширение Вселенной будет замедляться ещё быстрее и, достигнув предельных размеров, она начнёт стягиваться, пока не произойдёт «большого сжатия»(пульсирующая модель, пространство неевклидово, сфериче7 ский мир). Это сценарий развития Вселенной, где параллельные линии начнут сходиться. Если Ω < 1 , Вселенная будет вечно расширяться со слегка замедляющейся скоростью. Это поведение открытой Вселенной, где параллельные линии начнут расходиться (неевклидово пространство, гиперболический мир). Согласно величине видимой материи Ω < 1, что свидетельствует об открытой расширяющейся Вселенной. Фактически расширение Вселенной было предсказано в 1917 г. голл. астрономом Вильямом Де Ситтером (1872 - 1934), но до открытия «красного смещения» Э.Хабблом эти гипотезы воспринимались как казус. В 1924 г. американский астроном Э.Хаббл (1889 - 1953) измерил расстояние до ближайших туманностей и в 1929г. экспериментально подтвердил теоретический вывод А.Фридмана. Хаббл утверждал, что во всех наблюдаемых спектрах всех наблюдаемы галактик он видит красную подсветку в части спектра. Подобное смещение спектра излучения в длинноволновую часть является следствием действия известного в физике эффекта Доплера: эффект открыт в 1842 г. австрийским учёным Х.Доплером (1803 - 1853) и показывает изменение частоты любых волновых колебаний при относительном движении наблюдателя и источника этих колебаний (звук пожарной машины) Хаббл вывел формулу и установил эмпирический закон из которого следует, что возраст Вселенной ~13 - 14 млрд. лет (12 - 18). Из формулы Хаббла следовало, что всё вещество Вселенной было сконцентрировано в одной точке, откуда оно разлетелось в момент взрыва, который и породил Вселенную. Большой Взрыв не был похож на привычные нам земные взрывы, когда существует определённый эпицентр. БВ произошёл одновременно везде, заполнив всё пространство. Любая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы. Начальное состояние Вселенной – сингулярная точка – характеризуется бесконечной плотностью массы, бесконечной кривизной пространства и взрывным, замедляющимся во времени расширением. Закон Хаббла: υ = ΗLгал , зависимость скорости разбегания галактик от их удалённости (Lгал), Η– 1 dR постоянная Хаббла , R –радиус сферы R d Величина, обратная Η имеет размерность времени τ =1/Н – космологическое время (Η определена как 15 км/с на 1млн световых лет) . Построить модель Вселенной, значит определить зависимость масштабного фактора R(τ) от времени: 2 ( dR )2 (8 )GR2 k R 3 3 d Когда А.Эйнштейн работал над общей теорией относительности, ещё не была открыта Метагалактика и её расширение, поэтому А.Эйнштейн опирался на представления о стационарной Вселенной, равномерно наполненной галакти8 ками, находящимися на неизменных расстояниях. Из уравнений теории относительности неизбежно следовал вывод о сжатии мира под действием силы притяжения, поэтому для сохранения стационарности Вселенной Эйнштейн ввёл в уравнения дополнительный член (в виде отрицательного давления) который бы уравновешивал силу притяжения. Таким образом, кроме обычного вещества (звёзды, планеты, туманности) и излучения, источником гравитации может служить особый член в правой части уравнения, который Эйнштейн назвал космологической постоянной: Λ = 5∙10-58 м-2.(космическое отталкивание). Влияние космического отталкивания должно проявляться только на огромных просторах Вселенной, так как оно не зависит от массы тел, а определяется расстоянием между ними. Если притяжение обусловлено звёздами и галактиками, то космическое отталкивание пришлось связать с гравитационным воздействием вакуума. Квантовая теория поля показывает, что космологическая постоянная описывает особую «поляризацию вакуума квантованного поля» в искривлённом пространстве - времени. : R 1 q R x T q , ik 2 ik c2 ik ik Rik – тензор, определяющий кривизну пространства; Tik – тензор энергии-импульса; qik – метрический тензор. Эта материя по отношению к любому наблюдателю находится в состоянии покоя. Плотность энергии и её давление имеют особую форму произведения постоянной на «инвариантный» метрический тензор. Расчёты Фридмана многократно проверяли и другие учёные. Среднее расстояние между галактиками Открытая Вселенная Плоская Вселенная Замкнутая Вселенная настоящее Прошлое будущее Время На рисунке варианты эволюции Вселенной по Фридману: открытая Вселенная крит(10-29 г/см3); замкнутая Вселенная > крит. 9 Теория Фридмана предполагает два возможных варианта эволюции нестационарной Вселенной: - бесконечного расширения (с замедляющейся скоростью); - пульсирующего расширения и сжатия. Оба варианта имеют лишь одну исходную точку на графике, которая получила название Большой Взрыв. Идею БВ выдвинул ученик Фридмана Георгий Гамов (1904 - 1968), который исходил из предположения, что элементы тяжелее гелия родились не в звёздах, а в момент возникновения Вселенной. По законам термодинамики при высоких плотностях и температурах разогретое вещество и излучение находятся в равновесии. После процесса нуклеосинтеза, занимающего несколько минут, излучение продолжает движение вместе с веществом в расширяющейся Вселенной и должно сохраниться до нашего времени, правда, с пониженной температурой. Эту качественную схему нужно было рассчитать и сравнить распространённость элементов в современной Вселенной с расчётной. У Гамова эта работа заняла 10 лет. Так возникла теория горячей Вселенной (Альфен-Бете-Гамов-теория). Теория АБГ дала необходимые соотношения водорода и гелия в современной Вселенной; предсказанное Гамовым фоновое излучение должно быть изотропным и иметь температуру, близкую к абсолютному нулю – до 10 К, если процесс нуклеосинтеза начинался с температуры 1 млрд К. Гамов нашёл границу между двумя эпохами – эпохой преобладания излучения и эпохой преобладания вещества. В пользу этой модели служит открытие в 1964 г. американскими астрофизиками Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном эффекта «реликтового фона»: во всех точках Вселенной наблюдается постоянный и однородный шум – излучение с Т = 2,7 К и по плотности почти в 30 раз превосходящее излучение звёзд. Это означало, что галактики удаляются от нас с определённой скоростью (а раз они удаляются, значит и была начальная точка отсчёта). А.Пензиас и Р.Вильсон – лауреаты Нобелевской премии 1978 г. В результате БВ (13 – 14 млрд лет назад) начал действовать гигантский ускоритель частиц – Вселенная – в ходе работы которого непрерывно и стремительно сменяли друг друга процессы рождения и гибели (аннигиляции) разнообразных частиц. Эти процессы определили всю последующую эволюцию Вселенной, её нынешний облик и создали необходимые предпосылки для возникновения и развития жизни. Через 1 с после БВ – нуклеосинтез; Через 1013 с – разъединение вещества и фотонов; Через 1015 с – образование просверхскоплений и протогалактик Стремительно расширяясь в пространстве и являясь источником мощнейшего электро-магнитного излучения первовещество разбивалось на отдельные потоки, нарушение симметрии распространения которых неизбежно приводило к образованию вихреобразных турбулентностей. Подобные завихрения разбивались на всё более мелкие образования и стали основой для многочисленных звёздных галактик, включающих сотни млрд отдельных звёзд. 10 Подробный анализ показывает, что температура понижалась в соответствии с простым соотношением: T 1010 K . Эта зависимость позволяет определить температуру Вселенной в разные временные моменты. На основании известных нам законах физики, с понижением температуры во времени понижалась и энергия фотонов: h = k. Понижение энергии фотонов во времени имело важные последствия для возникновения вещественной материи – частиц и античастиц. Для того, чтобы фотон материализовался в частицу и античастицу с массой покоя m0 и энергией m0c2, ему необходимо обладать энергией: h ≥ 2 m0c2 или k ≥ 2 m0c2 , то есть T 2m0c 2 . Знак неравенства означает, что k частицы и античастицы возникали при материализации в раскалённом веществе до тех пор, пока температура не упала ниже указанного значения. В соответствии с этим эволюцию Вселенной принято разделять на эры: 1.Эра адронов: > 1014; Т > 1012 К; 0,0001 с. 2. Эра лептонов: 107 1017 кг/м3; 1010 Т 1012 К; 0,0001 10 с 3. Эра фотонов: 1 млн лет 4. Эра излучения: 10-18 107 кг/м3; 3000 Т 1010 К; 10 106 с 5. Эра вещества - звёздная – образование протозвёзд и протогалактик Другая идея (А.Гут, А.Д.Линде, А.А.Старобинский и др.) – идея «инфляции» предполагает. что фридмановской стадии расширения Вселенной предшествовала стадия, когда основную роль играло «вакуумподобное» вещество с ненулевой и большой по величине космологической постоянной: крит размер Вселенной про стра нств енно- инфляция Вселенная в настоящее время вре мен ная пена Стандартная модель БВ Планковский размер 10-33 см 10-43, с Планковское время 10-35, с 1017, с Вселенная от планковского времени до времени Вел. Объединения (10 -35, с) расширялась по экспоненциальному закону R() = R0∙eH и от планковского раз11 мера увеличивалась до огромных размеров. Затем «вакуумподобное» вещество перешло в «реликтовое» излучение и частицы, после чего наступила фридмановская стадия расширения Вселенной Модель раздувающейся Вселенной Алана Гута (1980) детально анализирующая нарушения симметрии при фазовых переходах в необычных условиях дополняет теорию горячей Вселенной, недостатком её является необходимость в существовании «инфлатонного скалярного поля» - инфлатона, которое не отождествляется сегодня ни с чем. известным в физике элементарных частиц. Достоинством теории является предсказание появления в ней особых флуктуаций метрики пространства - времени за счёт флуктуаций вакуума. Шведский астрофизик Х.Альфен (Лауреат Ноб. пр. за 1970 г.) считает, что электромагнитные силы, порождаемые плазмой, играли более существенную роль в формировании Вселенной, чем гравитация и по его мнению межзвёздное пространство заполнено длинными «нитями» и другими структурами, состоящими из плазмы.. Альфен считает, что расширение Вселенной осуществляется под влиянием энергии, выделяющейся при аннигиляции, но это расширение происходит несколько медленней. Некоторые идеи Альфена, рождённые из экспериментов с мощными плазменными генераторами, подтвердились опытами на космических аппаратах в Солнечной системе. В Лос-Аламосе на суперкомпьютерах группа Э. Перрата разрабатывает космологические модели, основанные на идеях Альфена и новых данных о плазме. Один из расчётов показал как нитевидные структуры из плазмы могут обусловливать равномерный микроволновый фон, открытие которого послужило главным подтверждением модели БВ. Есть расчёты, которые показывают как электромагнитные силы могут участвовать совместно с гравитацией в образовании галактик из плазменных облаков. При этом получаются все известные формы галактик, без дополнительного предположения о существовании тёмного вещества, которое необходимо для других моделей эволюции Вселенной. Против закона Э.Хаббла выступает амер. астроном Х.Арп, который наблюдал много объектов, которые не следуют закону Хаббла, и считает, что красное смещение истолкoвано недостаточно корректно. Модель холодной Вселенной Я.Зельдовича в 1962 г. возникла, так как теория ГВ не могла объяснить существование 3-х элементов – Li, Be, B. Уникальное происхождение этих элементов делает их «комментаторами» истории Вселенной. По мнению Зельдовича большие плотности и температура излучения не подтверждались данными радиоастрономии, и исходным веществом Вселенной был холодный протон – электронный газ с примесью нейтрино в соотношении один к одному. Эта гипотеза разрабатывалась до открытия реликтового излучения. Космическое фоновое излучение – не единственный ключ к разгадке ранней истории Вселенной. Вещество Вселенной заполняет пространство неравномерно, тем не менее в крупных масштабах усреднения она однородна. Здесь теории микро- и мегамира как бы совмещаются (идут вместе). В теории физики элементарных частиц главным движущим процессом является нарушение симметрии. 12 Во Вселенной нарушение симметрии приводит к образованию космических неоднородностей. Вопрос 3. Структура Вселенной Самые последние представления о содержимом Вселенной в величинах массы и энергии: Составная часть ВсеВ % от массы Примечания ленной – энергии Вселенной Тёмная энергия (скры73 Вызывает ускоряющееся расширетая масса) ние Вселенной; хотя природа неизвестна, наблюдается огромное воздействие с её стороны Тёмная материя 23 Ненаблюдаема, но ответственна за быстрое вращение галактик и галактических скоплений Обыкновенная материя 4 Наблюдаемые звёзды, галактики и галактические скопления Нейтрино Установлена верхняя граница их 1 совокупной массы; действительное значение пока не определено Вакуумподобное вещеПроявляет себя как ненулевая косство мологическая постоянная По данным ИЭТ АН СССР (1980) на каждый протон приходится 1 млрд нейтрино, обладающее массой покоя 5∙10-35 кг (согласуется с величиной средней плотности Вселенной). Теоретическая физика с её строгим математическим аппаратом и достаточно адекватными моделями считает, что, примерно, 90% вещества Вселенной находится в неизвестном нам состоянии. В рамках «стандартной модели» кварков формы стабильной материи рассматривается в виде 2-х групп: ядра атомов, имеющих массу ≤ 300 а.е.м. и нейтронные звёзды (тоже состоящие из протонов и нейтронов) с массой > в 1054 раз. Атомный номер 2∙1056 Нейтронные звёзды 3∙1054 Странная материя Чёрные дыры Ядра атомов 274 3∙1056 1,5∙1057 атомная масса Наличие «странной» материи подтверждается наблюдениями за дальними галактиками (в ближнем космосе её нет) – многие космологические объекты нельзя 13 наблюдать обычными астрофизическими методами. Это объясняется тем, что гравитационные поля видимых звёзд или скоплений звёздной пыли недостаточны для создания условий их движения по наблюдаемым с Земли траекториям. Эта «странная» материя или «скрытая» от наблюдателя масса состоит из материи, состоящей по мнению Э.Уитмена (1984) из S – кварков. Предполагают, что эта материя из S – кварков возникла в течение 1-й миллионной доли сек. после БВ, причём диаметр таких образований составлял от 10-7 до 10 см, масса – от 109 до 1018 г, а число кварков – от 1033 до 1042. из-за малых размеров и огромной плотности (теннисный мяч из такой материи весил бы 1012 т), это вещество не проявляет себя в видимом диапазоне световых волн. Для «странной» материи отношение заряда к массе q/m лежит в пределах от 1/10 до 1/20. Имеются и другие предположения о структуре «скрытой» массы или «тёмного вещества»: а) оно состоит из «компактных» объектов обычной материи; б) состоит из нейтральных элементарных частиц типа нейтрино или новых, пока не обнаруженных в ускорителях частиц – аксионов, Х-бозонов или «суперчастиц»; в)имеются изменения в законе гравитации на больших расстояниях, так что несправедлива как ньютоновская теория, так и общая теория относительности. Однако, новых теорий пока нет… Для космологических объектов со скрытой, ненаблюдаемой, массой амер. физик Джон Уиллер в 1969 г. предложил термин «чёрная дыра» (или коллапс). ЧД – это объект, у которого такое сильное гравитационное поле, что наступает факт «пленения» света – конфайнмент. При образовании ЧД для внешнего наблюдателя все свойства сколлапсировавшего тела как бы исчезают, остаётся только гравитационное поле, характеризующееся двумя параметрами – массой и вращением. (от космонавта останется только его масса и энергия). В 1783 г. англ. Д.Мичел (основатель сейсмологии), затем П.Лаплас в 1798 г. говорили об объектах с огромной гравитацией, абсолютно чёрных для внешнего наблюдателя. Чтобы поле тяготения могло «запереть» излучение, создающая это поле масса – М должна сжаться до объёма сферы с радиусом, меньшим гравитационного радиуса Rg или радиуса сферы Шварцшильда: Rg 2G M2 . c Границу области, за которую не выходит свет, называют горизонтом событий. На расстоянии гравитационного радиуса время полностью останавливается с точки зрения постороннего наблюдателя. ЧД искривляет пространство и замедляет время («дыра» в пространстве и времени). В 1975 г. С.Хокинг (р. В 1928 г.) показал, что ЧД может «дышать» - гравитационное поле вблизи поверхности ЧД рождает в вакууме пары частиц, одну из которых захватывает ЧД, а другая улетает в окружающее пространство (т.е. поверхность около ЧД может излучать частицы разных видов, которые пока ещё не зарегистрированы). В последние годы появилось предположение. Что ЧД являются областями перехода из одного пространства к другому пространству, в дру14 гую Вселенную, с другими размерностями и физическими свойствами. То, что выглядит в «нашем» 3-х мерном пространстве чёрной дырой, в другом – является «белой» дырой, через которую захваченная материя переходит в другое пространство. Плотность вещества во Вселенной (в виде звёзд, планет, комет, метеоритов и космических лучей) = 10-31 г/см3 или 10-28 кг/м3– (сумма галактик и полей/4/3πRнабл) – близка к критической плотности, равной 10-29 г/см3; число протонов во Вселенной оценивается числом Эддингтона N = 1080. Эдвин Пауэлл Хаббл (1889 – 1953) амер. Эйнар Герцшпрунг (1873 - 1967)) датч. Генри Норрис Рессел (1877 - 1957) амер. Субрахманьян Чандрасекар (1910 - 1995) инд. Стенли Эддингтон (1882 - 1944)англ. Стивен Хокинг (р.1928)англ. Вопрос 4. Современные представления о физическом вакууме Современная космологическая модель наблюдаемого состояния Вселенной базируется на ОТО. Выше было показано А.Эйнштейном (при создании общей теории относительности), что кроме обычного вещества и излучения источником гравитации может служить особый член в правой части его уравнения, который он назвал космологической постоянной. Эта материя по отношению к любому наблюдателю находится в состоянии покоя. Квантовая теория поля показывает, что космологическая постоянная описывает особую «поляризацию вакуума квантованного поля» в искривлённом пространстве – времени. В теории элементарных частиц космологическая постоянная вычисляется с использованием системы единиц, в которой h и c равны единице. В этой системе энергия ньютоновского притяжения 2-х протонов на расстоянии длины Комптона lc , где mp – масса протона, равная 1,6726∙10-27 кг; mpc с – скорость света 2,9976∙108 м/с; G - ньютоновская гравитационная постоянная 6,672∙10-11 н∙м2/кг2; = h/2π = 6,6262∙10-34 Дж∙с/2∙3,14 = 1,0541∙10-34 Дж∙с, оценивается как ****** 0,67206 10-34 Джс (?) Физический вакуум порождает виртуальные (возможные) частицы, которые своей массой создают дополнительное поле тяготения. Согласно ОТО в этом же месте и в тот же момент времени изменяются геометрические свойства пространства – времени, то есть оно флуктуирует. Согласно такой модели гравитон – это квант флуктуирующего пространства-времени, объединяющий в себе и элементарную частицу, и волну искривления, распространяющуюся по четырёхмерному миру. Эффекты, связанные с этим, должны проявляться на так называемых планковских расстояниях и времени: 15 1 G 2 l p 3 1,5 1035 м; c 1 G 2 p 5 5 1045 с c 1 и c 2 m p 2 108 кг G Космологическая постоянная уравнения Эйнштейна интерпретируется как характеристика особого вакуумного вещества. В отличие от обычных частиц с ненулевой массой, которые могут быть как в покое так и в движении, частиц с 0-й массой, которые могут быть только в движении, вакуумное вещество находится в покое относительно любого инерциального наблюдателя. В квантовой физике представление о вакууме связаны с концепцией дополнительности. Не темная ли это материя наследила? На недавней конференции в Швеции коллаборация PAMELA заявила об обнаружении неожиданно высокого отношения числа позитронов к электронам на высоких энергиях. (Напомню, что PAMELA - это итальянский спутник с российским участием, предназначенный для изучения частиц космических лучей). В данной статье авторы пытаются объяснить этот результат тем, что избыток позитронов связан с аннигиляцией частиц темной материи. На рисунке по горизонтальной оси отложена энергиия частиц в ГэВах. По вертикальной - отношение числа позитронов к сумме числа электронов и позитронов. Серо-голубым показан пока неопубликованный результат PAMELA. Сплошной линией показан ожидаемый фон. Различные пунктирные линии соответствуют разным параметрам аннигилирующих частиц темной материи. Также показаны довольно старые данные баллонного эксперимента HEAT (HighEnergy Antimatter Telescope). Видно, что с одной стороны данные PAMELA можно объяснить некоторым набором параметров. С другой стороны, авtоры сами сетуют на то, что им пришлось использовать довольно экзотический выбор свойств темного вещества и его распределения в Галактике. Конечно, было бы хорошо иметь независимое подтверждение данных PAMELA, но для этого, видимо, нужно будет дожидаться запуска AMS, хотя авторы также надеятся на PEBS. Кроме этого, можно надеяться на данные с GLAST (недавно переименованного в Ферми), т.к. аннигиляция дает не только электрон-позитронные пары, но и гамма-кванты. Разумеется, для объяснения данных PAMELA можно использовать и другие идеи. Например, близкий источник типа молодого остатка сверхновой. Так что ясности пока нет. 16 17 К лекции 8. Около 70 лет назад первые работы по определению расстояний до ближайших галактик показали истинные масштабы доступной наблюдениям Вселенной, положив начало исследованию далеких звездных систем. Стало очевидным, что почти все видимое вещество во Вселенной сосредоточено в этих гигантских звездно-газовых островах с характерным размером от нескольких килопарсек до нескольких десятков килопарсек. Солнце вместе с окружающими его звездами также входит в состав спиральной галактики, название которой всегда пишется с заглавной буквы – Галактика. Типичное количество звезд с такой же светимостью, как у Солнца, или более высокой, в галактиках от нескольких десятков миллионов (в карликовых системах) до нескольких десятков миллиардов (в гигантских галактиках типа нашей), причем слабых звезд может быть существенно больше. Расположение Солнца в нашей Галактике довольно неудачное для изучения этой системы как целого: мы находимся вблизи плоскости звездного диска, и уже это создает проблему выявления его структуры и сопоставления отдельных частей друг с другом. К тому же в области, где расположено Солнце, довольно много межзвездного вещества, поглощающего свет и делающего звездный диск почти непрозрачным для видимого света в некоторых направлениях, особенно в направлении ее ядра. Поэтому исследования других галактик, представляющие самостоятельный интерес, играют также громадную роль и в понимании природы нашей Галактики. Межгалактическое пространство, в отличие от межзвездного, хотя и содержит разреженный газ, совершенно прозрачно для всех видов излучения. Это дает принципиальную возможность наблюдать другие галактики, на каком бы расстоянии от нас они ни находились. Поэтому крупным телескопам оказались потенциально доступными для исследования сотни миллионов отдельных галактик. Однако для детального изучения требуется, чтобы галактика была сравнительно близко – в пределах нескольких сотен миллионов парсек. Грубое разделение галактик на эллиптические (Е), спиральные (S) и неправильные (Ir) оказалось очень удачным. Такая классификация галактик отражает не только особенности их видимой формы, но и свойства входящих в них звезд: Е-галактики состоят из очень старых звезд, в Ir-галактиках основной вклад в излучение дают звезды, существенно моложе Солнца, а в Sгалактиках характер спектра показывает присутствие звезд всех возрастов. Изучение звездных спектров галактик привело к открытию фундаментальной важности. За редчайшими исключениями (известны молодые карликовые галактики) возраст галактик оказался примерно одинаковым (более 10 млрд лет), и основная причина различия между галактиками не в возрасте, а в характере эволюции этих систем. Если в Е-галактиках звездообразование практически полностью прекратилось миллиарды лет назад, то в спиральных системах образование звезд продолжается, хотя и далеко не так интенсивно, как на начальном этапе их жизни, а в Ir-галактиках звездообразование может быть сейчас столь же активно, как и миллиарды лет назад. Как "устроены" галактики? Упрощенно можно считать, что каждая из них содержит две основные подсистемы (два компонента), вложенные одна в другую и гравитационно-связанные друг с другом. Первая называется сферической, ее звезды концентрируются к центру галактики, а плотность вещества, высокая в центре галактики, довольно быстро падает с удалением от него. Вторая подсистема – это массивный звездный диск. Типичная Е-галактика выглядит как сферическая подсистема в "чистом" виде, диск в ней или полностью отсутствует или имеет такую низкую светимость по сравнению с остальной галак18 тикой, что выявляется лишь специальными методами фотометрической обработки. Егалактики, как и сферические компоненты у галактик других типов, почти лишены межзвездного газа (не считая разреженного и очень горячего газа, заполняющего всю галактику), а следовательно, и молодых звезд. В S-галактиках имеется как сферический компонент, так и массивный звездный диск, причем светимость последнего в большинстве случаев значительно преобладает. В неправильных (Ir) галактиках сферический звездный компонент практически отсутствует, почти все звезды заключены в толстом диске, существенная доля массы которого приходится на межзвездный газ. Сферическое гало этих галактик образовано преимущественно темным, несветящимся веществом (подробнее об этом см. ниже). Структура спиральных галактик хорошо видна на фотографиях, приведенных на рис. 1 и 2. На рис. 1 изображена галактика, в диске которой прекрасно выделяются спиральные ветви, а на рис. 2 диск наблюдается "с ребра", так что ветвей не видно. Рис. 1. Многорукавная спиральная галактика М 101 в созвездии Большой Медведицы. Светлые пятна в спиральных ветвях – области активного звездообразования Зато в последнем случае хорошо выделяются оба звездных компонента галактики – диск и сферическая составляющая, яркая центральная часть которой видна как вздутие диска. Ее обычно называют балджем (от англ. bulge – вздутие). На фотографии прекрасно заметна и темная полоса вдоль диска – так выглядит непрозрачный слой межзвездной среды (непрозрачность эта обусловлена пылью, которая всегда сопровождает прозрачный межзвездный газ). Основные наблюдаемые особенности галактик определяются их физическими характеристиками, наиболее важные из которых следующие: 1) скорости вращения и относительные массы дискового и сферического компонентов; 2) интенсивность происходящего звездообразования на единицу светимости галактики или на единицу массы газа в ее диске; 3) характер активности галактического ядра и выделяемая им энергия. 19 Рис. 2. Спиральная галактика М 104 (Сомбреро) в созвездии Девы, диск которой наблюдается "с ребра" Как показали исследования последних лет, эти характеристики оказываются прямо или косвенно связанными с динамическими свойствами звезд и газа, что является ключевым моментом в их изучении. Движение звезд, газа и присутствие невидимого вещества Первые астрофизические наблюдения галактик с использованием "классического" физического прибора – щелевого спектрографа – были проведены еще в 1917-1918 годах, то есть еще до того, как была окончательно установлена их природа. Результатом этих наблюдений было открытие вращения внутренних областей спиральных галактик, вернее, содержащегося в них газа, дающего линейчатый спектр. Сейчас мы знаем, что свечение газа в оптических эмиссионных линиях связано с горячими звездами, ультрафиолетовое излучение которых заставляет газ флюоресцировать, но в те далекие годы даже сама идея о внегалактической природе наблюдаемых объектов многим представлялась сомнительной. Лишь много позднее, с появлением нового поколения наблюдательной техники, были измерены скорости движения не только газа, но и совокупности звезд (по их спектру поглощения), а вращение газа прослежено до очень больших расстояний от центра, во многих случаях превышающих оптический размер галактики. Но способ измерения скоростей движения остался тем же самым: он основан на эффекте Доплера, хорошо известном в физике. 20 Для измерения скоростей движения звезд и газа в галактиках используют как спектрографы различных конструкций, так и оптические интерференционные приборы, позволяющие одновременно получить информацию о скоростях движения во многих тысячах точек галактики. Для этого совсем не обязательно измерять скорости индивидуальных звезд или облаков газа – это возможно только для самых близких галактик. Обычно приходится исследовать спектр интегрального излучения, который складывается из спектров большого количества индивидуальных источников, неразличимых по отдельности. Самым важным физическим процессом, определяющим основные наблюдаемые свойства галактики, является образование звезд из межзвездного газа. Это сложный, многоступенчатый процесс, исследование которого – одна из важнейших задач, решаемая внегалактической астрономией. Рождение звезд происходит почти исключительно в дисках галактик. Газ, оставшийся когдато давно после образования основной массы звездного диска, перемешался с течением времени с тем газом, который постоянно сбрасывают с себя стареющие звезды, дожил до нашей эпохи и продолжает производить новые поколения молодых звезд, хотя и не так интенсивно, как миллиарды лет назад. Полная масса этого межзвездного газа в таких галактиках, как наша, обычно составляет несколько миллиардов масс Солнца. Он вращается вокруг центра галактики, находясь вблизи плоскости симметрии звездного диска, где образует сравнительно тонкий слой толщиной в несколько сотен световых лет. Именно в этом слое и возникают массивные газовые конденсации, внутри которых газ постепенно сгущается в сравнительно небольшие и плотные молекулярные облака, а они уже дают начало звездам и молодым звездным группировкам. В S-галактиках самые крупные по размеру области, где концентрируется газ и связанные с ним очаги звездообразования, располагаются длинными неровными цепочками, которые придают клочковатый вид спиральным ветвям. Размер протяженных областей, в которых концентрируются молодые звезды и звездные скопления, примерно одинаков в самых различных галактиках – несколько сотен парсек. Советский астроном Ю.Н. Ефремов, доказавший существование ячеек звездообразования такого размера в нашей и соседних с ней галактиках, дал им название молодых звездных комплексов. В спиральной галактике их может быть несколько десятков. Радионаблюдения показали, что этим комплексам соответствуют гигантские облака газа ("сверхоблака"), очень неоднородные по структуре. Именно в них появляются условия для зарождения звезд. Но как возникают они сами? Только гравитация может представлять силу, способную собрать большие массы газа. Ключ к пониманию того, как это может происходить, дало сравнение темпов звездообразования в различных областях галактик. Галактики очень сильно отличаются друг от друга по интенсивности происходящего в них звездообразования. Но количественно сравнить темпы образования звезд в них – задача непростая, поскольку, за исключением ближайших галактик, молодые звезды не видны по отдельности из-за большого расстояния. Обычно используются три наиболее надежных признака, характеризующих активность звездообразования: 1) цвет галактики (молодые массивные звезды делают его более голубым); 2) яркость свечения газа в оптических спектральных линиях, которое возникает при облучении газа ультрафиолетовым светом молодых звезд; 3) мощное излучение "теплой" межзвездной пыли. Пыль здесь играет роль преобразователя световой энергии: она поглощает свет молодых звезд, расположенных в областях с высокой плотностью межзвездной среды, и переизлучает захваченную энергию в далекой инфракрасной области спектра (в основном в спектральном диапазоне 50-500 мкм), а это излучение регистрируется методами внеатмосферных наблюдений. Модельные количественные оценки, основанные на этих критериях, показывают, что в таких галактиках, как наша, современные темпы звездообразования не особенно впечатляющи – за период в миллион лет в среднем образуются моло21 дые звезды с суммарной массой 5-10 миллионов масс Солнца. Это достаточно типичная цифра для галактик. В среднем (только в среднем!), чем больше газа содержится в диске, тем интенсивнее звездообразование, так что если разделить массу рождающихся в единицу времени звезд на массу межзвездного газа, то полученная величина не будет сильно зависеть от размера галактики или количества газа в ней и составит для большинства галактик несколько масс Солнца в год в расчете на десять миллиардов солнечных масс газа. Это отношение темпов звездообразования к массе газа, участвующего в нем, называют эффективностью образования звезд (ЭОЗ). Чем выше ЭОЗ, тем благоприятнее условия для звездообразования и тем быстрее галактика истощит свои запасы межзвездного газа – он будет переходить в звезды, пока его плотность не станет чрезвычайно низкой. Поэтому в галактиках, сохранивших много газа (например, в Ir-галактиках, где газ составляет иногда 30-50 % от массы диска), ЭОЗ должна быть сравнительно низкой. Чем же обусловлена величина ЭОЗ? Первый физический механизм, приводящий к увеличению ЭОЗ, связан с наличием спиральных ветвей в галактиках. Механизм возникновения спирального узора, причина его долгоживучести, характер взаимодействия с газом остаются важнейшими и далеко еще не решенными проблемами физики галактик, несмотря на активную работу теоретиков и наблюдателей в этой области. Рассмотрим подробнее, что кроется за видимой картиной спиралей. Вернемся к кривым вращения спиральных галактик. Точки, полученные по измерениям скоростей, никогда не лежат точно на гладкой кривой, "отскакивая" то в одну, то в другую сторону от нее. Для этого может быть три причины: 1) ошибки наблюдений; 2) существование локальных нарушений кругового движения газа, связанных, например, с мощными областями звездообразования, где излучение молодых звезд способно передать межзвездному газу большую энергию; 3) наиболее интересная: на круговое движение газа накладываются систематические волнообразные движения, связанные с его упорядоченными колебаниями в диске. Газовые облака осциллируют (по всем трем координатам) относительно положения равновесия на круговой орбите с амплитудой, иногда достигающей нескольких десятков км/с. Эти осцилляции газа не всегда можно выявить по кривым вращения, здесь требуется подробный математический анализ измерения скоростей газа в тысячах точек на диске галактики. Современная техника позволяет провести такие исследования и выявить систематические отклонения от чисто кругового движения методом фурье-анализа. Колебания скоростей газа связаны с тем, что по вращающемуся диску большинства галактик распространяются волны уплотнения или спиральные волны плотности (линии равных фаз этих колебаний имеют вид спиралей). Они обегают диск за несколько сотен миллионов лет с постоянной угловой скоростью. По-видимому, единого механизма возбуждения таких колебаний нет. Среди возможных рассматриваются и гравитационные, и газодинамические неустойчивости вращающегося диска, и гравитационное воздействие на газ и звезды со стороны вытянутого звездного уплотнения (называемой перемычкой), нередко наблюдаемого во внутренних областях S-галактик, и, наконец, влияние близких галактик, возбуждающих своим гравитационным полем волны в диске. Все они в состоянии вызвать образование спиральных волн плотности. Именно эти волны ответственны за появление длинных упорядоченных спиральных ветвей галактик, таких красивых на фотографиях. Волны непрерывно "прокатываются" как по газовому, так и по звездному диску, но из-за того, что звездный газ – это динамически более горячая среда, амплитуда колебаний плотности звездного диска редко бывает высокой. Иное дело межзвездный газ: благодаря свойствам диссипативности его отклик на волну сжатия может быть очень сильным. Газ в спиральной волне сжимается, часто наблюдаются признаки ударной волны там, где волна плотности достаточно сильная. Как показывают теоретические расчеты, при сжатии газа вслед за его кратковремен22 ным нагревом наступает фаза охлаждения, так как с возрастанием плотности газа растет и его способность терять тепловую энергию, которая уносится излучением. Все это приводит к активизации образования холодных газовых облаков и их комплексов, и в конечном счете к возникновению очагов звездообразования, обычно наблюдаемых вдоль спиральных ветвей. Другой механизм, стимулирующий звездообразование, – это гравитационная неустойчивость газового диска, возникающая когда средняя плотность газа на данном расстоянии от центра достигает определенной критической величины. Рост неустойчивости приводит к появлению крупномасштабных конденсаций в диске (сверхоблаков), характерные расстояния между которыми составляют 1-3 кпк. Один из авторов этой идеи американский астрофизик Р. Кенникатт первым показал, что темпы звездообразования в галактиках становятся очень низкими именно там, где плотность опускается ниже критического значения для гравитационной устойчивости. Этот порог плотности определяется теоретически, он зависит прежде всего от угловой скорости вращения газового диска и ее производной по радиусу. Следовательно, и в данном случае кинематика газа в галактике играет ключевую роль. Еще один механизм, способствующий более интенсивному звездообразованию, также связанный с движением газа, был обнаружен при изучении взаимодействия близких галактик (термин "взаимодействующие галактики" был предложен советским астрономом Б.А. Воронцовым-Вельяминовым, первым начавшим систематическое исследование галактик в парах или тесных группах с заметными искажениями формы). Если галактики в своем движении подходят близко друг к другу, то они могут испытывать сильное взаимное гравитационное воздействие на расстоянии, еще не соприкасаясь, а при очень близком прохождении или при взаимном проникновении оно становится особенно сильным. В этом случае галактики могут даже слиться друг с другом за несколько сотен миллионов лет, отдав звездному газу избыток энергии своего относительного движения (как происходит такой процесс, наглядно показали численные эксперименты). Влияние гравитационного поля соседней галактики приводит к изменению орбит звезд, но особенно сильно на внешнее воздействие реагирует газ в силу того, что он образует наиболее динамически "холодную" систему. Происходит своего рода перемешивание орбит облаков, резко возрастает частота их столкновений, увеличиваются потери тепловой энергии газа. В итоге, как и в спиральных волнах плотности, ускоряется образование холодных массивных облаков, из вещества которых рождаются звезды. По этой причине многие взаимодействующие галактики отличаются удивительно высокими темпами звездообразования: ЭОЗ в них может более чем вдесятеро выше среднего уровня (в рекордных случаях, при слиянии галактик, в сотни раз). Активность ядер галактик Не менее интересно другое следствие взаимодействия галактик. При наличии внешней силы газ уже не сохраняет своего момента вращения. Происходит перераспределение моментов, а следовательно, и орбит газовых облаков в галактике, в результате чего часть газа может навсегда покинуть галактику, а часть, наоборот, приблизиться к центру. Как показывают теоретические расчеты, движение газа во внутренней области галактики становится таким, что при определенных условиях приводит к удивительным последствиям: крошечная область в центре галактики, ее активное ядро, становится источником фантастического количества энергии – в некоторых случаях превышающего 1036 Вт (для сравнения: полная мощность излучения Солнца во всех диапазонах спектра составляет всего 4·1026 Вт). У наиболее активных ядер (квазаров) мощность оптического излучения настолько велика, что требуется специальная техника наблюдений, чтобы уловить свечение звездной "материнской" галактики вокруг более яркого источника. 23 Механизм формирования активных ядер до сих пор не очень понятен. Нет общепринятого объяснения, почему в одних случаях основная энергия ядра выделяется в виде оптического и инфракрасного излучения, в других – в виде радиоволн и потоков релятивистских частиц (в этом случае галактика называется радиогалактикой), а в третьих, внешне таких же галактиках активность ядра остается очень слабой (к последним относится и наша Галактика). Из спектральных наблюдений ядер было извлечено много информации о них. Исследователи неплохо знают о физическом состоянии газа в ядре, скоростях его движения, концентрации атомов и электронов, химическом составе, о механизмах излучения непрерывного спектра и эмиссионных линий и т. д., но это не дало прямого ответа на главный вопрос – каков источник энергии ядра и что заставляет "включиться" его активность. Характерной особенностью излучения активных ядер галактик является их высокая мощность и переменность, происходящая на самых различных масштабах времени – от нескольких десятков часов до нескольких лет (в рентгеновском диапазоне спектра – вплоть до нескольких минут). Она свидетельствует о чрезвычайной компактности источника излучения, так как в противном случае из-за конечности скорости света излучение от различных частей источника приходило бы не одновременно, что замывало бы колебания блеска. Размер центрального объекта вряд ли намного превосходит размер Солнечной системы, так что в масштабах галактики он выглядит исчезающе малой точкой, но именно в нем зарождается чудовищная энергия, выход которой невозможно объяснить никакими ядерными реакциями. Единственный источник энергии, известный в физике, который мог бы долгое время "работать" с требуемой эффективностью в ядре, – это выделение (и преобразование в другие формы) гравитационной энергии газа, падающего в область пространства, называемую массивной черной дырой. Свободно падающее на нее вещество разгоняется в окрестности "дыры" до околосветовых скоростей и закручивается вокруг нее в плотный и чрезвычайно горячий диск (аккреционный диск). Его размер должен быть сопоставим с размером Солнечной системы. Энергия этого "волчка" и служит резервуаром энергии активного ядра. Именно в нем, а не в самой черной дыре рождаются мощные потоки коротковолнового излучения и происходит ускорение протонов и электронов до очень высоких энергий. Черная дыра может быть образована большой массой вещества, скопившейся в самом центре галактики (то есть в области с самой низкой потенциальной энергией) миллиарды лет назад. Для того чтобы объяснить наблюдаемую активность ядер, масса черной дыры должна составлять сотни миллионов и миллиарды масс Солнца, но для "пробуждения" ядра к активности требуется топливо. Необходимо, чтобы и после образования этого компактного объекта вещество продолжало "опускаться" к самому центру галактики, падая на "дыру". Для этого должен существовать механизм, "сбрасывающий" облака с круговых орбит, отбирая у них момент вращения. Во внутренней области галактик должно накопиться достаточное количество газа. Действие приливных сил приводит к тому, что часть газа быстро "сползает" к ядру, образуя ядерный диск размерами в десятки или сотни парсек. Такие диски наблюдаются во многих галактиках. Дальнейшее продвижение к черной дыре должно быть связано уже с процессами в этом диске и обусловлено, как предполагают, гравитационной неустойчивостью последнего, когда его плотность становится достаточно высокой. Наблюдения показывают, что среди галактик с активными ядрами повышена доля объектов, имеющих близких соседей, а в наиболее активных галактиках практически всегда наблюдаются признаки сильного взаимодействия или даже слияния с другими системами в не очень да- 24 леком прошлом. Об этом говорят особенности их внешнего вида, характерные для взаимодействующих галактик, а также "возмущенные", некруговые скорости межзвездного газа. ← слияние галактик → Но не все взаимодействующие системы обладают активными ядрами (хотя бы потому, что и количество газа, способного упасть на центр, и масса черных дыр у них может быть различна), как и не все галактики с активными ядрами взаимодействующие: ядерный диск может возникнуть и другими путями, например из газа с малым моментом вращения, падающего на галактику извне. Теоретически рассматриваются различные физические схемы, объясняющие попадание газа в окрестность черной дыры. Помимо упомянутых, есть и такая экзотичная, но правдоподобная схема, где вещество доставляется к самому центру обычными звездами, которые из-за большой вытянутости орбит при своем движении в галактике подходят на опасно близкое расстояние к черной дыре и разрушаются приливными силами ее гравитационного поля. Для объяснения высокой энергетической активности ядра достаточно, чтобы каким-либо путем к черной дыре устремлялось и исчезало в ее окрестности в среднем около одной солнечной массы вещества ежегодно. Прямое подтверждение присутствия массивной черной дыры в галактике могут дать измерения скоростей движения звезд или газа в ее центральном районе. Чем ближе к черной дыре, тем быстрее они должны двигаться. Получив оценки скоростей вращения газа или дисперсии скоростей звезд на расстоянии в несколько десятков парсек от центра галактики, с помощью методов математического моделирования можно грубо оценить массу, заключенную внутри этого радиуса. И если найденная масса окажется значительно больше, чем масса видимых звезд в этой же области (ее можно оценить по яркости ядра), то появляются все основания считать, что обнаружено гравитационное поле невидимого массивного тела в центре, и можно обоснованно предположить, что в ядре галактики – черная дыра. Аппаратурные возможности таких измерений появились недавно. Программы по поискам черных дыр в ядрах галактик наиболее активно проводятся на космическом телескопе им. Э. 25 Хаббла, работающем на высокой околоземной орбите, и на канадско-французском телескопе на Гавайских островах, где установлен спектрограф, позволяющий при хороших атмосферных условиях надежно измерять скорости звезд в областях с размером менее одной угловой секунды. В некоторых случаях (спиральная галактика NGC 4258) черную дыру удается "нащупать" не в оптических лучах, а с помощью радиоинтерферометра, измеряя скорости газа по наблюдениям очень узких радиолиний. На начало 2000 года количество галактик, где измерения скоростей позволяют говорить о наличии черных дыр, составляет более десятка. Среди них как спиральные, так и эллиптические системы, как галактики с высокой активностью ядра (радиогалактика М 87), так и с очень низкой (туманность Андромеды). Массы черных дыр оказались примерно такими, как и ожидалось – от нескольких миллионов масс Солнца (наша Галактика) до нескольких миллиардов (М 87). На рис. 4 приведено изображение галактики М 87. Рис. 4. Ядерная часть радиогалактики М 87 по наблюдениям с космического телескопа им. Э. Хаббла (НАСА, США). Длинный выброс вещества (джет) из яркого ядра галактики – одно из проявлений его активности. Во врезке – увеличенное изображение ядра, где хорошо виден газовый околоядерный диск, структура которого напоминает спиральные ветви. Центральная, наиболее светлая часть диска, имеет размер несколько десятков парсек. Измерения скорости ее вращения (550 км/с) подтвердили существование массивной черной дыры в центре 26 Группа исследователей из США и Канады под руководством Д. Ричстоуна, занимающаяся измерениями скоростей звезд в самом центре галактик, на основании всех имеющихся результатов пришла к выводу о том, что черные дыры присутствуют в ядрах почти всех галактик, хотя их не всегда можно обнаружить, поскольку их масса различна и примерно пропорциональна массе галактики в целом (для спиральных галактик вместо полной массы надо брать массу звездного балджа как наиболее медленно вращающегося компонента). Если это предположение подтвердится, то оно будет означать, что образование черных дыр тесно связано с формированием звездных компонентов галактики. Наблюдаемые различия между галактиками, так же как и характер тех физических процессов, которые определяют их свойства, оказываются очень тесно связанными с динамическими свойствами звезд и газа. Изучение сложного характера их движений в общем гравитационном поле в сочетании с физической теорией позволяет понять, что происходит в галактиках. Прогресс связан прежде всего с новыми возможностями наблюдений, с новыми методами, с повышением точности оценок. Именно здесь следует ожидать прорывов к новым результатам. Авторы: Вей-Хао Ванг (Астрономический институт Гавайского университета) Перевод: Д.Ю.Цветков Пояснение: У португальского мореплавателя Фернандо де Магеллана и его команды, совершивших первое кругосветное плавание, было много времени для изучения южного неба. В результате два похожих на облака объекта, которые легко увидеть наблюдателям в южном полушарии, стали известны под названием Магеллановы Облака. Конечно, теперь известно, что эти звездные облака являются карликовыми неправильными галактиками, спутниками нашей огромной спиральной галактики Млечный Путь. Большое Магелланово Облако (LMC, БМО), показанное на этой фотографии, находится на расстоянии всего около 180 тысяч световых лет в созвездии Золотой Рыбы. Это самая массивная из всех галактик-спутников Млечного Пути, ее размер - около 15 тысяч световых лет. В ней вспыхнула самая близкая сверхновая нашего времени. Хорошо заметное красное пятно слева - это 30 Золотой Рыбы, или туманность Тарантул - огромная область звездообразования в Большом Магеллановом Облаке. Authors & editors: Robert Nemiroff (MTU) & Jerry Bonnell (USRA) NASA Web Site Statements, Warnings, and Disclaimers NASA Official: Jay Norris. Specific rights apply. A service of: LHEA at NASA / GSFC & Michigan Tech. U. Большое Магелланово Облако 10.05.2006 27 28 Лундмарк Кнут Эмиль (Lundmark, Knut Emil) 14/06/1889 – 23/04/1958 "Астрономы" Шведский астроном. Р. в Эльвсбине. Окончил ун-т в Упсале. Работал там до 1929, в 1929 сменил К. В. Шарлье на посту профессора астрономии Лундского ун-та и директора обсерватории этого ун-та. Научные работы посвящены галактической и внегалактической астрономии. Некоторые полученные Лундмарком в этой области результаты предвосхитили позднейшие открытия, революционизировавшие наши представления о Галактике и природе спиральных туманностей. В дискуссии о спиральных туманностях он был, наряду с Г. Кертисом, убежденным сторонником точки зрения об их внегалактической природе. В 1919, изучая новые звезды, вспыхнувшие в туманности M31 в созвездии Андромеды, Лундмарк определил расстояние до этой туманности и получил значение, близкое к найденному Э. П. Хабблом несколько лет спустя. В том же году предложил метод определения расстояний до спиральных туманностей по их угловым размерам. Провел (1926-1928) статистическое исследование двойных и кратных галактик; на основании изучения истинного распределения галактик в пространстве первым пришел к заключению о существовании Местной группы галактик и определил положение «экватора» этой группы. В 1946 из анализа расстояния до M31, полученного по большому числу новых звезд, голубых сверхгигантов и шаровых скоплений, сделал вывод о необходимости пересмотра шкалы внегалактических расстояний (этот вопрос окончательно решил В. Г. В. Бааде в 1952). Лундмарк одним из первых получил наблюдательные свидетельства вращения Галактики. В 1919 он показал, что по отношению к шаровым скоплениям и внегалактическим туманностям Солнце движется в плоскости Млечного Пути; в 1924 нашел, что это движение происходит под прямым углом к направлению на галактический центр, и высказал предположение об обращении Солнца и ближайших к нему звезд вокруг этого центра. 29