Виктор Комаров - Занимательная астрофизика

• Название: Занимательная астрофизика
• Автор: Виктор Комаров
• Издательство: Наука. Главная редакция физико-математической литературы
• Жанр: Научпоп
• Год: 1984

Книга в популярной и занимательной форме знакомит читателей с наиболее интересными проблемами современной астрофизики, с не обычными физическими объектами в космосе: пульсарами, квазарами, радиогалактиками, черными: дырами, источниками: рентгеновского и гамма-излучения, а также с наиболее интересными вопросами современной космологии. В книге рассказывается о новых методах познания Вселенной, об открытиях, сделанных в последние годы. Специальный раздел посвящен проблеме поиска разумной жизни во Вселенной.

Для иллюстрации вопросов астрофизики авторы в ряде случаев прибегают к помощи научной фантастики.

Под редакцией В, М. Чаругина.

---

В центральной же части объекта находится плотное аккреционное[9] облако — газовый диск, вращающийся вокруг центрального массивного тела. При этом струи газа движутся в направлении, образующем с осью вращения диска угол около 20 градусов. Таким образом, вся система приобретает свойства наклонного волчка.

Из механики известно, что ось вращения такой системы должна медленно менять свое положение в пространстве — испытывать так называемую прецессию. Благодаря этому положение газовых струй относительно земного наблюдателя будет с течением времени медленно изменяться. Таково возможное объяснение второй загадки SS 433 — 164-суточной периодичности в перемещении спектральных линий в его спектре…

Остается, однако, не вполне ясным вопрос, за счет каких сил движение газа в струях оказывается таким постоянным и упорядоченным. Не исключено, что здесь существенную роль играют мощные магнитные поля. А массивное тело, находящееся в центре аккреционного диска, представляет собой двойную систему — комбинацию нейтронной звезды или черной дыры и обычной массивной звезды-гиганта.

Загадок очень много. Не выяснено, в частности, даже точное расстояние до объекта. Оценки колеблются от 3500 парсеков (11 000 световых лет) до 5000 парсеков (17 000 световых лет), что, впрочем, свидетельствует о том, что объект находится в нашей Галактике.

Бросается в глаза и определенное сходство между тем, что происходит в SS 433, и явлениями, протекающими в радиогалактиках и некоторых квазарах, где, как мы уже знаем, тоже наблюдаются выбросы газовых струй. А ведь SS 433 — не ядро галактики, обладающее массой порядка миллиарда солнечных масс, а всего лишь двойная система! Это говорит о том, что космические выбросы — явление достаточно распространенное во Вселенной и что масштабы подобных процессов могут колебаться в весьма широких пределах.

Впрочем, расход массы у SS 433 очень велик. Ежегодно в струях здесь выбрасывается около 10-6 солнечной массы. Поэтому современная стадия SS 433 вряд ли может быть достаточно продолжительной. Возможно, именно этим объясняется уникальность SS 433. Других подобных объектов обнаружить не удалось.

Не исключено, что нам просто повезло и мы оказались современниками редчайшего явления, изучение которого может пролить свет на природу физических процессов, порождающих многие активные явления, происходящие во Вселенной.

Излучение из прошлого

В 1947 г. известный физик-теоретик Г. Гамов выдвинул идею, согласно которой наша Вселенная на начальной стадии своего существования была «горячей». Она возникла в результате расширения сверхплотной горячей плазмы, обладавшей колоссальной температурой порядка десятков, а возможно, и сотен миллиардов кельвинов и чудовищной плотностью около 1095 г/см3, что на 81 порядок выше плотности атомного ядра.

Это был не обычный взрыв, который начинается из определенного центра и постепенно охватывает все большие области пространства, а взрыв, который, по образному выражению известного американского физика-теоретика С. Вайнберга, произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы [10]).

Иными словами, другого пространства, кроме того, которое было первоначально занято исходным веществом, не существовало. И начальный взрыв был не расширением материи в окружающее пространство, а расширением самого пространства.

Дальнейшее формирование структуры Вселенной связано с расширением сверхплотного состояния — расширением, которое началось около 15–20 млрд. лет назад — и с теми физическими процессами, которыми оно сопровождалось.

Об эпохе, закончившейся примерно через миллион лет после «Большого взрыва», мы получаем прямую информацию благодаря открытию реликтового излучения, возникшего на ранней стадии расширения.

История обнаружения этого излучения довольно любопытна. Его в некотором смысле случайно впервые зарегистрировали американские радиофизики А. Пензиас и Р. Вильсон, которым 13 лет спустя за это открытие была присуждена Нобелевская премия.

Первые попытки обнаружить радиоизлучение, идущее из глубины времен, и тем самым подтвердить теорию горячей расширяющейся Вселенной относятся к началу шестидесятых годов. Осенью 1964 г. известный американский физик Р. Дикке и его сотрудники в Принстонском университете приступили к созданию установки для обнаружения реликтового излучения.

В то же самое время Пензиас и Вильсон по заданию известной радиотелефонной фирмы «Белл» занимались изучением характеристик новой радиоастрономической антенны, предназначавшейся для системы радиосвязи через искусственные спутники Земли. Эта система и связанная с ней аппаратура отличались очень хорошей защитой от помех и низкой шумовой температурой, т. е. сами приемные устройства вносили в результаты измерений минимальные искажения. Такого результата удалось достичь благодаря специальной конструкции приемной аппаратуры с усилителем на рубиновом кристалле, охлажденном жидким гелием.

В процессе работы ученые обнаружили неожиданную помеху — непонятный шумовой фон на волне длиной 7,3 см. Дальнейшие измерения показали, что загадочный радиошум не зависит ни от направления системы, ни от времени суток и года. Это указывало на его космическое происхождение.

В мае 1965 г. статья Пензиаса и Вильсона, в которой сообщались результаты исследований неизвестного излучения, однако без объяснения его физической природы, была опубликована в «Астрофизическом журнале». Объяснение в том же номере журнала дала группа Р. Дикке, истолковавшая таинственный шумовой фон как реликтовое излучение.

Кстати сказать, образный термин «реликтовое» был предложен И. С. Шкловским.

Справедливость, однако, требует отметить, что еще до появления статей в «Астрофизическом журнале» была опубликована весьма интересная работа советских астрофизиков И. Д. Новикова и А. Г. Дорошкевича, в которой обосновывается возможность практической регистрации реликтового радиоизлучения. Авторы статьи впервые рассчитали весь спектр излучения от известных в то время источников радиоизлучения во Вселенной с учетом их эволюции в процессе расширения и показали, как на их фоне должно выглядеть реликтовое излучение. При этом они пришли к выводу, что в области сантиметровых и миллиметровых волн это излучение может быть практически обнаружено. Как мы видели, действительность подтвердила это предсказание.

Таким образом, открытие реликтового излучения является еще одним блестящим примером научного предвидения, которыми так богата история естествознания, в особенности физики и астрономии.

По мере расширения Вселенной реликтовое излучение постепенно остывало, и его современная температура составляет около 3 кельвинов.

В настоящее время его исследованиями занимаются радиоастрономы на многих радиотелескопах мира, в том числе на гигантском советском радиотелескопе РАТАН-600. Оно зарегистрировано на волнах длиной 20,7; 3,2; 1,5; 0,26 см. Температура реликтового излучения на всех длинах волн оказалась равна 3 К, максимум интенсивности лежит в области миллиметровых волн.

Многократные измерения интенсивности реликтового излучения в различных направлениях показали, что с точностью до десятых долей процента оно и изотропно. Это значит, что куда бы мы ни направили наш радиотелескоп, интенсивность реликтового излучения окажется практически одинаковой. Этот факт как раз и свидетельствует о том, что излучение, о котором идет речь, действительно является реликтовым, а не возникшим в каких-либо обособленных дискретных источниках.

Исследование физических характеристик реликтового излучения показало, что первоначальная плазма обладала чрезвычайно высокой температурой. Тем самым было получено важное подтверждение справедливости теории горячей расширяющейся Вселенной.

Однако всем сказанным значение реликтового излучения для познания окружающего нас мира не ограничивается. Так, например, исследование этого излучения позволило получить данные, которые являются независимым подтверждением фундаментального вывода современной астрофизики об однородности нашей Вселенной в больших масштабах, об отсутствии систем большего масштаба; чем сверхскопления галактик. Если бы в окружающем нас мире существовали достаточно большие регионы с повышенной плотностью вещества, сравнимые по своим размерам со всей наблюдаемой областью пространства, то в этих регионах реликтовое излучение испытывало бы определенные изменения.

Дело в том, что согласно общей теории относительности Эйнштейна должно, существовать так называемое гравитационное красное смещение. — Электромагнитное излучение в сильных гравитационных полях испытывает определенный сдвиг в сторону более длинных волн и низких частот. Этот эффект с большой точностью проверен экспериментально.