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 тот момент, когда появился реликтовый звук, в очень плотном расширяющемся веществе протекали квантовые процессы. В этих условиях волновые явления характеризуют квантами или квазичастицами. Квазичастицы звуковых волн называются фононами. Чем больше амплитуда звуковых колебаний, тем большее число фононов приходится на каждое колебание.

Как показали расчеты, проведенные И. Новиковым и В. Лукашем, скорость звука в очень плотной первоначальной среде составляла около 0,6 скорости света, а частота колебаний была очень низкой. Что же касается амплитуды колебаний, т. е. числа фононов, то их в этот период было совершенно недостаточно для образования таких сгущений, из которых могли бы сформироваться скопления галактик.

Однако в дальнейшем, из-за происходивших изменений давления сверхгорячего вещества и вызванного ими изменения темпа расширения, число фононов резко увеличивалось и соответственно возрастала амплитуда звуковых колебаний. Благодаря этому уже могли возникать неоднородности, достаточные для образования скоплений галактик.

По всей вероятности, усиление слишком малых для образования галактик хаотических первичных неоднородностей, случайным образом возникавших в горячей плазме, происходило в результате работы особого физического механизма, получившего название параметрического резонанса.

Сущность этого явления состоит в усилении волн, попадающих в «такт» изменениям параметров системы. Нечто аналогичное происходит, когда, раскачиваясь на качелях, мы приседаем в такт их качаниям. Размах колебаний при этом возрастает.

По-видимому, непосредственно после окончания стадии «раздувающейся», или «инфляционной» Вселенной, когда, согласно теории, должен был произойти ее вторичный разогрев, возникли небольшие флуктуации плотности, которые затем разрослись благодаря действию механизма «параметрического резонанса». Иными словами, в кратковременный период расширения Вселенной с повышенной скоростью могли рождаться фононы, появление которых предопределило будущую сложную структуру Вселенной.

Изложенный выше сценарий ранней Вселенной, как подчеркивают его авторы И. Новиков и В. Лукаш в уже цитированной статье, «базируется на двух основных предположениях: они уже заняли прочное место в теории гравитации и физике элементарных частиц, но не получили еще всестороннего практического подтверждения. Это предположения о справедливости общей теории относительности в области сильных гравитационных полей и о существовании при высоких энергиях единого поля, объединяющего все виды взаимодействий».

Современные исследования в области изучения ранних этапов эволюции Вселенной убедительно показывают, что существует весьма тесная связь между космологическими процессами и явлениями, происходящими в микромире.

Одним из очень важных «следов» далекого прошлого нашей Вселенной является уже знакомое нам реликтовое излучение. Картина распределения яркости этого излучения по небесной сфере могла бы многое рассказать как о тех физических процессах, которые определяли формирование различных космических объектов и их систем, так и о некоторых других явлениях, имеющих первостепенное значение для познания закономерностей космических процессов. В частности, изучая анизотропию, т. е. отклонения от изотропии реликтового излучения, можно выяснить распределение областей горячей плазмы, электронов сверхвысоких энергий и межзвездной пыли в нашей Галактике, обнаружить оболочки горячей плазмы вокруг других ближайших к нам звездных систем и их скоплений, а также облака межзвездного газа.

Важные сведения можно получить и о характере расширения Вселенной в прошлом и в современную эпоху, о начальных стадиях процесса формирования звезд и галактик. Наконец, не исключена возможность обнаружения «других» Вселенных, т. е. таких областей материального мира, свойства которых существенно отличаются от свойств исследованной нами области.

Как мы уже отмечали, чувствительность современных наземных радиотелескопов для обнаружения анизотропии реликтового излучения, по-видимому, недостаточна. Поэтому советские ученые решили установить особо чувствительную радиоастрономическую аппаратуру на борту искусственного спутника Земли. 1 июля 1983 г. такой спутник — «Прогноз-9» с малогабаритным высокочувствительным радиотелескопом, работающим на волне длиной 8 мм, был выведен на орбиту.

Наблюдения были организованы таким образом, чтобы за несколько месяцев получить полную картину неба в миллиметровом диапазоне, где, как мы уже знаем, интенсивность реликтового излучения максимальна.

Тем самым было положено начало новому направлению изучения нашей Вселенной, цель которого — расширить и уточнить наши представления о ее структуре и главных особенностях ее эволюции.

Таким образом, современная теоретическая астрофизика уже многого достигла в понимании и объяснении эволюционных процессов, определивших формирование структуры нашей Вселенной.

Можно считать; что ей уже удалось правильно воссоздать события, происходившие в первые минуты расширения Вселенной. В пользу этого свидетельствует, например, тот факт, что в различных современных космических объектах мы обнаруживаем именно то соотношение по массе водорода и гелия, которое предсказывает теория, — 70 % водорода и 30 % гелия.

Однако для построения полной космологической теории, способной надежно определить начальные условия, которые привели к образованию структуры нашей Вселенной, и воссоздать самые ранние, этапы ее расширения, предстоит еще колоссальная работа. В частности, на многие вопросы, которые ставит космология, должна найти ответ прежде всего физика.

В то же время следует подчеркнуть, что у современной космологии есть бесспорные достижения, выводы, которые вряд ли существенно будут изменены в дальнейшем. Это тот фундамент, который сохранится и в будущем, К нему, например, относится теория «Большого взрыва».

«Теория „Большого взрыва“, — пишет Я. Б. Зельдович, — в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Я бы даже сказал, что она столь же надежно установлена и верна, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца»[24].

С другой стороны, небезынтересно отметить, что современная космология становится своего рода ареной, на которой проходят своеобразную практическую проверку различные гипотезы и предположения, относящиеся к физике высоких энергий, изучающей экстремальные состояния материи и свойства пространства.

Миры и антимиры

В современной Вселенной плотность фотонов реликтового излучения составляет Nγ≈500 см-3, а плотность барионов — Nбap≈10-6 см-3. Таким образом, число фотонов во Вселенной во много раз больше числа барионов:

Величину S называют удельной энтропией.

Удельная энтропия — тоже «след» прошлого нашей Вселенной, способствующий его теоретической реконструкции. Теория должна объяснить, почему этот «след» именно такой, т. е. почему удельная энтропия столь велика.

Оказывается, это обстоятельство непосредственно связано с еще одной величайшей загадкой современной Вселенной… Согласно данным современной астрономии, все космические объекты, которые мы наблюдаем в нашей Вселенной, состоят из вещества. На языке физики это означает, что в окружающем нас мире явно преобладают барионы[25]. Антибарионов в сколько-нибудь значительных масштабах в нашей Вселенной нет. Однако на протяжении длительного времени этот фундаментальный факт не находил удовлетворительного объяснения.

В физике существует закон сохранения барионного заряда: барионным зарядом или барионным числом называется разность числа барионов и их античастиц, участвующих в тех или иных физических взаимодействиях.

Так вот, при любых физических процессах, какие бы превращения элементарных частиц ни происходили, барионный заряд должен оставаться неизменным. А отсюда следует, что тот избыток барионов над антибарионами, который наблюдается в современной Вселенной, должен был существовать всегда.

С другой стороны, согласно одному из основных законов современной физики, элементарные частицы всегда «рождаются» парами: если в каком-либо физическом процессе на свет появляется, скажем, электрон, то одновременно с ним должен появиться и позитрон, т. е. антиэлектрон. Протон рождается вместе с антипротоном, а нейтрон — с антинейтроном. Куда же в таком случае девались все те античастицы, которые должны были бы составить пары с частицами кашей Вселенной?

Согласно теории, в процессе расширения Вселенной частицы и античастицы должны были аннигилировать, превращаясь в конечном итоге в фотоны и нейтрино.

Но если современные космические объекты состоят только из вещества, то это означает, что на самой ранней стадии расширения должен был существовать небольшой избыток частиц над античастицами. Избыток, который и сохранился до нашей эпохи. Его величина характеризуется отношением числа барионов к числу фотонов: