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.

---

Кроме того, следует выделить так называемые взаимодействующие — галактики, детальное исследование которых было проведено советским астрономом проф. Б. А. Воронцовым-Вельяминовым.

Существуют также переходные формы между эллиптическими и спиральными звездными системами.

Возможно, что галактики окружены своеобразными «коронами», состоящими из слабосветящихся, а потому невидимых звезд. Если подобное предположение подтвердится, то это будет означать, что реальная масса «звёздных островов» примерно в 10 раз больше, чем та, что определена по их светящейся части.

Внешние формы галактик в определенной степени отражают характер происходящих в них физических процессов. Поэтому классификация звездных систем представляет большой научный интерес. Она не только позволяет выяснить состав «населения» нашей Вселенной, но и понять пути эволюции звездных систем.

В 1922 г. советский математик А. А. Фридман, анализируя уравнения общей теории относительности Эйнштейна, пришел к выводу, что Вселенная не может находиться в стационарном состоянии — она должна либо расширяться, либо пульсировать.

В дальнейшем выводы Фридмана получили подтверждение в астрономических наблюдениях, обнаруживших в спектрах галактик так называемое красное смещение спектральных линий, что соответствует взаимному удалению этих звездных систем.

Поскольку все галактики от нас удаляются, невольно складывается впечатление, что наша Галактика находится в центре расширения, в неподвижной центральной точке расширяющейся Вселенной. В действительности же мы имеем дело с одной из астрономических иллюзий. Расширение Вселенной происходит таким образом, что в нем нет «преимущественной» неподвижной точки. Какие бы две галактики мы ни выбрали, расстояние между ними с течением времени будет возрастать. А это значит, что на какой бы из галактик ни оказался наблюдатель, он также увидит картину разбегания звездных островов, аналогичную той, какую видим и мы.

Итак, мы живем в нестационарной, расширяющейся Вселенной, которая изменяется со временем и прошлое которой нетождественно ее современному состоянию, а современное — будущему.

«Соты» Вселенной

Наблюдая с помощью все более совершенных телескопов все более далекие космические объекты, мы не только проникаем все дальше в глубины мирового пространства, но и получаем возможность изучать ранние стадии эволюции Вселенной. Ведь чем дальше от нас находится тот или иной космический объект, тем больше времени затрачивают световые лучи, чтобы преодолеть расстояние, отделяющее его от Земли, и, следовательно, в тем более отдаленное прошлое мы заглядываем.

Но далекое прошлое проявляет себя и в современных состояниях космических объектов и их систем. Эти состояния — как бы «следы минувшего». Их изучение — ключ к познанию истории нашей Вселенной.

В современной астрофизике существует несколько гипотез или, как сейчас стало модно говорить, «сценариев» происхождения галактик. Один из них можно назвать сценарием фрагментации. Его разрабатывает группа советских ученых под руководством академика Я. Б. Зельдовича. Согласно этому сценарию, звездные острова сформировались в результате существования неоднородностей плотности, возникших на одной из ранних стадий эволюции Вселенной, когда еще не было ни звезд, ни галактик, а среда представляла собой нейтральную смесь водорода и гелия, достаточно равномерно распределенную в пространстве. Тем не менее в различных точках плотность среды могла несколько различаться. Возникшие на еще более ранней стадии расширения, когда во Вселенной доминировало излучение, а плазма была ионизована, небольшие возмущения плотности теперь стали расти. Как считает группа Я. Б. Зельдовича, сперва эти возмущения представляли собой плоские волны очень большой длины. Под действием сил тяготения гребни этих волн становились все круче и круче, вследствие чего возникали плоские и плотные газовые образования дискообразной форумы.

Газ в трехмерном пространстве можно сжать в любом из трех взаимно перпендикулярных направлений. Однако в природе одновременное сжатие газа вдоль трех или даже двух осей — явление маловероятное. Как правило, в каждом элементарном объеме имеется одно преимущественное направление сжатия.

В результате такого сжатия должны были образоваться тонкие плотные слои, которые в шутку назвали «блинами» (рис. 5). Это были первые обособленные объекты Вселенной. С течением времени внутри «блинов» складывались условия для рождения галактик и звезд. Сначала формировались сверхскопления галактик, потом они дробились на галактики и шаровые звездные скопления. Этим сценарий фрагментации отличается от другого сценария — сценария скучивания, сторонники которого полагают, что сперва возникали шаровые скопления, которые затем объединялись в галактики, а те, в свою очередь, — в скопления галактик и сверхскопления. Какой из этих сценариев ближе к действительности? Математические расчеты расчетами, но ответ могут дать только наблюдения. Только они, в конечном счете, могут либо подтвердить выводы теоретиков, либо их опровергнуть.

Что же предсказывает гипотеза фрагментации? Из нее следовало, что вне «блинов», в пространстве между ними, газ был настолько сильно разрежен, что в таких областях галактики формироваться не могли. Для этого потребовалось бы время, превосходящее продолжительность существования Вселенной. А отсюда следовал довольно неожиданный вывод: в процессе увеличения размеров «блинов» и их взаимных пересечений должна была образоваться сложная «пористая» структура, состоящая из ячеек, по стенкам которых сконцентрированы галактики. А во внутренних областях этих ячеек галактик быть не должно. (Иногда эти области образно называют «черными областями».)

Рис. 5. Моделирование возникновения «блинов» на ЭВМ. «Блины» видны с ребра в виде полос, вдоль которых концентрируются частицы.

Однако осуществить наблюдательную проверку этого предсказания далеко не так просто, как может показаться на первый взгляд.

Представим себе на минуту, что о нашего земного неба исчезли все звезды нашей Галактики, и мы невооруженным глазом можем наблюдать далекие «звездные острова». Мы обнаружим, что в одних местах их больше, в других меньше, хотя в общем галактики заполняют все небо. Но это картина, которую мы наблюдаем в проекции на небесную сферу.

А какие «узоры» образуют галактики в пространстве? Чтобы ответить на этот вопрос, т. е. составить представление о пространственном распределении звездных островов, необходимо знать расстояния до каждого из них. Но определение расстояний до отдельных галактик — задача очень сложная. Обычно она решается путем измерения величины красного смещения в спектрах этих звездных систем. Мы уже говорили о том, что наша Вселенная расширяется, что галактики удаляются друг от друга. Но если источник светового излучения от нас удаляется, то возникает так называемый эффект Доплера — смещение спектральных линий к красному концу спектра, пропорциональное скорости удаления (в случае приближения источника света линии в спектре смещаются к фиолетовому концу).

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл показал, что красное смещение галактик возрастает с увеличением расстояния до этих объектов. Чем дальше от нас находится та или иная галактика, тем быстрее она удаляется. Оказалось, что эта зависимость носит линейный характер, т. е. значение одной величины прямо пропорционально значению другой,

VR = HR, (1)

где R — расстояние до наблюдаемого объекта, a VR — скорость удаления галактики, находящейся на расстоянии R. Коэффициент пропорциональности Н получил название постоянной Хаббла.

Зная доплеровское красное смещение того или иного внегалактического объекта, можно определить его скорость VR,

где с — скорость света, λ — фактически наблюдаемая длина волны, а λ0 — длина волны той же спектральной линии, излучаемой неподвижным источником.

Таким образом, если нам известно значение постоянной Хаббла, то, определив скорость удаления интересующего нас внегалактического объекта по формуле (2), мы можем по формуле (1) вычислить расстояние до нею.

Выражение

которое входит в формулу (2), обозначается буквой z,

Приравнивая правые части формул (1) и (3), получим для z,

Таким образом, в первом приближении величина z прямо пропорциональна расстоянию до внегалактического объекта и скорости его удаления. (Заметим, кстати, что в первом приближении z значительно меньше единицы, поскольку VR значительно меньше с).