Вселенная
В наши дни астрономия переживает период бурного развития. Особенно успешно развивается один из ее разделов – астрофизика, изучающая физические явления, происходящие в космосе, в небесных телах и в их системах.
На длинном пути истории астрономии тематика ее исследований не раз претерпевала изменения. Так, лет двести тому назад изучение тел Солнечной системы – в первую очередь планет и комет – было отодвинуто на второй план бурно развивающейся звездной астрономией.
В настоящее время особое внимание ученых направлено на галактики, скопления галактик, квазары (сверхзвезды или квазизвезды), а также на пространство и время как объект астрофизического изучения. Большой интерес для ученых представляют ядра галактик - астрофизические объекты нового типа. Догадка о существовании таких объектов возникла в итоге накопления различных наблюдений и открытий.
Раньше представлялось, что галактики – это застывшие, неизменяющиеся образования, единственным активным элементом которых являются звезды. В 1963 г. этот взгляд был опровергнут. Важнейшим моментом в признании ядер галактик полноценными астрономическими объектами было открытие квазаров. Ученые были поражены огромностью энергетических ресурсов этих "маяков Вселенной". Свет квазаров через века доходит до нас с поистине фантастических расстояний.
Крупный вклад в астрофизику внесли ученые Бюраканской астрофизической обсерватории, руководимой академиком В. А. Амбарцумяном, основоположником научной теории звездообразования. Заместитель директора этой обсерватории, доктор физико-математических наук Л. В. Мирзоян, которому принадлежат важные исследования, в частности установление активности и других ранее неизвестных свойств ядер галактик, рассказывает:
"Открытие нового типа звездных систем – звездных ассоциаций, динамически неустойчивых и объединяющих недавно возникшие молодые звезды, имеет важное значение для решения принципиальных вопросов, связанных с происхождением и развитием звезд и звездных систем. В противоположность господствовавшему в науке представлению об одновременном формировании всех звезд в галактике в отдаленном прошлом было твердо установлено, что процесс звездообразования продолжается и в наше время, что звезды рождаются группами в звездных ассоциациях. Дальнейшие работы показали, что нестационарные явления гораздо больших масштабов происходят в мире галактик – в огромных звездных системах типа Млечного Пути.
Огромный научный интерес представляет активность ядер галактик, сопровождаемая колоссальным выделением энергии – радиовспышки, взрывы, которые вызывают выбросы струй и целых компактных галактик. Оказалось, что ни звезды, ни диффузное вещество, содержащееся в ядрах галактик, не могут стать причиной этих форм активности ядер. Значит, в ядрах существуют весьма массивные тела пока неизвестной природы, которые обладают чрезвычайно высокой плотностью и огромной энергией. Многочисленные наблюдения, проведенные с помощью крупнейших в мире телескопов, полностью подтвердили выводы о космогонической активности ядер галактик и об их необычных свойствах".
Как безгранична Вселенная, так и бесконечен процесс ее познания. И тем не менее есть наука, которая пытается это сделать, - космология. Она занимается изучением всей необъятной Вселенной как целого в отличие от исследования только планет, Солнца и звезд.
Академик Я. Б. Зельдович в статье "Вселенная была горячей", опубликованной в газете "Известия" 1 апреля 1967 г., отмечал:
"Безусловно, космология является наукой, которая самым тесным образом связана с общим мировоззрением человека. Огромное значение имеет самый факт естественнонаучного рассмотрения проблемы Вселенной... Задача космологии – понять, какие физические явления происходят во Вселенной и каким законам они подчиняются.
Ранний этап космологии характеризовался тем, что внимание было сосредоточено на геометрии и механике мира, в котором основную роль играют силы тяготения. Важнейший результат этого периода исследований заключается в том, что вещество не может находиться в состоянии покоя. Наблюдения показывают, что мы переживаем эпоху "расширения": объекты, лежащие далеко за пределами нашей Галактики, т. е. того местного скопления звезд, к которому принадлежит Солнце, удаляются от нас. Об этом можно судить по "красному" смещению линий их спектров".
Теория "горячей" Вселенной легко объясняет загадочные радиошумы в космосе, обнаруженные в 1965 г. В далеком прошлом при высокой температуре все пространство Вселенной было пронизано мощными потоками излучения. В ходе "расширения" длина волн этого излучения растет – они как бы растягиваются и превращаются в радиошумы.
На основе этих представлений была описана вероятная последовательность отдельных стадий эволюции на всем этапе "расширения", начиная с момента гигантских плотностей и температур. В начале этого этапа во Вселенной не было ни звезд, ни галактик, была лишь однородная горячая плазма, состоящая из излучения электронов, позитронов и других элементарных частиц.
Законы физики позволяют рассчитать ход превращений. Так, через секунду после начала "расширения", утверждают ученые, общая плотность вещества достигла полтонны на кубический сантиметр, температура была 1013 градусов. В это время атомных ядер еще не было, на каждые пять протонов приходился один нейтрон. За последующие 100 с плотность снизилась до 50 г/см3, упала и температура. На этой стадии в ходе ядерных реакций нейтроны соединились с протонами и дали ядра гелия. Более тяжелые элементы должны были образоваться позднее за счет ядерных реакций в звездах.
На протяжении сотен тысяч лет, пока температура во Вселенной была выше 4000°, протоны и электроны не соединялись в атомы. По-видимому, с того момента, когда водород стал нейтральным, началось формирование облаков, которое заняло много времени. Первые облака превращались в гигантские звезды, ярко вспыхивающие и снова нагревающие газ. Лишь после этого из горячего, но уже гораздо менее плотного газа образовались "обычные" галактики и звезды типа тех, что окружают нас в настоящее время. Рождение звезд в нашей Галактике продолжается и теперь.
Описанная схема с двумя этапами звездообразования, которую развивают Я. Б. Зельдович, А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков, согласуется с данными радиоастрономии.
Вполне вероятно, что лишь меньшая доля горячего газа превратилась в звезды и галактики, а большая его часть и по сей день заполняет все огромное пространство между галактиками. Исследование межгалактического газа имеет принципиально важное значение. От величины его плотности зависит дальнейший ход эволюции Вселенной. Если плотность газа достаточно велика (больше 10 протонов на кубический метр), то силы тяготения смогут остановить наблюдаемое в настоящее время "расширение", и еще через один или два десятка миллиардов лет начнется "сжатие". И тогда астрономы будут наблюдать не "красное", как теперь, а "синее" смещение в спектрах.
Открытие реликтового излучения показало, что гипотеза расширяющейся Вселенной, выдвинутая еще в 1920-е годы, получила наконец наглядное экспериментальное доказательство.
Существует и другая теория Вселенной, допускающая непрерывное рождение вещества в каждой ее точке. По этой модели Вселенная не расширяется, она стационарна. Убыль гравитационной энергии за счет расширения все время пополняется рождением новых частиц, и Вселенная все время остается в одном и том же состоянии. Эта теория наиболее живуча и конкурентоспособна, чем теория относительности Эйнштейна.
В 1975 г. в журнале "Знание – сила" № 8 была опубликована гипотеза В. С. и Б. В. Богословских о пятом состоянии вещества апейроне (по специальному разрешению авторы гипотезы сдали ее теоретические обоснования на хранение в Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР еще в 1961 г.).
"Согласно теории, на которую мы опираемся, - пишут они, - звезды образуются путем сгущения холодных масс вещества. При этом масса зародышевых образований – глобул – постепенно сжимается под воздействием сил тяготения. Давление нарастает, и вещество под сравнительно тонкой корой теряет привычные нам свойства. Так, уже при давлениях свыше 105 атм полупроводник теллур становится проводником, а, скажем, водород и метан приобретают свойства металлов. Это доказано экспериментально. При более высоких давлениях, порядка 109 - 1018 атм, атомы всех элементов "раздавливаются", электроны отрываются от ядра, энергетические поля перекрываются, вещество образует лишенную химизма смесь ядер, протонов, электронов и других элементарных частиц. При еще большем повышении давления внутриатомная структура преобразуется сильней, и материя переходит в нейтральное, а затем в гиперонное состояние!
Но эти два состояния – случай не столь уж типичный во Вселенной. Зато обычным и неизбежным при формировании звезд оказывается то состояние вещества, которое возникает при давлении 109-1018 атм. Такое вещество мы назвали апейроном. По нашему мнению, апейрон играет исключительную, до сих пор неоцененную роль в эволюции звезд и планет. Именно из апейрона состоят ядра подавляющего большинства небесных тел. Наша Земля также имеет ядро из апейрона".
Большой интерес для науки представляет проблема квазаров. Слово "квазар" в переводе с английского - радиоисточник, похожий на звезду. Оно впервые появилось в лексиконе астрономов и астрофизиков несколько лет назад. Квазары оказались настоящим клубком загадок.
На фотопластинах квазары выглядят как слабенькие звездочки. Однако светимость каждой такой "звездочки" выше, чем у всех ста миллиардов звезд галактики Млечного Пути. Тусклыми квазары кажутся потому, что их отделяют от нас громадные расстояния межгалактического пространства.
С точки зрения астрономов, гораздо более удивительно то, что интенсивность блеска квазаров меняется в течение месяцев и даже дней. Это означает, что квазар – не скопление многих звезд, как наша Галактика, а какая-то одна довольно компактная сверхзвезда: миллиарды звезд не могли бы мерцать одновременно. Следовательно, квазар должен обладать гигантской массой, в миллиарды раз больше солнечной.
Между тем из обшей теории относительности вытекает, что звезды с массой больше солнечной всего в 100 раз не могут существовать длительно. Они должны начать катастрофически сжиматься - "схлопываться". При этом гравитационное поле звезды становится столь мощным, что из его "объятий" не может вырваться наружу никакое излучение. Звезда гаснет и становится своеобразной "гравитационной могилой", абсолютно невидимой с Земли. А квазары светят. Объект размером всего в несколько раз больше звезды средней величины излучает, как сто миллиардов солнц. Открытие сверхзвезд, природа которых еще не ясна, было признано самым крупным научным событием 1963 г.
Мощное излучение квазаров пытались объяснить взаимодействием вещества и антивещества. Существуют и другие гипотезы на этот счет. Благодаря квазарам был найден способ обнаружения межгалактического нейтрального водорода по поглощению им света в слое, расположенном между квазаром и наблюдателем. Оказалось, что плотность такого водорода, по крайней мере, в миллион раз меньше критической. Нейтральный водород находят и по поглощению радиоволн. И в этом случае плотность его мала.
Еще в 1932 г., сразу после открытия нейтрона, Л. Д. Ландау предсказал существование нейтронного состояния вещества. Значительным событием в астрономии стало открытие в 1968 г. так называемых пульсаров – объектов, испускающих импульсные радио-, световое и рентгеновское излучения.
Пульсары - звезды, вещество которых состоит из нейтронов и сжато до ядерной плотности 1014 г/см3 (если до такой плотности сжать Землю, она будет иметь диаметр 0,5 км). Пульсар, или нейтронную звезду, некоторые ученые рассматривают как гигантское атомное ядро, с тем единственным, но существенным отличием, что нейтронная звезда сдерживается скорее гравитационными силами, чем ядерными. Большая часть электронов нейтронной звезды втиснута в протоны, так что протоны превращаются в нейтроны.
Пульсары, - самые маленькие по размерам и самые плотные звезды в Галактике. Вместе с тем они обладают самым сильным магнитным полем (1011-1014 э). Почему оно так велико? Ведь у Солнца оно составляет примерно 1 э, а на поверхности более массивных звезд - примерно 100-1000 э. На этот вопрос отвечает академик Б. Б. Кадомцев:
"Причина в следующем: нейтронная звезда имеет радиус примерно в 100 тысяч раз меньший, чем обычные звезды. Известно, что магнитное поле пропорционально числу силовых линий, пронизывающих единицу поверхности. Следовательно, при сжатии звезды магнитное поле растет обратно пропорционально квадрату радиуса звезды. Итак, уменьшение размеров звезды в 105 раз при образовании пульсара приводит к росту магнитного поля в 1010 раз. Отсюда и возникают столь большие поля...
Сверхсильное магнитное поле должно существенно влиять на строение атомов и молекул, это должно сказаться и на свойствах поверхности нейтронной звезды - самой внешней ее корочки. Прежде всего из-за существенного увеличения энергии связи атомов, молекул и сил сцепления в твердом теле поверхностный слой не обязательно должен представлять собой горячую плазму, как в обычных звездах. Это может быть "горячий нейтральный газ" или даже твердая кора. Соответственно изменяются условия для втягивания электронов и ионов с поверхности пульсаров внешними электрическими полями, что может повлиять на процессы образования горячей атмосферы пульсара, излучающей принимаемые на Земле радиоволны. Изменяется и спектр излучения самой нейтронной звезды".
Б. Б. Кадомцев научно обосновывает положение, что в сверхсильном магнитном поле твердое тело должно быть полимером.
Астрофизики теоретически предсказали существование самых необычных объектов Вселенной - "черных дыр" - схлопнувшихся звезд. Они настолько плотны, что их гравитация не выпускает наружу излучения. Диаметр Солнца примерно в 70 тыс. раз больше диаметра нейтронной звезды. Расчеты показывают, что если нейтронная звезда сожмется всего лишь на треть своего диаметра, то она должна стать "черной дырой". Пока "черные дыры" - объекты теоретических выкладок, но ученые надеются их обнаружить. Гигантская масса "черной дыры" должна притягивать вещество из окружающего пространства. Прежде чем исчезнуть в гравитационной могиле, оно ярко вспыхнет, подобно метеорам, входящим в земную атмосферу.
В конце 1975 г. в СССР вступил в действие самый большой на планете радиотелескоп "Ратан". Главное зеркало телескопа весит 42 т, диаметр его 6 м. Телескоп обладает несравненными преимуществами перед державшим пальму первенства с 1948 г. американским телескопом на горе Паломар с диаметром зеркала 5 м. С помощью уникального телескопа ученые Специальной астрофизической обсерватории АН СССР уже получили серию снимков Вселенной.
Создан уникальный комплекс аппаратуры "МАНИЯ" (многоканальных наносекундных измерений яркости) для поиска "черных дыр". Если зафиксированная с помощью этого комплекса яркость меняется сравнительно медленно, значит, в объективе обычная звезда. Если же частота колебаний измеряется нано- или микросекундами, это может означать, что в объективе "черная дыра", хотя, по современным представлениям, ее увидеть нельзя, так как чудовищная гравитация тела, размеры которого не превышают 10 км, а масса сравнима с солнечной, не позволяет вырваться из этой западни ни одному лучу света или электромагнитному колебанию. Всякая порция вещества, вовлеченная в гравитационную воронку, прибавит ей массы, но светимость по-прежнему останется нулевой. И все же расчеты показывают, что окрестности "черной дыры" могут оказаться видимыми. Поиск продолжается.
Как рождаются галактики и звезды, откуда они берут энергию, как развивается Вселенная и что было с ней на ранних этапах ее развития? Все это проблемы динамической эволюционной картины Вселенной.
"Проблема динамики Вселенной, - рассказывает доктор физико-математических наук М. Н. Смородский, - органически связана с глубоким познанием микрофизики – физики элементарных частиц. Изучение ранней истории Вселенной требует глубокого понимания процессов с элементарными частицами, потому что при больших плотностях уже нет атомов и, наверное, нет ядер. Знание процессов, которые происходят при очень высоких плотностях материи, превосходящих даже ядерные плотности, уже совершенно невозможно без понимания природы элементарных частиц.
Астрофизика требует знания законов микромира, физика элементарных частиц требует, в свою очередь, хорошего понимания гравитационных взаимодействий, чтобы узнать, что происходило в те далекие времена, когда элементарные частицы только возникли то ли вместе с галактиками, то ли раньше галактик. Главная задача, стоящая перед обеими этими науками, - понять, что представляют собой огромные источники энергии во Вселенной и какую роль в ее динамике играют или играли элементарные частицы".
Некоторые физики ставят под сомнение гипотезу о термоядерной природе светимости Солнца и других звезд, считая ее несостоятельной при объяснении большинства проявлений солнечной активности и взрывов в ядрах галактик, в квазарах и в масштабах Вселенной.
Они полагают, что в природе должны существовать иные виды энергии, несравненно более интенсивные, чем термоядерная, проявляющиеся в космических масштабах, и что такая энергия таится в вакууме.
Излагая гипотезу о природе звездной энергии с позиций теории квантовой гравитации, родившейся на стыке физики, математики и космологии, старший научный сотрудник Института ядерных исследований АН СССР В. Г. Лапчинский в статье "Энергия из... вакуума", напечатанной в "Неделе" - приложении к газете "Известия" - 22 августа 1976 г., пишет:
"Вот представление о вакууме, возникшее в одном из современных разделов физики: вакуум – это сверхплотная среда с очень богатыми физическими свойствами, а наблюдаемая материя – всего лишь разреженное состояние этой среды.
Иными словами, материя - это пустота по сравнению со сверхплотным вакуумом. Это новое представление о вакууме органически связано с теорией относительности и квантовой теорией материи...
Во всех процессах, связанных с человеческой деятельностью, во многих доступных нашему наблюдению космических явлениях энергия наблюдаемой материи не достигает даже малой доли энергии, сравнимой с собственной энергией вакуума. Именно поэтому вакуум никогда не возбуждается (не происходит его раскомпенсация) и остается для нас абсолютно инертной "пустотой". Чтобы возбудить вакуум, нужно сжать наблюдаемую материю до огромных плотностей или, что эквивалентно, построить ускоритель во много миллиардов раз мощнее Серпуховского. Однако в природе существует множество "лабораторий", в которых необходимые энергии достигаются очень легко. Эти "лаборатории" - коллапсирующая Вселенная – объекты, сжимающиеся собственными гравитационными силами.
Исследование коллапса Вселенной в рамках квантовой теории гравитации привело к наиболее яркому теоретическому открытию последних лет – эффектам рождения частиц из вакуума в таком количестве, которое способно остановить сжатие Вселенной около состояния с бесконечной плотностью материи и обратить сжатие в расширение. Другими словами, причиной и источником самого мощного взрыва во Вселенной - взрыва самой Вселенной – является энергия вакуума.
...Если выводы теории квантовой гравитации о структуре вакуума найдут дальнейшее подтверждение, тогда вся Вселенная предстанет перед нами как единый самосогласованный механизм. Взорвавшаяся Вселенная расширяется до тех пор, пока кинетическая энергия освобожденной материи не уравновешивается гравитационными силами. В процессе расширения объем Вселенной увеличивается, а следовательно, увеличивается вероятность освобождения вакуумной энергии в наблюдаемую. Преобладают процессы рождения галактик и последующего их рассеяния в пространстве. Мы живем в эпоху расширения Вселенной, поэтому являемся свидетелями многочисленных взрывных явлений во Вселенной.
Когда Вселенная расширяется до максимальных размеров, гравитационные силы стягивают Вселенную, уменьшая ее объем. В эту эпоху преобладает процесс растворения звезд в вакууме в результате их коллапса. Коллапсирующие звезды исчезают в вакууме одна за другой, но гравитационное поле их остается, что приводит к еще более быстрому сжатию Вселенной до плотности, при "которой вакуум возбуждается глобально, и происходит новый большой взрыв Вселенной. Начинается новый цикл расширения".
Космология, как никакая другая наука, укрепляет в нас веру в силу человеческого разума, в объективность познания. Вся ее история тесно связана с проверкой двух предположений. Первое относится к пространственной однородности Вселенной, одинаковости ситуаций в различных ее частях, отрицанию "островной" гипотезы мира, окруженного пустотой, идеи о каком-то особом, центральном положении нашей Земли и Солнца или нашей Галактики. Второе предположение соединяется с отрицанием неизменности Вселенной во времени, утверждением идеи эволюции Вселенной в целом.
Изучение возникновения и последующего "расширения" вещества в сверхплотном состоянии может привести к открытию новых законов природы. Необычайно расширился круг исследований. Наряду с чисто геометрическими и механическими вопросами "расширения" исследуются и ядерные реакции, и нейтрино, и спектры электромагнитного излучения в космосе. Такая широта подхода служит залогом будущих больших открытий.