Занимательная астрофизика - Виктор Комаров

Взгляд в завтрашний день

До сих пор мы знакомились только с электромагнитными носителями космической информации. Однако, как уже было отмечено выше, вестниками космических процессов могут служить и корпускулярные излучения, потоки частиц.

Прежде всего это космические лучи — потоки заряженных частиц — ядер атомов различных химических элементов, пронизывающие космическое пространство и обладающие огромными кинетическими энергиями — от 108 эВ и больше. Это в десятки тысяч раз больше, чем энергии теплового движения частиц в самых горячих объектах Вселенной.

Следовательно, своим возникновением космические лучи обязаны каким-то мощным физическим, процессам, изучение которых представляет для современной астрофизики особый интерес. Это могут быть, например, так называемые вспышки сверхновых звезд, а также активные физические процессы в ядрах звездных систем (галактик) и в квазарах.

Интересным носителем космической информации являются и элементарные частицы — нейтрино. Эти частицы рождаются при радиоактивном бета-распаде, когда ядро одного химического элемента испускает электрон и превращается в ядро другого химического элемента.

Нейтрино не имеет электрического заряда и чрезвычайно слабо взаимодействует с веществом. Точнее говоря, оно участвует только в так называемых слабых физических взаимодействиях, не вступая ни в 1012 раз более сильные электромагнитные взаимодействия, ни в ядерные взаимодействия, которые еще в сотни раз мощнее. Именно за эти свойства нейтрино и заслужило свое наименование — его предложил знаменитый итальянский физик Энрико Ферми: по-итальянски «нейтрино» означает сразу «маленький» и «нейтральный».

Длина свободного пробега нейтрино в веществе колоссальна: она исчисляется миллионами миллиардов километров. Чтобы полностью заэкранироваться от частиц космических лучей самых высоких энергий, достаточно опуститься в глубь Земли на сотни метров, максимум на несколько километров. А для полной защиты от потока нейтрино нужно было бы расположить один за другим 10 млрд. земных шаров или поставить свинцовую плиту толщиной в несколько триллионов километров.

Нейтрино должны в большом количестве рождаться в ходе термоядерных реакций, являющихся источником энергии Солнца и звезд. Свободно пронизывая толщу звездного вещества, они вылетают в космическое пространство и несут ценнейшую информацию о физических процессах, протекающих в звездных недрах. В сущности, современная астрофизика не знает другого способа, который позволял бы получать прямые сведения об этих процессах.

Как считают теоретики, на последней стадии жизни массивных звезд, когда «умирающая» звезда катастрофически сжимается и превращается либо в нейтронную звезду, либо в черную дыру, могут происходить кратковременные нейтринные вспышки, наблюдение которых дало бы бесценную информацию о заключительных стадиях существования этих небесных тел.

Возможно также, что нейтрино высоких энергий могут рождаться в различных уголках Вселенной в результате каких-либо чрезвычайно мощных физических процессов. Надо ли говорить, какой огромный интерес представляли бы сведения о подобных явлениях.

Но, пожалуй, наиболее увлекательна перспектива зарегистрировать реликтовые нейтрино, родившиеся на самых ранних стадиях существования нашей Вселенной.

Разумеется, регистрация нейтрино — задача технически чрезвычайно сложная. Но пути к ее решению существуют, необходимая аппаратура разрабатывается, ее возможности растут, и можно не сомневаться, что нейтринная астрофизика уже в недалеком будущем значительно раздвинет рамки наших представлений о физике Вселенной.

Еще один весьма перспективный и многообещающий вестник Вселенной — гипотетические гравитационные волны, существование которых предсказывается общей теорией относительности А. Эйнштейна.

Подобно тому как возмущения электрического и магнитного полей приводят к возникновению электромагнитных волн, возмущения гравитационного поля должны в принципе возбуждать гравитационные волны.

Гравитационные волны как бы отрываются от массивных объектов и распространяются в пространстве, неся с собой энергию и импульс. Однако зарегистрировать гравитационные волны чрезвычайно сложно, так как они почти не поглощаются материей.

Более десяти лет назад американский физик Д. Вебер сообщил о том, что ему удалось зарегистрировать гравитационные волны, идущие из космоса. Однако вскоре выяснилось, что радость была преждевременной. Какие именно сигналы регистрировали установки Вебера, до сих пор неясно, но нет сомнений в том, что это были не гравитационные волны: для их обнаружения чувствительность детекторов Вебера была явно недостаточна.

Но хотя гравитационные волны пока зарегистрировать не удалось, большинство ученых не сомневается в том, что они существуют. А если так, то о каких космических явлениях способны они рассказать? Их могут порождать двойные системы, а также столкновения звезд. По-видимому, они могут возникать и при вспышках сверхновых звезд, и при катастрофическом сжатии вещества под действием собственного тяготения. Кроме того, гравитационные волны могут принести чрезвычайно интересные сведения о рассеянии материи космическими объектами, о динамике многих других космических процессов.

Глава II. Сюрпризы Вселенной

Видимый космос

В предыдущей главе мы познакомились с различными носителями информации о космических явлениях — носителями, регистрация и исследование которых позволяют астрономам изучать космические объекты и космические процессы.

Мы выяснили также, что каждый из этих носителей порождается вполне определенными физическими процессами. Поэтому нет ничего удивительного в том, что «оптическая Вселенная» непохожа на «радиовселенную», а «радиовселенная», скажем, на «рентгеновскую». Как образно заметил один известный советский физик, вид нашей Галактики в рентгеновском излучении отличается от ее «оптического образа» не менее чем рентгеновский снимок Брижжит Бардо от ее цветной фотографии.

Но если так, то из этого следует, что освоение каждого нового вестника Вселенной обязательно должно приносить новые факты — информацию о неизвестных ранее свойствах уже известных объектов и явлениях до этого вообще неизвестных.

Начнем, однако, с оптического диапазона, освоение которого заложило фундамент наших знаний о Вселенной. Как выглядит Вселенная в видимом свете?

Основными структурными единицами Вселенной являются «звездные острова» — галактики, подобные нашей. Одна из них находится в созвездии Андромеды. Это — гигантская галактика, похожая по своему строению на нашу и состоящая из сотен миллиардов звезд. Свет от нее до Земли идет 2 млн. лет.

Галактика Андромеды вместе с нашей Галактикой и еще несколькими галактиками меньшей массы образуют так называемую Местную группу. Некоторые из звездных систем этой группы, в том числе Большое и Малое Магеллановы Облака, галактики в созвездиях Скульптора, Малой Медведицы, Дракона, Ориона, являются спутниками нашей Галактики. Вместе с ней они обращаются вокруг общего центра масс.

Местная группа со скоростью, равной нескольким сотням километров в секунду, движется по направлению к еще одному скоплению галактик в созвездии Девы.

Скопление в Деве является центром еще более гигантской системы звездных островов — Сверхскопления галактик, которое включает в себя и Местную группу вместе с нашей Галактикой.

Согласно наблюдательным данным, сверхскопления включают в себя свыше 90 % всех (Существующих галактик и занимают около 10 % всего объема пространства нашей Вселенной. Сверхскопления обладают массами порядка 1015 масс Солнца.

Современным средствам астрономических исследований доступна колоссальная область пространства радиусом около 10–12 млрд. световых лет. В этой области, по современным оценкам, расположено 1010 галактик. Их совокупность получила название Метагалактики.

По своему внешнему виду галактики разделяются на три основных типа: эллиптические, спиральные и неправильной формы.

Эллиптические галактики различаются по степени сжатия. Они могут быть как шаровыми, так и достаточно сильно «сплюснутыми».

Что же касается спиральных галактик, то они различаются по характеру строения спиральных ветвей. В основной плоскости спиральных галактик, как правило, присутствуют темные массы поглощающей материи. На основе многочисленных наблюдений в настоящее время установлено, что спиральные галактики состоят из двух компонентов — сфероидального и диска. Если диск отсутствует, такая галактика принадлежит к числу эллиптических.