Войти Регистрация

Зайдите в свой аккаунт

Логин
Пароль
Запомнить меня

Subscribe to this RSS feed
Воскресенье, 21 февраля 2016 03:43

Конец Солнца и Самость Космоса Часть 2

Конец Солнца и Самость Космоса Часть 2

 

6. Картина катастрофы

Органическое человечество будет ощущать свою смерть как космическую катастрофу. Катастрофа здесь и далее означает резкое качественное (скачкообразное) изменение среды – биосферы, благоприятной для органической формы жизни, возникающее в виде внезапного ответа биосферы на плавное количественное изменение условий – параметров солнечного излучения (его мощности и температуры), необходимых для органической жизни, от которых она зависит. Проблема человека состоит в том, что он не может жить вне биосферы, имеющей определённый газовый состав атмосферы, спектр и мощность звёздного (солнечного) излучения, определённую силу атмосферного давления, температуру и химический состав почвы и воздуха и прочее. На завершающем этапе своей жизни Солнце уничтожает все эти условия, и вместе с ними оно уничтожает биосферу и человека. Причиной катастрофы станет неуклонное увеличение количества солнечного излучения (в том числе теплового), падающего на поверхность Земли.

Наступающая катастрофа – это необходимое[23] событие, обусловленное законами солнечной эволюции. Катастрофа неотвратима, она запрограммирована ходом звёздной эволюции, её нельзя отложить или отсрочить; она действует на самые фундаментальные, глубинные основы органической жизни на Земле и уничтожает их.

 

 

Этапы катастрофы

 

1) Solis calore cladis[24]

 

Запас ядерного топлива в Солнце ограничен и постоянно тратится на излучение. Каждую секунду 600 миллионов тонн водорода сгорает в термоядерной топке, а в энергию превращается 4,26 миллиона тонн вещества. В момент возникновения Солнца доля водорода к его массе составляла 70,6%, сейчас его доля упала до 36,3% массы Солнца. Каждый испущенный Солнцем фотон света означает, что запасы водорода выгорают, в результате чего звезда приближается к своему концу. Стадия горения водорода составляет примерно 90% времени эволюции Солнца. Звезда такой массы, как Солнце, должна существовать на главной последовательности в общей сложности примерно 10 миллиардов лет. Сейчас наше Солнце находится примерно в середине своего жизненного цикла.

На современном этапе в солнечном ядре идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий, который накапливается в солнечном ядре, из-за чего пространство, в котором происходит ядерный синтез, постоянно расширяется в сторону внешних оболочек Солнца. По этой причине Солнце становится всё горячее, а его светимость медленно, но неуклонно увеличивается на 1% каждые 110 миллионов лет.

Спустя 1,1 миллиардов лет с настоящего времени наша звезда будет ярче (и горячее) на 11%. Следствием увеличения светимости Солнца станет рост температуры на планетах Солнечной системы. Через 1 миллиард лет средняя температура на Земле достигнет 700С, что будет превышать современную в 4,5 раза (сейчас средняя температура на Земле равна примерно 150 С), температура поверхности Земли при этом превысит 1000 С. Есть все основания полагать, что жизнь организмов, построенных на углеродных соединениях, возможна только в диапазоне температур от +80° до -70° С, при более низкой или высокой температуре углеродные соединения разрушаются, поэтому следствием Солнечной эволюции станет уничтожение на Земле большинства существующих форм жизни.

Сначала люди заметят, что Солнце станет светить немного ярче, а его диск на небосводе увеличится в размере, будто Солнце приблизилось к Земле. Очертания Солнечного диска по краям станут не такими чёткими, как раньше, и приобретут некоторую размытость. В это же время Луна отдалится от Земли и, по причине уменьшения её приливного воздействия на Землю, скорость вращения Земли вокруг своей оси замедлится, что приведёт к увеличению длительность земных суток. Из-за увеличения длительности светового дня дневная сторона Земли, обращённая в течение дня к Солнцу, будет перегреваться, а ночная сторона, наоборот, переохлаждаться, что вызовет большие перепады температур. Перепады температуры вызовут небывалые на памяти человека перепады давления в атмосфере, и смена времени суток будет сопровождаться разрушительными ураганами, когда из областей высокого давления горячий воздух будет перемещаться в области низкого давления. Из-за неуклонного увеличения светимости Солнца температура воздуха и земной поверхности будет ежегодно расти, так что зимы будут подобны лету. Растают все ледники, и поднявшиеся моря и океаны затопят берега континентов и все островные государства. Через некоторое время от перегрева воды в реках и озёрах погибнет всё живое. Постепенно все реки высохнут, озера испарятся. В огромных количествах метан будет испаряться из мёртвых водоёмов в атмосферу, и воздух станет ядом. От обезвоживания деревья и трава превратятся в хворост, который будет вспыхивать от солнечных лучей. Очаги пожаров накроют всю сушу. Ураганы будут разносить огонь по всей планете, и огонь пожаров превратится в океан плазмы. В планетарном пожаре и от засухи сгорят все леса и посевы, и среди людей и животных начнется небывалый голод. Количество углекислого газа в воздухе вырастет в десятки раз, воздух будет насыщен мельчайшими частицами пыли и сажи, и дышать им будет невозможно. Миллиарды тонн пыли и пепла, разносимые ураганами, поднимутся выше облаков и Солнечный диск будет едва различим с поверхности Земли. Вследствие гибели всех растений на Земле прекратится фотосинтез и выделение в атмосферу кислорода. Вследствие непрерывного роста температуры вода из океанов в огромных количествах будет испаряться, и вместе с пеплом от пожаров превращаться в плотный слой газопылевых облаков, сквозь которые тусклые солнечные лучи едва смогут достигнуть поверхности Земли. Плотная облачность будет препятствовать отдаче тепла Землею и это приведёт к усилению парникового эффекта. Рост температуры поверхности Земли вызовет выделение части углекислоты из близких к поверхности карбонатных пород, что усилит парниковый эффект, обусловив дальнейший нагрев поверхности Земли. Нагреваемые карбонаты будут выделять всё больше углекислого газа и парниковый эффект войдёт в разнос.

 

 

2) Venit aestum super caput[25]

 

Через 3,5 миллиардов лет с настоящего времени яркость Солнца возрастёт на 40%. К этому времени условия на поверхности Земли станут схожи с поверхностными условиями современной Венеры[26]: вода с поверхности планеты исчезнет полностью и улетучится в космос, и поверхность Земли станет бесплодной раскалённой пустыней. Хотя сегодня на Венере количество воды стремится к нулю, в прошлом ситуация была иной. В 2009 году с помощью зонда Venus Express были получены доказательства того, что из-за солнечного излучения большой объём воды был потерян из атмосферы Венеры в космос.

Карл Саган так описывает атмосферу и поверхность Венеры: “В обычном видимом свете можно наблюдать бледно-жёлтые облака Венеры, но, как впервые отметил Галилей, в них практически не на чем задержаться взгляду. Однако камера, работающая в ультрафиолетовом диапазоне, позволяет рассмотреть в верхних слоях атмосферы изящную, сложную систему вихревых ветров, дующих со скоростью около 100 метров в секунду. На 96 процентов атмосфера Венеры состоит из углекислоты. Имеются незначительные следы азота, водяного пара, аргона, угарного и других газов, но содержание углеводородов и углеводов не превышает 0,1 части на миллион. Облака Венеры, как выяснилось, представляют собой в основном концентрированный раствор серной кислоты. Присутствуют также небольшие количества соляной и плавиковой кислот. Даже верхние, холодные облака Венеры оказались совершенно отвратительным местом.

Над видимым облачным слоем, на высоте около 70 километров от поверхности, всегда висит дымка из мельчайших частиц. На уровне 60 километров мы ныряем в облака, чтобы очутиться в окружении капелек концентрированной серной кислоты. По мере погружения они становятся крупнее. В нижних слоях атмосферы имеются следы едкого газа – диоксида серы (SO2). Поднимаясь выше облаков, он испытывает на себе разлагающее действие ультрафиолетового излучения Солнца и вступает в реакцию с водой, образуя серную кислоту, которая конденсируется в мельчайшие капли, оседает и на небольших высотах благодаря нагреванию вновь распадается на SO2 и воду, завершая круговорот. По всей Венере постоянно идут сернокислые дожди, но ни одна капля никогда не достигает поверхности планеты.

Жёлтый серный туман продолжается до высоты 45 километров над поверхностью, достигнув которой, мы оказываемся в плотной, но кристально прозрачной среде. Однако атмосферное давление настолько велико, что разглядеть поверхность невозможно. Солнечный свет, рассеиваемый молекулами атмосферы, полностью скрывает её из виду. Здесь нет пыли, нет облаков, просто газовая оболочка планеты становится осязаемо плотной. Сквозь лежащие выше облака проникает довольно много солнечного света, не меньше, чем на Земле в пасмурный день.

Обжигающая жара, разрушительное давление, ядовитые газы и жуткий красноватый свет делают Венеру больше похожей не на богиню любви, а на воплощение преисподней <…>.

Очень маловероятно, чтобы в такой ужасной местности водилось что-то живое, даже создания, очень сильно отличающиеся от нас. Органические и любые мыслимые биологические молекулы просто распались бы здесь на куски”.

По мере того, как водородное топливо в солнечном ядре будет выгорать, его внешняя оболочка будет расширяться, а ядро – сжиматься и нагреваться. Спустя 7–7,05 миллиардов лет с настоящего времени Солнце станет субгигантом. На этой фазе, согласно одной из моделей, Солнце увеличится в диаметре более чем в два раза от современного, а его температура упадёт с 5500 K до 4900 кельвинов. Приблизительно через 7,6–7,8 миллиардов лет с настоящего времени в результате разогрева Солнечного ядра в Солнце запустится процесс горения водорода в окружающей его оболочке. Это повлечёт за собой бурное расширение внешних оболочек звезды, и таким образом Солнце станет красным гигантом. В этой фазе радиус Солнца увеличится более чем в 250 раз в сравнении с современным. Расширение звезды приведёт к увеличению её светимости более чем в 2700 раз и охлаждению поверхности до 2650 кельвинов. При этом Солнце потеряет более 28% своей массы, что приведёт к тому, что Земля перейдёт на более далёкую от Солнца орбиту. Однако Земля, скорее всего, всё-таки будет поглощена Солнцем вследствие приливных взаимодействий с его внешней оболочкой. Даже если наша планета избежит поглощения Солнцем, её атмосфера будет сорвана сильнейшим солнечным ветром. Данная фаза существования Солнца продлится около 10 миллионов лет. Когда температура в солнечном ядре достигнет 100 миллионов кельвинов, произойдёт гелиевая вспышка, и начнётся термоядерная реакция синтеза углерода и кислорода из гелия. Солнце, получившее новый источник энергии, уменьшится в размере до 9,5 современного радиуса Солнца. Спустя 100–110 миллионов лет, когда запасы гелия иссякнут, повторится бурное расширение внешних оболочек звезды, и она снова станет красным гигантом. Период пульсаций будет сопровождаться мощными вспышками Солнца, временами его светимость будет превышать современный уровень в 5200 раз. Это будет происходить от того, что в термоядерную реакцию будут вступать ранее не затронутые остатки гелия. В таком состоянии Солнце просуществует около 20 миллионов лет. Масса Солнца недостаточна для того, чтобы его эволюция завершилась взрывом сверхновой. После того как Солнце пройдёт фазу красного гиганта, термические пульсации приведут к тому, что его внешняя оболочка будет сорвана, и из неё образуется планетарная туманность. В центре этой туманности останется сформированный из ядра Солнца белый карлик, очень горячий и плотный объект, с массой около 54,1% от первоначальной солнечной, но размером только с Землю. Изначально этот белый карлик будет иметь температуру поверхности 120 тысяч кельвинов и светимость 3500 солнечных, но в течение многих миллиардов лет он будет остывать и угасать. С вхождением Солнца в фазу белого карлика, поверхность Земли постепенно остынет и погрузится во мрак. Если представить размеры Солнца с поверхности Земли будущего, то оно будет выглядеть не как диск, а как сияющая точка с угловыми размерами около 0°0’9".

 

 

3) Aeterna silentia[27]

 

Через 10 миллиардов лет с настоящего времени наша галактика Млечный Путь столкнётся с соседней, гораздо более крупной галактикой – Туманностью Андромеды. Спиральные рукава Млечного Пути будут оторваны силой притяжения Туманности Андромеды, и остатки Солнечной системы, вполне возможно, окажутся в пустоте межгалактического космоса. Чёрные дыры в центрах обеих галактик столкнутся и сольются воедино.

Если Земля избежит поглощения внешними оболочками Солнца во время фазы красного гиганта, избежит столкновения с крупными космическими объектами и поглощения блуждающими по Вселенной чёрными дырами, то она будет существовать ещё многие миллиарды (и даже триллионы) лет, до тех пор, пока будет существовать Вселенная, однако условий для повторного возникновения жизни (по крайней мере, в её нынешнем виде) на Земле не будет.

Земля постепенно остынет, пепел осядет на её выжженную поверхность, и на смену недавнему лету придёт вечная зима. Свет дальних звёзд будет освещать испепелённую поверхность каменистой почвы, на которой ещё совсем недавно бушевала удивительная в своём многообразии жизнь. После гибели живой Земли в течение ещё нескольких миллиардов лет с её поверхности можно будет наблюдать яркую звезду, которая когда-то была её Солнцем, но уже никогда оно не подарит планете ни света, ни тепла. Постепенно звезда остынет и от неё останется только чёрный ком ядерного шлака, и крик человеческого ребёнка уже никогда не огласит Землю.

 

Рисунок 13. Сначала люди заметят, что Солнце станет светить немного ярче, а его диск на небосводе увеличится в размере, будто Солнце приблизилось к Земле. Очертания Солнечного диска по краям станут не такими чёткими, как раньше, и приобретут некоторую размытость. Вода в огромном количестве будет испаряться и плотный слой облачности накроет Землю.

 

Рисунок 14. Через 3,5 миллиардов лет с настоящего времени яркость Солнца возрастёт на 40%. К этому времени условия на поверхности Земли станут схожи с поверхностными условиями современной Венеры: вода с поверхности планеты исчезнет полностью и улетучится в космос, и поверхность Земли станет бесплодной раскалённой пустыней. Камни и песок расплавятся и поверхность Земли будет покрыта раскаленной магмой.

 

Рисунок 15. Приблизительно через 7,6–7,8 миллиардов лет с настоящего времени в результате разогрева Солнечного ядра в Солнце запустится процесс горения водорода в окружающей его оболочке. Это повлечёт за собой бурное расширение внешних оболочек звезды, и таким образом Солнце станет красным гигантом. В этой фазе радиус Солнца увеличится более чем в 250 раз в сравнении с современным.

 

Рисунок 16. С вхождением Солнца в фазу белого карлика, поверхность Земли постепенно остынет и погрузится во мрак. Если представить размеры Солнца с поверхности Земли будущего, то оно будет выглядеть не как диск, а как сияющая точка с угловыми размерами около 0°0’9".

 

 

7. Гибель живой Земли по другим причинам

Удивительным образом срок окончания жизни Солнца совпадает со сроками остывания Земли и замедления её вращения вокруг своей оси.

 

 

7.1. Остывание Земли

 

Поверхность Земли получает тепло от Солнца, но солнечные лучи не могут прогреть внутренние недра Земли. Земля всё ещё не превратилась в холодное и замёрзшее космическое тело, потому что она всё ещё использует тепло, сохранённое с момента своего образования, и получает его от ядерного распада элементов в недрах земной коры. Сейчас температура недр Земли превышает температуру замерзания воды. С наступлением зимы почва промерзает на глубину лишь несколько метров, в южных странах она не замерзает никогда. Но уже через несколько миллиардов лет температура внутри Земли будет ниже нуля градусов Цельсия. Это произойдёт вследствие отдачи Землёю в космическое пространство остаточного тепла, сохраняющего с эпохи аккреции, и окончанием распада радиоактивных элементов в недрах Земли, в процессе которого освобождается тепловая энергия.

До сих пор внутренняя теплота нашей планеты обеспечивается сочетанием остаточного тепла, оставшегося от эпохи формирования Земли, когда она представляла раскалённый шар, и радиоактивным распадом нестабильных изотопов: калия-40, урана-238, урана-235 и тория-232. У всех изотопов период полураспада составляет более миллиарда лет. В центре планеты, температура достигает 6000°С (больше, чем на поверхности Солнца). Часть тепловой энергии ядра передаётся к земной коре. Поскольку большая часть тепла, производимого Землёй, обеспечивается радиоактивным распадом, то в начале истории Земли, когда запасы короткоживущих изотопов ещё не были истощены, энерговыделение нашей планеты было гораздо больше, чем сейчас. Больше всего энергии теряется Землёй посредством тектоники плит, подъёма вещества мантии на срединно-океанические хребты. Последним основным типом потерь тепла является теплопотеря сквозь литосферу, причём большее количество теплопотерь таким способом происходит в океане, так как земная кора там гораздо тоньше, чем под континентами.

Японские и американские учёные под руководством доктора Итару Шимицу (Itaru Shimizu) из Университета Тохоку в Сендае при помощи нейтринного детектора вычислили количество тепла, которое выделяется из недр Земли в результате распада радиоактивных элементов. “Этот процесс даёт примерно 50% от общего количества тепла, которое выделяет наша планета, а это – примерно 44 тераватт. Остальное тепло Земля получила ещё в момент своего образования, то есть 4,5 миллиарда лет назад”, – пишут авторы исследования. Так, по их расчётам, в результате ядерного распада урана-238, тория-232 и калия-40 выделяется тепло, энергия которого составляет 24 тераватт.

Свои исследования Шимицу и его коллеги проводили в рамках крупного проекта Kam LAND Collaboration по измерению потоков нейтрино в недрах Земли. С марта 2002 года по ноябрь 2009 года потоки фиксировал специальный детектор, расположенный на километровой глубине в шахте Камиока, в толще горы Икенояма на острове Хонсю. За это время учёные уловили 841 нейтрино. Как объясняет Шимицу, нейтрино – это особые элементарные частицы, которые не имеют массы покоя и электрического заряда, они не способны отрывать электроны от атома и расщеплять ядра. Нейтрино практически не взаимодействует с веществом, поэтому проходят сквозь толщу земной коры никак не видоизменяясь. Из 841 частицы, которую уловили учёные, почти половина поступала от атомных станций и радиоактивных отходов. Источником ещё 245 частиц стали космические лучи, пронизывающие Землю. Остальные 111 частиц, говорит Шимицу, – как раз и образовались в результате ядерного распада урана, тория и калия, и именно они дают 24 тераватт тепла.

Эту величину очень важно было вычислить по многим причинам, считают авторы исследования. Поскольку распад радиоактивных элементов происходит с определённой скоростью, по тому количеству тепла, которое сейчас выделяет Земля, можно узнать, сколько тепла она теряла раньше и с какой скоростью продолжит остывать. По его словам, сейчас наша планета остывает приблизительно со скоростью 100 градусов на каждый миллиард лет. Остывание Земли происходит из-за того, что со временем уменьшается количество тепла, которое образуется в результате распада радиоактивных элементов в её недрах, постепенно рассеивается и тепло, которое Земля хранит с момента своего образования. Так, считает Стивенсон, вероятнее всего, через несколько миллиардов лет, когда Солнце прекратит свою эволюцию, внутреннее тепло нашей планеты точно так же иссякнет, и она превратится в холодное и замёрзшее небесное тело.

По мнению Ника Лейна, английского биохимика, научного сотрудника отделения генетики, эволюции и окружающей среды Университетского колледжа Лондона, в результате постепенного охлаждения мантии вода всё больше должна связываться с породами, входить в состав их структуры и всё реже при вулканической активности вырываться под действием тепла на поверхность. Охлаждаясь, Земля рано или поздно может поглотить собственные океаны. Такой процесс мог быть одной из причин исчезновения воды на Марсе.

 

 

7.2.Замедление вращения Земли вокруг своей оси

 

Смена дня и ночи на Земле способствует равномерному нагреву её поверхности. Если бы Земля не вращалась вокруг своей и оси и была всегда обращена к Солнцу одной стороной, то на тёмной стороне царила бы вечная зима, и там не было бы условий для жизни растений и фотосинтеза, а дневная сторона представляла бы собою выжженную пустыню.

В настоящее время Земле требуется в среднем 23 часа 56 минут и 4,091 секунд (звёздные сутки), чтобы совершить один оборот вокруг своей оси. В большом масштабе времени вращение Земли вокруг своей оси замедляется. Продолжительность одного оборота Земли увеличивалась за последние 2000 лет в среднем на 0,0023 секунды в столетие (по наблюдениям за последние 250 лет это увеличение меньше – около 0,0014 секунды за 100 лет). Так, например, в девоне (примерно 410 миллионов лет назад) в году было 400 дней, а сутки длились 21,8 часа, а 3 миллиарда лет назад земные сутки составляли всего 9 часов, то есть Земля вращалась вокруг своей оси в 2,7 раз быстрее. Причиной замедления вращения Земли вокруг своей оси является гравитационное воздействие[28] Луны.

Луна – спутник Земли, оказала неоценимую услугу эволюции жизни на Земле. Масса Луны равняется примерно 1/81 массы Земли. Такое соотношение является нетипично большим по сравнению с другими спутниками планет в Солнечной системе. По этой причине Луна и Земля могут рассматриваться как двойная планетная система обращающаяся вокруг общего центра масс, в которой Луна оказывает значительное гравитационное влияние на свою спутницу – Землю. В пользу такой точки зрения свидетельствует то, что плоскость Лунной орбиты лежит весьма близко к плоскости орбиты Земли вокруг Солнца, а не в экваториальной плоскости Земли. Практически все остальные спутники в Солнечной системе имеют орбиты, лежащие почти точно в экваториальной плоскости своих планет-хозяев. В результате приливной синхронизации Земли с Луной ось вращения Земли отклонена от перпендикуляра к плоскости её орбиты на 23,5 градуса, а орбита Луны наклонена на 5 градусов относительно орбиты Земли. Из-за наклона оси Земли высота Солнца над горизонтом в течение года изменяется. Для наблюдателя в северных широтах летом, когда Северный полюс наклонён к Солнцу, светлое время суток длится дольше и Солнце в небе находится выше. Это приводит к более высоким средним температурам воздуха. Зимой, когда Северный полюс отклоняется в противоположную от Солнца сторону, ситуация изменяется на обратную и средняя температура становится ниже. Эти изменения погодных условий, обусловленные наклоном земной оси, приводят к смене времён года.

Приливным действием Луна не только стабилизирует наклон земной оси, но и постепенно замедляет вращение Земли. Океанские приливы и отливы, в зоне которых появились первые формы сухопутной жизни (в настоящее время роль силы притяжения Солнца в возникновении феномена приливов и отливов составляет лишь одну треть), являются результатом приливного действия Луны.

Если Луна тормозит вращение Земли вокруг общего центра масс, то Земля наоборот способствует ускорению движения Луны вокруг него. Из-за приливного ускорения, сообщаемого Луне Землёй, орбитальная скорость Луны увеличивается, вследствие этого Луна удаляется от Земли со скоростью примерно 34 миллиметра в год, а её орбита представляет раскручивающуюся спираль. Удаление Луны от Земли уменьшает приливное воздействие Луны на Землю, что ведёт к уменьшению скорости вращения Земли вокруг общего центра масс, в результате чего происходит увеличение длительности земного дня на 23 мкс в год. По мере удаления Луны от Земли ось вращения Земли будет приближаться к плоскости эклиптики. Один из полюсов будет направлен прямо на Солнце, а другой – в противоположную сторону, и по мере обращения Земли вокруг Солнца они будут меняться местами, что приведёт к перегреву той стороны Земли, которая будет обращена к Солнцу, и переохлаждению противоположной ей стороны. Планетологи, изучавшие такую ситуацию, утверждают, что, в таком случае на Земле вымрут все крупные животные и высшие растения.

Ускоряющая сила, действующая на Луну, будет существовать до тех пор, пока угловая скорость вращения Земли вокруг своей оси будет выше, чем скорость вращения Луны вокруг Земли. Земные сутки должны удлиняться до тех пор, пока периоды вращения Земли и Луны не станут равными периоду обращения Луны вокруг Земли. Расчёты показывают, что Луна будет продолжать удаляться от Земли по спирали до тех пор, пока её орбитальный период не станет равным 50 суткам; периоды вращения Земли и Луны тогда будут также равны 50 современным суткам. То есть сутки на Земле будут длиться 1 200 часов, и Луна будет “висеть” неподвижно над одним и тем же местом на Земле.

Солнце и Земля также вращаются вокруг общего центра масс, но гораздо медленнее. В результате этого период вращения Земли вокруг своей оси будет продолжать увеличиваться, пока, в конце концов, он не станет равным периоду обращения Земли вокруг Солнца. Такое состояние, по-видимому, ожидает планету Меркурий. Одна сторона Земли тогда будет постоянно обращена к Солнцу и раскалена, а другая – совершенно замёрзнет в тени.

 

Рисунок 17. Вращение Земли и Луны вокруг общего центра масс

 

Рисунок 18. Схема торможения Земли и разгона Луны приливами:

1 – Земля; 2 – Луна; 3 – орбита Луны

 

Рисунок 19. Изменение орбиты Луны за последние 4,36 млрд. лет

 

 

 

8. Финалы эволюции Вселенной

Современная космологическая наука предполагает неизбежной гибель не только Солнечной системы, но и нашей галактики, и всей видимой части Вселенной. Мы видим, что все вещи, существующие во Вселенной, не вечны, они имеют срок жизни – появляются, существуют и перестают существовать. По мнению современных исследователей, Вселенная также находится в движении от некоего начального состояния космологической сингулярности[29], к некоему конечному состоянию. Если Вселенная – это вещь, то, подобно тому, как судьба вещи определяется судьбой составляющего её вещества, судьба Вселенной зависит от судьбы её вещества, и так как вещество – тленно, тогда Вселенная имеет конец. Существует три высоковероятных, с точки зрения современной науки, финала Вселенной.

 

 

8.1. Водородная смерть Вселенной

 

Научный факт, дающий основание для предсказания смерти Вселенной, следует из химического состава звёзд. По спектрам испускания звёзд установлено, что они в основном состоят из водорода. Звезда умирает, когда истощаются её запасы водорода. В звезде водород превращается в гелий и другие тяжёлые элементы, и в естественной природе нет процессов, когда бы водород восстанавливался из тяжёлых элементов. Весь водород во Вселенной образовался примерно 240-270 тысяч лет после Большого Взрыва (эпоха рекомбинации водорода), и если Вселенная не безгранична, то и запасы водорода в ней также не безграничны. Поскольку горение водорода в звёздах – процесс необратимый, то из этого следует непреложный факт – Вселенная закономерно движется к концу своего существования. Когда во Вселенной выгорят все запасы водорода, в ней останутся ещё чёрные дыры, белые карлики, нейтронные звёзды и замёрзшие планеты, но ни один из этих объектов не годится на роль человеческого солнца, под лучами которого могла бы продолжаться органическая жизнь. Чёрные дыры своей гравитацией уничтожают все известные нам формы вещества, а излучение белых карликов и нейтронных звёзд губительно действуют на человека. Когда же внутри последних звёзд закончится топливо, тогда ни одна звезда не осветит Вселенную своим светом и Вселенная погрузится в вечную тьму и абсолютный холод.

Таким образом, даже если человеку каким-то образом удастся избежать гибели на заключительной стадии солнечной эволюции, его всё равно ждет неизбежный конец в результате истощения во Вселенной запасов звёздной энергии.

 

 

8.2. Распад вещества Вселенной

 

О том, что у Вселенной должен быть конец во времени, нам подсказывают результаты наших наблюдений за происходящими сейчас во Вселенной процессами. Мы видим, что все объекты материального мира, будь то галактики, звёзды, кометы или живые организмы, в том числе люди, а также созданные людьми вещи, имеют во времени своё начало и свой конец. Не остаётся неизменным даже вещество, из которого созданы вещи. Протон, основа атомного ядра, имеет период полураспада 8,2·1033 лет, – это значит, что всё вещество и всё сделанное из вещества – звёзды, планеты, живые организмы, созданная людьми техника, через определённое количество лет исчезнут в результате распада ядер атомов, из которых они состоят.

Из этого следует, что даже если человек найдёт для себя иную форму жизни, например, синтетическую, и сумеет извлекать энергию для жизни не из электромагнитных волн, а, например, из вакуума, его всё равно ждёт неизбежный конец в результате распада всего вещества Вселенной, в том числе, вещества – из которого он будет состоять.

 

 

8.3. Большой разрыв или Большое сжатие Вселенной

 

Вселенная расширяется в пространстве. По имеющимся оценкам, ускоряющееся расширение Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад под действием тёмной энергии[30]. Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию тёмной материи и барионной материи. Если ускоряющееся расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, то в результате галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик рано или поздно выйдут за горизонт событий и станут для нас невидимыми, поскольку их относительная скорость превысит скорость света. Далее расширяющая сила действия тёмной энергии продолжит неограниченно увеличиваться, пока не превзойдёт все остальные силы во Вселенной. По этому сценарию, тёмная энергия со временем разорвёт все гравитационно связанные структуры Вселенной, затем превзойдёт силы электростатических и внутриядерных взаимодействий, разорвёт атомы, ядра и нуклоны и уничтожит Вселенную в Большом Разрыве.

С другой стороны, тёмная энергия может со временем рассеяться или даже сменить отталкивающее действие на притягивающее. В этом случае гравитация возобладает и приведёт Вселенную к Большому Сжатию, разумеется, в этот процесс будут вовлечены все материальные образования. Решающую роль в установлении конечной судьбы Вселенной (развивающейся по теории Большого Взрыва) должны сыграть точные измерения темпа ускорения.

Ускоренное расширение Вселенной было открыто в 1998 году при наблюдениях за сверхновыми типа Ia. За это открытие Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисс получили премию Шао по астрономии за 2006 год и Нобелевскую премию по физике за 2011 год.

 

 

Интерлюдия. Случай во Вселенной

 

Солнце как Бог

 

Издавна люди интуитивно понимали роль Солнца в возникновении жизни на Земле. Это знание сначала возникло как прозрение или получалось людьми в форме божественных откровений.

Занимая центральное место в картине природы, на протяжении всей истории человеческой цивилизации во многих культурах Солнце было объектом поклонения. Культ Солнца существовал в Древнем Египте, где солнечным божеством являлся Ра: “Открыв глаза [Ра, Бог Солнца] пролил свет на Египет и отделил ночь от дня. Из его рта вышли боги, а люди – из его глаз. Все вещи получили свою жизнь от него, ребёнка, сияющего в лотосе, чьи лучи дают жизнь всякому существу” (Египетские заклинания времён Птолемеев).

У греков богом Солнца был Гелиос, который, по преданию, ежедневно проезжал по небу на своей колеснице. Со времени Еврипида Гелиоса, как всевидящего бога Солнца, стали отождествлять с Аполлоном, всезнающим богом-прорицателем; отсюда другое имя Гелиоса – Феб. У Ферекида Сирского Гелиос отождествляется с Зевсом. Зевс – бог неба, грома и молний, ведающий всем миром, главный из богов-олимпийцев. Атрибутами Зевса были: щит и двусторонний топор (лабрис), иногда орёл; местопребыванием считался Олимп (Зевс-Олимпиец). Зевс мыслится “огнём”, “горячей субстанцией”, он обитает в эфире, владеет небом, является организующим средоточием космической и социальной жизни. Существует миф: “Богам источником энергии служили звёзды. Когда Аполлон проезжал по небу в колеснице, запряжённой четвёркой огнедышащих коней, небеса и землю заливала бесконечная мощь Солнца. Соперничать с Аполлоном в могуществе способен был только Зевс. Однажды Семела, одна из многочисленных смертных возлюбленных Зевса, умолила Отца богов показаться ей в истинном своём виде. Зевс неохотно согласился. Слепящая вспышка космической энергии ослепила несчастную женщину” (в пересказе Митио Каку, США, профессора теоретической физики, одного из создателей теории струн).

В славянских языческих религиозных верованиях среди богов существовала иерархия, свойственная многим народам, поклонявшимся нескольким богам. Все славянские боги, которые входили в древний языческий пантеон, делились на богов солнечных (четыре ипостаси бога Солнца) и богов функциональных. Верховным божеством славян был Род. Ипостасей бога Солнца было четыре, по числу времён года: Хорc (Коляда), Ярило, Даждьбог (Купайла) и Сварог (Световит). В старинных славянских сказках говорится, что Солнце есть царь, что он владеет двенадцатью царствами, и в каждом поставил господином одного из своих двенадцати сыновей, двенадцати солнц, что сам Царь-Солнце живёт в солнце, а сыновья его живут в звёздах.

 

“Де сонце, там і сам Господь”.

 

Тот факт, что Солнце считалось дедом или отцом славянского народа, подчёркивает и старинная песня, которая встречается с небольшими изменениями в эпосе всех славянских народностей:

 

“Солнышко, солнышко,

Выгляни в окошечко!

Твои детки плачут,

Пить, есть просят”.

 

Во времена становления христианства на Руси языческие верования стараниями духовенства и представителей власти стали постепенно видоизменяться. К примеру, можно встретить такие поучения Кирилла Туровского: “Не нарицайте себе бога ни в солнце, ни в луне”.

В Восточной Азии Луна и Солнце считались двумя первичными природными силами, причём Луна считалась связанной с пассивным началом – инь, а Солнце – с активным началом – ян. В трактате «Ней-цзин» по этому поводу говорится:“Чистая субстанция ян претворяется в небе; мутная субстанция инь претворяется в земле… Небо – это субстанция ян, а земля – это субстанция инь. Солнце – это субстанция ян, а Луна – это субстанция инь… Субстанция инь – это покой, а субстанция ян – это подвижность. Субстанция ян рождает, а субстанция инь взращивает. Субстанция ян трансформирует дыхание – ци, а субстанция инь формирует телесную форму”.

С развитием знаний о природе и становлением научного метода, понимание роли Солнца в появлении и поддержании жизни человека приобрело научный характер. Идея, что Солнце – основа возникновения и существования жизни на нашей планете, а также причина большинства протекающих на ней физических и химических процессов, получила научное обоснование в ХХ веке в трудах русского исследователя Александра Леонидовича Чижевского. А. Л. Чижевский в ходе кропотливых исследований доказал неразрывную взаимосвязь органического мира Земли с излучаемой Солнцем энергией. До этого считалось, что поток Солнечного излучения практически постоянен, а изменения, происходящие в верхних слоях земной атмосферы, не оказывают влияние на нижние её слои. Из этого делался вывод о том, что ландшафтная оболочка нашей планеты является изолированной от Солнечного излучения самоорганизующейся системой. Считалось, что длительная эволюция живых организмов должна была выработать у них соответствующие защитные механизмы против воздействия повышенной солнечной активности. А. Л. Чижевский приходит к выводу об ошибочности существующих взглядов. Критику существующих представлений он начинает с анализа физического взаимодействия Солнца и Земли: “В нас глубоко укоренилась привычка считать, что Солнце чрезвычайно удалено от нас… Однако данный взгляд в корне неверен. Его ошибочность происходит оттого, что мы не учитываем одного важнейшего фактора – размеров самого светила и связанных с этим массы тела и величины излучающей поверхности, то есть силы притяжения Солнца и силы его радиации” (“Земное эхо Солнечных бурь”). В самом деле, Земля удалена от Солнца только на 107 его диаметров, и если учесть мощь протекающих в нём термоядерных процессов, то невольно приходишь к выводу, что наша планета целиком находится во власти своей Звезды.

А. Л. Чижевский приходит к выводу, что лучистая энергия Солнца – основной источник большинства физико-химических явлений в атмосфере, гидросфере и поверхностном слое литосферы, а “земная жизнь и её продукция есть превращённая энергия солнечного излучения”. А. Л. Чижевский исходит из идеи, что “…мир астрономических и мир биологических явлений… связаны одним с другим”. Его идея постепенно обогащается опытом наблюдений и переходит в знание. Он приходит к научному пониманию единства мира, в том числе мира неживой и живой природы: “Теперь мы можем сказать, что в науках о природе идея о единстве и связанности всех явлений в мире и чувства единства мира как неделимого целого никогда не достигали той ясности и глубины, какой они… достигают в наши дни. Создаётся впечатление, что органический мир словно вырван из природы, поставлен насильно над ней и вне её. Для живого, согласно такому воззрению, существует только одна среда – само живое. С окружающим же миром – всею природою – оно может как бы не считаться, ибо живое – победитель мёртвого. И при таком воззрении живое перестаёт быть реальностью и становится подобным абстракции, геометрической форме или математическому знаку. Увы, оно стало весьма характерным и рушиться лишь тогда, когда какие-либо стихийные катастрофы, мировые катаклизмы разражаются над живым. Только тогда, когда миллионы человеческих жизней в одно мгновение смываются лавой или волнами океана… только тогда человек смутно начинает сознавать ничтожество своей физической организации над физическими силами природы” (“Земное эхо Солнечных бурь”). На самом деле, заключает исследователь: “Люди и все твари земные являются поистине “детьми Солнца” – созданием сложного мирового процесса, имеющего свою историю, в котором наше Солнце занимает не случайное, а закономерное место наряду с другими генераторами космических сил.

Несомненно, что главным возбудителем жизнедеятельности Земли является излучение Солнца, весь его спектр, начиная от коротких – невидимых, ультрафиолетовых волн и кончая длинными красными, а также все его электронные и ионные потоки. Они служат “передатчиками состояний” и заставляют каждый атом поверхностных оболочек Земли резонировать созвучно тем вибрациям, которые возникли на центральном теле нашей системы”. (“Земное эхо Солнечных бурь”).

 

 

Боги умирают?!

 

Человеческие представления, помещающие Землю и человека в центр мира, поднимающие их до цели и смысла мирового развития, оказались ошибочными. По словам Сагана: “Мы обнаружили, что живём на малозначительной планете возле неприметной звезды, затерянной между двумя спиральными рукавами на окраине галактики, которая входит в состав относительно небольшого скопления галактик, где-то в забытом углу Вселенной, содержащей больше галактик, чем людей на Земле”. В настоящее время во Вселенной обнаружено несколько сотен миллиардов (1011) галактик, каждая из которых состоит в среднем из ста миллиардов звёзд, вокруг которых в совокупности обращается десять миллиардов триллионов (1011 x 1011 = 1022) планет. Земля является лишь одной из них.

Всё указывает нам на то, что смерть звёзд – это заурядное событие в Космосе. С момента образования нашей Вселенной в ней родились и погибли миллиарды звёзд. Если мы посмотрим на ночное небо, мы увидим, что оно полно остатками звёзд, каждая из которых когда-то была подобна нашему Солнцу. Вокруг этих ещё горячих сгустков материи вращаются планеты. Многие из этих планет по своей массе и размеру подобны Земле, и, с высокой долей вероятности можно предположить, что на них когда-то существовала разумная жизнь, которая погибла в результате эволюции своей звезды. Саган, посвятивший свою жизнь поиску внеземного разума, о катастрофах космической жизни сказал следующее: “Обозревая маленький уголок Млечного Пути вокруг нас, мы видим много звёзд, окружённых сферическими оболочками светящегося газа – планетарными туманностями. <…> Они выглядят как кольца, по той же причине, что и мыльные пузыри: мы видим больше их вещества на периферии, чем около центра. Каждая планетарная туманность – это знак умирающей звезды. Вокруг центрального светила может сохраниться свита мёртвых миров – останки планет, некогда полных жизни, а ныне безвоздушных и безводных, купающихся в призрачном свечении”.

Через несколько миллиардов лет Солнце погаснет, но в последнем акте воли к жизни оно уничтожит всё живое в своей системе, и Земля погибнет от своего Солнца. Что будет с человеком? Сможет ли он спастись в космическом катаклизме или гибель человека заранее предрешена гибелью его ближнего бога? Переживёт ли человек гибель своего бога? Сможет ли он жить без своего бога? Да и Бог ли этот бог?

 

 

* * *

 

Звонил сегодня Богу, чтобы узнать у Него, – зачем Он всё это придумал? Не берёт трубку.

У Него бывает такое, когда Он не хочет ни с кем говорить.

Видимо, и в этот раз – тоже. Может – заболел?

Посмотрел на часы – до смерти Солнца осталось пять миллиардов лет. Время ещё есть, – позвоню позже.

 

 И вдруг, в один из дней,

 разверзлось Небо,

 и голос свыше протрубил:

 – Вы Ему не интересны!

 …и Небо закрылось. 

 Что будет теперь?

 

 

Примечания:

 

1. Вселенная – видимая нами часть Космоса; Космос – это всё, что есть, что когда-либо было и когда-либо будет.

2. Метафизический центр – область, порождающая смысл и задающая цели движения. Является понятием метафизики – науки о Началах нашего мира. Метафизические законы предшествуют физическим и определяют их.

3. Настроение — достаточно продолжительный эмоциональный процесс невысокой интенсивности, образующий эмоциональный фон для протекающих психических процессов. Настроение выражает отношение человека к его жизненной ситуации в целом. Настроение определяет общий тонус жизни человека. Оно зависит от тех влияний, которые затрагивают личностные стороны субъекта, его основные ценности. Не всегда причина того или иного настроения осознаётся, но она всегда есть.

4. Космос – всё, что есть, что когда-либо было и когда-либо будет.

5. Эволюция, здесь – процесс движения вещи от рождения к смерти, изначально запрограммированного природой (свойствами) вещи. Вещь – это онтические (явленные) свойства сущности. Сущность имеет в своём основании онтологическое ядро, задающее цель и смысл присутствия сущности в бытии. Вещь существует в пространстве-времени в виде формы. Форма является выражением своей сущности на том или ином этапе эволюции вещи.

6. Эволюция, здесь – процесс трансформаций, смена вещью своих форм. В некотором промежутке пространства-времени, называемом этапом, вещь сохраняет относительную стабильность формы. Всего выделяются следующие этапы эволюции: зарождение, рождение, прогресс, расцвет, регресс, старость, смерть, разложение. Каждому этапу соответствует своя форма, которая сохраняет онтологическое ядро эволюционирующей вещи.

7. Органическая жизнь – форма жизни на основе химических соединений, в состав которых входит углерод (за исключением карбидов, угольной кислоты, карбонатов, оксидов углерода и цианидов). Человек является земной формой органической жизни.

8. Главная последовательность диаграммы Герцшпрунга-Расселла – область на диаграмме Герцшпрунга-Рассела, содержащая звёзды, источником энергии которых является термоядерная реакция синтеза гелия из водорода. Главная последовательность расположена в окрестностях диагонали диаграммы Герцшпрунга-Рассела и проходит из верхнего левого угла (высокие светимости, ранние спектральные классы) в правый нижний угол (низкие светимости, поздние спектральные классы) диаграммы. Звёзды главной последовательности имеют одинаковый источник энергии (“горение” водорода, в первую очередь, CNO-цикл), в связи с чем их светимость и температура (спектральный класс) определяются их массой:

L=M3,9;

где светимость – L и масса – M измеряются в единицах солнечной светимости и массы, соответственно. Поэтому начало левой части главной последовательности представлено голубыми звёздами с массами примерно 50 солнечных, а конец правой – красными карликами с массами примерно 0,0767 солнечных. Существование главной последовательности связано с тем, что стадия горения водорода составляет примерно 90% времени эволюции большинства звёзд: выгорание водорода в центральных областях звезды приводит к образованию изотермического гелиевого ядра, переходу к стадии красного гиганта и уходу звезды с главной последовательности. Относительно краткая эволюция красных гигантов приводит, в зависимости от их массы, к образованию белых карликов, нейтронных звёзд или чёрных дыр. Участок главной последовательности звёздных скоплений является индикатором их возраста: так как темпы эволюции звёзд пропорциональны их массе, то для скоплений существует “левая” точка обрыва главной последовательности в области высоких светимостей и ранних спектральных классов, зависящая от возраста скопления, поскольку звёзды с массой, превышающий некий предел, заданный возрастом скопления, ушли с главной последовательности (по материалам Свободной энциклопедии – Википедия).

9. Знание – форма существования и систематизации результатов познавательной деятельности человека. Знание помогает людям рационально организовывать свою деятельность и решать различные проблемы, возникающие в её процессе.

10. Будущее – часть линии времени, множество событий в пространственно-временном континууме, которые ещё не произошли, но произойдут.

11. Настоящее, здесь – часть линии времени, состоящая из событий, которые происходят в настоящий момент, то есть определённая область пространства-времени. При определённых допущениях под настоящим временем понимаются текущие дни, месяцы и даже годы. В этом смысле настоящее противопоставлено прошлому (множество событий, которые уже произошли) и будущему (множество событий, которые ещё не произошли), и расположено между ними.

12. Современный – соответствующий уровню, требованиям настоящего времени, без соотнесения с будущим.

13. Реальность – мир, так как он есть сам по себе.

14. Настоящий, здесь – подлинный, истинный, неподдельный, правильный.

15. Протозвезда – звезда на завершающем этапе своего формирования, вплоть до момента загорания термоядерных реакций в ядре, после которого сжатие протозвезды прекращается и она становится звездой главной последовательности. Протозвёзды обычно обладают пылевыми оболочками, благодаря которым они являются мощными источниками инфракрасного излучения. Протозвёзды небольших масс часто наблюдаются как вспыхивающие звёзды.

16. Солнечная туманность (Молекулярное облако) – тип межзвёздного облака содержащее молекулы водорода, чья плотность и размер позволяют в нём образовываться звёздам. Иногда называется также звёздной колыбелью (в случае, если в нём рождаются звёзды).

17. Аккреция (лат. accrētiō «приращение, увеличение» от accrēscere «прирастать») – процесс падения вещества на космическое тело из окружающего пространства.

18. Биосфера (от др.-греч. βιος – жизнь и σφαῖρα – сфера, шар) – оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; это живые организмы и среда их обитания.

Учение о биосфере – оболочке Земли, населённой живыми организмами, разработал В. И. Вернадский. Он распространил понятие биосферы не только на организмы, но и на среду обитания. В. И. Вернадский выявил геологическую роль живых организмов и показал, что их деятельность представляет собой важнейший фактор преобразования минеральных оболочек планеты. Он писал: «На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а поэтому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». Более правильно, поэтому определять биосферу как оболочку Земли, которая населена и преобразуется живыми существами.

Границы биосферы:

Верхняя граница в атмосфере: 15–20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов.

Нижняя граница в литосфере: 3,5–7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.

Граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10–11 км. Определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

Структура биосферы:

1. Живое вещество – вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4…3,6·1012 т (в сухом весе) и составляет менее одной миллионной части всей биосферы (ок. 3·1018 т), которая, в свою очередь, представляет собой менее одной тысячной массы Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живые организмы не просто населяют земную кору, а преобразуют облик Земли. Живые организмы населяют земную поверхность очень неравномерно. Их распространение зависит от географической широты.

2. Биогенное вещество – вещество, создаваемое и перерабатываемое живым организмом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь большую часть атмосферы, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т.д.

3. Косное вещество – продукты, образующиеся без участия живых организмов.

4. Биокосное вещество – вещество, которое создаётся одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т.д. Организмы в них играют ведущую роль.

5. Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.

6. Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.

7. Вещество космического происхождения.

Зарождение жизни:

Жизнь на Земле зародилась ещё в архее – примерно 3,5 млрд. лет назад в гидросфере. Такой возраст имеют найденные палеонтологами древнейшие органические остатки. Возраст Земли как самостоятельной планеты Солнечной системы оценивается в 4,5 млрд. лет. Таким образом, можно считать, что жизнь зародилась ещё в юношескую стадию жизни планеты. В архее появляются первые эукариоты – одноклеточные водоросли и простейшие организмы. Начался процесс почвообразования на суше. В конце архея появился половой процесс и многоклеточность у животных организмов.

Будущее биосферы:

С течением времени биосфера становится всё более неустойчивой.

19. Живой организм – живое тело, обладающее совокупностью свойств, отличающих его от неживой материи.

20. Нагрев – искусственный либо естественный процесс повышения температуры материала/тела, либо за счёт внутренней энергии, либо за счёт подведения к нему энергии извне.

21. Тепловой баланс Земли – баланс энергии процессов теплопередачи и излучения в атмосфере и на поверхности Земли. Основной приток энергии в систему атмосфера – Земля обеспечивается излучением Солнца в спектральном диапазоне от 0,1 до 4 мкм. Внутренние источники тепла Земли менее значительны по мощности, чем внешние.

22. Парниковый эффект. Количественно величина парникового эффекта определяется как разница между средней приповерхностной температурой атмосферы планеты и её эффективной температурой. Парниковый эффект существенен для планет с плотными атмосферами, содержащими газы, поглощающие излучение в инфракрасной области спектра, и пропорционален плотности атмосферы. Следствием парникового эффекта является также сглаживание температурных контрастов как между полярными и экваториальными зонами планеты, так и между дневными и ночными температурами.

Парниковый эффект атмосфер обусловлен их различной прозрачностью в видимом и дальнем инфракрасном диапазонах. На диапазон длин волн 400–1500 нм в видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне приходится 75% энергии солнечного излучения, большинство газов не поглощают в этом диапазоне; рэлеевское рассеяние в газах и рассеяние на атмосферных аэрозолях не препятствуют проникновению излучения этих длин волн в глубины атмосфер и достижению поверхности планет. Солнечный свет поглощается поверхностью планеты и её атмосферой (особенно излучение в ближней УФ- и ИК-областях) и разогревает их. Нагретая поверхность планеты и атмосфера излучают в дальнем инфракрасном диапазоне: так, в случае Земли при равном 300 K, 75% теплового излучения приходится на диапазон 7,8–28 мкм, для Венеры при равном 700 K – 3,3–12 мкм.

Атмосфера, содержащая многоатомные газы (двухатомные газы диатермичны – прозрачны для теплового излучения), поглощающие в этой области спектра (т.н. парниковые газы – H2O, CO2, CH4), существенно непрозрачна для такого излучения, направленного от её поверхности в космическое пространство, то есть имеет в ИК-диапазоне большую оптическую толщину. Вследствие такой непрозрачности атмосфера становится хорошим теплоизолятором, что, в свою очередь, приводит к тому, что переизлучение поглощённой солнечной энергии в космическое пространство происходит в верхних холодных слоях атмосферы. В результате эффективная температура Земли как излучателя оказывается более низкой, чем температура её поверхности.

При неизменности солнечной постоянной и, соответственно, потока солнечной радиации, среднегодовые приповерхностные температуры и климат, определяются тепловым балансом Земли. Для теплового баланса выполняются условия равенства величин поглощения коротковолновой радиации и излучения длинноволновой радиации в системе Земля – атмосфера. В свою очередь, доля поглощённой коротковолновой солнечной радиации определяется общим (поверхность и атмосфера) альбедо Земли. На величину потока длинноволновой радиации, уходящей в космос, существенное влияние оказывает парниковый эффект, в свою очередь, зависящий от состава и температуры земной атмосферы.

Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли, являются водяной пар, углекислый газ, метан и озон.

Главный вклад в парниковый эффект земной атмосферы вносит водяной пар или влажность воздуха тропосферы, влияние других газов гораздо менее существенно по причине их малой концентрации.

Вместе с тем концентрация водяного пара в тропосфере существенно зависит от приповерхностной температуры: увеличение суммарной концентрации “парниковых” газов в атмосфере должно привести к усилению влажности и парникового эффекта, вызванного водяным паром, который в свою очередь приведёт к увеличению приповерхностной температуры.

При понижении приповерхностной температуры концентрация водяных паров падает, что ведёт к уменьшению парникового эффекта, и, одновременно с этим при снижении температуры в приполярных районах формируется снежно-ледяной покров, ведущий к повышению альбедо и, совместно, с уменьшением парникового эффектом, вызывающим понижение средней приповерхностной температуры.

Таким образом, климат на Земле может переходить в стадии потепления и похолодания в зависимости от изменения альбедо системы Земля – атмосфера и парникового эффекта.

Климатические циклы коррелируют с концентрацией углекислого газа в атмосфере: в течение среднего и позднего плейстоцена, предшествующих современному времени, концентрация атмосферного углекислого газа снижалась во время длительных ледниковых периодов и резко повышалась во время кратких межледниковий.

В течение последних десятилетий наблюдается рост концентрации углекислого газа в атмосфере.

23. Необходимость – причинная обусловленность вещи, явления на уровне её онтического присутствия. На более высоком онтическом уровне (становления) необходимость реализуется как случайность. На низшем онтическом уровне (становления) необходимость реализуется как закон природы. Реальная (физическая) необходимость – фактическая обусловленность явления определёнными обстоятельствами. Необходимость это онтология вещи, случайность – способ её отношений с вещами высшего онтического уровня присутствия.

24. Solis calore cladis (лат.) – поражение солнечным зноем.

25. Venita estus super caput (лат.) – солнечный удар.

26. Венера – вторая от Солнца планета Солнечной системы.

27. Aeter nasilentia (лат.) – вечное безмолвие.

28. Прили́вное ускоре́ние – эффект, вызванный гравитационно-приливным взаимодействием в системе естественный спутник – центральное тело. Главными следствиями этого эффекта являются изменение орбиты спутника и замедление вращения центрального тела вокруг оси, как это наблюдается в системе Земля – Луна. Другим следствием является разогрев недр планет, как это наблюдается с Ио и Европой и предположительно имело значительный эффект с древней Землёй.

Масса Луны сравнительно велика, и сама она находится довольно близко, вызывая приливы на Земле. В океанских водах на обращённой к Луне стороне формируется приливная волна (такая же волна формируется и на противоположной стороне). Если бы Земля не вращалась вокруг своей оси, приливная волна находилась бы точно под Луной, которая притягивает её к себе, и бежала бы по поверхности Земли с запада на восток, совершая полный оборот за один сидерический лунный месяц (27 дней 7 часов 43,2 минуты). Однако Земля вращается “под” этой волной, совершая один оборот за сидерический день (23 часа, 56 минут, 4,091 секунды). В результате приливная волна бежит по поверхности Земли с востока на запад, совершая один полный оборот за 24 часа 48 минут. Поскольку Земля отнюдь не является гладким шаром, на каждую из этих двух приливных волн регулярно «набегают» восточные берега материков, омываемых Мировым океаном (“набегают” именно материки на волну, поскольку Земля вращается быстрее обращения Луны). Из-за этого приливная волна смещается вперёд по направлению вращения Земли, опережая Луну. Следствием такого опережения является то, что значительная часть массы океанских вод (то есть и часть массы всей Земли) смещается вперёд с линии, соединяющей центры масс Земли и Луны. Эта смещённая вперёд масса притягивает к себе Луну, создавая силу, действующую перпендикулярно линии Земля – Луна. В результате на Луну действует момент силы, ускоряющий её обращение по орбите вокруг Земли. Обратным следствием всего этого является то, что на берега материков, когда они “набегают” на приливную волну, действует (по третьему закону Ньютона) противоположно направленная сила, которая “тормозит” их. Таким образом Луна создаёт приложенный к планете момент силы, который замедляет вращение Земли.

Как и во всех физических процессах, здесь действуют закон сохранения момента импульса и закон сохранения энергии. Момент импульса вращения Земли уменьшается, орбитальный момент импульса Луны увеличивается. С увеличением орбитального момента импульса Луна переходит на более высокую орбиту, а её собственная скорость (по третьему закону Кеплера) уменьшается. Получается так, что приливное ускорение Луны приводит к замедлению её обращения по орбите. Кинетическая энергия Луны уменьшается, а её потенциальная энергия увеличивается. При этом растёт и полная механическая энергия Луны. С уменьшением момента импульса вращения Земли её вращение замедляется, длительность суток увеличивается. Соответствующая кинетическая энергия вращения тратится в процессе трения приливной волны о берега материков, превращаясь в тепло и рассеиваясь. Прилив действует и на мантию Земли, выделяемое тепло остаётся в недрах. Для малых тел вблизи больших планет, например, Ио это явление превосходит тепло от радиоактивного распада.

Приливные силы действуют не только в океанских водах. Приливные волны формируются также в земной коре и мантии. Но благодаря неподатливости земной коры амплитуда этих “твёрдых” волн значительно уступает амплитуде океанских приливных волн, а длина, наоборот, составляет многие тысячи километров. Поэтому “твёрдые” приливные волны бегут в земной коре, почти не испытывая сопротивления, а связанный с ними тормозящий момент сил (и вызванные им замедление Земли и ускорение Луны) гораздо меньше.

Такой процесс будет продолжаться до тех пор, пока период вращения Земли не сравняется с периодом обращения Луны вокруг Земли. После этого Луна всегда будет находиться над одной точкой земной поверхности. Очевидно, на самой Луне это уже давно произошло: гораздо более сильное тяготение Земли создавало в твёрдом теле Луны приливные волны, которые замедлили вращение Луны и синхронизировали его с периодом обращения вокруг Земли, так что Луна всегда повёрнута к Земле одной стороной (то есть вращается с периодом, равным периоду оборота вокруг Земли).

Система Плутон – Харон является хорошим примером приливного эволюционирования орбит и периодов вращения своих участников. Данная система завершила свою эволюцию: и Плутон, и Харон всегда повёрнуты друг к другу одной стороной.

Приливное ускорение является одним из примеров необратимых пертурбаций орбиты, которые нарастают со временем и не являются периодическими. Взаимные гравитационные пертурбации планетарных орбит в Солнечной системе являются периодическими, то есть осциллируют между крайними значениями. Приливные эффекты вводят в уравнения движения квадратичный член, который непрерывно возрастает.

29. Космологическая сингулярность – состояние Вселенной в начальный момент Большого Взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества. Предсказана общей теорией относительности (ОТО) и некоторыми другими теориями гравитации.

30. Тёмная энергия, в космологии – вид энергии, введённый в математическую модель Вселенной, ради объяснения наблюдаемого её расширения с ускорением. Существует два варианта объяснения сущности тёмной энергии:

– тёмная энергия есть космологическая константа – неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной (другими словами, постулируется ненулевая энергия и давление вакуума);

– тёмная энергия есть некая квинтэссенция – динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.

К настоящему времени (2014 год) все известные надёжные наблюдательные данные не противоречат первой гипотезе, так что она принимается в космологии как стандартная. Окончательный выбор между двумя вариантами требует высокоточных измерений скорости расширения Вселенной, чтобы понять, как эта скорость изменяется со временем. Темпы расширения Вселенной описываются космологическим уравнением состояния. Разрешение уравнения состояния для тёмной энергии является одной из самых насущных задач современной наблюдательной космологии.

 

по материалам http://grani.agni-age.net/index.htm?article=6135&issue=61

 

Дата публикации Изучение космоса
Воскресенье, 21 февраля 2016 03:34

Магнетизм космоса: Магнитные поля

Магнетизм космоса: Магнитные поля

Обычно магнитные поля ассоциируют с планетами и звездами. Но и у галактик такие поля тоже имеются
Алексей Левин
18 октября 2010
21203
  • Магнитные поля изрядно потрудились во время формирования Солнца и его окружения. Они поддерживают стабильность галактических структур, воздействуют на космические лучи и управляют потрясающими по мощи процессами в нейтронных звездах и их окрестностях. Космический магнетизм правит бал на всех уровнях организации нашей Вселенной
    Магнитные поля изрядно потрудились во время формирования Солнца и его окружения. Они поддерживают стабильность галактических структур, воздействуют на космические лучи и управляют потрясающими по мощи процессами в нейтронных звездах и их окрестностях. Космический магнетизм правит бал на всех уровнях организации нашей Вселенной
  • Мощь магнетара Самый мощный из гамма-всплесков магнетарного происхождения дошел до земли 27 декабря 2004 года. Всего за пять минут он выбросил в пространство без малого 1040 дж электромагнитной энергии (солнцу для этого нужно полмиллиона лет), причем примерно ее пятая часть, 1,3 х 1039 дж, ушла в пространство за 0,1 с). Этот же магнетар (sgr 1806−20) вспыхивал в 1979, 1980 и 1996 годах

В 1949 году американские астрономы Уильям Хилтнер и Джон Холл обнаружили слабую поляризацию звездного света в нашей Галактике. В поисках объяснений этого явления Хилтнер связал эту поляризацию с действием магнитного поля на пылевые частицы. Через год сотрудники Калтеха Леверетт Дэвис и Джесси Гринстайн оценили величину этого поля. Позднее Хилтнер обнаружил этот же эффект в галактике М31 (она же туманность Андромеды) и тем самым положил начало изучению космического магнетизма.

«Намагниченность» космического пространства определяют несколькими способами. Первый — по степени поляризации звездного света. Звездное излучение изначально поляризовано изотропно, но волны с различной поляризацией по-разному рассеиваются на частицах космической пыли, которые вращаются вокруг магнитных силовых линий: волна с линейной поляризацией, вектор которой ортогонален магнитному полю, поглощается сильнее остальных. Такой метод хорошо работает в спиральных галактиках, но не в эллиптических, где пыли очень мало.

Величину и направление галактических магнитных полей можно также оценить путем анализа синхротронного излучения релятивистских электронов, которые закручиваются вокруг магнитных силовых линий. Такие электроны поставляются сверхновыми звездами, которые редко загораются в эллиптических галактиках. О величине этих полей можно судить и по расщеплению спектральных линий атомов водорода, обусловленному эффектом Зеемана, но в эллиптических галактиках водорода опять-таки немного.

Происхождение галактических магнитных полей объясняют две противоборствующие концепции. Энрико Ферми после публикации первых результатов Хилтнера выдвинул гипотезу реликтового магнетизма, возникшего вскорости после Большого взрыва. По его мнению, галактики захватили и усилили эти магнитные потоки, в результате чего возникли поля, которые мы наблюдаем сегодня. Английский астроном Фред Хойл выступил с серьезными возражениями, а американский астрофизик Юджин Паркер объяснял галактический магнетизм круговыми движениями плазмы в галактиках и их скоплениях. Позднее эту модель галактического динамо развивали различные ученые (в том числе ив СССР).

«Теории реликтовых полей подчас выглядят весьма элегантно, и некоторые даже могут оказаться верными. Однако, чтобы это выяснить, необходимо точно измерить межгалактический магнетизм, а это еще никому не удавалось, — объясняет профессор астрономии Висконсинского университета Эллен Цвейбел. — Иное дело поля внутри галактик и галактических кластеров. Их появление хорошо описывается теорией, предложенной 60 лет назад немецким астрофизиком Людвигом Бирманном. Этот механизм называется батареей Бирманна. Магнитные поля могут возникать и по-другому — скажем, при вращении плазмы, падающей на черную дыру. У природы есть немало способов усилить эту намагниченность — например, посредством сжатия космической плазмы ударными волнами. Такие процессы постоянно происходят в спиральных галактиках, что и обеспечивает стабильность их внутреннего магнетизма».

Однако попытки измерить межгалактический магнетизм могут оказаться вполне успешными. Всего через полторы недели после беседы с профессором Цвейбел сотрудник Калифорнийского технологического Шин-Ичиро Андо и его коллега из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Александр Кусенко сообщили, что им, возможно, удалось зарегистрировать межгалактические магнитные поля. Эти поля должны несколько размывать гамма-лучевые портреты активных центров галактик. Андо и Кусенко утверждают, что им удалось обнаружить такие «ореолы» на совмещенных изображениях 170 активных галактических центров, полученных космическим гамма-телескопом «Ферми» (Fermi Gamma-ray Space Telescope). Они оценили силу полей, которая оказалась неожиданно большой, порядка 10−15 гауссов. Если их выводы подтвердятся, открытие будет иметь огромное значение для астрономии и космологии.

Галактические магнитные поля связаны и с процессами рождения звезд. Давно известно, что звезды возникают в результате гравитационного сгущения холодных и сравнительно плотных облаков космического газа. Такие облака, в каждом кубическом сантиметре которых содержится от десятка до миллиона частиц, подчас простираются на сотни световых лет. Особо плотные и обширные облака могут дать начало сотням и даже тысячам звезд. Процессы рождения звезд, по всей видимости, завершаются весьма быстро, максимум за 10−15 млн лет. Но детали этого процесса пока не ясны.

Почти все астрофизики согласны стем, что типичная звезда возникает в четыре этапа. Сначала газовое (или газопылевое) облако фрагментируется и в нем образуются сгустки вещества повышенной плотности. Затем каждый из сгустков сжимает сила тяготения, причем гравитационный коллапс начинается в центре сгустка и распространяется к периферии. Так формируются сферические протозвезды, окруженные вращающимися плоскими дисками.

Но протозвезда не станет светилом, пока не позаимствует у диска изрядную долю его вещества. Если такое произошло (это уже третья стадия), протозвезда быстро приобретает дополнительную массу, еще больше сжимается и сильно разогревает собственное ядро. В конце концов его температура достигает нескольких миллионов градусов и начинается термоядерное горение водорода. Протозвезда превращается в звезду.

Как рассказала «ПМ» профессор астрономии Мэрилендского университета Ева Острикер, галактические магнитные поля играют немаловажную роль в этих процессах. Чтобы вещество диска аккретировало (падало) на протозвезду, оно должно потерять часть своего вращательного момента. Этому как раз и способствует магнитное поле. Уже на стадии образования диска оно искривляет пути протонов, которые сталкиваются с нейтральными молекулами и также изменяют их траектории. Это магнитное торможение приводит к возникновению внутреннего трения, уменьшающего вращательный момент. Позднее, когда диск обретает форму, вращение замедляется за счет другого физического механизма, магнито-ротационной неустойчивости, который связывает между собой внутренние и внешние пояса диска и заставляет первые вращаться медленней, а вторые быстрее.

Жизнь звезд главной последовательности завершается превращением в компактные объекты — белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Последние не имеют собственного магнитного поля, обладая лишь массой, угловым моментом и электрическим зарядом, а вот у остальных магнитные поля могут достигать фантастических значений.

Белый карлик образуется после гравитационного коллапса исчерпавшей топливные запасы звезды, которая в молодости тянула максимум на 8−10 солнечных масс. Из обнаруженных в нашей Галактике 2500 белых карликов более чем 90% не обладают поддающимся измерению магнитным полем. Зато остальные намагничены весьма сильно — от 0,5 до 500 МГс. Этим они обязаны коллапсу уже намагниченной материнской звезды, который плотно сжимает ее магнитные силовые линии и тем самым в тысячи раз усиливает магнитное поле.

Но абсолютные рекордсмены по магнитной части — нейтронные звезды. Обычно величина магнитного поля вблизи поверхности составляет у них 1012 Гс, а иногда в сотни и тысячи раз превышает эту величину. Звезды с полями в 1014—1015 Гс называются магнетарами. Общее количество выявленных магнетаров и претендентов на это звание сейчас превышает пару десятков.

«Магнитные поля обычных нейтронных звезд, как и поля белых карликов, возникают при коллапсе звезды-родительницы, но при неизмеримо большем сжатии. Магнитный поток такой звезды замкнут внутри сферы радиусом около 10 км (вместо нескольких тысяч километров у белого карлика), поле при подобной компрессии значительно сильнее, — говорит Виктория Каспи, профессор астрофизики Монреальского университета Макгилла и мировой авторитет в области исследования нейтронных звезд. — Откуда же берется магнетизм, если у нейтронов нет электрического заряда? Правда, у них есть магнитный момент, но он дает совершенно мизерный вклад в магнитное поле. Дело в том, что такие звезды сложены не из одних только нейтронов. Их поверхностные слои, скорее всего, состоят из обычной материи, да и в глубинах имеются заряженные частицы — протоны и электроны. Они могут участвовать в конвективных процессах, порождающих в недрах звезды токи, которые и становятся источником столь сильного магнитного поля. В недрах нейтронной звезды, происходящей от сильно намагниченной звезды главной последовательности и вращающейся со скоростью более тысячи оборотов в секунду, в первые мгновения жизни включается мощнейшее динамо, которое разгоняет величину магнитного поля до гигантских значений».

К такому выводу 18 лет назад пришли принстонские физики Роберт Дункан и Кристофер Томпсон, которые и придумали термин «магнетар». Согласно их теории, недра такой нейтронной звезды всего за несколько секунд остывают настолько, что конвекция прекращается и динамо перестает работать. Однако сверхсильное магнитное поле сохраняется еще долго, поскольку оно вморожено в сверхтекучую жидкую среду, которая обладает чрезвычайно высокой электропроводностью (не исключено даже, что это сверхпроводник). Магнитное поле отбирает у звезды часть кинетической энергии и отдает ее в виде радиации и выбросов частиц. Поэтому период вращения магнетара быстро растет и всего за 10 000 лет достигает нескольких секунд. Как раз такой угловой скоростью и обладают все известные ныне магнетары.

Магнитная мощь нейтронных звезд превращает их в источники непрерывного направленного радиоизлучения. Способ его генерации в деталях еще не известен, но общее объяснение таково. Вращающееся магнитное поле нейтронной звезды индуцирует чрезвычайно сильные электрические поля, отрывающие от ее поверхности заряженные частицы. Эти частицы начинают двигаться по спиралям с очень плотной намоткой, направленным вдоль магнитных силовых линий. Такое движение порождает узкие пучки радиоволн, уходящих в пространство вдоль магнитной оси нейтронной звезды. Поскольку эта ось не совпадает с осью вращения, каждый пучок радиоволн очерчивает в пространстве коническую поверхность. При пересечении Земли с такой поверхностью радиотелескоп принимает радиоимпульсы, следующие друг за другом с одинаковыми короткими промежутками времени. Такие источники называются радиопульсарами. Имеются и более редкие разновидности космических прожекторов — оптические, рентгеновские и гамма-пульсары.

Магнетары работают иначе. Эти экзотические звезды по несколько раз облучают космос короткими, но чрезвычайно мощными выбросами мягкого гамма-излучения и рентгена. «Считается, что в нашей Галактике содержится от ста миллионов до миллиарда нейтронных звезд, причем каждая десятая из них в младенчестве была магнетаром, — рассказывает профессор физики Колумбийского университета Андрей Белобородов. — Все они покрыты твердой кристаллической корой толщиной до 2 км, окружающей сердцевину из жидкой вырожденной материи, где и сконцентрировано магнитное поле. Поля магнетаров настолько сильны, что не в состоянии долго сохранять стабильность. Мало-помалу они деформируются и вызывают в веществе оболочки сильные напряжения, локализованные на небольших участках. Когда напряжение превышает предел прочности коры, она лопается и ломается, причем очень быстро, где-то за одну десятую долю секунды. Магнитное поле в этом месте вырывается наружу и спирально закручивается, создавая сильнейшие возмущения магнитосферы. В результате генерируются концентрированные пучки высокочастотных фотонов, которые мы регистрируем в виде всплесков мягкого гамма-излучения и рентгена. Как правило, за первой гигантской вспышкой следуют более слабые, магнетар отключается постепенно».

Фотонный ветер

 

  • По словам астрофизика из Принстона Анатолия Спитковского, всплески возникают вследствие сильнейшего разогрева плазменной оболочки, окружающей магнетар. Из разлома коры вырывается огненный шар, излучающий гамма-кванты и рентгеновские фотоны. Поскольку магнетар быстро вращается, эти лучи уходят в разных направлениях и могут в виде гамма-всплесков задеть нашу планету. Спитковский смоделировал этот процесс на компьютере и получил серию изображений
    По словам астрофизика из Принстона Анатолия Спитковского, всплески возникают вследствие сильнейшего разогрева плазменной оболочки, окружающей магнетар. Из разлома коры вырывается огненный шар, излучающий гамма-кванты и рентгеновские фотоны. Поскольку магнетар быстро вращается, эти лучи уходят в разных направлениях и могут в виде гамма-всплесков задеть нашу планету. Спитковский смоделировал этот процесс на компьютере и получил серию изображений

В феврале 2006 года японские астрофизики опубликовали модель рождения реликтовых магнитных полей

Они рассмотрели механизм, который мог генерировать эти поля в промежутке между эрой первичного нуклеосинтеза и появлением нейтральных атомов. Обычная материя тогда была горячей плазмой, состоящей из протонов с небольшой добавкой ядер дейтерия, гелия и лития, электронов и высокоэнергетичных фотонов. В этой плазме возникали потоки фотонного ветра, дувшего из областей с высокой концентрацией квантов в зоны, где их было меньше. Фотонные струи увлекали за собой электроны, но практически не влияли на тяжелые носители положительного заряда. Движение электронов рождало вихревые токи, которые и создали первичные магнитные поля протяженностью в миллионы световых лет. Этот механизм прекратил работать через 400 000 лет после Большого взрыва, когда свободные электроны объединились с ионами и перестали взаимодействовать с фотонным газом. По оценкам авторов, сила первичных полей составляла 10−18 гауссов в масштабе мегапарсеков, но на килопарсековой шкале могла оказаться в тысячи и десятки тысяч раз большей. За следующие миллиарды лет поля, рожденные этим механизмом, должны были сильно ослабеть и сейчас вряд ли превышают 10−24 гауссов.

Батарея Бирманна

Если не вдаваться в детали, работу батареи Бирманна можно пояснить на простой модели.

Выделим в пространстве куб, заполненный электронно-протонной плазмой. Допустим, что по правую сторону куба сила тяготения и температура выше, нежели по левую. Примем также, что горизонтальный температурный градиент нарастает при движении от верхней грани куба к нижней. Такие ситуации вполне обычны в звездных окрестностях. Что же произойдет? Гравитационное поле тянет электроны и протоны вправо, а перепад температур создает давление, смещающее их к левой грани. Это давление не зависит от массы частиц, а вот сила тяготения ей пропорциональна. Получается, что электроны мигрируют влево быстрее протонов. Это приводит к возникновению горизонтального электрического поля, препятствующего слишком сильному расхождению частиц с разными зарядами. Поле неоднородно: его величина возрастает по направлению к нижней грани, где температура изменяется сильнее. Поэтому оно генерирует замкнутые токи, соединяющие верхнюю и нижнюю области, которые и создают магнитное поле.

 

Спирали и эллипсы

 

  • Измерить магнитные поля в далеком космосе можно только косвенными методами — по поляризации света или анализу синхротронного излучения
    Магнитные свойства космоса
    Измерить магнитные поля в далеком космосе можно только косвенными методами — по поляризации света или анализу синхротронного излучения

Обычная (барионная) материя космического пространства представляет собой полностью или частично ионизированный газ, который является хорошим проводником и поэтому надежно удерживает магнитные потоки, так что в межзвездной среде магнитные силовые линии практически никогда не исчезают полностью.

Вблизи Солнца средняя сила (точнее, индукция) магнитного поля равна 6 мгс, а в центре нашей галактики она достигает 20−40 микрогауссов. Такие показатели типичны и для прочих спиральных галактик. Магнитные поля внутри их дисков в среднем тянут на 10 микрогауссов (в галактических гало- вдвое меньше). В галактиках, особо богатых газом и, как следствие, молодыми звездами, эта величина больше в 3−5 раз, а в их центральных зонах может превышать и сотню микрогауссов. (для сравнения: поле у поверхности земли варьирует в диапазоне 0,2−0,7 гаусса.) Эллиптические галактики бедны газом, и потому их магнитные поля много слабее. Там, где их удается измерить, они не превышают десятых долей микрогаусса. Однако, как уже говорилось, сделать это очень непросто, поэтому сведения об их магнетизме очень отрывочны. Поля с индукцией от нескольких единиц до десятков микрогауссов пронизывают и скопления галактик — галактические кластеры. Но в космическом пространстве, разделяющем такие кластеры, магнитные поля пока не обнаружены. Если они и есть, то чрезвычайно слабы и скорее всего сохранились со времени младенчества нашей Вселенной.

 
Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№97, ноябрь 2010).
Дата публикации Изучение космоса

 

Космические надсмотрщики средней весовой категории.

Изучение черных дыр среднего размера, массой чуть меньше миллиона солнечных масс, возможно, даст ключ к пониманию того, как образовались их более крупные собратья и галактики. Уже десять лет как астрономы выяснили, что в центре почти всех крупных галактик расположены огромные черные дыры — космические объекты с таким сильным гравитационным полем, что даже свет не в силах из них вырваться. Находясь в финальной стадии своей эволюции, звезды могут превращаться в небольшие черные дыры с массой, превышающей массу нашего Солнца в 3-100 раз, но такие черные дыры с массой, сравнимой с массой звезд, — просто лилипуты по сравнению с чудовищными великанами, расположенными в центрах галактик, масса которых измеряется миллионами и миллиардами Солнц.

 

Изучение сверхмассивных черных дыр представляет собой сложную головоломку. Почему они так широко распространены в галактиках? Что возникло сначала — галактика или черная дыра? И прежде всего: как они образовались?

 

Еще более загадочно то, что черные дыры появились уже тогда, когда Вселенная была еще очень молода. Так, в июне прошлого года астрономы сообщили, что самый ранний экземпляр из обнаруженных до сих пор, черная дыра массой примерно 2 млрд солнечных масс, существовала еще 13 млрд лет назад, спустя всего каких-то 770 млн лет после Большого взрыва. Как черным дырам удалось набрать подобную массу так быстро?

 

Столь большая скорость роста ставит в тупик, ведь хотя черные дыры имеют репутацию мощнейших «пылесосов», они могут вести себя как огромные пневмомашины для очистки канав от листьев. Газ, устремляющийся к черной дыре, в конце концов закручивается вокруг нее в виде гигантского так называемого аккреционного диска. Вещество нагревается и начинает излучать, особенно когда оно приближается к точке невозврата у внутренней кромки диска. Это излучение отталкивает падающее на черную дыру вещество, уменьшая тем самым скорость ее роста. Физики вычислили, что масса черной дыры, «засасывающей» окружающее ее вещество непрерывно и с максимально возможной скоростью, будет удваиваться каждые 50 млн лет. Такая скорость слишком мала для того, чтобы «зародышевая» черная дыра звездной массы смогла вырасти в чудовище размером с миллиард Солнц за время менее миллиарда лет.

 

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

  • Черные дыры массой в миллиард раз большей нашего Солнца существовали уже на ранних этапах жизни Вселенной. Как эти монстры выросли такими огромными настолько быстро? В результате каких процессов сформировались зародышевые черные дыры, из которых они потом выросли?
  • Действительно ли в результате смертельной агонии первых звезд появились многочисленные зародыши черных дыр, которые затем слились воедино, или же в результате коллапса гигантские первичные газовые облака, минуя стадию звезды, сформировали зародышей гораздо большего размера?
  • Астрономы пытаются разгадать эту загадку путем поиска и анализа сохранившихся зародышей — черных дыр — «середняков». Уже первые результаты дают основание полагать, что черные дыры промежуточной массы образовались путем прямого коллапса.

 

Астрофизики предложили два возможных сценария образования черных дыр. Первый, обсуждаемый уже в течение многих лет, предполагает, что на первом этапе гигантские черные дыры действительно были остатками звезд. Самые первые звезды, образовавшиеся во Вселенной, вероятно, были необычайно массивными по сравнению с появившимися позже, такими как наше Солнце. Это связано с тем, что в первичных газовых облаках не было тяжелых элементов, которые способствовали бы охлаждению газа и образованию небольших сгустков. Такие огромные звезды должны были быстро выгореть и превратиться в черные дыры с массой примерно в 100 раз большей, чему нашего Солнца. Но тогда какие-то процессы должны были вызвать ускоренный рост таких объектов— быстрее, чем при обычной аккреции. Например, если бы большая черная дыра образовалась в плотном звездном кластере, она должна была бы в конце концов оказаться вблизи его центра вместе с другими массивными звездами и черными дырами. В этом случае она имела бы шанс быстро вырасти до размера в 10 тыс. солнечных масс, поглощая другие черные дыры, и таким образом превысить предел нормальной скорости роста.

 

Дальнейший рост до масштаба сверхмассивной мог бы продолжиться за счет обычной аккреции, при этом, конечно, отнюдь не исключается и возможность поглощения ею других достаточно больших черных дыр.

 

Основополагающий вопрос

ЧТО БЫЛО ЗАРОДЫШАМИ СВЕРХМАССИВНЫХ ЧЕРНЫХ ДЫР?

Огромные черные дыры массой более миллиарда Солнц появились уже на очень ранней стадии существования Вселенной. Классический взгляд на процесс формирования черных дыр предполагает, что эти гиганты возникли как зародышевые черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса первобытных звезд. Но такие небольшие черные дыры не могли бы набрать массу обычным путем достаточно быстро, чтобы превратиться в сверхмассивные столь рано (вверху). Ключевой вопрос поэтому таков: каким образом могли сформироваться более крупные черные дыры — зародыши (в центре и внизу)?

Одно из объяснений состоит в том, что большая черная дыра звездной массы в звездном кластере могла бы быстро вырасти до 10 тыс. солнечных масс, поглощая другие черные дыры. Такая зародышевая черная дыра промежуточной массы затем могла бы превратиться в сверхмассивную, «заглатывая» газ.

Альтернативный вариант: первичное газовое облако в результате коллапса могло сформировать непосредственно зародышевую черную дыру промежуточной массы. Эта черная дыра, затем тоже могла расти «заглатывая» газ.

Поиск черных дыр промежуточной массы преследует цель определить, какой из сценариев реализуется

 

Когда астрономы выяснили, что большие сверхмассивные черные дыры появились очень давно, они заинтересовались, может ли сколлапсированная массивная звезда достаточно быстро нарастить такую массу, даже пройдя в начале жизни стадию сверхбыстрого роста. Начались поиски альтернативных путей образования зародышевых черных дыр и механизмов, формирующих более массивные черные дыры, чем те, которые могли образоваться в результате смертельной агонии звезд.

 

Ученые предложили модели образования более крупных зародышей черных дыр, не требующие наличия звезд-посредников. Так, достаточно большое газовое облако могло бы непосредственно сжаться до состояния черной дыры масштабнее тех, что рождаются в результате смерти звезды. Формируя зародыши массой от 10 тыс. до 100 тыс. Солнц, этот процесс несколько уменьшает время образования сверхмассивных черных дыр на ранних этапах. Такой непосредственный коллапс сегодня во Вселенной уже не происходит, но когда Вселенная была молодой, условия были совершенно иными.

 

К сожалению, пока не ясно, какой из этих двух сценариев реализовался в действительности — образовались ли небольшие зародышевые черные дыры в результате смерти звезд, или же они появились на свет уже большими как продукт имплозии газового облака. Хотя астрономы могут заглядывать далеко назад во времени, всматриваясь в удаленные уголки космоса с помощью телескопов, пока нельзя даже надеяться зафиксировать акт формирования зародышевых черных дыр. Даже самые большие зародыши слишком малы, чтобы их можно было бы увидеть на таком расстоянии. (Космический телескоп им. Джеймса Уэбба мог бы их обнаружить, но он будет запущен не ранее 2018 г., да и то если выживет в политических баталиях вокруг финансирования его постройки.) Поэтому мои коллеги и я выбрали другую стратегию: искать зародышевые черные дыры, по той или иной причине не ставшие сверхмассивными, но сохранившиеся до настоящего времени в своих изначальных размерах.

 

Если зародыши образовались в результате эволюции звезд, то можно ожидать найти их достаточно много как в центре, так и на периферии галактик, потому что звезды, из которых они образовались, могли умереть в любой точке галактики. Следовало также ожидать обнаружения непрерывного диапазона масс черных дыр от 100 до 100 тыс. масс Солнца, поскольку рост черной дыры мог прерваться из-за отсутствия «пищи» на любой стадии ее превращения в сверхмассивную. И наоборот, если бы зародышевые черные дыры образовывались главным образом путем непосредственного коллапса газового облака, то такие «недоразвитые» черные дыры были бы очень редки. Процесс непосредственного коллапса, если бы он и происходил, случался бы гораздо реже, нежели смерть обычной звезды. И вместо широкого диапазона масс мы бы обнаружили, что большинство недоразвитых черных дыр будут «тяжелее», чем 100 тыс. Солнц (теоретические модели говорят, что это скорее всего и есть типичная масса зародыша, образовавшегося путем прямого коллапса).

 

Поэтому я, как и другие астрономы, исследовала небо в поисках нового типа черных дыр, массой больше, чем звездная, но и не сверхмассивных, а где-то посередине — так называемых черных дыр промежуточной массы или «средней весовой категории». Мы стремились посмотреть, чему больше соответствует диапазон их размеров и распространенность, — модели звездного коллапса или коллапса газового облака. Когда примерно десять лет назад мы начали эту работу, она не выглядела многообещающей. Астрономы знали лишь одну черную дыру средней весовой категории и считали ее исключением из общего правила. С тех пор, однако, мы нашли их сотни.

 

Что считать средней весовой категорией? В данной статье под этим термином я буду подразумевать черную дыру с массой ориентировочно между 1 тыс. и 2 млн масс Солнца. Верхний предел до некоторой степени произволен, но это позволяет исключить самые малые сверхмассивные черные дыры, такие хорошо известные, как черная дыра в 4 млн солнечных масс, расположившаяся в центре нашей Галактики. В любом случае в силу самой своей природы эти границы расплывчаты. На практике первые измерения масс таких объектов часто дают очень неопределенные результаты — так, массы черных дыр — «середнячков», полученные в первой серии наших измерений, как оказалось, были завышены вдвое. Это было обнаружено после того, как мы усовершенствовали технику наших измерений. Точные границы диапазона не играют особой роли до тех пор, пока мы изучаем все семейство черных дыр по нисходящей, начиная с диапазона легких сверхмассивных. Но даже то, что нам удалось выяснить до сих пор, позволило по-новому взглянуть на взаимодействие черных дыр и галактик, в которых они расположены.

 

Неуловимые середнячки

 

Черные дыры могут проявить себя множеством способов. Например, звезды, сгрудившиеся на орбитах вокруг самого центра галактики, — явный признак затаившейся в ней сверхмассивной черной дыры. Однако объекты«середнячки» слишком малы, чтобы с помощью гравитации выдать свое присутствие подобным образом. Поэтому мы фокусируем свое внимание на «активных» черных дырах — тех, которые «пожирают» материю, — поскольку падающее на них горячее вещество излучает свет колоссальной яркости.

 

За несколько десятилетий наблюдений астрономы обнаружили, что активные черные дыры, как правило, обитают в галактиках вполне определенного типа. Галактики, особенно массивные, бывают двух основных типов. Некоторые, такие как наша, представляют собой большой вращающийся звездный диск. Такие дисковые галактики, если посмотреть на них сбоку, похожи на неглубокие тарелки. Другие, так называемые эллиптические галактики, в большинстве своем выглядят как шары из звезд. В центре некоторых дисковых галактик расположены эллиптические галактики, которые называются выпуклостями или звездными балджами. Активные черные дыры чаще всего находят в больших эллиптических галактиках и в дисковых галактиках с большими балджами. Почти каждый балдж, расположенный достаточно близко, чтобы можно было исследовать его детали, оказывается пристанищем для черной дыры массой от нескольких миллионов до нескольких миллиардов солнечных масс. Более того, чем больше балдж, тем больше черная дыра: масса черной дыры обычно составляет одну тысячную массы балджа. Такая поразительная корреляция — что само по себе загадка — дает основания полагать, что галактики и сверхмассивные черные дыры эволюционировали совместно, путем, который астрофизики пока еще не выяснили. Проще говоря, эта модель подсказывает, где искать черные дыры-«середнячки»: в самых маленьких галактиках. Но в каких именно?

 

Справочник

ГДЕ НАХОДЯТСЯ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

Галактики бывают различных типов, и некоторые из них обычно содержат сверхмассивные черные дыры. Наша галактика, Млечный Путь (слева), — дисковая или спиральная галактика с балджем (большим плотным скоплением звезд), в центре которой расположена сверхмассивная черная дыра массой в 4 млн солнечных масс (голубая). Множество черных дыр звездной массы (оранжевые) были обнаружены и в самом Млечном Пути.

В ядре всех галактик с балджем и больших эллиптических галактик (в центре), по-видимому, располагаются сверхмассивные черные дыры. Наоборот, черные дыры промежуточной массы (справа, желтые) больше распространены в галактиках, в которых нет больших балджей, таких как дисковые галактики без балджей. Черные дыры звездной массы встречаются повсеместно в галактиках всех типов.

Классы черных дыр

Известные черные дыры делятся на три класса, в зависимости от их массы, которая обычно измеряется в солнечных массах или «Солнцах».

Черные дыры нарисованы не в масштабе

Дисковая галактика с балджем (такая, как Млечный Путь) и сверхмассивной черной дырой

Эллиптическая галактика со сверхмассивной черной дырой

Дисковая галактика без балджа с черной дырой промежуточной массы

 

Идею подсказала одна небольшая загадочная галактика. Руководитель моей диссертационной работы, Луис Хо (Luis С. Но) из Обсерваторий института Карнеги в Пасадене, еще в 1995 г., работая над диссертацией, изучил более 500 ближайших ярких галактик. Он обнаружил, что большинство галактик с большими балджами содержат активные черные дыры, а галактики без балджей — нет, за единственным интересным исключением. Галактика NGC 4395 — это дисковая галактика с активной черной дырой, у которой совсем нет балджа. Научный руководитель самого Хо отметил эту странность еще в 1989 г., но большинство ученых сошлись на том, что это скорее аномалия. Обзор Хо подтвердил общее правило: черные дыры не обнаруживаются в галактиках без балджей, за исключением NGC 4395.

 

Точная оценка массы черной дыры NGC 4395 — задача, потребовавшая значительных усилий. Большинство астрономических методов непосредственного измерения предполагают измерение параметров орбитального движения. Например, скорость планеты и размер орбиты, по которой она вращается вокруг своего солнца, позволяют нам вычислить массу солнца. Аналогично, зная параметры орбиты звезд в галактике, можно оценить массу черной дыры, но только в том случае, если она достаточно велика, чтобы эффекты ее гравитации были различимы в астрономических наблюдениях движения звезд. Объект NGC 4395 слишком мал.

 

В таких случаях астрономы пользуются косвенными методами. Например, мощность рентгеновского излучения, исходящего от черной дыры, изменяется во времени, и чем больше излучающий объект, тем медленнее скорость таких изменений. В 2003 г. Дэвид Ши (David С. Shin) с коллегами, работавший в то время в Кембриджском университете, обнаружил, что мощность рентгеновского излучения, приходящего от NGC 4395, изменяется достаточно быстро, и поэтому черная дыра должна быть относительно небольшой — вероятнее всего, от 10 тыс. до 100 тыс. солнечных масс. В том же 2003 г. Хо другим методом получил оценку ее массы, лежащую в этом же диапазоне.

 

Измерение ее массы другим методом было проведено в 2005 г. Врэдли Питерсоном (Bradley M. Peterson) с коллегами из Университета штата Огайо. Они воспользовались космическим телескопом «Хаббл» и методом, получившим название «эхокартирование» (Соответствующий русскоязычный термин еще не устоялся. Иногда его переводят как «реверберационное картографирование». — Прим. пер.), в основе которого лежит измерение орбитального движения газовых облаков вокруг черной дыры, аналогично тому, как для вычисления массы Солнца измеряют параметры орбитального движения планет. Измерение времени светового эха от облаков позволяет вычислить диаметр орбит. Питерсон с коллегами обнаружили, что черная дыра имеет массу в 360 тыс. солнечных масс. Но даже такой метод дает большую неопределенность в массе: ошибка может быть в три раза — из-за исходных допущений, которые используются при расчетах.

 

Оказывается, галактика без балджа NGC 4395 «приютила» как раз такую черную дыру промежуточной массы, которую мы и искали. Из всех 500 галактик, которые изучал Хо, она оказалась единственной без балджа и с явным свидетельством присутствия активной черной дыры. Вторая была обнаружена в 2002 г. Аарон Барт (Aaron J. Barth), в то время работавший в Калифорнийском технологическом институте, воспользовался телескопом «Кек II» на Гавайях, чтобы получить спектр необычной малоизученной галактики РОХ 52. Как nNGC 4395, эта галактика демонстрировала ряд признаков существования активной черной дыры, хотя и не была в списке основных подозреваемых обладателей сверхмассивной черной дыры (это редкий тип галактики, известный как сфероидальная галактика, которая отличается и от дисковых с балджем, и от эллиптических галактик).

 

Барт послал только что полученный спектр галактики РОХ 52 Хо, который, лишь взглянув на него, сразу же спросил Барта: «Где ты нашел такой замечательный спектр NGC 4395?» Спектры двух разных космических объектов выглядели настолько одинаково, что Хо не смог их различить. (Именно характерные признаки в спектре указывают на присутствие черной дыры.)

 

Поскольку РОХ 52 находится на расстоянии 300 млн световых лет (в 20 раз дальше, чем NGC 4395), оценки массы ее черной дыры астрономы выполнили еще более хитроумными методами. Тем не менее большое количество данных свидетельствует, что эта галактика «укрыла» черную дыру массой примерно в 100 тыс. Солнц. Черные дыры «средней весовой категории» в галактиках без балджей теперь образуют класс из двух объектов.

 

Конечно, чтобы решить более сложную проблему, как сформировались зародыши сверхмассивных черных дыр, требуется большее количество таких «середняков». Иначе трудно ответить на множество элементарных вопросов. Насколько типичны черные дыры промежуточной массы? Всякая ли галактика без балджа содержит такой объект, или в большинстве из них они все же отсутствуют? Есть ли такие черные дыры промежуточной массы где-либо еще? И ожидает ли нас в будущем находка образцов еще меньших, чем эти две? Только ответив на них, мы, возможно, сумеем понять, как сформировались зародыши и какую роль они играли в ранней Вселенной.

 

Охота на черные дыры

 

К сожалению, стандартные астрономические методы плохо приспособлены к поиску черных дыр промежуточной массы. Чем большими размерами обладает такой объект, тем больше он может «заглотить» и тем ярче светиться. Небольшие черные дыры более тусклы, и поэтому их трудно обнаружить. Но дело осложняется еще вот чем. Эллиптические галактики, в которых имеют обыкновение находиться большие черные дыры, ведут себя необычайно хорошо. В таких галактиках не очень много газа и не образуются новые звезды, а значит, мы имеем ясный и ничем не затуманенный вид на центр галактики. Наоборот, в галактиках с преобладанием дисковой структуры (таких, в которых, по нашему подозрению, возможно, обычно и скрываются черные дыры промежуточной массы) часто рождаются звезды, и свет этих молодых звезд, а также связанные с ними газ и пыль могут спрятать активную черную дыру.

 

Уже обнаруженные «середнячки»

ПЕРВЫЕ ФАКТЫ, СВИДЕТЕЛЬСТВУЮЩИЕ В ПОЛЬЗУ КОЛЛАПСА, А НЕ СЛИЯНИЯ ЗВЕЗД

Анализ 500 тыс. изображений галактик в оптическом диапазоне выявил более 100 черных дыр с массами, оцениваемыми менее двух миллионов солнечных масс (диаграмма). Другие исследования — в среднем инфракрасном, рентгеновском и радиодиапазонах — выявили еще несколько кандидатов. Пока что есть основания полагать, что большая часть галактик без балджей не содержат в своих ядрах черных дыр промежуточной массы. Эти наблюдения говорят в пользу сценария формирования зародышевых черных дыр путем прямого коллапса. Если бы зародыши образовались в результате коллапса звезд, то можно было бы ожидать нахождения гораздо большего количества некрупных черных дыр в диапазоне от 10 тыс. до 1 млн солнечных масс.

Число черных дыр промежуточной массы, обнаруженных с помощью анализа оптических изображений

 

Чтобы преодолеть подобного рода препятствия, в 2004 г. Хо и я обратились к бесценной библиотеке данных, предназначенной для поиска иголок в космическом стоге сена, — к Слоуновскому цифровому обзору неба (Sloan Digital Sky Survey, SDSS). С 2000 г. телескоп в штате Нью-Мексико, используемый в этом проекте, отснял изображения более чем четверти небесной сферы и запечатлел спектры миллионов отдельных звезд и галактик.

 

Мы изучили 200 тыс. спектров галактик и обнаружили 19 новых кандидатов, похожих на NGC 4395, — небольших галактик, содержащих активные черные дыры с массами, по нашей оценке, менее 1 млн солнечных масс. Аналогичные исследования в течение последних нескольких лет, в которых были использованы более свежие данные Слоуновского обзора, позволили расширить круг «подозреваемых» до примерно трех десятков черных дыр с массами менее миллиона солнечных и более 100 с массами, чуть превышающими этот порог.

 

Метод, использованный для оценки масс, — косвенный. Слоуновские спектры показывают нам величину скорости горячего газа, обращающегося вокруг черной дыры. Но это лишь часть информации, необходимой для расчета непосредственно массы этого объекта (вторая половина — диаметр орбиты). Тем не менее астрономы из наблюдений активных черных дыр с массой в диапазоне от миллиона до миллиарда солнечных масс знают, как скорость газа обычно соотносится с массой черной дыры (чем меньше масса, тем медленнее движется газ). Экстраполяция на черные дыры меньшей массы дает нам возможность отыскать наших маленьких приятелей в данных SDSS.

 

Эти поиски подтвердили наши догадки, основанные на исследовании объектов NGC 4395 и РОХ 52: существует более обширная популяция черных дыр промежуточной массы. Ожидаемым результатом было бы нахождение этих объектов в галактиках без балджей. Тем не менее такие черные дыры, по-видимому, все-таки очень редки. Лишь одна из каждых 2 тыс. галактик достаточно ярких, чтобы попасть в Слоуновский обзор, демонстрирует свидетельства присутствия активной черной дыры промежуточной массы.

 

Однако исследования в рамках программы SDSS, возможно, позволяют фиксировать далеко не все черные дыры. Исследования проводятся исключительно в оптическом диапазоне (диапазон длин волн, который видит наш глаз), и не исключено, что пылевые облака надежно укрывают множество черных дыр от нашего взгляда. Чтобы обойти это препятствие, астрономы исследуют излучение галактик в диапазонах таких длин волн, которые могут почти беспрепятственно пройти через пыль — рентгеновское излучение, радиоволны и инфракрасное излучение средневолновой области. Шобита Сатьяпал (Shobita Satyapal) из Университета Джорджа Мейсона и ее сотрудники использовали средневолновое инфракрасное излучение в поисках признаков скрытых активных черных дыр в галактиках без балджей. Экстремальное ультрафиолетовое излучение, исходящее от вещества, устремляющегося к черной дыре, вызывает ионизацию молекул в газовом облаке, порождая необычные химические соединения, такие как возбужденные состояния высокоионизированных атомов неона. Излучение этих ионов оставляет характерные «отпечатки пальцев» в спектрах средневолнового инфракрасного излучения. Такого рода поиски удаются в относительно небольшом числе галактик — группа Сатьяпал обнаружила всего несколько новых активных черных дыр — «середнячков». Астрономы нашли признаки черной дыры промежуточной массы или сверхмассивной черной дыры, исследуя галактики в рентгеновском и радиодиапазонах, и дополнительные наблюдения для подтверждения этих кандидатов сегодня продолжаются.

 

Эти результаты говорят, что ведя поиск лишь в оптическом диапазоне, мы можем упустить множество галактик без балджей, которые скрывают свои черные дыры — «середнячки» пылевыми облаками, но все же не так уж и много, чтобы такие черные дыры промежуточной массы стали обычным явлением. Вердикт еще не вынесен, но, вероятно, лишь от 5 до 25% галактик без балджей дали прибежище черным дырам промежуточной массы, достаточно большим, чтобы их можно было бы обнаружить.

 

Растущие галактики и черные дыры

 

Наблюдения черных дыр промежуточной массы в галактиках, не имеющих балджей, могут пролить свет на связь между более крупными черными дырами и большими балджами. Как я уже отмечала, сверхмассивные черные дыры в массивных галактиках с балджами обычно имеют массу примерно в одну тысячную массы балджа. Рост сверхмассивных черных дыр, очевидно, тесно связан с ростом окружающего его балджа. Если связь между черными дырами и галактиками во время формирования балджа и существует, то корреляции между свойствами галактик, не имеющих балджей, и находящимися в них черными дырами — «середнячками» быть не должно.

 

Галактика NCC 4395- дисковая галактика без балджа, была первой, показавшей признаки наличия черной дыры промежуточной массы в своем ядре

 

Наиболее правдоподобная теория, объясняющая корреляцию, наблюдающуюся в галактиках с балджами, утверждает следующее: эллиптические галактики и большие балджи образуются, когда сливаются две дисковые галактики. Во время слияния гравитационные силы расшатывают их, и звезды движутся уже не в плоскости диска, а по орбитам, расположенным случайным образом внутри шара (форма в виде эллипса или выпуклости). Газовые облака во время слияния соударяются и в форме воронки устремляются к центру балджа, запуская основной механизм формирования звезды, который увеличивает суммарную массу звезд в балдже. Одновременно черные дыры каждой из галактик сливаются и засасывают часть газа, находящегося в центре галактики. Так за счет подобного рода крупномасштабных процессов, идущих при слиянии галактик, могут происходить совместный рост и эволюция крупных балджей и сверхмассивных черных дыр. К моменту, когда масса черной дыры достигнет тысячной массы балджа, на первый план выходят явления, выталкивающие газ из центра галактики и прекращающие ее бурный рост.

 

Черным дырам промежуточной массы в галактиках без балджей, вроде NGC 4395, так и не пришлось испытать радость подобного галактического пиршества. Вместо этого они остались недоразвитыми зародышами, которые немного подросли, лишь случайно «лакомясь» газом в центре галактики: закуска, которая не связана непосредственно с событиями, сформировавшими эволюционные процессы в галактике. В некоторых галактиках, не имеющих балджей, возможно, черные дыры так и не смогли подрасти. Такая ситуация сложилась в чисто дисковой галактике МЗЗ (по физическим характеристикам во многом схожей с NGC 4395), которая, очевидно, не содержит черной дыры более массивной, чем 1,5 тыс. Солнц. Число доказательств в пользу картины, связывающей рост черной дыры с формированием балджа, увеличивается, но множество деталей еще требуют проработки, и дело пока закрыто не полностью.

 

Что касается вопроса, как образуются черные дыры-зародыши, то редкость черных дыр промежуточной массы свидетельствует в пользу теории непосредственного коллапса газовых облаков в ранней Вселенной. Если бы зародыши возникли в результате звездного коллапса, то следовало бы ожидать, что почти в центре каждой из этих галактик расположена черная дыра массой по крайней мере в 10 тыс. Солнц. Но преимущественное количество небольших галактик, у которых балдж отсутствует, по-видимому, не имеют такой черной дыры в своем центре.

 

В пользу сценария непосредственного коллапса свидетельствуют и другие факты. В частности, слабая корреляция масс черных дыр — «середнячков» с массами галактик, в которых они расположены, хорошо укладывается в его предсказания. А сотворить черную дыру массой в миллиард Солнц намного легче, если сами зародыши уже достаточно массивны.

 

Конечно, по мере поступления новых данных, выводы, сделанные в настоящее время, вероятно, претерпят изменения. Например, если бы астрономы вглядывались в галактики слегка более тусклые, чем те, спектры которых изучались в Слоуновском обзоре, то доля галактик с черными дырами промежуточной массы, возможно, и выросла бы. Или, наоборот, упала. Возможно и то, что в некоторых галактиках черные дыры — «середнячки» расположены не в центрах. Поиск черных дыр промежуточной массы сегодня продолжается по многим фронтам. Детально это описано на сайте Scientific American.

 

Пока же много критических вопросов относительно черных дыр промежуточной массы остаются открытыми. Действительно ли такие черные дыры чаще встречаются в небольших галактиках специального типа? (Подобная связь могла бы стать основанием для гипотезы, что имеют место другие способы взаимодействия черных дыр и содержащих их галактик даже на стадиях, предшествующих слиянию, в результате которого образовались балджи и сверхмассивные черные дыры). Действительно ли в большинстве галактик, в которых нет балджей, нет и черных дыр промежуточного размера, или же черные дыры там все же есть, но им слегка недостает массы, чтобы мы могли их обнаружить? Это действительно так, если их масса составляет примерно 1тыс. солнечных масс. (Такие черные дыры, несомненно, выросли из остатков умерших звезд, а не сформировались путем непосредственного коллапса.) Или же все без исключения галактики, не имеющие балджей, содержат массивные, от 10 тыс. до 100 тыс. солнечных масс, черные дыры, но большинство из них не имеют возможности питаться и поэтому не проявляют себя ни рентгеновским излучением, ни светом? (Это заставило бы отказаться от вывода, что черные дыры — «середнячки» редки.) в зависимости от того, какие ответы на эти вопросы будут получены, астрофизические теории формирования галактик и зародышей черных дыр могут продвинуться в совершенно разных направлениях.

 

Перевод: А.П. Кузнецов

 

ОБ АВТОРЕ

 

Дженни Грин (Jenny E.Greene) была пионером в изучении черных дыр небольшой массы, расположенных в центрах галактик, что стало частью ее диссертации в Гарвардском университете. Сейчас она доцент астрономии в Принстонском университете и исследует общие вопросы эволюции галактик. Она также преподает алгебру заключенным в тюрьмах штата Нью-Джерси.

 

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

 

  • A Low-Mass Central Black Hole In the Bulgeless Seyfert 1 Galaxy NGC 4395. Alexel V. Flllppenko and Luis С. Но in Astrophysical Journal, Vol. 588, No. 1, pages L13-L16; May 1, 2003.
  • Active Galactic Nuclei with Candidate Intermediate-Mass Black Holes. Jenny E. Greene and Luis С. Но in Astrophysical Journal, Vol. 610. No. 2, pages 722-736; August 1, 2004.
  • Nuclear Activity in Nearby Galaxies. Luis С. Но in Annual Review of Astronomy and Astrophysics, Vol. 46, pages 475-539; September 2008. http://arxiv.org/abs/0803.2268
  • Formation of Supermassive Black Holes. Marta Volonteri in Astronomy and Astrophysics Review, Vol. 18, No. 3, pages 279-315; July 2010. http://arxiv.org/abs/1003.4404
  • Supermassive Black Holes Do Not Correlate with Galaxy Disks or Pseudobulges. John Kormendy, R. Bender and M. E. Cornell in Nature, Vol. 469, pages 374-376; January 20, 2011.
  • Big Black Hole Found in Tiny Galaxy. Jenny E. Greene in Nature, Vol. 470, pages 45-46; February 3, 2011.

 

подготовлено http://modcos.com/articles.php?id=197

Дата публикации Черные дыры
Пятница, 29 января 2016 09:24

Секунды пробуждения.

НОВОРОЖДЕННАЯ ВСЕЛЕННАЯ

    БОЛЬШАЯ ЧАСТЬ МАТЕРИИ ВО ВСЕЛЕННОЙ НАХОДИТСЯ В "ЧЕТВЕРТОМ СОСТОЯНИИ ВЕЩЕСТВА". НО ТАК БЫЛО НЕ ВСЕГДА.
    Основное прибежище плазмы на нашей планете - ионосфера. За ее пределами плазма порождается в ходе некоторых природных процессов (например, грозовых разрядов), а также во время работы научных и бытовых приборов и технологических установок (например, дуговых сварочных аппаратов). Ионы имеются даже в пламени обычной спички, но их концентрация составляет ничтожные доли процента, поэтому о настоящей плазме тут не может быть и речи. Зато во Вселенной плазменное состояние обычной (не темной) материи отнюдь не редкость, а самая что ни на есть норма. Космос - это настоящий океан плазмы, она буквально везде - от звездных недр и окрестностей до практически пустого межзвездного пространства.


Большая часть материи во Вселенной находится в четвертом состоянии вещества.
НОВОРОЖДЕННАЯ ВСЕЛЕННАЯ

    В последние годы астрофизики и космологи пришли к единой точке зрения относительно того, что происходило в нашей Вселенной, когда ее возраст перевалил за одну микросекунду (более ранние события все еще служат предметом дискуссий). В это время случилась так называемая Великая аннигиляция тогда еще свободных кварковых частиц, которая уничтожила все антикварки, однако пощадила возникший до этого мизерный избыток кварков. К тому времени, когда возраст мироздания достиг 10 микросекунд, кварки слились в тройки (порождая барионы - протоны и нейтроны) и пары (нестабильные мезоны, в основном пионы). На каждый барион приходилось около миллиарда высоко-энергетичных фотонов, температура которых в те времена составляла порядка 4 трлн градусов.
    На десятой микросекунде Вселенная заполнилась сверхгорячей плазмой чудовищной плотности (примерно 100 млн тонн на кубический сантиметр), состоящей в основном из высокоэнергетичных лептонов - электронов и позитронов, порождаемых из-за высокой температуры гамма-квантами. По сей причине эту фазу ранней истории Вселенной называют лептонной эрой (а предшествующую ей - кварковой). Размер наблюдаемой Вселенной тогда был меньше сотни астрономических единиц, то есть сильно уступал размерам современной Солнечной системы.

    Пять космических аппаратов миссии THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms) на вытянутых околоземных орбитах изучают основные хранилища плазмы вблизи нашей планеты - магнитосферу и ионосферу Земли, а также их взаимодействия с солнечным ветром. Эти взаимодействия вызывают появление полярных сияний и возмущения магнитосферы Земли, что приводит к магнитным бурям и выражается в нарушениях радиосвязи, работы электронных приборов и систем энергоснабжения.
    На иллюстрации: пять аппаратов выстроены в линию для регистрации состояния различных областей магнитосферы при перезамыкании магнитных линий.
ОТВАЖНАЯ ПЯТЕРКА

    Лептонная эра продолжалась до тех пор, пока гамма-квантам хватало энергии для порождения электронов и позитронов. По мере расширения Вселенной температура фотонного газа постоянно снижалась и достигла 10 млрд градусов, когда возраст мироздания составлял примерно одну секунду. Образование пар (во все меньшем и меньшем количестве) продолжалось за счет "горячего хвоста" фотонного спектра, однако спустя несколько секунд, когда температура фотонов спустилась ниже 4 млрд градусов, оно полностью прекратилось. К моменту, когда Вселенной исполнилось 10 секунд, лептонная эра уже ушла в прошлое, оставив после себя очень горячую плазму плотностью 5 кг/см3, преимущественно состоящую из фотонов. Началась новая космическая эра, когда плотность электромагнитного излучения превышала плотность вещества.

С момента Большого взрыва события развивались достаточно быстро - за короткое время сменилось несколько ключевых эпох. Чтобы изучить первые моменты существования Вселенной, требуется получить соответствующие этим эпохам огромные энергии. Частично смоделировать такие условия можно с помощью больших ускорителей - таких, как Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC).
ХРОНИКИ ВСЕЛЕННОЙ


ПЛАЗМА КОСМИЧЕСКИХ ПУСТОТ

Хотя звездная и околозвездная плазма вносит основной вклад в энергетику Большого космоса, в общей массе бари-онной материи ее доля не превышает нескольких процентов.
    Большая часть барионной материи [порядка 80%] приходится на заряженные частицы, рассеянные в пространстве между галактиками и их скоплениями. Еще около 10% составляет вещество, заполняющее внутригалактическое пространство, которое тоже проявляет типичные плазменные свойства. "Межгалактическая среда по составу чрезвычайно проста. Она преимущественно состоит из одиночных протонов и электронов, но включает частицы гелия и более тяжелых элементов, - объясняет Эллен Цвейбел, профессор астрономии Висконсинского университета в Мэдисоне. - Это самое разреженное вещество во Вселенной - на 1 м3 пространства не приходится и одной протонно-эпектронной пары (вблизи галактик и галактических кластеров этот показатель выше на один-два порядка).
    Именно поэтому межгалактическую плазму трудно наблюдать с помощью астрономических приборов. Кое-какую информацию удается получить при изучении спектров поглощения фотонов атомами элементов тяжелее водорода. Протоны и электроны межгалактической плазмы, как и любые заряженные частицы, взаимодействуют с космическими магнитными полями. Такие поля точно имеются вблизи галактик, но до сих пор не известно, существует ли единое фоновое магнитное поле, пронизывающее Вселенную. Некоторые астрофизики полагают, что такое поле существует, хоть мы не понимаем механизма его возникновения и не в состоянии измерить, так как его напряженность очень мала, меньше триллионной доли тесла. Возможно, что эту задачу со временем удастся решить, изучая поведение частиц межгалактической плазмы".
    Плазма внутри галактик гораздо плотнее - в среднем 1 млн частиц на 1 м3, холоднее межгалактической и богаче тяжелыми элементами. В ее состав входят микропылинки, которых нет в межгалактической среде. К тому же межзвездная газовая среда преимущественно состоит из нейтральных атомов и молекул, концентрация которых может в сотни и тысячи раз превышать концентрацию заряженных частиц. Тем не менее такая среда хорошо проводит электричество и посему является вполне доброкачественной плазмой. Гравитационные поля стягивают частицы межзвездного газа в газо-пылевые облака, из которых рождаются звезды и планетные системы.
ПЛАЗМА КОСМИЧЕСКИХ ПУСТОТ

    Эту эру так и называют - радиационной.

НАЧАЛО НУКЛЕОСИНТЕЗА

    В истории мироздания очень важна трехминутная отметка. На этой стадии впервые появилась возможность формирования составных ядер - ядер дейтерия (протон плюс нейтрон). Энергия связи такого ядра равна 2,2 МэВ, что соответствует температуре в 25 млрд градусов. Температура упала до этой величины, когда Вселенной было всего четверть секунды. Можно подумать, что дейтерий начал образовываться уже тогда, но такой вывод будет ошибочным. Электромагнитное излучение Вселенной еще долго содержало достаточное количество горячих фотонов, которые разбивали новорожденные ядра дейтерия. Дейтерий смог "выжить", лишь когда доля фотонов с энергией более 2,2 МэВ сократилась до одной миллиардной (общее число фотонов в полтора миллиарда раз превышало число подлежащих объединению барионов!). Это произошло, когда возраст Вселенной достиг одной минуты, а еще через две минуты процесс синтеза дейтерия пошел в полную силу.

АНАЛИЗ ОСЦИЛЛЯЦИЙ чрезвычайно важен для космологии. Звуки в космической плазме восходят к неоднородностям материи, возникшим в течение первой секунды после Большого взрыва. Поэтому спектральный анализ реликтового микроволнового излучения дает богатейшую информацию о ранней истории Вселенной.
АНАЛИЗ ОСЦИЛЛЯЦИЙ

    Новорожденные ядра этого изотопа принялись присоединять по одному протону и одному нейтрону (в любом порядке) - так появились альфа-частицы, ядра гелия. Этот процесс занял всего несколько минут и охватил практически все нейтроны (очень небольшая их часть пошла на не переработанный в гелиевом синтезе дейтерий, гелий-3 и литий-7). Исходное соотношение числа протонов и нейтронов равнялось 7:1, и каждая новая альфа-частица оставляла после себя 12 незадействованных протонов. Так космическое пространство оказалось заполненным ядрами водорода (75% общей массы) и гелия (25%). В наше время эти показатели равны 74% и 24% - оставшиеся 2% приходятся на более тяжелые элементы, порожденные процессами звездного нуклеосинтеза.

ЭXО БОЛЬШОГО ВЗРЫВА

Рекомбинация космической материи не только перевела ее из ионизированного состояния в нейтральный газ, но и положила конец очень интересному явлению - плазменному звуку. Об этом рассказал профессор Аризонского университета Дэниел Айзенстайн.
    "Звук в любой газовой среде - это колебательный процесс, в ходе которого в ней распространяются волны сжатия и разрежения. В воздухе звук переносится благодаря столкновениям между молекулами газа. В возрасте космической плазмы 100 000 лет каждый кубический сантиметр пространства содержал 2000 электронов и менее 200 ядер гелия. Однако в этом же объеме находилось приблизительно 3 трлн фотонов, которые и создавали упругую среду. Хотя давление в этой среде было крайне низким (одна стотысячная атмосферы), звук в ней распространялся со скоростью почти 60% скорости света. В зонах максимума лучевого давления температура и яркость фотонного газа возрастали, в зонах минимума — падали. Поскольку фотоны не особенно больших энергий никак не замечают присутствия друг друга, в фотонном газе звуковые колебания могли распространяться лишь в присутствии заряженных частиц, на которые рассеивались световые кванты.
    После рекомбинации свежеиспеченные атомы прекратили чувствовать давление света, а освободившиеся фотоны разлетелись по космическому пространству. Существовавшие в те времена колебания плотности фотонного газа законсервировались до наших дней. Температура реликтовых фотонов, пришедших из разных участков небосвода, колеблется с амплитудой порядка 1/100 000. Эти осцилляции и есть следы звуковых волн, некогда распространявшихся в фотонном газе.
ЭXО БОЛЬШОГО ВЗРЫВА

    При синтезе гелия выделяется изрядная энергия (за счет этого горят звезды и взрываются водородные бомбы). Всего за несколько минут во вселенской термоядерной печи сгорело в сто раз больше водорода, чем потом во всех звездах нашей Вселенной. Однако при этом ничего особенного не произошло - Вселенная лишь немного нагрелась, после чего продолжала остывать входе дальнейшего расширения. Поскольку потепление охватило весь объем космоса, оно не породило компактных областей горячего сжатого газа в более холодной и разреженной среде, которые возникают при детонации любого заряда (хоть химического, хоть атомного).

ВСЕЛЕННАЯ НА ПРОСВЕТ
С помощью телескопа Hubble (слева) астрофизики устанавливают состав и распределение барионной материи во Вселенной.

    Таким образом, гигантское выделение энергии в ходе первичного нуклеосинтеза практически не сказалось на эволюции Вселенной (к слову, то же самое можно сказать и о двух еще более сильных прогревах космоса во время аннигиляции кварков и антикварков, а затем электронов и позитронов).

РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

    Первичный нуклеосинтез вновь преобразовал состав горячей плазмы юной Вселенной. А вот потом в течение 400 000 лет она не претерпевала никаких качественных превращений. Все это время, во-первых, остывал радиационный фон, причем весьма быстро, пропорционально четвертой степени растущего линейного размера Вселенной. Во-вторых, уменьшалась плотность и обычной, и темной материи, но несколько медленней (как третья степень). Плотность фотонной энергии падала быстрее, поскольку растяжение пространства не только рассеивало кванты по все большему и большему объему, но и увеличивало длины их волн, тем самым снижая частоты. Когда Вселенной стукнуло 57 000 лет, плотность лучевои энергии сравнялась с плотностью энергии частиц, а потом начала от нее отставать - наступил конец радиационной эры.

СОЛНЕЧНАЯ ПЛАЗМА
В центральной зоне Солнца идут реакции термоядерного синтеза. Ионов как таковых там нет, элементы представлены голыми ядрами и электронами, погруженными в газ из гамма-квантов.
Хотя удельная плотность этой среды десятикратно превышает плотность свинца, она обладает динамическими характеристиками типичной плазмы. Некоторые ядра пробиваются к поверхности светила, попадают во все более и более холодные слои и обрастают электронными оболочками. Атомам многоэлектронных элементов, входящих в состав солнечной атмосферы, как правило, не хватает всего одного-двух электронов. Правда, в верхних ее слоях, в зоне солнечной короны, где температуры измеряются млн. градусов, степень ионизации возрастает (следует заметить, что уникальная структура коронального спектра объясняется присутствием сильно ионизированных атомов железа).
СОЛНЕЧНАЯ ПЛАЗМА

    Каким тогда казался бы космос разумному наблюдателю, если бы таковой существовал? Когда Вселенной стукнуло 50 000 лет, она вперые засветилась видимым для нас голубым светом (до этого реликтовые фотоны были ультрафиолетовыми, а еще раньше, когда возраст Вселенной двигался от полутора минут к 600 годам, - рентгеновскими). К 200 000 лет цвет фотонного фона сместился от голубого к желтому, еще через 200 000 лет стал оранжевым, а по достижении миллиона лет сделался темно-красным. В возрасте Вселенной 5 млн лет ее температура упала до 600 К, практически все реликтовые фотоны перешли в инфракрасную зону и в космическом пространстве настала беспросветная тьма. Она начала рассеиваться лишь после появления самых первых звезд, где-то через 200 млн лет после Большого взрыва.

СОЛНЕЧНАЯ ПЛАЗМА
    В состав солнечной атмосферы также входят ядра водорода и гелия, отрицательные ионы водорода Сони играют немалую роль в поглощении инфракрасного и видимого света), и даже, в самых холодных участках, молекулы воды и моноокиси углерода - и, естественно, электроны. Так что это многокомпонентная плазма, в которой происходят сложные динамические процессы с непременным участием сильных и быстро изменяющихся магнитных полей.
    На внешней границе солнечной атмосферы тяготение уже не в состоянии удерживать частицы плазмы, которые уходят в межпланетное пространство и заполняют его вплоть до границ гелиосферы. Этот феномен называется спокойным солнечным ветром. Его состав совпадает с составом плазмы короны - это протоны и электроны с небольшой добавкой альфа-частиц, ионов кислорода, железа, кремния и некоторых других элементов. К спокойному ветру периодически добавляются выбросы менее плотной, но зато более нагретой плазмы, порожденной мощными корональными возмущениями. Эти потоки постепенно уносят угловой момент Солнца, уменьшая скорость его осевого вращения. Не стоит удивляться, что молодые звезды солнечного типа обычно совершают полный оборот гораздо быстрее, чем наше светило.
СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР

    Но что же все-таки произошло через 380 000 лет после Большого взрыва? Несколькими десятками тысяч лет ранее электроны начали объединяться с ядрами. Сначала альфа-частицы присоединяли к себе по единственному электрону и превращались в однократно ионизированные атомы, а затем и по второму, так что получались нейтральные атомы гелия. Позднее это же случилось и с протонами, которые положили начало атомам водорода. Подобные слияния стали возможными потому, что в лучевом фоне сократилось количество фотонов с энергией больше энергии ионизации атомов гелия и водорода. Процесс рекомбинации растянулся на 80 000 лет и практически завершился, когда температура фотонного фона упала ниже 3000 К. Повторилась трансформация, имевшая место в односекундной Вселенной: тогда пространство стало прозрачным для нейтрино, а теперь - для квантов электромагнитного излучения. Остывшие фотоны уже не могли рассеиваться на нейтральных атомах и, как некогда нейтрино, отправились в беспрепятственное путешествие по космосу. Эти реликтовые фотоны, остывшие с тех пор до 2,7 К, мы называем фоновым микроволновым излучением.

ВОЗРОЖДЕНИЕ ПЛАЗМЫ


ПЛАЗМОСФЕРА ЗЕМЛИ
Внешняя часть ионосферы Земли - это в основном ионизированный ультрафиолетовым излучением Солнца водород.

    В итоге в космическом пространстве не стало свободных заряженных частиц - то есть плазма, в той или иной форме существовавшая как минимум с микросекундного возраста Вселенной, исчезла! В результате рекомбинации она на многие миллионы лет уступила место нейтральному водородно-гелиевому газу, соседствовавшему (и взаимодействовавшему посредством гравитации!) со столь же нейтральными частицами темной материи. Когда Вселенная состарилась до 100 млн лет, а температура фонового излучения опустилась до 80 К, темная материя начала стягиваться за счет собственного тяготения во все более и более плотные сгустки. Еще через 100 млн лет эти сгустки смогли втягивать в себя частицы космического газа, из которых сформировались коллапсирующие облака, положившие начало первым звездам. Уже предшественники первого поколения таких светил, так называемые протозвезды, возродили плазменное состояние материи, которое с тех пор и доминирует в космосе.

НЕБЕСНЫЕ ЭКСТРЕМАЛЫ

Межзвездный газ относительно спокоен лишь вдалеке от массивных обитателей космического пространства, а в их окрестностях он значительно нагревается и обретает множество свойств.
    "Компактные космические объекты, такие как нейтронные звезды и черные дыры, нередко имеют компаньонов - обычные звезды, - объясняет специалист по теоретической астрофизике из Принстонского университета Анатолий Спитковский. - Такой объект своим гравитационным притяжением вытягивает вещество из атмосферы звезды-соседки, и вокруг него формируется так называемый аккреционный диск. Температура во внутренних зонах такого диска достигает миллиона градусов. Эти области заполнены вращающейся горячей плазмой, которая выдает себя рентгеновским излучением. В этой плазме возникают магнитные поля, которые могут стать причиной образования джетов - струйных выбросов плазменных частиц, направленных перпендикулярно плоскости аккреционного диска. Еще болеё экстремальная плазма существует около поверхности быстро вращающихся намагниченных нейтронных звезд. Там имеются мощные электрические поля, которые отрывают электроны с поверхности звезды и разгоняют их вдоль закрученных силовых линий магнитного поля до энергий порядка триллиона электронвольт. Двигаясь по этим искривленным траекториям, электроны излучают гамма-кванты, которые в сильном магнитном поле порождают электронно-позитронные пары. Таким образом, нейтронная звезда оказывается окружена магнитосферой, состоящей из электронов и позитронов".
НЕБЕСНЫЕ ЭКСТРЕМАЛЫ
Автор: АЛЕКСЕЙ ЛЕВИН, журнал "ПОПУЛЯРНАЯ МЕХАНИКА" 

Дата публикации Изучение космоса
САМЫЕ БЫСТРЫЕ В ГАЛАКТИКЕ

    Мы пока не можем полететь даже к ближайшим звездам. Что уж говорить о более далеких путешествиях. Вряд ли удастся с помощью мыслимых технологий построить корабль, который отвезет нас в туманность Андромеды. Может быть, получится хотя бы найти подходящий локомотив и прицепить к нему свой вагон? Для этого нам понадобится узнать, есть ли поблизости, хотя бы в сотне световых лет вокруг Земли, какие-то объекты, которые двигаются с достаточно большими скоростями, чтобы улететь далеко и даже покинуть нашу Галактику — Млечный Путь.

 
Строение галактики Млечный Путь

 
Строение галактики Млечный Путь

ЗВЕЗДЫ ГАЛО

    Поиск сверхбыстрых объектов помогает многое понять об эволюции Вселенной. Дело в том, что облик галактик сформировался не сразу, и звезды в них возникали постепенно. В этих звездных островах есть и совсем молодые объекты, образующиеся у нас на глазах, и очень старые, появившиеся в условиях, совсем не похожих на современные. Детальное изучение различий между ними позволит лучше понять, как жила и зарождалась вся наша Вселенная.
    Млечный Путь относится к дисковым галактикам. Собственно, сама «Млечная дорога» в небе — это как раз диск галактики «в профиль», в котором мы и находимся. Однако диск не единственная составляющая. У Галактики есть еще гало. Это огромная — гораздо больше диска, — почти сферически симметричная структура, простирающаяся на сотни тысяч световых лет. В ней доминирует темное вещество, состоящее из элементарных частиц пока неизвестного нам типа, о существовании которых мы знаем только из-за их гравитационного действия. Поскольку частицы темного вещества слабо взаимодействуют друг с другом и с обычной материей, они не слипаются и распределяются достаточно равномерно — образуется гало. Хотя мы не можем увидеть его непосредственно, основная масса Галактики сосредоточена именно здесь.

    1. Звезда, которая всегда в диске
    2. Звезда высоко в гало
    3. Звезда гало, проходящая сквозь диск
    4. Убегающая звезда
    5. Гиперскоростная звезда
БЫСТРЫЕ ЗВЕЗДЫ

    Однако у Галактики есть и звездное гало, то есть часть звезд расположена за пределами галактического диска, но внутри гигантской сферы, заключающей этот диск. Звезды в гало — самые старые в нашей системе. Именно гало содержит самые первые строительные блоки, из которых образовалась галактика. Диск и балдж (галактический центр) возникли позже, в них попало вещество, уже обогащенное тяжелыми элементами, из которого образовывалось новое поколение звезд. Кроме того, в гало очень мало газа, так что последние миллиарды лет новых звезд там не возникало. Изучение звезд-долгожителей позволяет понять химический состав Вселенной на заре ее существования.
    Совершая свое галактическое обращение, эти звезды гало попадают в диск, в том числе и в наши окрестности. Оказывается, что их можно выделить среди прочих слабых звездочек вокруг нас. Они обладают важной отличительной чертой — у них совсем другие скорости. Хотя звезды диска вращаются вокруг центра Галактики довольно быстро (скорость Солнца составляет примерно 220-250 км/с, что в разы и даже десятки раз превосходит не только скорости наших космических аппаратов, но и скорость движения планет вокруг Солнца), относительно друг друга близкие звезды имеют небольшие по галактическим меркам скорости — 10-30 км/с. А вот звезды из гало — совсем другое дело. Опускаясь со своих высот (астрономы говорят о «высоте» над галактическим диском), они разгоняются гравитационным полем Галактики до 300 км/с и буквально просвистывают мимо нас. Примерно так же кометы, двигаясь по своим очень вытянутым орбитам, приобретают высокую скорость вблизи Солнца. Таким образом, измеряя скорости звезд, можно определить их принадлежность: то ли это звезды диска, то ли звезды гало.
    Если пофантазировать и представить, что мы сможем построить корабль, который долетит до ближайшей звезды гало и станет ее спутником, то потом, уже выключив двигатели, он сумеет вместе со звездой подняться высоко над плоскостью Млечного Пути. Однако путешествие будет долгим: со скоростью 300 км/с за 1000 лет мы пролетим всего один световой год, поэтому, чтобы заметно подняться над диском, придется ждать десятки миллионов лет, и из Галактики мы все равно не улетим, так как постепенно скорость будет уменьшаться за счет гравитационного поля нашей звездной системы, пока в итоге мы не полетим обратно к диску. Это уже гораздо лучше, чем ничего, но посмотрим, нет ли в природе чего-то более привлекательного для далеких перелетов.

САМЫЕ МАССИВНЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ
    Получены хорошие оценки массы для двух сверхмассивных черных дыр. Самим фактом оценок никого не удивишь, но здесь — рекорд. Масса каждой из дыр — 10 миллиардов солнечных. До этого информацию о таких дырах можно было получить только при ПОМО“ щи компьютерных моделей. Важ-но, что это не просто рекорд, но и новая задача для моделей формирования и эволюции таких объектов. Обе дыры заметно массивнее, чем получается из обычной корреляции дисперсии скоростей галактики или светимости балджа и массы центрального объекта.
    Четкого и однозначного объяснения того, почему массы черных дыр оказываются тесно связаны со свойствами галактик, пока нет. Считается, что рост массы дыры и сферической составляющей ее галактики идут синхронно. В большинстве известных галактик корреляция достаточно хорошая, значит, есть стандартные механизмы увеличения массы. Авторы этого открытия полагают, что для самых массивных черных дыр (и галактик) корреляция дает сбой из-за существенной роли еще какого-то механизма роста массы.
    Наблюдения квазаров указывают на то, что в дальней вселенной мы видим работу активных ядер галактик, где сидят очень массивные черные дыры. Но в ближней окрестности увидеть такие объекты (уже в спокойном состоянии) до сих пор не удавалось. Пара обнаруженных гигантов находится на расстоянии около 100 мегапарсек (более 300 миллионов световых лет). Их изучение должно позволить понять, как подобные объекты могли набирать массу в годы молодости Вселенной, когда формировались крупные галактики.
САМЫЕ МАССИВНЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

СЛИЯНИЕ ГАЛАКТИК

Галактики часто взаимодействуют друг с другом. Иногда происходит слияние крупных спиральных галактик. Астрономы не только пытаются обнаружить такие пары и изучить их, но и моделируют этот процесс с помощью суперкомпьютеров.
СЛИЯНИЕ МЛЕЧНОГО ПУТИ И АНДРОМЕДЫ

 
СЛИЯНИЕ МЛЕЧНОГО ПУТИ И АНДРОМЕДЫ

При взаимодействии галактик все происходит медленно. Слияние занимает миллиарды лет. Поэтому отнаблюдать разные стадии трудно, а промоделировать можно.
СЛИЯНИЕ МЛЕЧНОГО ПУТИ И АНДРОМЕДЫ

 
СЛИЯНИЕ МЛЕЧНОГО ПУТИ И АНДРОМЕДЫ

Слияние происходит в несколько этапов, потому что в начале галактики довольно быстро двигаются относительно друг друга.
СЛИЯНИЕ МЛЕЧНОГО ПУТИ И АНДРОМЕДЫ

 
СЛИЯНИЕ МЛЕЧНОГО ПУТИ И АНДРОМЕДЫ

Из-за приливного взаимодействия в ходе слияния у них отрастают красивые хвосты, меняется их структура.
СЛИЯНИЕ МЛЕЧНОГО ПУТИ И АНДРОМЕДЫ

 
СЛИЯНИЕ МЛЕЧНОГО ПУТИ И АНДРОМЕДЫ

 
СЛИЯНИЕ МЛЕЧНОГО ПУТИ И АНДРОМЕДЫ

 
СЛИЯНИЕ МЛЕЧНОГО ПУТИ И АНДРОМЕДЫ

Но итог известен: образуется единая галактика, а центральные сверхмассивные черные дыры каждой из двух галактик в конце концов сольются друг с другом.
СЛИЯНИЕ МЛЕЧНОГО ПУТИ И АНДРОМЕДЫ

 
СЛИЯНИЕ МЛЕЧНОГО ПУТИ И АНДРОМЕДЫ

ВКЛЮЧИТЬ ГИПЕРДЖЕТЫ!

    Уже в XXI веке начали открывать другие удивительно быстрые звезды. Они имеют скорости более 700 км/с, больше чем в два раза превосходящие скорость звезд гало. Этого достаточно, чтобы навсегда улететь из Галактики. Такие звезды называют гиперскоростными. Как же они смогли так разогнаться?
    Давайте разберемся, откуда звезда может получить скорость. Для этого другие объекты должны «поделиться» с ней импульсом. Обычно чем массивнее объект, с которым происходит взаимодействие, тем проще разогнаться. В нашей Галактике самым массивным является черная дыра в ее центре, масса этого объекта составляет несколько миллионов солнечных. Если пара звезд подлетит достаточно близко к черной дыре, то из-за их гравитационного взаимодействия и обмена импульсом связь между звездами может разорваться и одна из них получит огромную скорость — до тысяч километров в секунду!
    Сейчас известно несколько гиперскоростных звезд. Со скоростями выше 700 км/с они способны улететь далеко за пределы галактики (поскольку могут преодолеть ее притяжение). Например, одна такая звезда — НЕ 0437-5439 — летит в сторону ближайшей галактики — Большого Магелланова Облака. Вот идеальный транспорт! Представьте, как было бы здорово поселиться на планете у такой звезды. Новое Солнце есть, а значит, с энергией проблем не возникнет. Не надо строить корабль — можно развивать цивилизацию на планете, обращающейся вокруг гиперскоростной звезды. Обустроились - и в путь, в другую галактику. Путь неблизкий, он может занять десятки и даже сотни миллионов лет, зато все само собой происходит. Целая цивилизация могла бы совершить перелет «верхом на звезде».

УБЕГАЮЩИЕ ЗВЕЗДЫ

    К сожалению, все гиперскоростные звезды находятся далеко от нас. Связано это, конечно же, с тем, что сам центр Галактики от нас очень далек, а вероятность того, что гиперскоростная звезда полетит прямо к нам, невелика. Но и в солнечной окрестности происходит кое-что интересное. Невооруженным глазом на небе можно увидеть так называемые убегающие звезды.

Схематичная траектория полета гиперскоростной звезды.
ГИПЕРСКОРОСТЬ

    Это массивные (а потому и яркие) светила, которые двигаются относительно близких звезд со скоростями, часто превышающими 100 км/с. Считается, разогнаться они могли по двум причинам. С первой мы уже знакомы — это гравитационное взаимодействие с другими объектами. Массивные звезды любят рождаться кучами — скоплениями. Пока скопление не распалось, звезды располагаются довольно тесно, потому высока вероятность того, что итогом взаимодействия станет приобретение одной из звезд высокой скорости. Звезда при этом совершит гравитационный маневр, примерно как искусственные спутники, которые мы, направляя к Сатурну или Меркурию, заставляем изменить скорость, пролетая мимо Венеры или Марса. Второй способ более интересный. Массивные звезды часто рождаются парами. Они кружат вокруг общего центра масс, пока одна не взорвется как сверхновая. При этом звезда сбрасывает большую массу. Но вторую звезду в паре удерживала именно эта масса! Если удалось скинуть более половины полной массы двойной звездной системы, то она распадается. Что почувствует вторая звезда? Представьте Тома Сойера, который крутит дохлую крысу на веревочке. Веревочка обрывается. Крыса со своей «орбитальной» скоростью полетит в сторону. Так же и звезда. В тесной массивной двойной системе орбитальные скорости могут составлять сотни километров в секунду. Разорвав пару взрывом сверхновой, мы получим убегающую звезду.
    Убегающие звезды не покидают Галактику. Дело даже не в том, что скорости не слишком велики, а в том, что живут они недолго, ведь массивные звезды очень быстро пережигают запасы термоядерного топлива, а потому живут не миллиарды или десятки миллиардов лет, как маломассивные звезды, а всего лишь миллионы или десятки миллионов. Получается салют: звезда взлетает высоко над диском — и взрывается сверхновой. Образуется нейтронная звезда или черная дыра. Астрономы, изучающие пульсары (нейтронные звезды — источники периодических всплесков излучения), долгое время гадали: как же это некоторые из них в молодом возрасте могли забраться так высоко? А это не он забрался, а звезда, его породившая.

    Спектр уникальной звезды, полученный прибором X-Shooter
    В созвездии Льва обнаружена звезда с очень низким содержанием тяжелых элементов. У нее второй результат среди всех звезд по незначительности содержания железа и первый — по незначительности содержания углерода. Соответственно, и по незначительности массового содержания вообще всех элементов тяжелее гелия звезда получается в итоге рекордсменом. Если найдется звезда, у которой этот показатель окажется всего вдвое меньше, то у теорий, предсказывающих, что первичные звезды не могли быть маломассивными, начнутся серьезные проблемы.
Предельно первичвая звезда гало


САМЫЕ БЫСТРЫЕ

    Сотни километров в секунду — это здорово. А больше? Кому принадлежит рекорд? Это самые загадочные, самые интересные объекты — нейтронные звезды. Нейтронная звезда появляется после взрыва сверхновой. Ядро взорвавшейся массивной звезды коллапсирует, и в итоге мы имеем 20-километровый шарик с массой, превосходящей солнечную, с плотностью большей, чем у атомного ядра, со сверхсильным магнитным полем, со сверхсильной гравитацией, со сверхтекучестью и сверхпроводимостью в недрах. При вспышке сверхновой почти мгновенно выделяется невероятно много энергии. Больше, чем Солнце излучит за всю свою жизнь (а это 10 миллиардов лет!). Крайне маловероятно, что в природе такие взрывы происходят абсолютно симметрично относительно центра звезды. А если взрыв не симметричен, то образующийся после вспышки объект получит «пинок» (по-английски это так и называют — kick), причем довольно чувствительный. Шарик с массой, как у Солнца, можно разогнать до сотен и тысяч километров в секунду. Это не единственное объяснение сверхбыстрого движения нейтронных звезд. Первым механизм разгона нейтронной звезды из-за несимметричного взрыва сверхновой рассмотрел в 1970 году советский астроном Иосиф Шкловский. Однако затем были предложены другие возможные сценарии приобретения нейтронной звездой высокой скорости. Один из них был сформулирован Николаем Чугаем в 1984 году. Идея Чу гая такова: основную долю энергии взрыва сверхновой уносят нейтрино. Это очень легкие, очень трудноуловимые частицы. Но их много. Нейтрино могут излучаться нейтронной звездой в виде двух струй. Опять-таки струи эти могут быть несимметричны. Это выглядит, как два противоположно направленных реактивных двигателя разной мощности. Если один двигатель намного мощнее другого, то мы снова сможем разогнать нейтронную звезду до большой скорости.
    Есть и другие идеи, но итог таков, что нейтронные звезды довольно легко преодолевают отметку 1000 км/с. И такие случаи наблюдаются. В этом году было заявлено об обнаружении двух возможных рекордсменов. Сначала Джон Томсик (Tomsick) с соавторами заявил об обнаружении нейтронной звезды, чья скорость может быть близка к 3000 км/с. Но тут еще нужны проверки и подтверждения. А вот результат Аиды Кириченко из ФТИ имени Иоффе в Петербурге и ее коллег более надежен. Они измерили для другой нейтронной звезды — пульсара — скорость около 2000 км/с. Эта звезда, которая находится в нашей Галактике на расстоянии примерно 6500 световых лет от нас, тоже гипотетически может рассматриваться на роль космического «паровоза» — она обречена на межгалактические странствия.

НА ГРАВИТАЦИОННОЙ ВОЛНЕ

    Есть еще один удивительный механизм, позволяющий разгонять до сотен и даже тысяч километров в секунду гигантские объекты с массами в миллиарды солнечных: гравитационно-волновая ракета. Представим пару массивных звезд. О таких мы уже говорили. Вот они живут, по очереди взрываются как сверхновые и порождают черные дыры. В некоторых случаях система может сохраниться. Например, если при каждом взрыве сбрасывалось менее половины текущей массы системы или если рожденная во взрыве черная дыра получила «пинок», направленный против орбитальной скорости. Что дальше? Черные дыры кружат вокруг общего центра масс и в полном согласии с общей теорией относительности излучают гравитационные волны.
    Излучение должно происходить за счет чего-то. Богатств у пары черных дыр немного. Испуская гравитационные волны, они сближаются, орбита становится все более тесной. Итогом должно стать слияние. Именно для обнаружения всплесков гравитационных волн от таких событий в начале этого века построены детекторы LIGO (американский проект) и VIRGO (франко-итальянский проект). Почти наверняка в год столетия общей теории относительности, то есть года через 3-4, слияния будут открыты. Заодно это станет окончательным подтверждением существования черных дыр. Но есть еще одна важная особенность.Черные дыры в паре не могут быть абсолютно одинаковыми, они имеют разную массу. Значит, процесс слияния и испускания идет несимметрично. Гравитационные волны уносят энергию и импульс. Если импульс ушел из системы преимущественно в каком-то направлении, то получившаяся в результате слияния черная дыра полетит в другую сторону. Так просто! Однако сам механизм придумали только в 1960-е годы. А астрофизики вообще «вспомнили» о нем в 1990-е, причем вовсе не в связи с массивными двойными звездами, а в связи с образованием галактик. Современные модели говорят, что первыми во Вселенной появляются звезды. Они не совсем похожи на те, что мы видим вокруг. Дело в том, что вещество, из которого они возникли, еще первичное. В нем есть практически только водород и гелий и нет более тяжелых элементов. Такие звезды могут быть очень массивными — в сотни раз тяжелее Солнца. Они живут недолго и в итоге порождают черные дыры. Потом образуются новые звезды и так далее. Но одновременно идет процесс роста структуры: небольшие «строительные блоки», в которых формировались самые первые звезды, объединяются друг с другом, чтобы в итоге породить галактики.

Слияние черных дыр
    Система CID-42 очень любопытна. Это пара недавно слившихся галактик. В ее центральной части различимы два сгущения. Естественно предположить, что это две черные дыры со всем полагающимся окружением. Но положение ярких деталей не совпадает с наблюдаемым, поэтому возможен другой вариант.
    После слияния двух черных дыр итоговый объект может получать большую (до тысяч километров в секунду) скорость отдачи — кик. Это так называемый эффект гравитационно-волновой ракеты. Вероятно, в системе CID-42 различима вылетевшая черная дыра и центральное звездное скопление, которое она покинула. Это подтверждается и рентгеновскими наблюдениями.
    Ученые отмечают, что отбросить вариант все еще сливающихся дыр, равно как и вариант выброса дыры, но не из-за гравитационно-волновой ракеты, а из-за рассеяния на паре черных дыр, нельзя, но они выглядят менее предпочтительными. Эту систему предстоит изучать.
Слияние черных дыр

    Во время объединения таких блоков в галактики черные дыры образуют пары и постепенно сливаются. Дальше возможны два варианта. Если в результате слияния появилась быстрая черная дыра, то она вылетит из центра формирующейся структуры. Если медленная, то она останется в центре. Из таких оставшихся, вероятно, и вырастут потом сверхмассивные черные дыры. А вылетевшие будут «болтаться» в гало галактики или улетят в межгалактическое пространство.

    Две черные дыры разных масс вращаются вокруг центра масс. Они испускают гравитационные волны, а потому сближа-ются двигаясь по спиралям (1).
    Однако волны излучаются несимметрично: дыры больше излучают вперед (по направлению движения), а траектории не замкнуты. Кроме того, скорости дыр различны, так как различны массы (2). Волны уносят не только энергию, но и импульс. Чтобы выполнялся закон сохранения, вся система начинает двигаться в сторону, противоположную той, куда волны унесли больше импульса. В итоге, когда черные дыры сольются, образовавшийся объект будет двигаться, хотя изначально,когда дыры были еще далеко друг от друга, вся система покоилась.
Слияние черных дыр

    Вспомним, что и галактики сливаются друг с другом. Известны красивейшие фотографии таких огромных звездных систем в объятиях друг друга. Почти любая крупная галактика имеет сверхмассивную черную дыру в центре. Значит, в результате слияния может образоваться пара гигантских черных дыр. А дальше она должна рано или поздно слиться. Это надеялись увидеть с помощью космического гравитационно-волнового телескопа LISA, но из-за кризиса проект не был профинансирован. Улететь из большой галактики тяжело (хотя и возможно), но образовавшаяся черная дыра должна получить некоторую скорость, которая приведет к ее колебаниям около центра галактики. Из-за того что галактика очень массивна, покинуть ее такому объекту трудно, даже если ее скорость будет составлять несколько сотен километров в секунду. Есть данные, говорящие о том, что и такую ситуацию мы наблюдаем.

УСКОРЕНИЕ НАУКИ

    Посмотрим еще раз на нашу Галактику. В диске звезды вращаются вокруг центра Галактики с высокой скоростью, которая может превосходить 200 км/с, но это не настоящее путешествие: относительно друг друга они движутся медленно (со скоростями 20-30 км/с), расстояние от центра почти не меняют, над диском не поднимаются. Зато есть убегающие звезды, которые могут, получив дополнительную скорость более 100 км/с, и удалиться от центра, и взлететь над диском, но не далеко и не высоко. Пролетающие мимо нас со скоростью километров 300 в секунду звезды гало Галактики поднимаются на многие тысячи световых лет над плоскостью Млечного Пути, но потом летят обратно из-за гравитации звездного острова. Покидать Галактику могут гиперскоростные звезды, их начальные скорости порядка 700 км/с достаточны для этого. Они могут улететь и к другим звездным системам. Хотя такой вояж займет сотни миллионов лет, это хороший транспорт, потому что звезда не только везет, но и согревает. Рекордсменами среди известных галактических объектов являются нейтронные звезды, которые в результате взрыва сверхновой могут разогнаться и до тысяч километров в секунду. А где-то во Вселенной могут быть гигантские черные дыры с массами в миллионы и миллиарды солнечных, бороздящие космические просторы с огромными скоростями.
    Конечно, изучение сверхскоростных объектов пока нужно вовсе не ради решения практической задачи космических путешествий. Такие объекты выбиваются из общего ряда, а значит, свидетельствуют о необычных процессах, происходящих во Вселенной. Быстрое движение позволяет выделить в нашей Галактике звезды гало, которые были свидетелями зарождения нашего мира. Скоростные нейтронные звезды могут рассказать о взрывах сверхновых, а движущиеся черные дыры — о слиянии галактик. Для того чтобы разогнать объект до необычно высокой скорости, должно было произойти что-то необычное. Поэтому, хотя пока мы не можем «прицепиться» к сверхбыстрым звездам для путешествия к другим галактикам, они являются локомотивом для развития науки.
Автор: СЕРГЕЙ ПОПОВ, "ВОКРУГ СВЕТА"

Дата публикации Галактики
Среда, 27 января 2016 15:24

Космический огород. Галактики.

ГАЛАКТИКИ

    ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ПЛАНЕТ И ЗВЕЗД ИЗМЕРЯЕТСЯ ТЫСЯЧЕЛЕТИЯМИ, СОЛНЦА, КОМЕТ, АСТЕРОИДОВ И МЕТЕОРИТОВ - СТОЛЕТИЯМИ. А ВОТ ГАЛАКТИКИ, РАЗБРОСАННЫЕ ПО ВСЕЛЕННОЙ СКОПЛЕНИЯ ЗВЕЗД, КОСМИЧЕСКОГО ГАЗА И ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ, СТАЛИ ОБЪЕКТОМ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ЛИШЬ В 1920-Е ГОДЫ


    Галактики наблюдали с незапамятных времен. Человек с острым зрением может различить на ночном небосводе светлые пятна, похожие на капли молока. В X веке персидский астроном Абд-аль-Раман аль-Суфи упомянул в своей «Книге о неподвижных звездах» два подобных пятна, известных теперь как Большое Магелланово облако и галактика М31, она же Андромеда. С появлением телескопов астрономы наблюдали все больше таких объектов, получивших название туманностей. Если английский астроном Эдмунд Галлей в 1716 году перечислил всего шесть туманностей, то каталог, опубликованный в 1784 году астрономом французского военно-морского флота Шарлем Мессье, содержал уже 110 - и среди них четыре десятка настоящих галактик (в том числе и М31). В 1802 году Уильям Гершель опубликовал перечень из 2500 туманностей, а его сын Джон в 1864 году издал каталог, где было более 5000 туманностей.

 
ГАЛАКТИКА NGC 3190


    Природа этих объектов долгое время ускользала от понимания. В середине XVIII века некоторые проницательные умы увидели в них звездные системы, подобные Млечному Пути, однако телескопы в то время не предоставляли возможности проверить эту гипотезу. Столетием позже восторжествовало мнение, что каждая туманность - это газовое облако, подсвеченное изнутри молодой звездой. Позже астрономы убедились, что некоторые туманности, в том числе и Андромеда, содержат множество звезд, однако еще долго не было ясно, расположены они в нашей Галактике или за ее пределами. И лишь в 1923-1924 годах Эдвин Хаббл определил, что расстояние от Земли до Андромеды как минимум троекратно превосходит диаметр Млечного Пути (на самом деле примерно в 20 раз) и что МЗЗ, другая туманность из каталога Мессье, удалена от нас на никак не меньшую дистанцию. Эти результаты положили начало новой научной дисциплине - галактической астрономии.

Карлики и гиганты


    Вселенная заполнена галактиками разного размера и разных масс. Их количество известно весьма приблизительно. Семь лет назад орбитальный телескоп «Хаббл» за три с половиной месяца обнаружил около 10 000 галактик, сканируя в южном созвездии Печи участок небосвода, в сто раз меньший, нежели площадь лунного диска. Если предположить, что галактики распределяются по небесной сфере с такой же плотностью, получится, что в наблюдаемом космосе их 200 млрд. Однако эта оценка сильно занижена, поскольку телескоп не смог заметить великое множество очень тусклых галактик.

Наша ближайшая соседка, галактика Андромеда (М31) - один из излюбленных небесных объектов для любительских астрономических наблюдений и фотосъемки. И не только любительской - на иллюстрации представлен комбинированный мультиспектральный вид М31, сделанный космическим телескопом Spitzer и аппаратом NASA Galaxy Evolution Explorer (GALEX). УФ-глаза GALEX открывают огненную натуру Андромеды - горячие области, наполненные молодыми (показаны синим) и старыми (зеленые точки и яркая желтая область в центре галактики) звездами. Чувствительный ИК-телескоп Spitzer видит другую, холодную сторону - области формирования звезд (показано красным), скрытые от посторонних глаз облаками пыли и газа. Фиолетовым показаны области, где горячие массивные звезды сосуществуют с холодными, окруженными пылевыми облаками.
ПОДГЛЯДЫВАЯ ЗА СОСЕДКОЙ


    Среди галактик есть и карлики, и гиганты. В авторитетном оксфордском справочнике Companion to Cosmology 2008 года издания написано, что самые мелкие галактики содержат миллионы звезд, а самые крупные - триллионы.
    Эта информация уже успела устареть. Как рассказал профессор Техасского университета в Остине Джон Корменди, в последние годы было открыто семейство минигалактик всего лишь с сотнями звезд: «Это так называемые ультракомпактные карлики, линейные размеры которых лежат в пределах 20 парсек. Несмотря на малое количество звезд, масса таких галактик составляет миллионы и десятки миллионов солнечных масс. Скорее всего, в этом в основном повинна темная материя, хотя некоторые ученые полагают, что немалый вклад принадлежит черным дырам и нейтронным звездам. Как бы то ни было, старое определение галактики как крупного автономного звездного скопления больше не работает». На верхней границе галактического спектра находятся сверхгиганты диаметром порядка мегапарсека, у которых численность звездного населения достигает сотни триллионов.

Форма и содержание


    Галактики различаются и морфологией (то есть формой). В целом их подразделяют на три основных класса - дисковидные, эллиптические и неправильные (иррегулярные). Это общая классификация, есть гораздо более детальные.
    Дисковидная галактика - это звездный блин, вращающийся вокруг оси, проходящей через его геометрический центр. Обычно по обе стороны центральной зоны блина имеется овальное вздутие - балдж (от англ. bulge). Балдж тоже вращается, однако с меньшей угловой скоростью, нежели диск. В плоскости диска нередко наблюдаются спиральные ветви, изобилующие сравнительно молодыми яркими светилами. Однако есть галактические диски и без спиральной структуры, где таких звезд много меньше.
    Центральную зону дисковидной галактики может рассекать звездная перемычка - бар. Пространство внутри диска заполнено газопылевой средой - исходным материалом для новых звезд и планетных систем. Галактика имеет два диска: звездный и газовый. Они окружены галактическим гало - сферическим облаком разреженного горячего газа и темной материи, которая и вносит основной вклад в полную массу галактики. Гало вмещает также отдельные старые звезды и шаровые звездные скопления (глобулярные кластеры) возрастом до 13 млрд лет. В центре едва ли не любой дисковидной галактики, как с балджем, так и без балджа, расположена сверхмассивная черная дыра. Самые крупные галактики этого типа содержат по 500 млрд звезд.

В 1926 году знаменитый американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл предложил (а в 1936 году модернизировал свою) классификацию галактик по их морфологии. Из-за характерной формы эту классификацию называют еще «Камертоном Хаббла». На «ножке» камертона находятся эллиптические галактики, на зубцах вилки - линзовидные галактики без рукавов и спиральные галактики без бара-перемычки и с баром. Галактики, которые не могут быть классифицированы как один из перечисленных классов, называются неправильными.
КАМЕРТОН ЗДВИНА ХАББЛА


    Эллиптическая галактика, как и следует из ее названия, имеет форму эллипсоида. Она не вращается как целое и потому не обладает осевой симметрией. Ее звезды, которые в основном имеют сравнительно небольшую массу и солидный возраст, обращаются вокруг галактического центра в разных плоскостях и иногда не по отдельности, а сильно вытянутыми цепочками. Новые светила в эллиптических галактиках загораются редко в связи с дефицитом исходного сырья - молекулярного водорода.
    Как самые крупные, так и самые мелкие галактики относятся к эллиптическому типу. Общая доля его представителей в галактическом населении Вселенной всего около 20%. Эти галактики (возможно, за исключением самых мелких и тусклых) также скрывают в своих центральных зонах сверхмассивные черные дыры. Эллиптические галактики имеют и гало, но не столь четкие, как у дисковидных.

Подобно людям, галактики объединяются в группы. Наша Местная группа включает две самые крупные галактики в окрестностях размером порядка 3 мегапарсек - Млечный Путь и Андромеду (М31), галактику Треугольника, а также их спутники - Большое и Малое Магеллановы облака, карликовые галактики в Большом Псе, Пегасе, Киле, Секстанте, Фениксе и еще множество других - всего числом около полусотни. Местная группа, в свою очередь, является членом местного сверхскопления Девы.
МЕСТНАЯ ГРУППА ГАЛАКТИК

 

ЗВЕЗДНОЕ РАССЕЛЕНИЕ
Галактики распределены в космическом пространстве вовсе не хаотично. Массивные галактики нередко окружены небольшими галактиками-спутниками.
    И наш Млечный Путь, и соседняя Андромеда имеют не менее 14 спутников, и, скорее всего, их гораздо больше. Галактики любят объединяться в пары, тройки и более крупные группы из десятков гравитационно связанных партнеров. Ассоциации побольше, галактические скопления, содержат сотни и тысячи галактик (первое из таких скоплений открыл еще Мессье). Порой в центре скопления наблюдается особо яркая гигантская галактика, возникшая, как считают, в процессе слияния галактик меньшего калибра.
    И наконец, есть еще и сверхскопления, в которые входят как галактические скопления и группы, так и отдельные галактики. Обычно это вытянутые структуры протяженностью до сотни мегапарсек. Их разделяют почти полностью свободные от галактик космические пустоты такого же размера. Сверхскопления уже не организованы в какие-либо структуры более высокого порядка и разбросаны по космосу случайным образом. По этой причине в масштабах нескольких сотен мегапарсек наша Вселенная однородна и изотропна.
ЗВЕЗДНОЕ РАССЕЛЕНИЕ


    Все прочие галактики считаются иррегулярными. Они содержат много пыли и газа и активно порождают молодые звезды. На умеренных расстояниях от Млечного Пути таких галактик немного, всего-то 3%. Однако среди объектов с большим красным смещением, чей свет был испущен не позже, чем через 3 млрд лет после Большого взрыва, их доля резко возрастает. Судя по всему, все звездные системы первого поколения были невелики и обладали неправильными очертаниями, а крупные дисковидные и эллиптические галактики возникли гораздо позже.

Рождение галактик


    Галактики появились на свет вскоре после звезд. Считается, что первые светила вспыхнули никак не позднее, чем спустя 150 млн лет после Большого взрыва.
    В январе 2011 года команда астрономов, обрабатывавших информацию с космического телескопа «Хаббл», сообщила о вероятном наблюдении галактики, чей свет ушел в космос через 480 млн лет после Большого взрыва. В апреле еще одна исследовательская группа обнаружила галактику, которая, по всей вероятности, уже вполне сформировалась, когда юной Вселенной было около 200 млн лет.
    Условия для рождения звезд и галактик возникли задолго до его начала. Когда Вселенная прошла возрастную отметку в 400 000 лет, плазма в космическом пространстве заменилась смесью из нейтрального гелия и водорода. Этот газ был еще чересчур горяч, чтобы стянуться в молекулярные облака, дающие начало звездам. Однако он соседствовал с частицами темной материи, изначально распределенными в пространстве не вполне равномерно - где чуть плотнее, где разреженнее. Они не взаимодействовали с барионным газом и потому под действием взаимного притяжения свободно стягивались в зоны повышенной плотности. Согласно модельным вычислениям, уже через сотню миллионов лет после Большого взрыва в космосе образовались облака темной материи величиной с нынешнюю Солнечную систему. Они объединялись в более крупные структуры, невзирая на расширение пространства. Так возникли скопления облаков темной материи, а потом и скопления этих скоплений. Они втягивали в себя космический газ, предоставляя ему возможность сгущаться и коллапсировать. Таким путем появились первые сверхмассивные звезды, которые быстро взрывались сверхновыми и оставляли после себя черные дыры. Эти взрывы обогащали космическое пространство элементами тяжелее гелия, которые способствовали охлаждению коллапсирующих газовых облаков и потому делали возможным появление менее массивных звезд второго поколения. Такие звезды уже могли существовать миллиарды лет и потому были в состоянии формировать (опять-таки с помощью темной материи) гравитационно связанные системы. Так возникли долгоживущие галактики, в том числе и наша.
    «Многие детали галактогенеза еще скрыты в тумане, - говорит Джон Корменди. - В частности, это относится к роли черных дыр. Их массы варьируют от десятков тысяч масс Солнца до абсолютного на сегодняшний день рекорда в 6,6 млрд солнечных масс, принадлежащего черной дыре из ядра эллиптической галактики М87, расположенной в 53,5 млн световых лет от Солнца. Дыры в центрах эллиптических галактик, как правило, окружены балджами, составленными из старых звезд. Спиральные галактики могут вовсе не иметь балджей или же обладать их плоскими подобиями, псевдобалджами. Масса черной дыры обычно на три порядка меньше массы балджа - естественно, если оный наличествует. Эта закономерность подтверждается наблюдениями, охватывающими дыры массой от миллиона до миллиарда солнечных масс».

Используя инфракрасные снимки космического телескопа Spitzer, астрономы составляют карту Млечного Пути. Он состоит из двух самых крупных спиральных рукавов - Щита-Центавра и Персея, соединенных баром, и двух более мелких - Стрельца и Наугольника, наполненных газовыми облаками и областями формирования звезд. Еще более мелкие рукава включают Внешний, Дальний и Ближний 3-килопарсековые рукава. Наша Солнечная система находится в небольшом рукаве (отроге) Ориона.
КАРТА НАШЕГО ОСТРОВА

 

МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ
Солнце обращается вокруг центра вполне рядовой спиральной галактики, в состав которой входят 200-400 млрд звезд.
    Ее диаметр приблизительно равен 28 килопарсекам (чуть больше 90 000 световых лет). Радиус солнечной внутригалактической орбиты - 8,5 килопарсек (так что наше светило смещено к внешнему краю галактического диска), время полного оборота вокруг центра Галактики - примерно 250 млн лет. Балдж Млечного Пути имеет эллипсовидную форму и наделен баром, который обнаружили совсем недавно. В центре балджа находится компактное ядро, заполненное звездами различного возраста - от нескольких миллионов лет до миллиарда и старше. Внутри ядра за плотными пылевыми облаками скрывается достаточно скромная по галактическим стандартам черная дыра - всего 3,7 млн солнечных масс. Наша Галактика может похвастаться двойным звездным диском.
    На долю внутреннего диска, который имеет по вертикали не более 500 парсек, приходится 95% звезд дисковой зоны, в том числе все молодые яркие звезды. Его охватывает внешний диск толщиной в 1500 парсек, где обитают звезды постарше. Толщина газопылевого диска Млечного Пути не менее 3,5 килопарсек. Четыре спиральных рукава диска - области повышенной плотности газопылевой среды - содержат большинство самых массивных звезд. Диаметр гало Млечного Пути не менее чем вдвое больше диаметра диска. Там обнаружено порядка 150 глобулярных кластеров, возраст старейших превышает 13 млрд лет. Гало заполнено темной материей комковатой структуры. По последним данным, форма гало - значительно приплюснутый шар. Общая масса Галактики может составлять до 3 трлн солнечных масс, причем на долю темной материи приходится 90-95%. Масса звезд Млечного Пути оценивается в 90-100 млрд масс Солнца.
МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ


    Как полагает профессор Корменди, галактические черные дыры набирают массу двумя путями. Дыра, окруженная полноценным балджем, растет за счет поглощения газа, который приходит к балджу из внешней зоны галактики. Во время слияния галактик интенсивность поступления этого газа резко возрастает, что инициирует вспышки квазаров. В результате балджи и дыры эволюционируют параллельно, что и объясняет корреляцию между их массами (правда, могут работать и другие, еще неизвестные механизмы).
    Иное дело безбалджевые галактики и галактики с псевдобалджами. Массы их дыр обычно не превышают 104-106 солнечных масс. По мнению профессора Корменди, они подкармливаются газом за счет случайных процессов, которые происходят недалеко от дыры, а не простираются на целую галактику. Такая дыра растет вне зависимости от эволюции галактики или ее псевдобалджа, чем и обусловлено отсутствие корреляции между их массами.

Растущие галактики


    Галактики могут увеличивать и размер, и массу. «В далеком прошлом галактики делали это гораздо эффективней, нежели в недавние космологические эпохи, - объясняет профессор астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Круз Гарт Иллингворт. - Темпы рождения новых звезд оценивают в терминах годового производства единицы массы звездного вещества (в этом качестве выступает масса Солнца) на единицу объема космического пространства (обычно это кубический мегапарсек). Во времена формирования первых галактик этот показатель был весьма невелик, а затем пошел в быстрый рост, продолжавшийся до тех пор, пока Вселенной не исполнилось 2 млрд лет. Еще 3 млрд лет он был относительно постоянным, потом начал снижаться почти пропорционально времени, и снижение это продолжается по сей день. Так что 7-8 млрд лет назад средний темп звездообразования в 10-20 раз превышал современный. Большинство доступных наблюдению галактик уже полностью сформировались в ту далекую эпоху».
    В общих чертах эта тенденция понятна. Галактики увеличиваются двумя основными способами. Во-первых, они получают свежий материал для звездообразования, втягивая из окружающего пространства газ и частицы пыли. В течение нескольких миллиардов лет после Большого взрыва этот механизм исправно работал просто потому, что звездного сырья в космосе хватало всем. Потом, когда запасы истощились, темп звездного рождения упал. Однако галактики нашли возможность увеличивать его за счет столкновения и слияния. Правда, для реализации этого варианта необходимо, чтобы сталкивающиеся галактики располагали приличным запасом межзвездного водорода. Крупным эллиптическим галактикам, где его практически не осталось, слияние не помогает, зато в дисковидных и неправильных оно работает.

Курс на столкновение


    Посмотрим, что происходит при слиянии двух примерно одинаковых галактик дискового типа. Их звезды практически никогда не сталкиваются - слишком велики расстояния между ними. Однако газовый диск каждой галактики ощущает приливные силы, обусловленные притяжением соседки. Барионное вещество диска теряет часть углового момента и смещается к центру галактики, где возникают условия для взрывного роста скорости звездообразования. Часть этого вещества поглощается черными дырами, которые тоже набирают массу. В заключительной фазе объединения галактик черные дыры сливаются, а звездные диски обеих галактик теряют былую структуру и рассредоточиваются в пространстве. В итоге из пары спиральных галактик образуется одна эллиптическая. Но это отнюдь не полная картина. Излучение молодых ярких звезд способно выдуть часть водорода за пределы новорожденной галактики. В то же время активная аккреция газа на черную дыру вынуждает последнюю время от времени выстреливать в пространство струи частиц огромной энергии, подогревающие газ по всей галактике и тем препятствующие формированию новых звезд. Галактика постепенно затихает - скорее всего, навсегда.

ИССЛЕДОВАТЕЛИ ИЗ ПИТТСБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА, Калифорнийского университета в Ирвине и Атлантического университета Флориды смоделировали ситуацию столкновения Млечного Пути и предшественницы карликовой эллиптической галактики в Стрельце (Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy, SagDEG). Они проанализировали два варианта столкновений - с легкой (3 х 1010 масс Солнца) и тяжелой (1011 масс Солнца) SagDEG. На рисунке слева направо показаны результаты 2,7 млрд лет эволюции Млечного Пути без взаимодействия с карликовой галактикой и с взаимодействием с легким и тяжелым вариантами SagDEG.
ИССЛЕДОВАТЕЛИ ИЗ ПИТТСБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

 

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
На рисунке результаты эволюции в различные моменты времени - начальная конфигурация (а), через 0,9 (b), 1,8 (c) и 2,65 млрд лет (d). Согласно модельным расчетам, бар и спиральные рукава Млечного Пути могли сформироваться в результате столкновений с SagDEG, которая изначально тянула на 50-100 млрд солнечных масс. Дважды она проходила сквозь диск нашей Галактики и теряла часть своей материи (и обычной, и темной), вызывая пертурбации его структуры. Нынешняя масса SagDEG не превышает десятков миллионов солнечных масс, и очередное столкновение, которое ожидают не позже чем через 100 млн лет, скорее всего, станет для нее последним.


    Галактики неодинакового калибра сталкиваются по-иному. Крупная галактика способна поглотить карликовую (сразу или в несколько приемов) и при этом сохранить собственную структуру. Этот галактический каннибализм тоже может стимулировать процессы звездообразования. Карликовая галактика полностью разрушается, оставляя после себя цепочки звезд и струи космического газа, которые наблюдаются как в нашей Галактике, так и в соседней Андромеде. Если же одна из сталкивающихся галактик не слишком превосходит другую, возможны даже более интересные эффекты.

В ожидании супертелескопа

Г
    алактическая астрономия дожила почти до девяностолетия. Она начала практически с нуля и достигла очень многого. Однако количество нерешенных проблем очень велико. Так, никто не знает, когда и как сформировались первые галактики и какими путями образуются галактики с дисковой структурой. «Ученые ожидают очень много от инфракрасного орбитального телескопа «Джеймс Уэбб», запуск которого намечен на 2018 год, - говорит Гарт Иллингворт. - К сожалению, пока не ясно, будет ли этот проект завершен - по причине финансовых трудностей. Хочется надеяться, что он состоится».
Автор: АЛЕКСЕЙ ЛЕВИН, "ПОПУЛЯРНАЯ МЕХАНИКА

Дата публикации Галактики
Среда, 27 января 2016 15:18

Гипотеза Инфляции

ИНФЛЯЦИЯ

    ОДИН ИЗ ФРАГМЕНТОВ ПЕРВОЙ МИКРОСЕКУНДЫ ЖИЗНИ ВСЕЛЕННОЙ СЫГРАЛ ОГРОМНУЮ РОЛЬ В ЕЕ ДАЛЬНЕЙШЕЙ ЭВОЛЮЦИИ

    Концептуальный прорыв стал возможным благодаря очень красивой гипотезе, родившейся в попытках найти выход из трех серьезных неувязок теории Большого взрыва - проблемы плоской Вселенной, проблемы горизонта и проблемы магнитных монополей.

 
ВСЕМОГУЩАЯ ИНФЛЯЦИЯ

    С середины 1970-х годов физики начали работать над теоретическими моделями Великого объединения трех фундаментальных взаимодействий - сильного, слабого и электромагнитного. Многие из этих моделей приводили к заключению, что вскоре после Большого взрыва должны были в изобилии рождаться очень массивные частицы, несущие одиночный магнитный заряд. Когда возраст Вселенной достиг 10-36 секунды (по некоторым оценкам, даже несколько раньше), сильное взаимодействие отделилось от электрослабого и обрело самостоятельность. При этом в вакууме образовались точечные топологические дефекты с массой в 1015— 1016 большей, чем масса тогда еще не существовавшего протона. Когда, в свою очередь, электрослабое взаимодействие разделилось на слабое и электромагнитное и появился настоящий электромагнетизм, эти дефекты обрели магнитные заряды и начали новую жизнь - в виде магнитных монополей.

Разделение фундаментальных взаимодействий в нашей ранней Вселенной носило характер фазового перехода. При очень высоких температурах фундаментальные взаимодействия были объединены, но при остывании ниже критической температуры разделения не произошло [это можно сравнить с переохлаждением воды]. В этот момент энергия скалярного поля, связанного с объединением, превысила температуру Вселенной, что наделило поле отрицательным давлением и послужило причиной космологической инфляции. Вселенная стала очень быстро расширяться, и в момент нарушения симметрии (при температуре около 1028 К) ее размеры увеличились в 1050 раз. Скалярное поле, связанное с объединением взаимодействий, исчезло, а его энергия трансформировалась в дальнейшее расширение Вселенной.
ГОРЯЧЕЕ РОЖДЕНИЕ

Реликтовое излучение, которое мы сейчас видим с Земли, приходит с расстояния 46 млрд световых лет (по сопутствующей шкале), пропутешествовав чуть менее 14 млрд лет. Однако когда это излучение начало свое странствие, возраст Вселенной насчитывал всего лишь 300 000 лет. За это время свет мог пройти путь, соответственно, лишь в 300 000 световых лет (маленькие окружности), и две точки на иллюстрации просто не смогли бы связаться друг с другом - их космологические горизонты не пересекаются.
ПОТЕРЯ СВЯЗИ

    Эта красивая модель поставила космологию перед малоприятной проблемой. «Северные» магнитные монополи аннигилируют при столкновении с «южными», но в остальном эти частицы стабильны. Из-за огромной по меркам микромира массы нанограммового масштаба вскоре после рождения они были обязаны замедлиться до нерелятивистских скоростей, рассеяться по пространству и сохраниться до наших времен. Согласно стандартной модели Большого взрыва, их нынешняя плотность должна приблизительно совпадать с плотностью протонов. Но в этом случае общая плотность космической энергии как минимум в квадриллион раз превышала бы реальную.
    Все попытки обнаружить монополи до сих пор завершались неудачей. Как показал поиск монополей в железных рудах и морской воде, отношение их числа к числу протонов не превышает 10-30. Либо этих частиц вообще нет в нашей области пространства, либо столь мало, что приборы неспособны их зарегистрировать, несмотря на четкую магнитную подпись. Это подтверждают и астрономические наблюдения: наличие монополей должно сказываться на магнитных полях нашей Галактики, а этого не обнаружено.
    Конечно, можно допустить, что монополей вообще никогда не было. Некоторые модели объединения фундаментальных взаимодействий и в самом деле не предписывают их появления. Но проблемы горизонта и плоской Вселенной остаются. Так получилось, что в конце 1970-х космология столкнулась с серьезными препятствиями, для преодоления которых явно требовались новые идеи.

ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ

    И эти идеи не замедлили появиться. Главной из них была гипотеза, согласно которой в космическом пространстве помимо вещества и излучения существует скалярное поле (или поля), создающее отрицательное давление. Такая ситуация выглядит парадоксальной, однако же она встречается в повседневной жизни. Система с положительным давлением, например сжатый газ, при расширении теряет энергию и охлаждается. Эластичная лента, напротив, пребывает в состоянии с отрицательным давлением, ведь, в отличие от газа, она стремится не расшириться, а сжаться. Если такую ленту быстро растянуть, она нагреется и ее тепловая энергия возрастет. При расширении Вселенной поле с отрицательным давлением копит энергию, которая, высвобождаясь, способна породить частицы и кванты света.

ПЛОСКАЯ ПРОБЛЕМА
    АСТРОНОМЫ УЖЕ ДАВНО УВЕРИЛИСЬ В ТОМ, ЧТО ЕСЛИ НЫНЕШНЕЕ КОСМИЧЕСКОЕ ПРОСТРАНСТВО И ДЕФОРМИРОВАНО, ТО ДОВОЛЬНО УМЕРЕННО.
    Модели Фридмана и Леметра позволяют вычислить, какой была искривленность пространства вскоре после Большого взрыва. Кривизна оценивается с помощью безразмерного параметра Ω, равного отношению средней плотности космической энергии к тому ее значению, при котором эта кривизна делается равна нулю, а геометрия Вселенной, соответственно, становится плоской. Лет 40 назад уже не было сомнений, что если этот параметр и отличается от единицы, то не больше, чем в десять раз в ту или иную сторону. Отсюда следует, что через одну секунду после Большого взрыва он отличался от единицы в большую или меньшую сторону всего лишь на 10-14! Случайна такая фантастически точная «настройка» или обусловлена физическими причинами? Именно так в 1979 году сформулировали задачу американские физики Роберт Дике и Джеймс Пиблз.
ПЛОСКАЯ ПРОБЛЕМА

    Отрицательное давление может иметь различную величину. Но существует особый случай, когда оно равно плотности космической энергии с обратным знаком. При таком раскладе эта плотность остается постоянной при расширении пространства, поскольку отрицательное давление компенсирует растущее «разрежение» частиц и световых квантов. Из уравнений Фридмана-Леметра следует, что Вселенная в этом случае расширяется экспоненциально.

Локальная геометрия Вселенной определяется безразмерным параметром Ω: если он меньше единицы. Вселенная будет гиперболической [открытой], если больше - сферической [закрытой], а если в точности равен единице - плоской. Даже очень небольшие отклонения от единицы со временем могут привести к значительному изменению этого параметра. На иллюстрации синим показан график параметра для нашей Вселенной.
ГЕОМЕТРИЯ КОСМОСА

    Гипотеза экспоненциального расширения позволяет разрешить все три проблемы, приведенные выше. Предположим, что Вселенная возникла из крошечного «пузырька» сильно искривленного пространства, который претерпел превращение, наделившее пространство отрицательным давлением и тем заставившее его расширяться по экспоненциальному закону. Естественно, что после исчезновения этого давления Вселенная возвратится к прежнему «нормальному» расширению.

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ

    Будем считать, что радиус Вселенной перед выходом на экспоненту всего на несколько порядков превышал планковскую длину, 10-35 м. Если в экспоненциальной фазе он вырастет, скажем, в 1050 раз, то к ее концу достигнет тысяч световых лет. Каким бы ни было отличие параметра кривизны пространства от единицы до начала расширения, к его концу оно уменьшится в 10-100 раз, то есть пространство станет идеально плоским!
    Аналогично решается проблема монополей. Если топологические дефекты, ставшие их предшественниками, возникли до или даже в процессе экспоненциального расширения, то к его концу они должны отдалиться друг от друга на исполинские расстояния, С тех пор Вселенная еще изрядно расширилась, и плотность монополей упала практически до нуля. Вычисления показывают, что даже если исследовать космический кубик с ребром а миллиард световых лет, то там с высочайшей степенью вероятности не найдется ни единого монополя.
    Гипотеза экспоненциального расширения подсказывает и простое избавление от проблемы горизонта. Предположим, что размер зародышевого «пузырька», положивше- го начало нашей Вселенной, не превышал пути, который успел пройти свет после Большого взрыва. В этом случае в нем могло установиться тепловое равновесие, обеспечившее равенство температур по всему объему, которое сохранилось при экспоненциальном расширении. Подобное объяснение присутствует во многих учебниках космологии, однако можно обойтись и без него.

ИЗ ОДНОГО ПУЗЫРЯ

    На рубеже 1970-1980-х несколько теоретиков, первым из которых стал советский физик Алексей Старобинский, рассмотрели модели ранней эволюции Вселенной с короткой стадией экспоненциального расширения. В 1981 году американец Алан Гут опубликовал работу, привлекшую к этой идее всеобщее внимание. Он первым понял, что подобное расширение (скорее всего, завершившееся на возрастной отметке в 10-34 с) снимает проблему монополей, которыми он поначалу и занимался, и указывает путь к разрешению неувязок с плоской геометрией и горизонтом. Гут красиво назвал такое расширение космологической инфляцией, и этот термин стал общепринятым.

ТАМ, ЗА ГОРИЗОНТОМ
    ПРОБЛЕМА ГОРИЗОНТА СВЯЗАНА С РЕЛИКТОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ, ИЗ КАКОЙ БЫ ТОЧКИ ГОРИЗОНТА ОНО НИ ПРИШЛО, ЕГО ТЕМПЕРАТУРА ПОСТОЯННА С ТОЧНОСТЬЮ ДО 0,001%.
    В 1970-х этих данных еще не было, но астрономы и тогда полагали, что колебаний не превышают 0,1%. В этом и состояла загадка. Кванты микроволнового излучения разлетелись по космосу приблизительно через 400 000 лет после Большого взрыва. Если Вселенная все время эволюционировала по Фрид-ману-Леметру, то фотоны, пришедшие на Землю с участков небесной сферы, разделенных угловым расстоянием более двух градусов, были испущены из областей пространства, которые тогда не могли иметь друг с другом ничего общего. Между ними лежали расстояния, которые свет попросту не успел бы преодолеть за все время тогдашнего существования Вселенной - иначе говоря, их космологические горизонты не пересекались. Поэтому у них не было возможности установить друг с другом тепловое равновесие, которое почти точно уравняло бы их температуры. Но если эти области не были связаны в ранние моменты образования, как они оказались практически одинаково нагреты? Если это и совпадение, то слишком уж странное.
ПЛОСКАЯ ПРОБЛЕМА

Нормальное расширение со скоростями, меньшими скорости света, приводит к тому, что вся Вселенная рано или поздно будет находиться внутри нашего горизонта событий. Инфляционное расширение со скоростями, значительно превышающими скорость света, привело к тому, что нашему наблюдению доступна лишь малая масть Вселенной, образовавшейся при Большом взрыве. Это позволяет решить проблему горизонта и объяснить одинаковую температуру реликтового излучения, приходящего из различных точек небосвода.
НОРМАЛЬНОЕ РАСШИРЕНИЕ

    Но модель Гута все же имела серьезный недостаток. Она допускала возникновение множества инфляционных областей, претерпевающих столкновения друг с другом. Это вело к формированию сильно неупорядоченного космоса с неоднородной плотностью вещества и излучения, который совершенно не похож на реальное космическое пространство. Однако вскоре Андрей Линде из Физического института Академии наук (ФИАН), а чуть позже Андреас Альбрехт с Полом Стейнхардтом из Университета Пенсильвании показали, что если изменить уравнение скалярного поля, то все становится на свои места. Отсюда следовал сценарий, по которому вся наша наблюдаемая Вселенная возникла из одного вакуумного пузыря, отделенного от других инфляционных областей непредставимо большими расстояниями.

ХАОТИЧЕСКАЯ ИНФЛЯЦИЯ

    В 1983 году Андрей Линде совершил очередной прорыв, разработав теорию хаотической инфляции, которая позволила объяснить и состав Вселенной, и однородность реликтового излучения. Во время инфляции любые предшествующие неоднородности скалярного поля растягиваются настолько, что практически исчезают. На завершающем этапе инфляции это поле начинает быстро осциллировать вблизи минимума своей потенциальной энергии. При этом в изобилии рождаются частицы и фотоны, которые интенсивно взаимодействуют друг с другом и достигают равновесной температуры. Так что по окончании инфляции мы имеем плоскую горячую Вселенную, которая затем расширяется уже по сценарию Большого взрыва. Этот механизм объясняет, почему сегодня мы наблюдаем реликтовое излучение с мизерными колебаниями температуры, которые можно приписать квантовым флуктуациям в первой фазе существования Вселенной. Таким образом, теория хаотической инфляции разрешила проблему горизонта и без допущения, что до начала экспоненциального расширения зародышевая Вселенная пребывала в состоянии теплового равновесия.

Увеличивающаяся сфера демонстрирует решение проблемы плоской Вселенной в рамках инфляционной космологии. По мере роста радиуса сферы выбранный участок ее поверхности становится все более и более плоским. Точно таким же образом экспоненциальное расширение пространства-времени на этапе инфляции привело к тому, что сейчас наша Вселенная является почти плоской.
ПЛОСКАЯ ВСЕЛЕННАЯ

    Согласно модели Линде, распределение вещества и излучения в пространстве после инфляции просто обязано быть почти идеально однородным, за исключением следов первичных квантовых флуктуаций. Эти флуктуации породили локальные колебания плотности, которые со временем дали начало галактическим скоплениям и разделяющим их космическим пустотам. Очень важно, что без инфляционного "растяжения" флуктуации оказались бы слишком слабыми и не смогли бы стать зародышами галактик. В общем, инфляционный механизм обладает чрезвычайно мощной и универсальной космологической креативностью - если угодно, предстает в качестве вселенского демиурга. Так что заглавие этой статьи - отнюдь не преувеличение.
    В масштабах порядка сотых долей величины Вселенной (сейчас это сотни мегапарсек) ее состав был и остается однородным и изотропным. Однако на шкале всего космоса однородность исчезает. Инфляция прекращается в одной области и начинается в другой, и так до бесконечности. Это самовоспроизводящийся бесконечный процесс, порождающий ветвящееся множество миров - Мультивселенную. Одни и те же фундаментальные физические законы могут там реализоваться в различных ипостасях - к примеру, внутриядерные силы и заряд электрона в других вселенных могут оказаться отличными от наших. Эту фантастическую картину в настоящее время на полном серьезе обсуждают и физики, и космологи.

БОРЬБА ИДЕЙ

    «Основные идеи инфляционного сценария были сформулированы три десятка лет назад, - объясняет один из авторов инфляционной космологии, профессор Стэнфордского университета Андрей Линде. - После этого главной задачей стала разработка реалистических теорий, основанных на этих идеях, но только критерии реалистичности не раз изменялись. В 1980-х доминировало мнение, что инфляцию удастся понять с помощью моделей Великого объединения. Потом надежды растаяли, и инфляцию стали интерпретировать в контексте теории супергравитации, а позднее - теории суперструн. Однако такой путь оказался очень нелегким. Во-первых, обе эти теории используют чрезвычайно сложную математику, а во-вторых, они так устроены, что реализовать с их помощью инфляционный сценарий весьма и весьма непросто. Поэтому прогресс здесь оказался довольно медленным. В 2000 году трое японских ученых с немалым трудом получили в рамках теории супергравитации модель хаотической инфляции, которую я придумал почти на 20 лет раньше. Спустя три года мы в Стэнфорде сделали работу, которая показала принципиальную возможность конструирования инфляционных моделей с помощью теории суперструн и объясняла на ее основе четырехмерность нашего мира. Конкретно, мы выяснили, что так можно получить вакуумное состояние с положительной космологической постоянной, которое необходимо для запуска инфляции. Наш подход с успехом развили другие ученые, и это весьма способствовало прогрессу космологии. Сейчас понятно, что теория суперструн допускает существование гигантского количества вакуумных состояний, дающих начало экспоненциальному расширению Вселенной.
    Теперь следует сделать еще один шаг и понять устройство нашей Вселенной. Эти работы ведутся, но встречают огромные технические трудности, и что получится в результате, пока не ясно. Мои коллеги и я последние два года занимаемся семейством гибридных моделей, которые опираются и на суперструны, и на супергравитацию. Прогресс есть, мы уже способны описать многие реально существующие вещи. Например, мы близки к пониманию того, почему сейчас столь невелика плотность энергии вакуума, которая всего втрое превышает плотность частиц и излучения. Но необходимо двигаться дальше. Мы с нетерпением ожидаем результатов наблюдений космической обсерватории Planck, которая измеряет спектральные характеристики реликтового излучения с очень высоким разрешением. Не исключено, что показания ее приборов пустят под нож целые классы инфляционных моделей и дадут стимул к развитию альтернативных теорий».
    Инфляционная космология может похвастаться немалым числом замечательных достижений. Она предсказала плоскую геометрию нашей Вселенной задолго до того, как этот факт подтвердили астрономы и астрофизики. Вплоть до конца 1990-х считалось, что при полном учете всего вещества Вселенной численная величина параметра Ω не превышает 1/3. Понадобилось открыть темную энергию, чтобы удостовериться, что эта величина практически равна единице, как и следует из инфляционного сценария. Были предсказаны колебания температуры реликтового излучения и заранее вычислен их спектр. Подобных примеров немало. Попытки опровергнуть инфляционную теорию предпринимались неоднократно, но это никому не удалось. Кроме того, как считает Андрей Линде, в последние годы сложилась концепция множественности вселенных, формирование которой вполне можно назвать научной революцией: «Несмотря на свою незавершенность, она становится частью культуры нового поколения физиков и космологов».

НАРАВНЕ С ЭВОЛЮЦИЕЙ


Модель космологичской инфляции, решающая многие неувязки теории Большого взрыва, утверждает, что за очень короткое время размер пузырька, из которого образовалась наша Вселенная, увеличился в 1050 раз. После этого Вселенная продолжила расширяться, но уже значительно медленнее.
МОДЕЛЬ КОСМОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФЛЯЦИИ

    «Инфляционная парадигма реализована сейчас во множестве вариантов, среди которых нет признанного лидера, - говорит директор Института космологии при университете Тафтса Александр Виленкин. - Моделей много, но никто не знает, которая из них правильная. Поэтому говорить о каком-то драматическом прогрессе, достигнутом в последние годы, я бы не стал. Да и сложностей пока хватает. Например, не совсем понятно, как сравнивать вероятности событий, предсказанных той или иной моделью. В вечной вселенной любое событие должно происходить бесчисленное множество раз. Так что для вычисления вероятностей надо сравнивать бесконечности, а это очень непросто. Также существует нерешенная проблема начала инфляции. Скорее всего, без него не обойтись, но еще не понятно, как к нему подобраться. И все же у инфляционной картины мира нет серьезных конкурентов. Я бы сравнил ее с теорией Дарвина, которая поначалу тоже имела множество неувязок. Однако альтернативы у нее так и не появилось, и в конце концов она завоевала признание ученых. Мне кажется, что и концепция космологической инфляции прекрасно справится со всеми трудностями».
Автор: АЛЕКСЕЙ ЛЕВИН, "ПОПУЛЯРНАЯ МЕХАНИКА"

Дата публикации Изучение космоса
ГОРИЗОНТ ВСЕЛЕННОЙ

    В СЛОВАРЕ, ИЗДАННОМ В 1910 ГОДУ, ГОРИЗОНТ ОПРЕДЕЛЯЛСЯ КАК «ОКРУЖНОСТЬ КРУГА... ДАЛЬШЕ КОТОРОГО НИЧЕГО НЕ ВИДНО». НО ЗА ПРОШЕДШИЙ ВЕК НАУКА РАСШИРИЛА ЭТО ПОНЯТИЕ ДО МАСШТАБОВ ВСЕЛЕННОЙ.

    Привычный зрительный горизонт, обусловленный шарообразностью нашей планеты, статичен и не зависит от времени наблюдения (к тому же на километровых дистанциях конечность скорости света не принимают в расчет). Но в применении ко Вселенной понятие горизонта теряет былую простоту. Космическое пространство не двумерно, как земной рельеф, а трехмерно, к тому же Вселенная расширяется, причем с переменной скоростью. Более того, применительно к космическим масштабам необходимо помнить о конечности скорости света.

ДВА ГОРИЗОНТА

    Понятие космологического горизонта ввели в науку в начале 1950-х годов в связи с разработкой теории горячей Вселенной. А в 1956 году крупный специалист по ОТО Вольфганг Риндлер из Корнеллского университета уточнил и расширил эту концепцию в статье "Visual horizons in world-models". Риндлер предложил по-разному рассматривать космические объекты длительного существования, такие как звезды и галактики с их протяженными мировыми линиями (кривыми в пространстве-времени, описывающими движение тела), и кратковременные эффекты, такие, например, как взрывы сверхновых, которым соответствуют небольшие фрагменты таких линий, а в пределе - просто точки. Корректно описать наблюдаемость объектов обоих типов можно лишь при помощи различных горизонтов.

 
ЗАГЛЯНУТЬЗА ГОРИЗОНТ

    Границу между наблюдаемыми и ненаблюдаемыми мировыми линиями Риндлер назвал горизонтом частиц, а аналогичную границу между точками этих линий - горизонтом событий.

Наблюдаемая часть (горизонт частиц) стационарной вселенной, имеющей начало, постоянно расширяется со скоростью света. Во вселенной без начала, но с «концом света», где обрываются все мировые линии, горизонт событий отделяет события, которые наблюдатель никогда не сможет увидеть.
ПРОСТЫЕ ГОРИЗОНТЫ

    Согласно стандартной космологической модели, мы живем в однородной изотропной Вселенной. Отсюда следует, что горизонт частиц представляет собой сферическую поверхность, в центре которой находится наблюдатель. Внутренность сферы заполнена долгоживущими космическими объектами (скажем, галактиками), чей испущенный в прошлом свет приходит к наблюдателю. С внешней стороны этой сферы находятся галактики, которые наблюдатель не может видеть ни на каких этапах их истории, предшествовавших моменту наблюдения. Таким образом, горизонт частиц отсекает наблюдаемую зону Вселенной от ненаблюдаемой, то есть по своей сути не слишком отличается от географического горизонта.
    А вот горизонт событий не столь нагляден: он разделяет события, которые наблюдатель может увидеть в тот или иной момент времени в своем собственном будущем, от событий, увидеть которые ему никогда не дано. В некоторых космологических моделях присутствуют оба горизонта, в некоторых - только один из них, а в некоторых горизонтов нет вовсе.

СТАТИЧНЫЙ МИР

    Для простоты рассмотрим горизонты безграничной статичной вселенной. В ньютоновском мире с бесконечной скоростью света (и, как следствие, абсолютным временем), который не имеет ни начала, ни конца во времени, то есть существует вечно, наблюдатель, где бы он ни находился, всегда может видеть все светила без единого исключения. Поэтому в таком мире нет ни горизонта частиц, ни горизонта событий (собственно говоря, там нет и самих событий!) - он дважды безгоризонтен.
    Теперь допустим, что в галактиках иногда взрываются сверхновые. Если скорость света бесконечна, эти вспышки мгновенно достигают наблюдателя, так что двойная безгоризонтность по-прежнему имеет место. Однако она сохраняется и при конечной скорости света!
    В самом деле, допустим, что какая-то галактика на короткое время увеличила блеск из-за взрыва сверхновой. В вечной и статичной вселенной свет этой вспышки рано или поздно придет к любому наблюдателю. Отсюда следует, что в этом мире нет сигналов, которые наблюдатель никогда не сможет увидеть, и, следовательно, нет горизонта событий (разумеется, там по-прежнему нет и горизонта частиц).
    Далее рассмотрим гипотетическую статичную вселенную с началом во времени. В таком мире горизонт частиц представляет собой сферу, расширяющуюся со скоростью света. Если через 5 млрд лет после сотворения этого мира в какой-нибудь из галактик появится наблюдатель, его горизонт частиц окажется сферой радиусом в 5 млрд световых лет. Еще через миллиард лет радиус составит б млрд световых лет, через 2 млрд - 7 млрд. Этот мир остается неизменным, но его наблюдаемая часть постоянно расширяется.

РАЗНЫЕ ГОРИЗОНТЫ
    Замкнутая нестатичная вселенная Фридмана с положительной кривизной пространства возникает из точечной сингулярности с бесконечной плотностью энергии, достигает в своем расширении предельного размера, а затем сокращается и снова схлопывается в сингулярность. Такая вселенная обладает и горизонтом частиц, и горизонтом событий.
    Во вселенной Эйнштейна - де Ситтера есть горизонт частиц, но нет горизонта событий, поскольку скорость ее расширения с течением времени стремится к нулю, то есть в бесконечно отдаленном будущем она станет статичной. Это справедливо и для любой открытой фридмановской вселенной, скорость расширения которой в бесконечном будущем стремится к конечному ненулевому пределу. А вот для не имеющей ни начала, ни конца «антигравитационной» вселенной де Ситтера справедливо обратное - там отсутствует горизонт частиц, но имеется горизонт событий.
РАЗНЫЕ ГОРИЗОНТЫ

    И наконец, предположим, что наша воображаемая статичная вселенная не имеет начала, но имеет конец, где обрываются все мировые линии, в том числе и линия наблюдателя. Он по-прежнему видит все галактики, так что горизонт частиц в этом мире отсутствует. Однако наблюдатель теперь уже может заметить только часть изменений в свечении этих галактик. Он увидит вспышку сверхновой, взорвавшейся в галактике, отдаленной от него на 10 млн световых лет, если взрыв случился за 11 млн лет до конца света. Но если сверхновая вспыхнула за 9 млн лет до этого печального финала, наблюдатель даже в последний момент своего существования о ней не узнает - просто не успеет. Следовательно, в таком мире имеется горизонт событий.
    Как ни примитивна модель статичной вселенной, она позволяет уяснить ключевые черты обоих горизонтов. За пределами горизонта частиц лежат мировые линии, которые в данный момент не могут наблюдаться ни в одном из своих предшествующих фрагментов. А вне горизонта событий пребывают события, которые наблюдатель не способен узреть за все время своего существования.

БЛИЖЕ К РЕАЛЬНОСТИ

    Наша Вселенная, как известно, отнюдь не статична - она расширяется, причем в течение последних пяти-шести миллиардов лет даже с ускорением (считается, что оно порождено ненулевой энергией физического вакуума, получившей не особенно удачное, но эффектное название - темная энергия). При этом она обладает плоской геометрией, поскольку полная плотность ее энергии равна критическому значению, при котором кривизна космического пространства зануляется. Если бы это равенство имело место в отсутствие темной энергии, прошлая, нынешняя и последующая динамика Вселенной (за исключением ее самого раннего этапа) соответствовали бы модели Эйнштейна - де Ситтера.

 
В НАШЕЙ ВСЕЛЕННОЙ для диаграммы космологических горизонтов (вверху) удобно использовать сопутствующие координаты, которые расширяются е унисон с расширением Вселенной (они подобны координатной сетке на надувном глобусе: широта и долгота каждой точки не меняются, а расстояние между любой парой точек увеличивается с ростом радиуса в соответствии с масштабным фактором). Вверху - половинка такой диаграммы. А если использовать для шкалы времени конформное время (время фотона, испущенного космическим объектом и летящего на мировом конусе), то диаграмма приобретает простой классический вид с прямыми горизонтами и световым конусом.
ДИАГРАММЫ КОСМОЛОГИЧЕСКИХ ГОРИЗОНТОВ

    Согласно закону Хаббла, радиальные скорости далеких галактик пропорциональны расстоянию до них с коэффициентом, который называется параметром Хаббла Н (он зависит от возраста Вселенной и в настоящую эпоху обозначается Н0). Поэтому на некоторой дистанции, равной с/H, скорость галактического разбегания становится равной скорости света. Такое растояние называют дистанцией Хаббла (или радиусом хаббловской сферы), и в нашу эпоху оно приблизительно равно 14 млрд световых лет. Относительно центра сферы скорость расширения пространства внутри нее меньше световой, а вне ее - больше.
    Очень важно, что радиус сферы Хаббла в общем случае вовсе не равен радиусу наблюдаемой части мироздания, который, по определению, есть радиус горизонта частиц. Это наглядно представлено в приведенном выше примере статичной вселенной с одновременно вспыхнувшими галактиками. Поскольку там параметр Хаббла равен нулю, хаббловский радиус бесконечен. А вот радиус горизонта частиц пропорционален возрасту Вселенной и при любых конечных сроках ее жизни тоже конечен.
    Рассмотрим вспышки сверхновых, одновременно взорвавшихся в двух разных галактиках. Пусть одна из галактик расположена внутри сферы Хаббла наблюдателя, а вторая - вне ее. Наблюдатель увидит первую вспышку и не увидит второй, поскольку расширяющееся пространство «уносит» с собой ее фотоны со скоростью больше световой. На самой сфере Хаббла световые кванты как бы вморожены в пространство, которое расширяется там со световой скоростью, и поэтому она становится еще одним горизонтом - горизонтом фотонов.
    Если расширение вселенной замедляется, то радиус сферы Хаббла возрастает, поскольку он обратно пропорционален уменьшающемуся хаббловскому параметру. В таком случае по мере старения вселенной эта сфера охватывает все новые и новые области пространства и впускает все новые и новые световые кванты. С течением времени наблюдатель увидит галактики и внутригалактические события, которые ранее находились вне его фотонного горизонта. Если же расширение вселенной ускоряется, то радиус хаббловской сферы, напротив, сокращается.
    Конкретная скорость расширения сферы Хаббла зависит от деталей эволюции вселенной. Например, в мире Эйнштейна - де Ситтера она равна полутора световым скоростям. Поскольку пространство на хаббловской сфере раздувается со световой скоростью, разница между темпами расширения фотонного горизонта и расширения пространства равна половине скорости света. В то же время горизонт частиц во вселенной Эйнштейна - де Ситтера расширяется вдвое быстрее фотонного горизонта (следовательно, со скоростью, равной трем световым).

С ГЛАЗ ДОЛОЙ

    Из-за конечности скорости света наблюдатель видит небесные объекты такими, какими они были в более или менее отдаленном прошлом. За пределами горизонта частиц лежат галактики, которые в данный момент не наблюдаются ни на едином этапе их предшествующей эволюции. Это означает, что их мировые линии в пространстве-времени нигде не пересекают поверхность, по которой распространяется свет, приходящий к наблюдателю с момента рождения Вселенной (она называется ретроградным световым конусом). Внутри горизонта частиц расположены галактики, чьи мировые линии в прошлом пересеклись с этой поверхностью. Именно эти галактики и составляют часть Вселенной, в принципе доступную наблюдению в данный момент времени.
    Ретроградный световой конус любого наблюдателя во Вселенной, расширяющейся после Большого взрыва, сходится на этой начальной сингулярности и охватывает конечный объем. Отсюда еще раз следует, что наблюдатель может видеть лишь конечную часть своего мира.
    Таким образом, нам не дано знать, какова Вселенная за пределами нынешнего горизонта частиц. Некоторые теории ранней Вселенной утверждают, что очень далеко за этим горизонтом она совсем не похожа на то, что мы видим. Этот тезис вполне научен, поскольку он вытекает из вполне разумных вычислений, однако его нельзя ни опровергнуть, ни подвердить с помощью астрономических наблюдений, доступных в наше время, Более того, если пространство и дальше будет расширяться с ускорением, его нельзя будет проверить и в сколь угодно отдаленном будущем.
    В статичной вселенной с фиксированным началом радиус горизонта частиц равен произведению ее возраста на скорость света. В нашей Вселенной он гораздо больше, поскольку расширяющееся пространство увлекает за собой световые кванты. Для определения этого радиуса требуется знание всей динамики Вселенной, в том числе и в фазе инфляции, которым наука пока не располагает. По современным данным, масштабный фактор Вселенной в ходе инфляции увеличился как минимум в 1027 раз, но эта оценка может быть сильно занижена (стандартная космологическая модель вообще не описывает фазу инфляции и отсчитывает возраст Вселенной от ее завершения).

ПРОШЛОЕ И БУДУЩЕЕ
    «Над проблемами горизонта я задумался еще в аспирантуре, причем даже не по собственной инициативе, - рассказывает профессор Вольфганг Риндлер, который до сих пор преподает физику в Техасском университете в Далласе. - Тогда была в большой моде теория Вселенной, известная как космология стабильного состояния - Steady State Cosmology. Мой научный руководитель ввязался в ожесточенный спор с авторами этой теории и предложил мне разобраться в существе разногласий. Я не стал отказываться от предложенной задачи, и в результате появилась моя работа о космологических горизонтах. Из нее, в частности, следовало, что в модели стабильного состояния есть только горизонт событий, как и во вселенной де Ситтера».
    По словам профессора Риндлера, существует очень понятная интерпретация обоих горизонтов нашего мира: «Горизонт событий образован световым фронтом, который в пределе сойдется на нашей Галактике, когда возраст Вселенной возрастет до бесконечности. Напротив, горизонт частиц соответствует световому фронту, испущенному в момент Большого взрыва. Фигурально выражаясь, горизонт событий очерчивается самым последним из световых фронтов, достигающих нашей Галактики, а горизонт частиц - самым первым. Из такого определения становится понятным, что горизонт частиц задает максимальное расстояние, с которого в нашу нынешнюю эпоху можно наблюдать произошедшее в прошлом. Горизонт событий, напротив, фиксирует максимальную дистанцию, откуда можно получить информацию о бесконечно отдаленном будущем. Это действительно два разных горизонта, которые необходимы для полного описания эволюции мироздания».
ПРОШЛОЕ И БУДУЩЕЕ

    В мире Эйнштейна - де Ситтера радиус горизонта частиц равен удвоенному радиусу хаббловской сферы, который, в свою очередь, в полтора раза превышает произведение возраста этого мира и скорости света. Легко посчитать, что в соответствии с этой моделью нынешний радиус горизонта частиц (и, следовательно, радиус наблюдаемой с Земли области космоса) составляет около 41 млрд световых лет, или 13 гигапарсек. Поскольку Вселенная в эпоху доминирования темной энергии вышла на ускоренное расширение, радиус ее горизонта частиц должен оказаться несколько больше. Впрочем, учет темной энергии дает довольно близкое значение - 14 гигаперсек.
    Стоит напомнить, что наши телескопы не могут заглянуть в эпоху, когда космическое пространство было заполнено плазмой и не содержало свободных фотонов. Она завершилась через 380 000 лет после Большого взрыва. Вселенная тогда эволюционировала практически точно по модели Эйнштейна - де Ситтера и продолжала это делать еще не менее 8 млрд лет. Позднее темная энергия внесла свои поправки, но пока что они увеличили горизонт событий не слишком сильно.
    Если нынешняя плотность темной энергии в будущем не изменится, эволюция Вселенной постепенно начнет все больше и больше соответствовать модели де Ситтера. В таком случае радиус горизонта событий с течением времени будет стремиться к предельному постоянному значению. В очень далеком будущем все источники света, расположенные вне гравитационно связанной Местной группы галактик (к которой принадлежит и наш Млечный Путь), окажутся за пределами этого горизонта и навсегда станут невидимыми.
Автор: АЛЕКСЕЙ ЛЕВИН, "ПОПУЛЯРНАЯ МЕХАНИКА"

Дата публикации Изучение космоса
Среда, 27 января 2016 15:02

Изотропи́я

Дорогие друзья! В следствии всё более участившихся предположений и упоминаний в Космологии о анизотропности Вселенной, редакция сайта решила познакомить читателей с понятиями АНИЗОТРОПИЯ и ИЗОТРОПИЯ.

ИЗОТРОПИЯ
Изотропи́я, изотро́пность (из др.-греч. ί̓σος «равный, одинаковый, подобный» + τρόπος «оборот, поворот; характер») — одинаковость физических свойств во всех направлениях, инвариантность, симметрия по отношению к выбору направления (в противоположность анизотропии; частный случай анизотропии — ортотропия).

Изотропная среда — такая область пространства, физические свойства (электрические, оптические...) которой не зависят от направления. Например, показатель преломления оптически изотропной среды одинаков во всех направлениях.

Реальное пространство само по себе теоретически считается изотропным (хотя в рамках общей теории относительности и многих альтернативных современных теорий гравитации в это утверждение следует внести определённые коррективы, если присутствует гравитационное поле и нельзя ограничиться ньютоновским приближением, а с точки зрения квантовой теории поля, изотропию пространства — в малых областях и временно — могут нарушать квантовые флуктуации). Экспериментально изотропия физического пространства (с упомянутой оговоркой относительно гравитации) установлена с большой точностью, и нарушений её на сегодняшний день неизвестно.


по материалам Википедии

Дата публикации Вселенная и жизнь
Среда, 27 января 2016 14:59

Анизотропи́я.

Дорогие друзья! В следствии всё более участившихся предположений и упоминаний в Космологии о анизотропности Вселенной, редакция сайта решила познакомить читателей с понятиями АНИЗОТРОПИЯ и ИЗОТРОПИЯ.

АНИЗОТРОПИЯ.
Анизотропи́я (от др.-греч. ἄνισος — неравный и τρόπος — направление) — различие свойств среды (например, физических: упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломления, скорости звука или света и др.) в различных направлениях внутри этой среды; в противоположность изотропии.

В отношении одних свойств среда может быть изотропна, а в отношении других — анизотропна; степень анизотропии также может различаться.

Частный случай анизотропии — ортотропия (от др.-греч. ὀρθός — прямой и τρόπος — направление) — неодинаковость свойств среды по взаимно перпендикулярным направлениям.

Примеры

Анизотропия является характерным свойством кристаллических тел (точнее — лишь тех, кристаллическая решетка которых не обладает высшей — кубической — симметрией). При этом свойство анизотропии в простейшем виде проявляется только у монокристаллов. У поликристаллов анизотропия тела в целом (макроскопически) может не проявляться вследствие беспорядочной ориентировки микрокристаллов, или даже не проявляется, за исключением случаев специальных условий кристаллизации, специальной обработки и т. п.

Причиной анизотропности кристаллов является то, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния (а также некоторые не связанные с ними прямо величины, например, поляризуемость или электропроводность) оказываются неодинаковыми по различным направлениям. Причиной анизотропии молекулярного кристалла может быть также асимметрия его молекул. Макроскопически эта неодинаковость проявляется, как правило, лишь если кристаллическая структура не слишком симметрична.

Помимо кристаллов, естественная анизотропия — характерная особенность многих материалов биологического происхождения, например, деревянных брусков.

Анизотропия свойственна жидким кристаллам, движущимся жидкостям (неньютоновским — особенно).

Анизотропией особого рода в масштабах всего кристалла или его областей обладают ферромагнетики и сегнетоэлектрики.

Во многих случаях анизотропия может быть следствием внешнего воздействия (например, механической деформации, воздействия электрического или магнитного поля и т. д.). В ряде случаев анизотропия среды может в какой-то степени (а в некоторой слабой степени — часто) сохраняться после исчезновения вызвавшего её внешнего воздействия.

по материалам Википедии

Дата публикации Вселенная и жизнь
  • 1
  • 2
  • Вперёд
  • В конец
Страница 1 из 2

Группа Вконтакте

Сайт Руслана Стрельцова

Сайт создал Дмитрий Новоселецкий


Яндекс.Метрика

05-11-2016 Hits:11 Вселенная и жизнь Дмитрий Стрельцов

10 вопросов, - 0 внятных ответов

10 ТАЙН, НАД КОТОРЫМИ НАУКА ЛОМАЕТ ГОЛОВУ ПРЯМО СЕЙЧАС... Наука стремится охватить и описать весь мир, сделать неизвестное известным и...

Подробнее

04-11-2016 Hits:36 Сатурн Дмитрий Стрельцов

Космические треки, перстни гиганта.

Кольца и полукольца Сатурна     Начиная с открытия Галилеем колец Сатурна этот удивительный феномен привлекал внимание и поэтов, и ученых. Тем более...

Подробнее

03-11-2016 Hits:39 Уран Дмитрий Стрельцов

Лежебока Уран

Уран - вокруг Солнца "лежа на боку"   Открытие колец Урана       У Урана есть слабо выраженная система колец, состоящая из очень тёмных частиц...

Подробнее

02-11-2016 Hits:82 Космические аппараты Дмитрий Стрельцов

КАК МЫ ЛЕТАЕМ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ? ЧАСТЬ…

Юпитер нам поможет     Многие межпланетные зонды использовали для разгона тяготение Юпитера. Первыми были аппараты «Пионер-10» и «Пионер-11» (Pioneer), а вслед за...

Подробнее

02-11-2016 Hits:118 Космические аппараты Дмитрий Стрельцов

Как мы летаем в Солнечной системе? часть…

Гравитационные маневры     Со времен Кеплера и Ньютона астрономам известно, что в поле тяготения массивного центрального тела движение происходит по классическим траекториям...

Подробнее

12-04-2016 Hits:5618 Космонавты Дмитрий Стрельцов

День космонавтики и курьёзы

Сегодня в России отмечается День космонавтики. 12 апреля 1961 года Советский Союз вывел на орбиту Земли космический корабль-спутник «Восток» с...

Подробнее

01-04-2016 Hits:1063 Юпитер Дмитрий Стрельцов

По следам падения. Юпитер.

Дорогой читатель! Буквально на днях астрономами любителями было зафиксировано падение объекта на Юпитер. Это третье "громкое" падение на гигант. Первое...

Подробнее

26-03-2016 Hits:1080 Марс Дмитрий Стрельцов

Обзор фотографий, марсианские сумерки.

Обзор фотографий, марсианские сумерки.Друзья, предлагаю вашему вниманию несколько панорам марсианских сумерек. Для начала нужно вспомнить что такое сумерки и какова...

Подробнее

05-03-2016 Hits:1983 Космические аппараты Дмитрий Стрельцов

Путей много, цель одна: Космос.

Путей много, цель одна: Космос.   Вам не нужна ракета, чтобы покинуть Землю. Есть более мягкий и нежный способ путешествия — и коктейль...

Подробнее

04-03-2016 Hits:1635 Венера Дмитрий Стрельцов

Жизнь, кажется, нашли. Но не там, где ис…

Жизнь, кажется, нашли. Но не там, где искали Доктор физико-математических наук Леонид Ксанфомалити, Институт космических исследований РАН. Анализ поведения обнаруженных...

Подробнее

04-03-2016 Hits:1091 Венера Дмитрий Стрельцов

Жизнь, кажется, нашли. Но не там, где ис…

Жизнь, кажется, нашли. Но не там, где искали Доктор физико-математических наук Леонид Ксанфомалити, Институт космических исследований РАН. Следуя некоторым видам поиска...

Подробнее

21-02-2016 Hits:1039 Изучение космоса Дмитрий Стрельцов

Конец Солнца и Самость Космоса Часть 2

Конец Солнца и Самость Космоса Часть 2   6. Картина катастрофы Органическое человечество будет ощущать свою смерть как космическую катастрофу. Катастрофа здесь...

Подробнее

21-02-2016 Hits:1183 Изучение космоса Дмитрий Стрельцов

Конец Солнца и Самость Космоса Часть 1

Константин Елькин   Конец СолнцаиСамость Космоса Часть перваяКонец Солнцаиего системы По материалам Свободной энциклопедии – Википедия.   “…даже небольшое изменение в температуре нашего Солнца должно было...

Подробнее

21-02-2016 Hits:641 Изучение космоса Дмитрий Стрельцов

Магнетизм космоса: Магнитные поля

Магнетизм космоса: Магнитные поля Обычно магнитные поля ассоциируют с планетами и звездами. Но и у галактик такие поля тоже имеются Алексей Левин 18 октября 2010 21203 Магнитные поля изрядно...

Подробнее

21-02-2016 Hits:822 Простая наука Дмитрий Стрельцов

Астрофотография вчера, сегодня, завтра.

Астрофотография «Черно-белая эпоха» Все нижеприведенные фотографии отпечатаны с негативов на увеличителе «Беларусь-912». Отпечатки отсканированы.К сожалению, качество сканера оставляет желать лучшего. Многие отпечатки...

Подробнее

21-02-2016 Hits:778 Простая наука Дмитрий Стрельцов

Астрофотография в каждый дом

Астрофотография в каждый дом   Думаю у любого человека, интересующегося космосом — возникала идея купить телескоп, чтобы лично все посмотреть. ...

Подробнее

21-02-2016 Hits:635 Простая наука Дмитрий Стрельцов

Искусство астрофотографии

  ТАЛ-3: ПЕРВЫЙ ЭТАП МОДЕРНИЗАЦИИ   Весной 2000г. мне довелось приобрести телескоп ТАЛ-3 новосибирского производства. К сожалению, этот 200-мм инструмент системы Максутова-Кассегрена в...

Подробнее

21-02-2016 Hits:599 Черные дыры Дмитрий Стрельцов

Космические надсмотрщики средней весовой…

  Космические надсмотрщики средней весовой категории. Изучение черных дыр среднего размера, массой чуть меньше миллиона солнечных масс, возможно, даст ключ к пониманию...

Подробнее

29-01-2016 Hits:713 Вселенная и жизнь Дмитрий Стрельцов

Не первая Вселенная? Циклическая теория.

  ЦИКЛИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ     ТЕОРИЯ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА ПОЛЬЗУЕТСЯ ДОВЕРИЕМ АБСОЛЮТНОГО БОЛЬШИНСТВА УЧЕНЫХ, изучающих раннюю историю нашей Вселенной. Она и в самом деле объясняет...

Подробнее

29-01-2016 Hits:1020 Основы астрономии Дмитрий Стрельцов

ИСТОРИЯ ТЕЛЕСКОПОВ

ИСТОРИЯ ТЕЛЕСКОПОВ     Ровно 400 лет назад Галилео Галилей, разработавший особый способ шлифовки линз специально для астрономических наблюдений, создал первый телескоп. В...

Подробнее

29-01-2016 Hits:974 Изучение космоса Дмитрий Стрельцов

Секунды пробуждения.

НОВОРОЖДЕННАЯ ВСЕЛЕННАЯ     БОЛЬШАЯ ЧАСТЬ МАТЕРИИ ВО ВСЕЛЕННОЙ НАХОДИТСЯ В "ЧЕТВЕРТОМ СОСТОЯНИИ ВЕЩЕСТВА". НО ТАК БЫЛО НЕ ВСЕГДА.     Основное прибежище плазмы на...

Подробнее

27-01-2016 Hits:1063 Галактики Дмитрий Стрельцов

Спринтеры космоса. САМЫЕ БЫСТРЫЕ В ГАЛАК…

САМЫЕ БЫСТРЫЕ В ГАЛАКТИКЕ     Мы пока не можем полететь даже к ближайшим звездам. Что уж говорить о более далеких путешествиях. Вряд...

Подробнее

27-01-2016 Hits:963 Галактики Дмитрий Стрельцов

Космический огород. Галактики.

ГАЛАКТИКИ     ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ПЛАНЕТ И ЗВЕЗД ИЗМЕРЯЕТСЯ ТЫСЯЧЕЛЕТИЯМИ, СОЛНЦА, КОМЕТ, АСТЕРОИДОВ И МЕТЕОРИТОВ - СТОЛЕТИЯМИ. А ВОТ ГАЛАКТИКИ, РАЗБРОСАННЫЕ ПО ВСЕЛЕННОЙ...

Подробнее

27-01-2016 Hits:913 Изучение космоса Дмитрий Стрельцов

Гипотеза Инфляции

ИНФЛЯЦИЯ     ОДИН ИЗ ФРАГМЕНТОВ ПЕРВОЙ МИКРОСЕКУНДЫ ЖИЗНИ ВСЕЛЕННОЙ СЫГРАЛ ОГРОМНУЮ РОЛЬ В ЕЕ ДАЛЬНЕЙШЕЙ ЭВОЛЮЦИИ     Концептуальный прорыв стал возможным благодаря очень...

Подробнее

27-01-2016 Hits:769 Изучение космоса Дмитрий Стрельцов

ТАМ НА НЕВЕДОМЫХ ДОРОЖКАХ. ГОРИЗОНТ ВСЕЛ…

ГОРИЗОНТ ВСЕЛЕННОЙ     В СЛОВАРЕ, ИЗДАННОМ В 1910 ГОДУ, ГОРИЗОНТ ОПРЕДЕЛЯЛСЯ КАК «ОКРУЖНОСТЬ КРУГА... ДАЛЬШЕ КОТОРОГО НИЧЕГО НЕ ВИДНО». НО ЗА ПРОШЕДШИЙ...

Подробнее