Мегамир. Звезды. Строение Вселенной

Лекция

Мегамир. Звезды. Строение Вселенной

В настоящее время наука шагнула очень далеко от галилеевой трубы до «перспективы». Диаметр зеркал двух телескопов на Гавайях - 10 м (они вступили в строй в 1992 и 1996 гг.), у знаменитого Паломарского телескопа, начавшего работать в 1950 г., диаметр зеркала 5 м; российский телескоп БТА в Зеленчуке имеет зеркало диаметром 6 м (работает с 1976 г.). Очень эффективен и внеземной телескоп «Хаббл» (запущен в 1990 г., модернизирован в 2002 г., диаметр зеркала 2,4 м). Строятся новые телескопы для различных диапазонов - от рентгена до радиоволн. Радиоастрономия родилась в 1931 г., рентгеновская астрономия возникла в 1962 г., гамма-астрономия и нейтринная астрономия еще моложе. С развитием гравитационно-волновой астрономии будет освоен последний известный канал получения астрофизической информации. Астрономия активно развивается и позволяет заглянуть далеко за пределы Солнечной системы.

Самым распространенным объектом во Вселенной являются звезды. Возникают они так: частицы газопылевого облака медленно притягиваются между собой за счет гравитационных сил. Плотность облака растет, возникшая непрозрачная сфера начинает вращаться, захватывая все больше частиц из окружающего пространства. Внешние слои давят на внутренние, давление и температура в глубине растут, согласно законам термодинамики, постепенно достигая нескольких миллионов градусов. Тогда в ядре протозвезды создаются условия для протекания реакции термоядерного синтеза гелия из водорода. Об этом «оповещают мир» потоки нейтрино, выделяющихся при такой реакции. В ее результате мощный поток электромагнитного излучения давит на внешние слои вещества, противодействуя гравитационному сжатию. Когда силы излучения и гравитации уравновешиваются, протозвезда становится звездой. Чтобы пройти эту стадию своей эволюции протозвезде нужно от нескольких миллионов лет (при массе больше солнечной) до нескольких сот миллионов лет (при массе меньше солнечной). Широко распространены двойные и кратные звезды, можно сказать, что это обычное явление. Они образуются рядом и вращаются вокруг общего центра масс. Их насчитывается около 50% от всех звезд.

Химический состав звезд по данным спектрального анализа в среднем такой: на 10000 атомов водорода приходится 1000 атомов гелия, 5 - кислорода, 2 - азота, 1 - углерода, еще меньше остальных элементов. Из-за высоких температур атомы ионизированы и находятся в состоянии плазмы - смеси ионов и электронов. В зависимости от массы и химического состава протозвездного облака молодая звезда попадает на определенный участок диаграммы Герцшпрунга-Рессела, представляющей из себя координатную плоскость, по вертикальной оси которой откладывается светимость звезды (к-во энергии, излучаемой в единицу времени), а по горизонтальной - спектральный класс (цвет звезды, зависящий от температуры поверхности). При этом синие звезды горячее красных. Спектральные классы от горячих к холодным обозначаются буквами O, B, A, F, G, K, M. Каждый класс делится на десять подклассов (желтое Солнце имеет класс G2, то есть оно посредине диаграммы, с температурой поверхности 6000^о). Большинство звезд на диаграмме располагается вдоль главной последовательности - плавной кривой, идущей из левого верхнего в правый нижний угол диаграммы. По мере расходования водорода, масса ее меняется, и звезда смещается вправо вдоль главной последовательности. Звезды с массами порядка солнечной находятся на главной последовательности 10-15 млрд. лет (Солнце на ней уже около 4,5 миллиарда лет). Постепенно энергия в центре звезды иссякает, давление падает. Поскольку гравитации оно не противостоит, ядро сжимается, и температура там опять возрастает, но реакции протекают теперь только на границе ядра внутри звезды. Звезда разбухает, растет и ее светимость. Она сходит с главной последовательности в правый верхний угол диаграммы, превращаясь в красный гигант с радиусом больше радиуса орбиты Марса. Когда температура сжимающегося гелиевого (ведь водород «выгорел») ядра красного гиганта достигнет 100-150 млн. градусов, начинается синтез углерода из гелия. Когда и эта реакция исчерпает себя, происходит сброс внешних слоев. Горячие внутренние слои звезды оказываются на поверхности, раздувая отделившуюся оболочку излучением в планетарную туманность. Через несколько десятков тысяч лет оболочка рассеивается, и остается небольшая очень горячая плотная звезда. Остывая, она переходит в левый нижний угол диаграммы и превращается в белый карлик с радиусом не больше радиуса Земли. Белые карлики - жалкий финиш нормальной эволюции большинства звезд.

Некоторые звезды время от времени вспыхивают, сбрасывая часть оболочки и превращаясь в Новые звезды. При этом они каждый раз теряют порядка сотой доли процента своей массы. Реже случаются катастрофы, уничтожающие звезду - вспышки сверхновых, при которых за короткое время излучается энергии больше, чем от целой галактики. При взрыве звезда сбрасывает внешнюю газовую оболочку (так возникла при взрыве сверхновой 1054 г. Крабовидная туманность внутри которой теперь находится «звездный огарок» - пульсар PSR0531, излучающий даже в гамма-диапазоне). Последняя сверхновая вспыхнула рядом в 1987 г., в Большом Магеллановом Облаке, в 60 килопарсеках от нас. От этой сверхновой впервые зарегистрировано нейтринное излучение. Если масса звезды, оставшейся после катастрофы превосходит солнечную в 2,5 раза, белый карлик образоваться не может. Гравитация разрушает даже структуру атомов. При этом, согласно законам физики, резко ускоряется вращение. Представьте себе звезду с массой, близкой к солнечной и радиусом около 10 км, делающей 640 оборотов в секунду! Именно такова частота радиоимпульсов наиболее быстрого пульсара. Сейчас их известно около 1000 с периодами вращения (повторения радиоимпульсов) 0,002 - 4,3 с. Плотность вещества такой звезды превышает плотность атомного ядра: оно состоит из плотно упакованных нейтронов, отсюда и название - нейтронная звезда. Нейтронные звезды имеют колоссальное магнитное поле: у миллисекундных пульсаров его напряженность достигает миллиарда эрстед, а у пульсаров с периодом 0,1-1 с доходит до триллиона эрстед. Недавно обнаружены магнетары с более сильными магнитными полями (10¹⁵-10¹⁶ эрстед). Радиоизлучения они не испускают, наблюдаясь в гамма-лучах.

Еще Лаплас в 1795 г. предположил, что могут существовать столь массивные тела, от которых не может уйти даже свет (т.е. его скорость оказывается ниже скорости убегания). В рамках ОТО образование черной дыры было рассмотрено в 1939 г. В 1960-х гг. астрофизики пришли к выводу, что не может существовать стабильных выгоревших звезд с массой более трех солнечных. При катастрофическом гравитационном сжатии звезды - коллапсе - напряженность поля тяготения над ее поверхностью становится столь чудовищным, что пространство-время свертывается и звезда исчезает из Вселенной, оставив лишь искривленный участок пространства-времени. Вероятно существуют черные дыры двух типов: а) с массами менее ста солнечных; б) гигантские - в галактиках и квазарах с массой более миллиона солнечных. Тип А находят в основном в двойных системах. Если одна из звезд в такой двойной звезде не видна (не излучает) и в то же время ее масса более 3 солнц_, то, вероятно, это черная дыра. Если масса меньше, то невидимый компонент может быть нейтронной звездой. Черная дыра сама по себе не излучает, но может быть видна за счет излучения из области, где находится падающее на нее вещество (аккреционный диск). С помощью космических телескопов Хаббл и Чандра (рентгеновского) удалось пронаблюдать кажущееся исчезновение вещества, падающего на компактные компоненты тесных двойных систем. Выяснилось, что системы с нейтронными звездами и в спокойном состоянии весьма ярки: кинетическая энергия падающего вещества при столкновении с поверхностью звезды превращается в тепловую и высвечивается в рентгеновском диапазоне. Аналогичные системы с черными дырами в спокойном состоянии почти не излучают (их светимость в 100 раз меньше), словно падающий газ просто исчезает, проваливается под горизонт событий, унося с собой всю свою энергию. Астрофизику Д. Долану удалось увидеть, как газовые сгустки исчезают из поля зрения, проваливаясь под невидимый горизонт. Наблюдая с помощью телескопа «Хаббл» массивный объект Лебедь XR-1, он зафиксировал регулярные затухающие серии импульсов ультрафиолетового излучения. Видимо эти импульсы исходят от сгустков горячего газа, отрывающихся от внутренней границы аккреционного диска и по спирали падающих на черную дыру. Ультрафиолетовое свечение сгустков слабеет, поскольку по мере приближения к черной дыре их излучение сдвигается из-за красного смещения в длинноволновые области спектра. После 6-7 импульсов сгустки пропадают из вида. Оптические наблюдения показали, что движение звезд у центра Галактики происходит вокруг гигантской массы с размером менее световой недели. Иными словами, в центре Млечного Пути находится черная дыра массой более 2,5 млн. Солнц и в 10 раз меньшая его по размерам.

Млечный путь - своеобразный вид нашей Галактики «в профиль». Кроме Солнца, в нее входит около 150 миллиардов звезд, и Галактика не единственная. Существует множество других, образующих Метагалактику (наблюдаемую Вселенную). Эдвин Хаббл (1899-1953) предложил классификацию галактик:

- эллиптические и сферические, состоящие в основном из старых звезд;

- спиральные, в «рукавах» которых находятся молодые звезды;

- неправильной формы.

В центральных областях галактик находятся компактные скопления огромного количества звезд - ядра. Пространство между галактиками и между звездами внутри галактик не пусто. В каждом кубометре находится в среднем 10000 атомов вещества, если их хотя бы впятеро больше - это уже космическое облако (в атмосфере Земли порядка 10²³ атомов на кубометр, а в лучшем лабораторном вакууме в кубометре их содержится 10⁹).

Происхождение космических лучей - потоков заряженных частиц, открытых в 1912 г., много лет оставалось загадочным. Но сейчас можно не сомневаться в том, что основные их источники - сверхновые звезды и активные ядра галактик. Наиболее загадочны лучи сверхвысоких энергий - их происхождение неясно не находит пока приемлемых объяснений.

В конце 60_х гг. в США была запущена система спутников Вела с приборами, регистрирующими мягкие гамма-лучи для контроля за договором по запрещению атомных испытаний в атмосфере. Взрывы и не производились, но гамма-всплески загадочного происхождения фиксировались, о чем широкой общественности было сообщено лишь в 1973 г. В 1997 г. удалось наконец обнаружить в направлении гамма-всплеска источники с большим красным смещением, наблюдавшиеся и в рентгеновском, и в оптическом, и в радиодиапазоне. 23.1.1999 г. возник мощный гамма-всплеск до 300 МэВ, длившийся около 100 с. Одновременно с ним произошла световая вспышка, светимость которой в максимуме достигала 2•10¹⁶ светимости Солнца! Во всех электромагнитных диапазонах суммарно выделилось 3•10⁵⁴ эрг. Получается, гамма-всплески - самое мощное взрывное явление в нынешней Вселенной. Источники этого грандиозного явления до сих пор не ясны.

Количество светящейся материи во Вселенной определяется по наблюдениям в видимом свете. Полное же количество гравитирующей материи сказывается на движении звезд в галактиках и галактик в скоплениях. Проще всего динамика проявляется при определении траекторий вращения звезд в спиральных галактиках, в частности в нашей. Вне всяких сомнений во Вселенной имеется некая несветящаяся материя, проявляющая себя в гравитационном взаимодействии. Эта темная материя распределена неравномерно, но присутствует везде: и в галактиках, и в межгалактическом пространстве. Какова же природа «скрытой массы»? Думали, что речь идет о нейтральном водороде, сильно ионизованном газе, планетах, коричневых карликах, нейтронных звездах и черных дырах. Однако эти предположения не подтвердили наблюдения астрофизиков. Видимо, темная материя не состоит из нуклонов. Скрытая масса составляет более 80% гравитирующей материи во Вселенной, и мы об этой «темной материи» и «темной энергии» не знаем пока практически ничего.

Считается, что Метагалактика включает в себя несколько миллиардов галактик, и по некоторым представлениям, составляет лишь незначительную часть Вселенной. Галактики расположены в Метагалакике неравномерно, в виде ячеистой структуры - вроде пчелиных сот. Еще точнее - галактики расположены вдоль условных стенок «сот», внутри же - так называемые пустоты - «воиды». Наибольшие скопления галактик расположены в местах пересечения стенок. Эти скопления имеют почти сферическую форму и насчитывают сотни и тысячи галактик. Ближайшее к нам скопление находится в созвездии Девы и насчитывает порядка трех тысяч галактик. Изучены и малые группы галактик, в одно из них входят две большие спиральные галактики - наш Млечный путь и Туманность Андромеды. Каждая из этих спиральных галактик имеет группы карликовых галактик-спутников. Так, у нашей Галактики в числе спутников - Большое и Малое Магеллановы облака, а так же сотни совсем небольших плотных шаровых звездных скоплений. Всего в нашей группе 38 галактик. Пока известно несколько десятков подобных групп.

Если Вселенная вечна, бесконечна и представляет собой более или менее равномерное распределение звезд в пространстве, то возникает парадокс: ночное небо должно сиять, поскольку в любом направлении ближе или дальше от нас будет иметься звезда, чего на деле не наблюдается. Анализируя спектры галактик удалось обнаружить так называемое красное (т.е. в сторону более длинных волн) смещение этих спектров на шкале частот относительно их обычного расположения. Э. Хаббл предположил, что красное смещение связано с тем, что галактики удаляются от нас (эффект Доплера), при этом оказалось, что чем дальше расположено от нас та или иная галактика, тем больше сдвиг, тем быстрее все они двигаются от нас. Разбегание галактик говорит о том, что раньше они были рядом, измерение скорости позволяет узнать, когда именно. Значит Вселенная эволюционирует и с определенного времени.

Многие астрофизики полагают, что около 25 млрд. лет назад все вещество было сосредоточено в одной точке вне времени и пространства. Затем произошел Большой Взрыв. Концепция Большого Взрыва в настоящее время получила широкое признание. И все-таки она испытывает затруднения при объяснении некоторых фактов: Чем определяется образование галактик из ионизированного газа и почему наблюдается асимметрия вещества и антивещества? Буттом и Стейхардом была разработана теория инфляции или Раздувающейся Вселенной. Она не противоречит модели Большого Взрыва, но проникает в более ранние этапы зарождения Вселенной - во время вакуумно-подобного состояния в себе. Основная идея этой концепции состоит в том, что на самых ранних стадиях Вселенная имела неустойчивое вакуумно-подобное состояние с большой плотностью энергии. Эта энергия и исходная материя возникли из квантового вакуума - из «пустоты».

В физическом вакууме отсутствуют фиксируемые частицы, поля и волны, но он не является безжизненной пустотой: в нем имеются виртуальные частицы, которые рождаются, имеют мимолетное бытие и исчезают. Вакуум наполнен этими частицами, взаимодействующими между собой. Энергия имеющаяся в вакууме, распределена на разных уровнях и именно благодаря этим уровням происходят процессы взаимодействия частиц. В инфляционной теории речь идет не просто о физическом вакууме, она предполагает наличие возбужденного или ложного вакуума. Полагается, что зарождающаяся Вселенная на самых ранних этапах как раз и была возбужденной квантовой системой. Хотя такое состояние вакуума неустойчиво и стремится к распаду, в нем заложены гигантские возможности для процессов отталкивания. Они-то и ответственны за расширение Вселенной. Согласно инфляционной теории, идет гигантское расширение с образованием не менее гигантской энергии и понижением температуры в пространстве. Энергия, которая была выделена в результате распада ложного вакуума, пошла на мгновенный нагрев Вселенной до 10²⁷ К. Высвобожденную энергию можно представить как некую суперсилу, которая объединяла гравитационное сильное, ядерное слабое и электромагнитное взаимодействия. Предполагается, что фаза инфляции продолжалась около 10^-35 - 10^-30 сек, а затем эволюция Вселенной пошла по детально разработанному теоретиками пути горячего Большого Взрыва. Взаимодействие излучения с веществом на определенном этапе привело к тому, что излучение и вещество стали эволюционировать с разной скоростью, о чем мы догадываемся по наличию «реликтового излучения», которое сейчас наблюдается в виде однородного фона в длинноволновом диапазоне.

В 1963 г. были открыты таинственные квазизвездные объекты (квазары), представляющие собой компактные образования, размером со звезду, но излучающие, как целая галактика. В их спектре на сплошном фоне излучения видны яркие линии, сильно смещенные в красную сторону, что говорит о том, что квазары удаляются от нас с огромной скоростью (и расположены очень далеко от нашей галактики). Природа квазаров окончательно не объяснена. Вспомним, что, согласно гипотезе русского физика А.Кушелева, «красное смещение» имеет иную природу, для объяснения которой нет необходимости воображать себе Большой Взрыв (хотя и в этом случае квазары оказываются одними из древнейших объектов Вселенной). И все же именно взрывного варианта пока придерживается большинство исследователей.

К чему же, по их мнению, приведет эволюция Вселенной? Все зависит от того, какова средняя плотность вещества в ней. Если она больше некоторого критического значения, то реализуется модель замкнутой Вселенной и под действием сил гравитации расширение через 25 млрд. лет прекратится, сменившись сжатием. Все вещество вновь сожмется в точку без пространства и времени. Если же плотность меньше критической, то гравитационные силы не смогут остановить расширение и реализуется модель открытой Вселенной. Через 10¹⁵ лет звезды остынут, через 10¹⁹ они покинут свои галактики, затем в результате радиоактивного распада все вещество во Вселенной превратится в железо, еще гораздо позже «железные звезды» превратятся в нейтронные звезды и в черные дыры, которые через 10⁶⁷ лет «испарятся», оставив пустое пространство. Наиболее вероятен, по мнению теоретиков, второй исход, но до него - сотни триллионов лет, да и то при условии, что современные физические законы и константы будут продолжать действовать в этом вечно меняющемся мире.