Космологические проблемы. Связь космологии и физики высоких энергий

Межгалактическая среда и изучение её состава

Межгалактическая среда, газ, излучение, космические лучи, магнитные поля, нейтрино и другая материя, находящиеся в пространстве вне галактик. Межгалактическая среда чаще всего непосредственно не наблюдается, и о её существовании и свойствах судят по косвенным данным. Межгалактический газ, согласно теоретическим исследованиям, является остатком того вещества, из которого в прошлом сформировались галактики. Выводы о плотности межгалактической среды имеют важное космогоническое значение: со средней плотностью вещества во Вселенной связан ход последующего её развития. О верхнем пределе плотности межзвёздного вещества судят по тому факту, что в спектрах небесных светил отсутствуют те или иные линии излучения и поглощения, обусловленные физическими процессами в межгалактической среде, которые при иных условиях должны были бы наблюдаться. Так, отсутствие поглощения в радиолинии 21 см позволяет вычислить предельное значение плотности нейтрального водорода на сравнительно небольших расстояниях от нашей Галактики. Более жёсткую оценку плотности получают, анализируя причины отсутствия линии поглощения La в спектре далёких квазаров (r < 10^-35 гЇсм^-3); эта оценка относится к большим расстояниям и, следовательно, к эпохе, когда Вселенная была в 3-4 раза моложе, чем сейчас. Низкая плотность атомов водорода означает, что газ в ту эпоху был сильно ионизован и, по-видимому, имел температуру порядка 10⁵ K. Выводы о плотности межгалактической среды можно сделать также на основе изучения аккреции (захвата) этой среды скоплениями галактик, движения радиоизлучающих выбросов и по другим косвенным данным. Наличие газа внутри некоторых скоплений галактик предполагается для объяснения устойчивости таких скоплений. С теоретической точки зрения нельзя исключить возможность того, что существенную часть межгалактической среды составляют нейтрино малой энергии, которые нельзя обнаружить современными средствами.

Нагрев межгалактической среды производился, по-видимому, космическими лучами и рентгеновским излучением от радиогалактик, квазаров, от формирующихся галактик. Существенными могли быть ударные волны, распространяющиеся от конденсирующихся газовых масс, в период образования скопления галактик. Ионизация горячего газа могла поддерживаться ультрафиолетовым и рентгеновским излучением различных молодых объектов. С течением времени температура и ионизация газа, по-видимому, уменьшаются.

Излучение в межгалактической среде включает в себя, прежде всего изотропный реликтовый фон с температурой около 3 K и излучение галактик, квазаров и её собственное излучение во всех диапазонах. Последнее позволяет оценить верхний предел плотности ионизированного водорода. Данные о космических лучах и о магнитном поле в межгалактической среде пока весьма неопределенны, но известно, что так называемых релятивистских электронов (электронов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света) в ней значительно меньше, чем в Галактике, так как иначе они давали бы заметное излучение при взаимодействии с фотонами межгалактической среды. Плотность метагалактических нейтрино оценить пока нельзя.

Проект “PAMELA”

Среди научных проектов, над которыми сейчас в МИФИ ведется активная работа - международный космический проект «PAMELA», направленный на поиски темной материи и антивещества в околоземном пространстве. Эксперимент PAMELA направлен на исследование потоков высокоэнергичных частиц: протонов, электронов и античастиц - позитронов и антипротонов. Почему интересно изучать такие частицы? Потому что сейчас есть важные космологические проблемы, связанные с физикой высоких энергий, с происхождением и генерацией космических лучей, которые можно будет решить, если мы получим богатый экспериментальный материал. Окружающая нас Вселенная состоит из светящегося в разных диапазонах и остывшего вещества. Ее изучением занимается всеволновая астрономия: от гамма- до радиоастрономии. А по ряду косвенных эффектов видно, что есть и темное, несветящееся вещество. Когда звезда крутится вокруг центра Галактики, вы можете посчитать ее скорость, связанную простым соотношением с массой, сосредоточенной в шаре, по поверхности которого она вращается. Часть массы мы видим (звезды, горячий газ, несветящаяся межзвездная пыль), но есть еще и невидимая. Сколько ее? Сегодня считается, что масса темной материи больше светящейся и остывшей части в десятки раз. Еще удивительное свойство, что она ведет себя не как обычная материя, т.е. не взаимодействует никаким другим образом, кроме как гравитационно. Если бы темное вещество взаимодействовало, то расчетное количество дейтерия, образовавшегося при рождении Вселенной и наблюдаемое, отличалось бы. На самом деле отличия почти нет. Естественно, природа этой темной материи крайне интересна. Теоретики объясняют ее еще неизвестными элементарными частицами, которые получили название: массивные слабовзаимодействующие частицы -- вимпсы (Wimp interaction massive particles).

Вторая проблема - изучение асимметрии Вселенной. Нам известно, что существует барионная асимметрия Вселенной: вокруг нас в основном находится вещество, т.е. протоны и электроны. Но если верить теориям о рождении Вселенной, где в начальной стадии была очень разогретая материя, то должна быть полная симметрия: т.е. одинаковое число частиц и античастиц. А мы видим асимметрию, по крайней мере, в Солнечной системе и, видимо, в нашей Галактике. Антиматерия -- вещество, в котором протоны заменены на антипротоны, электроны на позитроны, и нейтроны на антинейтроны. И оно, может быть, существует недалеко от нас и его частицы могут проникать в нашу Галактику, Солнечную систему, или есть внутри нее в ограниченном, компактном состоянии. Где она и почему не наблюдается в заметном количестве? Это очень интересный вопрос, прямой ответ на который получить очень сложно. Наша задача: зарегистрировать легкие антиядра и разобраться в природе барионной асимметрии.

С российской стороны в этом проекте участвуют несколько институтов: МИФИ, ФИАН и Ленинградский ФТИ. Головной институт - МИФИ. Был создан прибор, который называется PAMELA и позволяет определить и энергию, и массу, и заряд частицы. То есть с уверенностью отождествить космическую частицу, прошедшую через апертуру: протон или антипротон, электрон или позитрон, дейтон... Изготовление прибора началось примерно десять лет назад. Он был установлен на российский спутник «Ресурс ТК-1», который изготовили в Самаре. Запуск был осуществлен в конце 2003 года. А в Москве работает наземный комплекс, который принимает и обрабатывает информацию (по 15-20 Гбайт в день) со спутника.

Философско-мировоззренческие проблемы космологической эволюции

Возникновение и развитие современной релятивистской космологии имеет большое мировоззренческое значение. Оно во многом изменило наши прежние представления о научной картине мира. Особенно радикальным было открытие так называемого красного смещения, свидетельствующего о расширении Вселенной. Этот факт нельзя было не учитывать при построении космологических моделей. Считать ли Вселенную бесконечной или конечной -- зависит от конкретных эмпирических исследований и, прежде всего от определения плотности материи во Вселенной, что имеет решающее значение для оценки кривизны пространства -- времени. Очевидно, что при нулевой или отрицательной кривизне модель должна быть открытой, при положительной-- замкнутой. Однако оценка плотности распределения материи во Вселенной наталкивается на серьезные трудности, связанные с наличием так называемого скрытого (невидимого) вещества в виде темных облаков космической материи. Хотя никакого окончательного вывода о том, является ли Вселенная открытой или замкнутой, сделать пока еще нельзя, но многие свидетельства говорят, по-видимому, в пользу открытой бесконечной ее модели. Во всяком случае, такая модель лучше согласуется с неограниченно расширяющейся Вселенной. Замкнутая же модель предполагает конец такого расширения и допущение ее последующего сжатия. Как мы уже отмечали выше, коренной недостаток такой модели состоит в том, что пока современная наука не располагает какими-либо фактами, подтверждающими подобное сжатие. К тому же сторонники замкнутой Вселенной признают, что эволюция Вселенной началась с "большого взрыва". Наконец, остается нерешенной и проблема оценки плотности распределения материи и связанной с ней величины кривизны пространства -- времени.

Важной проблемой остается и оценка возраста Вселенной, который определяется по длительности ее расширения. Если бы расширение Вселенной происходило с постоянной скоростью, равной в настоящее время 75 км/с, то время, истекшее с начала "большого взрыва", составило бы 13 млрд. лет. Однако есть основания считать, что ее расширение происходит с замедлением. Тогда возраст Вселенной будет меньше. С другой стороны, если допустить существование отталкивающих космологических сил, тогда возраст Вселенной будет больше.

Значительные трудности связаны также с обоснованием первоначально "горячей" модели в сингулярной области, поскольку предполагаемые плотности и температуры никогда не наблюдались и не анализировались в современной астрофизике. Но развитие науки продолжается, и есть основания надеяться, что и эти труднейшие проблемы со временем будут разрешены.

Заключение

До третьего десятилетия XX в. астрономическая картина мира сформировалась, опираясь исключительно на информацию, полученную путем наблюдений в оптическом диапазоне спектра. Все объекты во Вселенной хотя и считались эволюционирующими, но чрезвычайно медленно. Кратковременные процессы с выделением больших количеств энергии -- взрывы сверхновых и новых звезд представлялись если не случайными, то редкими.

Но в 1931 г. американский радиоинженер Карл Янский (1905--1950) открыл космическое радиоизлучение. В 1937 г. были начаты систематические радионаблюдения неба другим американским радиоинженером Г. Ребером, которого можно назвать «Галилеем радиоастрономии».

Уже первые его наблюдения открыли неизвестную прежде «радиовселенную»: главные источники энергии -- яркие звезды-- «молчали»; радиоизлучение, имевшее непрерывный спектр, шло в основном из области Млечного Пути. Это подтверждало первую догадку Ребера о том, что излучала диффузная материя. Сначала предположили, что виновником является в основном ионизованный водород (тепловое излучение). Вместе с тем уже первые наблюдения указывали, что радиоизлучение связано с бурными процессами в радиоярких областях Космоса: в 1942 г. на метровых волнах обнаружилось интенсивное радиоизлучение Солнца, наблюдавшееся лишь при усилении его активности.

Однако подлинным временем рождения радиоастрономии стали конец 40-х -- начало 50-х годов XX в., когда была открыта первая спектральная радиолиния (нейтрального водорода -- л = 21 см) и нетепловой синхротронный характер излучения большинства радиоисточников. Эти эпохальные и подлинно коллективные открытия связаны с именами: первое -- X. К. ван де Хюлста, Голландия; И. С. Шкловского, СССР; X. Юэна и Э. Парселла, США; второе -- X. Альвена, К. Херлофсона, Швеция, К.Кипенхойера, ФРГ, В.Л. Гинзбурга и И.С. Шкловского, СССР.

Выявилось два типа дискретных радиоисточников. Одни (Телец А, или Крабовидная туманность, Кассиопея А) оказались остатками сверхновых, а другие (Лебедь А, Дева А и Центавр А) -- совершенно новыми внегалактическими объектами, которые назвали радиогалактиками. Эти галактики и в оптическом диапазоне имеют столь необычный вид, свидетельствующий о каких-то грандиозных процессах в них, что поначалу их приняли за пары сталкивающихся галактик!

К настоящему времени установлено, что это одиночные галактики необычной структуры и с огромными радиоизлучающими, обычно парными областями, располагающимися на значительном расстоянии по обе стороны от оптического компонента системы. Радиогалактиками оказались многие гигантские эллиптические, системы. Мощными радиоисточниками оказались и галактики с активными ядрами.

Некоторые объекты в пределах Солнечной системы (кроме Солнца это атмосферы некоторых планет и кометы) составили третий тип дискретных источников радиоизлучения, главным образом синхротронного.

В 1963 г. были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) -- самые мощные из известных источников энергии во Вселенной. При сравнительно небольших размерах (не более 1 светового месяца) средний квазар излучает вдвое больше энергии, нежели вся наша Галактика, насчитывающая более сотни миллиардов звезд и имеющая около 100 тысяч световых лет в поперечнике.

У квазаров были обнаружены и признаки явной нестационарности: переменность блеска и выбросы вещества с огромными скоростями. Именно квазары поставили перед астрономами новую, еще не до конца решенную проблему о природе источника их энергии.

К загадочным резко нестационарным внегалактическим радиоисточникам относятся и «лацертиды», названные по первому такому объекту, обнаруженному в созвездии Ящерицы (лат. Lacerta).

В 1965 г. было открыто фоновое, независимое от направления внегалактическое тепловое радиоизлучение, соответствующее температуре ~3 К и получившее объяснение как реликтовое. В пределах нашей Галактики были обнаружены новые радиообъекты -- пульсары, плерионы, источники мазерного излучения...

Во второй половине нашего века получили развитие новые, ветви коротковолновой астрономии -- рентгеновская и гамма-астрономия. Первым обнаруженным рентгеновским источником оказалось Солнце (1948). В этом диапазоне, как выяснилось позднее, излучают и остатки сверхновых звезд. Вместе с тем исследования в рентгеновском диапазоне дали возможность открыть совершенно новый вид источников. Это были двойные звезды, у которых один компонент -- гигантская нормальная звезда, а другой -- нейтронная звезда, либо даже черная дыра. Вещество, перетекающее из атмосферы нормальной звезды на сверхплотную, образует закручивающийся вокруг последней быстро вращающийся уплощенный диск. При этом колоссальная кинетическая энергия частиц, разгоняемых тяготением сверхплотного тела, частично переходит в рентгеновское излучение. Таковы Геркулес Х-1, Центавр Х-1 и Х-3, Лебедь Х-1. К таким же двойным системам относят и наиболее загадочный источник переменного рентгеновского излучения SS 433 в созвездии Орла. В нем наблюдается истечение вещества в противоположных направлениях с релятивистскими скоростями (80 000 км/с!).

Большая часть рентгеновских источников отождествлена с внегалактическими объектами -- обычными галактиками, радиогалактиками и некоторыми квазарами. Их излучение имеет как тепловую, так и синхротронную природу.

Гамма-излучение было впервые обнаружено в 1961 г. Оно исходит из центра Галактики, природа этого источника до сих пор не ясна. Источником гамма-излучения оказался и пульсар в Крабовидной туманности, а также объект в Скорпионе (последним рассматривается как остаток вспышки новой звезды). Часть гамма- и рентгеновских источников проявляет весьма загадочную переменность, отчего они получили название «транзиентных» («преходящих», непостоянно существующих) объектов. Природу одного из них в 1983 г. удалось раскрыть: он оказался рентгеновским пульсаром.

Наконец, с поисками чрезвычайно коротковолнового космического гамма-излучения (с энергией квантов до 511 килоэлектронвольт) связывают надежды обнаружить во Вселенной антивещество, ибо такая энергия могла бы выделяться при аннигиляции пары электрон -- позитрон.

Новые загадки астрономам задала наиболее молодая область корпускулярной астрономии -- нейтринная. Поток нейтрино от Солнца -- необходимое следствие протекающих в его недрах ядерных реакций -- оказался слабее предсказываемого теорией. Это вновь поставило вопрос о том, достаточно ли надежна современная теория звездных источников энергии... Роль нейтрино в астрономической картине мира может чрезвычайно возрасти, если подтвердятся полученные советскими физиками результаты, свидетельствующие о неравенстве нулю массы покоя нейтрино. При этом может оказаться, что именно в нейтрино сосредоточена подавляющая доля массы Вселенной (до 98%). В таком случае не исключено, что средняя плотность вещества во Вселенной превысит критическую, т. е. наша Вселенная окажется, в соответствии с релятивистской космологической теорией, замкнутой, а расширение ее через миллиарды лет сменится сжатием.

Развитие новых областей астрономии, прежде всего радиоастрономии, убеждает в существенной роли во Вселенной процессов нестационарных, быстропеременных, с огромным выходом энергии. Это касается не только отдельных звезд, двойных звездных систем, но и целых галактик. В ядрах многих галактик, как и в квазарах, обнаружены признаки бурной активности.

Особенно активными оказались квазары и ядра «сейфертовских» галактик, «галактик Маркаряна», а также крайне компактных «N-галактик». В таких галактиках во всех диапазонах наблюдаются мощные выбросы вещества, истечение газа с огромными скоростями, как если бы там происходили колоссальные взрывные процессы. Природа активности ядер галактик до сих пор окончательно не установлена, И в этом пункте вступают в единоборство две диаметрально противоположные космогонические концепции -- нетрадиционная, опирающаяся на идею дезинтеграции (гипотеза Амбарцумяна), и классическая идея предельного сгущения и его новых неожиданных следствий. Первая утверждает возможность сохранения и в современной Вселенной остатков вещества в «сингулярном» состоянии (в каком оно было до начала общего расширения Вселенной), которое, якобы, и распадается в ядрах галактик и квазарах, обеспечивая, особенно в последних, колоссальный выход энергии. Но в настоящее время более распространенной и разработанной является иная концепция, связанная с идеей черных дыр в центрах таких объектов. Так, квазары представляются черными дырами с массой порядка 10⁹ масс Солнца.

Как показал в 70-е годы английский физик С. Хокинг, черные дыры также расходуют свою гравитационную энергию («испаряются»), стягивая на себя окружающую материю и сообщая ей при этом колоссальную кинетическую энергию, за счет чего последняя начинает излучать в основном в рентгеновской области. Поскольку количество квазаров в единице объема растет с продвижением во все более далекие (и, следовательно, более молодые) области Вселенной, то становится ясным, что образование квазаров отражает процессы, характерные для более молодой Вселенной, когда в ней еще много было диффузной первичной материи, и потому шло бурное формирование наиболее массивных отдельных тел и галактик.

Подведем итоги. Астрономическая картина мира за последние десятилетия неимоверно обогатилась новыми, совершенно неизвестными прежде или только теоретически мыслившимися физическими объектами. Новые разделы астрономии и новая астрономическая техника позволяют открывать не только необычные типы объектов, но и типы процессов: быстрые качественные изменения космических объектов.

Если астрономическая картина мира, сложившаяся к нашему времени как экстраполяция оптических наблюдений, отразила общие представления главным образом о составе и структуре Вселенной, а также о чрезвычайно медленных процессах в ней, то радио-, рентгеновская и гамма-астрономия дали первые свидетельства о бурных, кратковременных процессах -- о поворотных периодах в жизни, развитии космических объектов и их систем самых разных масштабов. Наблюдаемые отдельные явления и объекты сейчас как будто гармонично вписываются в общую картину нестационарной в целом Вселенной, что уже породило образ «взрывающейся Вселенной». Впрочем, этот образ уже дополняется и образом «коллапсирующей Вселенной» -- пока только в своих отдельных частях. А уточнение средней плотности вещества в Метагалактике даст ответ и на вопрос о том, станет ли когда-нибудь коллапсирующей и вся Метагалактика в целом.

Вместе с определенной гармонизацией общей картины Вселенной в современной астрономической картине мира имеется немало острых проблем. Одна из них -- проблема существования и формы «скрытой массы», от которой зависит оценка средней плотности вещества во Вселенной. Проблема нейтринного потока от Солнца вновь поднимает вопрос об источниках энергии звезд. Наблюдения необычных форм галактик заставляют астрономов вновь задумываться о достаточности известных фундаментальных физических законов для описания и понимания наблюдаемой Вселенной. Такие же вопросы встают и в связи с колоссальным различием красных смещений, наблюдаемых у отдельных членов компактных групп казалось бы физически связанных между собою галактик.

Современное обогащение ядра астрономической науки еще не демонстрирует существенных противоречий в имеющейся астрономической картине мира. Однако оно создает почву либо для развития современной физики (создания объединенной теории взаимодействий, квантово-гравитационной теории, единой теории материи...), либо... для усиления кризисной ситуации и новой грандиозной физической революции, и, как неизбежное следствие,-- для коренного изменения астрономической картины мира.

Список использованной литературы

1. Демин В.Н. «Тайны Вселенной», М.: Наука, 1998.

2. Воронцов-Вельяминов Б.А. «Внегалактическая астрономия», М.: Наука, 1972.

3. Еремеева А.И. «Астрономическая картина мира и её творцы», М.: Наука, 1984.

4. Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. «Релятивистская астрофизика», М., 1968.

5. Клечек Й.И Якеш П. «Вселенная и земля», Прага: Артия, 1986. (издание на русском языке).

6. Кесарев В.В. «Эволюция вещества во Вселенной», М.: Атомиздат, 1989.

7. Комаров В.Н. «Вселенная видимая и невидимая», М.: Наука, 1979.

8. Левитан Е.П. «Эволюционирующая Вселенная», М.: Просвещение, 1993.

9. Марочник Л.С., Насельский П.Д. «Вселенная: вчера, сегодня, завтра», сборник «Космонавтика, астрономия», выпуск № 2 за 1983.

10. Нарликар Дж. «Неистовая Вселенная», М.: Мир, 1985.

11. Новиков И.Д. «Эволюция Вселенной», 3 издание, М.: Наука, 1993.

12. Пиблс П., Физическая космология, пер. с англ., М., 1975.

13. Рузавин Г.И. «Концепции современного естествознания»/ Учебник для ВУЗов/ М.: Культура и спорт, ЮНИТИ,1997.

14. «Большие проблемы Большого взрыва», журнал «Истоки», № 1 за 1999 г.

15. «Вселенная во власти “тёмной энергии”: новое доказательство», журнал «Грани», № 11, 2002.

16. Шкловский И.С. «Звезды, их рождение, жизнь и смерть», М.: Наука, 1974.