Еще раз о Мироустройстве

Ответов на эти вопросы нет. Тем не менее, наиболее любознательная часть человечества крайне заинтересована в решении проблем существования соседей по космосу и ведет интенсивную деятельность по их поиску. материя мироустройство эволюция космологический

5. Соотношение сил в Мире, эволюция белковых форм и космологический сценарий

Сегодня человечеству известны четыре вида сил: гравитационные, электромагнитные, слабые и сильные, о чем подробнее говорится в другом разделе. Каждое из названных взаимодействий отвечает за свой участок явлений нашего Мира, но оказывается, малейшее изменение их величины существенно трансформирует нашу Вселенную. Впечатляющие результаты были получены М. Тагнарком, проанализировавшим возможные последствия от изменения величины констант сильного и электромагнитного взаимодействий. Эти константы в нашей Вселенной равны 0,1 и 1/137, и даже небольшое их изменение приводит к неустойчивости атомных ядер и короткой жизни звезд. По мнению В. Картера, аналогичные ограничения имеются и по части отношения массы электрона к массе протона. Причем в этом случае страдают стабильность звезд и стабильность атомарных структур. Во всех такого рода исследованиях обнаруживаются некоторые области возможных значений разного рода констант, то есть наш Мир хоть и уникален, не вполне устойчив, и иногда небольшие изменения законов, правящих Вселенной, не совсем катастрофичны для разумной жизни.

Допустим, условия для возникновения разумной жизни созданы, и возник разум. Каковы дальнейшие перспективы у эволюции цивилизации. Сколько их у цивилизаций? Сколько их в наблюдаемой части Вселенной? С научной точки зрения, здесь мы вступаем в наиболее спекулятивную область с удивительно бедным экспериментальным материалом. По большому счету, существует всего три тривиальных факта:

во-первых, во Вселенной существует, по крайней мере, одна цивилизация - земная;

во-вторых, хотя свойства Вселенной, как предполагают ученые, одинаковы во всех ее частях, следов других цивилизаций пока не обнаружено;

в-третьих, число вселенных, существующих в нашем Мире, видимо, бесконечно.

За 10млрд. лет своего существования Галактика могла быть полностью заселена колониями всего одной цивилизации. Это справедливо в том случае, если уровень ее развития был бы таков, взаимоотношения с пространством и временем принципиально отличался от наших представлений. И где же они, колонисты, цивилизация которых насчитывает миллиарды лет? Почему поиски следов их жизнедеятельности пока безуспешны? Возможно, виной этому является совершенно примитивная логика нашего мышления. Возможно наше одиночество во Вселенной лишь кажущееся, и более развитые цивилизации просто не вмешиваются в нашу жизнь, стараются не задевать нашу пространственно временную сущность. Нам не знакома цивилизация, развивавшаяся 3 или 5 миллиардов лет, ведь ее полевая и энергетическая сущность может нами просто быть не воспринимаема. Нам неизвестны отношения ее обитателей к своему будущему и к нам. Мы по-разному относимся к бабочкам и к комарам. Кем мы можем быть для древней цивилизации.

Мы о ней ничего не знаем, хотя, возможно, ее обитатели заняты более важными проблемами, чем контактами с землянами, которые вообще могут существовать в другом пространственно временном срезе, например, поиском способов выживания в охлаждающейся Вселенной. Последнее может быть подтверждено тем фактом, что в расширяющейся Вселенной неизбежно должна падать плотность энергии в космическом пространстве.

Современные модели эволюции Вселенной предоставляют на выбор несколько сценариев будущего, и все они не дают оснований для особого оптимизма.

Во-первых, один из основных сценариев заключается в том, что, если космологические константы не меняются со временем, то вселенная будет вечно расширяться и охлаждаться. В конечном итоге останутся только нейтрино, фотоны, и, возможно, электроны с протонами. Никаких звезд и планет. И лишь случайно блуждающие частицы, разделенные огромными расстояниями. Плотность частиц и сейчас очень мала - всего 1 протон на кубический метр пространства Вселенной, а в дальнейшем эта плотность будет и дальше падать, поскольку происходит расширения пространства.

Во-вторых, есть и еще один вариант катастрофических событий - так называемый, Большой Взрыв. Эта идея была выдвинута в 2003 году в статье Р. Колдвелла, М. Камионковского, Н. Вайберга «Фантомная энергия и космический конец света». Есть определенные основания предполагать, что величина взаимодействия между частицами, благодаря которому существуют все устойчивые структуры, начиная с атомов, уменьшается со временем. Тогда в какой то момент времени, когда взаимодействие станет слишком слабым, произойдет распад всех материальных объектов, и тогда исчезнет Разум, если это не чисто полевая структура. Возможно, это можно рассматривать как вариант энтропии, хотя на этот счет сегодня существует несколько, взаимно исключающих гипотез.

В-третьих, возможна еще одна опасность. Вполне возможно, что наше пространство состоит не из трех измерений, а из много большего их числа. Например, мы можем не замечать остальных измерений, ввиду их малого размера. Но если линейные параметры дополнительных измерений увеличиваются, то со временем они начнут серьезно влиять на динамику нашего Мира.

Если же цивилизации придется вести серьезную борьбу за выживание Разума, то возможен, к примеру, такой вариант. Найти более удобное убежище для Разума, нежели человеческий мозг, и полностью перестроить тело, которое, как полагает американский астрофизик Ф. Дайсон, всего лишь защитная оболочка для Разума. Разрабатываемые сегодня сверх проводящие и квантовые компьютеры могут оказаться вполне подходящим местом для обитания Сверх Разума будущего, обрабатывающего информацию, практически не расходуя время и энергию.

«Любопытную возможность спасения представляют и современная теория поля совместно с теорией гравитации. Теоретически могут существовать такие необычные объекты, как Черные Дыры с некоторой плотностью энергии внутри. В типовой модели Черной Дыры вся масса и энергия сосредоточены в ее центре. Время в таких объектах течет совсем не так, как вдали от них. Поэтому, стоит только оказаться внутри них, и можно продлить свое существование как угодно долго. Для стороннего наблюдателя время ее жизни ограничено, поскольку она испаряется из-за излучения Хокинга. Но для тех, кто внутри Черной Дыры, время течет по-другому, и по их часам этот космический объект будет жить бесконечно долго. А вот внешний мир перестанет для него существовать еще при прохождении эквоповерхности Черной Дыры.

Возможно, в нашей вселенной существуют, или могут быть искусственно созданы, такие любопытные объекты, как «кротовые норы», соединяющие разные участки нашего четырехмерного пространства-времени между собой или даже наш Мир с другими мирами. Тогда проблема неограниченного по времени существования Разума приобретет совсем другой оборот и ничто не помешает ему свободно путешествовать по различным вселенным, выбирая благоприятное место обитания. Более того, разобравшись с тем, как рождаются вселенные и почему у них бывают различные свойства, сверхцивилизация может заняться поиском готовых или созданием новых миров, более приспособленных для жизни и не подверженных разного рода катаклизмам, присущим нашему Миру.

6. Темная материя. Темная энергия

Вопрос несоответствия общей суммарной массы вещественной материи во Вселенной давно озадачивал ученых астрофизиков. Ведь если учитывать во Вселенной только совокупную массу всех ее материальных частей, включая звезды, галактики, туманности и газовые облака, то такая Вселенная не может быть устойчивой. Ее гравитационных связей будет недостаточно, чтобы удерживать в связанном состоянии. Поэтому возникла необходимость дополнить каким-то образом материальную массу, поскольку вещественная масса содержит всего 4% от общей массы всей Вселенной, которая была бы способна обеспечить гравитационную стабильность нашего Мира.

Так уже несколько веков назад возникло первое упоминание о «Темной Материи», и впервые ее сумел некоторым образом описать в 1920 году Фриц Звяке. Однако, это описание не носило научного характера, не было основано на фундаментальной теории, имело чисто гипотетический характер.

И вот в наши дни американскими учеными Пирстоном и Острайкером предложена такая модель Вселенной, которая могла бы обеспечить ее устойчивость, исходя из дополнения всего пространства темной материей. Если ранее предложенные математические модели показывали неустойчивость системы, которая стремилась немедленно распасться, то после введения понятия темной материи, которая составила 96% от общей массы Вселенной, позволила получить модель устойчивой системы. При этом она проявила характер устойчивости даже при условии учета теории Большого Взрыва и применения модели расширяющейся Вселенной.

Но эта идея не всем ученым пришлась по вкусу. Это не удивительно, поскольку всегда имеется возможность не соглашаться с предлагаемыми постулатами, ибо любая парадигма не может быть совершенна и окончательна в смысле фундаментальности. Ученым не нравилась идея модели Звеке, и они не соглашались с его результатами, хотя и не находили разумных и категоричных возражений. Они просто считали, что подобная мысль слишком спекулятивна. Мир не был готов воспринять идеи Острайкера о темной материи. Однако, благодаря работам ученой - астрофизика Веры Рубен, которая работала в институте Карнеги, ситуация резко изменилась.

Работая в обсерватории, она отошла от своих первоначальных исследований в области Черных Дыр и обратила внимание на целые Галактики. Исследуя последние, она натолкнулась на нечто более фундаментальное. Вот уже более 300 лет физики ведут практическую проверку законов Ньютона. Всеми движениями тел во Вселенной управляет гравитация. Формулы движения космических тел отлично описываются законами Ньютона, например, движение небесных тел Солнечной Системы, где планеты удерживаются на своих орбитах силами гравитации.

Величины скоростей планет даны в земных годах орбитального вращения. Чтобы получить значения линейных скоростей в километрах необходимо сделать перерасчет через соответствующие величины орбит планет.

Если построить график зависимости скорости движения планет от их расстояния от Солнца от Меркурия до Плутона (см. рисунок), то будет видно, что Меркурий вращается на много быстрее, чем Плутон. Этот график называют кривой вращения планет. Он наглядно иллюстрирует закон тяготения, согласно которому, чем дальше от Солнца, тем слабее притяжение.

Галактики устроены примерно так же, как наша Солнечная Система. Только в спиральной Галактике вокруг гравитационного центра, роль которого выполняет гигантская Черная Дыра, вращаются звезды. В 70-х годах ХХ-го века В. Рубен стала изучать кривые вращения звезд в Галактиках. Она обратила внимание на края Галактики, поскольку известно, что этим вопросом никто не занимается. Была зафиксирована ближайшая к нам галактика Туманность Андромеды, и для нее построен график движения звезд (кривая - 2). Ей удалось обнаружить, что с удалением звезд от центра вращения их скорости не уменьшаются, то есть, их скорости такие же, как у звезд, ближайших к центру. Это факт оказался неожиданным, и его следовало объяснить.

Казалось, что звезды в галактике нарушают закон тяготения. Скорости их орбитального движения оказались совсем не такими, как следовало из Закона Всемирного Тяготения. Если мы измерим скорости движения звезд по их галактическим орбитам, то обнаружим, что эти скорости постоянны везде, во всей области наблюдений. Это шло в разрез с тем положением, которое имеет место в Солнечной Системе, и с законами Ньютона. Эти скорости должны были снижаться к периферии. Стало очевидно, что наше старое представление о галактиках неверно.

Скорости вращения звезд в Галактиках слишком большие. По всем законам орбитального движения они при таких скоростях должны были бы улететь в космическое пространство, оторваться от центра галактики, система при таких условиях движения не может быть устойчивой. Следовательно, их удерживает на орбитах какая-то дополнительная материя. Если повезет, то обнаружится, что этой материи обнаружится ровно столько, чтобы обеспечить недостающие гравитационные силы. Такое соответствие должно быть установлено в пространстве. Эти работы В. Рубен стали тем поворотным моментом в астрофизике, начиная с которого представление о Темной Материи стало широко использоваться, как некоторая фундаментальная гипотеза.

Наука натолкнулась на головоломку. Чего-то в этой гипотезе не доставало. С одно стороны, во Вселенной не хватает массы, чтобы удерживать ее физические объекты вместе, обеспечивать устойчивость системы. С другой стороны, Вселенная существует и не распадается.

Однако следует вспомнить, что существует парадигма, согласно которой Вселенная расширяется, и скорость расширения постоянно возрастает. Такой процесс мы рассматриваем как последствие Большого Взрыва. Но возможно, мы здесь опять же что-то недоучитываем, так как в любую теорию, любую гипотезу при подробном рассмотрении обязательно вклиниваются новые вопросы, новые неточности.

Кроме того, говоря о суммарной массе, участвующей во вращательном движении Галактик, следует учитывать тот момент, что наша оценка массы эквивалентной, центральной Массивной Черной Дыре абсолютно не определена. Та методика определения этой массы, которая предлагается современной астрофизикой, никак не может быть принята однозначной.

Наука приготовила ответ на вопрос о Темной Материи. Темная Материя Пирстона-Острайкера, в некотором смысле, ставит все на место, а благодаря В. Рубен, эта идея стала очень популярной. Всеми, кто занимается астрофизикой, овладела новая идея. Темная Материя стала новой парадигмой. Но оставалась одна маленькая проблема. Никто никогда не видел темную материю. Профессор Солт Уолтер из Калифорнийского университета говорит, что существуют два артефакта, которые известны о Темной Материи.

Во-первых, у темной материи есть масса, которая гравитационно взаимодействует с другими массами. Так что мы ищем что-то тяжелое.

Во-вторых, нам известно, что эта масса может быть очень велика, поскольку та масса, которой обладают звезды и другие материальные тела Вселенной, составляет лишь 5% той массы, которая могла бы удерживать звезды внутри галактики.

Кроме этого, мы ничего не знаем о Темной Материи.

Теперь задача состоит в том, чтобы понять, что же такое Темная Материя, и здесь открывается большой простор для поисков. Сам по себе термин «Темная Материя» звучит экзотически. Астрономы измерили массу газовых облаков, планет, погасших звезд, всего того, что существует в космосе и не светится для того, чтобы идентифицировать темную материю. Однако, гравитационного вещества по-прежнему не хватало.

К началу 90-х годов даже самые сильные оценки давали менее 10% той массы, которая необходима для соответствия результатам экспериментов. И если темная материя не создается обычными объектами, которые можно увидеть, то, видимо, должно быть нечто, что абсолютно не видимо и может быть обнаружено лишь через косвенный эксперимент. Для этого совершенно не достаточно возможностей прежних телескопов.

Профессор Рикардо Дреонванелли (Корнуэльский университет) использовал для экспериментов радиотелескоп в Пуэрто-Рико, что позволило расширить частотный диапазон исследуемых сигналов. Он является опытным экспертом по наблюдениям за недоступными для изучения другими астрономами областями Вселенной. Для этого ему недостаточно обычных телескопов. Это позволяет ему изучать в космосе те явления, которые не фиксируются в световом диапазоне частот.

Радиотелескоп в Пуэрто-Рико называют самым большим ухом в мире. Его тарелка собирает радио волны, распознаваемые мощным приемником. Здесь Рикардо и его коллеги создают современную картину Мира на основе данных о Водороде, самом распространенном элементе нашей Вселенной. Поэтому телескоп можно использовать для определения его количества и структуры излучения Вселенной в целом. Когда были закончены эксперименты, то было обнаружено, что в самых удаленных областях Галактики, в которых уже нет никаких звезд, а только содержится один водород в виде газовых облаков, происходит нечто удивительное. Газ там движется также быстро, как и звезды во всей Галактике. Газ, состоящий из водорода, как будто вращается какой-то невидимой силой. Создается такое впечатление, что темная материя является некоторым нимбом, окружает галактику в целом и все, что в ней содержится, включая нашу Солнечную Систему и Землю.

Но и этого газа недостаточно для описания всеобщего вращения. Следовательно, должна существовать какая-то форма материи, называемая неварионной. Без атомная форма материи, но, тем не менее обладающая массой. Все свидетельствует в пользу одного утверждения: темная материя не состоит из атомов, как вся вещественная материя. Так что необходимо искать нечто, что не состоит из атомов, но обладает массой, присутствующее везде, но невидимое для нас.

Наука должна совершенно по-новому взглянуть на Мир и найти совершенно новый тип материи. Для этого необходимо по иному подойти к исследованиям. В глубинных шахтах Земли работают ученые, охотники за темной материи, в том числе астрофизик-экспериментатор профессор Тим Санпер. Он стремится создать возможности для идеальных, «стерильных» условий, обеспечивающих чистый эксперимент. Частицы, которые способны долететь из космоса и которые имеют все проникающие свойства, наши ученые называют «нейтрино». Та форма материи, которую ищут, являются совершенно новым семейством частиц. Ученые считают, что они существуют, поскольку их предсказывают многие физические теории. Ученые США называют эти частицы нейтролино. Они могут существовать везде и обеспечить во Вселенной недостающую гравитацию.

Но, если такие частицы действительно существуют, то они должны без препятствий проникать везде через вещественную материю, состоящую из атомов. Но именно этот факт препятствует наблюдению этих частиц, ибо они могут проникать незамеченными через любой детектор, построенный на базе современных технологий.

Необходимо обнаружить такую частицу, которая будет очень слабо действовать на наши мишени, и не будет менять их состояние, если их взаимодействие произойдет. По поиски темной материи не дали положительных экспериментальных результатов. Экспериментальное обнаружение Темной Материи, основанное на теоретических исследованиях, безусловно, стало бы величайшим открытием в физике. Как в физике, и так и космологии эта проблема настолько фундаментальна, что ответ на этот вопрос стал бы колоссальным событием в науке. Но пока эта материя ни в какой форме не обнаружена. И многие ученые считают такой поиск пустой тратой времени. Теоретически предсказанное явление в виде Темной Материи не доступно для сегодняшней экспериментальной базы. Ее надо совершенствовать, либо искать иные способы постановки физического эксперимента. Ведь возможны косвенные или наблюдательные эксперименты. Теория должна, прежде всего, предоставить физикам неопровержимые однозначные научные выводы.

Для ученых тот факт, что Темная Материя до сих пор не найдена, означает лишь то, что найти ее очень трудно. При этом, другие ученые считают, что нет необходимости искать темную материю в недрах галактик, а надо лишь модифицировать законы физики, считая законы Ньютона неточными. Наблюдаемые кривые вращения космических тел с точки зрения Законов Всемирного Тяготения совершенно бессмысленны, если не ввести дополнительную гравитацию. Это можно сделать двумя способами: либо учесть Темную Материю, либо считать, что обычная гравитация в областях пространства становится больше. Однако не так часто случается, чтобы законы физики не работали. Опровергать Ньютона опасно, надо искать какие-то уточнения, граничные условия на исходные данные. Поэтому Милли Кром разрабатывает гипотезу нового закона гравитации на основе строгих математических построений, стараясь убедить остальной научный мир в своей правоте.

В 1981 году ученый Кром представил свою теорию по вопросам гравитации и темной материи. Однако, ученый мир встретил ее отрицательно. В то время изменение гравитации воспринималась как слишком радикальная концепция, а понятие Темной Материи, несмотря на его экстравагантность, вызывала намного больший интерес. Теперь у астрономов возникла необходимость решить глобальную загадку Вселенной. И М. Кром представляет свою теорию как способ разобраться в том, как работает Вселенная.

За последние годы в вопросе понимания законов Вселенной заметен существенный прогресс. Сегодня мы имеем самосогласованную картину развития нашего мира, начиная с момента Большого Взрыва и до нынешнего времени, когда существует множество галактик, в одной из которых находится Солнечная Система. Профессор Френк, как и другие космологи, хочет узнать историю эволюции всей Вселенной, и теория Темной Материи его весьма интересует. Сложнейший вопрос состоит в том, чтобы подсчитать, сколько во Вселенной имеется Темной Материи. Как это можно узнать, ее же видно. Необходимо обратиться к косвенным аргументам, и они должны быть очень весомыми. Одним из них является теория Большого Взрыва, которая теоретически предсказывает общую массу современной Вселенной.

К стати следует отметить, что теория Большого Взрыва также не вышла на уровень окончательного постулата. По этому вопросу идет много споров. Ряд ученых считает нашу вселенную многослойной и пульсирующей (об этом подробно говорится в другом разделе).

Как уже говорилось, оценка массы вещества во Вселенной дает нам всего 4% от той, что предсказана теорией Большого Взрыва. Тогда теоретически на долю Темной Материи остается 96% материальной массы. В начале 90-х годов прошлого века начались экспериментальные попытки получения точного значения массы Темной Материи. Когда был поставлен такой вопрос (А. Карлос), то результат получился катастрофический. Ее количество оказалось составляет не более 25% общей массы. То есть Темной материи получилось почти в 4 раза меньше, чем необходимо для существования Вселенной, как устойчивой системы. То есть получилась бессмысленная с точки зрения фундаментального знания картина Мира.

Создавалось впечатление, что мы пропускаем что-то очень важное, что делает нашу Вселенную простой и элегантной. Когда космология посчитала картину Вселенной очевидной, возникла дыра в виде 70% недостающей массы. С тех пор как понятие Темной Материи появилась в космологии, оно превратилось в сугубо теоретическую и ничем не неопределяемую физическую сущность, которая не смогла обеспечить недостающие 96% космической материи (энергии). Здесь следует упомянуть об эквивалентном преобразовании в природе вида энергия - материя.

В 1998 году Теория Большого Взрыва преподнесла еще один сюрприз. Соупт Мутор начал работать на одном из крупнейших телескопов, чтобы измерить скорость расширения Вселенной. В те годы ученые были уверены, что за счет гравитации скорость расширения должна была бы замедляться, так как все вещество во Вселенной взаимно притягивается. Но мы не знали, будет ли этого замедления достаточно для того, чтобы Вселенная однажды схлопнулась. Или она будет расширяться вечно, замедляя скорость расширения до бесконечно малых значений.

Профессор Перемутор измерял, с какой скоростью удаляются от нас самые близкие и далекие сверх новые звезды. Было определено, что скорость расширения Вселенной постоянно увеличивается. Это был неожиданный результат. На первый взгляд это казалось невозможным. Это противоречило основным законам физики. Ни одна из самых совершенных физических теорий не могла объяснить этого явления.

Однако, этот странный результат стал началом большого прорыва. Ведь для такого ускорения требовалась огромная энергия. Но так как энергия эквивалентна массе, то вычисления давали ровно 75% недостающей энергии Вселенной.

Недостающую энергию назвали Темной Энергией. Это и заполнило пробел в модели Вселенной. Наконец вид Вселенной по двум моделям, Темная Энергия и Большой Взрыв, совпали. Хотя следует отметить, что сущность последних двух понятий никто не может объяснить.

Так родилась новая структурная космологическая модель. Но ее появление вызвало много возражений. Дисней, крупнейший космологический скептик: « Это не доказанная теория, не позволяющая сделать никаких выводов». «Величайшим препятствием на пути научного прогресса является иллюзия того, что явление кажется понятным. Это похоже на дискуссию на тему - существует ли Бог». Но Френк Карлос создает модель Вселенной. Он убежден в том, что у него есть возможность доказать своя правоту через компьютерный аналог Вселенной. Модель Карлоса основывается на поиске условий, которые спасут Вселенную от распада. Математические модели можно было бы отбросить, если бы они не были столь изящны и убедительны. Неясная темная модель используется для успешного объяснения вполне измеряемых величин, даже форма галактики описывается с большой точностью.

Именно темная материя заставила через сближение вещества, через его концентрацию образовываться галактикам. Получается очень хорошее совпадение между моделями и реальными галактиками. То есть, компьютерная, виртуальная модель очень хорошо совпадает с реальной Вселенной.

Аргументам не хватает доказательности. Но этот пробел можно восполнить. Дейфс Мергель, лучший американский астрофизик в 2003 году проектировал спутник, с которого была запущена станция Дельта-2 для изучения процесса эволюции Вселенной. Данные, полученные со спутника, подтверждают космологическую модель Карлоса. На сегодняшний день это самая убедительная модель, где первичная материя конденсировалась из общей горячей массы. Результаты, полученные с помощью спутника, дали хорошее подтверждение универсальной модели.

На сегодня единственной альтернативой Темной Материи является положение, что теория Ньютона не верна, и гравитация не везде одинакова. Конечно, теория Темной Материи потребует серьезной ревизии нашего понимания природы. Стандартная модель Вселенной сейчас является новейшей в долгой череде идей. Окажемся ли мы тем самым привилегированным поколением, которому довелось жить в эпоху окончательного знания.

7. Астрофизика (физика звезд на поздней стадии эволюции)

Из выступления директора Государственного астрономического ин-та им. Штейнберга, академика РАН, профессора, Черепащук.

Чёрные Дыры, Кротовые Норы, Тёмная Материя, Тёмная Энергия. Свойства этих новых форм материи очень необычны и поэтому в их реальное существование верится с трудом. Но эти современные открытия сегодня чётко обоснованы наблюдательными данными. Астрономия является наблюдательной наукой. Она не имеет возможности прямого воздействия на изучаемые объекты. При исследованиях в астрофизике решаются обратные задачи. То есть, по принятым излучениям мы пытаемся восстановить те объекты и причины, которые эти следствия вызывают. Но обратные задачи - это очень трудные задачи, в большинстве своём они некорректно поставлены. То есть малым возмущением наблюдательных данных могут соответствовать сколь угодно большие возмущения объекта исследований. По этому интерпретировать астрономические данные очень не просто, что чревато неоднозначными результатами. Кроме того, многое зависит от типа используемой модели. Примером решения прямой и обратной задачи может служить тюбик с пастой.

А.Н. Тихонов разработал аппарат для решения некорректных задач. Он показал, что имеется два варианта решения обратной задачи. Первое, это использование априорной информации об объекте. То есть, необходимо построить оптимальную модель. Второе направление - это использование возможно широкого диапазона наблюдательных данных, что позволяет получить устойчивое решение. К сожалению, астрономия до середины 50-ых годов ХХ века работала в очень узком оптическом окне, когда изучаемый диапазон в очень узком оптическом окне, от инфракрасных лучей отстоял всего на два диапазона электромагнитных волн, приходящих из космоса. Атмосфера Земли не прозрачна для этого излучения.

После того, как был запущен искусственный спутник Земли, открылись новые возможности изучения космических лучей, поскольку с приборами вышли за земную атмосферу. В СССР была открыта эра космических исследований, и перед астрономами открылся бесконечный мир космоса. Сегодня мы изучаем Вселенную в широком электромагнитном диапазоне: от гаммы лучей, рентгеновских лучей, ультрафиолетовых лучей, до инфракрасных и радио лучей. Диапазон принимаемых излучений увеличился от двух раз до 10¹⁶ раз. Это привело к тому, что надёжность интерпретации данных космических наблюдений сравнилось с надёжностью лабораторных физических экспериментов.

Из чего состоит Вселенная? Рассмотрим её энергетический состав.

4% - это барионные вещества, это атомы и молекулы, молекулы это материальная часть Вселенной.

20% - это Тёмная Материя, уникальный вид материи, которая ничего не излучает, ничего не поглощает, так как она не подвержена магнитным и ядерным взаимодействиям. Она проявляет себя только гравитационными силами. Она, видимо, состоит из каких то дискретных элементов, так как концентрируется к массам барионного вещества, гравитационно окучивается.

Более 70% - это Тёмная Энергия. Этот тип материи негравитационно окучивается. Это некоторая совокупность полей. Она ничего не излучает и ничего не поглощает и обладает свойством отталкивания (антигравитация). Видимо, Тёмная Энергия ответственна за разбегание галактик. Чтобы это обнаружить потребовались огромные усилия учёных и применения современных средств наблюдения, что наблюдается наземными устройствами и космическими аппаратами.

Каково же наблюдательное проявление Тёмной Материи? Ещё в 1933 году учёные указали на необычность свойств галактик в скоплениях, их неустойчивость, скручивание, что образует концентрацию из сотен и тысяч галактик. В нашей Вселенной таких скоплений примерно 100 000. В скоплениях галактики движутся с очень большими скоростями в 1000 км/сек. Если посчитать массу всех видимых галактик, то оказывается, что её недостаточно, чтобы удержать галактики, движущиеся с такими огромными скоростями. Система была бы неустойчива, она бы разрушилась и погибла. Но таких скоплений многие тысячи и они являются стационарными. А, следовательно, чтобы их удерживать необходимо присутствие ещё дополнительной массы. Эту массу и называют Тёмной Материей. Её должно быть в 10 раз больше, чем видимой материи, образующей вещественную Вселенную.

Если смотреть в космическое пространство через мощный телескоп, то мы уже не увидим звёзд, а увидим скопление галактик в виде туманных пятен. Сами галактики вращаются, что изучается с помощью эффекта Доплера. Сравнивая излучения от центра галактики её периферии, и по смещению линий поглощения спектра звёзд определяется скорость вращения. Знаю форму галактики, по линиям смещения можно установить её линейную скорость.

Оказывается, что галактики тоже ведут себя странным образом. Если бы они состояли только из барионного вещества, то их основная бы масса была бы сосредоточена в центральной части, а остальные бы звёзды вращались бы вокруг центральной массы по закону Ньютона. Скорости их вращения должны были бы уменьшаться от центра к периферии пропорционально vR. Однако ничего подобного во Вселенной не наблюдается. Скорости Галактик остаются постоянными по абсолютной величине вплоть до расстояния в многие десятки кило парсек. Это постоянство скорости вращения галактик свидетельствуют о том, что помимо обычных звёзд существует дополнительная масса - Тёмная Материя. И масса Тёмной Материи должна быть в 5-10 раз больше массы звёздного вещества.

После получения таких результатов учёные хотели обобщить закон Ньютона на большие космические расстояния, как-то его изменить, модифицировать. МОД - модифицированная Ньютоновская динамика. Они предлагают отвергнуть понятие Тёмной Материи, объясняя такие высокие скорости галактик необходимостью подправить закон Ньютона. Но тогда возникнет необходимость видоизменять закон для каждой галактики, в случае если признать, что она состоит только из барионного вещества. Кроме того, существуют и другие наблюдательные данные, свидетельствующие о наличии Тёмной Материи.

Скопление галактик помимо звёзд содержат ещё и горячий газ, который идёт от звёзд в виде звёздного ветра, а так же от вспышек сверх новых звёзд. Этот газ оседает в скоплениях галактик. Он был обнаружен с помощью рентгеновской астрономии. Это позволило показать, что температура такого газа очень высокая, в несколько млн. градусов, при этом электроны движутся со скоростями в 1 000 000 км/сек.

По косвенным наблюдениям удаётся так же оценить расстояние с учётом зависимости яркости объекта от расстояния да него. Это зависимость, безусловно, имела бы место, если бы не было Тёмной Энергии. Кроме того, наблюдательные данные позволили определить тот факт, что наша Вселенная расширяется. По сектору далёкого квазара по линии водорода с длинной волны 1200 Ангстрем, имеет длину волны 5500 Ангстрем, то есть в пять раз больше. Линия спектра сместилась из-за разбегания галактик, произошло смещение длины волны в красную часть спектра, как результат расширения Вселенной. Кроме того, удалось определить флуктуации реликтового излучения. Они разделены между собой расстоянием в угол 1⁰.

Тёмная Энергия имеет необычное уравнение состояния. Она обладает отрицательным давлением. Если подставить это значение давления в уравнение Эйнштейна, которое описывает гравитацию, где надо учитывать не только массу покоя, но и энергию движения (давления), то при отрицательном давлении получается антигравитация.

Этим объясняются необычные свойства тёмной среды. Причём, существует три модели Тёмной Энергии

Если, W = 1 то это вакуум. Вакуум это среда в которой нельзя отличить состояние покоя от состояния движения. В вакууме нельзя выделить какую либо систему отсчёта. Это лоренс - вариантная среда. Свойства вакуума очень необычные, но плотность его равна 10^-27 г/см³, она отлична от нуля. Это тоже очень удивительно. Возможно, это некоторый особый вид вакуума, который не совпадает с понятием физического вакуума. Ведь, у последнего плотность как бы должна равняться нулю.

Если ¦W¦ < 1 , то это «квинт эссенция», что тоже дает антигравитацию, но ее свойства могут меняться как во времени, так и в пространстве. Из такой материи можно создавать некоторые структуры.

Если ¦W¦ > 1, то это, так называемая, фантомная энергия, которая может привести к всемирному разрыву. Со временем из-за антигравитации все связи между структурами разорвутся, и через сотни миллионов лет распадутся и атомные ядра, и микро частицы распадутся на некоторые структуры. Вселенная в таком случае будет заполнена излучением, что равносильно первичному, волновому состоянию. То есть, фантомная энергия не позволит осуществляться каким-либо структурам.

Таковы, имеющиеся на сегодня, три модели состояния материи под названием Темная Энергия. Однако, исследования этого вопроса показывают, что необходимо увеличение точности наблюдений, для чего планируются специальные космические эксперименты с огромными материальными затратами для уточнения уравнения состояния. Необходимо выяснить, что представляет собой материя, занимающая 70% вещества во Вселенной.

Кроме новых форм материи, как Темная Энергия и Темная Материя, сегодня утвердились такие понятия как Черные Дыры и Кротовые Норы. В то время как Черная Материя и Черная Энергия представляют собой, видимо, протяженные формы материи, распределенной в пространстве, во Вселенной имеются контактные формы материи - это Черные Дыры.

Что это такое? (Подробно о них говорится в другом разделе). Если взять Землю и сжать ее до шарика в 9 мм диаметром, то мы получим вторую космическую скорость, не 11 м/сек, как сейчас, а 300000 км/сек, что равно скорости света. То есть, Черная дыра - это область пространства и времени, где наружу не сможет вырываться даже свет. У Черной Дыры очень много совершенно необыкновенных, особенных свойств. Поэтому многие ученые не верят в существование Черных Дыр. Однако, наблюдательный эксперимент подтверждает их существование. Сегодня уже существует методика их обнаружения и определения их массы.

Что же это такое? Прежде всего, в центре Черной Дыры существует сингулярность с аномально бесконечной плотностью, где сколлапсировало падающее вещество. Если масса звезды в конце ее эволюции превышает 3Мс (ядро, которое затронуто термоядерной реакцией), то такое ядро имеет сильную гравитацию, и под ее воздействием плотность вещества >? . Возможно, на этом уровне уже начинает работать не обычная, а квантовая гравитация.

Следует заметить, что в сингулярности, вероятно, отсутствует классическое понятие пространства и время. То есть, материя там существует в другом пространственно временном континууме, возможно даже, имеющим дискретную форму. Очень малый скачек по пространству, например, 10^-33 см, что на 20 порядков меньше размера атомного ядра, может соответствовать сколь угодно большому промежутку по времени. Такое соотношение может представлять собой процесс мгновенного переноса на бесконечное расстояние в пространстве.

Если Черную Дыру схлопнуть из Земли, то ее гравитационный радиус будет равен 9 мм. Для Солнца гравитационный радиус составит 3 км, а Черная Дыра радиусом в 2 млрд. масс Солнца будет иметь такой радиус, равным 40 а.е., что равно расстоянию от Солнца до Плутона. Это соответствует радиусу Солнечной Системы. Если Черная Дыра не вращается, то ее гравитационный радиус будет соответствовать горизонту событий. Это не твердая и не наблюдаемая поверхность, так как с точки зрения наблюдателя на этой поверхности время останавливается. Сколь угодно малый промежуток времени на этой поверхности соответствует сколь угодно большому промежутку времени во Вселенной.

То есть нам необходимо прожить бесконечное время, чтобы заметить хоть какое ни будь возмущение на этой поверхности, на горизонте событий Черной Дыры. Эта световая сфера пространства и время, и через нее можно свободно проникнуть внутрь, но далее происходит падение в квантовую сингулярность, в состояние невесомости. И тогда внутри Черной Дыры происходит пространственно временное преобразование, проникновение в другие Миры.

Вне Черной Дыры мы ее не видим, но можем легко в нее проникнуть, но без возврата. Столь необычные свойства Черной Дыры препятствуют пониманию этой формы материи. Если Черная Дыра вращается, то она может представлять собой источник энергии, поскольку электромагнитные вихри преобразуют энергию фотона.

На первый взгляд Черные Дыры обладают весьма фантастичными свойствами, но последние наблюдательные эксперименты вселяют в ученых уверенность, что подобное явление существует на самом деле. Однако, пока четких доказательств, с точки зрения теории относительности, по поводу существования Черных Дыр не получено.

Для обнаружения существования Черной Дыры или момента ее возникновения необходимо, чтобы масса объекта была больше 3М_с, с выгоранием и прекращением термоядерной реакции, газовое давление не будет поддерживаться, и наступит процесс сжатия материи, и звезда уйдет в Черную Дыру.

Если звездное тело имеет массу меньше 3М_с, то в конце выгорания оно перейдет в нейтронную звезду, что представляет собой атомное ядро. Их фиксируют по системе двойных звезд. Сегодня обнаружено несколько десятков объектов, кандидатов в Черные Дыры.

В центре ядер галактик располагаются массивные Черные Дыры, которые могут иметь массу до миллиардов М_с. Их массы измеряются косвенным путем, с помощью измерения движения пробных тел. Так возле Черных Дыр расположены газовые диски (акреционные диски), газовые облака и отдельные звезды. Можно измерить их скорости их движения, их расстояние до Черной Дыры. А зная эти два параметра, можно по закону Ньютона рассчитать и массу Черной Дыры. И таким способом сейчас уже измерены массы тысяч ЧД, находящихся в ядрах галактик.

На сегодняшний день известны сотни звездных Черных Дыр и тысячи тех массивных, что находятся в ядрах галактик. Последние находятся очень легко по определению центра соответствующей галактики. Обнаружение же звездных Черных Дыр сложнее, поскольку необходимо найти источник рентгеновского излучения, вычислить акрецию вещества, которое питает соответствующую Черную Дыру. Это возможно потому, что выпадение вещества на поверхность ЧД сопровождается яркой вспышкой в рентгеновском диапазоне излучения. Затем, выполняя оптическую идентификацию, можно измерить движение такой звезды.

Косвенным образом измеряется и размер ЧД по быстрым изменениям характера излучения в рентгеновском диапазоне, так как стабильность пульсации такого излучения двойной звезды (пульсара, квазара) очень высока. А размеры ЧД измеряются прямым способом, с помощью современных радио интерферометров. Их размеры хоть и не велики, но, не смотря на огромные расстояния по удаленности звезд от нас, удается зафиксировать и оценить угловые значения этих размеров.

Итак, массы этих объектов очень велики, а размеры относительно малы и составляют значения, равные нескольким гравитационным радиусам. Никакая совре5менная физика не в состоянии объяснить устойчивое состояние таких объектов, как ЧД.

Кроме перечисленных выше новых видов материи во Вселенной, сегодня астрофизики говорят о новом типе объектов во Вселенной - это «Кротовые Норы». Почему о них физики стали говорить более серьезно, хотя многие из них к этой проблеме относятся более чем скептически? Дело в том, что в центре Кротовых Нор отсутствует сингулярность. Через Кротовую Нору материальный объект может пройти, может выйти из нее, а в ЧД можно только упасть и исчезнуть как материя.

Примером Кротовых Нор может служить нора, которая в области нашего пространства во Вселенной соединяет между собой галактики. По ней можно путешествовать и, несмотря на то, что расстояния между галактиками составляет порядка 10 млн. световых лет, по Кротовой Норе можно перебраться за очень короткое время, преодолев это расстояние, совершая путешествие в пространстве и во времени.

Кротовые Норы могут соединять между собой и различные вселенные, не связанные между собой причинно следственными связями. Для этого необходимо движение со скоростями, существенно большими, чем скорость света. Это получается система во всех мерном пространстве и времени, а не наша трех мерная система. Такие вселенные по отношению к нам находятся по отношению к нам в абсолютном будущем.

Сегодня имеются модели Мультимира, которые говорят о том, что вселенных очень много (бесконечное множество, М. Каценберг), которые образовались из кипящего вакуума, из вакуумной пены. Их много, и наша Вселенная есть одна из таких реализаций. Если бы не Кротовые Норы, то не было бы возможности переходить из одной вселенной в другую или из одной галактику в другую. Однако, пока не намечены даже пути технологической реализации такой математической модели.

В 1930 году Эйнштейн и Розен уже написали первую работу о Кротовых Норах. Но выяснилось, что для того, чтобы создать Кротовую Нору, необходимо иметь особый вид материи, обладающую отрицательным давлением. Возможно, кротовые норы - это не физический объект, а физическое явление, математическая модель или физическое свойство много мерного пространства и времени или форма его энергии. И такая энергия сегодня, практически открыта - это Темная Энергия.

Согласно современной парадигме существует четыре новых вида материи: Темная Матери, Темная Энергия, Черные Дыры и Кротовые Норы.

Из всех этих видов материи, на сегодня, больше всего «изучены» Черные Дыры.

Сама ЧД как барионное вещество не наблюдается, светится вещество при падении на горизонт событий, происходит сильный разогрев и мощное рентгеновское излучение. Как на практике измеряют физические параметры, определяют физические свойства ЧД, и как их выделяют в пространстве Вселенной? ЧД легче всего изучать в двойной системе., когда рядом с ЧД имеется обычная оптическая звезда типа нашего Солнца. Если на Солнечную Систему смотреть из космоса, то такой двойной системой будет пара Солнце - Юпитер.

Согласно Ньютоновскому закону притяжения, звезды вращаются вокруг ЧД. Можно измерять излучение звезды и следить за тем, как смещается ее спектр за счет эффекта Доплера, и по нему измерять скорость звезды по лучу зрения, узнавать период, скорость. Отсюда можно сделать вывод о массе невидимого объекта, вокруг которого звезда вращается. Мир двойных рентгеновских систем очень богат. Эпоха таких наблюдений началась с 1971 года, когда в США был запущен в космос первый рентгеновский спектроскоп. Тогда были открыты сотни рентгеновских источников, имеющих температуры в десятки и сотни млн. градусов.

Именно с помощью рентгеновских аппаратов стали измерять массы экзотических объектов: двойных звезд, квазаров, ЧД, нейтронных звезд. Так производят наблюдения рентгеновских двойных систем, поскольку именно в световом диапазоне можно изучать физические свойства космических объектов. Рентгеновские и световые лучи прекрасно дополняют друг друга. Рентгеновские лучи нам сообщают, что имеется компактный объект малых размеров, на который выпадает вещество оптической звезды. Это теория акреции вещества на ЧД получила развитие в начале 70-х годов ХХ-го века, акреция Зельдовича.

Теоретики предсказали, что при падении вещества на ЧД должно выделяться мощное рентгеновское излучение. Светит не сама ЧД, а ее окрестности. Скорость падения вещества превышают скорость света, и происходит очень сильный разогрев. Излучение же оптических звезд дает возможность измерить массы ЧД. Открытиям в области рентгеновской астрономии была присвоена Нобелевская премия.

В настоящее время существует огромная фототека звездного неба. Поэтому всегда можно определить оптического компаньона к любой рентгеновской системе, зафиксировавшего источник рентгеновского излучению. Так была обнаружена звездная система Геркулес С1 и связанная с ней оптическая звезда 14-ой звездной величины. При этом, зафиксировано их звездное затмение, обнаружен акреционный диск, который прецессирует. Затмение происходит с периодичностью 1,7 дня, а их прецессионный период составляет 35 дней.

Эта оптическая пара была выбрана исходя из соображений совпадения периодичности физических процессов обоих звезд.

Вскоре была осуществлена фиксация еще одной звездной пары Лебедь 3Х1 с рентгеновскими источниками, где периодичность центрального смещения длится меньше времени вращения центральной звезды и составляет 136 дней, а их частотная полоса составляет1000 Е. Вскоре после этого открытия писали даже, что, возможно, внеземная цивилизация шлет нам сигнал газовым лазером. Но вскоре поняли, что это естественные физический процесс, от которого мы получаем космические импульсы с очень высокой стабильностью.

Известный русский ученый Шкловский говорил, что в оптическом диапазоне такой сигнал обнаружить не возможно, поскольку вращение происходит вокруг источника мощного рентгеновского излучения, который экранирует оптическую звезду. К тому же, это действительно - звезда, а не планета. Рассматривали так же вопрос строгой поляризации лазерного луча, якобы, посылаемого нам системой. Однако, оказалось, что луч имеет широкий спектр. Идея о вне земной цивилизации была отвергнута.

Кроме того, более подробное изучение двойной системы показало, что она имеет очень высокую стабильность пульсации и представляет собой рентгеновскую пару: ЧД - Звезда. Итак, мы имеем космическую систему: ЧД - Звезда - акреционный диск в плоскости орбиты звезды. Периодичность такой системы легко вычисляется, и, как говорилось ранее, по доплеровскому эффекту можно определить массу системы, а затем и массу ЧД, исходя из наклона орбиты оптической звезды.

Трудно доказать, что масса равна гравитационному радиусу, поскольку замерить на таком расстоянии величины порядка 30 км очень сложно (а именно таким может быть гравитационный радиус ЧД). Поэтому применяю косвенные методы. Рентгеновское излучение имеет не регулярный характер, поскольку имеются флуктуации на акреционном диске, накладываются апериодические процессы, газовые пятна на орбитах. То есть мы имеем наложение регулярных и квазипериодических процессов. Спектр мощности имеет пики, характерные для квазипериодических систем, и их частоты лежат в пределах от 100 до 500 Гц. Это говорит о том, что период обращения пятен составляет всего 0,002 сек.

Поэтому можно получить оценку характерного размера объекта, который находится внутри. Так было определено, что многие такие объекты составляют размеры в несколько гравитационных радиусов. А с помощью оптической звезды по спектру определяется масса и скорость вращения звезды, равная 200 км (с погрешностью в 1-2 км). При взрыве ЧД, и образовании Сверх Новой звезды может образовываться несимметричный диск акреции, который может не совпадать с плоскостью орбиты.

При изучении этих объектов используются сложнейшие математические уравнения, разрабатываются серьезные математические модели, применяется при их решении метод суперпозиции и математической аппроксимации.

Из ЧД вырываются газовые струи, они закручиваются на дисках, скорость движения вещества к ЧД превышает скорость света. Из-за взаимного трения струй в акреционном диске температура достигает сотен миллионов градусов, и наружу выходит рентгеновское излучение. Точность расчетов сильно зависит от наклона орбиты двойной звезды.

Ранее получали с помощью мощных телескопов точнейшие измерения. Однако, используемые модели были очень не совершенными, так как для описания использовалась система двух точечных масс без учета распределенных параметров. К тому же многое зависит от расположения центра масс двойной системы. Конечно, к таким системам модель точечной массы не применима.

Итак, наземные телескопы, спутники с рентгеновскими телескопами, современные математические модели, решение обратных задач, все это вместе позволило серьезно продвинуться в астрофизических измерениях. Наблюдательный эксперимент делает астрономию серьезной физической наукой. В настоящее время, измерения проведены для 50-ти нейтронных звезд и 24-х ЧД. Измерены их массы. Согласно современной теории относительности нейтронная звезда не может иметь массу более 3М_с. Именно так разделяют космические объекты наЧД и нейтронные звезды.