Áèáëèîòåêà
Òåîëîãèÿ
Êîíôåññèè
Èíîñòðàííûå ÿçûêè
Äðóãèå ïðîåêòû
|
Âàø êîììåíòàðèé î êíèãå
Äóáíèùåâà Ò. Êîíöåïöèè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. Ó÷åáíîå ïîñîáèå
Ãëàâà 9 ÊÎÍÖÅÏÖÈÈ ÑÒÐÎÅÍÈß, ÝÂÎËÞÖÈÎÍÍÛÕ ÏÐÎÖÅÑÑÎÂ È ÇÀÐÎÆÄÅÍÈß ÑÒÐÓÊÒÓÐ Â ÌÈÐÅ ÇÂÅÇÄ
9.1. Ñòðîåíèå òèïè÷íîé çâåçäû. Èñòî÷íèêè ýíåðãèè Ñîëíöà è çâåçä
Ñîëíöå — ðÿäîâàÿ çâåçäà íàøåé Ãàëàêòèêè, ãîðÿ÷èé øàð èç ïëàçìû. Åãî êîãäà-òî ñ÷èòàëè òâåðäûì øàðîì è äàæå ïðèãîäíûì äëÿ æèçíè. Ðàäèóñ Ñîëíöà 6966000 êì, ìàññà 1,99 • 1030 êã, ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü 1,41 êã/ì3. Åãî âîçðàñò îöåíèâàåòñÿ â 4,6 ìëðä ëåò, êàê è ó âñåõ òåë Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. Äëÿ Çåìëè Ñîëíöå — áëèæàéøàÿ çâåçäà, èñòî÷íèê æèçíè. Ñðåäíåå ðàññòîÿíèå îò Çåìëè äî Ñîëíöà 149,6 ìëí êì èëè 1 à. å. Çåìëÿ âðàùàåòñÿ, êàê è äðóãèå ïëàíåòû, ïî ýëëèïòè÷åñêîé îðáèòå, åå ðàññòîÿíèå çèìîé ìåíüøå íà 2,5 ìëí êì, à â èþëå — íà ñòîëüêî æå áîëüøå. Ìîùíîñòü, èçëó÷àåìàÿ Ñîëíöåì, ñîñòàâëÿåò 3,86 • 1040 Äæ/ñ, èëè 3,86 • 1020 ÌÂò, èç êîòîðîé äî Çåìëè äîõîäèò òîëüêî îäíà äâóõìèëëèàðäíàÿ ÷àñòü. Ýôôåêòèâíàÿ òåìïåðàòóðà ïîâåðõíîñòè Ñîëíöà ðàâíà 5806 Ê, îíî îòíîñèòñÿ ê ñïåêòðàëüíîìó êëàññó æåëòûõ êàðëèêîâ.
Ñîâðåìåííàÿ ñòðóêòóðà Ñîëíöà âîçíèêëà â ðåçóëüòàòå ýâîëþöèè (ðèñ. 9.1, à, á). Íàáëþäàåìûå ñëîè Ñîëíöà íàçûâàþò åãî àòìîñôåðîé. Ôîòîñôåðà — ñàìàÿ ãëóáîêàÿ åå ÷àñòü, è ÷åì ãëóáæå, òåì ñëîè ãîðÿ÷åå.  òîíêîì (ïîðÿäêà 700 êì) ñëîå ôîòîñôåðû âîçíèêàåò íàáëþäàåìîå èçëó÷åíèå Ñîëíöà. Âî âíåøíèõ, áîëåå õîëîäíûõ ñëîÿõ ôîòîñôåðû ñâåò ÷àñòè÷íî ïîãëîùàåòñÿ — íà ôîíå íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà îáðàçóþòñÿ òåìíûå ôðàóíãîôåðîâû ëèíèè.  òåëåñêîï ìîæíî íàáëþäàòü çåðíèñòîñòü ôîòîñôåðû. Ìàëåíüêèå ñâåòëûå ïÿòíûøêè — ãðàíóëû (ðàçìåðîì äî 900 êì) — îêðóæåíû òåìíûìè ïðîìåæóòêàìè. Ýòà ïðîèñõîäÿùàÿ âî âíóòðåííèõ îáëàñòÿõ êîíâåêöèÿ âûçûâàåò äâèæåíèÿ â ôîòîñôåðå — â ãðàíóëàõ ãîðÿ÷èé ãàç âûðûâàåòñÿ íàðóæó, à ìåæäó íèìè — îïóñêàåòñÿ. Ýòè äâèæåíèÿ ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ è â áîëåå âûñîêèå ñëîè àòìîñôåðû Ñîëíöà — õðîìîñôåðó è êîðîíó. Ïîýòîìó îíè ãîðÿ÷åå, ÷åì âåðõíÿÿ ÷àñòü ôîòîñôåðû (4500 Ê). Õðîìîñôåðó ìîæíî íàáëþäàòü âî âðåìÿ çàòìåíèé. Âèäíû ñïèêóëû — ÿçû÷êè óïëîòíåííîãî ãàçà. Èçó÷åíèå ñïåêòðîâ õðîìîñôåðû ïîêàçûâàåò åå íåîäíîðîäíîñòü, ïåðåìåøèâàíèå ãàçà ïðîèñõîäèò èíòåíñèâíî, è òåìïåðàòóðà õðîìîñôåðû äîñòèãàåò 10 000 Ê. Íàä õðîìîñôåðîé ðàñïîëàãàåòñÿ ñàìàÿ ðàçðåæåííàÿ ÷àñòü ñîëíå÷íîé àòìîñôåðû — êîðîíà, îíà âñå âðåìÿ êîëåáëåòñÿ ñ ïåðèîäîì 5 ìèí. Ïëîòíîñòü è äàâëåíèå áûñòðî íàðàñòàþò âíóòðü, ãäå ãàç ñèëüíî ñæàò. Äàâëåíèå ïðåâûøàåò ñîòíè ìèëëèàðäîâ àòìîñôåð (1016 Ïà), à ïëîò-
319
320
íîñòü äî 1,5 • 105 êã/ì . Òåìïåðàòóðà òîæå ñèëüíî âîçðàñòàåò, äîñòèãàÿ 15 ìëí Ê.
Ìàãíèòíûå ïîëÿ èãðàþò íà Ñîëíöå ñóùåñòâåííóþ ðîëü, òàê êàê ãàç íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè ïëàçìû. Ïðè ðîñòå íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ âî âñåõ ñëîÿõ åãî àòìîñôåðû âîçðàñòàåò ñîëíå÷íàÿ àêòèâíîñòü, ïðîÿâëÿþùàÿñÿ âî âñïûøêàõ, êîòîðûõ â ãîäû ìàêñèìóìà áûâàåò äî 10 â ñóòêè. Âñïûøêè ðàçìåðîì îêîëî 1000 êì è ïðîäîëæèòåëüíîñòüþ ïîðÿäêà 10 ìèí îáû÷íî âîçíèêàþò â íåéòðàëüíûõ îáëàñòÿõ ìåæäó ïÿòíàìè, èìåþùèìè ïðîòèâîïîëîæíóþ ïîëÿðíîñòü. Âî âðåìÿ âñïûøêè âûäåëÿåòñÿ ýíåðãèÿ, ðàâíàÿ ýíåðãèè âçðûâà 1 ìëí ìåãàòîííûõ âîäîðîäíûõ áîìá. Èçëó÷åíèå â ýòî âðåìÿ íàáëþäàåòñÿ è â ðàäèîäèàïàçîíå, è â ðåíòãåíîâñêîì. Ïîÿâëÿþòñÿ ýíåðãè÷íûå ÷àñòèöû — ïðîòîíû, ýëåêòðîíû è äðóãèå ÿäðà, ñîñòàâëÿþùèå ñîëíå÷íûå êîñìè÷åñêèå ëó÷è.
Ñîëíå÷íûå ïÿòíà ïåðåìåùàþòñÿ ïî äèñêó; çàìåòèâ ýòî, Ãàëèëåé çàêëþ÷èë, ÷òî îíî âðàùàåòñÿ âîêðóã ñâîåé îñè. Íàáëþäåíèÿ çà ïÿòíàìè ïîêàçàëè, ÷òî Ñîëíöå âðàùàåòñÿ ñëîÿìè: îêîëî ýêâàòîðà ïåðèîä îêîëî 25 ñóò, à ó ïîëþñîâ — 33 ñóò. ×èñëî ïÿòåí íà Ñîëíöå êîëåáëåòñÿ â òå÷åíèå 11 ëåò îò íàèáîëüøåãî ê íàèìåíüøåìó. Çà ìåðó ýòîé ïÿòíîîáðàçóþùåé äåÿòåëüíîñòè ïðèíèìàþò òàê íàçûâàåìûå ÷èñëà Âîëüôà: W= 10g+f, çäåñü g— ÷èñëî ãðóïï ïÿòåí, f — îáùåå ÷èñëî ïÿòåí íà äèñêå. Ïðè îòñóòñòâèè ïÿòåí W= 0, ïðè îäíîì ïÿòíå — W= 11.  ñðåäíåì ïÿòíî æèâåò ïî÷òè ìåñÿö. Ðàçìåðû ïÿòåí ïîðÿäêà ñîòåí êèëîìåòðîâ. Ïÿòíà îáû÷íî ñîïðîâîæäàþòñÿ ãðóïïîé ñâåòëûõ ïîëîñîê — ôàêåëîâ. Îêàçàëîñü, ÷òî â îáëàñòè ïÿòåí íàáëþäàþòñÿ ñèëüíûå ìàãíèòíûå ïîëÿ (äî 4000 ýðñòåä). Âèäèìûå íà äèñêå âîëîêíà íàçâàíû ïðîòóáåðàíöàìè. Ýòî ìàññû áîëåå ïëîòíîãî è õîëîäíîãî ãàçà, ïîäíèìàþùèåñÿ íàä õðîìîñôåðîé íà ñîòíè è äàæå òûñÿ÷è êèëîìåòðîâ.
 âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà Ñîëíöå àáñîëþòíî äîìèíèðóåò íà Çåìëå íàä âñåìè äðóãèìè íåáåñíûìè ñâåòèëàìè, åãî áëåñê â 1010 ðàç áîëüøå, ÷åì ó Ñèðèóñà.  äðóãèõ äèàïàçîíàõ ñïåêòðà îíî âûãëÿäèò ñóùåñòâåííî ñêðîìíåå. Îò Ñîëíöà èñõîäèò ðàäèîèçëó÷åíèå, ïî ìîùíîñòè îäèíàêîâîå ñ ðàäèîèñòî÷íèêîì Êàññèîïåÿ À; íà íåáå âñåãî 10 èñòî÷íèêîâ ñëàáåå åãî â 10 ðàç. Îíî áûëî çàìå÷åíî òîëüêî â 1940 ã. âîåííûìè ðàäèîëîêàöèîííûìè ñòàíöèÿìè. Àíàëèç ïîêàçûâàåò, ÷òî êîðîòêîâîëíîâîå ðàäèîèçëó÷åíèå âîçíèêàåò âáëèçè ôîòîñôåðû, à íà ìåòðîâûõ âîëíàõ ãåíåðèðóåòñÿ â ñîëíå÷íîé êîðîíå. Àíàëîãè÷íàÿ êàðòèíà ïî ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ íàáëþäàåòñÿ è â ðåíòãåíîâñêîì äèàïàçîíå — ëèøü ó øåñòè èñòî÷íèêîâ îíî ñëàáåå íà ïîðÿäîê. Ïåðâûå ðåíòãåíîâñêèå ñíèìêè Ñîëíöà áûëè ïîëó÷åíû â 1948 ã. ñ ïîìîùüþ àïïàðàòóðû, íàõîäÿùåéñÿ íà âûñîòíîé ðàêåòå. Óñòàíîâëåíî, ÷òî èñòî÷íèêè ñâÿçàíû ñ àêòèâíûìè îáëàñòÿìè íà Ñîëíöå è ðàñïîëîæåíû íà âûñîòàõ 10—1000000 êì íàä ôîòîñôåðîé, â íèõ òåìïåðàòóðà äîñòèãàåò 3 — 6 ìëí Ê. Ðåíòãåíîâñêàÿ âñïûøêà îáû÷íî ñëåäóåò çà îïòè÷åñ-
321
êîé ñ çàïàçäûâàíèåì â 2 ìèí. Ðåíòãåíîâñêîå èçëó÷åíèå èñõîäèò îò âåðõíèõ ñëîåâ õðîìîñôåðû è êîðîíû. Êðîìå òîãî, Ñîëíöå èçëó÷àåò ïîòîêè ÷àñòèö — êîðïóñêóë. Ñîëíå÷íûå êîðïóñêóëÿðíûå ïîòîêè îêàçûâàþò áîëüøîå âîçäåéñòâèå íà âåðõíèå ñëîè àòìîñôåðû íàøåé ïëàíåòû.
Ïåðâûé ïðèáîð äëÿ âûÿñíåíèÿ ïðèðîäû è ñòðîåíèÿ çâåçä — ïîëÿðèñêîï, ñêîíñòðóèðîâàííûé Ä. Àðàãî ïîñëå îòêðûòèÿ õðîìàòè÷åñêîé ïîëÿðèçàöèè ñâåòà, ïîÿâèëñÿ â 1811 ã. Àðàãî îáíàðóæèë, ÷òî ôîòîñôåðà Ñîëíöà ñîñòîèò èç íàãðåòîãî äî âûñîêîé òåìïåðàòóðû ñàìîñâåòÿùåãîñÿ ãàçà, î ÷åì âûñêàçûâàë äîãàäêè åùå Ëîìîíîñîâ. Ñ ýòîãî âðåìåíè ó÷åíûå íà÷àëè èçó÷àòü è êîðîíó, êîòîðàÿ áûëà âèäíà â ïåðèîäû ïîëíûõ ñîëíå÷íûõ çàòìåíèé.  1860 ã. àíãëèéñêèé àñòðîíîì Ó.Õåããèíñ, ñðàâíèâàÿ ñïåêòðû Ñîëíöà, çâåçä è ðàçíûõ âåùåñòâ, óñòàíîâèë, ÷òî ñïåêòðû Ñîëíöà è çâåçä èäåíòè÷íû. ×åðåç íåñêîëüêî ëåò èòàëüÿíñêèé ó÷åíûé À.Ñåêêè, èçó÷èâ ñïåêòðû ïî÷òè 4000 çâåçä, ïîäòâåðäèë ýòîò âûâîä. Ôðàíöóçñêèé àñòðîíîì Ï.Æ.Æàíñåí, ïåðâûì íà÷àâøèé èçó÷àòü àòìîñôåðû ïëàíåò, âûÿñíèë, ÷òî â ñîñòàâ Ñîëíöà âõîäÿò ìíîãèå ýëåìåíòû, êîòîðûå âñòðå÷àþòñÿ íà Çåìëå.  1869 ã. àíãëèéñêèé àñòðîíîì Äæ.Í.Ëîêüåð îáíàðóæèë òàì íåèçâåñòíûé íà Çåìëå ýëåìåíò, íàçâàííûé ãåëèåì. Îí æå óñòàíîâèë ñóùåñòâîâàíèå 11-ëåòíåãî öèêëà ñîëíå÷íîé àêòèâíîñòè è ïðåäïîëîæèë, ÷òî âõîäÿùèå â ñîñòàâ çâåçä ýëåìåíòû ìîãóò ðàçëàãàòüñÿ ïîä äåéñòâèåì âûñîêèõ òåìïåðàòóð. Ëîêüåð âûäåëèë ýòàïû ðàñïàäà ýëåìåíòîâ, î êàæäîì èç êîòîðûõ ìîæíî ñóäèòü ïî ñïåêòðó, íî ïîçæå óñòàíîâèëè, ÷òî èçìåíåíèå ñïåêòðà îïðåäåëÿåòñÿ èçìåíåíèåì òåìïåðàòóðû.  òî æå âðåìÿ Ëîêüåð è Æàíñåí ïðåäëîæèëè (íåçàâèñèìî äðóã îò äðóãà) íîâûé ìåòîä íàáëþäåíèÿ ïðîòóáåðàíöåâ è õðîìîñôåðû Ñîëíöà, ïîçâîëÿþùèé íå äîæèäàòüñÿ âðåìåíè çàòìåíèÿ.
Ïîòåíöèàëüíóþ ýíåðãèþ ñæàòèÿ Ãåëüìãîëüö ñ÷èòàë èñòî÷íèêîì ýíåðãèè çâåçäû. Òåìïåðàòóðà äàæå âíåøíèõ ñëîåâ Ñîëíöà ïîðÿäêà 6000 Ê, ò. å. âåùåñòâî íàõîäèòñÿ òàì â ãàçîîáðàçíîì ñîñòîÿíèè. Äâèæåíèå ÷àñòèö ãàçà — îñíîâà òåïëîâîé ýíåðãèè çâåçäû, ãðàâèòàöèîííîå ïðèòÿæåíèå ÷àñòèö — îñíîâà åå ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè. ×òîáû êîìïåíñèðîâàòü ïîòåðè ýíåðãèè íà èçëó÷åíèå, äîñòàòî÷íî, ÷òîáû äèàìåòð Ñîëíöà óìåíüøàëñÿ íà 75 ì â ãîä. Òîãäà ñâåòèìîñòü Ñîëíöà óäâàèâàëàñü áû êàæäûå 10 ìëí ëåò, íî ýòîãî íå ïðîèñõîäèò. Ýòè ðàñ÷åòû è îöåíêà ðîëè ãðàâèòàöèîííîãî ñæàòèÿ îêàçàëèñü íå áåñïîëåçíûìè â äàëüíåéøåì.
Òåðìîÿäåðíûìè ðåàêöèÿìè ñèíòåçà ãåëèÿ èç âîäîðîäà îáúÿñíèë ýíåðãèþ çâåçä àíãëèéñêèé àñòðîôèçèê Ýääèíãòîí (1920), èçâåñòíûé ñâîèìè ðàáîòàìè ïî òåîðèè ãðàâèòàöèè è êâàíòîâîé òåîðèè, îáíàðóæèâøèé ýêñïåðèìåíòàëüíî îòêëîíåíèå ñâåòà çâåçäû â ïîëå òÿãîòåíèÿ Ñîëíöà (1919), ïðåäñêàçàííîå ÎÒÎ.  êíèãå «Çâåçäû è àòîìû» (1927) îí ïîêàçàë, ÷òî ìàññà ÿäðà ãåëèÿ íå òî÷íî â ÷åòûðå ðàçà ïðåâûøàåò ìàññó ÿäðà âîäîðîäà, à íåñêîëüêî ìåíüøå. Åñëè ê íåçíà÷èòåëüíîé ðàçíèöå ìàññ ïðèìåíèòü ôîðìóëó Ýéíøòåéíà Å = òñ2, òî îêàæåòñÿ, ÷òî ýòîò äåôåêò ìàññû ýêâèâàëåíòåí îãðîìíîé ýíåðãèè. Òîãäà âûâîäû Ýääèíãòîíà âûçûâàëè ñîìíåíèÿ ñðåäè ó÷åíûõ.
322
Ðåàêöèÿ ñèíòåçà ÿäåð ãåëèÿ èç âîäîðîäà âîçìîæíà ïðè óñëîâèÿõ, ðåàëèçóåìûõ â öåíòðàëüíîé ÷àñòè Ñîëíöà, ãäå òåìïåðàòóðà ñîñòàâëÿåò 10—13 ìëí Ê. Àòîìû òåðÿþò ñâîè ýëåêòðîííûå îáîëî÷êè, íî ýòîãî íåäîñòàòî÷íî äëÿ ïðåîäîëåíèÿ ñèëû êóëîíîâñêîãî îòòàëêèâàíèÿ ìåæäó ÿäðàìè. Ïðîòîí ïðåäîõðàíåí îò âçàèìîäåéñòâèÿ ñ äðóãèì ïðîòîíîì ïîòåíöèàëüíûì áàðüåðîì â 2,24 • 10-14 Äæ (140 êýÂ). Òåïëîâàÿ ýíåðãèÿ ïðîòîíà ïðè Ò 106 Ê ñîñòàâëÿåò âñåãî 1 êýÂ, à ñóììàðíàÿ ýíåðãèÿ ñòàëêèâàþùèõñÿ ïðîòîíîâ âäâîå áîëüøå, ò.å. áàðüåð ïðåâûøàåò â 100 ðàç ñðåäíþþ ýíåðãèþ ÷àñòèö. Íåîáõîäèìî ñáëèæåíèå ÷àñòèö íà ðàññòîÿíèå, ìåíüøåå 10-15 ì. Ñ òî÷êè çðåíèÿ êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè, ýòîò áàðüåð íåïðåîäîëèì, íî â çàêîíàõ êâàíòîâîé ìåõàíèêè ñóùåñòâóåò âåðîÿòíîñòü ïðåîäîëåíèÿ — òàê íàçûâàåìûé òóííåëüíûé ýôôåêò. Ïðîòîí äîëæåí óñïåòü ñòîëêíóòüñÿ ñ äðóãèì ïðîòîíîì, ïðåîäîëåòü áàðüåð, îêðóæàþùèé åãî ÿäðî, ïðåâðàòèòüñÿ â íåéòðîí, è ïðîèçîéäåò ðîæäåíèå òÿæåëîãî âîäîðîäà — äåéòåðèÿ (ðèñ. 9.2). Òàê
íà÷íåòñÿ òåðìîÿäåðíàÿ ðåàêöèÿ, ÿâëÿþùàÿñÿ, ïî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì, èñòî÷íèêîì ýíåðãèè çâåçä. Ïðè óñëîâèÿõ, òèïè÷íûõ äëÿ íåäð çâåçä òèïà Ñîëíöà, âîçìîæíû ðåàêöèè äâóõ òèïîâ.
Ïðîòîí-ïðîòîííûé öèêë ÿäåðíûõ ðåàêöèé ðàçðàáîòàë àìåðèêàíñêèé ôèçèê-òåîðåòèê Ã. Áåòå (1939). ßäðî òÿæåëîãî âîäîðîäà — äåéòåðèÿ, ñîåäèíÿÿñü ñíà÷àëà ñ ïðîòîíîì, îáðàçóåò ÿäðî èçîòîïà ãåëèÿ. Ïîñëåäíÿÿ ðåàêöèÿ ýòîãî öèêëà ñîñòîèò â ñëèÿíèè ÿäåð ëåãêîãî ãåëèÿ è îñâîáîæäåíèè äâóõ ïðîòîíîâ. Ýòîò öèêë îáåñïå÷èâàåò âûõîä ýíåðãèè 3,16-10-12 Äæ (19,78 ÌýÂ) è ìîæåò èäòè ïðè òåìïåðàòóðàõ ïîðÿäêà 13 ìëí Ê. Ðàñ÷åò ïîêàçûâàåò, ÷òî äëÿ îáåñïå÷åíèÿ íàáëþäàåìîé ñâåòèìîñòè Ñîëíöà äîñòàòî÷íî, ÷òîáû âûäåëåíèå ýíåðãèè ïðîèñõîäèëî ëèøü â 0,1 ÷àñòè ìàññû Ñîëíöà. Íà Ñîëíöå ýòî ñàìûé ýôôåêòèâíûé öèêë.
Àçîòíî-óãëåðîäíûé öèêë ñîñòîèò èç øåñòè ðåàêöèé. Ýòîò öèêë òèïè÷åí äëÿ áîëåå òÿæåëûõ çâåçä, îí òðåáóåò òåìïåðàòóð ïîðÿäêà
323
20 ìëí Ê. Óãëåðîä èãðàåò â íåì ðîëü êàòàëèçàòîðà ðåàêöèé, ò. å. åãî êîëè÷åñòâî îñòàåòñÿ íåèçìåííûì. Ðåàêöèè ýòîãî öèêëà òîæå ïðîèñõîäÿò íà Ñîëíöå, íî èäóò ìåäëåííî. Äâà ïðîòîíà íå îáðàçóþò ñâÿçàííîé ñèñòåìû (íåò èçîòîïà Íå2). Ïðè ñòîëêíîâåíèè îäèí èç ïðîòîíîâ ïðåâðàùàåòñÿ â íåéòðîí ñ èçëó÷åíèåì ïîçèòðîíà è íåéòðèíî.
Êîëè÷åñòâî îñâîáîæäåííîé ýíåðãèè îöåíèâàëîñü ïî ôîðìóëå Ýéíøòåéíà. Äåôåêò ìàññû äëÿ ñëèÿíèÿ ÷åòûðåõ ïðîòîíîâ è îáðàçîâàíèÿ ÿäðà àòîìà ãåëèÿ (à-÷àñòèöû, ñîñòîÿùåé èç äâóõ ïðîòîíîâ è äâóõ íåéòðîíîâ) ñîñòàâëÿåò 0,02863 à. å. Ñîîòâåòñòâóþùàÿ åìó ýíåðãèÿ èçëó÷àåòñÿ, ÷òî äàåò ýíåðãèþ Å = 4,3 • 10-12 Äæ. Ïîñêîëüêó Ñîëíöå èçëó÷àåò ýíåðãèþ L= 3,86-1026 Äæ/ñ, òî èç îòíîøåíèÿ L/E, ïðèìåðíî ðàâíîãî 1038, ìîæíî çàêëþ÷èòü, ÷òî â íåäðàõ Ñîëíöà çà 1 ñ îáðàçóåòñÿ îêîëî 1038 ÿäåð ãåëèÿ. Íî òîãäà äîëæíî îáðàçîâûâàòüñÿ âäâîå áîëüøå íåéòðèíî.
Îáíàðóæåíèå íåéòðèíî ïîäòâåðäèëî áû îñóùåñòâèìîñòü òàêèõ ðåàêöèé íà Ñîëíöå. Îöåíêè ïîêàçûâàþò, ÷òî äëèíà ïðîáåãà íåéòðèíî ïîðÿäêà 1015 ì. Ýòî â ñîòíè ðàç ïðåâûøàåò ðàçìåðû âñåé Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû, à íà ðàññòîÿíèè 150 ìëí êì îò Çåìëè äî Ñîëíöà ïîòîê íåéòðèíî äîëæåí áû ñîñòàâëÿòü 65 ìëðä íà 1 ñì2 â 1 ñ.
Äëÿ ðåãèñòðàöèè íåéòðèíî ïðåäëîæåíî ìíîãî ìåòîäîâ, ñòðîÿòñÿ ñïåöèàëüíûå óñòàíîâêè, íî òî÷íûõ ðåçóëüòàòîâ ïî èõ îáíàðóæåíèþ ïîêà íåò. Òî, ÷òî íåéòðèíî íå óäàâàëîñü óëîâèòü, ñîçäàëî ïðîáëåìó «ñîëíå÷íîãî êðèçèñà». Âûõîä áûë íàéäåí â ðåçêîì ïåðåìåøèâàíèè ñîëíå÷íîãî âåùåñòâà, êîòîðîå ïðîèñõîäèò ïåðèîäè÷åñêè. Äåëî â òîì, ÷òî öåíòðàëüíûå ÷àñòè Ñîëíöà äîëæíû âðàùàòüñÿ áûñòðåå, ÷åì ïîâåðõíîñòíûå. Ïîýòîìó â îáëàñòü, ãäå ïðîèñõîäÿò òåðìîÿäåðíûå ðåàêöèè, âòÿãèâàþòñÿ ñëîè ïëàçìû ñ ïîâûøåííûì ñîäåðæàíèåì èçîòîïà Íå3, ÷òî ðàñøèðÿåò îáëàñòü ðåàêöèè è çàìåäëÿåò åå õîä. Íàêîïëåíèå âðàùàòåëüíîãî ìîìåíòà, âûçûâàþùåãî ýòè ïðîöåññû, ïðîäîëæàåòñÿ 10 ìëí ëåò. Ïîòîì ïðîèñõîäèò ïåðåäà÷à èçáûòêà åãî öåíòðàëüíûì îáëàñòÿì çâåçäû, è âñå ïîâòîðÿåòñÿ. Ïðè ïåðåìåøèâàíèè ñâåòèìîñòü óìåíüøàåòñÿ, ïîòîê íåéòðèíî îñëàáåâàåò. Âîçìîæíî, ñ ýòèì ñâÿçàíû ïðè÷èíû îëåäåíåíèé íà Çåìëå.
Âíóòðåííèå îáëàñòè Ñîëíöà, ãäå äîëæíû ïðîèñõîäèòü òåðìîÿäåðíûå ðåàêöèè, èçó÷àë Ýääèíãòîí è ñòðîèë èõ ìîäåëè. Îí ñ÷èòàë, ÷òî çâåçäû — ýòî øàðû èç ïëàçìû, íàõîäÿùèåñÿ â ñîñòîÿíèè ëó÷èñòîãî ðàâíîâåñèÿ. Ýääèíãòîí îïðåäåëèë «âðåìÿ æèçíè» Ñîëíöà, òåìïåðàòóðó åãî íåäð, âû÷èñëèë ïðåäåëüíûå ìàññû çâåçä, îáåñïå÷èâàþùèå èõ óñòîé÷èâîñòü (ñì. ðèñ. 9.1, à).  1924 ã. îí óñòàíîâèë ñâÿçü ìåæäó ìàññîé è ñâåòèìîñòüþ çâåçä, ïîäñ÷èòàë, ÷òî ñèëó òÿãîòåíèÿ äîëæíà óðàâíîâåøèâàòü íàïðàâëåííàÿ íàðóæó ñèëà, êîòîðàÿ ìîãëà âîçíèêíóòü áëàãîäàðÿ ñòðåìëåíèþ ãàçà ðàñøèðèòüñÿ ïîä äåéñòâèåì âûñîêîé òåìïåðàòóðû. Èñõîäÿ èç çíà÷åíèé ìàññû Ñîëíöà è åãî ðàçìåðîâ Ýääèíãòîí ïîëó÷èë çíà÷åíèå òåìïåðàòóðû â öåíòðå ãàçîâîãî øàðà 15 ìëí Ê.
324
Àêòèâíàÿ îáëàñòü, ãäå èäóò òåðìîÿäåðíûå ðåàêöèè, çàíèìàåò öåíòðàëüíóþ øàðîâóþ çîíó ñ ðàäèóñîì 230 òûñ. êì. Åå îêðóæàåò çîíà ëó÷èñòîãî ïåðåíîñà ýíåðãèè ðàäèóñîì 280 òûñ. êì ñ ìëí Ê,
â êîòîðîé íå ìîãóò ïðîèñõîäèòü òåðìîÿäåðíûå ðåàêöèè: àòîìû çäåñü íå ïîëíîñòüþ èîíèçîâàíû, ïîãëîùåíèå ó-èçëó÷åíèÿ ïåðåâîäèò êàêèå-òî èõ ýëåêòðîíû íà áîëåå âûñîêèå îðáèòû, à âîçâðàùàþòñÿ îíè óæå â íåñêîëüêî ñòóïåíåé, ò.å. èñïóñêàþòñÿ êâàíòû ìåíüøèõ ýíåðãèé. Çîíó ëó÷èñòîãî ïåðåíîñà îêðóæàåò çîíà êîíâåêöèè, â êîòîðîé ýíåðãèÿ ïåðåíîñèòñÿ ê ïîâåðõíîñòè ïóòåì êîíâåêöèîííîãî äâèæåíèÿ ñîëíå÷íîé ïëàçìû. Ñêîðîñòè êîíâåêöèîííûõ äâèæåíèé íåâåëèêè, ïîðÿäêà 100 — 500 ì/ñ, íî ýòè «ïîä-ôîòîñôåðíûå» ñëîè ïîðîæäàþò ñîëíå÷íóþ àêòèâíîñòü.
Òåîðèÿ çîíû êîíâåêöèè îïèñûâàåò íå òîëüêî ñîñòîÿíèå âåùåñòâà, íî è ñòðîåíèå çâåçä íà ðàííèõ ýòàïàõ èõ ýâîëþöèè (äî âûõîäà íà Ãëàâíóþ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü), è ñòðîåíèå ÿäåð ìàññèâíûõ çâåçä.  çîíå êîíâåêöèè äðîáëåíèå êâàíòîâ ðåçêî îñëàáåâàåò è ëèøü ìàëàÿ ÷àñòü ýíåðãèè óõîäèò â èíôðàêðàñíîé è ðàäèî÷àñòîòíîé îáëàñòÿõ ñïåêòðà. Êîíâåêöèîííàÿ çîíà — èñòî÷íèê ýíåðãèè, îáåñïå÷èâàþùèé íàãðåâàíèå ñîëíå÷íîé êîðîíû è õðîìîñôåðû. ÊÏÄ ïåðåíîñà ýíåðãèè â ñîëíå÷íóþ êîðîíó âñåãî 0,01. Ãàç êîðîíû íåïðåðûâíî èñòåêàåò â ìåæïëàíåòíîå ïðîñòðàíñòâî, ãäå äóåò ñèëüíûé ñîëíå÷íûé âåòåð, ñìåòàþùèé ìèêðîìåòåîðíûå ÷àñòèöû è èñïàðÿþùèåñÿ èç àòìîñôåð ïëàíåò ãàçû, ôîðìèðóåò ïëàíåòíûå õâîñòû. Íà ðàññòîÿíèè çåìíîé îðáèòû ñêîðîñòü ñîëíå÷íîãî âåòðà ñîñòàâëÿåò îêîëî 400 êì/ñ, à Ñîëíöå òåðÿåò 0,01 ñâîåé ìàññû çà 5 ìëðä ëåò (èëè 4,3 ìëí ò çà 1 ñ).
Ó ãîëóáûõ çâåçä è áåëûõ ãèãàíòîâ, è ñâåðõãèãàíòîâ ðàäèóñ àêòèâíîé çîíû ñîñòàâëÿåò 0,2 ðàäèóñà çâåçäû, êîíâåêöèîííàÿ çîíà ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâóåò, à âåñü îñòàëüíîé îáúåì çàíèìàåò çîíà ëó÷èñòîãî ïåðåíîñà ýíåðãèè. Êðàñíûå ãèãàíòû èìåþò î÷åíü ìàëîå, ðàäèóñîì äî 0,001 ðàäèóñà çâåçäû, èçîòåðìè÷åñêîå ÿäðî, ïîëíîñòüþ ñîñòîÿùåå èç ãåëèÿ, îáðàçîâàâøåãîñÿ â ïðîøëîì èç âîäîðîäà. Ïîýòîìó òåðìîÿäåðíûå ðåàêöèè èäóò óæå íå â ÿäðå, à ðÿäîì ñ íèì. Çîíà ïåðåíîñà èçëó÷åíèÿ èìååò íåáîëüøóþ îòíîñèòåëüíóþ ïðîòÿæåííîñòü, à êîíâåêöèîííàÿ çîíà çàíèìàåò ïî÷òè âåñü îãðîìíûé îáúåì ýòèõ çâåçä.
9.2. Çâåçäû, èõ õàðàêòåðèñòèêè è ýâîëþöèÿ
Çâåçäû — ýòî îñíîâíûå òåëà Âñåëåííîé, â íèõ ñîñðåäîòî÷åíî áîëåå 90 % íàáëþäàåìîãî âåùåñòâà. Ñîëíöå — îäíà èç çâåçä, íî äëÿ íàñ Ñîëíöå îïðåäåëÿåò âñþ æèçíü; äðóãèå çâåçäû ïðåäñòàâëÿþòñÿ ñâåòÿùèìèñÿ òî÷êàìè íà íåáîñâîäå, òàê êàê î÷åíü äàëåêè îò íàñ. Îòäåëüíûå ãðóïïû çâåçä — ñîçâåçäèÿ — âûäåëÿëè åùå â äðåâíîñòè, â èõ íàçâàíèÿõ îòðàæåíû îáðàç ìûñëåé, ïðåäàíèÿ, ëåãåí-
325
äû è æèçíü ðàçíûõ íàðîäîâ. Ñåé÷àñ íà çâåçäíîì íåáå âûäåëåíî 88 ñîçâåçäèé ñ ÷åòêî îáîçíà÷åííûìè ãðàíèöàìè, 60 èç íèõ âèäíû ñ òåððèòîðèè íàøåé ñòðàíû.  êàæäîì ñîçâåçäèè çâåçäû îáîçíà÷àþòñÿ ïî ìåðå óìåíüøåíèÿ ÿðêîñòè áóêâàìè ãðå÷åñêîãî àëôàâèòà. Íåêîòîðûå ÿðêèå çâåçäû èìåþò ñâîè ñîáñòâåííûå íàçâàíèÿ, êîòîðûå ÷àùå âñåãî äîñòàëèñü èì îò ãðå÷åñêèõ (Ñèðèóñ), ëàòèíñêèõ (Ðåãóë) èëè àðàáñêèõ (Àëüòàèð) àñòðîíîìîâ.  òå÷åíèå ñóòîê çâåçäû äåëàþò ïîëíûé êðóã ïî íåáó è öåíòð ýòîãî êðóãà (ïîëþñ ìèðà) íàõîäèòñÿ â òîì æå íàïðàâëåíèè, â êîòîðîì äíåì îòáðàñûâàåòñÿ ñàìàÿ êîðîòêàÿ òåíü (âðåìÿ èñòèííîãî ïîëóäíÿ). Ïîñòåïåííî ëþäè íàó÷èëèñü îðèåíòèðîâàòüñÿ (îò ëàò. «îðèåíñ» — âîñòîê) è ïî çâåçäàì.  ðèòìå ñî ñìåíîé âðåìåí ãîäà èçìåíÿåòñÿ âèä çâåçäíîãî íåáà è íàèáîëüøàÿ âûñîòà Ñîëíöà â ïîëäåíü. Ñîçâåçäèÿ, âèäèìûå íàä ãîðèçîíòîì âå÷åðîì íà çàïàäå, ïðèìåðíî ÷åðåç 2,5 ìåñÿöà óæå ïîÿâëÿþòñÿ óòðîì íà âîñòîêå. Çíà÷èò, Ñîëíöå äâèæåòñÿ ñïðàâà íàëåâî ñðåäè çâåçä, åãî ïóòü íàçûâàþò ýêëèïòèêîé. Ñîçâåçäèÿ ñëóæàò ôîíîì, íà êîòîðîì èçó÷àþòñÿ è îïèñûâàþòñÿ ïîëîæåíèÿ ïåðåìåùàþùèõñÿ ïî íåáó òåë. Ñîçâåçäèÿ, ïî êîòîðûì ïðîõîäèò ãîäîâîé ïóòü Ñîëíöà, îòíîñÿò ê ïîÿñó Çîäèàêà.  äðåâíîñòè â íåãî âõîäèëè 12 ñîçâåçäèé, îòñþäà äåëåíèå ãîäà íà 12 ìåñÿöåâ, òàê êàê Ñîëíöå ïðîõîäèò ó÷àñòîê êàæäîãî èç íèõ çà ìåñÿö, ò. å. ïî 30 ãðàäóñîâ äóãè. Ñåé÷àñ ïóòü Ñîëíöà ïðîõîäèò ÷åðåç 13 ñîçâåçäèé (ñòàëî «çàõîäèòü» â ñîçâåçäèå Çìååíîñöà).
Çâåçäíûå âåëè÷èíû, ââåäåííûå â äðåâíîñòè, îáîçíà÷àþò áóêâîé ò. Âñå âèäèìûå çâåçäû åùå âî 2 â. äî í.ý. àñòðîíîì Ãèïïàðõ ðàçäåëèë ïî ÿðêîñòè: ïåðåõîä îò îäíîé çâåçäíîé âåëè÷èíû ê äðóãîé ãëàç îùóùàåò îäèíàêîâûì ïåðåïàäîì áëåñêà. Ó ñàìûõ ÿðêèõ çâåçä ò = 1, ó ñàìûõ ñëàáûõ — 6.  áåçëóííóþ íî÷ü íåâîîðóæåííûì ãëàçîì ìîæíî âèäåòü ïî÷òè 3000 çâåçä (äî 6-é çâåçäíîé âåëè÷èíû), â òåëåñêîï — ïî÷òè 350 òûñ. çâåçä (äî 10-é âåëè÷èíû), 32 ìëí — äî 15-é è 1 ìëðä — äî 20-é. Òàê êàê âîñïðèíèìàþòñÿ ëèøü îòíîñèòåëüíûå èçìåíåíèÿ ÿðêîñòè, ýòè çíà÷åíèÿ ñâÿçàíû ñî ñâîéñòâàìè ãëàçà. Äèàïàçîí â 5 çâåçäíûõ âåëè÷èí ñîîòâåòñòâóåò îòíîøåíèÿì èõ áëåñêà â 100 ðàç. Ïîýòîìó îòíîøåíèå áëåñêà îäíîé çâåçäû ê áëåñêó äðóãîé, îòëè÷àþùååñÿ íà îäíó âåëè÷èíó, ñîîòâåòñòâóåò (100)1/5 = 2,512. Ýòà âåëè÷èíà , ãäå
Å — îñâåùåííîñòü (ñâåòîâîé ïîòîê, ïàäàþùèé íà åäèíè÷íóþ ïëîùàäêó ïîâåðõíîñòè), — çâåçäíàÿ âåëè÷èíà, ñîîòâåòñòâóþùàÿ 1 ëê. È îòíîøåíèå îñâåùåííîñòåé çâåçä ðàâíî 2,5 â ñòåïåíè ðàçíîñòè èõ çâåçäíûõ âåëè÷èí, ò. å.
Äëÿ Ñîëíöà , äëÿ ïîëíîé Ëóíû, ïîýòîìó
èç ïðèâåäåííîé ôîðìóëû ìîæíî çàêëþ÷èòü, ÷òî ïðè îäèíàêîâîé âûñîòå íàä ãîðèçîíòîì ïîëíàÿ Ëóíà îñâåùàåò çåìíóþ ïîâåðõíîñòü â 465 000 ðàç ñëàáåå Ñîëíöà. Ñèðèóñ ÿð÷å Ïîëÿðíîé çâåçäû, èìåþùåé çâåçäíóþ âåëè÷èíó +2, â 25 ðàç, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò ðàçíîñòè çâåçäíûõ âåëè÷èí 3,5. Ïîýòîìó çâåçäíàÿ âåëè÷èíà Ñèðè-
326
óñà (+2 - 3,5) = -1,5, à Ñîëíöå ïîñûëàåò ýíåðãèè â 1010 ðàç áîëüøå, ÷åì Ñèðèóñ. Çäåñü ó÷òåíî, ÷òî îñâåùåííîñòè, ñîçäàííûå îäíèì èñòî÷íèêîì íà ðàçíûõ ðàññòîÿíèÿõ, îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíû êâàäðàòàì ýòèõ ðàññòîÿíèé.
Çâåçäû — ãàçîâûå øàðû, îíè ñâåòÿò ñîáñòâåííûì ñâåòîì (â îòëè÷èå îò ïëàíåò). Ïî ôèçè÷åñêèì õàðàêòåðèñòèêàì çâåçäû äåëÿò íà íîðìàëüíûå çâåçäû, áåëûå êàðëèêè è íåéòðîííûå çâåçäû. Ðàçìåðû áîëüøèíñòâà çâåçä ðàçëè÷íû, äèàìåòðû — îò 10 äî 107 êì, Ñîëíöà — 1,4 ìëí êì. Áåëûå êàðëèêè è íåéòðîííûå çâåçäû èìåþò äèàìåòð âñåãî 10 — 20 êì, åñòü ãèãàíòû — Áåòåëüãåéçå, Àðêòóð, à ñàìûå áîëüøèå, êðàñíûå ãèãàíòû, áîëüøå Ñîëíöà íàñòîëüêî, ÷òî, îêàçàâøèñü íà åãî ìåñòå, çàíÿëè áû îáúåì, âêëþ÷àþùèé îðáèòó Þïèòåðà. Ïëîòíîñòü âåùåñòâà ãèãàíòîâ è ñâåðõãèãàíòîâ ìåíüøå ïëîòíîñòè âîçäóõà â àòìîñôåðå Çåìëè, ñîëíå÷íîãî — áîëüøå ïëîòíîñòè âîäû â 1,5 ðàçà, ó áåëîãî êàðëèêà (çâåçäû Ñèðèóñ Â) — ïîðÿäêà 2 ò/ñì3, à ó íåéòðîííûõ çâåçä — 1014 êã/ì3, ïîðÿäêà ïëîòíîñòè àòîìíîãî ÿäðà.
Ñâåòèìîñòü çâåçäû — ýòî ìîùíîñòü îïòè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ. ×àùå âñåãî ñâåòèìîñòè çâåçä âûðàæàþò â ñâåòèìîñòÿõ Ñîëíöà, êîòîðîå èçëó÷àåò 3,8 1026 Âò. Äèàïàçîí ñâåòèìîñòåé íàáëþäàåìûõ çâåçä îãðîìåí — îò 10-3 äî 106 ñâåòèìîñòåé Ñîëíöà. Äëÿ íàñ Ñîëíöå ìíîãî ÿð÷å äðóãèõ çâåçä, íî ýòî íå îçíà÷àåò, ÷òî îíî èçëó÷àåò áîëüøå ýíåðãèè, ÷åì îíè. Äëÿ èñêëþ÷åíèÿ âëèÿíèÿ ðàññòîÿíèÿ ââåëè ïîíÿòèå àáñîëþòíîé çâåçäíîé âåëè÷èíû, êîòîðóþ èìåëà áû çâåçäà, íàõîäÿùàÿñÿ îò íàñ íà ðàññòîÿíèè 10 ïê. Àáñîëþòíàÿ çâåçäíàÿ âåëè÷èíà Ì ñâÿçàíà ñ âèäèìîé âåëè÷èíîé ò ñîîòíîøåíèåì, êîòîðîå ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç îñíîâíûõ â çâåçäíîé àñòðîíîìèè: Âåëè÷èíà ò- Ì íàçûâàåòñÿ ìîäóëåì ðàññòîÿíèÿ. Äëÿ Ñîëíöà àáñîëþòíàÿ çâåçäíàÿ âåëè÷èíà Ìñ ðàâíà +4m,72, ò.å. ñóùåñòâåííî ìåíüøå, ÷åì âèäèìàÿ, êàê äëÿ âñåõ çâåçä, êîòîðûå íàõîäÿòñÿ íà ðàññòîÿíèè áëèæå 10 ïê.
Ðàññòîÿíèÿ äî çâåçä, êàê óæå óêàçûâàëîñü, èçìåðÿþò ìåòîäîì ïàðàëëàêñà (ñì. ðèñ. 2.2). Çäåñü åäèíèöàìè äëèí ñëóæàò ïàðñåê è ñâåòîâîé ãîä. 1 ïê ñîîòâåòñòâóåò ãîäè÷íîìó ïàðàëëàêñó â 1", ò.å. ñ ýòîãî ðàññòîÿíèÿ 1 à. å. âèäíà ïîä óãëîì 1". Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî â 1 ïê ñòîëüêî àñòðîíîìè÷åñêèõ åäèíèö, ñêîëüêî óãëîâûõ ñåêóíä â ðàäèàíå, ò. å. 1 ïê = 206 265 à. å. Åñòåñòâåííî, ÷òî íàèáîëüøèé ãîäè÷íûé ïàðàëëàêñ = (0",76) èìååò áëèæàéøàÿ ê íàì çâåçäà - Ïðîêñèìà Öåíòàâðà. Ïîñêîëüêó ðàññòîÿíèå ,
, ò.å. ñàìàÿ áëèçêàÿ ê íàì çâåçäà íàõîäèòñÿ íà ðàññòîÿíèè, â 272 000 ðàç áîëüøåì, ÷åì Ñîëíöå. Ñâåòîâîé ãîä åñòü ðàññòîÿíèå, êîòîðîå ïðîõîäèò ñâåò â òå÷åíèå ãîäà, ò.å.
Íî 1 ïê = 206265 à. å., è ïîòîìó 1 ïê = 3,26 ñâ. ã.
 XIX â. çâåçäû ðàññîðòèðîâàëè ïî ðàçìåðàì è ìàññàì, à çàòåì — ïî ñïåêòðàì.
327
Ñïåêòðàëüíûå êëàññû ââåë â 1900 ã. àìåðèêàíñêèé àñòðîíîì Ý.Ïèêåðèíã, îáîçíà÷èâ èõ áóêâàìè ëàòèíñêîãî àëôàâèòà. Ãðàíèöû ìåæäó êëàññàìè áûëè íå÷åòêèå, è âïîñëåäñòâèè êàæäûé êëàññ ðàçáèëè íà ãðóïïû îò 0 äî 9, è íàøå Ñîëíöå ïîïàëî ïî ñïåêòðó â ãðóïïó G1. Êîãäà ïðè èñòîëêîâàíèè ñïåêòðîâ íà÷àëè ó÷èòûâàòü èîíèçàöèþ, ñòàëî âîçìîæíûì ïî ñïåêòðàëüíûì ñåðèÿì îïðåäåëÿòü òåìïåðàòóðó çâåçä. Ñîñòàâ çâåçä íå îòëè÷àåòñÿ ðàçíîîáðàçèåì: êàê è Ñîëíöå, áîëüøèíñòâî çâåçä ñîñòîèò ïðåèìóùåñòâåííî èç âîäîðîäà è ãåëèÿ. Òîãäà ñïåêòðàëüíûå êëàññû âûñòðîèëè â ïîðÿäêå óáûâàíèÿ òåìïåðàòóðû: Î, Â, A, F, G, Ê, Ì. Èìåþòñÿ åùå ÷åòûðå äîïîëíèòåëüíûõ êëàññà: äëÿ õîëîäíûõ çâåçä — R, N, S, äëÿ ãîðÿ÷èõ — W. Î÷åâèäíî, ÷òî áåç êëàññèôèêàöèè çâåçä íåëüçÿ ãîâîðèòü îá èõ ýâîëþöèè.
Õèìè÷åñêèé ñîñòàâ çâåçä îïðåäåëÿþò ïî ñïåêòðàì. Äàííûå îòíîñÿòñÿ ê ïîâåðõíîñòíûì ñëîÿì çâåçä, ïîñêîëüêó îíè íåïðîçðà÷íû. Îêàçàëîñü, ÷òî 98 % çâåçäíîãî âåùåñòâà — ýòî âîäîðîä è ãåëèé, ïðè÷åì îáû÷íî âîäîðîäà ïî ìàññå â 2,7 ðàçà áîëüøå (ðèñ. 9.3). Ñòðîåíèå çâåçäû è èñòî÷íèê åå ýíåðãèè êàçàëèñü â êàêîé-òî ñòåïåíè âûÿñíåííûìè, íî âîçíèêëè äðóãèå, íå ìåíåå âàæíûå âîïðîñû. Ñîëíöå, âîçðàñò êîòîðîãî îöåíèâàþò â 5 ìëðä ëåò, áåäíî âîäîðîäîì è áîãàòî ãåëèåì, õîòÿ çà ýòî âðåìÿ îíî äîëæíî áûëî èñòðàòèòü ìåíüøå âîäîðîäà è îáðàçîâàòü ìåíüøå ãåëèÿ. Ìîæåò áûòü, ðàíüøå îíî áûëî ãîðÿ÷åå è ïðîöåññû øëè ñêîðåå, íî, ïî ãåîëîãè÷åñêèì äàííûì, êîëè÷åñòâî ñîëíå÷íîé ýíåðãèè ïðàêòè÷åñêè íå ìåíÿëîñü. Åñëè áû âîäîðîä óæå â áîëüøåé ÷àñòè âûãîðåë, òî â ñàìîì öåíòðå ýòîé çâåçäû ìîãëè íà÷àòüñÿ ÿäåðíûå ðåàêöèè è ñòàëè îáðàçîâûâàòüñÿ áîëåå òÿæåëûå ýëåìåíòû. Íà Ñîëíöå è äðóãèõ çâåçäàõ ìíîãî ýëåìåíòîâ, áîëåå ñëîæíûõ, ÷åì ãåëèé. Ïîëó÷àåòñÿ — è îíè èç ñàìîãî öåíòðà Ñîëíöà?! Ýòî ïðîòèâîðå÷èò ãèïîòåçå ïðîèñõîæäåíèÿ èõ èç òóìàííîñòè, ñòàëî áûòü, òÿæåëûå ýëåìåíòû äîëæíû ïîÿâèòüñÿ êàê-òî èíà÷å.
Äèàãðàììó çàâèñèìîñòè ñâåòèìîñòåé çâåçä îò èõ ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ (òåìïåðàòóð) ñîñòàâèëè ãîëëàíäåö Ýéíàð Ãåðöø-ïðóíã è àìåðèêàíåö Ãåíðè Íîððèñ Ðåññåëë, îíà íàçâàíà èìåíàìè îáîèõ (ðèñ. 9.4). Ïî îñè àáñöèññ ðàñïîëîæåíû ñïåêòðàëüíûå êëàññû çâåçä (ïîêàçàòåëè öâåòà èëè òåìïåðàòóðû), ïî îñè îðäèíàò — ñâåòèìîñòè çâåçä L(èëè çâåçäíûå âåëè÷èíû Ì). Çâåçäû ïî ñâåòèìîñòè ðàçäåëåíû íà ñåìü êëàññîâ, îáîçíà÷åííûõ ðèìñêèìè öèôðàìè. Êëàññ ñâåòèìîñòè ïèøåòñÿ ïîñëå ñïåêòðàëüíîãî êëàñ-
328
ñà çâåçäû: òàê, Ñîëíöå — çâåçäà êëàññà G2V. Íà äèàãðàììå çâåçäû ðàñïîëàãàþòñÿ íå áåñïîðÿäî÷íî, à îáðàçóþò íåñêîëüêî ïîñëåäîâàòåëüíîñòåé.
Ãëàâíàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü — óçêàÿ ïîëîñà çâåçä, ïðîòÿíóâøàÿñÿ èç âåðõíåãî ëåâîãî óãëà âíèç. Òàê, â îêðåñòíîñòè Ñîëíöà áîëüøèíñòâî çâåçä ñêîíöåíòðèðîâàíû âäîëü íåå.  ïðàâîì âåðõíåì óãëó — ñâåðõãèãàíòû. Ðàçìåðû çâåçä ñóìåëè îöåíèòü ñ ïîìîùüþ èçîáðåòåííîãî â 1881 ã. èíòåðôåðîìåòðà, êîòîðûé óëàâëèâàë ðàçíèöó â äëèíàõ ñâåòîâûõ âîëí, èñõîäÿùèõ îò ðàçíûõ òî÷åê ïîâåðõíîñòè çâåçäû. Îêàçàëîñü, ÷òî âáëèçè Ñîëíöà íà îäíîãî ñâåðõãèãàíòà ïðèõîäèòñÿ îêîëî 1000 ãèãàíòîâ è îêîëî 10 ìëí çâåçä Ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè.
Ãðóïïà çâåçä-ãèãàíòîâ êîìïàêòíà è ðàñïîëîæåíà ââåðõó äèàãðàììû ìåæäó Ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòüþ è ãðóïïîé ñâåðõãèãàíòîâ. Ïàðàëëåëüíî Ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè, íåñêîëüêî íèæå åå, ðàñïîëîæåíû çâåçäû, îáðàçóþùèå ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ñóáêàðëèêîâ (ó íèõ ñîäåðæàíèå ìåòàëëîâ ãîðàçäî íèæå, ÷åì ó çâåçä Ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè), â ëåâîì íèæíåì óãëó äèàãðàììû — ãðóïïà áåëûõ êàðëèêîâ, ñâåòèìîñòü êîòîðûõ ìåíüøå ñîëíå÷íîé â ñîòíè ðàç.
329
Ìàññà çâåçäû ïðèîáðåëà áîëüøóþ çíà÷èìîñòü, êîãäà áûëè îòêðûòû èñòî÷íèêè ýíåðãèè çâåçä. Ìàññà Ñîëíöà Ìñ = 2 1030 êã, à ìàññû ïî÷òè âñåõ çâåçä ëåæàò â ïðåäåëàõ 0,1 — 50 ìàññû Ñîëíöà. Ïðàêòè÷åñêè íàèáîëåå âåðíûì ñïîñîáîì îïðåäåëåíèÿ ìàññû çâåçäû ÿâëÿþòñÿ èññëåäîâàíèÿ äâèæåíèé äâîéíûõ çâåçä. Îêàçàëîñü, ÷òî ïîëîæåíèå çâåçäû íà Ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè îïðåäåëÿåòñÿ åå ìàññîé (ðèñ. 9.5).
Ñîîòíîøåíèÿ ñâåòèìîñòåé çâåçä è èõ ðàäèóñîâ , ñâå-
òèìîñòåé è ìàññ ñðàâíèëè ñî çíà÷åíèåì êîëè÷åñòâà
ýíåðãèè, èçëó÷àåìîé ïîâåðõíîñòüþ çâåçäû çà åäèíèöó âðåìåíè ,
è ïîëó÷èëè ñîîòíîøåíèå ìåæäó òåìïåðàòóðîé ïîâåðõíîñòè è åå ìàññîé . Èòàê, ÷åì ìåíüøå ìàññà çâåçäû, òåì ìåíüøå åå ïîâåðõíîñòíàÿ òåìïåðàòóðà è áîëåå ïîçäíèì áóäåò åå ñïåêòðàëüíûé êëàññ. Îòñþäà ìîæíî îöåíèòü ìàññó çâåçäû è ïî åå ñâåòèìîñòè:
. Çâåçäû îòëè÷àþòñÿ öâåòîì; ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî èìåþò ìåñòî çàêîíû ðàâíîâåñíîãî èçëó÷åíèÿ — çàêîí Ñòåôàíà—Áîëüöìàíà è çàêîí Âèíà. Àíòàðåñ èìååò êðàñíûé öâåò, Êàïåëëà — æåëòûé, Ñèðèóñ — áåëûé, Âåãà — ãîëóáîâàòî-áåëûé.
Ìîäåëè âíóòðåííåãî ñòðîåíèÿ çâåçä îñíîâàíû íà ñîîòíîøåíèÿõ ìåæäó èõ ïàðàìåòðàìè. Îíè ïîëó÷åíû Ýääèíãòî-íîì èç óñëîâèé ðàâíîâåñèÿ ïëàçìû âíóòðè çâåçä. Îêàçàëîñü, ÷òî ñ óâåëè÷åíèåì ìàññû ñêîðîñòü ïîòðåáëåíèÿ òîïëèâà ðàñòåò áûñòðåå, ÷åì åãî çàïàñ, ò. å. ÷åì áîëüøå è ãîðÿ÷åå çâåçäà, òåì áûñòðåå êîí÷èòñÿ åå òîïëèâî è åå «æèçíü» íà Ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè, ãäå íàõîäèòñÿ 0,99 âñåõ âèäèìûõ çâåçä. Òàê, Ñîëíöå, ïî îöåí-
330
êàì ó÷åíûõ, ïðîáóäåò íà íåé åùå 8 ìëðä ëåò, ò.å. îíî åùå íå äîñòèãëî ñâîåãî ñðåäíåãî âîçðàñòà. Åñëè áû Ñîëíöå ïðèíàäëåæàëî ê êëàññó À, òî åãî ñðîê (5 ìëðä ëåò) áûë áû íà èñõîäå. Äëÿ òàêîé áîëüøîé è ãîðÿ÷åé çâåçäû, êàê SÇîëîòîé Ðûáû, ýòîò ñðîê áûë áû âñåãî 2 — 3 ìëí ëåò.  òåîðèè Ýääèíãòîíà âñå ñâîéñòâà çâåçäû îñíîâûâàëèñü íà ìîäåëè èäåàëüíîãî ãàçà, ïîýòîìó çâåçäû ó íåãî ïðè ñæàòèè îáÿçàòåëüíî íàãðåâàëèñü.
Íà îñíîâå çàêîíîìåðíîñòåé ðàñïðåäåëåíèÿ çâåçä íà äèàãðàììå è èçâåñòíûõ ôèçè÷åñêèõ ìîäåëåé Ðåññåëë ïîñòðîèë ýâîëþöèîííûé ïóòü çâåçäû (ðèñ. 9.6). Ïåðåõîäÿ îò ñòàäèè õîëîäíîé òóìàííîñòè â ãîëóáîâàòî-áåëóþ, çâåçäà ïåðåìåùàåòñÿ â âåðõíåé ÷àñòè äèàãðàììû ñïðàâà íàëåâî, ïîêà íå äîñòèãíåò âåðõíåãî ëåâîãî êîíöà Ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè. Äàëåå çâåçäà ïîä âëèÿíèåì ïîëÿ òÿãîòåíèÿ ñæèìàåòñÿ (ïðè ýòîì íàãðåâàíèÿ íå ïðîèñõîäèò, à åå âåùåñòâî äîñòèãàåò ïëîòíîñòè, óæå íå ñîîòâåòñòâóþùåé ïëîòíîñòè ãàçà) è îñòûâàåò, ïðåâðàùàÿñü â æåëòûé êàðëèê, êàê Ñîëíöå. Çàòåì îíà ñòàíåò êðàñíûì êàðëèêîì è ïîãàñíåò ñîâñåì, ñòàâ ÷åðíûì
331
êàðëèêîì — ïåïëîì óãàñøåé çâåçäû. Òàê çâåçäà ñêîëüçèò ïî Ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè èç âåðõíåãî ëåâîãî óãëà ê íèæíåìó ïðàâîìó. Ýòó ãèïîòåçó, ïðîñóùåñòâîâàâøóþ âñåãî 10 ëåò, íàçâàëè òåîðèåé ñêîëüçÿùåé ýâîëþöèè çâåçä.
Ñõåìà ýâîëþöèè çâåçä ñîïîñòàâëÿëàñü ñ íàáëþäåíèÿìè. Ñóùåñòâîâàíèå ìåæçâåçäíîé ïûëè äîêàçàë Ð.Òðþìïëåð (1930), èññëåäóÿ çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ. Ñõåìà ýâîëþöèè òàêîâà. Îáëàêî ãàçà è ïûëè (ãàçîïûëåâîé êîìïëåêñ) ñæèìàåòñÿ è íàãðåâàåòñÿ, âîçíèêàþùèå íåîäíîðîäíîñòè ïðèâîäÿò åãî â ñîñòîÿíèå ãðàâèòàöèîííîé íåóñòîé÷èâîñòè, è îíî ðàñïàäàåòñÿ íà ÷àñòè. Ïîêà ôðàãìåíò ïðîçðà÷åí äëÿ èíôðàêðàñíîãî èçëó÷åíèÿ, òåìïåðàòóðà åãî âíóòðåííèõ ñëîåâ íå ïîâûøàåòñÿ, ñæàòèå èäåò óñêîðåííî. Ñ íåêîòîðîãî ìîìåíòà ñæàòèå ïåðåõîäèò â àäèàáàòè÷åñêîå, îáúåêò ñòàíîâèòñÿ íåïðîçðà÷íûì, äàâëåíèå è òåìïåðàòóðà âíóòðè ðàñòóò, çàìåäëÿÿ ñæàòèå. Òàê âîçíèêàåò ïðîòîçâåçäà.
Âíóòðåííèå ñëîè ðàçîãðåâàþòñÿ çà ñ÷åò ýíåðãèè ãðàâèòàöèè ïàäàþùåãî ê öåíòðó âåùåñòâà, îáúåêò êàê áû çàêèïàåò, ÷òî îòðàæàåòñÿ áóðíûìè âñïûøêàìè íà ïîâåðõíîñòè. Ïðèìåð òàêîé çâåçäû — T Òåëüöà. Ýòî ïðîäîëæàåòñÿ äî òåõ ïîð, ïîêà íå áóäóò äîñòèãíóòû òåìïåðàòóðû, äîñòàòî÷íûå äëÿ íà÷àëà òåðìîÿäåðíûõ ðåàêöèé.  ñîîòâåòñòâèè ñî ñâîåé ìàññîé çâåçäà çàíèìàåò ìåñòî íà Ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè. Ñîëíöå ïðîäåëàëî òàêîé ïóòü ïî÷òè çà 2 ìëí ëåò. Çâåçäà òàêîé ìàññû «ñÿäåò» â ñðåäíþþ ÷àñòü ïîñëåäîâàòåëüíîñòè è îñòàíåòñÿ òàì íà ñðîê äî 106 ëåò. Òàê ïðîòîçâåçäà ñòàíåò çâåçäîé.
Ïî ìåðå âûãîðàíèÿ âîäîðîäà äàâëåíèå â îáîëî÷êå ïîâûøàåòñÿ, âíåøíèå ñëîè ðàñøèðÿþòñÿ è çâåçäà íà÷èíàåò ïîêèäàòü Ãëàâíóþ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü (äâèíåòñÿ ñíà÷àëà ÷óòü âïðàâî è âíèç), òàê êàê íà ðàñøèðåíèå òðàòèòñÿ íåêîòîðàÿ ýíåðãèÿ, è ñâåòèìîñòü çâåçäû óìåíüøàåòñÿ (ñì. ðèñ. 9.6). Ðàâíîâåñèå äîñòèãàåòñÿ çà ñ÷åò ôîðìèðîâàíèÿ ïðîòÿæåííîé çîíû êîíâåêöèè, è çâåçäà ïåðåéäåò â ãðóïïó êðàñíûõ ãèãàíòîâ. Îãðîìíàÿ àòìîñôåðà êðàñíîãî ãèãàíòà íå îáåñïå÷èâàåò ïåðåíîñ ýíåðãèè îò âíóòðåííèõ ñëîåâ, è âíóòðè çâåçäû ïðîöåññû ïîéäóò àäèàáàòè÷åñêè. Âáëèçè ÿäðà òåìïåðàòóðà ìîæåò äîñòè÷ü íåîáõîäèìîãî çíà÷åíèÿ äëÿ ïðîòåêàíèÿ òåðìîÿäåðíûõ ðåàêöèé, âîçìîæíî, è ñ áîëüøèì âûõîäîì ýíåðãèè, ÷åì ó ïðîòîí-ïðîòîííûõ. Òîãäà õîëîäíàÿ îãðîì-
332
íàÿ àòìîñôåðà áóäåò îòáðîøåíà ðàñòóùèì äàâëåíèåì è ïðåâðàòèòñÿ â ðàñøèðÿþùóþñÿ ãàçîâóþ òóìàííîñòü, êîòîðàÿ ìîæåò ðàññåÿòüñÿ â ïðîñòðàíñòâå çà ñîòíè òûñÿ÷ ëåò. Âåðîÿòíî, íàáëþäàåìàÿ òóìàííîñòü â ñîçâåçäèè Ëèðû èìååò òàêîå æå ïðîèñõîæäåíèå. Ñîåäèíåíèÿ ÿäåð ãåëèÿ âîçìîæíû, íî îíè äàþò ìåíüøå ýíåðãèè (äî 9 %), ÷åì ñîåäèíåíèÿ ÿäåð âîäîðîäà. Çâåçäà ìîæåò ïðîäëèòü ñâîå ñóùåñòâîâàíèå, åñëè èç óãëåðîäà, ïîëó÷àþùåãîñÿ ïðè ñîåäèíåíèè òðåõ àòîìîâ ãåëèÿ, íà÷íóò âîçíèêàòü áîëåå ñëîæíûå ÿäðà. Êîíåö íàñòóïàåò ïðè ñèíòåçèðîâàíèè æåëåçà, êîòîðîå èìååò ñàìûå óñòîé÷èâûå ÿäðà è óæå íå âûäåëÿåò ýíåðãèè (ðèñ. 9.7).
9.3. Ïåðåìåííûå çâåçäû è èõ ýâîëþöèÿ. Êîíå÷íûå ñòàäèè ýâîëþöèè çâåçä è Ñîëíöà
Ýâîëþöèîííûé ïóòü çâåçäû îïðåäåëÿåòñÿ åå ìàññîé, òàê êàê ìàññà îïðåäåëÿåò êîëè÷åñòâî ãîðþ÷åãî è ñ åå ðîñòîì óâåëè÷èâàþòñÿ òåìïåðàòóðà â öåíòðå çâåçäû è èíòåíñèâíîñòü òåðìîÿäåðíûõ ðåàêöèé. Ó çâåçä îòíîñèòåëüíî íåáîëüøîé ìàññû (äî 30 ) ñâåòèìîñòü Lïðîïîðöèîíàëüíà , ãäå =3 — 5. Âðåìÿ æèçíè çâåçäû ïðîïîðöèîíàëüíî , ò.å. , è äëÿ = 4, íàïðèìåð,
ïîëó÷àåì ïðîïîðöèîíàëüíîå Ì-3. Çíà÷èò, åñëè äëÿ Ñîëíöà ïîðÿäêà ëåò, òî ó çâåçäû ìàññîé ëåò. Äëÿ î÷åíü
ìàññèâíûõ çâåçä ñâåòèìîñòü íå ñòîëü âûñîêà, è îíà ïðîïîðöèîíàëüíà ìàññå, ò. å. âðåìÿ æèçíè ïî÷òè íå çàâèñèò îò ìàññû è ðàâíî 3 — 5 ìëí ëåò.
Åñëè çâåçäà èìååò ìàññó, áëèçêóþ ìàññå Ñîëíöà, òî âîçìîæåí ïåðåõîä çâåçäû â êðàòêîâðåìåííóþ — íà íåñêîëüêî ìèëëèîíîâ ëåò — ñòàäèþ ïóëüñàöèé (ñòàäèÿ öåôåèäû), ïîñëå ÷åãî çâåçäà ñòàíåò áåëûì êàðëèêîì. Âîçìîæíî, ÷òî Ñîëíöå ÷åðåç ìèëëèàðäû ëåò òîæå íà÷íåò ðàñøèðÿòüñÿ, äîñòèãíåò ñòàäèè êðàñíîãî ãèãàíòà, è, åñëè ê òîìó âðåìåíè ÷åëîâå÷åñòâî íå ïîêèíåò Ñîëíå÷íóþ ñèñòåìó (èëè íå óíè÷òîæèò ñåáÿ ðàíüøå ýòîãî ñðîêà), åãî ñóäüáà áóäåò ïðåäðåøåíà. Êðàñíûå ãèãàíòû òèïà Áåòåëüãåéçå è Àíòàðåñà ðàçâèëèñü èç çâåçä Ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè è áûëè ìàññèâíåå Ñîëíöà. Âîçìîæíî, áîëüøèå çâåçäû ñòàíóò èíôðàêðàñíûìè ãèãàíòàìè.
Îöåíèì ðàçìåð Ñîëíöà â ñòàäèè êðàñíîãî ãèãàíòà. Ïî çàêîíó Ñòåôàíà—Áîëüöìàíà ñâåòèìîñòü Lïðîïîðöèîíàëüíà êâàäðàòó ðàäèóñà è . Çíà÷èò, ðàäèóñ Rïðîïîðöèîíàëåí . Ïîäñòàâëÿÿ ÷èñëåííûå çíà÷åíèÿ, ïîëó÷àåì ðàäèóñ Ñîëíöà â ýïîõó êðàñíîãî ãèãàíòà: à. å. Ïîëó÷åííîå çíà÷åíèå ïîêàçûâàåò, ÷òî Ñîëíöå ðàñøèðèòñÿ äî îðáèòû Ìåðêóðèÿ (ñðåäíåå ðàññòîÿíèå 0,387 à.å., ðàññòîÿíèå â ïåðèãåëèè — 0,31 à. å.) è ïîãëîòèò òîëüêî ïëàíåòó Ìåðêóðèé.
333
Ïåðåìåííûå çâåçäû— ýòî çâåçäû, áëåñê êîòîðûõ ìåíÿåòñÿ (áåñïîðÿäî÷íî èëè ïåðèîäè÷åñêè). Îíè îòëè÷àþòñÿ îò çâåçä òèïà íàøåãî Ñîëíöà, «æèçíü» êîòîðûõ îòíîñèòåëüíî ñòàöèîíàðíà. Çàòìåííî-ïåðåìåííûìè ÿâëÿþòñÿ äâîéíûå çâåçäû.
Îòìå÷åííîå áîëåå òûñÿ÷è ëåò íàçàä àðàáñêèìè àñòðîíîìàìè èçìåíåíèå áëåñêà çâåçäû ð Ïåðñåÿ îòðàæåíî â åå íàçâàíèè — Ýëü-Ãóëü, èëè «äüÿâîë», ÷òî â Åâðîïå ïðåâðàòèëîñü â Àëãîëü. Ïðè÷èíó êîëåáàíèé åå áëåñêà ðàçãàäàë àíãëèéñêèé àñòðîíîì-ëþáèòåëü Äæ. Ãóäðàéê, ïðåäïîëîæèâ «ñóùåñòâîâàíèå áîëüøîãî òåëà, âðàùàþùåãîñÿ âîêðóã Àëãîëÿ». Îí æå îáíàðóæèë (1784) ïóëüñàöèè çâåçäû äåëüòà Öåôåÿ ñ ïåðèîäîì ìåíüøå 0,2 ñóòîê. Åùå ðàíüøå Ä. Ôàáðèöèóñ çàìåòèë íîâóþ ÿðêóþ çâåçäó â ñîçâåçäèè Êèòà, áëåñê êîòîðîé ìåíÿëñÿ ñ ïåðèîäîì â 348 äíåé, è íàçâàë åå Ìèðîé («×óäåñíàÿ»). Òàêèå äîëãîïåðèîäè÷åñêèå ïåðåìåííûå çâåçäû — ïðåèìóùåñòâåííî çâåçäû-ãèãàíòû «õîëîäíîãî» ñïåêòðàëüíîãî êëàññà Ì. Âïîñëåäñòâèè áûëè îáíàðóæåíû è êëàññèôèöèðîâàíû áîëåå 14 òûñ. ïåðåìåííûõ çâåçä.
Ôèçè÷åñêè ïåðåìåííûå çâåçäû íà äèàãðàììå «ñïåêòð — ñâåòèìîñòü» çàíèìàþò øèðîêóþ ïîëîñó â íàïðàâëåíèè îò Ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè â îáëàñòü ãèãàíòîâ è ñâåðõãèãàíòîâ. Ïðè ïåðåõîäå ñëåâà íàïðàâî ïåðèîä ïóëüñàöèé çâåçäû îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëåí êîðíþ êâàäðàòíîìó èç ñðåäíåé ïëîòíîñòè çâåçäû. À âåäü ÷åì äàëüøå âïðàâî ê îáëàñòè ñâåðõãèãàíòîâ ñìåùåíà çâåçäà, òåì áîëüøå åå ðàäèóñ è ìåíüøå åå ïëîòíîñòü! Èòàê, ïåðèîä ïóëüñàöèé ñâÿçàí ñî âñåé ñòðóêòóðîé çâåçäû. Âåðîÿòíî, èñòî÷íèêîì ïóëüñàöèé â ýòèõ çâåçäàõ ñëóæèò ýíåðãèÿ, âûñâîáîæäàþùàÿñÿ â çâåçäíûõ íåäðàõ, êîòîðàÿ ñïîñîáíà ïðåîáðàçîâàòüñÿ â ìåõàíè÷åñêóþ çà ñ÷åò îñîáåííîñòåé åå ñòðîåíèÿ.
Öåôåèäû — âàæíûé òèï ôèçè÷åñêè ïåðåìåííûõ çâåçä (ñì. ãë. 3), ñ ïåðèîäîì áëåñêà îò íåñêîëüêèõ ÷àñîâ äî ñóòîê. Èçó÷åíèå ñïåêòðîâ öåôåèä ïîêàçûâàåò, ÷òî âáëèçè ìàêñèìàëüíîãî áëåñêà çâåçäà ïðèáëèæàåòñÿ ê íàì ñ íàèáîëüøåé ñêîðîñòüþ, à âáëèçè ìèíèìóìà — óäàëÿåòñÿ (ýôôåêò Äîïëåðà). Çíà÷èò, öåôåèäû ïåðèîäè÷åñêè ñæèìàþòñÿ è ðàñøèðÿþòñÿ (ñì. ðèñ. 3.7).
Ðàäèóñ öåôåèäû ïî÷òè â 30 ðàç áîëüøå ñîëíå÷íîãî, è çîíà äâóêðàòíîé èîíèçàöèè ãåëèÿ, ñîñòàâëÿþùàÿ âñåãî 1—2 % ðàäèóñà, ïðè ñðåäíåé òåìïåðàòóðå 40 000 Ê è ïëîòíîñòè 3 10-8 ã/ñì3 ñîñòàâëÿåò 10-6 âñåé ìàññû. Íî èìåííî ýòà, êàçàëîñü áû, íåçíà÷èòåëüíàÿ çîíà ïðèâîäèò ê ïóëüñàöèÿì, ðàáîòàÿ êàê ïîðøíåâîé äâèãàòåëü: îñâîáîæäåíèå ýíåðãèè ïðè ñæèãàíèè ãîðþ÷åãî (èëè ïðèîáðåòåíèå ýíåðãèè ñèñòåìîé) ïðîèñõîäèò â ìîìåíò ìàêñèìàëüíîãî ñæàòèÿ â öèëèíäðå.  çîíå èîíèçàöèè ãåëèÿ-È çà ñ÷åò ïîãëîùåíèÿ ýíåðãèè ðàñòåò äàâëåíèå, ãàç ðàñøèðÿåòñÿ è óìåíüøàåòñÿ ïëîòíîñòü. Ñëîé ñòàíîâèòñÿ ïðîçðà÷íåé, çàïàñåííàÿ â íåì ýíåðãèÿ íà÷èíàåò óñèëåííî âûñâå÷èâàòüñÿ. Ïðè äîñòèæåíèè íàèáîëüøåãî ðàñøèðåíèÿ âíåøíèå ñëîè ïîä äåéñòâèåì òÿãîòåíèÿ íà÷íóò ïàäàòü âíèç, íî ðàâíîâåñíîå ïîëîæåíèå «ïðîñêîëüçíóò», ïðîèçîéäåò ñæàòèå, è öèêë ïîâòîðèòñÿ. Áîëåå äåòàëüíûé àíàëèç ïîêàçàë, ÷òî ïóëüñèðîâàòü ñïîñîá-
334
íû òîëüêî çâåçäû, â êîòîðûõ çîíà èîíèçàöèè ïîïàäàåò â ðåçîíàíñ ñî âñåé çâåçäîé. Ýòî âîçìîæíî òîëüêî äëÿ ãèãàíòîâ è ñâåðõãèãàíòîâ, à ïðè äâèæåíèè âïðàâî îò íèõ îòñòðîéêà îò ðåçîíàíñà ïðèâîäèò ê íåïðàâèëüíîñòÿì â áëåñêå çâåçäû. Âîçìîæíî, ìíîãèå çâåçäû ïðîõîäÿò ïîäîáíûå ñòàäèè ýâîëþöèè.
Íîâûå çâåçäû â íàøåé Ãàëàêòèêå äàþò äî ñîòíè âñïûøåê çà ãîä, íî âèäåòü óäàåòñÿ òîëüêî îäíó-äâå èç íèõ. Òåðìèí «íîâûå» ââåë Òèõî Áðàãå, íàáëþäàâøèé âñïûøêó â 1572 ã., è, õîòÿ ýòî íàçâàíèå íå èç óäà÷íûõ, òàê êàê âñïûøêà ñâèäåòåëüñòâóåò íå î ðîæäåíèè, à î ãèáåëè çâåçäû, îíî ñîõðàíèëîñü. Íåäàâíî óñòàíîâèëè, ÷òî íîâûå — ýòî òåñíûå äâîéíûå ñèñòåìû, ñîñòîÿùèå èç çâåçäû ïîçäíåãî êëàññà è ãîðÿ÷åé çâåçäû, îêðóæåííîé îáîëî÷êîé ïëîòíîãî ãàçà. Âñïûõèâàåò çâåçäà ñ ìåíüøåé ìàññîé, ïåðåòÿãèâàíèå ÷àñòè ìàññû ê íåé ðàçîãðåâàåò åå è ïðèâîäèò ê âçðûâó. Çàðåãèñòðèðîâàíî îêîëî 170 íîâûõ çâåçä â íàøåé Ãàëàêòèêå è îêîëî 200 — â ãàëàêòèêå Àíäðîìåäû.
 ìàêñèìóìå Íîâàÿ çâåçäà äîñòèãàåò àáñîëþòíîé çâåçäíîé âåëè÷èíû Ì = -8. Òàêàÿ ÿðêîñòü äëèòñÿ âñåãî íåñêîëüêî äíåé. Ìîæåò ñëó÷èòüñÿ, ÷òî îíà çà íåñêîëüêî ìåñÿöåâ âåðíåò ñâîè ïðåæíèå õàðàêòåðèñòèêè, è â çâåçäíûõ ïðîñòîðàõ ýòî íå âûãëÿäèò êàòàñòðîôîé, íî ÷åðåç ñòî èëè òûñÿ÷ó ëåò îíà ìîæåò âíîâü âçîðâàòüñÿ (êàê âóëêàí èìååò ñêëîííîñòü ê ïîâòîðíûì èçâåðæåíèÿì).  1885 ã. âçîðâàëàñü Íîâàÿ SÀíäðîìåäû: áóäó÷è ñëàáîé çâåçäî÷êîé 7-é âåëè÷èíû, îíà âäðóã ñòàëà ñâåòèòü ÿð÷å çâåçäû 6-é âåëè÷èíû. Ñ ó÷åòîì ðàññòîÿíèÿ äî íåå îíà ñòàëà ÿð÷å âñåé ãàëàêòèêè Àíäðîìåäû, åå áëåñê äîñòèãàë áëåñêà ìèëëèîíà ïðîñòûõ íîâûõ çâåçä, èëè â 10 ìëðä ðàç ïðåâûøàë áëåñê Ñîëíöà. Ýòî áûëà âñïûøêà Ñâåðõíîâîé çâåçäû.
Ñâåðõíîâûìè çâåçäàìè ñòàëè íàçûâàòü óæå ïî àíàëîãèè çâåçäû, ïðîèçâîäÿùèå íàèáîëåå ìîùíûå âçðûâû. Âñïûøêó Ñâåðõíîâîé íàáëþäàëè êèòàéñêèå àñòðîíîìû åùå â 1054 ã. â ñîçâåçäèè Òåëüöà, è ñåé÷àñ îñòàòêè îáîëî÷êè ýòîé çâåçäû íàáëþäàþòñÿ â âèäå Êðàáîâèäíîé òóìàííîñòè. Ñî âðåìåíåì îíà ðàññååòñÿ â ïðîñòðàíñòâå, íî ïðè âñïûøêàõ îáðàçóþòñÿ èçîòîïû ìíîãèõ ýëåìåíòîâ ñ ìàññîâûìè ÷èñëàìè, áîëüøèìè 60. Èìåííî ýòè âñïûøêè îáîãàùàþò ãàçîïûëåâûå êîìïëåêñû òÿæåëûìè ýëåìåíòàìè, ïîýòîìó â ìîëîäûõ çâåçäàõ íàáëþäàåòñÿ áîëåå âûñîêîå ñîäåðæàíèå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ, ÷åì â ñòàðûõ. Âñïûøêè Ñâåðõíîâûõ íàáëþäàëè ïðèìåðíî ðàç â 150 — 300 ëåò â êàæäîé ãàëàêòèêå. Êðîìå ðàñøèðÿþùåéñÿ îáîëî÷êè ãàçà, êîòîðàÿ ñáðàñûâàåòñÿ ïðè âñïûøêå, íà ìåñòå âñïûøêè îñòàåòñÿ íåéòðîííàÿ çâåçäà, èëè ïóëüñàð. Ãðàíäèîçíàÿ Ñâåðõíîâàÿ áûëà çàðåãèñòðèðîâàíà ïðè îáû÷íîì ôîòîãðàôèðîâàíèè çâåçäíîãî íåáà Ð. Ìàêíàóòîì (Àâñòðàëèÿ) 23 ôåâðàëÿ 1987 ã., à ÷åðåç 20 ÷ — È.Øåëòîíîì (×èëè), ïðè÷åì îíà ïðîèçîøëà íà ðàññòîÿíèè âñåãî 16 òûñ. ñâ. ëåò â Áîëüøîì Ìàãåëëàíîâîì îáëàêå. Âñïûøêà áûëà ïîòîì äåòàëüíî èññëåäîâàíà âî
335
âñåõ äèàïàçîíàõ äëèí âîëí, è îò íåå èñõîäèë ìîùíûé ïîòîê íåéòðèíî. Ýòè èññëåäîâàíèÿ ïðèîòêðûëè êàðòèíó ýâîëþöèè çâåçä, âûäåëèëè ïðîÿâëåíèå è ðîëü â íåé ñìåíû ÿäåðíîãî ãîðþ÷åãî, ïîêàçàëè, ÷òî ýòà Ñâåðõíîâàÿ îòíîñèëàñü ê ñòàðûì çâåçäàì.
Ðàíåå ýòî áûëà çâåçäà (êðàñíûé ãèãàíò) ñ ìàññîé â 18 ðàç áîëüøå ñîëíå÷íîé, îíà ñâåòèëà â 40 òûñ. ðàç ÿð÷å Ñîëíöà è çà 10 ìëí ëåò âûðàáîòàëà ýíåðãèþ ïðåâðàùåíèÿ âîäîðîäà â ãåëèé. Êîãäà âî âíóòðåííåé îáëàñòè, ãäå ñîñðåäîòî÷åíî 30 % ìàññû çâåçäû, çàêîí÷èëèñü òåðìîÿäåðíûå ðåàêöèè, öåíòðàëüíûå ñëîè ñòàëè ñæèìàòüñÿ. Ñæàòèå ïðîäîëæàëîñü äåñÿòêè òûñÿ÷ ëåò (îò 6 äî 1100 ã/ñì3), ïðè ýòîì òåìïåðàòóðà ïîäíÿëàñü îò 40 äî 190 ìëí Ê. Ýòè èçìåíåíèÿ ïðèâåëè ê «çàãîðàíèþ» ñëåäóþùåãî ÿäåðíîãî ãîðþ÷åãî — ãåëèÿ, êîòîðîãî õâàòèëî åùå íà 1 ìëí ëåò. Âíåøíèå ñëîè, ñîäåðæàùèå âîäîðîä, ðàñøèðèëè çâåçäó äî 300 ìëí êì, è îíà ïðåâðàòèëàñü â êðàñíûé ãèãàíò. Ïîñëå âûãîðàíèÿ ãåëèÿ íàñòàëà î÷åðåäü ÿäåðíîãî ãîðåíèÿ óãëåðîäà íà 12 òûñ. ëåò ïðè òåìïåðàòóðå ÿäðà 740 ìëí Ê è ïëîòíîñòè 240 ã/ñì3'  ðåçóëüòàòå ñãîðàíèÿ óãëåðîäà îáðàçîâàëèñü ìàãíèé, íåîí è íàòðèé. Íåîí âûãîðåë ïîñëå óãëåðîäà çà 12 ëåò ïðè òåìïåðàòóðå 1,5 ìëðä Ê è ïëîòíîñòè 7,4 ìëí ã/ñì3. Ïîñëå íåîíà íà÷èíàåò ãîðåòü êèñëîðîä, êîòîðûé ñãîðàåò çà 4 ãîäà (Ã= 2,1 ìëðä Ê è ïëîòíîñòü â ÿäðå 16 ìëí ã/ñì3). Ïîñëå âûãîðàíèÿ êèñëîðîäà íàñòóïàåò î÷åðåäü îáðàçîâàâøèõñÿ êðåìíèÿ è ñåðû. Ãîðåíèå êðåìíèÿ ôîðìèðóåò òåìïåðàòóðó â 3,4 ìëðä Ê è ïëîòíîñòü 50 ìëí ã/ñì3. Ïðîöåññ âûãîðàíèÿ êðåìíèÿ ïðîèñõîäèò óæå çà 7 ñóòîê. ßäðî íå óìåíüøèëî ñâîåé ýíåðãèè èç-çà âûñîêîé òåìïåðàòóðû, íî ñòàëî æåëåçíûì. Îíî íå îáëàäàåò çàïàñîì ÿäåðíîé ýíåðãèè è íå ìîæåò ïðîòèâîñòîÿòü òÿãîòåíèþ, ïîýòîìó íà÷èíàåò ñòðåìèòåëüíî ñæèìàòüñÿ. Çà äîëè ñåêóíäû ÿäðî ìàññîé â 1,5 ñîëíå÷íûõ è ðàäèóñîì â ïîëîâèíó çåìíîãî ñæèìàåòñÿ äî ðàäèóñà îêîëî 100 êì, ò. å. ñòàíîâèòñÿ ïî÷òè íåéòðîííûì. Åñëè áû îíî ñæàëîñü äî 10 êì, òî ïîëó÷èëàñü áû íåéòðîííàÿ çâåçäà. Íî øëî ðàçâèòèå ðîæäåíèÿ Ñâåðõíîâîé. Êîãäà ïëîòíîñòü äîñòèãëà 270 ìëðä ã/ñì3, íåéòðîíû ñòàëè äàâèòü äðóã íà äðóãà, è ïðîöåññ ïðåêðàòèëñÿ. Âíåøíÿÿ ÷àñòü ÿäðà, ïðîäîëæàþùàÿ ïàäàòü ñ îãðîìíîé ñêîðîñòüþ, ñòîëêíóëàñü ñ æåñòêèì ÿäðîì.  ðåçóëüòàòå âîçíèêëà óäàðíàÿ âîëíà, êîòîðàÿ óñòðåìèëàñü ê âíåøíåé ïîâåðõíîñòè çâåçäû, íî ïîòîê íåéòðèíî îáîãíàë åå, ñîðâàë âíåøíèå îáîëî÷êè è ðàçâåÿë èõ â ïðîñòðàíñòâå. ×åðåç 160 òûñ. ëåò ýòîò ïîòîê íåéòðèíî äîñòèã Çåìëè è áûë çàôèêñèðîâàí â ïîäçåìíûõ íåéòðèííûõ ëàáîðàòîðèÿõ ßïîíèè, ÑÑÑÐ è ÑØÀ.
Ïóëüñàðàìè íàçâàëè èñòî÷íèêè ïóëüñèðóþùåãî èçëó÷åíèÿ, õàðàêòåð êîòîðîãî áûë íå ïîõîæ íà èçâåñòíûé ðàíåå (òèïà öåôåèä). Ðàäèîàñòðîíîìû À. Õüþèø, Ñ.Áåëë, È.Ïèëêèíãòîí, Ï.Ñêîòò è Ð. Êîëëèíç îáíàðóæèëè íà X= 3,68 ì íåîáû÷íûå ðàäèîñèãíàëû, äëÿùèåñÿ 0,3 ñ (1968). Ñèãíàëû ñ òî÷íîñòüþ äî 10-8 ñ ïîâòîðÿëèñü ÷åðåç 1,337 ñ â òå÷åíèå ïîëóãîäà, íî àìïëèòóäà ñèãíàëà ìåíÿëàñü. Òàêîé õàðàêòåð ñèãíàëà íàïîìèíàë ïåðåäà÷è çåìíûõ ðàäèîñòàíöèé, â êîòîðûõ íà ñòðîãî ðèòìè÷íûå âûñîêî÷àñòîòíûå ñèãíàëû íàêëàäûâàþòñÿ êîëåáàíèÿ çâóêîâîé ÷àñòîòû.
Ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè îòêðûòî óæå áîëåå äâóõñîò ïóëüñàðîâ. Ðåãèñòðèðóÿ èçëó÷åíèå ïóëüñàðîâ íà ðàçëè÷íûõ, íî áëèçêèõ ÷àñ-
336
òîòàõ, óäàëîñü ïî çàïàçäûâàíèþ ñèãíàëà íà áîëüøåé äëèíå âîëíû (ïðè ïðåäïîëîæåíèè î íåêîòîðîé ïëîòíîñòè ïëàçìû â ìåæçâåçäíîé ñðåäå) îïðåäåëèòü ðàññòîÿíèå äî íèõ. Îêàçàëîñü, ÷òî âñå ïóëüñàðû íàõîäÿòñÿ íà ðàññòîÿíèÿõ 100 — 25000 ñâ. ëåò, ò.å. ïðèíàäëåæàò íàøåé Ãàëàêòèêå, ãðóïïèðóÿñü âáëèçè åå ïëîñêîñòè. Âîçìîæíî, ÷òî áîëüøèíñòâî îòêðûòûõ ïóëüñàðîâ íàõîäèòñÿ â òîì æå ñïè-ðàëüíîì ðóêàâå, ÷òî è Ñîëíöå. Ïóëüñàð NP 0531 â öåíòðå Êðàáî-âèäíîé òóìàííîñòè îòîæäåñòâëÿëè ñî çâåçäîé, êîòîðóþ ñ÷èòàþò îñòàòêîì îò âñïûøêè Ñâåðõíîâîé â 1054 ã. Ñ ðàçâèòèåì ðåíòãåíîâñêîé àñòðîíîìèè áûëî çàìå÷åíî, ÷òî îñíîâíóþ äîëþ ýíåðãèè ïóëüñàðû èçëó÷àþò â ýòîì äèàïàçîíå, è ðîñò ïåðèîäà èçëó÷åíèÿ ïóëüñàðîâ ñî âðåìåíåì ïîçâîëÿåò îöåíèòü èõ âîçðàñò. Ïóëüñèðóþùèé õàðàêòåð èçëó÷åíèÿ îáúÿñíÿþò áûñòðûì âðàùåíèåì çâåçäû è íàëè÷èåì ñèëüíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ ñ èíäóêöèåé äî 100 ìëí Òë. Åñëè ìàãíèòíàÿ îñü íå ñîâïàäàåò ñ îñüþ âðàùåíèÿ, òî îáðàçóåòñÿ «ìàãíèòíûé êîíóñ», ïîïàâ â êîòîðûé çàðÿæåííàÿ ÷àñòèöà ìîæåò óñêîðèòüñÿ äî ñêîðîñòåé, áëèçêèõ ê ñâåòîâûì, èçëó÷àÿ ýíåðãèþ â íàïðàâëåíèè ñâîåãî äâèæåíèÿ. Âîçíèêàåò óçêîíàïðàâëåííûé ïó÷îê íåòåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ, è ýòîò ðàäèîèìïóëüñ ðåãèñòðèðóåòñÿ íà Çåìëå. Äëÿ ïóëüñàðîâ ñ ïåðèîäîì 0,5 — 2 ñ âîçðàñò ñîñòàâëÿåò îò 106 äî 30 106 ëåò, ò.å. ýòî ñðàâíèòåëüíî ìîëîäûå îáúåêòû Ãàëàêòèêè. Íî ÿâëåíèå ïóëüñàðà íå ñâÿçàíî ñ ïóëüñàöèÿìè ñàìîé íåéòðîííîé çâåçäû. Ïðè ïëîòíîñòè íåéòðîííîé çâåçäû 1015 ã/ñì3 ïåðèîä ïóëüñàöèé ðàâåí âñåãî 0,001 ñ, ÷òî â ñîòíè ðàç ìåíüøå íàáëþäàåìûõ ïåðèîäîâ ó ïóëüñàðîâ. Ïîýòîìó áûëà ðàçðàáîòàíà ìîäåëü âðàùàþùåéñÿ íåéòðîííîé çâåçäû, ó êîòîðîé îñü âðàùåíèÿ íå ñîâïàäàåò ñ ìàãíèòíîé.
 1985 ã. ïîÿâèëàñü ãèïîòåçà, ÷òî èñòî÷íèê ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ Ëåáåäü Õ-3 ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êâàðêîâóþ çâåçäó.  1989 ã. â öåíòðå âçîðâàâøåéñÿ ÑÍ 1987 À îáíàðóæèëè ïóëüñàð ñ ÷àñòîòîé âðàùåíèÿ äî 2000 îá/ñ, ñàìûé áûñòðûé èç èçâåñòíûõ, è òàêæå ïðåäïîëîæèëè, ÷òî îí ÿâëÿåòñÿ êâàðêîâîé çâåçäîé. Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî ïîñëå òàêîé âñïûøêè îñòàòîê çâåçäû äîëæåí ïðåâðàòèòüñÿ â áåëîãî êàðëèêà è òóìàííîñòü.
Ìàññû çâåçä îïðåäåëÿþò èõ êîíå÷íûå ñóäüáû. Ãèïîòåçó î òîì, ÷òî âîçìîæíî ñóùåñòâîâàíèå çâåçä îãðîìíîé ïëîòíîñòè, ñîñòîÿùèõ òîëüêî èç íåéòðîíîâ, âûñêàçàë Ëàíäàó åùå â 1932 ã. ñðàçó æå ïîñëå îòêðûòèÿ íåéòðîíà. ×åðåç äâà ãîäà ýòó èäåþ ðàçâèëè Â. Áà-àäå è Ô. Öâèêêè. Îíè ïîêàçàëè, ÷òî òàêèå çâåçäû ìîãóò îáðàçîâûâàòüñÿ ïðè âçðûâàõ Ñâåðõíîâûõ — êîíå÷íàÿ ñòàäèÿ ýâîëþöèè ìàññèâíûõ çâåçä. Åñëè â ÿäðå çâåçäû îáðàçîâàëèñü àòîìû æåëåçà, îíî áóäåò äàëåå ñæèìàòüñÿ è ðàçîãðåâàòüñÿ ïîä äåéñòâèåì ñèë ãðàâèòàöèè. Æåëåçî íà÷íåò ðàñïàäàòüñÿ íà ïðîòîíû è íåéòðîíû, çàòåì ïðîòîíû, âçàèìîäåéñòâóÿ ñ ýëåêòðîíàìè, ïðåâðàòÿòñÿ â íåéòðîíû. Ïîëó÷èòñÿ êîìïàêòíàÿ íåéòðîííàÿ çâåçäà. Ñíàðóæè íåéòðîííîå ÿäðî áóäåò îáðàìëÿòü æåëåçíàÿ êîðà òåìïåðàòóðîé äî 106 Ê.
337
Ðàçìåðû çâåçäû ïðèìåðíî 12-15êì ïðè ñðåäíåé ïëîòíîñòè 1018 êã/ì3. Ïðè òàêîé îãðîìíîé ïëîòíîñòè íåéòðîííàÿ æèäêîñòü ÿâëÿåòñÿ âûðîæäåííîé è ïîä÷èíÿåòñÿ ïðèíöèïó çàïðåòà Ïàóëè, ïðåïÿòñòâóþùåìó äàëüíåéøåìó ñæàòèþ.  öåíòðå íåéòðîííîé æèäêîñòè âîçìîæíà ïðèìåñü êâàðêîâîãî âåùåñòâà.
Åñëè äàâëåíèå âûðîæäåííûõ íåéòðîíîâ ïðè âñïûøêå Ñâåðõíîâîé íå ñìîæåò ïðåäîòâðàòèòü äàëüíåéøåå ñæàòèå ÿäðà, íà÷íåòñÿ ãðàâèòàöèîííûé êîëëàïñ. Êîãäà ñêîðîñòü óáåãàíèÿ (èëè âòîðàÿ êîñìè÷åñêàÿ) ñòàíåò ðàâíîé ñêîðîñòè ñâåòà, êîëëàïñ íåîòâðàòèì. Ýòîò ðàçìåð ñæàòèÿ ïîëó÷èë íàçâàíèå ãðàâèòàöèîííîãî ðàäèóñà, îïðåäåëÿåìîãî ìàññîé çâåçäû. Äëÿ Çåìëè îí ñîñòàâëÿåò îêîëî 1 ñì, à äëÿ Ñîëíöà — 3 êì. Åñëè îí äîñòèãíóò, çâåçäà ñòàíåò ÷åðíîé äûðîé. Òåîðèÿ ÷åðíûõ äûð, ïðåäñêàçàííûõ ÎÒÎ, ðàçðàáîòàíà äîñòàòî÷íî ïîäðîáíî. ×òîáû ïîêèíóòü ÷åðíóþ äûðó, íàäî ðàçâèòü âòîðóþ êîñìè÷åñêóþ ñêîðîñòü, ïðåâûøàþùóþ ñêîðîñòü ñâåòà, ÷òî íåâîçìîæíî. Ïîýòîìó íè îäèí îáúåêò íå ñìîæåò ïîêèíóòü åå ïîëå. Âáëèçè ÷åðíûõ äûð ðåçêî ìåíÿþòñÿ ñâîéñòâà ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè. Ñ÷èòàþò, ÷òî òàêîâ êîíåö ýâîëþöèè ñàìûõ ìàññèâíûõ çâåçä. ×åðíàÿ äûðà ìîæåò ïðîÿâèòü ñåáÿ, åñëè îíà âõîäèò â ñîñòàâ äâîéíîé çâåçäíîé ñèñòåìû, â êîòîðîé âòîðàÿ çâåçäà — ÿðêèé ãèãàíò. Ïðåäïîëàãàþò, ÷òî ìàññèâíûå ÷åðíûå äûðû âîçíèêàþò â öåíòðàõ êîìïàêòíûõ çâåçäíûõ ñêîïëåíèé, öåíòðàõ ãàëàêòèê è êâàçàðîâ. Âîçìîæíî, ìàëåíüêèå ÷åðíûå äûðû âîçíèêàëè è â ñàìîì íà÷àëå ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé. Òîãäà èõ ìîæíî áûëî áû èñêàòü ïî ðîæäåíèþ âáëèçè íèõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö, êàê ñëåäóåò èç òåîðèè. Ñåé÷àñ «ïîäîçðåâàåìûìè» îáúåêòàìè íà ÷åðíûå äûðû ÿâëÿþòñÿ Ëåáåäü Õ-1, Ñêîðïèîí Õ-1, Ñòðåëåö À è äð.
Èòàê, çâåçäû ýâîëþöèîíèðóþò, è ýâîëþöèÿ èõ íåîáðàòèìà. Ãðàíäèîçíûå íåðàâíîâåñíûå ïðîöåññû ïðîèñõîäÿò â ïóëüñèðóþùèõ çâåçäàõ — öåôåèäàõ, â íåäðàõ çâåçä — ìîùíûå òåðìîÿäåðíûå ïðîöåññû, îáåñïå÷èâàþùèå âûäåëåíèå îãðîìíîãî êîëè÷åñòâà ýíåðãèè.  êîíå÷íûå ýòàïû æèçíè â çâåçäàõ âîçíèêàþò íåêèå óïîðÿäî÷åííûå ñîñòîÿíèÿ, êîòîðûå íå ìîãóò áûòü îïèñàíû êëàññè÷åñêîé ôèçèêîé.  íåéòðîííûõ çâåçäàõ è áåëûõ êàðëèêàõ âåùåñòâî ïåðåõîäèò â íîâûå êâàíòîâûå ñîñòîÿíèÿ, êîòîðûå îãðàíè÷èâàþò ýíåðãåòè÷åñêèå ïîòåðè.
9.4. Ãàëàêòèêà, åå ôîðìà è ñòðîåíèå. Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà â Ãàëàêòèêå
Íàøà ãàëàêòè÷åñêàÿ ñèñòåìà — ðÿäîâàÿ çâåçäíàÿ ñèñòåìà. Íà íåáå â ÿñíóþ áåçëóííóþ íî÷ü õîðîøî âèäíà ÿðêàÿ áåëåñîâàòàÿ ïîëîñà — Ìëå÷íûé Ïóòü. Îí ïðîñòèðàåòñÿ (ïðè âå÷åðíèõ íàáëþäåíèÿõ) ÷åðåç ñîçâåçäèÿ Ñêîðïèîíà, Ñòðåëüöà, Îðëà è äàëüøå ââåðõ ê ñîçâåçäèÿì Ëåáåäÿ, Öåôåÿ è Êàññèîïåè. Ïðè óòðåííèõ
338
íàáëþäåíèÿõ ìîæíî ïðîñëåäèòü åãî äðóãóþ âåòâü: ïî ñîçâåçäèÿì Ïåðñåÿ, Âîçíè÷åãî, Òåëüöà, Áëèçíåöîâ, Îðèîíà è Áîëüøîãî Ïñà.  þæíîì ïîëóøàðèè îí ïðîõîäèò ÷åðåç ñîçâåçäèÿ Ïàðóñà, Êèëÿ, Þæíîãî Êðåñòà è Öåíòàâðà. Òàêèì îáðàçîì, Ìëå÷íûé Ïóòü îáðàçóåò íà íåáå ïîëíûé êðóã. Ãðåêè íàçâàëè Ìëå÷íûé Ïóòü ãàëàêòè÷åñêèì (ìîëî÷íûì) êðóãîì. Åãî ñâåòëîå ñèÿíèå ïðîèñõîäèò â îñíîâíîì èç-çà ñâå÷åíèÿ áåñ÷èñëåííîãî êîëè÷åñòâà ñëàáûõ çâåçä.
Ïðåäñòàâëåíèå î òîì, ÷òî Ìëå÷íûé Ïóòü ñîñòîèò èç îãðîìíîãî ÷èñëà çâåçä, âîñõîäèò åùå ê Äåìîêðèòó. Åãî äîãàäêó ïîäòâåðäèë Ãàëèëåé ñ ïîìîùüþ ñâîåãî òåëåñêîïà. Ó. Ãåðøåëü îáðàòèë âíèìàíèå íà òî, ÷òî â íàïðàâëåíèè ñîçâåçäèÿ Ãåðêóëåñà çâåçäû êàê áû ðàçäâèãàþòñÿ, à íà ïðîòèâîïîëîæíîé ñòîðîíå — ñáëèæàþòñÿ. Òàêîå âïå÷àòëåíèå ïîëó÷àåòñÿ ïðè äâèæåíèè ïî äîðîãå, ïî îáåèì ñòîðîíàì êîòîðîé âûñàæåíû äåðåâüÿ, ïîýòîìó Ñîëíöå äâèæåòñÿ ïî îòíîøåíèþ ê áëèæàéøèì çâåçäàì è ðàññòîÿíèÿ äî íèõ íåîäèíàêîâû.
Îñíîâàòåëåì çâåçäíîé àñòðîíîìèè ñ÷èòàåòñÿ Ó. Ãåðøåëü. Èç íàáëþäåíèé îí çàêëþ÷èë, ÷òî ïðîòÿæåííîñòü Ãàëàêòèêè ïîðÿäêà 5800 ñâ. ëåò, à åå òîëùèíà — 1100 ñâ. ëåò. Îí íå çíàë î ñóùåñòâîâàíèè ìåæçâåçäíîãî ãàçà, ïîãëîùàþùåãî èçëó÷åíèå çâåçä, ïîýòîìó åãî ðàçìåðû Ãàëàêòèêè ïðèóìåíüøåíû â 15 ðàç.  XX â. áûëè îïðåäåëåíû ôîðìà è ìàñøòàáû ýòîé ãèãàíòñêîé çâåçäíîé ñèñòåìû è óñòàíîâëåíî ìåñòî, êîòîðîå çàíèìàåò â íåé íàøå Ñîëíöå. Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà íàõîäèòñÿ ìåæäó ñïèðàëüíûìè ðóêàâàìè, îäèí èç êîòîðûõ âèäåí â íàïðàâëåíèè íà öåíòð Ãàëàêòèêè â ñîçâåçäèè Ñòðåëüöà, à äðóãîé — â ïðîòèâîïîëîæíîì íàïðàâëåíèè, â ñîçâåçäèè Ïåðñåÿ. Èìåííî â íàïðàâëåíèè íà ñîçâåçäèå Ñòðåëüöà Ìëå÷íûé Ïóòü âûãëÿäèò íàèáîëåå ÿðêî.
Ãàëàêòèêà — ýòî ãèãàíòñêàÿ çâåçäíàÿ ñèñòåìà, ñîñòîÿùàÿ ïî÷òè èç 200 ìëðä çâåçä, è Ñîëíöå — îäíà èç íèõ. Âîîáùå ãàëàêòèêè — îãðîìíûå âðàùàþùèåñÿ çâåçäíûå ñèñòåìû. Îíè ðàçëè÷àþòñÿ è ïî âíåøíåìó âèäó, è ïî õàðàêòåðèñòèêàì. Ïîìèìî çâåçä â ãàëàêòèêè âõîäèò ìåæçâåçäíîå âåùåñòâî: ãàç, ïûëü, ÷àñòèöû êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé. Íåêîòîðûå ãàëàêòèêè ïîõîæè íà íàøó Ãàëàêòèêó ïî ðÿäó ñâîéñòâ è ïî âíåøíåìó âèäó. Ïî èõ ôîòîãðàôèÿì ìîæíî çàêëþ÷èòü, ÷òî ýòî äîñòàòî÷íî òîíêèé äèñê ñ óòîëùåíèåì â öåíòðå.  ýòîì ìåñòå Ãàëàêòèêà ïðîñòèðàåòñÿ íà îáëàñòü ñ ðàäèóñîì 25 êïê è òîëùèíîé îêîëî 2 êïê, íà ðàññòîÿíèè â 10 êïê îò öåíòðà íàõîäèòñÿ Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà (ðèñ. 9.8). Îíà äâèæåòñÿ âîêðóã öåíòðà Ãàëàêòèêè ïî÷òè ïî îêðóæíîñòè ñî ñêîðîñòüþ 250 êì/ñ. Îðáèòà Ñîëíöà ëåæèò â ïëîñêîñòè Ãàëàêòèêè, è îäèí îáîðîò äëèòñÿ 250 ìëí ëåò. Ìàññà öåíòðàëüíîé ÷àñòè Ãàëàêòèêè ïîðÿäêà 3 • 1041 êã. Ïðåäïîëàãàþò, ÷òî áîëüøàÿ ìàññà ðàññðåäîòî÷åíà íà ïåðèôåðèè Ãàëàêòèêè â îáëàñòè ðàäèóñîì îêîëî 100 êïê. Ìíîãèå çâåçäû îáðàçóþò ãðóïïû — ñêîïëåíèÿ. Ýâîëþöèîííûå ïðîöåññû ñâÿçàíû ñ òàêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè çâåçä, êàê âîçðàñò, õèìè÷åñêèé ñî-
339
Ðèñ. 9.9. Ïîäñèñòåìû Ãàëàêòèêè:
1 — ãàëî; 2 — ïðîìåæóòî÷íàÿ ïîäñèñòåìà; 3 — äèñê; 4 — ñòàðàÿ ïëîñêàÿ ïîäñèñòåìà; 5 — ìîëîäàÿ ïëîñêàÿ ïîäñèñòåìà
340
ñòàâ, õàðàêòåðèñòèêè äâèæåíèé è ïðîñòðàíñòâåííîå ðàñïîëîæåíèå.
Âîçðàñò çâåçä ìåíÿåòñÿ â áîëüøîì äèàïàçîíå çíà÷åíèé: îò 15 ìëðä ëåò (âîçðàñò Âñåëåííîé) äî ñîòåí òûñÿ÷ ëåò — ñàìûõ ìîëîäûõ. Åñòü çâåçäû, îáðàçóþùèåñÿ íà íàøèõ ãëàçàõ. Âñå çâåçäû, ïî òåðìèíîëîãèè Áààäå (1944), ïðèíÿòî íàçûâàòü çâåçäíûì íàñåëåíèåì (ðèñ. 9.9).  ïëîñêîñòè Ãàëàêòèêè ðàñïîëîæåíû çâåçäû ìîëîäûå è ñðåäíåãî âîçðàñòà — íàñåëåíèå I, èëè äèñêà (çâåçäû Ãëàâíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ñïåêòðàëüíûõ êëàññîâ Î è  — ñàìûå ìîëîäûå è ãîðÿ÷èå, G, Ê, Ì— êàðëèêè). Ýòî — ðàññåÿííûå çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ, ãîðÿ÷èå çâåçäû — ãèãàíòû è ñâåðõãèãàíòû, Ñâåðõíîâûå çâåçäû, äîëãîïåðèîäè÷åñêèå öåôåèäû, ìîëåêóëÿðíûå îáëàêà, ñâåòëûå è òåìíûå òóìàííîñòè. Âîçðàñò èõ ïîðÿäêà 107— 108 ëåò, îíè íåäàâíî îáðàçîâàëèñü èç ìåæçâåçäíîãî ãàçà, ïîòîìó íàõîäÿòñÿ âáëèçè íåãî â ïëîñêîñòè. Ìåæçâåçäíîãî ãàçà ïî ìàññå íåìíîãî — îêîëî 5 % îáùåé ìàññû, è îí ñêîíöåíòðèðîâàí â ñïèðàëüíûõ ðóêàâàõ. Íàøå Ñîëíöå íàõîäèòñÿ ïîñåðåäèíå ìåæäó äâóìÿ ñïèðàëüíûìè ðóêàâàìè. Ñàìûå ñòàðûå — íàñåëåíèå II, èëè ãàëî (øàðîâûå ñêîïëåíèÿ, ñîäåðæàùèå äî ìèëëèîíà çâåçä; ðàññåÿííûå ñêîïëåíèÿ, ñîäåðæàùèå ëèøü 100 — 1000 çâåçä; ñóáêàðëèêè è ïåðåìåííûå òèïà RRËèðû); ê ñòàðûì îòíîñÿò êðàñíûå êàðëèêè, êðàñíûå ãèãàíòû è öåôåèäû. Èõ âîçðàñò ïîðÿäêà 1010 ëåò. Ñòàðûå îáúåêòû íàõîäÿòñÿ áëèæå ê öåíòðó Ãàëàêòèêè. Ïðîìåæóòî÷íóþ ãðóïïó ïî âîçðàñòó çàíèìàþò çâåçäû, çàïîëíÿþùèå äèñê Ãàëàêòèêè òîëùèíîé îêîëî 1 êïê. Ýòî íîâûå çâåçäû, ïëàíåòàðíûå òóìàííîñòè, ÿðêèå êðàñíûå ãèãàíòû, ðàñïîëîæåííûå â ÿäðå Ãàëàêòèêè.
Ñðàâíèòåëüíî ìîëîäûå çâåçäû âåðõíåé ÷àñòè ïîñëåäîâàòåëüíîñòè âõîäÿò îáû÷íî â ñîñòàâ ðàññåÿííûõ ñêîïëåíèé, íåïîñðåäñòâåííî íàáëþäàþò îêîëî 1000 èç íèõ, è âñå îíè îòíîñÿòñÿ ê äèñêó. Êðîìå ðàññåÿííûõ, â Ãàëàêòèêå áîëåå 100 øàðîâûõ ñêîïëåíèé, ïðåäñòàâëÿþùèõ ñîáîé äîñòàòî÷íî êîìïàêòíûå îáðàçîâàíèÿ èç 105—106 çâåçä. Îíè íàçâàíû òàê ïîòîìó, ÷òî â öåíòðå ñêîïëåíèÿ áëåñê çâåçä ñëèâàåòñÿ â ÿðêèé ôîí. Áëèæàéøåå øàðîâîå ñêîïëåíèå ìîæíî âèäåòü â ñîçâåçäèè Öåíòàâðà äàæå íåâîîðóæåííûì ãëàçîì â âèäå ðàçìûòîãî ïÿòíà. Øàðîâûå ñêîïëåíèÿ î÷åíü óñòîé÷èâû, îáðàçóþò ñôåðè÷åñêóþ ïîäñèñòåìó.  íèõ ìíîãî áåëî-ãîëóáûõ çâåçä è ìàëî êðàñíûõ ãèãàíòîâ; ìíîãèå èç íèõ ÿâëÿþòñÿ èñòî÷íèêàìè ìîùíîãî ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ. Ýòî îáúÿñíÿþò àêêðåöèåé ìåæçâåçäíîãî ãàçà íà ÷åðíûå äûðû, íàõîäÿùèåñÿ â öåíòðå øàðîâûõ ñêîïëåíèé.
Ìåæçâåçäíûé ãàç îòíîñÿò ê íàñåëåíèþ äèñêà, òàê êàê îí áëèæå âñåãî ê ìîëîäûì çâåçäàì ïî õèìè÷åñêîìó ñîñòàâó, ðàñïîëîæåíèþ è õàðàêòåðó äâèæåíèÿ.  ñïåêòðàõ áûëè îòêðûòû ëèíèè ìåæçâåçäíîãî íàòðèÿ, êàëèÿ, æåëåçà, òèòàíà è âîäîðîäà (ïî êîñâåííûì äàííûì, íàïðèìåð, ïîòîìó ÷òî âîäîðîä îáðàçóåò âìåñòå ñ àòîìîì
341
óãëåðîäà ìîëåêóëó ÑÍ). Èçìåðåíèÿ âçàèìíûõ ïîëîæåíèé êîìïîíåíò â ñïåêòðàõ ïîçâîëèëè ñîñòàâèòü ñõåìû îáðàùåíèÿ îáëàêîâ âîêðóã öåíòðà Ãàëàêòèêè. Ñîâåòñêèå àñòðîíîìû Ã. À. Øàéí è Â.Ô. Ãàçå, ôîòîãðàôèðóÿ íåáî ñêâîçü ñâåòîôèëüòðû, âûäåëÿþùèå îòäåëüíûå ëèíèè âîäîðîäíîé ñåðèè Áàëüìåðà, îòêðûëè áîëåå 200 òóìàííîñòåé, íå âèäèìûõ íà îáû÷íûõ ôîòîãðàôèÿõ (1951). Ñåé÷àñ óñòàíîâëåíî, ÷òî ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü âîäîðîäà â ìåæçâåçäíîé ñðåäå ïîðÿäêà 0,1 ÷àñòèöû â 1 ñì3, à â ïëîòíûõ îáëàêàõ — äî íåñêîëüêèõ òûñÿ÷. Ñîîòíîøåíèå âîäîðîäà è ãåëèÿ â ìåæçâåçäíîé ñðåäå îöåíèâàåòñÿ êàê 9:1.  ñïèðàëüíûõ ðóêàâàõ ïëîòíîñòü âîäîðîäà ïðèìåðíî íà ïîðÿäîê âûøå, ÷åì ìåæäó ðóêàâàìè.
Ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà îñëàáëÿåò ñâåò çâåçä ïðèìåðíî íà 0,6 çâ. âåë. íà 1 ïê, êàê äîêàçàë â 1847 ã. ðóññêèé àñòðîíîì Â.ß.Ñòðóâå, à ñîâåòñêèé ó÷åíûé Ï. Ï. Ïàðåíàãî âûâåë ôîðìóëó ó÷åòà ýòîãî îñëàáëåíèÿ. Ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà ïîõîæà íà ïûëü, êîíöåíòðàöèÿ êîòîðîé â 100 ðàç ìåíüøå ãàçîâîé. ×àñòèöû ïûëè ïîõîæè íà ëåäÿíûå çàãðÿçíåííûå êðèñòàëëèêè, òåìïåðàòóðà êîòîðûõ 17 Ê. Ãàçîïûëåâûå îáëàêà ïîãëîùàþò ñâåò äàëåêèõ çâåçä, èõ ïîãëîùàòåëü-íàÿ ñïîñîáíîñòü ïðîïîðöèîíàëüíà . Íàïðèìåð, ÿäðî Ãàëàêòèêè óäàåòñÿ íàáëþäàòü òîëüêî â èíôðàêðàñíîì è ðàäèîäèàïàçîíàõ.  öåíòðå Ãàëàêòèêè îáíàðóæåí ìîùíûé èñòî÷íèê ðàäèîèçëó÷åíèÿ Ñòðåëåö À.  íåì ïðåäïîëàãàþò íàëè÷èå ìàññèâíîé ÷åðíîé äûðû, îêðóæåííîé ãàçîâûì äèñêîì äèàìåòðîì îêîëî 1 ìëðä êì. Èç ÿäðà, ëèíåéíûå ðàçìåðû êîòîðîãî îêîëî 4000 ñâ. ëåò, ñ îãðîìíûìè ñêîðîñòÿìè (äî 600 êì/ñ) âûáðàñûâàþòñÿ ñãóñòêè âåùåñòâà, ìàññà êîòîðûõ çà ãîä îöåíèâàåòñÿ â 1 ìàññó Ñîëíöà.  îñíîâíîì îáëàêà êîíöåíòðèðóþòñÿ âáëèçè ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè.
ßäðî Ãàëàêòèêè èçó÷åíî ïëîõî, òàê êàê öåíòðàëüíàÿ îáëàñòü ïî÷òè íåäîñòóïíà äëÿ íàáëþäåíèé èç-çà ñèëüíîãî ïîãëîùåíèÿ â ìåæçâåçäíîé ñðåäå. Íàáëþäåíèÿ â ðàçíûõ îáëàñòÿõ ñïåêòðà ïîçâîëèëè óñòàíîâèòü, ÷òî ðàçìåð ÿäðà ñîñòàâëÿåò îêîëî íåñêîëüêèõ êèëîïàðñåê (êïê). Ïëîòíîñòü çâåçä äîñòèãàåò 107 çâåçä/ïê3, òîãäà êàê âáëèçè Ñîëíöà — îäíà çâåçäà íà 10 ïê3.  öåíòðå Ãàëàêòèêè íàõîäèòñÿ èñòî÷íèê íåòåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ (Ñòðåëåö À), âåðîÿòíî, î÷åíü áûñòðûå ýëåêòðîíû, êîòîðûå âîçíèêàþò ïðè âñïûøêàõ ñâåðõíîâûõ çâåçä èëè ïóëüñàðîâ, óñêîðÿþòñÿ â ìàãíèòíûõ ïîëÿõ. Ìîùíîå èçëó÷åíèå îò ÿäðà ñóùåñòâóåò â ðàäèîäèàïàçîíå è â èíôðàêðàñíîé îáëàñòè. Åñòü ïðåäïîëîæåíèÿ, ÷òî ýòî ìàññèâíîå áû-ñòðîâðàùàþùååñÿ ïëàçìåííîå òåëî «ìàãíåòîèä», èëè ÷åðíàÿ äûðà.
Äâèæåíèÿ ñòàðûõ è ìîëîäûõ çâåçä â Ãàëàêòèêå èìåþò ðàçëè÷èÿ: ó ñòàðûõ — áîëüøèå ýêñöåíòðèñèòåòû îðáèò, à ìîëîäûå äâèæóòñÿ ïî÷òè ïî îêðóæíîñòÿì. Ïîëó÷àþòñÿ äâå ïîäñèñòåìû: ìîëîäûå çâåçäû áûñòðî âðàùàþòñÿ âíóòðè ïî÷òè íåïîäâèæíîé ñèñòåìû áîëåå ñòàðûõ çâåçä.
Ãàëàêòè÷åñêèé ãîä — ïåðèîä âðàùåíèÿ Ñîëíöà âîêðóã öåíòðà Ãàëàêòèêè. Íàïðàâëÿÿ ðàäèîòåëåñêîï â ðàçíûå ó÷àñòêè Ìëå÷íîãî
342
Ïóòè, ó÷åíûå èçó÷èëè ðàñïðåäåëåíèå âîäîðîäà â ïðîñòðàíñòâå îáëàêîâ, ëèíèÿ âîäîðîäà íà = 21 ñì îêàçàëàñü ðàñùåïëåííîé. Òàê óñòàíîâèëè ñïèðàëüíûå ðóêàâà, âäîëü êîòîðûõ îáðàçóþòñÿ ìîëîäûå çâåçäû.
Ëó÷åâûå ñêîðîñòè çâåçä îïðåäåëÿþò ïî äîïëåðîâñêîìó ñìåùåíèþ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé. Ñðàâíåíèå ôîòîãðàôèé çâåçä, ñäåëàííûõ ÷åðåç äîñòàòî÷íî áîëüøèå èíòåðâàëû âðåìåíè, äàåò íàëè÷èå äâóõ ñîñòàâëÿþùèõ — ëó÷åâîé (íàïðàâëåííîé ê íàáëþäàòåëþ) è òàíãåíöèàëüíîé, êîòîðûå ïðåäñòàâëÿþò ïðîñòðàíñòâåííóþ ñêîðîñòü. Åñëè ëó÷åâóþ ñîñòàâëÿþùóþ îïðåäåëÿþò ïî ýôôåêòó Äîïëåðà, òî äëÿ îïðåäåëåíèÿ òàíãåíöèàëüíîé ñîñòàâëÿþùåé íóæíî çíàòü è ðàññòîÿíèå äî çâåçäû. Çâåçäû ãàëî è äèñêà Ãàëàêòèêè ðàçëè÷íû è ïî ñâîèì ïðîñòðàíñòâåííûì ñêîðîñòÿì: ó çâåçä ãàëî ñêîðîñòè â 4 —5 ðàç áîëüøå.
Ðàçëè÷íîå ñîäåðæàíèå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ çâåçä ãàëî è äèñêà ïîçâîëèëè âûñòðîèòü ïîñëåäîâàòåëüíîñòü æèçíè çâåçä. Ïðåäïîëàãàþò, ÷òî Ãàëàêòèêà êàê ñèñòåìà çâåçä îáðàçîâàëàñü ïðèìåðíî 13 ìëðä ëåò íàçàä. Íà «äîãàëàêòè÷åñêîé» ñòàäèè âåùåñòâî Âñåëåííîé íå ñîäåðæàëî íèêàêèõ ýëåìåíòîâ, êðîìå âîäîðîäà (3/4) è ãåëèÿ (1/4). Ãðàâèòàöèîííûå ñèëû ñæèìàëè îáëàêî, è âîçíèêëè ïåðâûå íåîäíîðîäíîñòè, ñðåäè êîòîðûõ âûäåëèëèñü îáëàñòè ñ áîëüøîé ïëîòíîñòüþ.  íèõ íà÷àëñÿ ïðîöåññ çâåçäîîáðàçîâàíèÿ, âîçíèêëè è ïåðâûå ñêîïëåíèÿ çâåçä. Ïîÿâèëèñü øàðîâûå è ðàññåÿííûå ñêîïëåíèÿ, â íèõ ñôîðìèðîâàëîñü íåêîòîðîå êîëè÷åñòâî çâåçä êëàññîâ Î è Â. Îíè «ñãîðåëè» çà 1 ìëðä ëåò, çàêîí÷èâ ñâîþ ýâîëþöèþ âñïûøêîé Ñâåðõíîâîé çâåçäû.
Áîëåå òÿæåëûìè ýëåìåíòàìè îáîãàòèëè ìåæçâåçäíóþ ñðåäó îáîëî÷êè âçðûâàþùèõñÿ çâåçä. Ïåðâûå ïîêîëåíèÿ çâåçä ñîäåðæàò ýëåìåíòû áîëåå òÿæåëûå, óñëîâíî èõ íàçûâàþò ìåòàëëàìè, è «ìå-òàëëè÷íîñòü» çâåçäû ÷àñòî õàðàêòåðèçóþò âåëè÷èíîé:
ãäå — ÷èñëî àòîìîâ æåëåçà è âîäîðîäà ñîîòâåòñòâåííî
(ñì. ðèñ. 9.7).
Ïîÿâëåíèå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ ãîâîðèò î òîì, ÷òî, ïðåæäå ÷åì ïîïàñòü â ýòè çâåçäû, ïåðâè÷íîå âåùåñòâî ïîäâåðãëîñü êàêèì-òî ÿäåðíûì ïðåâðàùåíèÿì è îáîãàòèëîñü òÿæåëûìè ýëåìåíòàìè. Áîëüøèíñòâî çâåçä èìåþò ìàëóþ ìàññó, êîòîðîé íåäîñòàòî÷íî äëÿ âûðàáîòêè òÿæåëûõ ìåòàëëîâ ïóòåì òåðìîÿäåðíûõ ðåàêöèé. Òàêèå çâåçäû, êàê íàøå Ñîëíöå, ñïîñîáíû òîëüêî ïðåâðàùàòü âîäîðîä â ãåëèé, ïîýòîìó èõ õèìè÷åñêèé ñîñòàâ íå ìåíÿåòñÿ è ñîîòâåòñòâóåò òåì õèìè÷åñêèì ýëåìåíòàì, èç êîòîðûõ îíè îáðàçîâûâàëèñü. Òîò ôàêò, ÷òî ìîëîäûå çâåçäû ãîðàçäî áîãà÷å ìåòàëëàìè, ÷åì ñòàðûå (ó Ñîëíöà ìåòàëëû ñîñòàâëÿþò 2 — 3 % ìàññû) è ÷òî ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà èìååò áëèçêèé ïðîöåíò ñîäåðæàíèÿ ìåòàëëîâ, ãîâîðèò î òîì, ÷òî çâåçäû ãåíåòè÷åñêè ñâÿçàíû ñ ìåæçâåçäíûì ãàçîì.
343
9.5. Ìíîãîîáðàçèå ìèðà ãàëàêòèê. Ñîäåðæàíèå è çíà÷åíèå çàêîíà Õàááëà
Ìèð ãàëàêòèê ñòîëü æå ðàçíîîáðàçåí, êàê è ìèð çâåçä. Äîëãîå âðåìÿ òóìàííûå ïÿòíûøêè, íàáëþäàåìûå â òåëåñêîïû, ñ÷èòàëè òóìàííîñòÿìè, îòíîñÿùèìèñÿ ê Ãàëàêòèêå (âîñïðèíèìàåìîé êàê âñÿ Âñåëåííàÿ). Ýòî — îãðîìíûå âðàùàþùèåñÿ ñèñòåìû çâåçä, ðàçíîîáðàçíûå ïî âíåøíåìó âèäó è ôèçè÷åñêèì õàðàêòåðèñòèêàì, ðàçìåðîì 1 — 100 êïê.  íèõ íàõîäèòñÿ îò 107 äî 1012 çâåçä. Íåáîëüøèå ãàëàêòèêè ÷àñòî ÿâëÿþòñÿ ñïóòíèêàìè áîëüøèõ ãàëàêòèê. Íåâîîðóæåííûì ãëàçîì ìîæíî óâèäåòü áëèæàéøèå ê íàì ãàëàêòèêè — Ìàãåëëàíîâû Îáëàêà (â Þæíîì ïîëóøàðèè) è òóìàííîñòü Àíäðîìåäû (â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè), îíè âõîäÿò â Ìåñòíóþ ãðóïïó ãàëàêòèê (ðèñ. 9.10). Îñòàëüíûå ãàëàêòèêè âèäíû òîëüêî â òåëåñêîï êàê ïÿòíûøêè. Êëàññèôèêàöèÿ ãàëàêòèê â êàòàëîãàõ — Ì ñ íîìåðîì. Òàê, Ì31 — òóìàííîñòü Àíäðîìåäû.  êàòàëîãå, ñîñòàâëåííîì â ÑÑÑÐ â 60-å ãã. XX â., áîëåå 30 000 ãàëàêòèê.
Âèä ãàëàêòèêè íà ôîòîáóìàãå íåñêîëüêî îòëè÷åí îò åå âèäà íà íåãàòèâå è çàâèñèò îò òîãî, â êàêèõ ëó÷àõ áûë ñíÿò. Êîëëåêòèâ Àñòðîíîìè÷åñêîãî èíñòèòóòà ïðè Ìîñêîâñêîì óíèâåðñèòåòå âî ãëàâå ñ Á.À.Âîðîíöîâûì-Âåëüÿìèíîâûì ñîñòàâèë «Ìîðôîëîãè÷åñêèé êàòàëîã ãàëàêòèê» (MGC) èç 30 000 ãàëàêòèê ÿð÷å 17-é çâåçäíîé âåëè÷èíû è àòëàñ âçàèìîäåéñòâóþùèõ ãàëàêòèê. Îêàçàëîñü, ÷òî íåêîòîðûå ãàëàêòèêè îòëè÷àþòñÿ ìîùíûì ðàäèîèçëó÷åíèåì, êîòîðîå áîëüøå îïòè÷åñêîãî. Èõ íàçâàëè ðàäèîãàëàêòèêàìè (íàïðèìåð, Ëåáåäü À). Ïîçäíåå ñòàëî ÿñíî, ÷òî ãàëàêòèêè íå ïîêîÿòñÿ îòíîñèòåëüíî ðàñøèðÿþùåãîñÿ íåäå-ôîðìèðóåìîãî ôîíà, à èìåþò ñîáñòâåííûå äâèæåíèÿ, èçó÷åíèå êîòîðûõ ïîçâîëèò îïðåäåëèòü ïðîòÿæåííîñòü íåîäíîðîäíîñòåé â ðàñïðåäåëåíèè ìàññû, à ýòè íåîäíîðîäíîñòè î÷åíü âåëèêè è îòðàæàþò ñëîæíûå ïðîöåññû íà÷àëà ðàñøèðåíèÿ.
Äåëåíèå ãàëàêòèê íà ñïèðàëüíûå, ýëëèïòè÷åñêèå è íåïðàâèëüíûå, îñíîâàííîå íà âíåøíåì âèäå, áûëî ââåäåíî â 1925 ã. àìåðèêàíñêèì àñòðîíîìîì Ý.Õàááëîì, èçó÷èâøèì áîëåå òûñÿ÷è ãàëàêòèê (ðèñ. 9.11). Åãî êëàññèôèêàöèÿ îòðàæàåò è ñóùåñòâåííûå ôèçè÷åñêèå ðàçëè÷èÿ ìåæäó ãàëàêòèêàìè.
Ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè ñîñòîÿò èç äâóõ ïîäñèñòåì — äèñêîâîé è ñôåðè÷åñêîé. Ñôåðè÷åñêàÿ ÷àñòü íàïîìèíàåò ýëëèïòè÷åñêóþ ãàëàêòèêó, äèñêîâàÿ — ñæàòà è ñîäåðæèò ìíîãî ìåæçâåçäíîé ïûëè, ãàçà è ìîëîäûõ çâåçä. Áîëåå ìîëîäûå è ÿðêèå çâåçäû ñãðóïïèðîâàíû â ñïèðàëüíûå ðóêàâà. Îêàçàëîñü, ÷òî ïî÷òè ïîëîâèíà ãàëàêòèê èìåþò ñïèðàëüíóþ ôîðìó.  öåíòðå òàêèõ ãàëàêòèê — êðàñèâîå è ÿðêîå ÿäðî, áîëüøîå è òåñíîå ñêîïëåíèå çâåçä. Èç ÿäðà âûõîäÿò çàêðó÷èâàþùèåñÿ âîêðóã íåãî âåòâè, ñîñòîÿùèå èç ìîëîäûõ çâåçä è îáëàêîâ íåéòðàëüíîãî ãàçà. Òàêîâû ãàëàêòèêè Ìëå÷íûé Ïóòü è òóìàííîñòü Àíäðîìåäû. Ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè íåñêîëüêî ïîõîæè íà íèõ, íî ñ ìåíüøèìè ðóêàâàìè. Ñðåäè íàèáîëåå ÿðêèõ ãàëàêòèê îíè ñîñòàâëÿþò 25 %; ñ÷èòàþò, ÷òî îíè ñîñòîÿò èç áîëåå ñòàðûõ çâåçä (âîçðàñòà Ñîëíöà èëè ñòàðåå), òàê êàê èìåþò êðàñíîâàòûé îòòåíîê. Îíè ïî÷òè íå ñîäåðæàò ìåæçâåçäíîãî ãàçà, è òàì íå ôîðìèðóþòñÿ íîâûå çâåçäû. Âðàùåíèå â íèõ ïðîèñõîäèò ñ íåáîëüøèìè ñêîðîñòÿìè (ìåíåå 100 êì/ñ), à ðàâíîâåñèå ïîääåðæèâàåòñÿ çà ñ÷åò õàîòè÷åñêèõ ïåðåäâèæåíèé çâåçä ïî ðàäèàëüíî âûòÿíóòûì îðáèòàì. Òàêóþ ãàëàêòèêó íàáëþäàþò â ñîçâåçäèè Äåâû, îíà èìååò ïî÷òè øàðîâèäíóþ ôîðìó è âåñüìà àêòèâíà.  ÿäðå ýëëèïòè÷åñêîé ðàäèîãàëàêòèêè Êåíòàâðà À óäàëîñü îáíàðóæèòü íà ðàññòîÿíèè â 106 ñâ. ëåò îòäåëüíûå äåòàëè ðàçìåðîì â 100 ñâ. ëåò, îòðàæàþùèå áóðíóþ àêòèâíîñòü. Íåïðàâèëüíûå ãàëàêòèêè èìåþò íåáîëüøóþ ìàññó è ðàçìåð, â íèõ ìíîãî ìåæçâåçäíîãî ãàçà. Çàìåòíû êàê î÷àãè çâåçäîîáðàçîâàíèÿ êàêèå-òî êëî÷êè. Ïðèìåðîì òàêèõ ãàëàêòèê ÿâëÿþòñÿ íàèáîëåå áëèçêèå ê Çåìëå äâå íåáîëüøèå ãàëàêòèêè Ìàãåëëàíîâà Îáëàêà, êîòîðûå äàæå íàçûâàþò ñïóòíèêàìè Ìëå÷íîãî Ïóòè. Äî Áîëüøîãî Îáëàêà îêîëî 200 òûñ. ñâ. ëåò, äî Ìàëîãî — âñåãî 170 òûñ. ñâ. ëåò.  Áîëüøîì Îáëàêå â 1987 ã.
345
Ðèñ. 9.11. Ãàëàêòèêè:
à — ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà NGC 6814, ïîõîæàÿ íà Ìëå÷íûé Ïóòü; á — ñõåìà
ñïèðàëüíûõ ðóêàâîâ Ãàëàêòèêè ïî ðàäèîíàáëþäåíèÿì íåéòðàëüíîãî âîäîðîäà;
â — ñõåìà êëàññèôèêàöèè ãàëàêòèê (ïî Ý. Õàááëó)
íàáëþäàëàñü âñïûøêà Ñâåðõíîâîé çâåçäû, à ïðè ïîìîùè îáñåðâàòîðèè «Êâàíò» îðáèòàëüíîãî êîìïëåêñà «Ìèð» â 1999 ã. áûëî çàðåãèñòðèðîâàíî æåñòêîå ðåíòãåíîâñêîå èçëó÷åíèå. Íàáëþäåíèÿ ñ ïîìîùüþ «Êâàíòà» è äðóãîãî ðîññèéñêîãî ðåíòãåíîâñêîãî òåëåñêîïà «Ãðàíàò» ïîçâîëèëè ïîäòâåðäèòü ãèïîòåçó î òîì, ÷òî â öåíòðå íàøåé Ãàëàêòèêè — ÷åðíàÿ äûðà, ìàññà êîòîðîé â ìèëëèîíû ðàç áîëüøå ñîëíå÷íîé.
Îòäåëüíûå çâåçäû â ãàëàêòèêàõ ñòàëè ðàçëè÷àòü òîëüêî â 30-å ãã.  1923 ã. Õàááë ñ ïîìîùüþ 2,5-ìåòðîâîãî ðåôëåêòîðà îòêðûë â ñïèðàëüíîé òóìàííîñòè ñîçâåçäèÿ Àíäðîìåäû íåñêîëüêî ïåðåìåí-
346
íûõ çâåçä (ò.å. ñ ìåíÿþùèìñÿ áëåñêîì) è öåôåèäó. Ïî ïåðèîäó êîëåáàíèé áëåñêà öåôåèäû îí îïðåäåëèë åå çâåçäíóþ âåëè÷èíó è ðàññòîÿíèå äî íåå — 900 òûñ. ñâ. ëåò. Òóìàííîñòü Ì31 íàõîäèòñÿ âíå íàøåé Ãàëàêòèêè. Ïîïðàâêà íà ïîãëîùåíèå èçëó÷åíèÿ ìåæçâåçäíûì ãàçîì óâåëè÷èëà ýòî ðàññòîÿíèå äî 2,2 ìëí ñâ. ëåò, ÷òî ïðåâûøàåò áîëåå ÷åì â 20 ðàç ðàçìåðû íàøåé Ãàëàêòèêè. Õàááë ïîäñ÷èòàë ÷èñëî ãàëàêòèê äî 20-é çâåçäíîé âåëè÷èíû íà 1283 ó÷àñòêàõ íåáà. Îí íàøåë, ÷òî íà îäèí êâàäðàòíûé ãðàäóñ íà íåáåñíîé ñôåðå ïðèõîäèòñÿ â ñðåäíåì 130 ãàëàêòèê. Íåáåñíàÿ ñôåðà ñîäåðæèò 41 253 êâàäðàòíûõ ãðàäóñà, ïîýòîìó îáùåå ÷èñëî ãàëàêòèê äî 20-é çâåçäíîé âåëè÷èíû ñîñòàâëÿåò 5,4 ìëí (çâåçäû äî 20-é âåëè÷èíû ìîæíî íàáëþäàòü â 2,5-ìåòðîâûé òåëåñêîï Õàááëà).
Ãàëàêòèêè ðàñïðåäåëåíû ïî÷òè ðàâíîìåðíî ïî âñåì íàïðàâëåíèÿì, õîòÿ îáðàçóþò ñêîïëåíèÿ è ãðóïïû. Òåñíûì ÿâëÿåòñÿ ñêîïëåíèå èç 40 òûñÿ÷ ãàëàêòèê â ñîçâåçäèè Âîëîñû Âåðîíèêè (Ñåâåðíîå ïîëóøàðèå), íàõîäÿùååñÿ íà ðàññòîÿíèè îêîëî 400 ìëí ñâ. ëåò è çàíèìàþùåå ïî÷òè 12°. Èíîãäà ãðóïïû ñòîëü òåñíûå, ÷òî ãàëàêòèêè êàê áû ïðîíèêàþò äðóã â äðóãà. Òàê, â íàøó Ãàëàêòèêó ÷àñòè÷íî çàõîäèò ãàëàêòèêà Ìàëîå Ìàãåëëàíîâî Îáëàêî. Ðàäèóñû áîëüøèõ ñêîïëåíèé (îêîëî òûñÿ÷è ãàëàêòèê) ñîñòàâëÿþò äî 1 — 4 Ìïê èëè äàæå 10 Ìïê. Òàêîå ñêîïëåíèå íàáëþäàåòñÿ â ñîçâåçäèè Äåâû, íàõîäÿùåìñÿ íà ðàññòîÿíèè 15 Ìïê îò íàñ — îíî è åñòü öåíòð Ìåñòíîãî ñâåðõñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê, êóäà âõîäèò è Ìåñòíàÿ ãðóïïà ãàëàêòèê. Ðàçìåðû òàêèõ ñêîïëåíèé ðàñòóò â ñâÿçè ñ îáùèì ðàñøèðåíèåì Âñåëåííîé.
Ëó÷åâûå ñêîðîñòè ãàëàêòèê ïåðâûì îïðåäåëèë Ñëàéôåð (1912), èñïîëüçóÿ ýôôåêò Äîïëåðà. Ê 1925 ã. îí èçìåðèë ñêîðîñòè 41 ãàëàêòèêè, èç íèõ 36 óäàëÿëèñü îò íàñ ñî ñêîðîñòÿìè äî 1000 êì/ñ, è ëèøü íåñêîëüêî ïðèáëèæàëèñü. Õàááë èçìåðèë ðàññòîÿíèÿ äî ãàëàêòèê ïî öåôåèäàì è ÿðêèì çâåçäàì è óñòàíîâèë (1929), ÷òî ñêîðîñòè «ðàçáåãàíèÿ» ãàëàêòèê ðàñòóò ïðîïîðöèîíàëüíî ðàññòîÿíèþ äî íèõ. Çàêîí Õàááëà: V= Hr, ãäå H— ïîñòîÿííàÿ, ïîëó÷èâøàÿ íàçâàíèå ïîñòîÿííîé Õàááëà (ñì. ðèñ. 3.8).
Ñíà÷àëà Õàááë ñ÷èòàë, ÷òî Í = 500 êì/(ñ • Ìïê).  íàñòîÿùåå âðåìÿ H ñ÷èòàþò îò 50 äî 100 êì/(ñ Ìïê). Ñ ïîìîùüþ êðàñíîãî ñìåùåíèÿ Õàááëà îöåíèâàëè ðàññòîÿíèå äî ãàëàêòèê è äî êðàÿ âèäèìîé Âñåëåííîé — Ìåòàãàëàêòèêè. Ïîñêîëüêó óâåëè÷åíèå êðàñíîãî ñìåùåíèÿ ñîïðîâîæäàåòñÿ óìåíüøåíèåì ÿðêîñòè ãàëàêòèêè, òî çàêëþ÷èëè, ÷òî çàêîí V= Hr äåéñòâèòåëüíî îòðàæàåò ðàñøèðåíèå Ìåòàãàëàêòèêè. Ïðè Í = 50 êìÄñ-Ìïê) è =0,3 ïîëó÷àåòñÿ = 19,6 ( ) ìëðä ñâ. ëåò.
Ñóùåñòâîâàíèå äèñêðåòíîãî èñòî÷íèêà ðàäèîèçëó÷åíèÿ â ñîçâåçäèè Ëåáåäÿ âïåðâûå äîêàçàëè â 1946 ã. Äæ.Õåé, Ñ.Ïàðñîíñ è Äæ.Ôèëëèïñ (Àíãëèÿ). Âïîñëåäñòâèè ðàäèîèñòî÷íèêè ñòàëè îáîçíà÷àòü ëàòèíñêèìè áóêâàìè ïîñëå íàçâàíèÿ ñîçâåçäèÿ ïî ìåðå óáûâàíèÿ èíòåíñèâíîñòè ïî àëôàâèòó. Ê 1950 ã. áûë ñîñòàâëåí êàòàëîã èç 50 ðàäèîèñòî÷íèêîâ, à ÷åðåç
347
5 ëåò — óæå èç 1936. Íåêîòîðûå îêàçàëèñü ëîæíûìè, íåêîòîðûå îòîæäåñòâëÿëèñü ñ äðóãèìè ãàëàêòèêàìè, ÷àñòü èç íèõ ïðèíàäëåæàëà íàøåé Ãàëàêòèêå (â ðÿäå ñëó÷àåâ ýòî áûëè îñòàòêè âñïûøåê Ñâåðõíîâûõ), õîòÿ ïåðâîíà÷àëüíî èñòî÷íèê Òåëåö À îòîæäåñòâëÿëè ñ Êðàáîâèäíîé òóìàííîñòüþ. Èçëó÷åíèå íåêîòîðûõ îêàçàëîñü òåïëîâûì, ïðè÷åì ñïèðàëüíûå è íåïðàâèëüíûå ãàëàêòèêè èìåëè ñëàáîå ðàäèîèçëó÷åíèå, ñâåòèìîñòü ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê â äåöèìåòðîâîì äèàïàçîíå ïðåâûøàëà åãî â ñîòíè ðàç.  100 ðàç ÿð÷å áûëè ýëëèïòè÷åñêèå ãàëàêòèêè ñ ïðîòÿæåííîé îáîëî÷êîé. Èñòî÷íèê Ëåáåäü À èìåë íåòåïëîâîé õàðàêòåð èçëó÷åíèÿ, ðàñïðåäåëåíèå åãî ïî ÷àñòîòàì îòëè÷àëîñü îò çàêîíà Ðýëåÿ—Äæèíñà. Ñðàâíåíèå îïòè÷åñêîãî (â 5-ìåòðîâûé òåëåñêîï ýòî áûëà ñëàáàÿ, êàê áû ñäâîåííàÿ, çâåçäî÷êà 18-é âåëè÷èíû) è ðàäèî÷àñòîòíîãî èçîáðàæåíèé ïîêàçàëî, ÷òî ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿ â ðàäèîäèàïàçîíå íå òîëüêî â ïîëòîðà ðàçà âûøå, íî è áîëüøå â ìèëëèîí ðàç, ÷åì ó îáû÷íîé ãàëàêòèêè. Ïðè ýòîì ìîùíîå ðàäèîèçëó÷åíèå èäåò îò îáëàñòåé, îòñòîÿùèõ îò ñàìîé ãàëàêòèêè íà 10 òûñ. ñâ. ëåò ïî îáå ñòîðîíû. Ñïåêòðû èçëó÷åíèÿ ñîäåðæàëè ñèëüíûå ýìèññèîííûå ëèíèè, êîòîðûå ìîãëè îáðàçîâàòüñÿ â ðåçóëüòàòå ñòîëêíîâåíèÿ îáëàêîâ ãàçà, è â ñâÿçè ñ ýòèì ðåøèëè, ÷òî èìåëî ìåñòî âåñüìà ðåäêîå ÿâëåíèå — ñòîëêíîâåíèå äâóõ ãàëàêòèê.
Ìåõàíèçì íåòåïëîâîãî ðàäèîèçëó÷åíèÿ — ñèíõðîòðîííûé, åãî âûçûâàþò ýëåêòðîíû âûñîêèõ ýíåðãèé, âõîäÿùèå â ñîñòàâ êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé, êîòîðûå ïðè äâèæåíèè â ñèëüíûõ ìàãíèòíûõ ïîëÿõ ãåíåðèðóþò ðàäèîâîëíû ðàçíûõ ÷àñòîò. Ýòî èçëó÷åíèå ñèëüíî ïîëÿðèçîâàíî. Çíà÷èò, îíî ïîðîæäåíî òîðìîçíûì èçëó÷åíèåì è åñòü âûäåëåííîå íàïðàâëåíèå â ðàñïðåäåëåíèè ìàãíèòíûõ ïîëåé. Ïî èçìåðåííîé èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ íàõîäÿò ïëîòíîñòè ýíåðãèè çàðÿæåííûõ ÷àñòèö è íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíûõ ïîëåé. Òàê, âûÿñíèëè, ÷òî ïðîòÿæåííûå êîìïîíåíòû ðàäèîèçëó÷åíèÿ — ýòî íàìàãíè÷åííûå îáëàêà ðàçðåæåííîãî ãàçà, íàñûùåííûå êîñìè÷åñêèìè ëó÷àìè.
Ðàçâèòèå òåõíèêè ðàäèîèíòåðôåðîìåòðèè ïîâûñèëî ðàçðåøàþùóþ ñïîñîáíîñòü ðàäèîòåëåñêîïîâ è ïîçâîëèëî âûÿñíèòü, ÷òî äâîéíàÿ ñòðóêòóðà èñòî÷íèêîâ — òèïè÷íîå ÿâëåíèå. Èç 500 ðàäèîãàëàêòèê 75 % — äâîéíûå, à îñòàëüíûå ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ìàëóþ ÿðêóþ îáëàñòü, îêðóæåííóþ îáîëî÷êîé. Áëèæàéøàÿ ðàäèîãàëàêòèêà NGC 5128 íàõîäèòñÿ â ñîçâåçäèè Öåíòàâðà è óäàëåíà îò íàñ âñåãî íà 5 Ìïê. Íà ôîòîãðàôèÿõ âèäíà øèðîêàÿ òåìíàÿ ïîëîñà ïîãëîùàþùåé ñâåò ïûëåâîé ìàòåðèè. Ýòîò èñòî÷íèê, êàê è èñòî÷íèê Ëåáåäü À, ñîñòîèò èç äâóõ êîìïîíåíò, ðàñïîëîæåííûõ çà ïðåäåëàìè îïòè÷åñêîé îáëàñòè.  ñàìîì öåíòðå âûäåëÿåòñÿ ìîùíûé ïî÷òè òî÷å÷íûé èñòî÷íèê ðàäèîèçëó÷åíèÿ. Ïîäîáíûå ñèòóàöèè ñòàëè íàáëþäàòü ïðè ñðàâíåíèè êàðòèí íåáà â ðàçíûõ äèàïàçîíàõ äëèí âîëí. Òàêîâà ãàëàêòèêà Ì 82 â ñîçâåçäèè Áîëüøîé Ìåäâåäèöû. Îêîëî 3 ìëí ëåò íàçàä èç íåå áûëî âûáðîøåíî âåùåñòâî îáúåìîì â 6 ìëí ñîëíå÷íûõ ìàññ, è ÷àñòü åãî ïîëó÷èëà ñêîðîñòè, áëèçêèå ê ñâåòîâûì, ò.å. ïðîèçîøåë âçðûâ ñ âûáðîñîì ýíåðãèè â 1065 Äæ, ýêâèâàëåíòíûé îäíîâðåìåííîé âñïûøêå 10 ìëí Ñâåðõíîâûõ. Äëÿ âçðûâà îáúåêòà Ëåáåäü À âûáðîñ ýíåðãèè îöåíèâàåòñÿ â 10 òûñÿ÷ ðàç áîëüøå. Òàêèå îãðîìíûå çíà÷åíèÿ ýíåðãèè, ïðåâûøàþùèå â íåñêîëüêî ðàç ãðàâèòàöèîííóþ ýíåð-
348
ãèþ ñâÿçè âñåõ çâåçä â ðàäèîãàëàêòèêå, èìåþò ñâîèì èñòî÷íèêîì îáëàñòü ãàëàêòè÷åñêîãî ÿäðà, ãäå ãåíåðèðóþòñÿ ðåëÿòèâèñòñêèå ýëåêòðîíû.
Àêòèâíûå ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè ñ ðàçâèòûìè ÿäðàìè îòêðûòû àìåðèêàíñêèì àñòðîíîìîì Ê. Ñåéôåðòîì (1943). Îí îïèñàë 12 òàêèõ ãàëàêòèê (ãàëàêòèêè Ñåéôåðòà). Äèàìåòðû ÿäåð îêîëî 10 ïê, à ïî÷òè 1/3 çàíèìàþò èçëó÷àþùèå îáëàñòè.  èõ ñïåêòðàõ ìíîãî ýìèññèîííûõ ëèíèé âîäîðîäà, ãåëèÿ è òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ, à â ñïåêòðàõ îáû÷íûõ ãàëàêòèê áîëüøå ëèíèé ïîãëîùåíèÿ. Èçâåñòíî îêîëî ñòà òàêèõ îáúåêòîâ; ìîùíîñòü èõ ìåíÿåòñÿ ñî âðåìåíåì, ò.å. òàì ïðîèñõîäÿò êàêèå-òî ãðàíäèîçíûå ïðîöåññû.  1963 ã. ñîâåòñêèé àñòðîíîì Á. Å. Ìàðêàðÿí âüùåëèë 600 ãàëàêòèê ñ ïîâûøåííîé äîëåé èçëó÷åíèÿ â óëüòðàôèîëåòîâîé îáëàñòè (ãàëàêòèêè Ìàðêàðÿíà).  íèõ ìíîãî çâåçä — ãîðÿ÷èõ ãèãàíòîâ. ßäðà ýòèõ ãàëàêòèê, êàê è ãàëàêòèê Ñåéôåðòà, î÷åíü àêòèâíû.
Àìáàðöóìÿí ñâÿçûâàë èõ àêòèâíîñòü ñî âçðûâàìè â èõ ÿäðàõ. Ïî åãî òåîðèè (1955), ÿäðà àêòèâíûõ ãàëàêòèê ìîãóò ñîäåðæàòü òàêæå ìàññû äîçâåçäíîãî âåùåñòâà ñ íåèçâåñòíûìè ïîêà ñâîéñòâàìè è èñòî÷íèêàìè ýíåðãèè. È. Ñ. Øêëîâñêèé ñ÷èòàë, ÷òî ÿäðà ãàëàêòèê — åäèíûå ñèëüíî íàìàãíè÷åííûå âðàùàþùèåñÿ ïëàçìåííûå òåëà. Ñëîè ýòèõ òåë âðàùàþòñÿ ñ ðàçíûìè ñêîðîñòÿìè, è ìàãíèòíàÿ ýíåðãèÿ ïåðèîäè÷åñêè ñêà÷êîîáðàçíî ïðåâðàùàåòñÿ â ýíåðãèþ óñêîðåííûõ çàðÿæåííûõ ÷àñòèö, âñëåäñòâèå ÷åãî è ïðîèñõîäèò âûáðàñûâàíèå ñòðóé â íàïðàâëåíèè âðàùåíèÿ. Ñàì îí ïèøåò òàê: «Âîçìîæíî, ÷òî â öåíòðàëüíûõ îáëàñòÿõ ãàëàêòèê ðåàëèçóåòñÿ êàêàÿ-òî ãèãàíòñêàÿ, öèêëè÷åñêè ðàáîòàþùàÿ ìàøèíà. Ïîñëå âçðûâà ïëàçìåííîãî òåëà òóäà ïîñòåïåííî íàòåêàåò ãàç èç îêðóæàþùåé ñðåäû, ÷òî ïðèâîäèò ê îáðàçîâàíèþ íîâîãî ïëàçìåííîãî òåëà. Âñå æå ìíîãîå, ìîæåò áûòü, ñàìîå âàæíîå, îñòàåòñÿ çàãàäî÷íûì è íåïîíÿòíûì». Ñòàëî ïðèâû÷íûì îòîæäåñòâëÿòü ðàäèîèñòî÷íèêè ëèáî ñ òóìàííîñòÿìè, ëèáî ñ ãàëàêòèêàìè. Ïî îöåíêàì, îæèäàëè íåçíà÷èòåëüíûå ïîòîêè ðàäèîèçëó÷åíèÿ îò ñàìûõ áëèçêèõ çâåçä, íî èñòî÷íèêè äàâàëè íàìíîãî áîëüøèå ïîòîêè.
 1963 ã. ãîëëàíäñêèé àñòðîôèçèê Ì.Øìèäò èññëåäîâàë ñïåêòð äîñòàòî÷íî ÿðêîé çâåçäû 13-é âåëè÷èíû, îòîæäåñòâëåííîé ñ ðàäèîèñòî÷íèêîì ÇÑ 273. Ëèíèè âîäîðîäà áûëè ñìåùåíû íà îãðîìíóþ âåëè÷èíó, ñîîòâåòñòâóþùóþ ñêîðîñòè 42 000 êì/ñ, à ïî çàêîíó Õàááëà ðàññòîÿíèå äî èñòî÷íèêà äîëæíî áûòü îêîëî 600 Ìïê, èëè 2 ìëðä ñâ. ëåò. Äâå äðóãèå ëèíèè ñîâïàäàëè ñ ëèíèÿìè äâàæäû èîíèçîâàííîãî êèñëîðîäà è èîíèçîâàííîãî ìàãíèÿ. Çàòåì íàøëè èñòî÷íèê ñ êðàñíûì ñìåùåíèåì ëèíèé, ò.å. îí óäàëÿëñÿ îò íàñ. Åñëè ýòî ñìåùåíèå ñâÿçàíî ñ ýôôåêòîì Äîïëåðà, òî ïåðâûé èñòî÷íèê ÇÑ 273 ïðèáëèæàëñÿ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà, ðàâíîé 48 000 êì/ñ, à âòîðîé — óäàëÿëñÿ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà 0,8 ñ = 240000 êì/ñ. Ïðè ýòîì îáíàðóæèëè, ÷òî ðÿäîì íàõîäèòñÿ î÷åíü ìíîãî îáúåêòîâ, êîòîðûå äâèæóòñÿ âìåñòå, ò. å. ýòî äàëåêèå ãàëàêòèêè. Òîãäà îòêóäà
349
òàêàÿ ÿðêîñòü? Àñòðîíîìû À.Ñ.Øàðîâ è Þ.Í.Åôðåìîâ èçó÷èëè ñòàðûå ôîòîãðàôèè ýòîãî îáúåêòà è îêàçàëîñü, ÷òî îáúåêò ñèëüíî èçìåíèë ñâîé áëåñê. Âûõîäèëî, ÷òî ãàëàêòèêà, ñîñòîÿùàÿ èç òðèëëèîíîâ çâåçä, îðãàíèçóåò çâåçäû, ÷òîáû îíè ñèíõðîííî ìåíÿëè ñâîé áëåñê?! Çíà÷èò, èçëó÷àëè íå çâåçäû, à íå÷òî èíîå, ìîùíîñòü êîòîðîãî ñîîòâåòñòâîâàëà ìîùíîñòè ÿäåð ñåéôåðòîâñêèõ ãàëàêòèê. Çíàÿ ðàññòîÿíèå äî íèõ è âèäèìóþ çâåçäíóþ âåëè÷èíó, ìîæíî ïîäñ÷èòàòü ñâåòèìîñòü — îíà ôàíòàñòè÷åñêè áîëüøàÿ: 1053 Äæ/ñ. Ýòè êîñìè÷åñêèå îáúåêòû íîâîãî òèïà ïîëó÷èëè íàçâàíèå êâàçèçâåçä, èëè êâàçàðîâ.
Êâàçàðîâ ñåé÷àñ èçâåñòíî óæå îêîëî òûñÿ÷è. Âíåøíå ïîõîæèå íà çâåçäó, îíè èçëó÷àëè â ñîòíè ðàç áîëüøå ýíåðãèè, ÷åì íàøà Ãàëàêòèêà ñ åå ïî÷òè 200 ìëðä çâåçä. Êâàçàðû çàíåñåíû â êàòàëîãè, èìååòñÿ ñòàòèñòèêà èõ ñâîéñòâ. Ïîõîæå, ÷òî â ðàííþþ ýïîõó Âñåëåííîé êâàçàðîâ áûëî áîëüøå. Ïî÷òè âñå îíè èçëó÷àþò è â ðåíòãåíîâñêîì äèàïàçîíå, è òîæå ïåðåìåííî. Ïåðåìåííîñòü ïîòîêîâ ìîùíîãî èçëó÷åíèÿ ñâèäåòåëüñòâóåò î òîì, ÷òî êâàçàðû äîëæíû áûòü íåâåëèêè — îêîëî 1013 ì. Îíè ðàñïðåäåëåíû ïî÷òè ðàâíîìåðíî ïî íàïðàâëåíèÿì, íî íàõîäÿòñÿ íà ðàçíûõ ðàññòîÿíèÿõ. Ñâåò îò áëèæàéøåãî ê íàì êâàçàðà èäåò 1 ìëðä ëåò, à îò ñàìîãî óäàëåííîãî — 12 ìëðä ëåò, çíà÷èò, ìû âèäèì èõ òàêèìè, êàêèìè îíè áûëè îò 1 äî 12 ìëðä ëåò íàçàä, òåì ñàìûì ïðîñëåæèâàÿ âðåìÿ îáðàçîâàíèÿ ýòèõ íåîáû÷íûõ îáúåêòîâ äî îáðàçîâàíèÿ Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû.
Ñïåêòð êâàçàðîâ ïî ðàñïðåäåëåíèþ ýíåðãèè ñîîòâåòñòâóåò ñèíõðî-òðîííîìó èçëó÷åíèþ: ìíîãî èçëó÷àþò â óëüòðàôèîëåòå è ìîùíîå èíôðàêðàñíîå èçëó÷åíèå â øèðîêîé ïîëîñå îêîëî 70 ìêì. Èçëó÷åíèå â ðåíòãåíîâñêîì äèàïàçîíå âåëèêî: äëÿ êâàçàðà ÇÑ 273, íàïðèìåð, îíî ïî ìîùíîñòè â 50 ðàç áîëüøå â ðàäèîäèàïàçîíå è âäâîå ïðåâûøàåò îïòè÷åñêîå. Çà âðåìÿ æèçíè (ïîðÿäêà 106—107 ëåò) êâàçàð èçëó÷àåò îêîëî 1067 Äæ. Äëÿ îáîñíîâàíèÿ èñòî÷íèêà òàêîé îãðîìíîé ýíåðãèè ïðåäëîæåíî ìíîãî âàðèàíòîâ, íî ïîêà íè îäèí íå ìîæåò áûòü ïðèíÿò. Åñëè ýòî àííèãèëÿöèÿ, òî èç ñâÿçè ýíåðãèè ñ ìàññîé òàêàÿ ýíåðãèÿ ýêâèâàëåíòíà ïîòåðå 5 ìëí ñîëíå÷íûõ ìàññ (Ë/ñ), íî èçâåñòíî, ÷òî ñîñòîÿíèå çâåçä ñ ìàññîé 100 ÌCíåóñòîé÷èâî (ïðèòÿæåíèå âåðõíèõ ñëîåâ íå óðàâíîâåøèâàåòñÿ ðîñòîì äàâëåíèÿ ñ ãëóáèíîé). Òåðìîÿäåðíûé èñòî÷íèê â 140 ðàç ìåíåå ýôôåêòèâåí àííèãèëÿöèîííîãî. Ìîæåò, ðàâíîâåñèå ïîääåðæèâàåòñÿ áûñòðûì âðàùåíèåì ìàññèâíîé çâåçäû âîêðóã îñè, ìàãíèòíûìè ïîëÿìè è âèõðåâûìè äâèæåíèÿìè â îáîëî÷êå.  êâàçàðàõ ïî÷òè íåò ëåãêèõ ýëåìåíòîâ. Ñ÷èòàþò, ÷òî îíè ïðîèçîøëè îò îãðîìíîãî âçðûâà â ïðîøëîì. Åñëè ýòî — îáðàçîâàíèå òèïà «ñâåðõçâåçäû», òî ðàâíîâåñèå â íèõ ïîääåðæèâàåòñÿ áûñòðûì âðàùåíèåì âîêðóã îñè, ìàãíèòíûìè ïîëÿìè è âèõðåâûìè äâèæåíèÿìè â îáîëî÷êå. Ìîæåò áûòü, êâàçàðû ïîõîæè è íà N-ãàëàêòèêè ñ ìåíüøåé ñâåòèìîñòüþ.
«Ïåðâè÷íûì èñòî÷íèêîì ýíåðãèè êâàçàðîâ è àêòèâíûõ ÿäåð ãàëàêòèê äîëæíà áûòü ýíåðãèÿ ãðàâèòàöèîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ öåíòðàëüíîãî, êîìïàêòíîãî òåëà è ïàäàþùåé íà íåãî ïëàçìû», — ñ÷èòàë Øêëîâñêèé. Íà ñíèìêàõ âèäíû âûáðîñû ñãóñòêîâ ãîðÿ÷åé
350
ïëàçìû, äâèæóùèåñÿ ñ îãðîìíîé ñêîðîñòüþ (0,27 ñ, êàê ó îáúåêòà SS 433) â ïðîòèâîïîëîæíûõ íàïðàâëåíèÿõ îò óïëîùåííîãî ãàçîâîãî äèñêà, êîòîðûé îáðàçóåòñÿ âîêðóã êîìïàêòíîãî îáúåêòà, âîçìîæíî, íåéòðîííîé çâåçäû.
Ïîñëå îòêðûòèÿ êâàçàðîâ, ñâÿçàííîãî ñ îòîæäåñòâëåíèåì ñïåêòðîâ ñëàáûõ èñòî÷íèêîâ â ðàçíûõ äèàïàçîíàõ, òàêèå èññëåäîâàíèÿ ïðîäîëæàëèñü. Àñòðîôèçèê À. Ñåíäèäæ çàèíòåðåñîâàëñÿ ãîëóáûìè çâåçäàìè, èçëó÷àþùèìè â óëüòðàôèîëåòå, íî íå çàðåãèñòðèðîâàííûìè â ðàäèîäèàïàçîíå. Ýòè îáúåêòû óäàëÿëèñü îò íàñ ñ áîëüøèìè ñêîðîñòÿìè. Èõ ñíà÷àëà íàçâàëè «êîíòðàáàíäèñòàìè», à çàòåì êâàçàãàìè.
×åðíûå äûðû äîëæíû áûòü â ÿäðàõ ãèãàíòñêèõ ýëëèïòè÷åñêèõ ãàëàêòèê, îíè ïîÿâèëèñü â öåíòðå ãàëàêòèê â ïðîöåññå ýâîëþöèè. Òàê ñ÷èòàþò ìíîãèå èññëåäîâàòåëè âñëåä çà Çåëüäîâè÷åì è Íîâèêîâûì. ×åðíûå äûðû ìîãóò âîçíèêàòü ðàçíûìè ñïîñîáàìè, è èõ «ïèòàíèå» îñóùåñòâëÿåòñÿ çà ñ÷åò ïàäåíèÿ âåùåñòâà — àêêðåöèè (îò ëàò. accretio — ïðèðàùåíèå). Òàê ñîâðåìåííàÿ âñåâîëíîâàÿ (îò ðàäèî- äî ãàììà-äèàïàçîíà äëèí âîëí) àñòðîíîìèÿ íà÷èíàåò ïîäñòóïàòü ê èçó÷åíèþ èñòî÷íèêîâ ýíåðãèè Âñåëåííîé, íî íåñòàöèîíàðíîñòü ìèðà ãàëàêòèê òâåðäî óñòàíîâëåíà.  2000 ã. áûëî ñîîáùåíî îá îòêðûòèè òðåõ ãèãàíòñêèõ ÷åðíûõ äûð (â 50—100 ðàç ìàññèâíåå Ñîëíöà) â ñîçâåçäèÿõ Îâåí è Äåâà. Îäíà ðàñïîëîæåíà íà ðàññòîÿíèè â 25 ìëí ñâ. ëåò, à äâå äðóãèå óäàëåíû ïðèìåðíî íà 100 ìëí ñâ. ëåò. Äî ýòîãî áûëè èçâåñòíû âñåãî 20 ÷åðíûõ äûð, êîòîðûå ìàññèâíåå Ñîëíöà â íåñêîëüêî ðàç. Ñàìó ÷åðíóþ äûðó íåëüçÿ âèäåòü, íî áûë ïîëó÷åí ñíèìîê «äåéñòâèÿ» ÷åðíîé äûðû â ãàëàêòèêå Êåíòàâð À — îíà çàãëàòûâàëà øëåéô ãîðÿ÷åãî ãàçà.
9.6. Ñöåíàðèé ñòàöèîíàðíîé Âñåëåííîé è «Êîñìîëîãèÿ Áîëüøîãî Âçðûâà»
Êîñìîëîãèÿ — íàóêà î ñòðîåíèè è ýâîëþöèè Âñåëåííîé. Îíà èçó÷àåò ñâîéñòâà âñåé äîñòóïíîé äëÿ íàáëþäåíèé Âñåëåííîé êàê åäèíîãî öåëîãî. Îáùèå ïðåäñòàâëåíèÿ î åå ñòðîåíèè ñëîæèëèñü â àñòðîíîìèè, íî çàäà÷è êîñìîëîãèè ìîæíî áûëî ðåøàòü ëèøü â XX â. Ñîçäàíèå êðóïíûõ òåëåñêîïîâ, ðàçâèòèå ôîòîãðàôè÷åñêîé è âñåâîëíîâîé àñòðîíîìèè, ñïåêòðîñêîïèè è äðóãèõ ìåòîäîâ èññëåäîâàíèÿ ïîçâîëèëè èçó÷èòü ðàñïðåäåëåíèå ãàëàêòèê â ïðîñòðàíñòâå, èõ äâèæåíèÿ íà îãðîìíûõ ðàññòîÿíèÿõ (äî 10 ìëðä ñâ. ëåò). Ìû òåïåðü çíàåì, ÷òî îêðóæåíû îãðîìíûì è óäèâèòåëüíûì ìèðîì ãàëàêòèê è êâàçàðîâ. Ïîíÿòü ýòî áûëî áû íåâîçìîæíî áåç îáùåé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè (ÎÒÎ) — ìàòåìàòè÷åñêîé áàçû ñîâðåìåííîé êîñìîëîãèè.
Ýéíøòåéí îáîáùèë çàêîí òÿãîòåíèÿ Íüþòîíà íà ñëó÷àé ñèëüíûõ ãðàâèòàöèîííûõ ïîëåé. Èçìåíèëèñü ïðåäñòàâëåíèÿ î ïðîñòðàí-
351
ñòâå è âðåìåíè — îíè óæå íå áûëè ñöåíîé äëÿ ðàçâèòèÿ äðàìû èñòîðèè Âñåëåííîé, à ó÷àñòâîâàëè â ñàìîì ïðîöåññå, è ìàòåðèÿ ìåíÿëà ñâîéñòâà ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè. Òÿãîòåþùèå ìàññû èñêðèâëÿþò âîêðóã ñåáÿ ïðîñòðàíñòâî-âðåìÿ, à îíî âîçäåéñòâóåò íà ìàòåðèþ. Ýéíøòåéí, îáúåäèíèâ ãðàâèòàöèþ è ãåîìåòðèþ Ðèìà-íà, ïîëó÷èë èç ñðåäíåé ïëîòíîñòè ìàññû âî Âñåëåííîé «àáñîëþòíûå ðàçìåðû Âñåëåííîé». Ìíîãèå ñîìíåâàþòñÿ â äîñòàòî÷íîñòè ÎÒÎ äëÿ ïîíèìàíèÿ ÿâëåíèé Ìåãàìèðà — âåäü åãî ìàñøòàáû ïðåâûøàþò ëàáîðàòîðíûå óñëîâèÿ íà Çåìëå â 1026 ðàç! Íî èçó÷åíèå áëèæàéøèõ ê íàì ãàëàêòèê ïîêàçàëî, ÷òî îíè ñîñòîÿò èç òåõ æå îáúåêòîâ — çâåçä, çâåçäíûõ ñêîïëåíèé, òóìàííîñòåé. Íàóêà íå ìîæåò îáîéòèñü áåç ïîñòðîåíèÿ ðàáî÷èõ ìîäåëåé, íåçàâèñèìî îò èçó÷àåìîãî îáúåêòà. Ìîäåëè óòî÷íÿþòñÿ, ÷àñòè÷íî çàìåíÿþòñÿ èëè îòáðàñûâàþòñÿ. Ìîæíî ïîñòðîèòü öåïî÷êó îáúåêòîâ Ìåãàìèðà: âèäèìàÿ Âñåëåííàÿ—ãàëàêòèêà—Ãàëàêòèêà—çâåçäà—ïëàíåòà. Îáùèå çàêîíîìåðíîñòè ðàçâèòèÿ Âñåëåííîé ñòðîÿòñÿ ïóòåì ñîçäàíèÿ ìîäåëåé.
Ìîäåëü ïóñòîé Âñåëåííîé (1917), â êîòîðîé äâà îáúåêòà ðàñïîëîæåíû íà ñòîëü áîëüøîì ðàññòîÿíèè, ÷òî ìîæíî ïðåíåáðå÷ü ñèëàìè ïðèòÿæåíèÿ ìåæäó íèìè, ðàññìîòðåë íèäåðëàíäñêèé àñòðîíîì Áèëëåì äå Ñèòòåð. Ñòàöèîíàðíîñòü ìèðà òðåáîâàëà, ÷òîáû ãàëàêòèêè óäàëÿëèñü äðóã îò äðóãà ñ óñêîðåíèåì. Ôàêòè÷åñêè â åãî ðåøåíèè ñîäåðæàëîñü ïðåäñêàçàíèå ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé, íî äî îòêðûòèÿ Õàááëà ýòî ïðåäñòàâëÿëîñü íåêèì êàçóñîì. Âåëè÷èíà, îáðàòíàÿ ïîñòîÿííîé Õàááëà Í, èìååò ðàçìåðíîñòü âðåìåíè. Îòñþäà çàêëþ÷àþò, ÷òî çà ýòî âðåìÿ âåùåñòâî ãàëàêòèê «ðàçëåòåëîñü» èç òî÷êè íàáëþäåíèÿ. Çíà÷èò, ýòî âðåìÿ ïðîøëî ñ òîãî ìîìåíòà, êîãäà îíî áûëî ñêîíöåíòðèðîâàíî â òî÷êå. Íàáëþäàåìûå ñêîðîñòè ðàçëåòà äîñòèãàþò 104 êì/ñ, ïîýòîìó â ìîìåíò «íà÷àëà» äîëæåí áûë ïðîèçîéòè âçðûâ, ïîðîäèâøèé Âñåëåííóþ. Ïîêà ñ÷èòàëè Í= 500 êì/(ñ • Ìïê), ýòî âðåìÿ íå ïðåâûøàëî 2 ìëðä ëåò (ìåíüøå âîçðàñòà Çåìëè). Ýòî ïîðîäèëî ðàçíûå ãèïîòåçû: ðàñøèðåíèå Âñåëåííîé, èçìåíåíèå ñêîðîñòè ñâåòà, èëè «ñòàðåíèå» ôîòîíà íà îãðîìíûõ ðàññòîÿíèÿõ. Åñëè çíà÷åíèå H íå î÷åíü íàäåæíî, òî ëèíåéíàÿ çàâèñèìîñòü â çàêîíå Õàááëà ñ÷èòàåòñÿ òâåðäî óñòàíîâëåííûì ôàêòîì.
Âçÿâ Í = 75 êì/(ñ • Ìïê) è ñ÷èòàÿ, ÷òî «ñåãîäíÿøíåå» âðåìÿ æèçíè Âñåëåííîé t0ïðèáëèçèòåëüíî ðàâíî Ro/V0, ïîäñòàâèì V0= H0R0èç çàêîíà Õàááëà è ïîëó÷èì t0= 13 ìëðä ëåò. Ó÷èòûâàÿ ïðèáëèæåííîñòü òàêîé îöåíêè, ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî âåëè÷èíà ýòîãî âðåìåíè, êîòîðîå íàçûâàþò âîçðàñòîì Âñåëåííîé, êîëåáëåòñÿ îò 10 äî 20 ìëðä ëåò.
Ôðèäìàí äåòàëüíî èññëåäîâàë óðàâíåíèÿ ÎÒÎ è ïîêàçàë, ÷òî òåîðèÿ äîïóñêàåò â êà÷åñòâå ìîäåëåé è ðàçâèâàþùèåñÿ ñèñòåìû — êîëëàïñèðóþùèå. Ñòàáèëüíàÿ Âñåëåííàÿ Ýéíøòåéíà ÿâëÿåòñÿ íåñòàáèëüíîé ïðè ìàëåéøåì âîçìóùåíèè. Ôðèäìàí âûäåëèë òðè
352
âîçìîæíîñòè, ñîîòâåòñòâóþùèå òðåì ìîäåëÿì Âñåëåííîé: 1) ê = 0; ðàñøèðÿþùååñÿ åâêëèäîâî ïðîñòðàíñòâî; 2) ê 0; ïóëüñèðóþùàÿ ìîäåëü, ïðîñòðàíñòâî íååâêëèäîâî (ñôåðè÷åñêèé ìèð); 3) ê 0; ìîíîòîííî ðàñøèðÿþùååñÿ íååâêëèäîâî ïðîñòðàíñòâî (ãèïåðáîëè÷åñêèé ìèð).
 ïåðâîì ñëó÷àå ïðè Ë = 0 óðàâíåíèå, îïèñûâàþùåå èçìåíåíèÿ ìàñøòàáíîãî ôàêòîðà, ñî âðåìåíåì èìååò òî÷íîå ðåøåíèå (ìîäåëü Ýéíøòåéíà—äå Ñèòòåðà). Íà÷àâøååñÿ ðàñøèðåíèå ïðîäîëæàåòñÿ íåîãðàíè÷åííî, è , à âîçðàñò Âñåëåííîé ðàâåí . Ïàðàìåòð óñêîðåíèÿ íå
ìåíÿåòñÿ è ïîëîæèòåëåí, ïîòîìó ÷òî ìàñøòàáíûé ôàêòîð ðàñòåò ñî âðåìåíåì: .  ýòîé ñòàöèîíàðíîé Âñåëåííîé (ìîäåëü Ô.Õîéëà) ïëîòíîñòü, íåñìîòðÿ íà ðàñøèðåíèå, ïîääåðæèâàåòñÿ ïîñòîÿííîé çà ñ÷åò íåïðåðûâíîãî «òâîðåíèÿ» âåùåñòâà èç îñîáîãî «ýíåðãåòè÷åñêîãî ïîëÿ».
Âî âòîðîì ñëó÷àå ïðè , ò. å. ïðè íàëè÷èè äîïîëíèòåëüíîé ñèëû
ïðèòÿæåíèÿ, êðîìå íüþòîíîâà òÿãîòåíèÿ, è îòêðûòîì èñêðèâëåííîì ïðîñòðàíñòâå â ïóëüñèðóþùåé Âñåëåííîé, â íåêîòîðûé ìîìåíò ìàñøòàáíûé ôàêòîð ñòàíîâèòñÿ ðàâíûì íóëþ, è ñ îí íà÷íåò âîçðàñòàòü, äîñòèãíåò ìàêñèìóìà è ñíîâà óìåíüøèòñÿ äî íóëÿ. Åñëè âûáðàíà çàêðûòàÿ ìîäåëü ïðîñòðàíñòâà è Ë-÷ëåí ðàâåí íåêîòîðîé êðèòè÷åñêîé âåëè÷èíå, îïðåäåëÿåìîé ïëîòíîñòüþ âåùåñòâà âî Âñåëåííîé, òî ìàñøòàáíûé ôàêòîð ðàñòåò îò íóëÿ äî îïðåäåëåííîãî ìàêñèìóìà, äîñòèãàåìîãî â äàëåêîì áóäóùåì. Åñëè êîñìîëîãè÷åñêàÿ ïîñòîÿííàÿ ñòàíîâèòñÿ áîëüøå ýòîãî êðèòè÷åñêîãî çíà÷åíèÿ, òî ìàñøòàáíûé ôàêòîð ðàñòåò, õîòÿ è ìåäëåííî, íî íåîãðàíè÷åííî.  çàìêíóòîé Âñåëåííîé è ïðè ðàâåíñòâå êîñìîëîãè÷åñêîãî ÷ëåíà ñâîåìó êðèòè÷åñêîìó çíà÷åíèþ âîçìîæíû äâà ðåøåíèÿ: ñòàöèîíàðíûé ìèð Ýéíøòåéíà R(t) = const è ìîäåëü Ýääèíãòîíà—Ëåìåòðà, â êîòîðîé R(t) = R1â áåñêîíå÷íî óäàëåííîì ïðîøëîì è íåîãðàíè÷åííî ðàñòåò â áóäóùåì.
Âûáîð ìîäåëè Âñåëåííîé îïðåäåëÿåòñÿ ñðåäíåé ïëîòíîñòüþ âåùåñòâà âî Âñåëåííîé. Åñëè îíà áîëüøå êðèòè÷åñêîé, òî k 0 è ìèð çàìêíóò. Äëÿ Í= 50 êì/(ñ • Ìïê) êðèòè÷åñêîå çíà÷åíèå ïëîòíîñòè äîñòèãàåò 5 • 10-27 êã/ì3. Ýòî íåñêîëüêî áîëüøå ñðåäíåé ïëîòíîñòè, ðàçìàçàííîé ïî âñåìó íàáëþäàåìîìó îáúåìó (â ïðåäåëàõ îäíîãî-äâóõ ïîðÿäêîâ âåëè÷èíû). Íî ìîùíûé ôîí ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ ñâèäåòåëüñòâóåò î òîì, ÷òî ìåæãàëàêòè÷åñêîå ïðîñòðàíñòâî ìîæåò áûòü çàïîëíåíî âîäîðîäîì òåìïåðàòóðîé îêîëî 1 ìëí Ê. Âîçìîæíî, ñóùåñòâóþò è åùå êàêèå-òî ìàññû âî Âñåëåííîé, ïîêà íå îáíàðóæåííûå.
Ìàññû çâåçäíûõ ñêîïëåíèé îêàçàëèñü ïî îöåíêàì íåñêîëüêî áîëüøå ìàññ, íàáëþäàåìûõ â ñêîïëåíèÿõ îáúåêòîâ, â ñâÿçè ñ ÷åì âîçíèêëà ïðîáëåìà ñêðûòîé ìàññû. Ïî îïûòíûì äàííûì íà êàæäûé ïðîòîí ïðèõîäèòñÿ ïðèìåðíî 1 ìëðä íåéòðèíî, îáëàäàþùèõ ìàññîé ïîêîÿ 5 • 10-35 êã. È ýòî îáèëèå íåéòðèíî âî Âñåëåííîé òîæå ïðèáëèæàåò çíà÷åíèå ñðåäíåé ïëîòíîñòè ê êðèòè÷åñêîìó çíà÷åíèþ. Ïîýòîìó îñöèëëèðóþùàÿ ìîäåëü ìîæåò ñòàòü áîëåå âåðîÿòíîé, õîòÿ îíà íå ñâîäèòñÿ ê ïðîñòîìó ïîâòîðåíèþ öèêëîâ «ðàñøèðåíèå— ñæàòèå», êàê óêàçûâàþò Çåëüäîâè÷ è Íîâèêîâ.
353
Áåëüãèéñêèé àááàò Æ.Ëåìåòð ñâÿçàë ðåëÿòèâèñòñêèå ìîäåëè ñ äàííûìè íàáëþäåíèé: åñëè ðàçáåãàíèå ãàëàêòèê ñîîòâåòñòâóåò ðàñøèðåíèþ ïðîñòðàíñòâà, òî ïðè ïðîåêòèðîâàíèè íà ïðîøëîå íóæíî ïðåäñòàâèòü óìåíüøåíèå îáúåìà è óâåëè÷åíèå ïëîòíîñòè. Ýòè ðàññóæäåíèÿ ñâÿçàëè ñ àêòîì òâîðåíèÿ ìèðà. Ïåðâîíà÷àëüíàÿ ïëîòíîñòü âåùåñòâà (ïðîòîàòîì) äîñòèãàëà 1096 êã/ì3, è ýòî çíà÷åíèå ïëîòíîñòè îïðåäåëèëî ãðàíèöû ïðèìåíèìîñòè ïîíÿòèé ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè. Ïîýòîìó íå èìååò ñìûñëà ãîâîðèòü íè î òîì, ñêîëüêî äëèëàñü ýòà ñèíãóëÿðíîñòü, íè î òîì, ÷òî áûëî äî íåå.
Ðàñ÷åòû Ôðèäìàíà áûëè ìíîãîêðàòíî ïðîâåðåíû è Ýéíøòåéíîì, è Ýääèíãòîíîì, è äå Ñèòòåðîì. Î Ôðèäìàíå ñïðàâåäëèâî ãîâîðÿò, ÷òî îí «íà êîí÷èêå ïåðà» îòêðûë ðàçáåãàíèå ãàëàêòèê. Îòêðûòèå ãðàâèòàöèîííîãî êðàñíîãî ñìåùåíèÿ ÷åðåç íåñêîëüêî ëåò ïîäòâåðäèëî äîãàäêè î íåñòàöèîíàðíîì ðàçâèòèè, î ðàñøèðåíèè Âñåëåííîé. Âñêîðå òåîðåòè÷åñêè áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ñâîåîáðàçèå ðåëÿòèâèñòñêîé êîñìîëîãèè âîâñå íå ñâÿçàíî ñ òåîðèåé Ýéíøòåéíà, à îáóñëîâëåíî êîñìîëîãè÷åñêîé ïîñòàíîâêîé ïðîáëåìû. Èç äèíàìèêè Íüþòîíà âîçìîæíî ïîëó÷èòü íåîáõîäèìîñòü ýâîëþöèè, êàê ýòî è ñäåëàë â 1934 ã. àíãëèéñêèé àñòðîôèçèê Ý. Ìèëí.
Ìîäåëü ðàñøèðÿþùåéñÿ Âñåëåííîé ïðîÿâëÿåòñÿ íà óðîâíå ãàëàêòèê, è íå ñóùåñòâóåò öåíòðà, îò êîòîðîãî ãàëàêòèêè «ðàçáåãàþòñÿ».  îáùåì ñëó÷àå ïîñòîÿííàÿ Õàááëà H çàâèñèò îò âðåìåíè, è ñêîðîñòü ðàñøèðåíèÿ óáûâàåò èç-çà òîðìîçÿùåãî äåéñòâèÿ ãðàâèòàöèè. Åñëè äîïóñòèòü ðàñøèðåíèå Ìåòàãàëàêòèêè è â ïðîøëîì, ìîæíî îöåíèòü åå âîçðàñò ïðèìåðíî â 13 ìëðä ëåò. Áóäóùåå Âñåëåííîé ïî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì çàâèñèò îò ñðåäíåé ïëîòíîñòè .
Ñêîðîñòü ðàñøèðåíèÿ ïî ÎÒÎ
äëÿ ãîðÿ÷åé ìîäåëè. Çäåñü Ë — êîñìîëîãè÷åñêàÿ ïîñòîÿííàÿ, ó÷èòûâàþùàÿ âîçìîæíîå ñóùåñòâîâàíèå â ìèðå äîïîëíèòåëüíîé ñèëû, ïîìèìî ñèëû òÿãîòåíèÿ; ïðè — ýòî ñèëà îòòàëêèâàíèÿ, ïðè
— ñèëà ïðèòÿæåíèÿ.
Ðàñ÷åòû ïðåäøåñòâóþùåé èñòîðèè Êîñìîñà â áîëüøèíñòâå ìîäåëåé äàþò äëÿ íà÷àëà ðàñøèðåíèÿ ïðîñòðàíñòâà (13 — 20 ìëðä ëåò íàçàä) ñîñòîÿíèå ñ î÷åíü âûñîêèìè ïëîòíîñòüþ ìàòåðèè è ýíåðãèåé èçëó÷åíèÿ.  óðàâíåíèÿõ ïîÿâëÿåòñÿ ìàòåìàòè÷åñêàÿ ñèíãóëÿðíîñòü, è íè îäíà ìîäåëü íå äâèãàåòñÿ ðàíåå ýòîãî ìîìåíòà. Òàê êàê ïðè ñæàòèè ãàçà åãî òåìïåðàòóðà âîçðàñòàåò, äîïóñêàþò, ÷òî â äàëåêîì ïðîøëîì Âñåëåííàÿ áûëà î÷åíü ãîðÿ÷åé. Èìåííî ê ìîäåëè «ãîðÿ÷åé Âñåëåííîé» ïðèøåë Ãàìîâ, íàçâàâ åå «Êîñìîëîãèÿ Áîëüøîãî Âçðûâà». Åãî èíòåðåñîâàëè îòíîñèòåëüíàÿ ðàñïðîñòðàíåííîñòü è ïðîèñõîæäåíèå õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ âî Âñåëåííîé. Ñ.×àíäðàñåêàð, Õ.Áåòå, Ê. Âåéöçåêêåð è äðóãèå ó÷åíûå ñ÷èòàëè, ÷òî â ãëóáèíàõ Ñîëíöà íå ìîãóò îáðàçîâûâàòüñÿ ýëåìåíòû òÿæåëåå ãåëèÿ.
354
Ãàìîâ ïðåäïîëîæèë, ÷òî â ñàìîì Íà÷àëå ïðè áîëüøèõ ïëîòíîñòÿõ è òåìïåðàòóðàõ ðàííåé Âñåëåííîé âîçìîæíî ïðîòåêàíèå ðåàêöèé ñèíòåçà ýëåìåíòîâ. Ïî çàêîíàì òåðìîäèíàìèêè ïðè ýòèõ óñëîâèÿõ â ðàçîãðåòîì âåùåñòâå âñåãäà äîëæíî íàõîäèòüñÿ â ðàâíîâåñèè ñ íèì è èçëó÷åíèå. Ïîñëå íóêëåîñèíòåçà, çàíèìàþùåãî íåñêîëüêî ìèíóò, èçëó÷åíèå äîëæíî îñòàòüñÿ, ïðîäîëæèòü äâèæåíèå âìåñòå ñ âåùåñòâîì â ðàñøèðÿþùåéñÿ Âñåëåííîé è ñîõðàíèòüñÿ äî íàøåãî âðåìåíè, òîëüêî åãî òåìïåðàòóðà äîëæíà ïîíèçèòüñÿ çà ýòî âðåìÿ èç-çà ðàñøèðåíèÿ. Ýòó ñõåìó íåîáõîäèìî áûëî ðàññ÷èòàòü è ñðàâíèòü ñ íåé ðàñïðîñòðàíåííîñòü ýëåìåíòîâ â ñîâðåìåííîé Âñåëåííîé. Ýòà ðàáîòà çàíÿëà 10 ëåò. Ãàìîâ êîíñóëüòèðîâàëñÿ ñ Ý.Ôåðìè è À.Òóðêåâè÷åì, íî â 1948 ã., êîãäà âìåñòå ñ Àëüôå-ðîì áûëà ïîäãîòîâëåíà åãî ñòàòüÿ, îí âïèñàë â ïîñëåäíèé ìîìåíò è Áåòå. Òàê ïîÿâèëàñü çíàìåíèòàÿ À-Á-Ã-òåîðèÿ. Âïîñëåäñòâèè îíà ñîâåðøåíñòâîâàëàñü â ðàáîòàõ Ãàìîâà ñ Ñ. Õàÿøè, Õîéëîì, Ôàóëåðîì, Ì. Áåðáèäæåì, Äæ. Áåðáèäæåì. Ýòèì æå çàíèìàëèñü Çåëüäîâè÷, à ïîçæå Äæ. Ïèáëñ, èñïîëüçóÿ óòî÷íåííûå äàííûå ÿäåðíîé ôèçèêè è àñòðîíîìè÷åñêèõ íàáëþäåíèé.
Òåîðèÿ ãîðÿ÷åé Âñåëåííîé äàëà íåîáõîäèìûå ñîîòíîøåíèÿ âîäîðîäà è ãåëèÿ â ñîâðåìåííîé Âñåëåííîé èç ÿäåðíûõ ðåàêöèé â ðàííåé Âñåëåííîé. Òÿæåëûå ýëåìåíòû äîëæíû áûëè ðîæäàòüñÿ èíà÷å, âîçìîæíî, ïðè âñïûøêàõ Ñâåðõíîâûõ çâåçä. Ïðåäñêàçàííîå Ãàìîâûì ôîíîâîå èçëó÷åíèå (1953) äîëæíî áûòü èçîòðîïíûì ñ òåìïåðàòóðîé, áëèçêîé ê 0 Ê, èëè äî 10 Ê, åñëè ïðîöåññ íóêëåîñèíòåçà íà÷èíàëñÿ ñ 109 Ê (ðèñ. 9.12).
Ãàìîâ ïîëó÷èë ïðîñòîå ñîîòíîøåíèå ìåæäó ïëîòíîñòÿìè âåùåñòâà è èçëó÷åíèÿ ïî ìåðå ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé. Ïëîòíîñòü èçëó÷åíèÿ óìåíüøàåòñÿ ñî âðåìåíåì áûñòðåå, ÷åì ïëîòíîñòü âåùåñòâà, íî â ïðîøëîì èõ îòíîøåíèå êîãäà-òî áûëî ðàâíî åäèíèöå, à åùå ðàíüøå èçëó÷åíèå ïî ïëîòíîñòè ïðåîáëàäàëî íàä âåùåñòâîì. Ïî ýòîé ïðè÷èíå èçëó÷åíèþ äîëæíà ïðèíàäëåæàòü âåäóùàÿ ðîëü â ýâîëþöèè Âñåëåííîé. Ôðèäìàí ïîëó÷èë ôîðìóëó èçìåíåíèÿ âî âðåìåíè ïëîòíîñòè èçëó÷åíèÿ, åñëè îíî ïðåîáëàäàåò âî Âñåëåííîé íàä âåùåñòâîì, à Âñåëåííàÿ ðàñøèðÿåòñÿ ïî ïàðàáîëè÷åñêîìó òèïó, ò. å. íåîãðàíè÷åííî. Ýòó ôîðìóëó Ôðèäìàíà è èñïîëüçîâàë åãî ó÷åíèê Ãàìîâ. Îí íàøåë ãðàíèöó ìåæäó äâóìÿ ýïîõàìè — ïðåîáëàäàíèÿ èçëó÷åíèÿ è ïðåîáëàäàíèÿ âåùåñòâà, è ýòà ãðàíèöà ïðèõîäèòñÿ íà âðåìÿ t= 2,1 • 1015 = 73 ìëí ëåò.  íà÷àëüíûé ïåðèîä èìåííî èçëó÷åíèå îïðåäåëÿëî ñóäüáó Âñåëåííîé, à ïîñëå ïðåîáëàäàëî âåùåñòâî.  òîò ìîìåíò èõ ïëîòíîñòè áûëè ðàâíû 9,4 • 10-23 êã/ì3, à òåìïåðàòóðà èçëó÷åíèÿ ñîñòàâëÿëà 320 Ê, îòñþäà ìîæíî íàéòè åå ñîâðåìåííîå çíà÷åíèå: Ò= 320 (2,2 • 10 15/t = = (7 • 1016/t) Ê. Ïîëó÷åííàÿ ôîðìóëà äàåò òåìïåðàòóðó èçëó÷åíèÿ â ýïîõó ïðåîáëàäàíèÿ âåùåñòâà íàä èçëó÷åíèåì (7 Ê). Äëÿ èçëó÷åíèÿ ÷åðíîãî òåëà òàêàÿ òåìïåðàòóðà ñîîòâåòñòâóåò ñàíòèìåòðîâîìó äèàïàçîíó. Ãàìîâ íå íàäåÿëñÿ çàðåãèñòðèðîâàòü ýòî ôîíîâîå èçëó÷åíèå â îáùåì ïîòîêå ðàäèîèçëó÷åíèÿ ãàëàêòèê è ìåæçâåçäíîãî ãàçà, íî Íîâèêîâ è Äîðîøêåâè÷ ñ÷èòàëè, ÷òî èçëó÷åíèå,
355
îñòàâøååñÿ îò íà÷àëà ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé, ìîæíî îáíàðóæèòü â ñàíòèìåòðîâîì äèàïàçîíå.
Ðåëèêòîâîå èçëó÷åíèå îòêðûëè âåñíîé òîãî æå ãîäà. Àìåðèêàíñêèå ó÷åíûå À. Ïåíçèàñ è Ð. Âèëüñîí, îòëàæèâàÿ ðóïîðíóþ àíòåííó íîâîãî ðàäèîòåëåñêîïà, íå ìîãëè èçáàâèòüñÿ îò ïîìåõ íà äëèíå âîëíû 7,35 ñì. Óðîâåíü ýòèõ ïîìåõ íå ìåíÿëñÿ ïðè ïîâîðîòå àíòåííû, ò.å. áûë èçîòðîïåí.  1965 ã. âûÿñíèëîñü, ÷òî ýòî áûëî ôîíîâîå èçëó÷åíèå, ïðåäñêàçàííîå Ãàìîâûì. Îíî ñîîòâåòñòâîâàëî ðàñ÷åòàì Íîâèêîâà è Äîðîøêåâè÷à, áûëî ÷åðíîòåëüíûì è èìåëî Ò = 2,7 Ê. Ïî ñâîåé ïëîòíîñòè ýòî èçëó÷åíèå ïî÷òè â 30 ðàç ïðåâîñõîäèëî ïëîòíîñòü èçëó÷åíèÿ çâåçä, à êîíöåíòðàöèÿ ôîòîíîâ áûëà áîëüøå, ÷åì êîíöåíòðàöèÿ îáû÷íîãî âåùåñòâà.
Ïëîòíîñòü ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ ìîæíî îöåíèòü. Ïðè Ò = 3 Ê ýíåðãèÿ êàæäîãî ôîòîíà ñîñòàâëÿåò îêîëî 10-22 Äæ. Äëÿ 500 ôîòîíîâ â 1 ì3 Å = 0,5 Äæ/ì3. È ïî ôîðìóëå íàõîäèì r= = 5-10-31 êã/ì3. Ñåé÷àñ äëÿ âåùåñòâà = 5-10"28 êã/ì3, ò.å. ïî ìàññå âåùåñòâî áîëüøå â 1000 ðàç.
Äâå êîñìîëîãè÷åñêèå òåîðèè êîíêóðèðîâàëè — òåîðèÿ ðàñøèðÿþùåéñÿ Âñåëåííîé (íà÷àëüíîå ñîñòîÿíèå áûëî òàêèì ãîðÿ÷èì
356
è ïëîòíûì, ÷òî ìîãëè ñóùåñòâîâàòü òîëüêî ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû è èçëó÷åíèå; çàòåì Âñåëåííàÿ ðàñøèðÿëàñü è îõëàæäàëàñü, îáðàçóÿ çâåçäû è ãàëàêòèêè) è òåîðèÿ ñòàöèîíàðíîé Âñåëåííîé (Âñåëåííàÿ ñóùåñòâîâàëà âñåãäà, íàáëþäàåìîå ðàçðåæåíèå âåùåñòâà êîìïåíñèðóåòñÿ åãî íåïðåðûâíûì òâîðåíèåì). Òåîðèÿ ðàñøèðÿþùåéñÿ Âñåëåííîé îäåðæàëà âåðõ áëàãîäàðÿ ïðåäñêàçàíèþ, íàáëþäåíèþ è èíòåðïðåòàöèè êîñìè÷åñêîãî ôîíîâîãî (ðåëèêòîâîãî) èçëó÷åíèÿ. Îíî íå ïðåäñêàçûâàåòñÿ è íå ìîæåò áûòü îáúÿñíåíî âòîðîé òåîðèåé.
Àâòîð òåîðèè âå÷íîé ñòàöèîíàðíîé Âñåëåííîé — Õîéë — âûíóæäåí áûë ïðèçíàòü, ÷òî ïðèäåòñÿ ìîäåðíèçèðîâàòü òåîðèþ äëÿ îáúÿñíåíèÿ ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ.  1992 ã. èçìåðåíèÿ íè÷òîæíî ìàëûõ âàðèàöèé ôîíîâîãî èçëó÷åíèÿ ïîäòâåðäèëè åùå îäíî èç ïðåäñêàçàíèé òåîðèè ðàñøèðÿþùåéñÿ Âñåëåííîé. Èññëåäîâàòåëè èíòåðïðåòèðóþò ýòó «ðÿáü» êàê ôëóêòóàöèè ïëîòíîñòè âåùåñòâà è ýíåðãèè íà ðàííèõ ñòàäèÿõ ýâîëþöèè Âñåëåííîé. Òàêàÿ ðÿáü ìîæåò îáúÿñíèòü ñêó÷èâàíèå âåùåñòâà ïîä âëèÿíèåì ñîáñòâåííîé ãðàâèòàöèè, âåäóùåå ê îáðàçîâàíèþ çâåçä, ãàëàêòèê è áîëåå êðóïíûõ ñòðóêòóð, íàáëþäàåìûõ â ñîâðåìåííîé Âñåëåííîé.
Êîñìîëîãèÿ Áîëüøîãî Âçðûâà Ã. Ãàìîâà çàíÿëà ïðî÷íîå ìåñòî â ñîâðåìåííîé íàóêå.
9.7. Ðîæäåíèå ÷àñòèö ïî ñîâðåìåííîé ìîäåëè ðàçâèòèÿ Âñåëåííîé
Îäíîðîäíîå ìèêðîâîëíîâîå èçëó÷åíèå, îñòàâøååñÿ îò ðàííèõ ñòàäèé ðàçâèòèÿ Âñåëåííîé, ïðîíèçûâàåò ïðîñòðàíñòâî, ÷òî ïîäòâåðæäàþò è òî÷íûå èññëåäîâàíèÿ, ïðîâåäåííûå ñî ñïóòíèêîâ. Äëÿ ïîíèìàíèÿ ÿâëåíèé êîñìîëîãèè èñïîëüçóþò èäåè, îïèðàþùèåñÿ íà ôèçèêó ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö, êîòîðàÿ, êàê è ÿäåðíàÿ ôèçèêà, ñûãðàëà áîëüøóþ ðîëü ïðè ñîçäàíèè òåîðèé è ðàñøèðÿþùåéñÿ, è ñòàöèîíàðíîé Âñåëåííîé. Îñîáåííî öåííûì äëÿ íèõ îêàçàëñÿ âêëàä Ýéíøòåéíà è Ïëàíêà, êîòîðûå â íà÷àëå âåêà ñôîðìóëèðîâàëè ôèçèêó àáñîëþòíî ÷åðíîãî èçëó÷åíèÿ: ïîñêîëüêó íà ðàííåé ñòàäèè ðàñøèðåíèÿ äîëæíî áûòü ðàâíîâåñèå ìåæäó ýíåðãèåé è âåùåñòâîì, òî ýíåðãèÿ, âûäåëèâøàÿñÿ ïðè âçðûâå, äîëæíà èìåòü ñïåêòð ÷åðíîãî èçëó÷åíèÿ.
Òåîðèÿ ñèíòåçà õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ â çâåçäàõ áûëà íåîáõîäèìà. Ê íà÷àëó 30-õ ãã. çíàëè, ÷òî áîëüøèíñòâî çâåçä ñîñòîÿò èç âîäîðîäà è ãåëèÿ, íî áûëî íåÿñíî, îòêóäà áåðåòñÿ óãëåðîä.  50-å ãã. Õîéë ïðåäëîæèë ðåàêöèþ îáðàçîâàíèÿ óãëåðîäà èç òðåõ ÿäåð ãåëèÿ â ñïåöèôè÷åñêèõ óñëîâèÿõ öåíòðà çâåçäû. Âîçìîæíîñòü òàêîé ðåàêöèè ïîäòâåðäèë àìåðèêàíñêèé ôèçèê Ó. Ôàóëåð íà óñêîðèòåëå âûñîêèõ ýíåðãèé, à Õîéë è Ñîëïèòåð ïîäâåëè ïîä ýòè ýêñïåðèìåíòû òåîðèþ. Ê 1957 ã. Ôàóëåð, Õîéë, Ìàðãàðåò è Äæåôôðè
357
Áåðáèäæ ðàçðàáîòàëè òåîðèþ ñèíòåçà áîëüøèíñòâà õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ â çâåçäíûõ íåäðàõ èç âîäîðîäà è ãåëèÿ.  çâåçäíîé òîïêå ëåãêèå ýëåìåíòû «ñïëàâèëèñü» â òÿæåëûå ÿäðà, êîòîðûå ðàññåÿëèñü â ïðîñòðàíñòâå èç-çà âçðûâà Ñâåðõíîâûõ èëè ñìåðòè êðàñíûõ ãèãàíòîâ (êàêèì ÷åðåç 5 ìëðä ëåò ñòàíåò Ñîëíöå). Çàòåì öèêë ïîâòîðèòñÿ, îáðàçóÿ çâåçäû íîâîãî ïîêîëåíèÿ.
Îäíàêî äàííàÿ òåîðèÿ íå ìîãëà îáúÿñíèòü ñóùåñòâîâàíèå òðåõ ëåãêèõ ýëåìåíòîâ — ëèòèÿ, áåðèëëèÿ è áîðà. Èç-çà ñâîåé íåóñòîé÷èâîé ïðèðîäû ýòè ýëåìåíòû äîëæíû îáðàçîâûâàòüñÿ â ãàçå ñ íèçêîé ïëîòíîñòüþ è íèçêèìè òåìïåðàòóðàìè è, ïåðâîíà÷àëüíî ïðèñóòñòâóÿ â ìîëîäûõ çâåçäàõ, äîëæíû áûëè ðàñïàäàòüñÿ ïðè ñæàòèè è íàãðåâàíèè çâåçäû. Ýòî îñòàâàëîñü çàãàäêîé. Õîòÿ ñîäåðæàíèå êàæäîãî èç íèõ ñîñòàâëÿåò ìåíåå 10-9 îò êîëè÷åñòâà âîäîðîäà, óíèêàëüíîå ïðîèñõîæäåíèå ýòèõ ýëåìåíòîâ äåëàåò èõ «êîììåíòàòîðàìè» èñòîðèè Âñåëåííîé. Ïîäîáíûå âàðèàíòû ñõåì ðîæäåíèÿ ýëåìåíòîâ ñîçäàâàëèñü â íåñêîëüêèõ ìåñòàõ, íî íå áûëè ïðèâÿçàíû ê ñóùåñòâóþùèì âî Âñåëåííîé êîëè÷åñòâåííûì ñîîòíîøåíèÿì ýëåìåíòîâ.
Ïåðâè÷íîå âåùåñòâî, èç êîòîðîãî ðîäèëàñü Âñåëåííàÿ, Àëôåð è Ãåðìàí íàçâàëè áèáëåéñêèì ñëîâîì «èëåì» (îò ãðå÷. ylem— ïåðâè÷íàÿ ìàòåðèÿ). Ýòà ïåðâè÷íàÿ ñóáñòàíöèÿ ïðåäñòàâëÿëà ñîáîé íåéòðîííûé ãàç. Îíè ñ÷èòàëè, ÷òî â «ïåðâè÷íîì àäó» ðîäèëèñü òÿæåëûå ÿäðà ïóòåì ïðèñîåäèíåíèÿ ñâîáîäíûõ íåéòðîíîâ, è ýòîò ïðîöåññ ïðîäîëæàëñÿ, ïîêà èõ çàïàñ íå èñòîùèëñÿ. Àëôåð è Ãåðìàí íå ìîãëè îáúÿñíèòü îáðàçîâàíèå ýëåìåíòîâ òÿæåëåå ãåëèÿ, ïîñêîëüêó íåò ñòàáèëüíûõ èçîòîïîâ ñ ìàññîâûìè ÷èñëàìè 5 è 8, çíà÷èò, íåëüçÿ ïîëó÷àòü òÿæåëûå ýëåìåíòû ïîñëåäîâàòåëüíûì äîáàâëåíèåì íåéòðîíîâ. Ïîñëå ýòîãî èíòåðåñ ê À-Á-Ã-òåîðèè çàìåòíî îñòûë, è çà äåñÿòü ëåò (1953—1963) çíà÷èòåëüíûõ èññëåäîâàíèé íå áûëî. Õîéë â øóòêó íàçâàë ýòó ãèïîòåçó «the big bang theory» — òåîðèåé ãðîìêîãî õëîïêà. Ýòî ïîíðàâèëîñü êîíêóðåíòàì Õîéëà, à â Ðîññèè åãî ïåðåâåëè êàê «òåîðèÿ Áîëüøîãî Âçðûâà».
Ãèïîòåçó õîëîäíîé Âñåëåííîé íà÷àë ðàçâèâàòü â 1962 ã. Çåëüäîâè÷. Íà åãî âçãëÿä, èç òåîðèè ãîðÿ÷åé Âñåëåííîé ñëåäîâàëè ñëèøêîì áîëüøèå ïëîòíîñòü è òåìïåðàòóðà èçëó÷åíèÿ, íå ïîäòâåðæäàåìûå äàííûìè ðàäèîàñòðîíîìèè. Ïåðåáðàâ âñå âîçìîæíûå âàðèàíòû, Çåëüäîâè÷ îñòàíîâèëñÿ íà ãèïîòåçå, ñîãëàñíî êîòîðîé èñõîäíûì âåùåñòâîì áûë õîëîäíûé ïðîòîí-ýëåêòðîííûé ãàç ñ ïðèìåñüþ íåéòðèíî, ïðè÷åì íà êàæäûé ïðîòîí ïðèõîäèëîñü ïî îäíîìó ýëåêòðîíó è îäíîìó íåéòðèíî. Ýòó ãèïîòåçó Çåëüäîâè÷ ðàçðàáàòûâàë âïëîòü äî îáíàðóæåíèÿ ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ.
Ïðîñòîé ðàñ÷åò îïóáëèêîâàëè åùå äî ýòîãî îòêðûòèÿ Õîéë è Ð.Òåéëîð (1964). Ñâåòèìîñòü íàøåé Ãàëàêòèêè îöåíèâàþò ÷èñëîì 1052 Äæ/ñ. Åñëè âîçðàñò Ãàëàêòèêè 1010 ëåò, òî ïðè ïîñòîÿííîé ñâåòèìîñòè îíà âûäåëèëà çà ýòî âðåìÿ 2 • 1061 Äæ. Ïðè îáðàçîâàíèè îäíîãî ÿäðà ãåëèÿ âûäåëÿåòñÿ ýíåðãèÿ 2,5 • 10-5 Äæ. Çíà÷èò, çà âðåìÿ ñóùåñòâîâàíèÿ Ãàëàêòèêè â íåé îáðàçîâàëîñü 1066 à-÷àñòèö. Ïðè ìàññå ÷àñòèöû 6,67 • 10-27 êã ýòî ñîñòàâëÿåò 7 • 1039 êã, à ìàññà
358
Ãàëàêòèêè — 4 • 1041 êã. Ïîýòîìó ê íàøåìó âðåìåíè îòíîøåíèå ãåëèÿ ê âîäîðîäó Íå/Í ìîãëî áû áûòü 7/400, èëè 1/57 — ïî ìàññå, èëè 1/230 — ïî ÷èñëó àòîìîâ. Ýòî ìåíüøå íàáëþäàåìîãî ñîîòíîøåíèÿ â 20 ðàç, òàê êàê èç àíàëèçà ñîñòàâà çâåçäíûõ àòìîñôåð, êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé ïîëó÷àåòñÿ Íå/Í ïîðÿäêà 1/11. Óæå èç òàêèõ ïðîñòûõ îöåíîê ïîíÿòíî, êàê äîáèòüñÿ ñîãëàñèÿ ìîäåëè ñ äàííûìè ñîîòíîøåíèÿìè.
Ïëîòíîñòü ìàòåðèè ð âî Âñåëåííîé ïðàêòè÷åñêè ñîâïàäàåò ñ ïëîòíîñòüþ ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ. Îíà âûðàæåíà ÷åðåç ýíåðãèþ , ãäå. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, [R= . Ñëåäîâàòåëüíî, . Îòñþäà ÿñíà ñâÿçü òåìïåðàòóðû Ò è âðåìåíè t, ïðîøåäøåãî îò íà÷àëà ðàñøèðåíèÿ: .
Ñíà÷àëà (ïðè t 0,01 ñ) òåìïåðàòóðà î÷åíü âûñîêà, è âåùåñòâî ñîñòîèò èç íåéòðîíîâ è ïðîòîíîâ â ðàâíûõ ïðîïîðöèÿõ. Áëàãîäàðÿ ïðèñóòñòâèþ ýëåêòðîíîâ, ïîçèòðîíîâ, íåéòðèíî è àíòèíåéòðèíî ïðîèñõîäèò íåïðåðûâíîå ïðåâðàùåíèå è îáðàòíî: . Ïðè
îõëàæäåíèè çà ïåðâûå 10 ñ ÷èñëî ïðîòîíîâ óâåëè÷èòñÿ çà ñ÷åò íåéòðîíîâ è íà÷íåòñÿ îáðàçîâàíèå äåéòåðèÿ, òðèòèÿ, èçîòîïîâ ãåëèÿ Íå-3 è Íå-4. ×åðåç 100 ñ îò íà÷àëà ðàñøèðåíèÿ çàêàí÷èâàþòñÿ âñå ÿäåðíûå ïðåâðàùåíèÿ: âîäîðîäà ïîëó÷àåòñÿ 0,9, ãåëèÿ — 0,09, îñòàëüíîå ïðèõîäèòñÿ íà áîëåå òÿæåëûå ýëåìåíòû. Ïî ìàññå âîäîðîä ñîñòàâëÿåò îêîëî 0,7, ãåëèé — 0,3. Ýòî è åñòü õèìè÷åñêèé ñîñòàâ Âñåëåííîé ê íà÷àëó ôîðìèðîâàíèÿ çâåçä è ãàëàêòèê.
Äëÿ íàãëÿäíîñòè ýòó ñòàäèþ äåëÿò íà ÷åòûðå ýðû. Äëÿ êàæäîé èç íèõ ìîæíî âûäåëèòü ïðåîáëàäàþùóþ ôîðìó ñóùåñòâîâàíèÿ ìàòåðèè, â ñîîòâåòñòâèè ñ ÷åì è äàíû íàçâàíèÿ.
Ýðà àäðîíîâ íàõîäèòñÿ â ñàìîì íà÷àëå, ïðîäîëæàåòñÿ 0,0001 ñ. Ïëîòíîñòü ñ. Ïðè âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ
ìîãëè ñóùåñòâîâàòü òîëüêî ÷àñòèöû, îáëàäàþùèå áîëüøîé ìàññîé, äëÿ êîòîðûõ ñóùåñòâåííî è ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå. Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû ðàçäåëÿþò íà àäðîíû è ëåïòîíû, ïðè÷åì ïåðâûå ìîãóò ó÷àñòâîâàòü â ñèëüíûõ è áûñòðûõ âçàèìîäåéñòâèÿõ, à âòîðûå — â áîëåå ñëàáûõ è ìåäëåííûõ, ïîýòîìó ïåðâûå ýðû ïîëó÷èëè òàêèå íàçâàíèÿ. Àäðîííàÿ ýðà — ýðà òÿæåëûõ ÷àñòèö è ìåçîíîâ, âåëèêà ýíåðãèÿ ãàììà-êâàíòîâ. Îñíîâíóþ ðîëü èãðàåò èçëó÷åíèå, êîëè÷åñòâà âåùåñòâà è àíòèâåùåñòâà ìîãóò áûòü ïðèìåðíî ðàâíûìè.  êîíöå àäðîííîé ýðû ïðîèñõîäèò àííèãèëÿöèÿ ÷àñòèö è àíòè÷àñòèö, íî îñòàåòñÿ íåêîòîðîå êîëè÷åñòâî ïðîòîíîâ. Èç ðàâíîâåñèÿ ñ èçëó÷åíèåì âûøëè ïîñëåäîâàòåëüíî ãèïåðîíû, íóêëîíû, Ê- è -ìåçîíû è èõ àíòè÷àñòèöû.
Ýðà ëåïòîíîâ ïðîäîëæàåòñÿ , ïðè ýòîì
. Îñíîâíóþ ðîëü èãðàþò ëåãêèå ÷àñòèöû, ïðèíèìàþùèå ó÷àñòèå â ðåàêöèÿõ ìåæäó ïðîòîíàìè è íåéòðîíàìè. Ïîñòåïåííî èç ðàâíîâåñèÿ ñ èçëó÷åíèåì âûøëè -ìåçîíû è èõ àíòè÷àñòèöû, ýëåêòðîííûå è ìåçîííûå íåéòðèíî, à èçáûòî÷íûå ìþ-îíû ðàñïàëèñü íà ýëåêòðîíû, ýëåêòðîííîå àíòèíåéòðèíî è ìþîííîå íåéòðèíî.  êîíöå ýðû ëåïòîíîâ ïðîèñõîäèò àííèãèëÿöèÿ ýëåêòðîíîâ è ïîçèòðîíîâ. ×åðåç 0,2 ñ Âñåëåííàÿ ñòàíîâèòñÿ ïðîçðà÷íîé äëÿ ýëåêòðîí-
359
íûõ íåéòðèíî, è îíè ïåðåñòàþò âçàèìîäåéñòâîâàòü ñ âåùåñòâîì. Ñîãëàñíî òåîðèè, ýòè ðåëèêòîâûå íåéòðèíî ñîõðàíèëèñü äî íàøåãî âðåìåíè, íî òåìïåðàòóðà èõ äî 2 Ê, ïîýòîìó ïîêà èõ íå ìîãóò îáíàðóæèòü.
Ôîòîííàÿ ýðà ïðèõîäèò ïîçæå è ïðîäîëæàåòñÿ 1 ìëí ëåò. Îñíîâíàÿ äîëÿ ìàññû — ýíåðãèè Âñåëåííîé ïðèõîäèòñÿ íà ôîòîíû, êîòîðûå åùå âçàèìîäåéñòâóþò ñ âåùåñòâîì.  ïåðâûå 5 ìèí ýðû ïðîèñõîäèëè ñîáûòèÿ, âî ìíîãîì îïðåäåëèâøèå óñòðîéñòâî íàøåãî ìèðà.  êîíöå ëåï-òîííîé ýðû íà÷àëèñü âçàèìíûå ïðåâðàùåíèÿ ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ äðóã â äðóãà. Ê íà÷àëó ýðû ôîòîíîâ êîëè÷åñòâà èõ áûëè ïðèìåðíî ðàâíûìè. Ïðè óìåíüøåíèè òåìïåðàòóðû ïðîòîíîâ ñòàëî áîëüøå, ïîñêîëüêó ðåàêöèè ñ îáðàçîâàíèåì ïðîòîíîâ îêàçûâàëèñü ýíåðãåòè÷åñêè áîëåå âûãîäíûìè è, çíà÷èò, áîëåå âåðîÿòíûìè. Ýòî îïðåäåëèëî ñêîðîñòè ðåàêöèé, è ê íà÷àëó ýðû ÷èñëî íåéòðîíîâ ñîñòàâèëî 15 %.
Ýðà èçëó÷åíèÿâ íà÷àëå õàðàêòåðèçóåòñÿ ïàðàìåòðàìè: 3000 Ê < < Ò< 1010 Ê; 10~18 < < 107 êã/ì3, íåéòðîíû çàõâàòûâàþòñÿ ïðîòîíàìè, è ïðîèñõîäèò îáðàçîâàíèå ÿäåð ãåëèÿ. Êðîìå òîãî, çà ýòè ïåðâûå ìèíóòû íåêîòîðîå êîëè÷åñòâî íåéòðîíîâ ïîøëî íà îáðàçîâàíèå ÿäåð áåðèëëèÿ è ëèòèÿ, à íåêîòîðîå êîëè÷åñòâî ðàñïàëîñü.  ðåçóëüòàòå äîëÿ ãåëèÿ â âåùåñòâå ìîãëà ñîñòàâèòü 1/3.  êîíöå ýðû òåìïåðàòóðà ñíèçèëàñü äî 3 000 Ê, ïëîòíîñòü óìåíüøèëàñü íà 5 —6 ïîðÿäêîâ, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ñîçäàëèñü óñëîâèÿ äëÿ îáðàçîâàíèÿ ïåðâè÷íûõ àòîìîâ. Èçëó÷åíèå îòäåëèëîñü îò âåùåñòâà, Âñåëåííàÿ ñòàëà ïðîçðà÷íîé äëÿ íåãî, è ïðèøëà íîâàÿ ýðà — ýðà âåùåñòâà. Èçëó÷åíèå èãðàåò ãëàâíóþ ðîëü, îáðàçóåòñÿ ãåëèé.  êîíöå ýðû ãëàâíóþ ðîëü â îáðàçîâàíèè âåùåñòâà Âñåëåííîé íà÷èíàåò èãðàòü âåùåñòâî (ìàññà Âñåëåííîé).
 çâåçäíóþ ýðó, íàñòóïèâøóþ ïðè t 1 ìëí ëåò, Ò 3000 Ê è ïëîòíîñòè d 10-18 êã/ì3, íà÷èíàåòñÿ ñëîæíûé ïðîöåññ îáðàçîâàíèÿ ïðîòîçâåçä è ïðîòîãàëàêòèê.
Ãðàíäèîçíàÿ êàðòèíà ïðîöåññîâ, ñõåìàòè÷íî îïèñàííàÿ çäåñü, ðàçðàáàòûâàëàñü äåòàëüíî, îñîáåííóþ ïðîðàáîòêó ïîëó÷èëè ñàìûå ïåðâûå äîëè ñåêóíäû. Âîçìîæíîñòè èññëåäîâàíèÿ äåòàëåé ïðîöåññîâ ðåçêî âîçðîñëè ñ ïîÿâëåíèåì áûñòðîäåéñòâóþùèõ ÝÂÌ ñ áîëüøèìè îáúåìàìè ïàìÿòè. Áåçóñëîâíî, ýòà êàðòèíà ïîâëèÿëà íà íàøå ìèðîîùóùåíèå è ïðîäîëæàåò óòî÷íÿòüñÿ. Ìîäåëü «ãîðÿ÷åãî» íà÷àëà îáúÿñíÿëà ïðîèñõîæäåíèå õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, èõ êîëè÷åñòâåííûå ñîîòíîøåíèÿ ñåé÷àñ, íî îáðàçîâàíèå êðóïíîìàñøòàáíûõ ñêó÷èâàíèé â ïðîñòðàíñòâå èëè ñóùåñòâîâàíèå êâàçàðîâ îíà íå îáúÿñíÿëà.
9.8. Ìîäåëü èíôëÿöèîííîé Âñåëåííîé.
Âîçíèêíîâåíèå âî Âñåëåííîé êðóïíîìàñøòàáíûõ íåîäíîðîäíîñòåé
Êðóïíîìàñøòàáíîå ñêó÷èâàíèå ãàëàêòèê èëè ñóùåñòâîâàíèå ñàìèõ êâàçàðîâ íåëüçÿ îáúÿñíèòü òåîðèåé ãîðÿ÷åé Âñåëåííîé. Åùå Õàááë, èçó÷àÿ â 20 — 30-å ãã. ðàñïðåäåëåíèå ãàëàêòèê ñ ïîìîùüþ
360
ìîùíåéøåãî òîãäà 100-äþéìîâîãî òåëåñêîïà, âûÿâèë òåíäåíöèþ îáðàçîâàíèÿ ãðóïï ãàëàêòèê. Îí îòìåòèë, ÷òî ðàñïðåäåëåíèå ÿðêèõ ãàëàêòèê íåîäíîðîäíî â î÷åíü áîëüøèõ óãëîâûõ ìàñøòàáàõ. Íî ïðè óñðåäíåíèè ïî îáëàñòÿì îïðåäåëåííûõ ðàçìåðîâ ðàñïðåäåëåíèå îäíîðîäíî. Òàê, âáëèçè ãàëàêòè÷åñêèõ ïîëþñîâ îíî ïðàêòè÷åñêè îäíîðîäíî, â ïðåäåëàõ 10—40° âîîáùå íå íàáëþäàåòñÿ íè îäíîé ãàëàêòèêè. Õàááë îáúÿñíèë ýòî ïîãëîùåíèåì ìåæçâåçäíîãî ãàçà, ñîñðåäîòî÷åííîãî âäîëü ïëîñêîñòè Ãàëàêòèêè.
Êîñìè÷åñêîå ôîíîâîå èçëó÷åíèå — íå åäèíñòâåííûé êëþ÷ ê ðàçãàäêå ðàííåé èñòîðèè Âñåëåííîé. Íî ïî÷åìó âåùåñòâî íå çàïîëíÿåò ðàâíîìåðíî âñå ïðîñòðàíñòâî? Âåäü â êðóïíûõ ìàñøòàáàõ óñðåäíåíèÿ îíà îäíîðîäíà. Çäåñü òåîðèè ìèêðî- è ìåãàìèðà âíîâü èäóò âìåñòå.  òåîðèè ôèçèêè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö ãëàâíûé ïðîöåññ — íàðóøåíèå ñèììåòðèè. Âî Âñåëåííîé íàðóøåíèå ñèììåòðèè âåäåò ê îáðàçîâàíèþ êîñìè÷åñêèõ íåîäíîðîäíîñòåé.
Òåêñòóðû — ýòî çàðîäûøè àãðåãàòîâ âåùåñòâà, íåîäíîðîäíîñòè, ïîÿâèâøèåñÿ âñêîðå ïîñëå îáðàçîâàíèÿ Âñåëåííîé. Òåêñòóðû ìîãëè ïðåâðàùàòüñÿ â õîäå ýâîëþöèè â ãàëàêòèêè è èõ ñêîïëåíèÿ. Îíè ñîçäàþò âàðèàöèè ïëîòíîñòè, è â ýòèõ îáëàñòÿõ ãðàâèòàöèÿ áîëåå ýôôåêòèâíî òîðìîçèò îáùåå ðàñøèðåíèå. Åñëè ãðàâèòàöèÿ ïðåîáëàäàåò íàä ðàñøèðåíèåì, îáëàñòü íà÷èíàåò ñæèìàòüñÿ, óâåëè÷èâàÿ ôëóêòóàöèè ïëîòíîñòè. Íüþòîí áûë óâåðåí, ÷òî ñàìîãðà-âèòèðóþùèå îáëàêà ìîãóò âîçíèêàòü ñàìîïðîèçâîëüíî â ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåííîì âåùåñòâå. Íî â îäíîðîäíîé êîñìè÷åñêîé ñðåäå ñãóñòêè îáðàçóþòñÿ íå òàê, êàê êðèñòàëëû â ïåðåîõëàæäåííîé æèäêîñòè. Êîñìîëîãè ñ÷èòàþò, ÷òî ôëóêòóàöèè ïëîòíîñòè â ïåðâîíà÷àëüíîì îãíåííîì øàðå, âûðîñøèå äî ñîâðåìåííûõ ñòðóêòóð, íå ìîãëè îáðàçîâàòüñÿ ñàìîïðîèçâîëüíî. Ïîýòîìó îíè äîëæíû áûëè áûòü ñ ñàìîãî íà÷àëà.
Âñåëåííàÿ î÷åíü íåîäíîðîäíà, ÷òî ïîêàçûâàþò îáçîðû êðóïíîìàñøòàáíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ãàëàêòèê. Íî îíà îäíîðîäíà â áîëüøèõ ìàñøòàáàõ (áîëüøèõ ñîòåí Ìåãàïàðñåê). Ýòîò âûâîä ïîëó÷åí èç ôîíîâîãî èçëó÷åíèÿ, ñîäåðæàùåãî èíôîðìàöèþ î ñâîéñòâàõ Âñåëåííîé, î÷åíü äàëåêî ðàçíåñåííûõ â ïðîñòðàíñòâå. Ýòè ñâîéñòâà îêàçûâàþòñÿ ñîâåðøåííî îäèíàêîâûìè, õîòÿ ýòè òî÷êè ìîãóò èäòè îò ñàìîãî ãîðèçîíòà, ñåé÷àñ — ñ ðàññòîÿíèÿ 26 ìëðä ñâ. ëåò (òàê êàê ðàññòîÿíèå äî ãîðèçîíòà 13 ìëðä ñâ. ëåò). Ãàëàêòèêè èìåþò òåíäåíöèþ ê ñêó÷èâàíèþ, îáðàçóÿ ñòðóè è ñãóùåíèÿ, êîòîðûå îêðóæàþò ïóñòîòû — âîéäû. Ïóñòîòû äîñòèãàþò ðàçìåðîâ 100 — 400 ìëí ñâ. ëåò. Ìîæíî îæèäàòü, ÷òî âèäèìîå ðàñïðåäåëåíèå îêàæåòñÿ îòëè÷íûì îò èñòèííîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ìàòåðèè. È ãîâîðÿò, ÷òî âåùåñòâî âî Âñåëåííîé ñóùåñòâóåò â ôîðìå ñâåòÿùèõñÿ çâåçä, ãàçîâûõ îáëàêîâ è òåìíîãî âåùåñòâà. Îá ýòîì ñâèäåòåëüñòâóþò è íàáëþäåíèÿ îðáèòàëüíûõ äâèæåíèé çâåçä è ãàçà, à ìàññà òåìíîãî âåùåñòâà â âèäå ãàëî ñîñòàâëÿåò äî 10 ìàññ âèäèìîãî îáúåêòà (åãî îöåíèâàþò ïî ãðàâèòàöèîííîìó âîçäåéñòâèþ). Ïðèðîäà òåìíîãî
361
âåùåñòâà ïîêà íå âûÿñíåíà, íåêîòîðûå ñ÷èòàþò åãî õîëîäíûì, íî îíî ìîæåò ñêó÷èâàòüñÿ ïîä âëèÿíèåì ãðàâèòàöèè ñ îáðàçîâàíèåì îáúåêòîâ îò ãàëàêòèê äî ñâåðõñêîïëåíèé.
Íî ïî÷åìó Âñåëåííàÿ îäíîðîäíà â îäíèõ ìàñøòàáàõ è íåîäíîðîäíà â äðóãèõ, ÷òî æå ïîñëóæèëî íà÷àëîì ðàñøèðåíèÿ ïðîñòðàíñòâà Âñåëåííîé?  íà÷àëüíûé ìîìåíò â òî÷êå áûëè îãðîìíîå äàâëåíèå è âûñîêàÿ òåìïåðàòóðà. Äàâëåíèå íàãðåòûõ ãàçîâ âûçûâàåò èíòåíñèâíîå ðàñøèðåíèå — âçðûâ. Åñëè âçðûâ ïðîèñõîäèò â âîçäóõå, èìååò ìåñòî ïåðåïàä äàâëåíèé ìåæäó ãîðÿ÷èì ãàçîì è âîçäóõîì, âûçâàííûé íåîäíîðîäíîñòüþ ïëîòíîñòè ðàñøèðÿþùåãîñÿ ãàçà. Íî âåùåñòâî Âñåëåííîé îäíîðîäíî, ïîýòîìó ïåðåïàäà äàâëåíèé, âûçûâàþùåãî ïîäòàëêèâàþùóþ ê ðàçëåòó ñèëó, íåò. Îãðîìíîå äàâëåíèå â ñàìîì íà÷àëå íå ìîæåò ñëóæèòü òîë÷êîì ê áûñòðîìó ðàçëåòó. È íàîáîðîò, áîëüøîå äàâëåíèå âåäåò, ñîãëàñíî ÎÒÎ, ê äîïîëíèòåëüíîìó òÿãîòåíèþ, ò. å. äàæå çàìåäëÿåò ðàñøèðåíèå.
Ýéíøòåéí ââåë â òåîðèþ ïîíÿòèå ñèëû ãðàâèòàöèîííîãî îòòàëêèâàíèÿ, îïèñûâàåìîé êîíñòàíòîé Ë. Ìîäåëü ïóñòîé Âñåëåííîé äå Ñèòòåðà äîïóñêàåò, ÷òî êîñìîëîãè÷åñêàÿ ïîñòîÿííàÿ âûçûâàåò óñêîðåííûé ðàçëåò ÷àñòèö âåùåñòâà. Ïî îöåíêàì â ñàìîì íà÷àëå ðàñøèðåíèÿ ïëîòíîñòü âåùåñòâà âî Âñåëåííîé áûëà áëèçêà ê êðèòè÷åñêîé. Ïðè÷èíó ýòîãî íàçâàëè «ïðîáëåìîé êðèòè÷åñêîé ïëîòíîñòè».  òåîðèè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö ïîëó÷åíî, ÷òî ïðè ñâåðõáîëüøèõ ýíåðãèÿõ âîçìîæíî ñóùåñòâîâàíèå ìîíîïîëåé, ñòðóí (ñì. 2.8). Ìîíîïîëè — ýòî ñâîåîáðàçíûå ÷àñòèöû, êîòîðûå â 1016 ðàç ìàññèâíåå ïðîòîíîâ, âîçíèêàëè â ýïîõó Âåëèêîãî îáúåäèíåíèÿ, íî â ïðîöåññå äàëüíåéøåé ýâîëþöèè Âñåëåííîé îíè ÷àñòè÷íî àííèãèëèðîâàëè, íî äîëæíû åùå áûòü. Ìîæåò, îíè âõîäÿò â «ñêðûòóþ ìàññó» Âñåëåííîé, âåäü åå ïëîòíîñòü â 30 ðàç ïðåâîñõîäèò ïëîòíîñòü îáû÷íîé ìàòåðèè. Ñîâðåìåííàÿ òåîðèÿ âàêóóìà ïðèçíàåò ñóùåñòâîâàíèå ðàçíûõ âàêóóìîâ, çàâèñÿùèõ îò ñïîñîáà åãî ïîëó÷åíèÿ. Âîîáùå, âàêóóì — ýòî ñîñòîÿíèå ñ ìèíèìàëüíûì çíà÷åíèåì ýíåðãèè, íèæå êîòîðîãî óæå íåëüçÿ îïóñòèòüñÿ. Åñëè äàæå óäàëèòü âñå ÷àñòèöû è ïîëÿ, îñòàåòñÿ ñîñòîÿíèå «êèïåíèÿ ïóñòîòû». Îêàçûâàåòñÿ, âàêóóì â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ìîæåò îáëàäàòü ïîëîæèòåëüíîé ïëîòíîñòüþ ýíåðãèè, ïëîòíîñòüþ ìàññû è îòðèöàòåëüíûì äàâëåíèåì (íàòÿæåíèåì). Ýòè îñîáûå ñâîéñòâà âàêóóìà è ïðèâîäÿò ê óâåëè÷åíèþ êîñìîëîãè÷åñêîé ïîñòîÿííîé, êîòîðàÿ ìåíÿåò ñèòóàöèþ, âûçûâàÿ ãðàâèòàöèîííîå îòòàëêèâàíèå.
Ïî òåîðèè À. Ãóòà è Ï. Ñåéíõàðäòà, ðàçäóâàíèå î÷åíü ðàííåé Âñåëåííîé áûëî ñèëüíûì è êðàòêîâðåìåííûì (ðèñ. 9.13). Ïîýòîìó íàñ áóäåò èíòåðåñîâàòü ñîñòîÿíèå âàêóóìà, ïîëó÷åííîãî ïðè ðåçêîì îõëàæäåíèè Âñåëåííîé. Ðàçäóâàíèå äîëæíî ïðîèñõîäèòü ïî ýêñïîíåíòå, åñëè ñèëû âàêóóìà ñòàíîâÿòñÿ ïðåâàëèðóþùèìè âî Âñåëåííîé.
Ñèëû «àíòèãðàâèòàöèè» ñòàíîâÿòñÿ áîëüøå ãðàâèòàöèîííûõ, è ýòî ñëóæèò ïåðâîòîë÷êîì ê ðàñøèðåíèþ ñ óñêîðåíèåì.  70-å ãã.
362
ñîâåòñêèå ôèçèêè Ä.À. Êèðæíèö è À. Ëèíäå ïîêàçàëè, ÷òî òàêèå óñëîâèÿ ìîãóò âîçíèêàòü âî Âñåëåííîé ïðè áîëüøèõ äàâëåíèÿõ è ðåçêîì ñíèæåíèè òåìïåðàòóðû îò î÷åíü áîëüøèõ çíà÷åíèé, ïðåâûøàþùèõ òåìïåðàòóðó ýïîõè Âåëèêîãî îáúåäèíåíèÿ. Ýôôåêòû êâàíòîâîé ãðàâèòàöèè, ïî òåîðèè Ëèíäå, ïðèâîäÿò ê âîçìîæíîñòè âîçíèêíîâåíèÿ âàêóóìîïîäîáíûõ ñîñòîÿíèé, êîãäà ñóùåñòâóåò ãðàâèòàöèîííîå îòòàëêèâàíèå. Ñîãëàñíî òåîðèÿì ñâåðõïëîòíîé ìàòåðèè, òàêèå ñîñòîÿíèÿ ìîãóò âîçíèêàòü ïî íåñêîëüêèì ïðè÷èíàì. Ïëîòíîñòè ýòè ñîîòâåòñòâóþò ýíåðãèÿì ïî÷òè ïëàíêîâñêèì: 1019 Ãý = 1032 Ê. Òàêóþ ýíåðãèþ ÷àñòèöû èìåëè â ìîìåíò ïîðÿäêà 3 • 10-44 ñ. Ìîæíî âû÷èñëèòü, ÷òî â ýòîò ìîìåíò ïëîòíîñòü ìàòåðèè ð = 1097 êã/ì3 è òîæå íàçûâàåòñÿ ïëàíêîâñêîé. Òàêèì îáðàçîì, â ýòî âðåìÿ ïðè óñëîâèÿõ, áëèçêèõ ê ïëàíêîâñêèì, ñóùåñòâîâàëî âàêóóìíîïîäîáíîå ñîñòîÿíèå, ïðèâåäøåå ê èíôëÿöèîííîìó ðàç-
363
äóâàíèþ. Âñå ëîêàëüíûå ñêó÷èâàíèÿ â òå÷åíèå ôàçû ðàçäóâàíèÿ, èëè èíôëÿöèè, ñèëüíî ðàñøèðèëèñü, âñå ìèêðîñêîïè÷åñêèå êâàíòîâûå ôëóêòóàöèè ïðåâðàòèëèñü â ìàêðîñêîïè÷åñêèå âàðèàöèè ïëîòíîñòè, èç êîòîðîé â áóäóùåì îáðàçîâàëèñü ñòðóêòóðû. Òåîðèÿ ôàçû èíôëÿöèè îñíîâàíà íà çàêîíàõ êâàíòîâîé ìåõàíèêè, íî êâàíòîâûå ôëóêòóàöèè íàñòîëüêî âåëèêè, ÷òî ïðèõîäèòñÿ ïîäãîíÿòü ðÿä ïàðàìåòðîâ ìîäåëè.
Ìîäåëü ðàçäóâàþùåéñÿ, èëè èíôëÿöèîííîé, Âñåëåííîé òî÷íî ñîâïàäàåò ñ îïèñàíèåì íàáëþäàåìîãî ìèðà, íà÷èíàÿ ñ 10-30 ñ ïîñëå Íà÷àëà. Äàæå â ýòè ìèêðîñêîïè÷åñêèå äîëè ñåêóíäû íàáëþäàåòñÿ îòëè÷èå ìîäåëè.  ðàçäóâàþùåéñÿ Âñåëåííîé ñíà÷àëà áûëà ôàçà èíôëÿöèè (ðàçäóâàíèÿ), êîãäà äèàìåòð Âñåëåííîé î÷åíü áûñòðî óâåëè÷èëñÿ — â 1050 ðàç áîëüøå, ÷åì ïðåäïîëàãàëîñü â ìîäåëè Áîëüøîãî Âçðûâà. Ïîñëåäñòâèÿ ýòîãî ðàçäóâàíèÿ âåëèêè, îíè ïðèâîäÿò ê âûâîäó, ÷òî íàáëþäàåìàÿ íàìè Âñåëåííàÿ — ÷àñòü âñåé Âñåëåííîé. Ìîäåëü ïîëàãàåò, ÷òî Íà÷àëî áûëî 10—15 ìëðä ëåò íàçàä èç ñèíãóëÿðíîãî (ñâåðõãîðÿ÷åãî è ñâåðõïëîòíîãî) ñîñòîÿíèÿ, ðàñøèðåíèå ïðîñòðàíñòâà ïðîäîëæàåòñÿ. Ýòè ìîäåëè îáúÿñíèëè è ðåëèêòîâîå èçëó÷åíèå, è êðàñíîå ñìåùåíèå â ñïåêòðàõ äàëåêèõ ãàëàêòèê, è ïåðâîíà÷àëüíîå ñîäåðæàíèå ëåãêèõ ýëåìåíòîâ. Èñïîëüçóÿ äàííûå î ìèðå ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö, êîñìîëîãè òåïåðü ïûòàþòñÿ ïîäîáðàòüñÿ ïî÷òè ê ñàìîìó Íà÷àëó, ê ìîìåíòó â 10-45 ñ ïîñëå íà÷àëà ðàñøèðåíèÿ. Ïðèõîäèòñÿ ÷òî-òî ïðåäïîëàãàòü î òàêîì ýêçîòè÷åñêîì ñîñòîÿíèè, íàïðèìåð, î ñóùåñòâîâàíèè áîëüøîãî ÷èñëà ìàãíèòíûõ ìîíîïîëåé.
Ìîäåëü èíôëÿöèîííîé Âñåëåííîé ïîçâîëÿåò óìåíüøèòü ÷èñëî òàêèõ «ýêçîòè÷åñêèõ» ÷àñòèö. Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî â óêàçàííûå âðåìåíà çàêîíû ôèçèêè íå ìåíÿëèñü, ñîñòîÿíèå îïèñûâàëîñü êâàíòîâîé ãðàâèòàöèåé. Âåùåñòâî áûëî ðàâíîâåñíî è îäíîðîäíî. Ýòî áûë ãîðÿ÷èé ãàç ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö, çàïîëíÿþùèé âñå ïðîñòðàíñòâî è ðàñøèðÿþùèéñÿ âìåñòå ñ íèì. Ýòîò ãàç îòëè÷àåòñÿ îò èäåàëüíîãî.  1970 ã. ðàñ÷åò Õàéâåëè ïîêàçàë, ÷òî âîäîðîä áûë â ìåòàëëè÷åñêîé ôàçå, ò.å. åãî êðèñòàëëèçàöèÿ ïðèâåëà ê âîçíèêíîâåíèþ íå òîëüêî óïîðÿäî÷åííîé ðåøåòêè, íî è ìåòàëëà, ñâîéñòâà êîòîðîãî ïîõîæè íà ñâîéñòâà ìåòàëëè÷åñêîãî íàòðèÿ. Îòêðûòèå ìàãíèòíîãî ïîëÿ Þïèòåðà íàâåëî â òî âðåìÿ íà ìûñëü, ÷òî ÿäðî ýòîé ïëàíåòû ñîñòîèò èç ìåòàëëè÷åñêîãî âîäîðîäà.  òàêîì ñîñòîÿíèè âîäîðîä ìîã ðàñêàëûâàòüñÿ íà ôðàãìåíòû. Âîçìîæíî, ÷òî ïîñëå ôàçîâîãî ïåðåõîäà ìîãëè ïîÿâèòüñÿ ìîëåêóëÿðíûå êðèñòàëëû.
Ïîäîáíûå ôðàãìåíòû ñ ìîëåêóëÿðíî-êðèñòàëëè÷åñêîé ñòðóêòóðîé ñîîòâåòñòâóþò ïî ìàññå íàèáîëåå êðóïíûì ñïóòíèêàì Þïèòåðà è Ñàòóðíà, à ôðàãìåíòû, ñîñòîÿùèå èç ìåòàëëè÷åñêîãî âîäîðîäà, ïðåâîñõîäÿò ïî ìàññå Çåìëþ è íà 1 — 2 ïîðÿäêà ìåíåå ìàññèâíû, ÷åì ïëàíåòû-ãèãàíòû. Íî èçìåíåíèÿ ñîñòîÿíèÿ âåùåñòâà è èçëó÷åíèÿ áûëè ìíîãî ìåäëåííåé, ÷åì â èññëåäóåìûå âðåìåíà. Ýòà ìîäåëü îáúÿñíÿåò óïîìÿíóòûå ñîáûòèÿ ÷åðåç 1 ñ ïîñëå Íà÷à-
364
ëà, ïîçâîëÿÿ ïðåäñêàçûâàòü è äðóãèå ÿâëåíèÿ, êîòîðûå ìîæíî ïðîâåðèòü.
Èçîòðîïíîñòü ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ, èëè îäíîðîäíîñòü íàáëþäàåìîé Âñåëåííîé â áîëüøèõ ìàñøòàáàõ, ïûòàåòñÿ îáúÿñíèòü ìîäåëü Áîëüøîãî Âçðûâà. Èç-çà êîíå÷íîñòè ñêîðîñòè ñâåòà âñåãäà ñóùåñòâóåò ãîðèçîíò — ìàêñèìàëüíîå ðàññòîÿíèå, íà êîòîðîå ñèãíàë óñïåë ðàñïðîñòðàíèòüñÿ ñî âðåìåíè íà÷àëà ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé. Ðàññòîÿíèå ìåæäó èñòî÷íèêàìè ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ, íàõîäÿùèìèñÿ â ïðîòèâîïîëîæíûõ íàïðàâëåíèÿõ íà íåáåñíîé ñôåðå, â 90 ðàç ïðåâûøàëî ðàññòîÿíèå äî ãîðèçîíòà â ìîìåíò èçëó÷åíèÿ.
Ñïåêòð íà÷àëüíûõ íåîäíîðîäíîñòåé çàäàþò äëÿ îáúÿñíåíèÿ íåîäíîðîäíîñòåé â ìàëûõ ìàñøòàáàõ. Ýòî ïðåäïîëîæåíèå ââåäåíî äëÿ îáúÿñíåíèÿ ñêó÷èâàíèÿ âåùåñòâà â ãàëàêòèêè, ñêîïëåíèÿ ãàëàêòèê, ñâåðõñêîïëåíèÿ ñêîïëåíèé è ò.ä. Åùå îäíî ñëàáîå ìåñòî òåîðèè, êàê óêàçûâàëîñü âûøå, — ýòî ïëîòíîñòü ýíåðãèè âî Âñåëåííîé. Ïî ÎÒÎ, òèï êðèâèçíû ïðîñòðàíñòâà îïðåäåëÿåòñÿ ïëîòíîñòüþ ýíåðãèè: åñëè îíà áîëüøå êðèòè÷åñêîé, îïðåäåëÿåìîé òåìïîì ðàñøèðåíèÿ, òî ïðîñòðàíñòâî çàìêíóòî, åñëè ìåíüøå — íåçàìêíóòî, åñëè ðàâíà — ïðîñòðàíñòâî ïëîñêîå. Ïîñëåäíèé ñëó÷àé ñîîòâåòñòâóåò íåóñòîé÷èâîìó ñîñòîÿíèþ, êîòîðîå íèêîãäà íå ìåíÿåòñÿ â èäåàëüíûõ óñëîâèÿõ. Åñëè â íà÷àëå îíà áûëà õîòü íåìíîãî îòëè÷íîé îò êðèòè÷åñêîé, òî ýòî îòêëîíåíèå áûñòðî ðîñëî áû ñî âðåìåíåì. Ïî ñîâðåìåííûì äàííûì, çíà÷åíèå îòíîøåíèÿ ïëîòíîñòåé ýíåðãèè ðàâíî îò 0,1 äî 2. ×òîáû ïîïàñòü â ýòîò äèàïàçîí çíà÷åíèé ïàðàìåòðà, â íà÷àëå äîëæíî áûòü îòëè÷èå îò 1 ñ ïîãðåøíîñòüþ äî 10-15 ñ. Ýòè ïðèáëèæåíèÿ çàëîæåíû â íà÷àëüíûå óñëîâèÿ ñòàíäàðòíîé ìîäåëè Áîëüøîãî Âçðûâà.
Ýëåêòðîìàãíèòíûå ñèëû, ïîðîæäàåìûå ïëàçìîé, èãðàþò áîëåå ñóùåñòâåííóþ ðîëü â ôîðìèðîâàíèè Âñåëåííîé, ÷åì ãðàâèòàöèÿ, ñ÷èòàåò øâåäñêèé àñòðîôèçèê X. Àëüôåí. Ìåæçâåçäíîå ïðîñòðàíñòâî çàïîëíåíî äëèííûìè «íèòÿìè» è äðóãèìè ñòðóêòóðàìè, ñîñòîÿùèìè èç ïëàçìû. Ñèëû, ïîíóæäàþùèå ïëàçìó ñîçäàâàòü òàêèå ôèãóðû, çàñòàâëÿþò åå îáðàçîâûâàòü ãàëàêòèêè, çâåçäû è çâåçäíûå ñèñòåìû. Îí ñ÷èòàåò, ÷òî Âñåëåííàÿ ðàñøèðÿåòñÿ ïîä âëèÿíèåì ýíåðãèè, âûäåëÿþùåéñÿ ïðè àííèãèëÿöèè ÷àñòèö è àíòè÷àñòèö, íî ðàñøèðåíèå ïðîèñõîäèò ìåäëåííåé. Ðÿä èäåé Àëüôåíà, ðîäèâøèõñÿ èç ýêñïåðèìåíòîâ ñ ìîùíûìè ïëàçìåííûìè ãåíåðàòîðàìè, ïîäòâåðäèëèñü îïûòàìè íà êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòàõ â Ñîëíå÷íîé ñèñòåìå. Êîñìîëîãè÷åñêèå ìîäåëè, îñíîâàííûå íà èäåÿõ Àëüôåíà è äàííûõ î ïëàçìå, ðàçðàáàòûâàåò íà ñóïåðêîìïüþòåðàõ â Ëîñ-Àëàìîñå ãðóïïà ñîòðóäíèêîâ ïîä ðóêîâîäñòâîì Ý. Ïåðàòòà. Îäèí èç ðàñ÷åòîâ ïîêàçàë, êàê íèòåâèäíûå ñòðóêòóðû èç ïëàçìû ìîãóò äàòü ðàâíîìåðíûé ìèêðîâîëíîâûé ôîí, îòêðûòèå êîòîðîãî ïîäòâåðäèëî ìîäåëü Áîëüøîãî Âçðûâà. Åñòü ðàñ÷åòû, ïîêàçûâàþùèå, êàê ýëåêòðîìàãíèòíûå ñèëû ìîãóò ó÷àñòâîâàòü âìåñòå ñ ãðàâèòàöèåé â îáðàçîâàíèè ãàëàêòèê èç îáëàêîâ ïëàçìû. Ïðè ýòîì ïîëó÷àþòñÿ âñå èçâåñòíûå ôîðìû ãàëàêòèê áåç äîïîëíèòåëüíûõ ïðåäïîëîæåíèé î ñóùåñòâîâàíèè òåìíîãî âåùåñòâà, êîòîðîå ââîäÿò â äðóãèå ìîäåëè ýâîëþöèè Âñåëåííîé.
365
Èíà÷å èñòîëêîâûâàåò êðàñíîå ñìåùåíèå è çàêîí Õàááëà àìåðèêàíñêèé àñòðîíîì Õ.Àðï. Îí íàçûâàåò ñîîòíîøåíèå Õàááëà «åäèíñòâåííûì øàòêèì ïðåäïîëîæåíèåì, ëåæàùèì â îñíîâå ñîâðåìåííîé àñòðîíîìèè è êîñìîëîãèè». Àðï ñîîáùàåò, ÷òî îí íàáëþäàë ìíîãî îáúåêòîâ, êîòîðûå íå ñëåäóþò çàêîíó Õàááëà. Îí ñ÷èòàåò, ÷òî êâàçàðû, îáëàäàþùèå íàèáîëüøèì êðàñíûì ñìåùåíèåì, íà ñàìîì äåëå íàõîäÿòñÿ íå íà êðàþ Âñåëåííîé, êàê ñëåäóåò èç çàêîíà Õàááëà, à íå äàëåå, ÷åì âñå ãàëàêòèêè, õîòÿ èõ êðàñíîå ñìåùåíèå ìíîãî ìåíüøå. Åìó äàæå êàæåòñÿ, ÷òî êâàçàðû ìîãóò áûòü «îòâåòâëåíèÿìè» ãàëàêòèê.
Èäåè Âåëèêîãî îáúåäèíåíèÿ âçàèìîäåéñòâèé íà îñíîâå ñèììåòðèè, êîòîðàÿ ñïîíòàííî ìîæåò íàðóøàòüñÿ, ðàçâèâàåò ñîâðåìåííàÿ òåîðèÿ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö.  ðàâíîâåñíîì ñîñòîÿíèè ýòèõ íàðóøåíèé ñèììåòðèè íåò. Íî ïðè òåìïåðàòóðàõ ïîðÿäêà 1027 Ê âîçìîæíû ôàçîâûå ïåðåõîäû ñðåäè áàðèîíîâ (ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ). Çàêîí ñîõðàíåíèÿ áàðèîííîãî ÷èñëà èñõîäèò èç ñòàáèëüíîñòè ïðîòîíîâ, ïîñêîëüêó âðåìÿ åãî æèçíè ïîðÿäêà 1031 ëåò, ÷òî èçâåñòíî èç îïûòîâ. Èç òåîðèé Âåëèêîãî îáúåäèíåíèÿ èçâåñòíî, ÷òî áàðèîííîå ÷èñëî ñîõðàíÿåòñÿ íå òî÷íî. Ïðè âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ çàêîí íàðóøàåòñÿ, è ýòèì îáúÿñíÿåòñÿ çàðÿäîâàÿ àñèììåòðèÿ íàøåé Âñåëåííîé. Íàáëþäàåìûé èçáûòîê âåùåñòâà íàä àíòèâåùåñòâîì — ñëåäñòâèå âçàèìîäåéñòâèÿ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö ïðè òåìïåðàòóðàõ ÷óòü íèæå êðèòè÷åñêîé òåìïåðàòóðû ôàçîâîãî ïåðåõîäà. Ïðè êðèñòàëëèçàöèè æèäêîñòè ðàçëè÷íûå îáëàñòè — äîìåíû — ìîãóò êðèñòàëëèçîâàòüñÿ ñ ðàçíûì íàïðàâëåíèåì îñåé. Äîìåíû ðàñòóò, ïðèõîäÿò â ñîïðèêîñíîâåíèå äðóã ñ äðóãîì, ïðè ýòîì ýíåðãåòè÷åñêè âûãîäíî ñîâïàäåíèå îñåé íà ãðàíèöàõ ñîïðèêîñíîâåíèÿ. Íî ýòî ïîëó÷àåòñÿ íå âñåãäà, è îñòàþòñÿ «ëîêàëüíûå äåôåêòû». Òî÷å÷íûì äåôåêòàì ñîîòâåòñòâóþò ìàãíèòíûå ìîíîïîëè, à ïîâåðõíîñòíûì — ñòåíêè äîìåíîâ.
Ìîäåëü èíôëÿöèîííîé Âñåëåííîé Àëàíà Ãóòà (1980), äåòàëüíî àíàëèçèðóþùàÿ íàðóøåíèå ñèììåòðèè ïðè ôàçîâûõ ïåðåõîäàõ â ñòîëü íåîáû÷íûõ óñëîâèÿõ, ñóìåëà óìåíüøèòü íåêèé ïðîèçâîë ñ ìîíîïîëÿìè. Àíäðåé Ëèíäå èñïðàâèë íåêîòîðûå äîïóùåíèÿ ìîäåëè, ñîõðàíèâ åå äîñòîèíñòâà. Âïåðâûå áûëà ñäåëàíà ïîïûòêà ðàçðåøèòü îäíó èç îñíîâíûõ ïðîáëåì ìèðîçäàíèÿ — âîçíèêíîâåíèå âñåãî èç «íè÷åãî». Ýíåðãèþ Âñåëåííîé, êîòîðàÿ ñîõðàíÿåòñÿ, ðàçäåëèëè íà ãðàâèòàöèîííóþ è íåãðàâèòàöèîííóþ ÷àñòè, êîòîðûå èìåþò ðàçíûå çíàêè, è òîãäà ïîëíàÿ ýíåðãèÿ Âñåëåííîé ðàâíà íóëþ. Åñëè ïðåäñêàçûâàåìîå òåîðèÿìè Âåëèêîãî îáúåäèíåíèÿ íåñîõðàíåíèå áàðèîííîãî ÷èñëà ïîäòâåðäèòñÿ, òî òîãäà íè îäèí èç çàêîíîâ ñîõðàíåíèÿ íå áóäåò ïðåïÿòñòâîâàòü ðîæäåíèþ Âñåëåííîé «èç íè÷åãî». Ïîêà æå ýòè ìîäåëè äàþò òîëüêî ïðåäïîëàãàåìûé ìåõàíèçì, êîòîðûé ìîæíî íà îñíîâå ôàíòàçèè è çíàíèé ðàññ÷èòûâàòü íà êîìïüþòåðàõ.
366
Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè è ïîâòîðåíèÿ
- Ïîÿñíèòå, ÷òî òàêîå «ãàëàêòèêà», êàêîâû ôîðìà è ñòðîåíèå ãàëàêòèê. Ãäå íàõîäèòñÿ Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà â íàøåé Ãàëàêòèêå?
- Êàêîâû èñòî÷íèêè ýíåðãèè çâåçä? Äàéòå ïðåäñòàâëåíèå îá ýâîëþöèè îáû÷íûõ çâåçä è êðàñíûõ ãèãàíòîâ è ïîÿñíèòå ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå â èõ íåäðàõ. Êàêîâà ïåðñïåêòèâà ýâîëþöèè Ñîëíöà?
- Ðàññêàæèòå, ÷òî òàêîå Âñåëåííàÿ, êàêîâû åå ðàçìåðû, êàêèå îáúåêòû åå ñîñòàâëÿþò è êàêèå ìîäåëè ðàçâèòèÿ Âñåëåííîé Âàì èçâåñòíû.
- Íàçîâèòå ýìïèðè÷åñêèå ïîäòâåðæäåíèÿ ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé. ×òî îçíà÷àþò ïîíÿòèÿ «ñòàöèîíàðíîñòü» è «íåñòàöèîíàðíîñòü» Âñåëåííîé, êàêîâà ïðèðîäà ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ?
- Êàêèå íàáëþäåíèÿ ïîäòâåðäèëè ìîäåëü Áîëüøîãî Âçðûâà?
- Êàê ñâÿçàíû îáùàÿ òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè è ìîäåëü ðàñøèðÿþùåéñÿ Âñåëåííîé?
- Ïî÷åìó â ðåçóëüòàòå ïåðâè÷íîãî íóêëåîñèíòåçà íå ìîãëè îáðàçîâàòüñÿ õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû, ñóùåñòâóþùèå ñåé÷àñ âî Âñåëåííîé?
- Êàêîâî ñîäåðæàíèå è çíà÷åíèå çàêîíà Õàááëà? Îïèøèòå ýâîëþöèþ Âñåëåííîé îò Áîëüøîãî Âçðûâà äî íà÷àëà ïåðâè÷íîãî íóêëåîñèíòåçà.
- Äàéòå ïðåäñòàâëåíèå îá èíôëÿöèîííîé òåîðèè ðîæäåíèÿ Âñåëåííîé.
10. Îïèøèòå ïðîöåññû ýâîëþöèè Âñåëåííîé îò åå «ïðîñâåòëåíèÿ» äî
îáðàçîâàíèÿ ãàëàêòèê è çâåçä.
.
Âàø êîììåíòàðèé î êíèãå Îáðàòíî â ðàçäåë Íàóêà
|
|