Дубнищева Т. Концепции современного естествознания. Учебное пособие

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 9 КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ, ЭВОЛЮЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И ЗАРОЖДЕНИЯ СТРУКТУР В МИРЕ ЗВЕЗД
9.1. Строение типичной звезды. Источники энергии Солнца и звезд

Солнце — рядовая звезда нашей Галактики, горячий шар из плазмы. Его когда-то считали твердым шаром и даже пригодным для жизни. Радиус Солнца 6966000 км, масса 1,99 • 1030 кг, средняя плотность 1,41 кг/м3. Его возраст оценивается в 4,6 млрд лет, как и у всех тел Солнечной системы. Для Земли Солнце — ближайшая звезда, источник жизни. Среднее расстояние от Земли до Солнца 149,6 млн км или 1 а. е. Земля вращается, как и другие планеты, по эллиптической орбите, ее расстояние зимой меньше на 2,5 млн км, а в июле — на столько же больше. Мощность, излучаемая Солнцем, составляет 3,86 • 1040 Дж/с, или 3,86 • 1020 МВт, из которой до Земли доходит только одна двухмиллиардная часть. Эффективная температура поверхности Солнца равна 5806 К, оно относится к спектральному классу желтых карликов.
Современная структура Солнца возникла в результате эволюции (рис. 9.1, а, б). Наблюдаемые слои Солнца называют его атмосферой. Фотосфера — самая глубокая ее часть, и чем глубже, тем слои горячее. В тонком (порядка 700 км) слое фотосферы возникает наблюдаемое излучение Солнца. Во внешних, более холодных слоях фотосферы свет частично поглощается — на фоне непрерывного спектра образуются темные фраунгоферовы линии. В телескоп можно наблюдать зернистость фотосферы. Маленькие светлые пятнышки — гранулы (размером до 900 км) — окружены темными промежутками. Эта происходящая во внутренних областях конвекция вызывает движения в фотосфере — в гранулах горячий газ вырывается наружу, а между ними — опускается. Эти движения распространяются и в более высокие слои атмосферы Солнца — хромосферу и корону. Поэтому они горячее, чем верхняя часть фотосферы (4500 К). Хромосферу можно наблюдать во время затмений. Видны спикулы — язычки уплотненного газа. Изучение спектров хромосферы показывает ее неоднородность, перемешивание газа происходит интенсивно, и температура хромосферы достигает 10 000 К. Над хромосферой располагается самая разреженная часть солнечной атмосферы — корона, она все время колеблется с периодом 5 мин. Плотность и давление быстро нарастают внутрь, где газ сильно сжат. Давление превышает сотни миллиардов атмосфер (1016 Па), а плот-
319

320

ность до 1,5 • 105 кг/м . Температура тоже сильно возрастает, достигая 15 млн К.
Магнитные поля играют на Солнце существенную роль, так как газ находится в состоянии плазмы. При росте напряженности поля во всех слоях его атмосферы возрастает солнечная активность, проявляющаяся во вспышках, которых в годы максимума бывает до 10 в сутки. Вспышки размером около 1000 км и продолжительностью порядка 10 мин обычно возникают в нейтральных областях между пятнами, имеющими противоположную полярность. Во время вспышки выделяется энергия, равная энергии взрыва 1 млн мегатонных водородных бомб. Излучение в это время наблюдается и в радиодиапазоне, и в рентгеновском. Появляются энергичные частицы — протоны, электроны и другие ядра, составляющие солнечные космические лучи.
Солнечные пятна перемещаются по диску; заметив это, Галилей заключил, что оно вращается вокруг своей оси. Наблюдения за пятнами показали, что Солнце вращается слоями: около экватора период около 25 сут, а у полюсов — 33 сут. Число пятен на Солнце колеблется в течение 11 лет от наибольшего к наименьшему. За меру этой пятнообразующей деятельности принимают так называемые числа Вольфа: W= 10g+f, здесь g— число групп пятен, f — общее число пятен на диске. При отсутствии пятен W= 0, при одном пятне — W= 11. В среднем пятно живет почти месяц. Размеры пятен порядка сотен километров. Пятна обычно сопровождаются группой светлых полосок — факелов. Оказалось, что в области пятен наблюдаются сильные магнитные поля (до 4000 эрстед). Видимые на диске волокна названы протуберанцами. Это массы более плотного и холодного газа, поднимающиеся над хромосферой на сотни и даже тысячи километров.
В видимой области спектра Солнце абсолютно доминирует на Земле над всеми другими небесными светилами, его блеск в 1010 раз больше, чем у Сириуса. В других диапазонах спектра оно выглядит существенно скромнее. От Солнца исходит радиоизлучение, по мощности одинаковое с радиоисточником Кассиопея А; на небе всего 10 источников слабее его в 10 раз. Оно было замечено только в 1940 г. военными радиолокационными станциями. Анализ показывает, что коротковолновое радиоизлучение возникает вблизи фотосферы, а на метровых волнах генерируется в солнечной короне. Аналогичная картина по мощности излучения наблюдается и в рентгеновском диапазоне — лишь у шести источников оно слабее на порядок. Первые рентгеновские снимки Солнца были получены в 1948 г. с помощью аппаратуры, находящейся на высотной ракете. Установлено, что источники связаны с активными областями на Солнце и расположены на высотах 10—1000000 км над фотосферой, в них температура достигает 3 — 6 млн К. Рентгеновская вспышка обычно следует за оптичес-
321

кой с запаздыванием в 2 мин. Рентгеновское излучение исходит от верхних слоев хромосферы и короны. Кроме того, Солнце излучает потоки частиц — корпускул. Солнечные корпускулярные потоки оказывают большое воздействие на верхние слои атмосферы нашей планеты.
Первый прибор для выяснения природы и строения звезд — полярископ, сконструированный Д. Араго после открытия хроматической поляризации света, появился в 1811 г. Араго обнаружил, что фотосфера Солнца состоит из нагретого до высокой температуры самосветящегося газа, о чем высказывал догадки еще Ломоносов. С этого времени ученые начали изучать и корону, которая была видна в периоды полных солнечных затмений. В 1860 г. английский астроном У.Хеггинс, сравнивая спектры Солнца, звезд и разных веществ, установил, что спектры Солнца и звезд идентичны. Через несколько лет итальянский ученый А.Секки, изучив спектры почти 4000 звезд, подтвердил этот вывод. Французский астроном П.Ж.Жансен, первым начавший изучать атмосферы планет, выяснил, что в состав Солнца входят многие элементы, которые встречаются на Земле. В 1869 г. английский астроном Дж.Н.Локьер обнаружил там неизвестный на Земле элемент, названный гелием. Он же установил существование 11-летнего цикла солнечной активности и предположил, что входящие в состав звезд элементы могут разлагаться под действием высоких температур. Локьер выделил этапы распада элементов, о каждом из которых можно судить по спектру, но позже установили, что изменение спектра определяется изменением температуры. В то же время Локьер и Жансен предложили (независимо друг от друга) новый метод наблюдения протуберанцев и хромосферы Солнца, позволяющий не дожидаться времени затмения.
Потенциальную энергию сжатия Гельмгольц считал источником энергии звезды. Температура даже внешних слоев Солнца порядка 6000 К, т. е. вещество находится там в газообразном состоянии. Движение частиц газа — основа тепловой энергии звезды, гравитационное притяжение частиц — основа ее потенциальной энергии. Чтобы компенсировать потери энергии на излучение, достаточно, чтобы диаметр Солнца уменьшался на 75 м в год. Тогда светимость Солнца удваивалась бы каждые 10 млн лет, но этого не происходит. Эти расчеты и оценка роли гравитационного сжатия оказались не бесполезными в дальнейшем.
Термоядерными реакциями синтеза гелия из водорода объяснил энергию звезд английский астрофизик Эддингтон (1920), известный своими работами по теории гравитации и квантовой теории, обнаруживший экспериментально отклонение света звезды в поле тяготения Солнца (1919), предсказанное ОТО. В книге «Звезды и атомы» (1927) он показал, что масса ядра гелия не точно в четыре раза превышает массу ядра водорода, а несколько меньше. Если к незначительной разнице масс применить формулу Эйнштейна Е = тс2, то окажется, что этот дефект массы эквивалентен огромной энергии. Тогда выводы Эддингтона вызывали сомнения среди ученых.
322

Реакция синтеза ядер гелия из водорода возможна при условиях, реализуемых в центральной части Солнца, где температура составляет 10—13 млн К. Атомы теряют свои электронные оболочки, но этого недостаточно для преодоления силы кулоновского отталкивания между ядрами. Протон предохранен от взаимодействия с другим протоном потенциальным барьером в 2,24 • 10-14 Дж (140 кэВ). Тепловая энергия протона при Т 106 К составляет всего 1 кэВ, а суммарная энергия сталкивающихся протонов вдвое больше, т.е. барьер превышает в 100 раз среднюю энергию частиц. Необходимо сближение частиц на расстояние, меньшее 10-15 м. С точки зрения классической механики, этот барьер непреодолим, но в законах квантовой механики существует вероятность преодоления — так называемый туннельный эффект. Протон должен успеть столкнуться с другим протоном, преодолеть барьер, окружающий его ядро, превратиться в нейтрон, и произойдет рождение тяжелого водорода — дейтерия (рис. 9.2). Так
начнется термоядерная реакция, являющаяся, по современным представлениям, источником энергии звезд. При условиях, типичных для недр звезд типа Солнца, возможны реакции двух типов.
Протон-протонный цикл ядерных реакций разработал американский физик-теоретик Г. Бете (1939). Ядро тяжелого водорода — дейтерия, соединяясь сначала с протоном, образует ядро изотопа гелия. Последняя реакция этого цикла состоит в слиянии ядер легкого гелия и освобождении двух протонов. Этот цикл обеспечивает выход энергии 3,16-10-12 Дж (19,78 МэВ) и может идти при температурах порядка 13 млн К. Расчет показывает, что для обеспечения наблюдаемой светимости Солнца достаточно, чтобы выделение энергии происходило лишь в 0,1 части массы Солнца. На Солнце это самый эффективный цикл.
Азотно-углеродный цикл состоит из шести реакций. Этот цикл типичен для более тяжелых звезд, он требует температур порядка

323

20 млн К. Углерод играет в нем роль катализатора реакций, т. е. его количество остается неизменным. Реакции этого цикла тоже происходят на Солнце, но идут медленно. Два протона не образуют связанной системы (нет изотопа Не2). При столкновении один из протонов превращается в нейтрон с излучением позитрона и нейтрино.
Количество освобожденной энергии оценивалось по формуле Эйнштейна. Дефект массы для слияния четырех протонов и образования ядра атома гелия (а-частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов) составляет 0,02863 а. е. Соответствующая ему энергия излучается, что дает энергию Е = 4,3 • 10-12 Дж. Поскольку Солнце излучает энергию L= 3,86-1026 Дж/с, то из отношения L/E, примерно равного 1038, можно заключить, что в недрах Солнца за 1 с образуется около 1038 ядер гелия. Но тогда должно образовываться вдвое больше нейтрино.
Обнаружение нейтрино подтвердило бы осуществимость таких реакций на Солнце. Оценки показывают, что длина пробега нейтрино порядка 1015 м. Это в сотни раз превышает размеры всей Солнечной системы, а на расстоянии 150 млн км от Земли до Солнца поток нейтрино должен бы составлять 65 млрд на 1 см2 в 1 с.
Для регистрации нейтрино предложено много методов, строятся специальные установки, но точных результатов по их обнаружению пока нет. То, что нейтрино не удавалось уловить, создало проблему «солнечного кризиса». Выход был найден в резком перемешивании солнечного вещества, которое происходит периодически. Дело в том, что центральные части Солнца должны вращаться быстрее, чем поверхностные. Поэтому в область, где происходят термоядерные реакции, втягиваются слои плазмы с повышенным содержанием изотопа Не3, что расширяет область реакции и замедляет ее ход. Накопление вращательного момента, вызывающего эти процессы, продолжается 10 млн лет. Потом происходит передача избытка его центральным областям звезды, и все повторяется. При перемешивании светимость уменьшается, поток нейтрино ослабевает. Возможно, с этим связаны причины оледенений на Земле.
Внутренние области Солнца, где должны происходить термоядерные реакции, изучал Эддингтон и строил их модели. Он считал, что звезды — это шары из плазмы, находящиеся в состоянии лучистого равновесия. Эддингтон определил «время жизни» Солнца, температуру его недр, вычислил предельные массы звезд, обеспечивающие их устойчивость (см. рис. 9.1, а). В 1924 г. он установил связь между массой и светимостью звезд, подсчитал, что силу тяготения должна уравновешивать направленная наружу сила, которая могла возникнуть благодаря стремлению газа расшириться под действием высокой температуры. Исходя из значений массы Солнца и его размеров Эддингтон получил значение температуры в центре газового шара 15 млн К.
324

Активная область, где идут термоядерные реакции, занимает центральную шаровую зону с радиусом 230 тыс. км. Ее окружает зона лучистого переноса энергии радиусом 280 тыс. км с  млн К,
в которой не могут происходить термоядерные реакции: атомы здесь не полностью ионизованы, поглощение у-излучения переводит какие-то их электроны на более высокие орбиты, а возвращаются они уже в несколько ступеней, т.е. испускаются кванты меньших энергий. Зону лучистого переноса окружает зона конвекции, в которой энергия переносится к поверхности путем конвекционного движения солнечной плазмы. Скорости конвекционных движений невелики, порядка 100 — 500 м/с, но эти «под-фотосферные» слои порождают солнечную активность.
Теория зоны конвекции описывает не только состояние вещества, но и строение звезд на ранних этапах их эволюции (до выхода на Главную последовательность), и строение ядер массивных звезд. В зоне конвекции дробление квантов резко ослабевает и лишь малая часть энергии уходит в инфракрасной и радиочастотной областях спектра. Конвекционная зона — источник энергии, обеспечивающий нагревание солнечной короны и хромосферы. КПД переноса энергии в солнечную корону всего 0,01. Газ короны непрерывно истекает в межпланетное пространство, где дует сильный солнечный ветер, сметающий микрометеорные частицы и испаряющиеся из атмосфер планет газы, формирует планетные хвосты. На расстоянии земной орбиты скорость солнечного ветра составляет около 400 км/с, а Солнце теряет 0,01 своей массы за 5 млрд лет (или 4,3 млн т за 1 с).
У голубых звезд и белых гигантов, и сверхгигантов радиус активной зоны составляет 0,2 радиуса звезды, конвекционная зона практически отсутствует, а весь остальной объем занимает зона лучистого переноса энергии. Красные гиганты имеют очень малое, радиусом до 0,001 радиуса звезды, изотермическое ядро, полностью состоящее из гелия, образовавшегося в прошлом из водорода. Поэтому термоядерные реакции идут уже не в ядре, а рядом с ним. Зона переноса излучения имеет небольшую относительную протяженность, а конвекционная зона занимает почти весь огромный объем этих звезд.

9.2. Звезды, их характеристики и эволюция

Звезды — это основные тела Вселенной, в них сосредоточено более 90 % наблюдаемого вещества. Солнце — одна из звезд, но для нас Солнце определяет всю жизнь; другие звезды представляются светящимися точками на небосводе, так как очень далеки от нас. Отдельные группы звезд — созвездия — выделяли еще в древности, в их названиях отражены образ мыслей, предания, леген-
325

ды и жизнь разных народов. Сейчас на звездном небе выделено 88 созвездий с четко обозначенными границами, 60 из них видны с территории нашей страны. В каждом созвездии звезды обозначаются по мере уменьшения яркости буквами греческого алфавита. Некоторые яркие звезды имеют свои собственные названия, которые чаще всего достались им от греческих (Сириус), латинских (Регул) или арабских (Альтаир) астрономов. В течение суток звезды делают полный круг по небу и центр этого круга (полюс мира) находится в том же направлении, в котором днем отбрасывается самая короткая тень (время истинного полудня). Постепенно люди научились ориентироваться (от лат. «ориенс» — восток) и по звездам. В ритме со сменой времен года изменяется вид звездного неба и наибольшая высота Солнца в полдень. Созвездия, видимые над горизонтом вечером на западе, примерно через 2,5 месяца уже появляются утром на востоке. Значит, Солнце движется справа налево среди звезд, его путь называют эклиптикой. Созвездия служат фоном, на котором изучаются и описываются положения перемещающихся по небу тел. Созвездия, по которым проходит годовой путь Солнца, относят к поясу Зодиака. В древности в него входили 12 созвездий, отсюда деление года на 12 месяцев, так как Солнце проходит участок каждого из них за месяц, т. е. по 30 градусов дуги. Сейчас путь Солнца проходит через 13 созвездий (стало «заходить» в созвездие Змееносца).
Звездные величины, введенные в древности, обозначают буквой т. Все видимые звезды еще во 2 в. до н.э. астроном Гиппарх разделил по яркости: переход от одной звездной величины к другой глаз ощущает одинаковым перепадом блеска. У самых ярких звезд т = 1, у самых слабых — 6. В безлунную ночь невооруженным глазом можно видеть почти 3000 звезд (до 6-й звездной величины), в телескоп — почти 350 тыс. звезд (до 10-й величины), 32 млн — до 15-й и 1 млрд — до 20-й. Так как воспринимаются лишь относительные изменения яркости, эти значения связаны со свойствами глаза. Диапазон в 5 звездных величин соответствует отношениям их блеска в 100 раз. Поэтому отношение блеска одной звезды к блеску другой, отличающееся на одну величину, соответствует (100)1/5 = 2,512. Эта величина , где
Е — освещенность (световой поток, падающий на единичную площадку поверхности), — звездная величина, соответствующая 1 лк. И отношение освещенностей звезд равно 2,5 в степени разности их звездных величин, т. е.
Для Солнца , для полной Луны,  поэтому
из приведенной формулы можно заключить, что при одинаковой высоте над горизонтом полная Луна освещает земную поверхность в 465 000 раз слабее Солнца. Сириус ярче Полярной звезды, имеющей звездную величину +2, в 25 раз, что соответствует разности звездных величин 3,5. Поэтому звездная величина Сири-
326

уса (+2 - 3,5) = -1,5, а Солнце посылает энергии в 1010 раз больше, чем Сириус. Здесь учтено, что освещенности, созданные одним источником на разных расстояниях, обратно пропорциональны квадратам этих расстояний.
Звезды — газовые шары, они светят собственным светом (в отличие от планет). По физическим характеристикам звезды делят на нормальные звезды, белые карлики и нейтронные звезды. Размеры большинства звезд различны, диаметры — от 10 до 107 км, Солнца — 1,4 млн км. Белые карлики и нейтронные звезды имеют диаметр всего 10 — 20 км, есть гиганты — Бетельгейзе, Арктур, а самые большие, красные гиганты, больше Солнца настолько, что, оказавшись на его месте, заняли бы объем, включающий орбиту Юпитера. Плотность вещества гигантов и сверхгигантов меньше плотности воздуха в атмосфере Земли, солнечного — больше плотности воды в 1,5 раза, у белого карлика (звезды Сириус В) — порядка 2 т/см3, а у нейтронных звезд — 1014 кг/м3, порядка плотности атомного ядра.
Светимость звезды — это мощность оптического излучения. Чаще всего светимости звезд выражают в светимостях Солнца, которое излучает 3,8  1026 Вт. Диапазон светимостей наблюдаемых звезд огромен — от 10-3 до 106 светимостей Солнца. Для нас Солнце много ярче других звезд, но это не означает, что оно излучает больше энергии, чем они. Для исключения влияния расстояния ввели понятие абсолютной звездной величины, которую имела бы звезда, находящаяся от нас на расстоянии 10 пк. Абсолютная звездная величина М связана с видимой величиной т соотношением, которое является одним из основных в звездной астрономии: Величина т- М называется модулем расстояния. Для Солнца абсолютная звездная величина Мс равна +4m,72, т.е. существенно меньше, чем видимая, как для всех звезд, которые находятся на расстоянии ближе 10 пк.
Расстояния до звезд, как уже указывалось, измеряют методом параллакса (см. рис. 2.2). Здесь единицами длин служат парсек и световой год. 1 пк соответствует годичному параллаксу в 1", т.е. с этого расстояния 1 а. е. видна под углом 1". Отсюда следует, что в 1 пк столько астрономических единиц, сколько угловых секунд в радиане, т. е. 1 пк = 206 265 а. е. Естественно, что наибольший годичный параллакс = (0",76) имеет ближайшая к нам звезда - Проксима Центавра. Поскольку расстояние ,
 , т.е. самая близкая к нам звезда находится на расстоянии, в 272 000 раз большем, чем Солнце. Световой год есть расстояние, которое проходит свет в течение года, т.е.
 Но 1 пк = 206265 а. е., и потому 1 пк = 3,26 св. г.
В XIX в. звезды рассортировали по размерам и массам, а затем — по спектрам.
327

Спектральные классы ввел в 1900 г. американский астроном Э.Пикеринг, обозначив их буквами латинского алфавита. Границы между классами были нечеткие, и впоследствии каждый класс разбили на группы от 0 до 9, и наше Солнце попало по спектру в группу G1. Когда при истолковании спектров начали учитывать ионизацию, стало возможным по спектральным сериям определять температуру звезд. Состав звезд не отличается разнообразием: как и Солнце, большинство звезд состоит преимущественно из водорода и гелия. Тогда спектральные классы выстроили в порядке убывания температуры: О, В, A, F, G, К, М. Имеются еще четыре дополнительных класса: для холодных звезд — R, N, S, для горячих — W. Очевидно, что без классификации звезд нельзя говорить об их эволюции.
Химический состав звезд определяют по спектрам. Данные относятся к поверхностным слоям звезд, поскольку они непрозрачны. Оказалось, что 98 % звездного вещества — это водород и гелий, причем обычно водорода по массе в 2,7 раза больше (рис. 9.3). Строение звезды и источник ее энергии казались в какой-то степени выясненными, но возникли другие, не менее важные вопросы. Солнце, возраст которого оценивают в 5 млрд лет, бедно водородом и богато гелием, хотя за это время оно должно было истратить меньше водорода и образовать меньше гелия. Может быть, раньше оно было горячее и процессы шли скорее, но, по геологическим данным, количество солнечной энергии практически не менялось. Если бы водород уже в большей части выгорел, то в самом центре этой звезды могли начаться ядерные реакции и стали образовываться более тяжелые элементы. На Солнце и других звездах много элементов, более сложных, чем гелий. Получается — и они из самого центра Солнца?! Это противоречит гипотезе происхождения их из туманности, стало быть, тяжелые элементы должны появиться как-то иначе.
Диаграмму зависимости светимостей звезд от их спектральных классов (температур) составили голландец Эйнар Герцш-прунг и американец Генри Норрис Ресселл, она названа именами обоих (рис. 9.4). По оси абсцисс расположены спектральные классы звезд (показатели цвета или температуры), по оси ординат — светимости звезд L(или звездные величины М). Звезды по светимости разделены на семь классов, обозначенных римскими цифрами. Класс светимости пишется после спектрального клас-
328

са звезды: так, Солнце — звезда класса G2V. На диаграмме звезды располагаются не беспорядочно, а образуют несколько последовательностей.
Главная последовательность — узкая полоса звезд, протянувшаяся из верхнего левого угла вниз. Так, в окрестности Солнца большинство звезд сконцентрированы вдоль нее. В правом верхнем углу — сверхгиганты. Размеры звезд сумели оценить с помощью изобретенного в 1881 г. интерферометра, который улавливал разницу в длинах световых волн, исходящих от разных точек поверхности звезды. Оказалось, что вблизи Солнца на одного сверхгиганта приходится около 1000 гигантов и около 10 млн звезд Главной последовательности.
Группа звезд-гигантов компактна и расположена вверху диаграммы между Главной последовательностью и группой сверхгигантов. Параллельно Главной последовательности, несколько ниже ее, расположены звезды, образующие последовательность субкарликов (у них содержание металлов гораздо ниже, чем у звезд Главной последовательности), в левом нижнем углу диаграммы — группа белых карликов, светимость которых меньше солнечной в сотни раз.
329

Масса звезды приобрела большую значимость, когда были открыты источники энергии звезд. Масса Солнца Мс = 2 1030 кг, а массы почти всех звезд лежат в пределах 0,1 — 50 массы Солнца. Практически наиболее верным способом определения массы звезды являются исследования движений двойных звезд. Оказалось, что положение звезды на Главной последовательности определяется ее массой (рис. 9.5).
Соотношения светимостей звезд и их радиусов , све-
тимостей и масс сравнили со значением количества
энергии, излучаемой поверхностью звезды за единицу времени ,
и получили соотношение между температурой поверхности и ее массой  . Итак, чем меньше масса звезды, тем меньше ее поверхностная температура и более поздним будет ее спектральный класс. Отсюда можно оценить массу звезды и по ее светимости:
 . Звезды отличаются цветом; считается, что имеют место законы равновесного излучения — закон Стефана—Больцмана и закон Вина. Антарес имеет красный цвет, Капелла — желтый, Сириус — белый, Вега — голубовато-белый.
Модели внутреннего строения звезд основаны на соотношениях между их параметрами. Они получены Эддингто-ном из условий равновесия плазмы внутри звезд. Оказалось, что с увеличением массы скорость потребления топлива растет быстрее, чем его запас, т. е. чем больше и горячее звезда, тем быстрее кончится ее топливо и ее «жизнь» на Главной последовательности, где находится 0,99 всех видимых звезд. Так, Солнце, по оцен-
330

кам ученых, пробудет на ней еще 8 млрд лет, т.е. оно еще не достигло своего среднего возраста. Если бы Солнце принадлежало к классу А, то его срок (5 млрд лет) был бы на исходе. Для такой большой и горячей звезды, как SЗолотой Рыбы, этот срок был бы всего 2 — 3 млн лет. В теории Эддингтона все свойства звезды основывались на модели идеального газа, поэтому звезды у него при сжатии обязательно нагревались.
На основе закономерностей распределения звезд на диаграмме и известных физических моделей Ресселл построил эволюционный путь звезды (рис. 9.6). Переходя от стадии холодной туманности в голубовато-белую, звезда перемещается в верхней части диаграммы справа налево, пока не достигнет верхнего левого конца Главной последовательности. Далее звезда под влиянием поля тяготения сжимается (при этом нагревания не происходит, а ее вещество достигает плотности, уже не соответствующей плотности газа) и остывает, превращаясь в желтый карлик, как Солнце. Затем она станет красным карликом и погаснет совсем, став черным
331

карликом — пеплом угасшей звезды. Так звезда скользит по Главной последовательности из верхнего левого угла к нижнему правому. Эту гипотезу, просуществовавшую всего 10 лет, назвали теорией скользящей эволюции звезд.
Схема эволюции звезд сопоставлялась с наблюдениями. Существование межзвездной пыли доказал Р.Трюмплер (1930), исследуя звездные скопления. Схема эволюции такова. Облако газа и пыли (газопылевой комплекс) сжимается и нагревается, возникающие неоднородности приводят его в состояние гравитационной неустойчивости, и оно распадается на части. Пока фрагмент прозрачен для инфракрасного излучения, температура его внутренних слоев не повышается, сжатие идет ускоренно. С некоторого момента сжатие переходит в адиабатическое, объект становится непрозрачным, давление и температура внутри растут, замедляя сжатие. Так возникает протозвезда.
Внутренние слои разогреваются за счет энергии гравитации падающего к центру вещества, объект как бы закипает, что отражается бурными вспышками на поверхности. Пример такой звезды — T Тельца. Это продолжается до тех пор, пока не будут достигнуты температуры, достаточные для начала термоядерных реакций. В соответствии со своей массой звезда занимает место на Главной последовательности. Солнце проделало такой путь почти за 2 млн лет. Звезда такой массы «сядет» в среднюю часть последовательности и останется там на срок до 106 лет. Так протозвезда станет звездой.

По мере выгорания водорода давление в оболочке повышается, внешние слои расширяются и звезда начинает покидать Главную последовательность (двинется сначала чуть вправо и вниз), так как на расширение тратится некоторая энергия, и светимость звезды уменьшается (см. рис. 9.6). Равновесие достигается за счет формирования протяженной зоны конвекции, и звезда перейдет в группу красных гигантов. Огромная атмосфера красного гиганта не обеспечивает перенос энергии от внутренних слоев, и внутри звезды процессы пойдут адиабатически. Вблизи ядра температура может достичь необходимого значения для протекания термоядерных реакций, возможно, и с большим выходом энергии, чем у протон-протонных. Тогда холодная огром-
332

ная атмосфера будет отброшена растущим давлением и превратится в расширяющуюся газовую туманность, которая может рассеяться в пространстве за сотни тысяч лет. Вероятно, наблюдаемая туманность в созвездии Лиры имеет такое же происхождение. Соединения ядер гелия возможны, но они дают меньше энергии (до 9 %), чем соединения ядер водорода. Звезда может продлить свое существование, если из углерода, получающегося при соединении трех атомов гелия, начнут возникать более сложные ядра. Конец наступает при синтезировании железа, которое имеет самые устойчивые ядра и уже не выделяет энергии (рис. 9.7).

9.3. Переменные звезды и их эволюция. Конечные стадии эволюции звезд и Солнца

Эволюционный путь звезды определяется ее массой, так как масса определяет количество горючего и с ее ростом увеличиваются температура в центре звезды и интенсивность термоядерных реакций. У звезд относительно небольшой массы (до 30 ) светимость Lпропорциональна , где =3 — 5. Время жизни  звезды пропорционально , т.е. , и для = 4, например,
получаем пропорциональное М-3. Значит, если для Солнца  порядка лет, то у звезды массой лет. Для очень
массивных звезд светимость не столь высока, и она пропорциональна массе, т. е. время жизни почти не зависит от массы и равно 3 — 5 млн лет.
Если звезда имеет массу, близкую массе Солнца, то возможен переход звезды в кратковременную — на несколько миллионов лет — стадию пульсаций (стадия цефеиды), после чего звезда станет белым карликом. Возможно, что Солнце через миллиарды лет тоже начнет расширяться, достигнет стадии красного гиганта, и, если к тому времени человечество не покинет Солнечную систему (или не уничтожит себя раньше этого срока), его судьба будет предрешена. Красные гиганты типа Бетельгейзе и Антареса развились из звезд Главной последовательности и были массивнее Солнца. Возможно, большие звезды станут инфракрасными гигантами.
Оценим размер Солнца в стадии красного гиганта. По закону Стефана—Больцмана светимость Lпропорциональна квадрату радиуса и . Значит, радиус Rпропорционален . Подставляя численные значения, получаем радиус Солнца в эпоху красного гиганта: а. е. Полученное значение показывает, что Солнце расширится до орбиты Меркурия (среднее расстояние 0,387 а.е., расстояние в перигелии — 0,31 а. е.) и поглотит только планету Меркурий.
333

Переменные звезды— это звезды, блеск которых меняется (беспорядочно или периодически). Они отличаются от звезд типа нашего Солнца, «жизнь» которых относительно стационарна. Затменно-переменными являются двойные звезды.
Отмеченное более тысячи лет назад арабскими астрономами изменение блеска звезды р Персея отражено в ее названии — Эль-Гуль, или «дьявол», что в Европе превратилось в Алголь. Причину колебаний ее блеска разгадал английский астроном-любитель Дж. Гудрайк, предположив «существование большого тела, вращающегося вокруг Алголя». Он же обнаружил (1784) пульсации звезды дельта Цефея с периодом меньше 0,2 суток. Еще раньше Д. Фабрициус заметил новую яркую звезду в созвездии Кита, блеск которой менялся с периодом в 348 дней, и назвал ее Мирой («Чудесная»). Такие долгопериодические переменные звезды — преимущественно звезды-гиганты «холодного» спектрального класса М. Впоследствии были обнаружены и классифицированы более 14 тыс. переменных звезд.
Физически переменные звезды на диаграмме «спектр — светимость» занимают широкую полосу в направлении от Главной последовательности в область гигантов и сверхгигантов. При переходе слева направо период пульсаций звезды обратно пропорционален корню квадратному из средней плотности звезды. А ведь чем дальше вправо к области сверхгигантов смещена звезда, тем больше ее радиус и меньше ее плотность! Итак, период пульсаций связан со всей структурой звезды. Вероятно, источником пульсаций в этих звездах служит энергия, высвобождающаяся в звездных недрах, которая способна преобразоваться в механическую за счет особенностей ее строения.
Цефеиды — важный тип физически переменных звезд (см. гл. 3), с периодом блеска от нескольких часов до суток. Изучение спектров цефеид показывает, что вблизи максимального блеска звезда приближается к нам с наибольшей скоростью, а вблизи минимума — удаляется (эффект Доплера). Значит, цефеиды периодически сжимаются и расширяются (см. рис. 3.7).
Радиус цефеиды почти в 30 раз больше солнечного, и зона двукратной ионизации гелия, составляющая всего 1—2 % радиуса, при средней температуре 40 000 К и плотности 3 10-8 г/см3 составляет 10-6 всей массы. Но именно эта, казалось бы, незначительная зона приводит к пульсациям, работая как поршневой двигатель: освобождение энергии при сжигании горючего (или приобретение энергии системой) происходит в момент максимального сжатия в цилиндре. В зоне ионизации гелия-И за счет поглощения энергии растет давление, газ расширяется и уменьшается плотность. Слой становится прозрачней, запасенная в нем энергия начинает усиленно высвечиваться. При достижении наибольшего расширения внешние слои под действием тяготения начнут падать вниз, но равновесное положение «проскользнут», произойдет сжатие, и цикл повторится. Более детальный анализ показал, что пульсировать способ-
334

ны только звезды, в которых зона ионизации попадает в резонанс со всей звездой. Это возможно только для гигантов и сверхгигантов, а при движении вправо от них отстройка от резонанса приводит к неправильностям в блеске звезды. Возможно, многие звезды проходят подобные стадии эволюции.
Новые звезды в нашей Галактике дают до сотни вспышек за год, но видеть удается только одну-две из них. Термин «новые» ввел Тихо Браге, наблюдавший вспышку в 1572 г., и, хотя это название не из удачных, так как вспышка свидетельствует не о рождении, а о гибели звезды, оно сохранилось. Недавно установили, что новые — это тесные двойные системы, состоящие из звезды позднего класса и горячей звезды, окруженной оболочкой плотного газа. Вспыхивает звезда с меньшей массой, перетягивание части массы к ней разогревает ее и приводит к взрыву. Зарегистрировано около 170 новых звезд в нашей Галактике и около 200 — в галактике Андромеды.
В максимуме Новая звезда достигает абсолютной звездной величины М = -8. Такая яркость длится всего несколько дней. Может случиться, что она за несколько месяцев вернет свои прежние характеристики, и в звездных просторах это не выглядит катастрофой, но через сто или тысячу лет она может вновь взорваться (как вулкан имеет склонность к повторным извержениям). В 1885 г. взорвалась Новая SАндромеды: будучи слабой звездочкой 7-й величины, она вдруг стала светить ярче звезды 6-й величины. С учетом расстояния до нее она стала ярче всей галактики Андромеды, ее блеск достигал блеска миллиона простых новых звезд, или в 10 млрд раз превышал блеск Солнца. Это была вспышка Сверхновой звезды.
Сверхновыми звездами стали называть уже по аналогии звезды, производящие наиболее мощные взрывы. Вспышку Сверхновой наблюдали китайские астрономы еще в 1054 г. в созвездии Тельца, и сейчас остатки оболочки этой звезды наблюдаются в виде Крабовидной туманности. Со временем она рассеется в пространстве, но при вспышках образуются изотопы многих элементов с массовыми числами, большими 60. Именно эти вспышки обогащают газопылевые комплексы тяжелыми элементами, поэтому в молодых звездах наблюдается более высокое содержание тяжелых элементов, чем в старых. Вспышки Сверхновых наблюдали примерно раз в 150 — 300 лет в каждой галактике. Кроме расширяющейся оболочки газа, которая сбрасывается при вспышке, на месте вспышки остается нейтронная звезда, или пульсар. Грандиозная Сверхновая была зарегистрирована при обычном фотографировании звездного неба Р. Макнаутом (Австралия) 23 февраля 1987 г., а через 20 ч — И.Шелтоном (Чили), причем она произошла на расстоянии всего 16 тыс. св. лет в Большом Магеллановом облаке. Вспышка была потом детально исследована во
335

всех диапазонах длин волн, и от нее исходил мощный поток нейтрино. Эти исследования приоткрыли картину эволюции звезд, выделили проявление и роль в ней смены ядерного горючего, показали, что эта Сверхновая относилась к старым звездам.
Ранее это была звезда (красный гигант) с массой в 18 раз больше солнечной, она светила в 40 тыс. раз ярче Солнца и за 10 млн лет выработала энергию превращения водорода в гелий. Когда во внутренней области, где сосредоточено 30 % массы звезды, закончились термоядерные реакции, центральные слои стали сжиматься. Сжатие продолжалось десятки тысяч лет (от 6 до 1100 г/см3), при этом температура поднялась от 40 до 190 млн К. Эти изменения привели к «загоранию» следующего ядерного горючего — гелия, которого хватило еще на 1 млн лет. Внешние слои, содержащие водород, расширили звезду до 300 млн км, и она превратилась в красный гигант. После выгорания гелия настала очередь ядерного горения углерода на 12 тыс. лет при температуре ядра 740 млн К и плотности 240 г/см3' В результате сгорания углерода образовались магний, неон и натрий. Неон выгорел после углерода за 12 лет при температуре 1,5 млрд К и плотности 7,4 млн г/см3. После неона начинает гореть кислород, который сгорает за 4 года (Г= 2,1 млрд К и плотность в ядре 16 млн г/см3). После выгорания кислорода наступает очередь образовавшихся кремния и серы. Горение кремния формирует температуру в 3,4 млрд К и плотность 50 млн г/см3. Процесс выгорания кремния происходит уже за 7 суток. Ядро не уменьшило своей энергии из-за высокой температуры, но стало железным. Оно не обладает запасом ядерной энергии и не может противостоять тяготению, поэтому начинает стремительно сжиматься. За доли секунды ядро массой в 1,5 солнечных и радиусом в половину земного сжимается до радиуса около 100 км, т. е. становится почти нейтронным. Если бы оно сжалось до 10 км, то получилась бы нейтронная звезда. Но шло развитие рождения Сверхновой. Когда плотность достигла 270 млрд г/см3, нейтроны стали давить друг на друга, и процесс прекратился. Внешняя часть ядра, продолжающая падать с огромной скоростью, столкнулась с жестким ядром. В результате возникла ударная волна, которая устремилась к внешней поверхности звезды, но поток нейтрино обогнал ее, сорвал внешние оболочки и развеял их в пространстве. Через 160 тыс. лет этот поток нейтрино достиг Земли и был зафиксирован в подземных нейтринных лабораториях Японии, СССР и США.
Пульсарами назвали источники пульсирующего излучения, характер которого был не похож на известный ранее (типа цефеид). Радиоастрономы А. Хьюиш, С.Белл, И.Пилкингтон, П.Скотт и Р. Коллинз обнаружили на X= 3,68 м необычные радиосигналы, длящиеся 0,3 с (1968). Сигналы с точностью до 10-8 с повторялись через 1,337 с в течение полугода, но амплитуда сигнала менялась. Такой характер сигнала напоминал передачи земных радиостанций, в которых на строго ритмичные высокочастотные сигналы накладываются колебания звуковой частоты.
К настоящему времени открыто уже более двухсот пульсаров. Регистрируя излучение пульсаров на различных, но близких час-
336

тотах, удалось по запаздыванию сигнала на большей длине волны (при предположении о некоторой плотности плазмы в межзвездной среде) определить расстояние до них. Оказалось, что все пульсары находятся на расстояниях 100 — 25000 св. лет, т.е. принадлежат нашей Галактике, группируясь вблизи ее плоскости. Возможно, что большинство открытых пульсаров находится в том же спи-ральном рукаве, что и Солнце. Пульсар NP 0531 в центре Крабо-видной туманности отождествляли со звездой, которую считают остатком от вспышки Сверхновой в 1054 г. С развитием рентгеновской астрономии было замечено, что основную долю энергии пульсары излучают в этом диапазоне, и рост периода излучения пульсаров со временем позволяет оценить их возраст. Пульсирующий характер излучения объясняют быстрым вращением звезды и наличием сильного магнитного поля с индукцией до 100 млн Тл. Если магнитная ось не совпадает с осью вращения, то образуется «магнитный конус», попав в который заряженная частица может ускориться до скоростей, близких к световым, излучая энергию в направлении своего движения. Возникает узконаправленный пучок нетеплового излучения, и этот радиоимпульс регистрируется на Земле. Для пульсаров с периодом 0,5 — 2 с возраст составляет от 106 до 30 106 лет, т.е. это сравнительно молодые объекты Галактики. Но явление пульсара не связано с пульсациями самой нейтронной звезды. При плотности нейтронной звезды 1015 г/см3 период пульсаций равен всего 0,001 с, что в сотни раз меньше наблюдаемых периодов у пульсаров. Поэтому была разработана модель вращающейся нейтронной звезды, у которой ось вращения не совпадает с магнитной.
В 1985 г. появилась гипотеза, что источник рентгеновского излучения Лебедь Х-3 представляет собой кварковую звезду. В 1989 г. в центре взорвавшейся СН 1987 А обнаружили пульсар с частотой вращения до 2000 об/с, самый быстрый из известных, и также предположили, что он является кварковой звездой. Считается, что после такой вспышки остаток звезды должен превратиться в белого карлика и туманность.
Массы звезд определяют их конечные судьбы. Гипотезу о том, что возможно существование звезд огромной плотности, состоящих только из нейтронов, высказал Ландау еще в 1932 г. сразу же после открытия нейтрона. Через два года эту идею развили В. Ба-аде и Ф. Цвикки. Они показали, что такие звезды могут образовываться при взрывах Сверхновых — конечная стадия эволюции массивных звезд. Если в ядре звезды образовались атомы железа, оно будет далее сжиматься и разогреваться под действием сил гравитации. Железо начнет распадаться на протоны и нейтроны, затем протоны, взаимодействуя с электронами, превратятся в нейтроны. Получится компактная нейтронная звезда. Снаружи нейтронное ядро будет обрамлять железная кора температурой до 106 К.
337

Размеры звезды примерно 12-15км при средней плотности 1018 кг/м3. При такой огромной плотности нейтронная жидкость является вырожденной и подчиняется принципу запрета Паули, препятствующему дальнейшему сжатию. В центре нейтронной жидкости возможна примесь кваркового вещества.
Если давление вырожденных нейтронов при вспышке Сверхновой не сможет предотвратить дальнейшее сжатие ядра, начнется гравитационный коллапс. Когда скорость убегания (или вторая космическая) станет равной скорости света, коллапс неотвратим. Этот размер сжатия получил название гравитационного радиуса, определяемого массой звезды. Для Земли он составляет около 1 см, а для Солнца — 3 км. Если он достигнут, звезда станет черной дырой. Теория черных дыр, предсказанных ОТО, разработана достаточно подробно. Чтобы покинуть черную дыру, надо развить вторую космическую скорость, превышающую скорость света, что невозможно. Поэтому ни один объект не сможет покинуть ее поле. Вблизи черных дыр резко меняются свойства пространства-времени. Считают, что таков конец эволюции самых массивных звезд. Черная дыра может проявить себя, если она входит в состав двойной звездной системы, в которой вторая звезда — яркий гигант. Предполагают, что массивные черные дыры возникают в центрах компактных звездных скоплений, центрах галактик и квазаров. Возможно, маленькие черные дыры возникали и в самом начале расширения Вселенной. Тогда их можно было бы искать по рождению вблизи них элементарных частиц, как следует из теории. Сейчас «подозреваемыми» объектами на черные дыры являются Лебедь Х-1, Скорпион Х-1, Стрелец А и др.
Итак, звезды эволюционируют, и эволюция их необратима. Грандиозные неравновесные процессы происходят в пульсирующих звездах — цефеидах, в недрах звезд — мощные термоядерные процессы, обеспечивающие выделение огромного количества энергии. В конечные этапы жизни в звездах возникают некие упорядоченные состояния, которые не могут быть описаны классической физикой. В нейтронных звездах и белых карликах вещество переходит в новые квантовые состояния, которые ограничивают энергетические потери.

9.4. Галактика, ее форма и строение. Солнечная система в Галактике

Наша галактическая система — рядовая звездная система. На небе в ясную безлунную ночь хорошо видна яркая белесоватая полоса — Млечный Путь. Он простирается (при вечерних наблюдениях) через созвездия Скорпиона, Стрельца, Орла и дальше вверх к созвездиям Лебедя, Цефея и Кассиопеи. При утренних
338

наблюдениях можно проследить его другую ветвь: по созвездиям Персея, Возничего, Тельца, Близнецов, Ориона и Большого Пса. В южном полушарии он проходит через созвездия Паруса, Киля, Южного Креста и Центавра. Таким образом, Млечный Путь образует на небе полный круг. Греки назвали Млечный Путь галактическим (молочным) кругом. Его светлое сияние происходит в основном из-за свечения бесчисленного количества слабых звезд.
Представление о том, что Млечный Путь состоит из огромного числа звезд, восходит еще к Демокриту. Его догадку подтвердил Галилей с помощью своего телескопа. У. Гершель обратил внимание на то, что в направлении созвездия Геркулеса звезды как бы раздвигаются, а на противоположной стороне — сближаются. Такое впечатление получается при движении по дороге, по обеим сторонам которой высажены деревья, поэтому Солнце движется по отношению к ближайшим звездам и расстояния до них неодинаковы.
Основателем звездной астрономии считается У. Гершель. Из наблюдений он заключил, что протяженность Галактики порядка 5800 св. лет, а ее толщина — 1100 св. лет. Он не знал о существовании межзвездного газа, поглощающего излучение звезд, поэтому его размеры Галактики приуменьшены в 15 раз. В XX в. были определены форма и масштабы этой гигантской звездной системы и установлено место, которое занимает в ней наше Солнце. Солнечная система находится между спиральными рукавами, один из которых виден в направлении на центр Галактики в созвездии Стрельца, а другой — в противоположном направлении, в созвездии Персея. Именно в направлении на созвездие Стрельца Млечный Путь выглядит наиболее ярко.
Галактика — это гигантская звездная система, состоящая почти из 200 млрд звезд, и Солнце — одна из них. Вообще галактики — огромные вращающиеся звездные системы. Они различаются и по внешнему виду, и по характеристикам. Помимо звезд в галактики входит межзвездное вещество: газ, пыль, частицы космических лучей. Некоторые галактики похожи на нашу Галактику по ряду свойств и по внешнему виду. По их фотографиям можно заключить, что это достаточно тонкий диск с утолщением в центре. В этом месте Галактика простирается на область с радиусом 25 кпк и толщиной около 2 кпк, на расстоянии в 10 кпк от центра находится Солнечная система (рис. 9.8). Она движется вокруг центра Галактики почти по окружности со скоростью 250 км/с. Орбита Солнца лежит в плоскости Галактики, и один оборот длится 250 млн лет. Масса центральной части Галактики порядка 3 • 1041 кг. Предполагают, что большая масса рассредоточена на периферии Галактики в области радиусом около 100 кпк. Многие звезды образуют группы — скопления. Эволюционные процессы связаны с такими характеристиками звезд, как возраст, химический со-
339

Рис. 9.9. Подсистемы Галактики:
1 — гало; 2 — промежуточная подсистема; 3 — диск; 4 — старая плоская подсистема; 5 — молодая плоская подсистема
340

став, характеристики движений и пространственное расположение.
Возраст звезд меняется в большом диапазоне значений: от 15 млрд лет (возраст Вселенной) до сотен тысяч лет — самых молодых. Есть звезды, образующиеся на наших глазах. Все звезды, по терминологии Бааде (1944), принято называть звездным населением (рис. 9.9). В плоскости Галактики расположены звезды молодые и среднего возраста — население I, или диска (звезды Главной последовательности спектральных классов О и В — самые молодые и горячие, G, К, М— карлики). Это — рассеянные звездные скопления, горячие звезды — гиганты и сверхгиганты, Сверхновые звезды, долгопериодические цефеиды, молекулярные облака, светлые и темные туманности. Возраст их порядка 107— 108 лет, они недавно образовались из межзвездного газа, потому находятся вблизи него в плоскости. Межзвездного газа по массе немного — около 5 % общей массы, и он сконцентрирован в спиральных рукавах. Наше Солнце находится посередине между двумя спиральными рукавами. Самые старые — население II, или гало (шаровые скопления, содержащие до миллиона звезд; рассеянные скопления, содержащие лишь 100 — 1000 звезд; субкарлики и переменные типа RRЛиры); к старым относят красные карлики, красные гиганты и цефеиды. Их возраст порядка 1010 лет. Старые объекты находятся ближе к центру Галактики. Промежуточную группу по возрасту занимают звезды, заполняющие диск Галактики толщиной около 1 кпк. Это новые звезды, планетарные туманности, яркие красные гиганты, расположенные в ядре Галактики.
Сравнительно молодые звезды верхней части последовательности входят обычно в состав рассеянных скоплений, непосредственно наблюдают около 1000 из них, и все они относятся к диску. Кроме рассеянных, в Галактике более 100 шаровых скоплений, представляющих собой достаточно компактные образования из 105—106 звезд. Они названы так потому, что в центре скопления блеск звезд сливается в яркий фон. Ближайшее шаровое скопление можно видеть в созвездии Центавра даже невооруженным глазом в виде размытого пятна. Шаровые скопления очень устойчивы, образуют сферическую подсистему. В них много бело-голубых звезд и мало красных гигантов; многие из них являются источниками мощного рентгеновского излучения. Это объясняют аккрецией межзвездного газа на черные дыры, находящиеся в центре шаровых скоплений.
Межзвездный газ относят к населению диска, так как он ближе всего к молодым звездам по химическому составу, расположению и характеру движения. В спектрах были открыты линии межзвездного натрия, калия, железа, титана и водорода (по косвенным данным, например, потому что водород образует вместе с атомом
341

углерода молекулу СН). Измерения взаимных положений компонент в спектрах позволили составить схемы обращения облаков вокруг центра Галактики. Советские астрономы Г. А. Шайн и В.Ф. Газе, фотографируя небо сквозь светофильтры, выделяющие отдельные линии водородной серии Бальмера, открыли более 200 туманностей, не видимых на обычных фотографиях (1951). Сейчас установлено, что средняя плотность водорода в межзвездной среде порядка 0,1 частицы в 1 см3, а в плотных облаках — до нескольких тысяч. Соотношение водорода и гелия в межзвездной среде оценивается как 9:1. В спиральных рукавах плотность водорода примерно на порядок выше, чем между рукавами.
Межзвездная среда ослабляет свет звезд примерно на 0,6 зв. вел. на 1 пк, как доказал в 1847 г. русский астроном В.Я.Струве, а советский ученый П. П. Паренаго вывел формулу учета этого ослабления. Межзвездная среда похожа на пыль, концентрация которой в 100 раз меньше газовой. Частицы пыли похожи на ледяные загрязненные кристаллики, температура которых 17 К. Газопылевые облака поглощают свет далеких звезд, их поглощатель-ная способность пропорциональна . Например, ядро Галактики удается наблюдать только в инфракрасном и радиодиапазонах. В центре Галактики обнаружен мощный источник радиоизлучения Стрелец А. В нем предполагают наличие массивной черной дыры, окруженной газовым диском диаметром около 1 млрд км. Из ядра, линейные размеры которого около 4000 св. лет, с огромными скоростями (до 600 км/с) выбрасываются сгустки вещества, масса которых за год оценивается в 1 массу Солнца. В основном облака концентрируются вблизи галактической плоскости.
Ядро Галактики изучено плохо, так как центральная область почти недоступна для наблюдений из-за сильного поглощения в межзвездной среде. Наблюдения в разных областях спектра позволили установить, что размер ядра составляет около нескольких килопарсек (кпк). Плотность звезд достигает 107 звезд/пк3, тогда как вблизи Солнца — одна звезда на 10 пк3. В центре Галактики находится источник нетеплового излучения (Стрелец А), вероятно, очень быстрые электроны, которые возникают при вспышках сверхновых звезд или пульсаров, ускоряются в магнитных полях. Мощное излучение от ядра существует в радиодиапазоне и в инфракрасной области. Есть предположения, что это массивное бы-стровращающееся плазменное тело «магнетоид», или черная дыра.
Движения старых и молодых звезд в Галактике имеют различия: у старых — большие эксцентриситеты орбит, а молодые движутся почти по окружностям. Получаются две подсистемы: молодые звезды быстро вращаются внутри почти неподвижной системы более старых звезд.
Галактический год — период вращения Солнца вокруг центра Галактики. Направляя радиотелескоп в разные участки Млечного
342

Пути, ученые изучили распределение водорода в пространстве облаков, линия водорода на  = 21 см оказалась расщепленной. Так установили спиральные рукава, вдоль которых образуются молодые звезды.
Лучевые скорости звезд определяют по доплеровскому смещению спектральных линий. Сравнение фотографий звезд, сделанных через достаточно большие интервалы времени, дает наличие двух составляющих — лучевой (направленной к наблюдателю) и тангенциальной, которые представляют пространственную скорость. Если лучевую составляющую определяют по эффекту Доплера, то для определения тангенциальной составляющей нужно знать и расстояние до звезды. Звезды гало и диска Галактики различны и по своим пространственным скоростям: у звезд гало скорости в 4 —5 раз больше.
Различное содержание тяжелых элементов звезд гало и диска позволили выстроить последовательность жизни звезд. Предполагают, что Галактика как система звезд образовалась примерно 13 млрд лет назад. На «догалактической» стадии вещество Вселенной не содержало никаких элементов, кроме водорода (3/4) и гелия (1/4). Гравитационные силы сжимали облако, и возникли первые неоднородности, среди которых выделились области с большой плотностью. В них начался процесс звездообразования, возникли и первые скопления звезд. Появились шаровые и рассеянные скопления, в них сформировалось некоторое количество звезд классов О и В. Они «сгорели» за 1 млрд лет, закончив свою эволюцию вспышкой Сверхновой звезды.
Более тяжелыми элементами обогатили межзвездную среду оболочки взрывающихся звезд. Первые поколения звезд содержат элементы более тяжелые, условно их называют металлами, и «ме-талличность» звезды часто характеризуют величиной:

где  — число атомов железа и водорода соответственно
(см. рис. 9.7).
Появление тяжелых элементов говорит о том, что, прежде чем попасть в эти звезды, первичное вещество подверглось каким-то ядерным превращениям и обогатилось тяжелыми элементами. Большинство звезд имеют малую массу, которой недостаточно для выработки тяжелых металлов путем термоядерных реакций. Такие звезды, как наше Солнце, способны только превращать водород в гелий, поэтому их химический состав не меняется и соответствует тем химическим элементам, из которых они образовывались. Тот факт, что молодые звезды гораздо богаче металлами, чем старые (у Солнца металлы составляют 2 — 3 % массы) и что межзвездная среда имеет близкий процент содержания металлов, говорит о том, что звезды генетически связаны с межзвездным газом.
343

9.5. Многообразие мира галактик. Содержание и значение закона Хаббла

Мир галактик столь же разнообразен, как и мир звезд. Долгое время туманные пятнышки, наблюдаемые в телескопы, считали туманностями, относящимися к Галактике (воспринимаемой как вся Вселенная). Это — огромные вращающиеся системы звезд, разнообразные по внешнему виду и физическим характеристикам, размером 1 — 100 кпк. В них находится от 107 до 1012 звезд. Небольшие галактики часто являются спутниками больших галактик. Невооруженным глазом можно увидеть ближайшие к нам галактики — Магеллановы Облака (в Южном полушарии) и туманность Андромеды (в Северном полушарии), они входят в Местную группу галактик (рис. 9.10). Остальные галактики видны только в телескоп как пятнышки. Классификация галактик в каталогах — М с номером. Так, М31 — туманность Андромеды. В каталоге, составленном в СССР в 60-е гг. XX в., более 30 000 галактик.

Вид галактики на фотобумаге несколько отличен от ее вида на негативе и зависит от того, в каких лучах был снят. Коллектив Астрономического института при Московском университете во главе с Б.А.Воронцовым-Вельяминовым составил «Морфологический каталог галактик» (MGC) из 30 000 галактик ярче 17-й звездной величины и атлас взаимодействующих галактик. Оказалось, что некоторые галактики отличаются мощным радиоизлучением, которое больше оптического. Их назвали радиогалактиками (например, Лебедь А). Позднее стало ясно, что галактики не покоятся относительно расширяющегося неде-формируемого фона, а имеют собственные движения, изучение которых позволит определить протяженность неоднородностей в распределении массы, а эти неоднородности очень велики и отражают сложные процессы начала расширения.
Деление галактик на спиральные, эллиптические и неправильные, основанное на внешнем виде, было введено в 1925 г. американским астрономом Э.Хабблом, изучившим более тысячи галактик (рис. 9.11). Его классификация отражает и существенные физические различия между галактиками.
Спиральные галактики состоят из двух подсистем — дисковой и сферической. Сферическая часть напоминает эллиптическую галактику, дисковая — сжата и содержит много межзвездной пыли, газа и молодых звезд. Более молодые и яркие звезды сгруппированы в спиральные рукава. Оказалось, что почти половина галактик имеют спиральную форму. В центре таких галактик — красивое и яркое ядро, большое и тесное скопление звезд. Из ядра выходят закручивающиеся вокруг него ветви, состоящие из молодых звезд и облаков нейтрального газа. Таковы галактики Млечный Путь и туманность Андромеды. Эллиптические галактики несколько похожи на них, но с меньшими рукавами. Среди наиболее ярких галактик они составляют 25 %; считают, что они состоят из более старых звезд (возраста Солнца или старее), так как имеют красноватый оттенок. Они почти не содержат межзвездного газа, и там не формируются новые звезды. Вращение в них происходит с небольшими скоростями (менее 100 км/с), а равновесие поддерживается за счет хаотических передвижений звезд по радиально вытянутым орбитам. Такую галактику наблюдают в созвездии Девы, она имеет почти шаровидную форму и весьма активна. В ядре эллиптической радиогалактики Кентавра А удалось обнаружить на расстоянии в 106 св. лет отдельные детали размером в 100 св. лет, отражающие бурную активность. Неправильные галактики имеют небольшую массу и размер, в них много межзвездного газа. Заметны как очаги звездообразования какие-то клочки. Примером таких галактик являются наиболее близкие к Земле две небольшие галактики Магелланова Облака, которые даже называют спутниками Млечного Пути. До Большого Облака около 200 тыс. св. лет, до Малого — всего 170 тыс. св. лет. В Большом Облаке в 1987 г.
345

Рис. 9.11. Галактики:
а — спиральная галактика NGC 6814, похожая на Млечный Путь; б — схема
спиральных рукавов Галактики по радионаблюдениям нейтрального водорода;
в — схема классификации галактик (по Э. Хабблу)
наблюдалась вспышка Сверхновой звезды, а при помощи обсерватории «Квант» орбитального комплекса «Мир» в 1999 г. было зарегистрировано жесткое рентгеновское излучение. Наблюдения с помощью «Кванта» и другого российского рентгеновского телескопа «Гранат» позволили подтвердить гипотезу о том, что в центре нашей Галактики — черная дыра, масса которой в миллионы раз больше солнечной.
Отдельные звезды в галактиках стали различать только в 30-е гг. В 1923 г. Хаббл с помощью 2,5-метрового рефлектора открыл в спиральной туманности созвездия Андромеды несколько перемен-
346

ных звезд (т.е. с меняющимся блеском) и цефеиду. По периоду колебаний блеска цефеиды он определил ее звездную величину и расстояние до нее — 900 тыс. св. лет. Туманность М31 находится вне нашей Галактики. Поправка на поглощение излучения межзвездным газом увеличила это расстояние до 2,2 млн св. лет, что превышает более чем в 20 раз размеры нашей Галактики. Хаббл подсчитал число галактик до 20-й звездной величины на 1283 участках неба. Он нашел, что на один квадратный градус на небесной сфере приходится в среднем 130 галактик. Небесная сфера содержит 41 253 квадратных градуса, поэтому общее число галактик до 20-й звездной величины составляет 5,4 млн (звезды до 20-й величины можно наблюдать в 2,5-метровый телескоп Хаббла).
Галактики распределены почти равномерно по всем направлениям, хотя образуют скопления и группы. Тесным является скопление из 40 тысяч галактик в созвездии Волосы Вероники (Северное полушарие), находящееся на расстоянии около 400 млн св. лет и занимающее почти 12°. Иногда группы столь тесные, что галактики как бы проникают друг в друга. Так, в нашу Галактику частично заходит галактика Малое Магелланово Облако. Радиусы больших скоплений (около тысячи галактик) составляют до 1 — 4 Мпк или даже 10 Мпк. Такое скопление наблюдается в созвездии Девы, находящемся на расстоянии 15 Мпк от нас — оно и есть центр Местного сверхскопления галактик, куда входит и Местная группа галактик. Размеры таких скоплений растут в связи с общим расширением Вселенной.
Лучевые скорости галактик первым определил Слайфер (1912), используя эффект Доплера. К 1925 г. он измерил скорости 41 галактики, из них 36 удалялись от нас со скоростями до 1000 км/с, и лишь несколько приближались. Хаббл измерил расстояния до галактик по цефеидам и ярким звездам и установил (1929), что скорости «разбегания» галактик растут пропорционально расстоянию до них. Закон Хаббла: V= Hr, где H— постоянная, получившая название постоянной Хаббла (см. рис. 3.8).
Сначала Хаббл считал, что Н = 500 км/(с • Мпк). В настоящее время H считают от 50 до 100 км/(с Мпк). С помощью красного смещения Хаббла оценивали расстояние до галактик и до края видимой Вселенной — Метагалактики. Поскольку увеличение красного смещения сопровождается уменьшением яркости галактики, то заключили, что закон V= Hr действительно отражает расширение Метагалактики. При Н = 50 кмДс-Мпк) и =0,3 получается  = 19,6 ( ) млрд св. лет.
Существование дискретного источника радиоизлучения в созвездии Лебедя впервые доказали в 1946 г. Дж.Хей, С.Парсонс и Дж.Филлипс (Англия). Впоследствии радиоисточники стали обозначать латинскими буквами после названия созвездия по мере убывания интенсивности по алфавиту. К 1950 г. был составлен каталог из 50 радиоисточников, а через
347

5 лет — уже из 1936. Некоторые оказались ложными, некоторые отождествлялись с другими галактиками, часть из них принадлежала нашей Галактике (в ряде случаев это были остатки вспышек Сверхновых), хотя первоначально источник Телец А отождествляли с Крабовидной туманностью. Излучение некоторых оказалось тепловым, причем спиральные и неправильные галактики имели слабое радиоизлучение, светимость эллиптических галактик в дециметровом диапазоне превышала его в сотни раз. В 100 раз ярче были эллиптические галактики с протяженной оболочкой. Источник Лебедь А имел нетепловой характер излучения, распределение его по частотам отличалось от закона Рэлея—Джинса. Сравнение оптического (в 5-метровый телескоп это была слабая, как бы сдвоенная, звездочка 18-й величины) и радиочастотного изображений показало, что мощность излучения в радиодиапазоне не только в полтора раза выше, но и больше в миллион раз, чем у обычной галактики. При этом мощное радиоизлучение идет от областей, отстоящих от самой галактики на 10 тыс. св. лет по обе стороны. Спектры излучения содержали сильные эмиссионные линии, которые могли образоваться в результате столкновения облаков газа, и в связи с этим решили, что имело место весьма редкое явление — столкновение двух галактик.
Механизм нетеплового радиоизлучения — синхротронный, его вызывают электроны высоких энергий, входящие в состав космических лучей, которые при движении в сильных магнитных полях генерируют радиоволны разных частот. Это излучение сильно поляризовано. Значит, оно порождено тормозным излучением и есть выделенное направление в распределении магнитных полей. По измеренной интенсивности излучения находят плотности энергии заряженных частиц и напряженности магнитных полей. Так, выяснили, что протяженные компоненты радиоизлучения — это намагниченные облака разреженного газа, насыщенные космическими лучами.
Развитие техники радиоинтерферометрии повысило разрешающую способность радиотелескопов и позволило выяснить, что двойная структура источников — типичное явление. Из 500 радиогалактик 75 % — двойные, а остальные представляют собой малую яркую область, окруженную оболочкой. Ближайшая радиогалактика NGC 5128 находится в созвездии Центавра и удалена от нас всего на 5 Мпк. На фотографиях видна широкая темная полоса поглощающей свет пылевой материи. Этот источник, как и источник Лебедь А, состоит из двух компонент, расположенных за пределами оптической области. В самом центре выделяется мощный почти точечный источник радиоизлучения. Подобные ситуации стали наблюдать при сравнении картин неба в разных диапазонах длин волн. Такова галактика М 82 в созвездии Большой Медведицы. Около 3 млн лет назад из нее было выброшено вещество объемом в 6 млн солнечных масс, и часть его получила скорости, близкие к световым, т.е. произошел взрыв с выбросом энергии в 1065 Дж, эквивалентный одновременной вспышке 10 млн Сверхновых. Для взрыва объекта Лебедь А выброс энергии оценивается в 10 тысяч раз больше. Такие огромные значения энергии, превышающие в несколько раз гравитационную энер-
348

гию связи всех звезд в радиогалактике, имеют своим источником область галактического ядра, где генерируются релятивистские электроны.
Активные спиральные галактики с развитыми ядрами открыты американским астрономом К. Сейфертом (1943). Он описал 12 таких галактик (галактики Сейферта). Диаметры ядер около 10 пк, а почти 1/3 занимают излучающие области. В их спектрах много эмиссионных линий водорода, гелия и тяжелых элементов, а в спектрах обычных галактик больше линий поглощения. Известно около ста таких объектов; мощность их меняется со временем, т.е. там происходят какие-то грандиозные процессы. В 1963 г. советский астроном Б. Е. Маркарян вьщелил 600 галактик с повышенной долей излучения в ультрафиолетовой области (галактики Маркаряна). В них много звезд — горячих гигантов. Ядра этих галактик, как и галактик Сейферта, очень активны.
Амбарцумян связывал их активность со взрывами в их ядрах. По его теории (1955), ядра активных галактик могут содержать также массы дозвездного вещества с неизвестными пока свойствами и источниками энергии. И. С. Шкловский считал, что ядра галактик — единые сильно намагниченные вращающиеся плазменные тела. Слои этих тел вращаются с разными скоростями, и магнитная энергия периодически скачкообразно превращается в энергию ускоренных заряженных частиц, вследствие чего и происходит выбрасывание струй в направлении вращения. Сам он пишет так: «Возможно, что в центральных областях галактик реализуется какая-то гигантская, циклически работающая машина. После взрыва плазменного тела туда постепенно натекает газ из окружающей среды, что приводит к образованию нового плазменного тела. Все же многое, может быть, самое важное, остается загадочным и непонятным». Стало привычным отождествлять радиоисточники либо с туманностями, либо с галактиками. По оценкам, ожидали незначительные потоки радиоизлучения от самых близких звезд, но источники давали намного большие потоки.
В 1963 г. голландский астрофизик М.Шмидт исследовал спектр достаточно яркой звезды 13-й величины, отождествленной с радиоисточником ЗС 273. Линии водорода были смещены на огромную величину, соответствующую скорости 42 000 км/с, а по закону Хаббла расстояние до источника должно быть около 600 Мпк, или 2 млрд св. лет. Две другие линии совпадали с линиями дважды ионизованного кислорода и ионизованного магния. Затем нашли источник с красным смещением линий, т.е. он удалялся от нас. Если это смещение связано с эффектом Доплера, то первый источник ЗС 273 приближался со скоростью света, равной 48 000 км/с, а второй — удалялся со скоростью света 0,8 с = 240000 км/с. При этом обнаружили, что рядом находится очень много объектов, которые движутся вместе, т. е. это далекие галактики. Тогда откуда
349

плазмы, движущиеся с огромной скоростью (0,27 с, как у объекта SS 433) в противоположных направлениях от уплощенного газового диска, который образуется вокруг компактного объекта, возможно, нейтронной звезды.
После открытия квазаров, связанного с отождествлением спектров слабых источников в разных диапазонах, такие исследования продолжались. Астрофизик А. Сендидж заинтересовался голубыми звездами, излучающими в ультрафиолете, но не зарегистрированными в радиодиапазоне. Эти объекты удалялись от нас с большими скоростями. Их сначала назвали «контрабандистами», а затем квазагами.

Черные дыры должны быть в ядрах гигантских эллиптических галактик, они появились в центре галактик в процессе эволюции. Так считают многие исследователи вслед за Зельдовичем и Новиковым. Черные дыры могут возникать разными способами, и их «питание» осуществляется за счет падения вещества — аккреции (от лат. accretio — приращение). Так современная всеволновая (от радио- до гамма-диапазона длин волн) астрономия начинает подступать к изучению источников энергии Вселенной, но нестационарность мира галактик твердо установлена. В 2000 г. было сообщено об открытии трех гигантских черных дыр (в 50—100 раз массивнее Солнца) в созвездиях Овен и Дева. Одна расположена на расстоянии в 25 млн св. лет, а две другие удалены примерно на 100 млн св. лет. До этого были известны всего 20 черных дыр, которые массивнее Солнца в несколько раз. Саму черную дыру нельзя видеть, но был получен снимок «действия» черной дыры в галактике Кентавр А — она заглатывала шлейф горячего газа.

9.6. Сценарий стационарной Вселенной и «Космология Большого Взрыва»

Космология — наука о строении и эволюции Вселенной. Она изучает свойства всей доступной для наблюдений Вселенной как единого целого. Общие представления о ее строении сложились в астрономии, но задачи космологии можно было решать лишь в XX в. Создание крупных телескопов, развитие фотографической и всеволновой астрономии, спектроскопии и других методов исследования позволили изучить распределение галактик в пространстве, их движения на огромных расстояниях (до 10 млрд св. лет). Мы теперь знаем, что окружены огромным и удивительным миром галактик и квазаров. Понять это было бы невозможно без общей теории относительности (ОТО) — математической базы современной космологии.
Эйнштейн обобщил закон тяготения Ньютона на случай сильных гравитационных полей. Изменились представления о простран-
351

стве и времени — они уже не были сценой для развития драмы истории Вселенной, а участвовали в самом процессе, и материя меняла свойства пространства и времени. Тяготеющие массы искривляют вокруг себя пространство-время, а оно воздействует на материю. Эйнштейн, объединив гравитацию и геометрию Рима-на, получил из средней плотности массы во Вселенной «абсолютные размеры Вселенной». Многие сомневаются в достаточности ОТО для понимания явлений Мегамира — ведь его масштабы превышают лабораторные условия на Земле в 1026 раз! Но изучение ближайших к нам галактик показало, что они состоят из тех же объектов — звезд, звездных скоплений, туманностей. Наука не может обойтись без построения рабочих моделей, независимо от изучаемого объекта. Модели уточняются, частично заменяются или отбрасываются. Можно построить цепочку объектов Мегамира: видимая Вселенная—галактика—Галактика—звезда—планета. Общие закономерности развития Вселенной строятся путем создания моделей.
Модель пустой Вселенной (1917), в которой два объекта расположены на столь большом расстоянии, что можно пренебречь силами притяжения между ними, рассмотрел нидерландский астроном Биллем де Ситтер. Стационарность мира требовала, чтобы галактики удалялись друг от друга с ускорением. Фактически в его решении содержалось предсказание расширения Вселенной, но до открытия Хаббла это представлялось неким казусом. Величина, обратная постоянной Хаббла Н, имеет размерность времени. Отсюда заключают, что за это время вещество галактик «разлетелось» из точки наблюдения. Значит, это время прошло с того момента, когда оно было сконцентрировано в точке. Наблюдаемые скорости разлета достигают 104 км/с, поэтому в момент «начала» должен был произойти взрыв, породивший Вселенную. Пока считали Н= 500 км/(с • Мпк), это время не превышало 2 млрд лет (меньше возраста Земли). Это породило разные гипотезы: расширение Вселенной, изменение скорости света, или «старение» фотона на огромных расстояниях. Если значение H не очень надежно, то линейная зависимость в законе Хаббла считается твердо установленным фактом.
Взяв Н = 75 км/(с • Мпк) и считая, что «сегодняшнее» время жизни Вселенной t0приблизительно равно Ro/V0, подставим V0= H0R0из закона Хаббла и получим t0= 13 млрд лет. Учитывая приближенность такой оценки, следует отметить, что величина этого времени, которое называют возрастом Вселенной, колеблется от 10 до 20 млрд лет.
Фридман детально исследовал уравнения ОТО и показал, что теория допускает в качестве моделей и развивающиеся системы — коллапсирующие. Стабильная Вселенная Эйнштейна является нестабильной при малейшем возмущении. Фридман выделил три
352

возможности, соответствующие трем моделям Вселенной: 1) к = 0; расширяющееся евклидово пространство; 2) к 0; пульсирующая модель, пространство неевклидово (сферический мир); 3) к 0; монотонно расширяющееся неевклидово пространство (гиперболический мир).
В первом случае при Л = 0 уравнение, описывающее изменения масштабного фактора, со временем имеет точное решение (модель Эйнштейна—де Ситтера). Начавшееся расширение продолжается неограниченно, и , а возраст Вселенной равен . Параметр ускорения не
меняется и положителен, потому что масштабный фактор растет со временем: . В этой стационарной Вселенной (модель Ф.Хойла) плотность, несмотря на расширение, поддерживается постоянной за счет непрерывного «творения» вещества из особого «энергетического поля».
Во втором случае при , т. е. при наличии дополнительной силы
притяжения, кроме ньютонова тяготения, и открытом искривленном пространстве в пульсирующей Вселенной, в некоторый момент масштабный фактор становится равным нулю, и с он начнет возрастать, достигнет максимума и снова уменьшится до нуля. Если выбрана закрытая модель пространства и Л-член равен некоторой критической величине, определяемой плотностью вещества во Вселенной, то масштабный фактор растет от нуля до определенного максимума, достигаемого в далеком будущем. Если космологическая постоянная становится больше этого критического значения, то масштабный фактор растет, хотя и медленно, но неограниченно. В замкнутой Вселенной и при равенстве космологического члена своему критическому значению возможны два решения: стационарный мир Эйнштейна R(t) = const и модель Эддингтона—Леметра, в которой R(t) = R1в бесконечно удаленном прошлом и неограниченно растет в будущем.
Выбор модели Вселенной определяется средней плотностью вещества во Вселенной. Если она больше критической, то k 0 и мир замкнут. Для Н= 50 км/(с • Мпк) критическое значение плотности достигает 5 • 10-27 кг/м3. Это несколько больше средней плотности, размазанной по всему наблюдаемому объему (в пределах одного-двух порядков величины). Но мощный фон рентгеновского излучения свидетельствует о том, что межгалактическое пространство может быть заполнено водородом температурой около 1 млн К. Возможно, существуют и еще какие-то массы во Вселенной, пока не обнаруженные.
Массы звездных скоплений оказались по оценкам несколько больше масс, наблюдаемых в скоплениях объектов, в связи с чем возникла проблема скрытой массы. По опытным данным на каждый протон приходится примерно 1 млрд нейтрино, обладающих массой покоя 5 • 10-35 кг. И это обилие нейтрино во Вселенной тоже приближает значение средней плотности к критическому значению. Поэтому осциллирующая модель может стать более вероятной, хотя она не сводится к простому повторению циклов «расширение— сжатие», как указывают Зельдович и Новиков.
353

Бельгийский аббат Ж.Леметр связал релятивистские модели с данными наблюдений: если разбегание галактик соответствует расширению пространства, то при проектировании на прошлое нужно представить уменьшение объема и увеличение плотности. Эти рассуждения связали с актом творения мира. Первоначальная плотность вещества (протоатом) достигала 1096 кг/м3, и это значение плотности определило границы применимости понятий пространства и времени. Поэтому не имеет смысла говорить ни о том, сколько длилась эта сингулярность, ни о том, что было до нее.
Расчеты Фридмана были многократно проверены и Эйнштейном, и Эддингтоном, и де Ситтером. О Фридмане справедливо говорят, что он «на кончике пера» открыл разбегание галактик. Открытие гравитационного красного смещения через несколько лет подтвердило догадки о нестационарном развитии, о расширении Вселенной. Вскоре теоретически было показано, что своеобразие релятивистской космологии вовсе не связано с теорией Эйнштейна, а обусловлено космологической постановкой проблемы. Из динамики Ньютона возможно получить необходимость эволюции, как это и сделал в 1934 г. английский астрофизик Э. Милн.
Модель расширяющейся Вселенной проявляется на уровне галактик, и не существует центра, от которого галактики «разбегаются». В общем случае постоянная Хаббла H зависит от времени, и скорость расширения убывает из-за тормозящего действия гравитации. Если допустить расширение Метагалактики и в прошлом, можно оценить ее возраст примерно в 13 млрд лет. Будущее Вселенной по современным представлениям зависит от средней плотности .
Скорость расширения по ОТО
для горячей модели. Здесь Л — космологическая постоянная, учитывающая возможное существование в мире дополнительной силы, помимо силы тяготения; при — это сила отталкивания, при
 — сила притяжения.
Расчеты предшествующей истории Космоса в большинстве моделей дают для начала расширения пространства (13 — 20 млрд лет назад) состояние с очень высокими плотностью материи и энергией излучения. В уравнениях появляется математическая сингулярность, и ни одна модель не двигается ранее этого момента. Так как при сжатии газа его температура возрастает, допускают, что в далеком прошлом Вселенная была очень горячей. Именно к модели «горячей Вселенной» пришел Гамов, назвав ее «Космология Большого Взрыва». Его интересовали относительная распространенность и происхождение химических элементов во Вселенной. С.Чандрасекар, Х.Бете, К. Вейцзеккер и другие ученые считали, что в глубинах Солнца не могут образовываться элементы тяжелее гелия.
354

Гамов предположил, что в самом Начале при больших плотностях и температурах ранней Вселенной возможно протекание реакций синтеза элементов. По законам термодинамики при этих условиях в разогретом веществе всегда должно находиться в равновесии с ним и излучение. После нуклеосинтеза, занимающего несколько минут, излучение должно остаться, продолжить движение вместе с веществом в расширяющейся Вселенной и сохраниться до нашего времени, только его температура должна понизиться за это время из-за расширения. Эту схему необходимо было рассчитать и сравнить с ней распространенность элементов в современной Вселенной. Эта работа заняла 10 лет. Гамов консультировался с Э.Ферми и А.Туркевичем, но в 1948 г., когда вместе с Альфе-ром была подготовлена его статья, он вписал в последний момент и Бете. Так появилась знаменитая А-Б-Г-теория. Впоследствии она совершенствовалась в работах Гамова с С. Хаяши, Хойлом, Фаулером, М. Бербиджем, Дж. Бербиджем. Этим же занимались Зельдович, а позже Дж. Пиблс, используя уточненные данные ядерной физики и астрономических наблюдений.
Теория горячей Вселенной дала необходимые соотношения водорода и гелия в современной Вселенной из ядерных реакций в ранней Вселенной. Тяжелые элементы должны были рождаться иначе, возможно, при вспышках Сверхновых звезд. Предсказанное Гамовым фоновое излучение (1953) должно быть изотропным с температурой, близкой к 0 К, или до 10 К, если процесс нуклеосинтеза начинался с 109 К (рис. 9.12).
Гамов получил простое соотношение между плотностями вещества и излучения по мере расширения Вселенной. Плотность излучения уменьшается со временем быстрее, чем плотность вещества, но в прошлом их отношение когда-то было равно единице, а еще раньше излучение по плотности преобладало над веществом. По этой причине излучению должна принадлежать ведущая роль в эволюции Вселенной. Фридман получил формулу изменения во времени плотности излучения, если оно преобладает во Вселенной над веществом, а Вселенная расширяется по параболическому типу, т. е. неограниченно. Эту формулу Фридмана и использовал его ученик Гамов. Он нашел границу между двумя эпохами — преобладания излучения и преобладания вещества, и эта граница приходится на время t= 2,1 • 1015 = 73 млн лет. В начальный период именно излучение определяло судьбу Вселенной, а после преобладало вещество. В тот момент их плотности были равны 9,4 • 10-23 кг/м3, а температура излучения составляла 320 К, отсюда можно найти ее современное значение: Т= 320 (2,2 • 10 15/t = = (7 • 1016/t) К. Полученная формула дает температуру излучения в эпоху преобладания вещества над излучением (7 К). Для излучения черного тела такая температура соответствует сантиметровому диапазону. Гамов не надеялся зарегистрировать это фоновое излучение в общем потоке радиоизлучения галактик и межзвездного газа, но Новиков и Дорошкевич считали, что излучение,
355

оставшееся от начала расширения Вселенной, можно обнаружить в сантиметровом диапазоне.
Реликтовое излучение открыли весной того же года. Американские ученые А. Пензиас и Р. Вильсон, отлаживая рупорную антенну нового радиотелескопа, не могли избавиться от помех на длине волны 7,35 см. Уровень этих помех не менялся при повороте антенны, т.е. был изотропен. В 1965 г. выяснилось, что это было фоновое излучение, предсказанное Гамовым. Оно соответствовало расчетам Новикова и Дорошкевича, было чернотельным и имело Т = 2,7 К. По своей плотности это излучение почти в 30 раз превосходило плотность излучения звезд, а концентрация фотонов была больше, чем концентрация обычного вещества.
Плотность реликтового излучения можно оценить. При Т = 3 К энергия каждого фотона составляет около 10-22 Дж. Для 500 фотонов в 1 м3 Е = 0,5 Дж/м3. И по формуле находим r= = 5-10-31 кг/м3. Сейчас для вещества = 5-10"28 кг/м3, т.е. по массе вещество больше в 1000 раз.
Две космологические теории конкурировали — теория расширяющейся Вселенной (начальное состояние было таким горячим
356

и плотным, что могли существовать только элементарные частицы и излучение; затем Вселенная расширялась и охлаждалась, образуя звезды и галактики) и теория стационарной Вселенной (Вселенная существовала всегда, наблюдаемое разрежение вещества компенсируется его непрерывным творением). Теория расширяющейся Вселенной одержала верх благодаря предсказанию, наблюдению и интерпретации космического фонового (реликтового) излучения. Оно не предсказывается и не может быть объяснено второй теорией.
Автор теории вечной стационарной Вселенной — Хойл — вынужден был признать, что придется модернизировать теорию для объяснения реликтового излучения. В 1992 г. измерения ничтожно малых вариаций фонового излучения подтвердили еще одно из предсказаний теории расширяющейся Вселенной. Исследователи интерпретируют эту «рябь» как флуктуации плотности вещества и энергии на ранних стадиях эволюции Вселенной. Такая рябь может объяснить скучивание вещества под влиянием собственной гравитации, ведущее к образованию звезд, галактик и более крупных структур, наблюдаемых в современной Вселенной.
Космология Большого Взрыва Г. Гамова заняла прочное место в современной науке.

9.7. Рождение частиц по современной модели развития Вселенной

Однородное микроволновое излучение, оставшееся от ранних стадий развития Вселенной, пронизывает пространство, что подтверждают и точные исследования, проведенные со спутников. Для понимания явлений космологии используют идеи, опирающиеся на физику элементарных частиц, которая, как и ядерная физика, сыграла большую роль при создании теорий и расширяющейся, и стационарной Вселенной. Особенно ценным для них оказался вклад Эйнштейна и Планка, которые в начале века сформулировали физику абсолютно черного излучения: поскольку на ранней стадии расширения должно быть равновесие между энергией и веществом, то энергия, выделившаяся при взрыве, должна иметь спектр черного излучения.
Теория синтеза химических элементов в звездах была необходима. К началу 30-х гг. знали, что большинство звезд состоят из водорода и гелия, но было неясно, откуда берется углерод. В 50-е гг. Хойл предложил реакцию образования углерода из трех ядер гелия в специфических условиях центра звезды. Возможность такой реакции подтвердил американский физик У. Фаулер на ускорителе высоких энергий, а Хойл и Солпитер подвели под эти эксперименты теорию. К 1957 г. Фаулер, Хойл, Маргарет и Джеффри
357

Бербидж разработали теорию синтеза большинства химических элементов в звездных недрах из водорода и гелия. В звездной топке легкие элементы «сплавились» в тяжелые ядра, которые рассеялись в пространстве из-за взрыва Сверхновых или смерти красных гигантов (каким через 5 млрд лет станет Солнце). Затем цикл повторится, образуя звезды нового поколения.
Однако данная теория не могла объяснить существование трех легких элементов — лития, бериллия и бора. Из-за своей неустойчивой природы эти элементы должны образовываться в газе с низкой плотностью и низкими температурами и, первоначально присутствуя в молодых звездах, должны были распадаться при сжатии и нагревании звезды. Это оставалось загадкой. Хотя содержание каждого из них составляет менее 10-9 от количества водорода, уникальное происхождение этих элементов делает их «комментаторами» истории Вселенной. Подобные варианты схем рождения элементов создавались в нескольких местах, но не были привязаны к существующим во Вселенной количественным соотношениям элементов.
Первичное вещество, из которого родилась Вселенная, Алфер и Герман назвали библейским словом «илем» (от греч. ylem— первичная материя). Эта первичная субстанция представляла собой нейтронный газ. Они считали, что в «первичном аду» родились тяжелые ядра путем присоединения свободных нейтронов, и этот процесс продолжался, пока их запас не истощился. Алфер и Герман не могли объяснить образование элементов тяжелее гелия, поскольку нет стабильных изотопов с массовыми числами 5 и 8, значит, нельзя получать тяжелые элементы последовательным добавлением нейтронов. После этого интерес к А-Б-Г-теории заметно остыл, и за десять лет (1953—1963) значительных исследований не было. Хойл в шутку назвал эту гипотезу «the big bang theory» — теорией громкого хлопка. Это понравилось конкурентам Хойла, а в России его перевели как «теория Большого Взрыва».
Гипотезу холодной Вселенной начал развивать в 1962 г. Зельдович. На его взгляд, из теории горячей Вселенной следовали слишком большие плотность и температура излучения, не подтверждаемые данными радиоастрономии. Перебрав все возможные варианты, Зельдович остановился на гипотезе, согласно которой исходным веществом был холодный протон-электронный газ с примесью нейтрино, причем на каждый протон приходилось по одному электрону и одному нейтрино. Эту гипотезу Зельдович разрабатывал вплоть до обнаружения реликтового излучения.
Простой расчет опубликовали еще до этого открытия Хойл и Р.Тейлор (1964). Светимость нашей Галактики оценивают числом 1052 Дж/с. Если возраст Галактики 1010 лет, то при постоянной светимости она выделила за это время 2 • 1061 Дж. При образовании одного ядра гелия выделяется энергия 2,5 • 10-5 Дж. Значит, за время существования Галактики в ней образовалось 1066 а-частиц. При массе частицы 6,67 • 10-27 кг это составляет 7 • 1039 кг, а масса
358

Галактики — 4 • 1041 кг. Поэтому к нашему времени отношение гелия к водороду Не/Н могло бы быть 7/400, или 1/57 — по массе, или 1/230 — по числу атомов. Это меньше наблюдаемого соотношения в 20 раз, так как из анализа состава звездных атмосфер, космических лучей получается Не/Н порядка 1/11. Уже из таких простых оценок понятно, как добиться согласия модели с данными соотношениями.
Плотность материи р во Вселенной практически совпадает с плотностью реликтового излучения. Она выражена через энергию , где. С другой стороны, [R= . Следовательно, . Отсюда ясна связь температуры Т и времени t, прошедшего от начала расширения: .
Сначала (при t 0,01 с) температура очень высока, и вещество состоит из нейтронов и протонов в равных пропорциях. Благодаря присутствию электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино происходит непрерывное превращение  и обратно: . При
охлаждении за первые 10 с число протонов увеличится за счет нейтронов и начнется образование дейтерия, трития, изотопов гелия Не-3 и Не-4. Через 100 с от начала расширения заканчиваются все ядерные превращения: водорода получается 0,9, гелия — 0,09, остальное приходится на более тяжелые элементы. По массе водород составляет около 0,7, гелий — 0,3. Это и есть химический состав Вселенной к началу формирования звезд и галактик.
Для наглядности эту стадию делят на четыре эры. Для каждой из них можно выделить преобладающую форму существования материи, в соответствии с чем и даны названия.
Эра адронов находится в самом начале, продолжается 0,0001 с. Плотность с. При высоких температурах
могли существовать только частицы, обладающие большой массой, для которых существенно и гравитационное взаимодействие. Элементарные частицы разделяют на адроны и лептоны, причем первые могут участвовать в сильных и быстрых взаимодействиях, а вторые — в более слабых и медленных, поэтому первые эры получили такие названия. Адронная эра — эра тяжелых частиц и мезонов, велика энергия гамма-квантов. Основную роль играет излучение, количества вещества и антивещества могут быть примерно равными. В конце адронной эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов. Из равновесия с излучением вышли последовательно гипероны, нуклоны, К- и -мезоны и их античастицы.
Эра лептонов продолжается , при этом
. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами. Постепенно из равновесия с излучением вышли -мезоны и их античастицы, электронные и мезонные нейтрино, а избыточные мю-оны распались на электроны, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино. В конце эры лептонов происходит аннигиляция электронов и позитронов. Через 0,2 с Вселенная становится прозрачной для электрон-
359

ных нейтрино, и они перестают взаимодействовать с веществом. Согласно теории, эти реликтовые нейтрино сохранились до нашего времени, но температура их до 2 К, поэтому пока их не могут обнаружить.
Фотонная эра приходит позже и продолжается 1 млн лет. Основная доля массы — энергии Вселенной приходится на фотоны, которые еще взаимодействуют с веществом. В первые 5 мин эры происходили события, во многом определившие устройство нашего мира. В конце леп-тонной эры начались взаимные превращения протонов и нейтронов друг в друга. К началу эры фотонов количества их были примерно равными. При уменьшении температуры протонов стало больше, поскольку реакции с образованием протонов оказывались энергетически более выгодными и, значит, более вероятными. Это определило скорости реакций, и к началу эры число нейтронов составило 15 %.
Эра излученияв начале характеризуется параметрами: 3000 К < < Т< 1010 К; 10~18 < < 107 кг/м3, нейтроны захватываются протонами, и происходит образование ядер гелия. Кроме того, за эти первые минуты некоторое количество нейтронов пошло на образование ядер бериллия и лития, а некоторое количество распалось. В результате доля гелия в веществе могла составить 1/3. В конце эры температура снизилась до 3 000 К, плотность уменьшилась на 5 —6 порядков, в результате чего создались условия для образования первичных атомов. Излучение отделилось от вещества, Вселенная стала прозрачной для него, и пришла новая эра — эра вещества. Излучение играет главную роль, образуется гелий. В конце эры главную роль в образовании вещества Вселенной начинает играть вещество (масса Вселенной).
В звездную эру, наступившую при t 1 млн лет, Т 3000 К и плотности d 10-18 кг/м3, начинается сложный процесс образования протозвезд и протогалактик.
Грандиозная картина процессов, схематично описанная здесь, разрабатывалась детально, особенную проработку получили самые первые доли секунды. Возможности исследования деталей процессов резко возросли с появлением быстродействующих ЭВМ с большими объемами памяти. Безусловно, эта картина повлияла на наше мироощущение и продолжает уточняться. Модель «горячего» начала объясняла происхождение химических элементов, их количественные соотношения сейчас, но образование крупномасштабных скучиваний в пространстве или существование квазаров она не объясняла.

9.8. Модель инфляционной Вселенной.
Возникновение во Вселенной крупномасштабных неоднородностей

Крупномасштабное скучивание галактик или существование самих квазаров нельзя объяснить теорией горячей Вселенной. Еще Хаббл, изучая в 20 — 30-е гг. распределение галактик с помощью
360

мощнейшего тогда 100-дюймового телескопа, выявил тенденцию образования групп галактик. Он отметил, что распределение ярких галактик неоднородно в очень больших угловых масштабах. Но при усреднении по областям определенных размеров распределение однородно. Так, вблизи галактических полюсов оно практически однородно, в пределах 10—40° вообще не наблюдается ни одной галактики. Хаббл объяснил это поглощением межзвездного газа, сосредоточенного вдоль плоскости Галактики.
Космическое фоновое излучение — не единственный ключ к разгадке ранней истории Вселенной. Но почему вещество не заполняет равномерно все пространство? Ведь в крупных масштабах усреднения она однородна. Здесь теории микро- и мегамира вновь идут вместе. В теории физики элементарных частиц главный процесс — нарушение симметрии. Во Вселенной нарушение симметрии ведет к образованию космических неоднородностей.
Текстуры — это зародыши агрегатов вещества, неоднородности, появившиеся вскоре после образования Вселенной. Текстуры могли превращаться в ходе эволюции в галактики и их скопления. Они создают вариации плотности, и в этих областях гравитация более эффективно тормозит общее расширение. Если гравитация преобладает над расширением, область начинает сжиматься, увеличивая флуктуации плотности. Ньютон был уверен, что самогра-витирующие облака могут возникать самопроизвольно в равномерно распределенном веществе. Но в однородной космической среде сгустки образуются не так, как кристаллы в переохлажденной жидкости. Космологи считают, что флуктуации плотности в первоначальном огненном шаре, выросшие до современных структур, не могли образоваться самопроизвольно. Поэтому они должны были быть с самого начала.
Вселенная очень неоднородна, что показывают обзоры крупномасштабного распределения галактик. Но она однородна в больших масштабах (больших сотен Мегапарсек). Этот вывод получен из фонового излучения, содержащего информацию о свойствах Вселенной, очень далеко разнесенных в пространстве. Эти свойства оказываются совершенно одинаковыми, хотя эти точки могут идти от самого горизонта, сейчас — с расстояния 26 млрд св. лет (так как расстояние до горизонта 13 млрд св. лет). Галактики имеют тенденцию к скучиванию, образуя струи и сгущения, которые окружают пустоты — войды. Пустоты достигают размеров 100 — 400 млн св. лет. Можно ожидать, что видимое распределение окажется отличным от истинного распределения материи. И говорят, что вещество во Вселенной существует в форме светящихся звезд, газовых облаков и темного вещества. Об этом свидетельствуют и наблюдения орбитальных движений звезд и газа, а масса темного вещества в виде гало составляет до 10 масс видимого объекта (его оценивают по гравитационному воздействию). Природа темного
361

вещества пока не выяснена, некоторые считают его холодным, но оно может скучиваться под влиянием гравитации с образованием объектов от галактик до сверхскоплений.
Но почему Вселенная однородна в одних масштабах и неоднородна в других, что же послужило началом расширения пространства Вселенной? В начальный момент в точке были огромное давление и высокая температура. Давление нагретых газов вызывает интенсивное расширение — взрыв. Если взрыв происходит в воздухе, имеет место перепад давлений между горячим газом и воздухом, вызванный неоднородностью плотности расширяющегося газа. Но вещество Вселенной однородно, поэтому перепада давлений, вызывающего подталкивающую к разлету силу, нет. Огромное давление в самом начале не может служить толчком к быстрому разлету. И наоборот, большое давление ведет, согласно ОТО, к дополнительному тяготению, т. е. даже замедляет расширение.
Эйнштейн ввел в теорию понятие силы гравитационного отталкивания, описываемой константой Л. Модель пустой Вселенной де Ситтера допускает, что космологическая постоянная вызывает ускоренный разлет частиц вещества. По оценкам в самом начале расширения плотность вещества во Вселенной была близка к критической. Причину этого назвали «проблемой критической плотности». В теории элементарных частиц получено, что при сверхбольших энергиях возможно существование монополей, струн (см. 2.8). Монополи — это своеобразные частицы, которые в 1016 раз массивнее протонов, возникали в эпоху Великого объединения, но в процессе дальнейшей эволюции Вселенной они частично аннигилировали, но должны еще быть. Может, они входят в «скрытую массу» Вселенной, ведь ее плотность в 30 раз превосходит плотность обычной материи. Современная теория вакуума признает существование разных вакуумов, зависящих от способа его получения. Вообще, вакуум — это состояние с минимальным значением энергии, ниже которого уже нельзя опуститься. Если даже удалить все частицы и поля, остается состояние «кипения пустоты». Оказывается, вакуум в некоторых случаях может обладать положительной плотностью энергии, плотностью массы и отрицательным давлением (натяжением). Эти особые свойства вакуума и приводят к увеличению космологической постоянной, которая меняет ситуацию, вызывая гравитационное отталкивание.
По теории А. Гута и П. Сейнхардта, раздувание очень ранней Вселенной было сильным и кратковременным (рис. 9.13). Поэтому нас будет интересовать состояние вакуума, полученного при резком охлаждении Вселенной. Раздувание должно происходить по экспоненте, если силы вакуума становятся превалирующими во Вселенной.
Силы «антигравитации» становятся больше гравитационных, и это служит первотолчком к расширению с ускорением. В 70-е гг.
362

советские физики Д.А. Киржниц и А. Линде показали, что такие условия могут возникать во Вселенной при больших давлениях и резком снижении температуры от очень больших значений, превышающих температуру эпохи Великого объединения. Эффекты квантовой гравитации, по теории Линде, приводят к возможности возникновения вакуумоподобных состояний, когда существует гравитационное отталкивание. Согласно теориям сверхплотной материи, такие состояния могут возникать по нескольким причинам. Плотности эти соответствуют энергиям почти планковским: 1019 ГэВ = 1032 К. Такую энергию частицы имели в момент порядка 3 • 10-44 с. Можно вычислить, что в этот момент плотность материи р = 1097 кг/м3 и тоже называется планковской. Таким образом, в это время при условиях, близких к планковским, существовало вакуумноподобное состояние, приведшее к инфляционному раз-
363

дуванию. Все локальные скучивания в течение фазы раздувания, или инфляции, сильно расширились, все микроскопические квантовые флуктуации превратились в макроскопические вариации плотности, из которой в будущем образовались структуры. Теория фазы инфляции основана на законах квантовой механики, но квантовые флуктуации настолько велики, что приходится подгонять ряд параметров модели.
Модель раздувающейся, или инфляционной, Вселенной точно совпадает с описанием наблюдаемого мира, начиная с 10-30 с после Начала. Даже в эти микроскопические доли секунды наблюдается отличие модели. В раздувающейся Вселенной сначала была фаза инфляции (раздувания), когда диаметр Вселенной очень быстро увеличился — в 1050 раз больше, чем предполагалось в модели Большого Взрыва. Последствия этого раздувания велики, они приводят к выводу, что наблюдаемая нами Вселенная — часть всей Вселенной. Модель полагает, что Начало было 10—15 млрд лет назад из сингулярного (сверхгорячего и сверхплотного) состояния, расширение пространства продолжается. Эти модели объяснили и реликтовое излучение, и красное смещение в спектрах далеких галактик, и первоначальное содержание легких элементов. Используя данные о мире элементарных частиц, космологи теперь пытаются подобраться почти к самому Началу, к моменту в 10-45 с после начала расширения. Приходится что-то предполагать о таком экзотическом состоянии, например, о существовании большого числа магнитных монополей.
Модель инфляционной Вселенной позволяет уменьшить число таких «экзотических» частиц. Считается, что в указанные времена законы физики не менялись, состояние описывалось квантовой гравитацией. Вещество было равновесно и однородно. Это был горячий газ элементарных частиц, заполняющий все пространство и расширяющийся вместе с ним. Этот газ отличается от идеального. В 1970 г. расчет Хайвели показал, что водород был в металлической фазе, т.е. его кристаллизация привела к возникновению не только упорядоченной решетки, но и металла, свойства которого похожи на свойства металлического натрия. Открытие магнитного поля Юпитера навело в то время на мысль, что ядро этой планеты состоит из металлического водорода. В таком состоянии водород мог раскалываться на фрагменты. Возможно, что после фазового перехода могли появиться молекулярные кристаллы.
Подобные фрагменты с молекулярно-кристаллической структурой соответствуют по массе наиболее крупным спутникам Юпитера и Сатурна, а фрагменты, состоящие из металлического водорода, превосходят по массе Землю и на 1 — 2 порядка менее массивны, чем планеты-гиганты. Но изменения состояния вещества и излучения были много медленней, чем в исследуемые времена. Эта модель объясняет упомянутые события через 1 с после Нача-
364

ла, позволяя предсказывать и другие явления, которые можно проверить.
Изотропность реликтового излучения, или однородность наблюдаемой Вселенной в больших масштабах, пытается объяснить модель Большого Взрыва. Из-за конечности скорости света всегда существует горизонт — максимальное расстояние, на которое сигнал успел распространиться со времени начала расширения Вселенной. Расстояние между источниками реликтового излучения, находящимися в противоположных направлениях на небесной сфере, в 90 раз превышало расстояние до горизонта в момент излучения.
Спектр начальных неоднородностей задают для объяснения неоднородностей в малых масштабах. Это предположение введено для объяснения скучивания вещества в галактики, скопления галактик, сверхскопления скоплений и т.д. Еще одно слабое место теории, как указывалось выше, — это плотность энергии во Вселенной. По ОТО, тип кривизны пространства определяется плотностью энергии: если она больше критической, определяемой темпом расширения, то пространство замкнуто, если меньше — незамкнуто, если равна — пространство плоское. Последний случай соответствует неустойчивому состоянию, которое никогда не меняется в идеальных условиях. Если в начале она была хоть немного отличной от критической, то это отклонение быстро росло бы со временем. По современным данным, значение отношения плотностей энергии равно от 0,1 до 2. Чтобы попасть в этот диапазон значений параметра, в начале должно быть отличие от 1 с погрешностью до 10-15 с. Эти приближения заложены в начальные условия стандартной модели Большого Взрыва.
Электромагнитные силы, порождаемые плазмой, играют более существенную роль в формировании Вселенной, чем гравитация, считает шведский астрофизик X. Альфен. Межзвездное пространство заполнено длинными «нитями» и другими структурами, состоящими из плазмы. Силы, понуждающие плазму создавать такие фигуры, заставляют ее образовывать галактики, звезды и звездные системы. Он считает, что Вселенная расширяется под влиянием энергии, выделяющейся при аннигиляции частиц и античастиц, но расширение происходит медленней. Ряд идей Альфена, родившихся из экспериментов с мощными плазменными генераторами, подтвердились опытами на космических аппаратах в Солнечной системе. Космологические модели, основанные на идеях Альфена и данных о плазме, разрабатывает на суперкомпьютерах в Лос-Аламосе группа сотрудников под руководством Э. Ператта. Один из расчетов показал, как нитевидные структуры из плазмы могут дать равномерный микроволновый фон, открытие которого подтвердило модель Большого Взрыва. Есть расчеты, показывающие, как электромагнитные силы могут участвовать вместе с гравитацией в образовании галактик из облаков плазмы. При этом получаются все известные формы галактик без дополнительных предположений о существовании темного вещества, которое вводят в другие модели эволюции Вселенной.
365

Иначе истолковывает красное смещение и закон Хаббла американский астроном Х.Арп. Он называет соотношение Хаббла «единственным шатким предположением, лежащим в основе современной астрономии и космологии». Арп сообщает, что он наблюдал много объектов, которые не следуют закону Хаббла. Он считает, что квазары, обладающие наибольшим красным смещением, на самом деле находятся не на краю Вселенной, как следует из закона Хаббла, а не далее, чем все галактики, хотя их красное смещение много меньше. Ему даже кажется, что квазары могут быть «ответвлениями» галактик.
Идеи Великого объединения взаимодействий на основе симметрии, которая спонтанно может нарушаться, развивает современная теория элементарных частиц. В равновесном состоянии этих нарушений симметрии нет. Но при температурах порядка 1027 К возможны фазовые переходы среди барионов (протонов и нейтронов). Закон сохранения барионного числа исходит из стабильности протонов, поскольку время его жизни порядка 1031 лет, что известно из опытов. Из теорий Великого объединения известно, что барионное число сохраняется не точно. При высоких температурах закон нарушается, и этим объясняется зарядовая асимметрия нашей Вселенной. Наблюдаемый избыток вещества над антивеществом — следствие взаимодействия элементарных частиц при температурах чуть ниже критической температуры фазового перехода. При кристаллизации жидкости различные области — домены — могут кристаллизоваться с разным направлением осей. Домены растут, приходят в соприкосновение друг с другом, при этом энергетически выгодно совпадение осей на границах соприкосновения. Но это получается не всегда, и остаются «локальные дефекты». Точечным дефектам соответствуют магнитные монополи, а поверхностным — стенки доменов.
Модель инфляционной Вселенной Алана Гута (1980), детально анализирующая нарушение симметрии при фазовых переходах в столь необычных условиях, сумела уменьшить некий произвол с монополями. Андрей Линде исправил некоторые допущения модели, сохранив ее достоинства. Впервые была сделана попытка разрешить одну из основных проблем мироздания — возникновение всего из «ничего». Энергию Вселенной, которая сохраняется, разделили на гравитационную и негравитационную части, которые имеют разные знаки, и тогда полная энергия Вселенной равна нулю. Если предсказываемое теориями Великого объединения несохранение барионного числа подтвердится, то тогда ни один из законов сохранения не будет препятствовать рождению Вселенной «из ничего». Пока же эти модели дают только предполагаемый механизм, который можно на основе фантазии и знаний рассчитывать на компьютерах.
366

1. Поясните, что такое «галактика», каковы форма и строение галактик. Где находится Солнечная система в нашей Галактике?
2. Каковы источники энергии звезд? Дайте представление об эволюции обычных звезд и красных гигантов и поясните процессы, происходящие в их недрах. Какова перспектива эволюции Солнца?
3. Расскажите, что такое Вселенная, каковы ее размеры, какие объекты ее составляют и какие модели развития Вселенной Вам известны.
4. Назовите эмпирические подтверждения расширения Вселенной. Что означают понятия «стационарность» и «нестационарность» Вселенной, какова природа реликтового излучения?
5. Какие наблюдения подтвердили модель Большого Взрыва?
6. Как связаны общая теория относительности и модель расширяющейся Вселенной?
7. Почему в результате первичного нуклеосинтеза не могли образоваться химические элементы, существующие сейчас во Вселенной?
8. Каково содержание и значение закона Хаббла? Опишите эволюцию Вселенной от Большого Взрыва до начала первичного нуклеосинтеза.
9. Дайте представление об инфляционной теории рождения Вселенной.

10.  Опишите процессы эволюции Вселенной от ее «просветления» до
образования галактик и звезд.
.

Ваш комментарий о книге
Обратно в раздел Наука