Шаг в неведомое

Что такое астрофизика

Подлинный передний край науки о космосе сегодня – это, конечно, астрофизика.

Астрофизикой обычно называют раздел астрономии, изучающий космические объекты и явления физическими методами. Но можно сказать и по-другому: астрофизика – это физика за пределами земной лаборатории. По сравнению с лабораторной, экспериментальной физикой особенность астрофизики заключается в том, что с космическими объектами (кроме объектов Солнечной системы) невозможно экспериментировать. Их можно только наблюдать издалека, изучая приходящее от них электромагнитное излучение (свет, радиоволны и т. д.), и лишь в редчайших случаях ловить частицы их вещества (например космические лучи) и регистрировать возбужденные ими гравитационные волны.

Считается, что астрофизика родилась благодаря изобретению спектрального анализа и фотографии в середине XIX века. Но не будем забывать, что рождение современной физики, занявшее весь XVII век – от эпохи Галилея до эпохи Ньютона, – неразрывно связано с астрономическими наблюдениями. Основа физики – механика – рождалась как небесная механика, поскольку движение планет демонстрирует нам законы Ньютона «в чистом виде», не обремененном такими второстепенными эффектами, как трение, столкновения и проч. И лишь позже, получив развитие на основе лабораторных экспериментов, физика отдала свой долг астрономии, привнеся в нее искусство оптики и методы анализа света. Впрочем, рождению астрофизики в равной мере способствовала и химия, с которой связано изобретение фотографии, и техника, позволившая создать тонкие оптические приборы.

С середины XIX до середины XX века астрофизика развивалась как искусство анализа света. Тогда же сложился и образ астрофизика как астронома, вооруженного спектрографом. Вместе с телескопом спектрограф до сих пор остается главным инструментом астрофизиков, хотя к нему добавились и другие приборы для анализа света – поляриметры, болометры, магнитографы и т. п.

Считается, что область исследований становится наукой, когда рождается возможность неоднократно воспроизводить результаты опытов. Если один ученый заявляет, что он открыл, например, новое свойство вещества, то это открытие будет признано и станет частью науки лишь тогда, когда его много раз воспроизведут и в тех же условиях проверят другие ученые. Такую возможность дает лаборатория, где мы можем в контролируемых условиях раз за разом ставить опыты, убеждаясь, что всегда при одинаковых условиях получаем один и тот же результат. Но в космосе опыты ставит сама природа, неожиданно для нас и каждый раз по-разному, а мы лишь издалека наблюдаем за их результатом, пытаясь понять, как именно природе удалось этого добиться.

Все это затрудняет астрофизические исследования и удлиняет путь от наблюдаемого феномена к разгадке его механизмов на годы и даже на столетия. Тогда почему же физики так дорожат астрофизическими исследованиями?

Лаборатория размером со Вселенную

Дело в том, что возможности наших земных лабораторий ограничены, а ученые стремятся исследовать вещество и поля в максимально широком диапазоне физических условий. Ведь свойства вещества очень сильно зависят от его плотности, температуры и давления, от присутствия электрического и магнитного полей. Сравните, например, воду в состоянии пара, жидкости и льда – между ними мало общего, а ведь это одно и то же вещество. Немного изменили температуру и давление, и вот уже перед нами вещество с совершенно иными свойствами. Конечно, физики стараются расширить возможности своих лабораторий, но на Земле всему есть предел. А природа на просторах космоса легко выходит за эти пределы. Вот некоторые примеры.

Многие свойства атомов можно изучать только при крайне низких плотностях, когда каждый атом «сам по себе» и не взаимодействует с соседями. В лаборатории предельно низкие плотности называют сверхвысоким вакуумом; сегодня это 10⁹ частиц в кубическом сантиметре. Действительно, это очень разреженная среда – в десятки миллиардов раз разреженнее комнатного воздуха. Но меньше никак не получается. А насколько низкие плотности достижимы в «космической лаборатории»?

Во время солнечного затмения мы видим сияющую корону Солнца; ее плотность 10⁸–10⁹ см⁻³. На Земле это сверхвысокий вакуум, а в космосе – весьма ощутимая среда. Удаляясь от Солнца, мы видим, как солнечная корона, превращаясь в поток солнечного ветра, становится все менее и менее плотной. У орбиты Земли ее плотность снижается до 10 см⁻³. Примерно такую же плотность имеют облака межзвездного газа, а между этими облаками межзвездное пространство еще разреженнее – всего лишь 1 см⁻³, а то и меньше. Это в миллиард раз меньше плотности самого высокого лабораторного вакуума. Атомы в таких условиях могут долго оставаться в одиночестве, не взаимодействуя с другими атомами. При этом проявляются их свойства, недоступные изучению в лаборатории, например, возбужденные состояния с большим временем жизни. Переходы из таких состояний в состояния с меньшей энергией «запрещены», т. е. происходят крайне редко, поэтому соответствующие линии в спектре излучения тоже называют запрещенными. В лаборатории такой возбужденный атом обязательно столкнется с соседом и передаст ему энергию без излучения. А в разреженном космосе атом долго может летать без столкновения, пока не излучит запрещенную линию. Поэтому именно в спектрах межзвездных облаков были обнаружены и изучены запрещенные переходы в атомах, что заметно продвинуло атомную физику и даже привело к некоторым забавным открытиям.

Например, в начале ХХ века в спектре солнечной короны были обнаружены яркие линии, никогда ранее не наблюдавшиеся в лабораторных спектрах. Их приписали новому, неизвестному ранее химическому элементу, назвав его, естественно, «коронием». Правда, в таблице Менделеева не удавалось найти для этого гипотетического элемента пустую клетку. Только в 1939–1941 годах было убедительно доказано, что загадочные линии «корония» принадлежат многократно ионизованным атомам железа, никеля и кальция. Эти атомы были лишены почти всех своих электронов по причине очень высокой – несколько миллионов градусов! – температуры солнечной короны, о которой раньше никто не догадывался. Признаюсь, что еще и сегодня мы не до конца понимаем, почему корона Солнца такая горячая, но рады, что эта уникальная физическая «лаборатория» доступна для изучения.

Еще более разрежен, чем в солнечной короне, газ в межзвездном пространстве. Нагретый звездами, он светится иногда так ярко, что это заметно даже для невооруженного глаза (пример – Туманность Ориона). Во второй половине ХIХ века в оптическом спектре этого газа были обнаружены никогда не наблюдавшиеся в лаборатории яркие зеленые линии, которые приписали новому химическому элементу – небулию (от лат. nebula – туманность). После развития квантовой механики, в 1927 году, эти линии были отождествлены с запрещенными линиями дважды ионизованного кислорода. В земных условиях такое излучение наблюдать невозможно, а значит, изучить атомы в этом состоянии было бы нельзя. А в космосе – пожалуйста!

Подобная история произошла и с гипотетической субстанцией под названием «мистериум», которую якобы обнаружили в космосе в 1966 году. Собственно, обнаружено было радиоизлучение с длиной волны 18 см, идущее от некоторых компактных туманностей. Необычными в нем были очень высокая яркость и крайне малая ширина радиолинии. Природные источники, как правило, излучают в широком диапазоне частот, а малой шириной диапазона отличаются искусственные источники, такие как радиостанции. У астрономов даже возникло подозрение, что на волне 18 см приходит послание от внеземной цивилизации. Но вскоре выяснилось, что источниками этого загадочного излучения служат природные мазеры на молекуле гидроксила OH. Мазеры – это довольно сложно устроенные квантовые генераторы и усилители радиоволн, изобретенные в конце 1950-х годов. Казалось, что природа без участия человека не способна создать мазер, но вот поди ж ты – в космосе возможно многое! Условия там столь разнообразны, что случайно где-то может реализоваться технически сложная конструкция.

Но межзвездная среда – это еще не предел пустоты. В скоплениях галактик, в промежутках между звездными системами, находится межгалактический газ. В основном это водород, немного гелия и совсем чуть-чуть всех прочих элементов. Этот газ имеет плотность 10⁻⁴ ¸ 10⁻² см⁻³. А в пространстве между скоплениями вещества еще меньше. Наконец, средняя концентрация атомов во Вселенной около 3∙10⁻⁷ см⁻³. Иными словами, один атом в трех кубометрах пространства. Вот это астрономы и называют сверхвысоким вакуумом: в миллион миллиардов раз лучше, чем в лаборатории!

Теперь обратимся к высоким плотностям. Изучать вещество при сильном сжатии очень важно хотя бы для того, чтобы понять, как оно ведет себя в недрах Земли. Из природных материалов высокой плотности мы знакомы со свинцом (11 г/см³), золотом (19 г/см³), осмием (23 г/см³). Максимальные плотности и давления, достигнутые в лабораториях на прессах с алмазными наковальнями, близки к тем, которые мы имеем в ядре Земли. До условий, царящих в недрах планет-гигантов, лабораторные установки еще не дотягиваются. Что уж говорить о ядре Солнца, где плазма сжата до плотности 150 г/см³, и мы имеем возможность изучать ее поведение, регистрируя приходящие оттуда частицы нейтрино. А те звезды, что постарше нашего Солнца и уже завершают свою эволюцию, оставляют после себя остывающие ядра – белые карлики. Плотность их вещества с трудом укладывается в нашей фантазии: 10⁵–10⁸ г/см³. Это же 100 тонн в наперстке! И таких объектов вокруг нас много; астрономы изучают белые карлики уже второе столетие.

Но остатки эволюции звезд более массивных, чем Солнце, еще удивительнее – это так называемые нейтронные звезды, имеющие плотность 10¹³–10¹⁴ г/см³. Тут уже наша фантазия окончательно сдается, ведь это же 100 млн тонн в наперстке! Никогда на Земле мы не получим вещество при такой плотности в макроскопических количествах. А изучать его в космосе вполне возможно. Обнаружены же тысячи нейтронных звезд, и мы можем следить за их поведением и наблюдать их поверхность. Кстати, вблизи их поверхности существуют фантастические магнитные поля с индукцией до 10¹¹ Тс, тогда как в лаборатории мы можем создавать индукцию лишь до 10⁴ Тс. Разрыв в 10 миллионов раз! Не думаю, что его удастся преодолеть в обозримом будущем. А изучать поведение вещества в магнитных полях нейтронных звезд мы можем уже сегодня. И это поведение поистине удивляет. Например, атом водорода, помещенный в такое поле, из шарика превращается в ниточку (вспоминаем силу Лоренца). А если вычислить плотность массы магнитного поля с индукцией B = 10¹¹ Тс, то получим не менее удивительный результат:

ρ_B = B²/2 μ₀c² = 40 т/см³.

Вы только подумайте: 40 тонн массы в каждом кубическом сантиметре пустоты, пронизанной магнитным полем! И эти условия доступны для изучения, космос дарит их нам. Нейтронные звезды с рекордными магнитными полями, так называемые магнитары, сейчас активно исследуются астрофизиками.

Еще один «космический бонус» для физики – это частицы высокой энергии, которые физики используют для зондирования внутренней структуры элементарных частиц и рождения новых их типов, ранее неизвестных ученым. Чем выше энергия частицы-ударника, тем интереснее результаты. Большой адронный коллайдер – самый мощный ускоритель частиц на Земле – способен разгонять протоны до энергии 10¹³ эВ. Обсуждающийся сейчас проект Очень большого адронного коллайдера (VLHC) предусматривает энергию 10¹⁴ эВ. Вряд ли в обозримом времени будет создано что-либо более мощное. А из космоса в составе галактических космических лучей к нам прилетают протоны с энергией до 10²⁰ эВ, в миллионы раз энергичнее тех, что разгоняет коллайдер. Ускоритель с такой энергией вообще нельзя построить на Земле, поскольку его размер был бы больше, чем у самой нашей планеты. Не говоря уже о фантастической стоимости такого прибора. А из космоса быстрые частицы прилетают к нам бесплатно. Академик Яков Борисович Зельдович говорил, что Вселенная – это ускоритель для бедных. Но, как видим, и самые богатые не способны создать такой ускоритель, который бы конкурировал с Вселенной.

И, наконец, именно астрономия указала физикам на существование в природе двух таинственных сущностей – темной материи и темной энергии. Поисками темной материи (а точнее, темного вещества) активно заняты сейчас физики-экспериментаторы. Понять антигравитационную сущность темной энергии пытаются физики-теоретики. Без астрономических наблюдений мы бы никогда не узнали о существовании этих двух загадочных объектов природы, заполняющих Вселенную своей массой-энергией на 95 %. Можно лишь восхищаться тем, что, наблюдая 2 % массы Вселенной (звезды, межзвездный газ, планеты), астрономы смогли узнать о существовании и некоторых свойствах невидимых 98 % массы Вселенной. Это открывает перед физикой захватывающую перспективу: изучение нашего мира, по сути, только начинается! И главная роль в этом принадлежит астрофизике.