Домашнее задание для астрофизика

У астрофизики немало и других нерешенных проблем. Они касаются и рождения Вселенной, и происхождения галактик, и эволюции звезд и планет, и физики черных дыр. Лишь недавно астрофизики научились регистрировать приходящие из космоса потоки нейтрино и гравитационные волны. Эти новые для нас носители информации многое сумеют рассказать о процессах, происходящих во Вселенной. Не так давно, изучая движение далеких галактик, астрономы заметили наличие нового типа взаимодействия – антигравитации. Еще недавно антигравитация была темой для фантастов, а теперь физики и астрономы работают над разгадкой ее носителя, пока условно называя его темной энергией.

Может показаться, что все усилия астрофизиков сосредоточены на невидимых, неощутимых, неуловимых сущностях, таких как темная материя, темная энергия, черные дыры, но это не так. Есть немало космических объектов, давно известных ученым и легко наблюдаемых, но до сих пор таящих в себе загадки. За примерами далеко ходить не надо.

Все мы видели солнечную корону – кто на фотографиях, а кто и «живьем» во время солнечного затмения. Корона – самый верхний слой солнечной атмосферы, очень разреженный и очень горячий. Ее температура – несколько миллионов кельвинов, а температура лежащей под ней фотосферы – всего несколько тысяч кельвинов. Парадоксальная ситуация; все равно, как если бы на холодной плите закипала вода в кастрюле. Источник солнечной энергии – термоядерные реакции – находится в недрах Солнца. Выделившееся там тепло постепенно просачивается наверх, к более холодным слоям, что естественно. Минимальной температуры вещество Солнца достигает в его фотосфере, которую мы воспринимаем как видимую поверхность Солнца. Над ней лежат разреженные слои – хромосфера и корона, казалось бы, лишенные источников энергии. Но именно в них чем выше, тем горячее. Что же их греет?

На этот счет есть разные предположения. Долгое время считалось, что корону греют звуковые волны. Действительно, под фотосферой Солнца бурлят конвективные потоки, производящие много шума. Звуковые волны движутся вверх, повышая амплитуду своих колебаний. Ведь волна переносит энергию за счет колебательного движения вещества. А поскольку вверх плотность атмосферы уменьшается, амплитуда колебаний должна возрастать (закон сохранения энергии). На некоторой высоте амплитуда колебаний плотности становится такой большой, что скорость движения вещества достигает скорости звука. Возникает ударная волна, в которой частицы вещества уже не движутся согласованно, а получают «пинок» от пришедшей к ним волны, что приводит к быстрому рассеиванию ее энергии в виде тепла. Однако расчеты показали, что энергии звука недостаточно для разогрева короны.

Эту идею пытались спасти, вспомнив, что магнитное поле, как и газ, тоже обладает упругостью и вдоль него тоже может распространяться волна деформации магнитных силовых линий. Но и идея магнитозвуковых волн тоже себя не оправдала. Сейчас одной из перспективных идей об источниках разогрева солнечной короны считается гипотеза «нановспышек», постоянно происходящих в нижних слоях хромосферы. Здесь приставка «нано» указывает лишь на то, что эти вспышки намного слабее, чем легко наблюдаемые грандиозные солнечные вспышки, вызывающие полярные сияния и магнитные бури на Земле. Но в каждой из нановспышек в среднем выделяется энергия, эквивалентная примерно 240 мегатоннам тротила, что соответствует 12 000 бомб, сброшенных на Хиросиму или Нагасаки. Однако есть и другие гипотезы о причинах высокой температуры солнечной короны. Чтобы ближе познакомиться с короной Солнца, к ней в ближайшее время будут посланы космические зонды. Это должно помочь астрофизикам разрешить загадку горячей оболочки Солнца.

В то время как Солнце и другие звезды доступны прямому исследованию, процесс зарождения звезд изучен весьма поверхностно. Он происходит в холодных и относительно плотных недрах межзвездных молекулярных облаков, куда астрофизики могут заглянуть только с помощью телескопов субмиллиметрового диапазона, которые стали создаваться лишь в последние годы. Именно сейчас начинается изучение звезд в их младенческом возрасте, на стадии протозвезды.

Протозвездами мы называем обособившиеся из газово-пылевого облака в результате его гравитационной неустойчивости плотные сжимающиеся конденсации вещества, в недрах которых еще не достигнуты температуры, необходимые для начала термоядерных реакций – основного источника энергии звезд. Стадия протозвезды – это завершающий этап формирования звезды, который продолжается вплоть до момента «загорания» термоядерных реакций в ядре протозвезды, после которого ее сжатие прекращается и она становится звездой главной последовательности на диаграмме Герцшпрунга – Рассела. Переход звезды в это относительно спокойное состояние происходит непросто и сопровождается разного рода активностью. На молодую звезду продолжают падать остатки протозвездного вещества, а часть этого вещества оседает в околозвездный диск, напоминающий диск Сатурна, но гораздо более плотный, горячий и активный.

Если молодая звезда не слишком массивна и своим излучением и звездным ветром не может разрушить околозвездный диск, то в нем происходит формирование планетной системы. Хотя за последнюю четверть века астрономы обнаружили в ближайших окрестностях Галактики тысячи планетных систем (их принято называть экзопланетными), механизмы формирования планет и их спутников до сих пор не вполне ясны. Честно говоря, мы даже не можем точно восстановить историю происхождения нашей Луны, не говоря уже о планетах Солнечной системы и тем более – об экзопланетах. Разнообразие характеристик уже обнаруженных планетных систем столь велико, что пока не ясно, какие физические процессы играли в этом доминирующую роль.

Не менее разнообразен и мир галактик: в нем трудно отыскать две одинаковые звездные системы. Изучение галактик – молодое направление астрофизики. Само понятие о внешних по отношению к нашей Галактике звездных системах оформилось менее 100 лет назад. Для изучения галактик требуются весьма совершенные крупные телескопы, качественный наблюдательный материал накапливается медленно, поэтому понять, когда и как сформировались эти «звездные острова», пока не удалось.

Формированием галактик мы называем последовательность событий, в результате которых каждая галактика становится обособленной от других и приобретает свою индивидуальность – характерную массу, размер, структуру. Формирование большинства галактик произошло на стадии ранней Вселенной, после эры рекомбинации, закончившейся примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. Небольшие пространственные флуктуации температуры реликтового излучения (ΔT/T ~ 10^-5), о которых мы уже говорили, свидетельствуют о существовании в раннюю космологическую эпоху небольших флуктуаций плотности вещества, что является необходимой предпосылкой зарождения галактик. Если бы на ранней стадии расширения Вселенной однородное вещество не смогло бы распасться на гравитационно связанные облака, то позднее, когда космос стал более разреженным, такого шанса у вещества уже не было бы.

Детали формирования галактик неизвестны, но теорий много. Уже ясно, что темная материя играет решающую роль в появлении гравитационных центров, вокруг которых обычное вещество конденсируется в галактики, но детали этого процесса зависят от температуры темной материи, а она еще неизвестна. Холодная темная материя облегчает формирование галактик, в то время как при высокой температуре темной материи формирование обособленных структур из-за быстрого движения частиц затруднено.

Основная идея теорий формирования галактик состоит в том, что первые облака, обособившиеся во время расширения Вселенной, были облаками темной материи с некоторым количеством нейтрального водорода и гелия. Когда в дальнейшем под действием собственной гравитации эти облака сжимались, темная материя и обычное вещество должны были разделиться, так как обычное вещество может терять энергию (в основном на излучение) и поэтому способно сжиматься значительно сильнее, чем темная материя, которая, по-видимому, сжимается адиабатически, т. е. без потери энергии, поскольку не сталкивается с обычным веществом и не может излучать электромагнитные кванты.

Происходит это так. В процессе гравитационного коллапса атомы водорода сближаются и начинают чаще сталкиваться. Газ разогревается и начинает сбрасывать тепло в виде инфракрасного излучения, позволяя коллапсу продолжаться. Темная материя ведет себя иначе: при сжатии она тоже разогревается, но не способна охлаждаться путем излучения. Поэтому давление в ней быстро нарастает и сжатие останавливается. Темная материя должна остаться в протяженном гало галактики, как раз там, где она и обнаружена. Из-за потери энергии в среде водорода и гелия увеличивается плотность вещества в центральной части протогалактики и образуются газовые облака. При столкновении двух облаков газ сжимается в ударном фронте, и это запускает процесс звездообразования. Как только появляется излучение первой звезды, говорят, что протогалактика стала первобытной галактикой.

Согласно одной из теорий, только что рожденные галактики были небольшими, возможно, не больше шаровых скоплений, и располагались вдоль филаментов (линейных уплотнений), пронизывающих молодую Вселенную как паутина. Двигаясь по случайным направлениям, эти молодые звездные системы могли сближаться и сливаться, объединяясь друг с другом. Многократный повтор этого процесса приводил к образованию галактик все большего и большего размера. Спустя миллиарды лет вместо филаментов (цепочек) галактик появились скопления галактик, соединенных перемычками – остатками исходных филаментов. Эта теория филаментного формирования галактик получила в 2001 году поддержку благодаря наблюдениям Очень большого телескопа (VLT), выявившим ряд плотных водородных образований в ранней Вселенной, которые светятся под действием излучения горячих молодых звезд, находящихся внутри них. Вероятно, эти образования являются филаментами, заполненными формирующимися галактиками.

До сих пор мы говорили о задачах астрофизики, решению которых способствует накопление наблюдательных фактов. Используя эти факты, астрофизики строят модели, сценарии, теории, объясняющие уже известный массив наблюдений и предсказывающий новые явления. Обычно для моментальной проверки этих прогнозов чего-то не хватает: мощности существующих телескопов, наблюдательного времени на лучших из них и т. п. Но со временем такая возможность появляется, и теоретические построения либо подтверждаются, либо отбрасываются как неверные. Но есть одна задача, над решением которой трудятся многие теоретики, но пока не видно какой-либо возможности проверить их построения. Речь идет о проблеме рождения Вселенной.

Вообще говоря, космология как наука о Вселенной в целом развивается стремительно и уже вышла на уровень точного знания, когда дискуссии идут о глобальных характеристиках нашего мира, измеренных с точностью до второго-третьего знака после запятой. Но когда речь заходит о первом мгновении существования нашего мира, то не ясно даже, было ли оно, это мгновение, вообще. Не исключено, что наблюдаемое ныне расширение Вселенной началось после предшествовавшей стадии сжатия, хотя такую точку зрения поддерживают немногие. Преобладающее мнение состоит в том, что вопрос «что было до начала расширения?» не имеет смысла, по крайней мере в рамках современной физики. Наука сегодня пытается объяснить, что было непосредственно после начала расширения и под действием каких сил окружающий мир приобрел его глобальные свойства. На эти вопросы убедительнее других отвечает сегодня теория инфляции, она же – инфляционная космология. По сути, это модификация стандартной космологической модели Большого взрыва, предполагающая, что на самом раннем этапе своей эволюции (10^-43–10^-37 с) Вселенная претерпела колоссальное расширение, которое привело к экспоненциальному росту всех масштабов. Это предположение позволяет разрешить некоторые парадоксы классической космологии: почему Вселенная плоская (т. е. ее пространство евклидово), почему в больших масштабах она однородна и изотропна, почему в ней все же были малые неоднородности, приведшие к рождению галактик, и т. п.

Причиной стремительного расширения мира был инфлатон (он же инфлантон или инфлятон) – гипотетическое скалярное поле, существование которого предполагается в теории инфляции. Подчеркнем: именно гипотетическое, никаким образом сегодня себя не проявляющее. Считается, что в первые мгновения эволюции Вселенной фазовый переход инфлатона в состояние с более низкой потенциальной энергией вызвал ускоренное «раздувание» (инфляцию) пространства, а также рождение вещества и энергии. Если такое поле с его удивительными свойствами (например антигравитацией) действительно существует или существовало в ту далекую эпоху, то с точки зрения современной физики тут все в порядке. Однако наблюдательная проверка теории инфляции пока представляется чрезвычайно сложной и выходящей за рамки нашего рассказа об астрофизике.

Читая книги об астрономии, написанные 100–150 лет назад, я удивляюсь наивности научных представлений тех лет и восхищаюсь тому, как, работая с примитивными приборами, мои предшественники смогли хоть что-то узнать о Вселенной. Пройдет еще век-другой, мои ученики и их ученики-астрофизики, вооруженные такими приборами, о которых мы не мечтаем сегодня, узнают о Вселенной столько нового, что наши представления покажутся им наивными, что большинство наших проблем будут ими давно решены, а перед ними встанут такие, о которых мы даже не догадываемся сегодня. И так будет всегда, ибо любознательность – главное достоинство человека.