Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Методология науки
Избранное
Публичные лекции
Лекции для школьников
Библиотека «Династии»
Интервью
Опубликовано полностью
В популярных журналах
Из Книжного клуба
Статьи наших друзей
Статьи лауреатов «Династии»
Выставка
Происхождение жизни
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Новости науки

 
16.01
Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот

11.01
Многолетнее исследование черных ворон в Испании выявило преимущества коммунального гнездования

09.01
Эмоциональное восприятие музыки зависит от генов

05.01
Вставка генома вольбахии может приводить к развитию новой половой хромосомы у ее хозяев

04.01
Межгрупповые конфликты у шимпанзе связаны с повышенным уровнем окситоцина






Главная / Библиотека / Избранное версия для печати

Академик Виталий Лазаревич Гинзбург

Астрофизика

К астрофизике относим проблемы 21–30, что в некоторых случаях весьма условно. В частности, и даже в особенности, это относится к вопросу об экспериментальной проверке ОТО — общей теории относительности. Эффекты ОТО в пределах Солнечной системы весьма малы. Именно поэтому проверка, с успехом начатая в 1919 году и продолжающая до сих пор, не приводит к точностям, к которым мы привыкли в атомной физике.

Для отклонения радиоволн Солнцем отношение наблюдаемой величины к вычисленной согласно ОТО составляет 0,99997 + 0,00016. Такое же отношение для поворота перигелия Меркурия равно 1,000 + 0,001. В общем ОТО проверена в слабом гравитационном поле с погрешностью до сотой доли процента; при этом никаких отклонений от ОТО не обнаружено. Особо стоит вопрос о проверке принципа эквивалентности; его справедливость подтверждена с точностью 10–12.

В астрофизике отклонение лучей в поле тяжести все шире используется при наблюдении «линзирования», т. е. фокусировки электромагнитных волн под действием гравитационного поля, в применении как к галактикам (они линзируют свет и радиоволны квазаров и других галактик), так и к звездам (микролинзирование более удаленных звезд). Разумеется, речь при этом не идет о проверке ОТО (точность измерений сравнительно невелика), а об ее использовании.

Когда-то наблюдать гравитационные линзы считалось практически невозможным. Однако в 1979 году было обнаружено линзирование одного из квазаров. В настоящее время наблюдение линзирования и микролинзирования — довольно широко используемый астрономический метод. В частности, данные о линзировании позволяют определить постоянную Хаббла.

По-настоящему актуальна проверка ОТО в сильных гравитационных полях — для нейтронных звезд и вблизи черных дыр и вообще для черных дыр. Так, недавно предложен метод проверки ОТО в сильном поле по колебаниям излучения в двойной звезде, одна из компонент которой является нейтронной звездой. Хотя черные дыры и можно было вообразить себе в дорелятивистской физике, но по сути дела — это замечательный релятивистский объект. Можно отметить, что их обнаружение подтверждает ОТО. Однако, насколько я себе представляю ситуацию, нельзя утверждать, что известное о черных дырах подтверждает именно ОТО, а не некоторые отличающиеся от нее релятивистские теории гравитации.

Существенной проверкой ОТО является исследование двойных пульсаров. Оно показало, что потеря энергии двумя движущимися нейтронными звездами, образующими двойную систему, находится в полном согласии с ОТО при учете гравитационного излучения (интенсивность которого была вычислена Эйнштейном в 1918 году). Ни один квалифицированный физик не сомневается в существовании гравитационных волн. Но имеется проблема (она фигурирует в списке под номером 22) — прием гравитационных волн, приходящих из космоса. Задача технически очень сложна, для ее решения строятся гигантские установки. Так, система LIGO (Laser interferometer gravitational-wave observatory, США) состоит из двух далеко разнесенных «антенн» длиной 4 км каждая. В этой установке можно будет заметить происходящее под действием приходящей гравитационной волны смещение зеркал на 10–16 см, а в дальнейшем и меньшие смещения. В ближайшие годы LIGO и аналогичные установки, строящиеся в Европе и Японии, вступят в строй. Так будет положено начало гравитационно-волновой астрономии.

Замечу, что радиоастрономия родилась в 1931 году, а начала интенсивно развиваться после 1945 года. Галактическая рентгеновская астрономия возникла в 1962 году. Гамма-астрономия и нейтринная астрономия еще моложе. С развитием гравитационно-волновой астрономии будет освоен последний известный «канал», по которому мы можем получать астрофизическую информацию. Как и в других случаях, весьма важны будут совместные (одновременные) измерения в различных «каналах». Речь может идти, например, об исследовании образования сверхмассивных черных дыр совместно в нейтринном, гравитационно-волновом и гамма-«каналах».

Совокупность проблем, указанных в списке под номером 23, — это, пожалуй, самое главное в астрофизике. Сюда отнесена и космология. Несомненно, космологическая проблема — великая проблема. Внимание она привлекала к себе всегда: ведь системы Птолемея и Коперника — это тоже космологические теории. В рамках физики XX века космология в теоретическом плане создавалась в работах Эйнштейна (1917 г.), Фридмана (1922 и 1924 гг.), Леметра (1927 г.) и затем многих других. Но до конца 40-х годов все наблюдения, существенные с космологической точки зрения, велись в оптическом диапазоне. Поэтому от крыт был лишь закон красного смещения, и тем самым установлено расширение Метагалактики (работы Хаббла, которые датируются 1929 годом, хотя красное смещение наблюдалось и ранее, и не только Хабблом). Энергичное развитие космологии началось только после того, как в 1965 году было открыто реликтовое тепловое радиоизлучение с температурой около 2,7 К. В настоящее время именно измерения в радиодиапазоне играют наиболее важную роль среди наблюдений, имеющих космологическое значение.

Одной из основных, а может быть и главной, задачей в космологии является определение характера эволюции Вселенной. Важный результат, известный уже довольно давно, заключается в том, что в эволюцию Вселенной вносит вклад не только «обычное» барионное вещество (и, конечно, электроны), но еще что-то, что называют скрытой, или темной, массой (dark matter). Кроме этого, предполагается и влияние некоторой «вакуумной материи», называемой также «темной энергией».

Обращаясь к проблеме 24 (нейтронные звезды и пульсары, сверхновые), замечу, что гипотеза о существовании нейтронных звезд, насколько знаю, была высказана в 1934 году. Вначале казалось, что нейтронные звезды (характерный радиус 10 км, масса порядка массы Солнца) обнаружить почти невозможно. Сейчас даже одиночные нейтронные звезды, не говоря уже о двойных звездах, изучаются в рентгеновских лучах. Однако еще до этого в 1967–1968 годах было открыто радиоизлучение нейтронных звезд — пульсаров.

Сейчас известно около 1000 пульсаров с периодом радиоимпульсов (это также период вращения звезды) от 1,56 x 10–3 с до 4,3 с. У миллисекундных пульсаров магнитное поле (на поверхности) порядка 108–109 Э. У большинства пульсаров с периодом радиоимпульсов от 0,1 с до 1 с поле порядка 1012 Э. Кстати, существование в природе столь сильных магнитных полей тоже важное открытие. В последнее время обнаружены нейтронные звезды с еще более сильными полями (магнетары), достигающими по оценкам 1015–1016 Э(!). Радиоизлучение эти магнетары не испускают, но наблюдаются в мягких гамма-лучах.

Черные дыры и особенно космические струны — еще значительно более экзотические объекты, чем нейтронные звезды. Космические струны (не следует, конечно, их путать с суперструнами) — это некоторые (не единственно возможные) топологические «дефекты», могущие возникать при фазовых переходах в ранней Вселенной. Они представляют собой нити, могущие быть замкнутыми (кольца) космических масштабов и с характерной толщиной порядка 10–29–10–30 см. Космические струны еще не наблюдались, даже «кандидаты» на эту роль мне неизвестны. Поэтому я было включил космические струны в «список» рядом с черными дырами, но поставил знак вопроса.

Совсем иначе дело обстоит с черными дырами — они являются важнейшими астрономическими и физическими объектами. Несмотря на то что «схватить черную дыру за руку» очень трудно, в их существовании и большой роли в космосе сегодня невозможно сомневаться. Любопытно, что черные дыры в некотором смысле были предсказаны еще в конце XVIII века Митчеллом и Лапласом.

Наблюдаются, или, если быть очень осторожными, по всей вероятности, наблюдаются, черные дыры двух типов — со звездными массами меньше или порядка 100 масс Солнца и гигантские дыры в галактиках и квазарах с массами порядка (106–109) масс Солнца. Дыры со звездными массами находят в основном в результате наблюдения двойных систем.

Вопрос об образовании галактик (проблема 26) составляет особую главу космологии. Ее содержание в теоретическом плане состоит в анализе динамики неоднородностей плотности и скорости вещества в расширяющейся Вселенной. В результате роста крупномасштабных неоднородностей вещества во Вселенной появляются галактики и скопления галактик.

Теперь остановлюсь на вопросе о темной материи. По сути дела, это очень крупное и неожиданное открытие, история которого, насколько знаю, восходит к 1933 году. Количество светящейся материи определяется в результате наблюдений в основном в видимом свете. Полное же количество гравитирующей материи сказывается на динамике — движении звезд в галактиках и галактик в скоплениях. Вне всяких сомнений, установлено, что во Вселенной имеется несветящаяся материя, проявляющаяся в силу своего гравитационного взаимодействия. Темная материя распределена отнюдь не равномерно, но присутствует везде: и в галактиках, и в межгалактическом пространстве. Так возник один из важнейших и, я бы сказал, острейших вопросов современной астрономии — какова природа темной материи, часто именовавшейся ранее также скрытой массой? Проще всего предположить, что речь идет о нейтральном водороде, сильно ионизованном (и поэтому слабо светящемся) газе, планетах, слабо светящихся звездах — коричневых карликах, нейтронных звездах или, наконец, черных дырах. Однако все эти предположения опровергаются наблюдениями разных типов.

Происхождение космических лучей (проблема 28), открытых в 1912 году, много лет оставалось загадочным. Но сейчас можно не сомневаться в том, что основными их источниками являются сверхновые звезды. Наиболее интересной представляется проблема происхождения космических лучей со сверхвысокими энергиями, превышающими 1016 эВ. Наивысшая наблюдавшаяся в космических лучах энергия составляет 3 x 1020 эВ. Ускорить частицы (скажем, протон) до такой энергии нелегко, но, по-видимому, возможно, особенно в активных ядрах галактик. Однако есть ряд трудностей, которые не позволяют удовлетворительно ответить на вопросы о происхождении космических лучей с самой высокой энергией. Проблема действительно загадочна и уже поэтому интересна.

Перейдем к проблеме 29 — к гамма-всплескам. В конце 60-х годов в США была запущена система спутников Вела (Vela), оснащенных приборами, могущими регистрировать мягкие гамма-лучи и предназначенные для контроля над соглашением, запрещающим атомные взрывы в атмосфере. Взрывы не производились, но были зафиксированы гамма-всплески неизвестного происхождения. Их типичные энергия (0,1–1) МэВ и длительность — секунды. Об этом открытии было сообщено лишь в 1973 году. Гамма-всплески с тех пор энергично изучались, но их природа долгое время оставалась неясной. Сейчас можно констатировать, что гамма-всплески — следствие мощнейших взрывных явлений, наблюдаемых во Вселенной, не считая, конечно, самого Большого взрыва (Big Bang). Речь идет об энерговыделении до примерно 1051 эрг только в гамма-диапазоне. Это существенно больше, чем оптическое излучение при взрывах сверхновых. Поэтому некоторые источники гамма-всплесков называли гиперновыми. Кандидаты на роль таких «источников»: слияние двух нейтронных звезд, какое-то столкновение или слияние массивной звезды с нейтронной и т. п.

Осталось обсудить последнюю, 30-ю проблему «списка» — нейтринную физику и астрономию. Напомню, что гипотеза о существовании нейтрино была высказана Паули в 1930 году. Длительное время считалось, что детектировать нейтрино практически невозможно. Вопрос о массе нейтрино возникал, вероятно, с самого начала, но было ясно, что масса, например, электронного нейтрино если и отлична от нуля, то очень мала по сравнению с массой электрона. Так или иначе, вопрос о массе нейтрино остается актуальным.

Солнце и звезды, как известно, излучают за счет происходящих в их недрах ядерных реакций и, следовательно, должны испускать нейтрино. Такие нейтрино, имеющие энергию около 10 МэВ, могут в настоящее время регистрироваться лишь от Солнца. Еще несколько лет назад считалось, что измеряемый поток нейтрино от Солнца существенно меньше вычисленного. Но сейчас построены и начали эксплуатироваться несколько совершенных установок для детектирования солнечных нейтрино с различными энергиями. Результаты наблюдений самых последних лет позволяют утверждать, что проблема солнечных нейтрино в основном решена.

Нейтринная астрономия — это не только солнечная астрономия. Сейчас ведется мониторинг, и если нам повезет и вблизи Солнца (в Галактике или в Магеллановых Облаках) вспыхнет еще одна сверхновая, то будет получен богатый материал (сверхновые в Галактике вспыхивают в среднем примерно раз в 30 лет, но эта цифра неточна, и, главное, вспышка может произойти в любой момент). Особо нужно упомянуть задачу детектирования реликтовых нейтрино с малыми энергиями, быть может вносящими вклад в темную материю. Наконец, буквально «на выходе» находится нейтринная астрономия высоких энергий с энергиями нейтрино, превышающими 1012 эВ. Наиболее вероятные источники: ядра галактик, слияние нейтронных звезд, космические топологические «дефекты».


Комментарии (37)


 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия