Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Современная астрономия: новые направления и новые проблемы

Голосов: 3

Современная астрономия всеволновая, она основывается на регистрации излучения во всех диапазонах спектра. Появились новые направления: радио-, рентгеновская и гамма-астрономия, астрономия фотонов сверхвысокой энергии, нейтринная и гравитационная астрономия. Астрономия открыла новые небесные объекты, свойства которых необычны с точки зрения традиционной лабораторной физики: это компактные звезды, нейтронные звезды, черные дыры, квазары.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                               CONTEMPORARY                  СОВРЕМЕННАЯ АСТРОНОМИЯ:
                           ASTRONOMY:
                           NEW DIRECTIONS                НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
                           AND NEW PROBLEMS              И НОВЫЕ ПРОБЛЕМЫ
                           Yu. N. GNEDIN
                                                         ы. з. ЙзЦСаз
                           Modern astronomy uses         ЙУТЫ‰‡ ТЪ‚ВММ˚И ЪВıМЛ˜ВТНЛИ ЫМЛ‚В ТЛЪВЪ, л‡МНЪ-иВЪВ ·Ы „
                           the whole spectrum of
                           electromagnetic     waves.           ЗЗЦСЦзаЦ
                           New branches of astron-                 Под астрономией понимают науку о небесных
                           omy     have     appeared:           объектах. Однако часто используют и термин аст-
                                                                рофизика.
                           radio, X-ray, and gamma-
                                                                   Буквальное значение слова астрофизика в пере-
                           ray astronomy, astron-               воде с греческого языка означает физика звезд. Од-
                           omy of ultrahigh energy              нако в настоящее время это слово имеет значитель-
                           photons, neutrino and                но более широкое значение. Астрофизика – это
                                                                наука о физических явлениях во Вселенной. Она
                           gravitation wave astron-             изучает не только звезды, но и межзвездную и межга-
                           omy.     Numerous      new           лактическую среды, а также свойства и взаимодейст-
                           unusual celestial bodies             вие мельчайших частиц вещества (элементарных ча-
                                                                стиц, атомов, молекул), от которых существенно
                           have been discovered:                зависят многие свойства космических объектов, а
                           neutron stars, black holes,          также и Вселенной в целом.
                           and quasars.                            Следует подчеркнуть, что в настоящее время
                                                                стирается различие между понятиями астрофизика
                                                                и астрономия, и многие разделы современной аст-
                           лУ‚ ВПВММ‡fl ‡ТЪ УМУ-                 рофизики в свое название включают слово “астро-
                           ПЛfl ‚ТВ‚УОМУ‚‡fl, УМ‡                 номия”. Так, например, ряд разделов современной
                                                                астрофизики принято называть “Радиоастроно-
                           УТМУ‚˚‚‡ВЪТfl М‡ В„ЛТ-                мия”, “Оптическая астрономия”, “Рентгеновская
                           Ъ ‡ˆЛЛ ЛБОЫ˜ВМЛfl ‚У                  астрономия”, “Нейтринная астрономия” и т.д. Та-
                           ‚ТВı ‰Л‡Ф‡БУМ‡ı ТФВНЪ-               кое смещение понятий возникло в результате про-
                                                                исшедшей в последние десятилетия революции в
                            ‡. иУfl‚ЛОЛТ¸ МУ‚˚В М‡-              астрономии. Суть этой революции состоит не толь-
                           Ф ‡‚ОВМЛfl: ‡‰ЛУ-, ВМЪ-               ко в том, что человечество освоило ближнее косми-
                           „ВМУ‚ТН‡fl Л „‡ПП‡-‡Т-                ческое пространство и активно использует его для
                                                                научных исследований, а главным образом в том,
                           Ъ УМУПЛfl, ‡ТЪ УМУПЛfl                 что современная астрофизика (и астрономия) стала
                           ЩУЪУМУ‚ Т‚В ı‚˚ТУНУИ                 всеволновой. Это означает, что в настоящее время
                           ˝МВ „ЛЛ, МВИЪ ЛММ‡fl Л                ученые осуществляют наблюдения небесных объек-
                                                                тов в широком диапазоне электромагнитного излу-
                           „ ‡‚ЛЪ‡ˆЛУММ‡fl ‡ТЪ У-                чения, начиная от самых длинных радиоволн и за-
                           МУПЛfl. ДТЪ УМУПЛfl УЪ-                канчивая самыми энергичными фотонами, энергия
                           Н ˚О‡ МУ‚˚В МВ·ВТМ˚В                 которых достигает величины 1016 эВ, а также такими
                                                                элементарными частицами, как нейтрино.
                           У·˙ВНЪ˚, Т‚УИТЪ‚‡ НУЪУ-
                                                                   В астрофизике реализуется два концептуальных
                            ˚ı МВУ·˚˜М˚ Т ЪУ˜НЛ                 подхода. Один подход состоит в исследовании инди-
     © ЙМВ‰ЛМ ы.Д., 1996




                           Б ВМЛfl    Ъ ‡‰ЛˆЛУММУИ               видуальных небесных объектов, таких, как планеты,
                                                                звезды, пульсары, квазары, галактики, скопления га-
                           О‡·У ‡ЪУ МУИ ЩЛБЛНЛ:
                                                                лактик и др. Другой подход заключается в изучении
                           ˝ЪУ НУПФ‡НЪМ˚В Б‚ВБ‰˚,               общих физических принципов для разнообразных
                           МВИЪ УММ˚В Б‚ВБ‰˚, ˜В -              астрофизических процессов и в попытке установить
                                                                общие законы развития материи во Вселенной.
                           М˚В ‰˚ ˚, Н‚‡Б‡ ˚.
                                                                   Самый существенный вопрос для астрофизики,
                                                                каким образом возможно получить информацию о


76                                                                 лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹8, 1996


небесных объектах. В настоящее время известны             Галактики, как и звезды, имеют склонность обра-
четыре канала получения информации.                    зовывать группы и скопления различной численно-
    1. Электромагнитное излучение: гамма-лучи,         сти. Это свойство у них выражено намного сильнее,
рентгеновские лучи, ультрафиолетовое, видимое,         чем у звезд. У звезд лишь сравнительно малая доля
инфракрасное и радио-излучения.                        входит в состав рассеянных скоплений, шаровых
                                                       скоплений или звездных ассоциаций, а подавляю-
    2. Космические лучи, которые достигают окрест-     щая масса является просто звездами общего поля
ности Земли и могут взаимодействовать с ее атмо-       Галактики. У галактик картина противоположная.
сферой. Первичный состав космических лучей             Большинство из них является членами групп или
включает высокоэнергичные электроны, протоны и         скоплений галактик и только незначительная часть
тяжелые ядра, а также нестабильные нейтроны и          располагается вне групп и скоплений в общем поле
мезоны. В первичный состав космических лучей           Метагалактики.
входят также антипротоны и позитроны, то есть ан-
тиматерия. Но значительная часть из них образует-          Группы галактик содержат десятки членов. На-
ся в результате взаимодействия протонов и ядер с       пример, наша Галактика входит в состав группы
межзвездным и межпланетным веществом, а также          ближайших к нам галактик, состоящей примерно из
с атмосферами звезд и планет.                          20 членов. Эта группа образует так называемую Ме-
                                                       стную систему. В свою очередь Местная система
    3. Нейтрино и антинейтрино. В настоящее время      входит в состав скопления, центр которого нахо-
известны три типа нейтрино, два из которых связа-      дится в той части неба, где проектируется созвездие
ны с электронами и мю-мезонами, а третий тип – с       Девы. Скопления, как правило, насчитывают сотни
тау-мезонами.                                          и даже тысячи членов. Одно из самых больших
    4. Гравитационные волны, которые возникают         скоплений в созвездии Комы (Волосы Вероники)
при взрывах массивных звезд и могут дать инфор-        содержит около десяти тысяч галактик. Оно имеет
мацию о движениях массивных небесных тел. Хотя         почти сферическую форму и его радиус составляет
гравитационные волны и не были детектированы           примерно 4 Мпк.
напрямую, существует много наблюдательных дан-            Следует обратить внимание на разницу между
ных, которые подтверждают их существование.            скоплениями звезд, образующими галактики, и
    Вершиной успеха современной астрофизики            скоплениями галактик. Расстояние между членами
явилось открытие небесных объектов с совершенно        звездного скопления огромны по сравнению с раз-
необычными физическими свойствами. Во-первых,          мерами звезд. Расстояния между членами скопле-
это нейтронные звезды, которые представляют со-        ния галактик всего лишь в несколько раз больше,
бой очень компактные, размером всего около 10 км       чем размеры галактик.
объекты. Магнитное поле таких звезд достигает ис-         В самое последнее время результаты наблюде-
ключительно громадной величины ∼1013 гаусс, со-        ний на больших инструментах, в том числе на Боль-
вершенно недостижимой в земных лабораторных            шом 6-метровом телескопе в России, показали, что
условиях. В таких громадных полях полностью из-        скопления и группы скоплений, в свою очередь,
меняется структура вещества и его свойства. Во-        распределены далеко не случайным образом. Так,
вторых, это черные дыры – объекты, у которых вто-      Местная группа, в которую входят наша Галактика и
рая космическая скорость равна скорости света.         туманность Андромеды, образует вместе с другими
В третьих, это квазары, которые являются ядрами га-    близкими группами галактик систему, названную
лактик и представляют собой сверхмассивные чер-        Местным сверхскоплением. В Метагалактике име-
ные дыры. Важной частью современной астрофизи-         ются и другие сверхскопления. Их средний размер
ки является космология, то есть наука о том, как       составляет 20 – 30 Мпк.
возникла и развивалась Вселенная в целом, а также
наука о крупномасштабной структуре Вселенной.              Как выяснено в последние годы, многие богатые
                                                       скопления галактик содержат значительные коли-
                                                       чества горячего ионизированного газа, являющего-
лнкмднмкД зДЕгыСДЦейв йЕгДлна
                                                       ся источником мощного рентгеновского излучения.
ЗлЦгЦззйв – еЦнДЙДгДднада
                                                       Открытие протяженных источников рентгеновского
     Метагалактика – это вся наблюдаемая область       излучения, отождествленных со скоплениями галак-
Вселенной. Основными элементами ее крупномас-          тик, явилось выдающимся достижением рентгенов-
штабной структуры являются галактики и скопления       ской астрономии последних лет. Самыми мощными
галактик. Галактики представляют собой стационар-      из них являются скопления Комы, Персея и Девы.
ные гравитационно-связанные звездные системы.          Характерные размеры протяженных источников
Звездная система, в которую входит наше Солнце, –      составляют 0,1 – 1 Мпк, а их светимость лежит в
Галактика – содержит примерно 1011 звезд; ее масса     пределах 1043 – 1045 эрг/с. Детальное исследование
приблизительно 2 ⋅ 1044 г, то есть 1011 М , а полная   их спектров показало, что источником излучения
излучаемая звездами энергия (светимость) – около       является горячий газ с температурой 107 – 108 K, за-
3 ⋅ 1043 эрг/с.                                        хваченный скоплением как гравитационной ямой.


ЙзЦСаз ы.з. лйЗкЦеЦззДь Длнкйзйеаь: зйЗхЦ зДикДЗгЦзаь а зйЗхЦ икйЕгЦех                                        77


     Масса такого газа в ряде скоплений сравнима с сум-                                               V R
                                                                                                           2

     марной массой галактик.                                                                   M VT ≈ --------- .
                                                                                                              -              (4)
                                                                                                         G
        Скопления галактик обнаруживают одну заме-
     чательную особенность: для многих из них масса,                         Определенную таким способом массу называют ви-
     определенная по скоростям собственного движе-                           риальной.
     ния галактик в скоплении, оказывается заметно                              Другой способ определения массы состоит в
     больше массы, определенной по общей светимости                          том, что полную наблюдаемую светимость скопле-
     галактик. Первый способ нахождения массы осно-                          ния умножают на принимаемое за стандартное от-
     ван на предположении, что скопления представля-                         ношение масса/светимость, найденное независимо
     ют собой стационарные гравитационно-связанные                           для отдельных галактик. Это последнее отношение
     системы. Полная механическая энергия каждой та-                         различно для галактик различных типов, но если
     кой системы должна быть отрицательной, причем                           известно, что в данном скоплении преобладают га-
     кинетическая энергия должна составлять (в сред-                         лактики какого-то определенного типа, то суммар-
     нем по времени) половину модуля гравитационной                          ную массу этих галактик ML можно таким способом
     потенциальной энергии, то есть                                          действительно оценить. И вот оказывается, что сум-
                                                                             марная масса галактик почти всегда меньше вири-
                                  1                                          альной массы скопления:
                          E кин = -- E грав .
                                   -                                   (1)
                                  2
                                                                                                MVT > ML.                    (5)
     Это соотношение представляет собой так называе-
     мую вириальную теорему классической механики.                           Это обстоятельство (его называют вириальным па-
     Она получается как прямое следствие уравнений                           радоксом) было установлено Цвикки еще в 30-е го-
     движения при общей стационарности системы. На-                          ды. Результаты новых детальных исследований, вы-
     пример, для частицы массы m, обращающейся по                            полненных в последние годы, подтверждают этот
     стационарной круговой орбите вокруг центральной                         парадокс.
     массы M m, скорость движения V определяется из                             Вириальный парадокс исчезает, если скопления
     условия равенства (по модулю) центробежной и                            не являются стационарными системами, так что к
     гравитационной сил (см. рис. 1):                                        ним не применима вириальная теорема. Однако ес-
                            2
                                                                             ли они все же стационарны, то из него следует нали-
                     mV                         GMm                          чие в скоплениях значительных масс темного, не
               F ц = ---------
                             -,        F грав = ------------- ,
                                                        2
                                                            -          (2)
                         r                           r                       светящегося вещества помимо вещества самих га-
                                                                             лактик, причем эта, как говорят, скрытая, масса
     где r – радиус орбиты.                                                  должна быть в 3 – 10 раз больше общей массы га-
                                  V       GM
                                            2                                лактик в скоплениях. Имеется ряд серьезных аргу-
                   F ц = F грав = ----- = ---------,
                                      -        2
                                                                       (3)   ментов в пользу второй возможности.
                                    r        r
                                                                                Иерархия космических структур обрывается на
     то есть                                                                 скоплениях и сверхскоплениях. В различных облас-
                                        2
                                                                             тях Метагалактики, имеющих размер 100 – 300 Мпк
                               mV          GMm                               и более, содержащих много галактик и скоплений,
                       E кин = --------- = ------------- .
                                       -               -
                                   2           2r                            средняя плотность видимого вещества галактик
                                                                             оказывается одинаковой, где бы эти области не на-
        Легко провести доказательство и для любой сис-
                                                                             ходились. Эта плотность составляет
     темы произвольного числа частиц.
        Если размер скопления R и дисперсия скоростей                                       ρ ≈ 3 ⋅ 10−31 г/см3.             (6)
     галактик V известны, то из (2) следует оценка массы                     С учетом скрытых масс эта величина возрастает
     скопления:                                                              примерно втрое.
                                                                                 Одинаковость средней плотности в различных
                                                                             областях пространства означает, что Метагалактика
                                                                             является однородной, если рассматривать ее в боль-
                                                                             шом масштабе, превосходящем размер ячейки не-
                                                                             однородности 100 – 300 Мпк. Это одно из фунда-
                                                       m                     ментальных свойств окружающей нас Вселенной.
                          M
                                      Fграв                       FЦ             Другим ее фундаментальным свойством являет-
                                                                             ся нестационарность. Наблюдения показывают, что
                                                                             галактики и скопления галактик, разделенные
                                                                             расстояниями, превосходящими размер ячейки
                                                                             неоднородности, удаляются друг от друга. Этот
                                                                             факт был установлен благодаря измерению лучевых
                                  Рис. 1.                                    скоростей галактик.


78                                                                              лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹8, 1996


    Первое успешное определение лучевой скорости       ли процента, что значительно превышает точность,
галактики по наблюдению доплеровского смещения         с которой установлена изотропия постоянной Хаб-
ее спектральных линий было выполнено в 1912 году       бла (∼ 20%).
Слайфером в обсерватории Ловелла. Он нашел, что            Разлет галактик свидетельствует, что наша Ме-
одна из галактик в созвездии Андромеды приближа-       тагалактика расширяется. Возникает вопрос, будет
ется к Земле со скоростью порядка 200 км/с. Это уди-   ли наша Метагалактика расширяться неограничен-
вительный результат, если вспомнить, что большин-      но или ее расширение сменится сжатием? Очевид-
ство звезд движется со скоростями не более 50 км/с.    но, что ответ на этот вопрос зависит от того, каково
Изучая спектры других галактик, Слайфер нашел,         значение плотности вещества в Метагалактике в на-
что для большинства из них характерно красное          стоящее время. При малой плотности Метагалакти-
смещение линий, то есть в отличие от галактики в       ка будет неограниченно расширяться, а при боль-
Андромеде эти галактики удаляются, а не прибли-        шой плотности расширение сменится сжатием из-
жаются. Смещение спектральных линий снова да-          за действия сил гравитации. Существует критичес-
вало большие скорости. К 1914 году Слайфер изме-       кое значение плотности вещества ρкрит , отделяющее
рил спектры 13 галактик; все они, за исключением       один случай от другого. Несложно определить это
двух, удалялись со скоростями около 300 км/с.          критическое значение плотности. Действительно,
    Такие скорости намного превосходили самые          известно, что вторая космическая скорость для ша-
большие скорости, когда-либо измеренные в ас-          ра массы М записывается следующим образом:
трономии. Однако самое удивительное было впе-
реди. К 1917 году были зарегистрированы скорости                        V = 2GM ⁄ R .                   (10)
в 600 км/с, но даже этот результат был вскоре пре-     Подставляя в (10) выражение для массы
взойден.
    Значение результатов Слайфера прояснилось в                                 4π 3
                                                                            M = -----
                                                                                    -ρR ,
дальнейшем благодаря важному открытию Хаббла,                                     3
который показал, что скорости удаления галактик        а вместо скорости V = HR, находим
отнюдь не случайны. Исходя из измеренных им рас-
стояний до спиральных галактик, Хаббл в 1929 году                                     8πG 2
установил, что вплоть до расстояний в 6 млн. свето-                      HR =         ---------- ρR
                                                                                               -
                                                                                          3
вых лет скорости галактик пропорциональны рас-
стояниям до них:                                       или, выражая отсюда плотность ρкрит ,
                     V = HR.                     (7)                               3H
                                                                                           2
                                                                         ρ крит = ---------- .
                                                                                           -            (11)
Коэффициент пропорциональности, названный                                         8πG
фактором Хаббла, измерен, как и все величины, с           Итак, критическое значение средней плотности
не очень большой точностью:                            в Метагалактике зависит от постоянной Хаббла Н.
           Н = 50 – 100 (км/с)/Мпк.              (8)   При значении постоянной Н = 75 (км/с)/Мпк полу-
                                                       чаем:
В настоящее время наиболее вероятным считается
значение                                                              ρкрит ≈ 10−29 г/см3.              (12)
                Н = 75 (км/с)/Мпк.                        Мы уже видели, что для вещества, входящего в
Величина, обратная постоянной Хаббла, может            галактики, усредненная плотность составляет око-
рассматриваться как возраст нашей Метагалактики:       ло 3 ⋅ 10−31 г/см3, то есть много меньше критической.
                                                       Однако учет скрытой массы увеличивает эту оценку.
              Т = 1/ Н = 2 ⋅ 1010 лет.           (9)
Величина Н не зависит от направления, а это озна-      икакйСД зЦЗаСаейв (лдкхнйв) еДллх
чает, что Метагалактика не только однородна, но и      (еДнЦкаа)
изотропна.                                                Галактики в скоплениях вращаются слишком
   Данные о распределении и движении галактик          быстро, и при этом скопления не распадаются.
были до недавнего времени единственным источ-          Звезды, расположенные на краях спиральных га-
ником сведений о Метагалактике. В 1965 году было       лактик, вращаются вокруг них быстрее, чем пред-
открыто существование электромагнитного излуче-        сказывает теория, и при этом не улетают прочь. За-
ния, однородно заполняющего Метагалактику и            пасы невидимого вещества с его дополнительной
приходящего равномерно со всех сторон. Измере-         гравитацией могут держать эти галактики и звезды
ния его интенсивности в диапазоне длин волн от 20      в равновесии. Поскольку все, от протонов до пла-
до 0,3 см показали, что это излучение равновесно,      нет, участвуют в гравитационном взаимодействии,
то есть имеет планковский спектр с температурой        темное вещество теоретически может состоять из
T = 2,7 K. В этой области длин волн изотропия этого    чего угодно. Многие астрономы поддерживают
излучения установлена с точностью до десятой до-       мысль о том, что темное вещество состоит из более


ЙзЦСаз ы.з. лйЗкЦеЦззДь Длнкйзйеаь: зйЗхЦ зДикДЗгЦзаь а зйЗхЦ икйЕгЦех                                         79


     или менее обычного вещества – множества слабых         при моделировании сильного взаимодействия –
     коричневых карликов, или, возможно, темных пла-        взаимодействия, которое удерживает атомные ядра
     нет типа Юпитера.                                      от распада. Один аксион может быть более чем в
         С другой стороны, большое количество физиков       триллион раз легче электрона, но в каждом кубиче-
     убеждено в том, что невидимое вещество состоит из      ском сантиметре их может быть сто миллиардов.
     элементарных частиц (см. таблицу 1). В течение         WIMPs могут аннигилировать в темном гало Млеч-
     долгих экспериментов ученые пришли к выводу, что       ного Пути, испуская гамма-лучи, антипротоны и
     их экспериментальные устройства могут быть не-         позитроны. Такую радиацию можно зафиксиро-
     много модифицированы, чтобы сделать возмож-            вать, но пытаться выделить этот сигнал из общей
     ным изучать некоторые из частиц темного вещест-        какофонии излучений нашей Галактики едва ли
     ва. Слабо взаимодействующие массивные частицы          проще, чем обнаружить WIMPs в лаборатории.
     (WIMPs), частицы темной материи должны проле-
     тать сквозь детектор со скоростью 320 км/с. С каж-     зВИЪ ЛМУ – ‚УБПУКМ˚И МУТЛЪВО¸ ТН ˚ЪУИ П‡ТТ˚
     дым мгновением миллионы этих мельчайших пыли-             Нейтринная астрофизика изучает физические
     нок, по некоторым вычислениям, могут пролетать         процессы в космических объектах, происходящие с
     через каждый квадратный сантиметр космоса.             участием нейтрино. Проблемы регистрации косми-
     Предполагается, что, когда интенсивный поток           ческих нейтрино ν относятся к нейтринной астро-
     WIMPs будет пролетать через кристалл (германий и       номии.
     силикон), одна из частиц будет время от времени
     ударять в ядро кристаллической решетки и решетка          Нейтрино естественного происхождения во Все-
     начнет вибрировать из-за толчков, поскольку            ленной имеют три принципиально различающихся
     WIMPs, по расчетам, должны иметь массу пример-         по своей природе источника. На ранних стадиях го-
     но такую же, как атом. Небольшое количество энер-      рячей Вселенной, в течение приблизительно 1 се-
     гий ударов будет передано электронам в кристалле,      кунды после начала ее расширения, нейтрино нахо-
     заставляя их перемещаться. Каждый кристалл             дились в тепловом равновесии с веществом. От этой
     смонтирован со свинцовой батареей и эффект на-         эпохи нам остался сильно остывший с тех пор газ
     блюдается посредством помещения в него электри-        космологических нейтрино (реликтовые нейтрино).
     ческого поля и измерения потока заряда – метод,           В обычных звездах типа Солнца нейтрино рожда-
     известный как ионизационное обнаружение. По-           ются в ядерных реакциях, обеспечивающих наблю-
     скольку почти все WIMPs просто пролетят сквозь         даемую светимость звезд. При взрывах сверхновых
     кристалл, как если бы его не было, то результаты бу-   звезд и звездных гравитационных коллапсах темпе-
     дут слабыми. Один кристалл весом 900 г может ис-       ратура в центре звезды поднимается настолько, что
     пытать от 1 до 1000 взаимодействий с WIMPs каж-        рождаются позитроны и даже π-мезоны (пионы) и
     дый день, независимо от природы WIMPs.                 мюоны, которые образуют нейтрино в реакциях
                                                                            e− + e+      ν + ν,
     ДНТЛУМ
                                                                             ё      e + ν + ν,
        Гипотетическая частица, используемая в физике
     для решения некоторых проблем, появляющихся                              π±      ё± + ν.
                                                            Энергии этих звездных нейтрино находятся в основ-
                                                            ном в диапазоне от долей до нескольких десятков
     Таблица 1. Возможные обладатели “скрытой” массы
                                                            мегаэлектронвольт. Нейтрино рождаются также кос-
      Барионное вещество.                                   мическими лучами. Ускоренные до высоких энергий
                               Небарионное вещество.        протоны или более тяжелые ядра, сталкиваясь с яд-
       Макроскопические
                               Элементарные частицы         рами атомов или с низкоэнергетическими фотона-
           объекты
                                                            ми, производят π- и К-мезоны, в результате распада
     Коричневые карлики      Нейтрино                       которых возникают космические нейтрино высоких
     (Brown dwarfs)          Аксион (axion)                 энергий. Их энергетический диапазон, доступный
                                                            регистрации, простирается от нескольких десятков
     Нейтронные звезды
                             Фотино                         гигаэлектронвольт до, возможно, 1015 – 1016 эВ.
     (Neutron stars)
     Черные дыры
                             Бозоны Хиггса                  дУ Л˜МВ‚˚В Н‡ ОЛНЛ – П‡ОУП‡ТТЛ‚М˚В
     (Black holes)
                                                            ıУОУ‰М˚В Б‚ВБ‰˚
                          Вимпсы (WIMPs – Weakly
     Планеты типа Юпитера Interactive Massive Particles)       Данные о массах компонентов двойных звезд
                                                            неоценимы для установления статистической за-
                          Странные частицы                  висимости между абсолютной болометрической
     МАХО (MACHOs –          Нейтралино (neutralino)        величиной звезды и ее массой – зависимости, кото-
     MAcroscopic Compact                                    рая вытекает из современной теории внутреннего
     Halo Objects)                                          строения звезд и источников энергии звезд. Эта за-


80                                                             лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹8, 1996


висимость служит для определения масс одиночных       йлзйЗзхЦ еЦнйСх ийалдД “лдкхнйв
звезд по их светимостям (иначе, по их абсолютным      еДллх”
болометрическим звездным величинам Мбол). Мас-           Если “скрытая масса” состоит из компактных
са коричневого карлика оценивается как 0,05М .        звездных объектов (MACHOS, см. табл. 1), то они
                                                      могут быть обнаружены по эффекту гравитацион-
зВИЪ УММ˚В Б‚ВБ‰˚                                     ной фокусировки, то есть будут действовать как гра-
                                                      витационные линзы, отклоняя и усиливая свет да-
   Нейтронные звезды – это гидростатически рав-       леких звезд или галактик.
новесные звезды, вещество которых состоит в ос-
новном из нейтронов. Существование нейтронных         Й ‡‚ЛЪ‡ˆЛУММ‡fl ОЛМБ‡
звезд было предсказано в 30-х годах XX века, вскоре      Гравитационная фокусировка – свойство грави-
после открытия нейтрона. Однако только в 1967 году    тирующего объекта отклонять проходящий мимо
они были обнаружены в виде импульсных источни-        него поток частиц или излучения, собирая поток
ков радиоизлучения – пульсаров. Затем было уста-      (фокусируя) и действуя наподобие оптической или
новлено, что нейтронные звезды проявляют себя так     электромагнитной линзы.
же, как рентгеновские пульсары (1971 год) и вспы-        Солнце, двигаясь относительно разреженного
шечные источники рентгеновского излучения –           межзвездного газа, фокусирует своим тяготением
барстеры (1975 год). Не исключено, что на одной из    поток газа, собирая его вдоль луча, направленного в
стадий существования нейтронные звезды являются       сторону, противоположную движению Солнца
источниками гамма-всплесков. К 1984 году было от-     (рис. 1). Уплотнение потока газа вдоль луча фокуси-
крыто около 400 нейтронных звезд, из них около 20 в   ровки непосредственно наблюдается по его излуче-
виде рентгеновских пульсаров, около 40 в виде бар-    нию в линии гелия (λ = 584 нм) с помощью прибо-
стеров, а остальные в виде обычных радиопульсаров.    ров, установленных на космических аппаратах.
                                                         При прохождении света вблизи гравитирующего
уВ М‡fl ‰˚ ‡                                           тела его траектория искривляется, свет притягива-
                                                      ется к телу (рис. 2). Для обычных тел угол отклоне-
   Черная дыра – область пространства, в которой      ния α мал (α 1) и выражается формулой
поле тяготения настолько сильно, что вторая кос-                                     4Gm
мическая скорость (параболическая скорость) для                            α ( b ) = ----------- ,
                                                                                             2
                                                                                               -
находящихся в этой области тел должна была бы                                          bc
превышать скорость света, то есть из черной дыры      где b – прицельный параметр, m – масса тяготею-
ничто не может вылететь – ни излучение, ни части-     щего тела. Как видно из рис. 3, лучи, вышедшие из
цы, ибо в природе ничто не может двигаться со ско-    светящейся точки И, огибают тело С и достигают
ростью, большей скорости света. Границу области,      наблюдателя Н. Если источник света протяженный,
за которую не выходит свет, называют горизонтом       то наблюдатель увидит два сильно астигматичных
черной дыры. Для того чтобы поле тяготения смог-      изображения объекта. Тело С, которое своим тяго-
ло “запереть” излучение, создающая это поле масса     тением искривляет поток лучей, получило название
должна сжаться до объема с радиусом, меньшим          гравитационной линзы. Если гравитирующая масса
гравитационного радиуса                               линзы С не сосредоточена в центре объекта, а рас-
                                                      пределена по некоторому объему и лучи света могут
                   rg = 2GM/c 2.                      свободно проходить через эту массу (такой случай
                                                      реализуется для большей части объема галактик или
Гравитационный радиус чрезвычайно мал даже для        скопления галактик), то траектории лучей будут бо-
больших масс (например, для Солнца, имеющего          лее сложными. Как правило, наблюдатель сможет
массу 2 ⋅ 1033 г, rg = 3 км).                         увидеть три изображения светящегося объекта (тре-

   Поле тяготения черной дыры описывается тео-
рией тяготения Эйнштейна. Согласно этой теории,
вблизи черной дыры геометрические свойства про-
                                                        Поток газа




странства описываются неэвклидовой (римановой)
геометрией, а время течет медленнее, чем вдали,                       С
вне сильного поля тяготения.
   По современным представлениям, массивные
звезды (с массой в несколько масс Солнца и боль-
ше), заканчивая свою эволюцию, могут в конце               Рис. 2. Фокусировка массивным космическим те-
концов сжаться (сколлапсировать) и превратиться в          лом C (Солнцем или звездой) набегающего пото-
черную дыру.                                               ка частиц.



ЙзЦСаз ы.з. лйЗкЦеЦззДь Длнкйзйеаь: зйЗхЦ зДикДЗгЦзаь а зйЗхЦ икйЕгЦех                                      81


          А                                                и У„ ‡ПП‡ EROS
          И           α                                       Известно, что кривые вращения, наблюдаемые у
                                                           спиральных галактик, показывают, что у таких га-
                                                           лактик должно быть гало из темного вещества. Счи-
                                        С
          В                                        Н       тается, что масса гало должна быть в десять раз
                                                           больше, чем масса видимых частей галактик. При-
        Рис. 3. Схематическое изображение гравитаци-       рода темного вещества доподлинно не известна.
        онной линзы. Массивное тело C, расположенное       Это могут быть взаимодействующие элементарные
        между источником излучения И и наблюдателем
        Н, искривляет лучи, и наблюдатель видит два изо-   частицы или темные астрономические объекты ти-
        бражения А и В источника.                          па коричневых карликов и черных дыр. Идентифи-
                                                           кация природы гало оказала бы сильное влияние на
                                                           космологию и на теорию образования галактик.
     тий луч может проходить через центральную часть
     гравитационной линзы, почти не отклоняясь от             Пачинский предполагал, что темные астроно-
     своего пути).                                         мические объекты в нашем Гало могут быть обнару-
                                                           жены при наблюдениях блеска отдельных звезд в
         Уже обнаружено проявление 3 – 5 гравитацион-      Большом Магеллановом облаке (БМО). Все дело в
     ных линз. Например, открыта пара квазаров QSQ         гравитационном отклонении света: если массивный
     0957+561 А, В, находящихся на угловом расстоянии      объект гало пройдет рядом с лучом зрения, направ-
      ″
     5.7 друг от друга, имеющих идентичные спектры с       ленным на звезду БМО, количество света, получае-
     красным смещением z = 1,41 и почти одинаковую         мого наблюдателем от этой звезды, увеличится. Уве-
     яркость. Гравитационной линзой в этом случае яв-      личение является функцией от параметра удара, то
     ляется галактика (или скопление галактик), находя-    есть минимального расстояния между лучом зрения
     щаяся на пути от квазара к Земле и создающая его      и массивным дефлектором, при котором отклоне-
     двойное изображение.                                  ние еще не происходит. Выражая увеличение через
         Гравитационная фокусировка света своеобразно      нормальный параметр удара
     проявляется при его распространении в пространст-                                              2
                                                                        A  u = -----  = ----------------------------,
     ве, заполненном прозрачной тяготеющей материей.                             r0              u +2
                                                                                    -
                                                                               R E u ( u 2 + 4 ) 1 ⁄ 2
        Тяготение материи, находящейся в конусе лу-
     чей, искривляет их, как схематически показано на      где R E – “радиус Эйнштейна” – функция массы де-
     рис. 4. Чем дальше объект, тем большая масса со-      флектора М, расстояния между наблюдателем и де-
     держится в конусе лучей, тем сильнее отклонение.      флектором Dd и расстояния между наблюдателем и
     Это приводит к тому, что, начиная с некоторого рас-   звездой Ds :
     стояния во Вселенной, более далекий объект имеет
     уже не меньшие угловые размеры, а большие, чем
                                                                          R E = ------------ D d  1 – -----  .
                                                                            2   4GM                    Dd
     такой же объект, расположенный ближе.                                                 -               -
                                                                                    c
                                                                                       2              Ds

                                                           Увеличение будет больше, чем на 0,3 звездные вели-
                                                           чины, если параметр удара будет меньше, чем ради-
               Н       α            И                      ус Эйнштейна дефлектора (u < 1).
                                                               Вероятность такого увеличения для данной звез-
                                                           ды в любое заданное время равна вероятности того,
                                                           что звезда будет находится в круге площадью πR E с
                                                                                                            2
                             Среда
                                                           центром в любом дефлекторе между нами и звездой.
                                                                        2
                                                           Поскольку R E пропорционален массе дефлектора, а
                                                           количество дефлекторов в гало обратно пропорцио-
              Н            α' > α                      И   нально их массам, то эта вероятность зависит только
                                                           от массы всего темного вещества, расположенного
                                                           вдоль луча зрения, и не зависит от масс индивидуаль-
                                                           ных дефлекторов. Эта вероятность оказывается по
                                                           порядку величины равной скорости вращения га-
                                                           лактики в квадрате, деленной на скорость света, то
                                                           есть примерно 10−6. Более точные вычисления дают
                                                           вероятность примерно 0,5 ⋅ 10−6 для увеличения бо-
                                                           лее, чем на 0,3 звездной величины. Это число было
        Рис. 4. Эффект увеличения видимых угловых раз-
                                                           получено в предположении, что сферическое изо-
        меров α источника излучения И с ростом космоло-    термическое гало имеет массу 4 ⋅ 1011 М и находит-
        гического расстояния до наблюдателя Н.             ся ближе к центру Галактики, чем БМО. Эта масса


82                                                            лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹8, 1996


определяет кривую вращения для наблюдаемой            работы по получению требуемой чувствительнос-
скорости вращения Галактики 220 км/с.                 ти. Первая группа (это, в сотрудничестве, Ливер-
   Поскольку наблюдатель, звезда и дефлектор на-      мор–Беркли–(центр астрофизики частиц)–Маунт
ходятся в относительном движении, то длитель-         Стромло–Сан Диего–Санта Барбара) наблюдала
ность увеличения порядка R E /Vt , где Vt – относи-   БМО в Маунт Стромло, Австралия. Вторая группа
тельная поперечная скорость дефлектора. При           называлась EROS (Experience de Recheche d’Objets
линзировании звезд в БМО объектами нашего гало        Sombres) и начинала в 1990 году наблюдения БМО в
эта относительная скорость приблизительно равна       обсерватории ESO в Ла Силле, Чили.
200 км/с и наиболее вероятное время линзирования          EROS состоит из двух программ. Первая предус-
примерно составляет                                   матривала поиск дефлекторов с массой от 10−4 M до
                                                      10−1M , соответствующей короткому времени лин-
                          M                           зирования в пределах от 1 до 30 дней. Использова-
                 τ = 70 ------- дней
                              -                       лись пластинки Шмидта с изображениями БМО;
                        M
                                                      это позволило изучить приблизительно 10 миллио-
(когда говорится “время линзирования”, имеется в      нов звезд за период в несколько лет. (Примерно по-
виду то время, в течение которого увеличение со-      ловина этих звезд являются достаточно яркими,
ставляет более чем 0,3 звездной величины). Так как    чтобы их можно было наблюдать достаточно точно
τ пропорционально M , то количество случаев ми-       для того, чтобы заметить изменение на 0,3 звездной
кролинзирования, фиксируемых за время наблюде-        величины.) Вторая программа предусматривала по-
ния, обратно пропорционально M . И чтобы на-          иск дефлекторов с массой от 10−7M до 10−3M , соот-
блюдать один случай с характерным временем τ,         ветствующей времени линзирования от 1 до 3 дней.
произведение количества наблюдаемых звезд и вре-      Для этого использовалась большая ССD-мозаика
мени наблюдения должно быть порядка 106 τ.            на специально для этого предназначенном телеско-
                                                      пе, чтобы просматривать примерно 150000 звезд
    Это может быть достигнуто, если гало состоит из
                                                      каждые 20 минут. Первые положительные результа-
невидимых объектов с массой больше или порядка
                                                      ты данной программы уже достигнуты.
10 −7 массы Солнца, что соответствует характерному
времени от нескольких месяцев до нескольких ча-
сов. Объекты с такой массой включают в себя водо-     ганЦкДнмкД
родные объекты, которые слишком легки, чтобы в           1. Мартынов Д.Я. Общая астрофизика. М.: Наука,
них пошла термоядерная реакция (M < 0,07M ), но          1974.
слишком тяжелы, чтобы водород улетучился из них          2. Шкловский И.С. Звезды, их рождение, жизнь и
в космос (M > 10 −7M ). Для восприимчивости к уве-       смерть. М.: Наука, 1984.
личению на 0,3 звездной величины погрешность             3. Физика космоса. Маленькая энциклопедия, 1986.
фотометрических измерений должна быть меньше
0,1 звездной величины. Переменные сами по себе                               * * *
звезды могут быть отсеяны, если требовать, чтобы         Юрий Николаевич Гнедин, доктор физико-мате-
кривые блеска были симметричными, ахроматичны-        матических наук, профессор, зам. директора Глав-
ми и имели единственный экстремум (увеличение не      ной (Пулковской) астрономической обсерватории
может повторяться). Две группы начали проводить       РАН. Автор более 150 научных работ.




ЙзЦСаз ы.з. лйЗкЦеЦззДь Длнкйзйеаь: зйЗхЦ зДикДЗгЦзаь а зйЗхЦ икйЕгЦех                                      83



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика