Geum.ru

В. М. Найдыш Концепции современного естествознания

Вид материалаУчебник
Подобный материал:
1   ...   20   21   22   23   24   25   26   27   ...   39
Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может остаться в виде сверхплотного тела – нейтронной звезды или черной дыры.


Нейтронная звезда – это гидростатически равновесная звезда, состоящая в основном из нейтронов. Она имеет много свойств, общих со свойствами ядра атома. Образно ее можно даже назвать гигантским атомным ядром. Но на самом деле между ними и много различий. Атомное ядро – это квантово-механическая система, единство которой обеспечивается ядерными силами, сильным взаимодействием. А единство нейтронной звезды обеспечивается балансом между сжимающей ее силой тяготения и давлением, направленным от центра звезды к ее поверхности.


Типичная нейтронная звезда имеет радиус 18-10 км. Плотность нейтронной звезды очень высока, соизмерима с плотностью атомных ядер – 1015 г/см3. Ядро нейтронной звезды состоит, по-видимому, из сверхтекучей нейтронной жидкости, сверхпроводящих протонов и вырожденных электронов, а верхний слой – твердая кора из железа. Благодаря сверхтекучей нейтронной жидкости в такой звезде распространяются волны плотности, подобные порывам ветра на поле, покрытом травами. Температура такой звезды около 1 млрд градусов. Но нейтронные звезды очень быстро остывают, светимость их слабеет.


Зато они интенсивно излучают радиоволны в узком конусе в направлении магнитной оси. Открытые в 1967 г. новые объекты – пульсары – отождествляются с теоретически предсказанными нейтронными звездами. Для звезд, в которых магнитная ось не совпадает с осью вращения, характерно радиоизлучение в виде повторяющихся импульсов. Поэтому-то нейтронные звезды называют пульсарами.


407


Уже открыты сотни нейтронных звезд. Экстремальные физические условия в нейтронных звездах делают их уникальными естественными лабораториями, представляющими обширный материал для исследования физики ядерных взаимодействий, элементарных частиц и теории гравитации.


Расчеты показывают, что в нашей Галактике должно содержаться около 100 млн нейтронных звезд и черных дыр.


Явление сверхновых звезд – яркий пример глубокой диалектики природы. С одной стороны, вспышка сверхновой – это величайшая природная катастрофа. Взрыв сверхновой в нашем районе Галактики, его ударная волна, излучение и др. может оказать разрушительное воздействие на нашу планету, уничтожить озоновый слой, привести в мутациям и резким трансформациям форм растительного и животного миров. С другой стороны, в результате взрывов сверхновых в пространство Вселенной вбрасываются в громадном количестве тяжелые химические элементы, из которых впоследствии могут образовываться планетные системы типа нашей. По современным представлениям, обогащение газопылевого облака, из которого образовалась Солнечная система, тяжелыми элементами произошло в результате близкого от места формирования нашей планетной системы взрыва сверхновой звезды. Причем есть мнение, что взрыв сверхновой мог даже совпасть по времени с процессом формирования Солнечной системы. Таким образом, величайшая катастрофа оказывается одновременно и необходимым условием развития высших форм организации материи, жизни разума.


11.5.7. Черные дыры. Теоретическое предвидение существования во Вселенной черных дыр – одно из самых замечательных достижений теоретической астрофизики XX в. Хотя отдельные идеи, приближавшие к понятию черной дыры, высказывались еще даже в рамках ньютоновской физики в XVIII в. (П.С. Лаплас), тем не менее первая теоретическая модель черной дыры была построена в 1916 г. К.Шварцшильдом всего через несколько месяцев после опубликования А. Эйнштейном уравнений гравитационного поля в ОТО. В процессе поиска точных решений уравнений гравитационного поля Шварцшильд пришел к описанию геометрии пространства-времени вблизи идеальной черной дыры. Это была простейшая модель сферически-симметричной черной дыры, характеризующейся только массой.


408


Однако в целом в первой половине XX в. интерес к моделированию черных дыр носил исключительно абстрактно-теоретический характер и не связывался с некими реальными объектами в Космосе. Вместе с тем в середине XX в. развитие теории строения и эволюции звезд привело к выводу, что старые массивные звезды, умирая, переходят в состояние гравитационного коллапса (сначала нерелятивистского, а затем релятивистского). Результатом коллапса является образование области, в которой тяготение настолько велико, что оттуда ничего выйти уже не может: окружающее звезду пространство-время свертывается, звезда исчезает из Вселенной, а вместо нее остается сильно искривленная область пространства-времени, т.е. та черная дыра, модель которой существует еще с начала XX в. Если масса умирающей звезды в 3 и более раз превышает массу Солнца, то она, завершая свой жизненный путь, неизбежно превращается в черную дыру. Проявлениями гравитационного коллапса являются также наблюдаемые вспышки новых и сверхновых звезд, нейтронные звезды и др.


Следующий кардинальный шаг был сделан в 1965 г., когда группой физиков и астрофизиков была построена сложная модель черной дыры с массой, зарядом и моментом количества движения. Новый прорыв связан с созданием теорий, описывающих взаимодействие черной дыры и физического вакуума (Я.Б. Зельдович, С. Хокинг и др.) и появляющиеся при этом необычные свойства черных дыр, в частности их «испарение» (1970-е гг.).


Сильное гравитационное поле черной дыры должно вызывать бурное излучение электромагнитных волн при попадании в это поле газа. Газ образует закручивающийся вокруг черной дыры быстро вращающийся уплотняющийся диск. При этом кинетическая энергия его частиц, разгоняемых силой тяготения черной дыры, частично переходит в рентгеновское излучение, по которому черная дыра может быть обнаружена. Так, в 1972-1973 гг. было получено доказательство реального существования черных дыр, когда выяснилось, что рентгеновский источник Лебедь Х-1 — это тесная двойная звездная система, в которой вещество из звезды-гиганта (25 масс Солнца) перетекает к черной дыре (массой около 10 масс Солнца), генерируя мощный поток рентгеновского излучения.


409


В настоящее время существует уже более 10 кандидатов в черные дыры в тесных двойных системах и несколько десятков кандидатов в сверхмассивные черные дыры (с массой 108–109 масс Солнца) в ядрах галактик (в том числе и нашей) и в квазарах. Совсем недавно исследование движения звезд, сосредоточенных в центре нашей Галактики, показало, что одна из них, двигаясь по орбите вокруг центра Галактики на расстоянии, всего в 3 раза превышающем расстояние от Солнца до Плутона, имеет немыслимую для других звезд скорость — 5000 км/с, а период ее обращения 15,2 года. Такое быстрое движение по орбите может быть объяснено только тем, что в центре нашей Галактики находится массивный (3,7 млн масс Солнца) и сверхкомпактный объект. А с точки зрения современных представлений, таким объектом может являться только черная дыра.


Таким образом, черная дыра — область пространства, в которой поле тяготения настолько сильно, что вторая космическая скорость (параболическая скорость) для находящихся в этой области тел должна превышать скорость света, т.е. из черной дыры ничто не может вылететь — ни излучение, ни частицы, ибо в природе ничто не может двигаться со скоростью, большей скорости света. Границу области, за которую ничто не выходит, даже свет, называют горизонтом черной дыры.


Для того чтобы поле тяготения смогло «запереть» излучение и вещество, создающая это поле масса звезды должна сжаться до объема, радиус которого меньше гравитационного радиуса r = 2GM/с2, где G — гравитационная постоянная; с — скорость света; М — масса звезды. Гравитационный радиус чрезвычайно мал даже для больших масс (например, для Солнца r ≈ 3 км, а для Земли всего 0,8 см). Звезда с массой, равной массе Солнца, всего лишь за тысячную долю секунды превратится из обычной звезды в черную дыру. А если масса равна массе миллиарда звезд (ее горизонт равен 2,8 световых часа), то такой процесс займет несколько дней.


Свойства черной дыры крайне необычны. Особый интерес вызывает возможность гравитационного захвата черной дырой тел, прилетающих из бесконечности. Если скорость тела вдали от черной дыры много меньше световой и траектория его движения подойдет близко к окружности с R=2r, то тело совершит много оборотов вокруг черной дыры, прежде чем снова улетит в космос. Если же тело подойдет вплотную к указанной окружности, то его орбита будет неограниченно навиваться на окружность, тело окажется гравитационно захваченным черной дырой и уже никогда не улетит в космос. Если же тело подлетит еще ближе к черной дыре, то после нескольких оборотов, или даже не успев сделать ни одного оборота, оно упадет в черную дыру.


410


Необычным свойством черной дыры является фундаментальное замедление времени. Представим себе двух наблюдателей: одного на поверхности коллапсирующей звезды, а другого далеко от нее. Предположим, что первый через равные промежутки времени посылает (радио- или световые) сигналы второму, информируя его о происходящем. По мере приближения первого наблюдателя к гравитационному радиусу сигналы, которые он посылает через равные интервалы времени, будут достигать другого наблюдателя через все более длительные промежутки времени. Если первый наблюдатель передаст последний сигнал как раз перед тем, как звезда достигнет гравитационного радиуса, то сигналу потребуется почти бесконечное время для того, чтобы прийти к удаленному наблюдателю. Другими словами, второй наблюдатель по сути никогда не увидит пересечение первым наблюдателем горизонта черной дыры. Если же наблюдатель послал сигнал после того, как достиг гравитационного радиуса, напарник никогда не примет его, потому что сигнал никогда не покинет звезду. Оказавшись внутри черной дыры, наблюдатель не может вернуться к поверхности. Он не может даже приостановиться в том месте, где оказался. Он «попадает в область бесконечной плотности, где время кончается» [1]. Когда фотоны либо частицы уходят за гравитационный радиус, они просто исчезают.


1 Хокинг С. От Большого взрыва до черных дыр. Краткая история времени. М., 1990. С.79.


Итак, черная дыра так сильно искривляет пространство, что как бы отсекает себя от Вселенной. Она может буквально исчезнуть из Вселенной. Возникает вопрос — куда? Математический анализ дает несколько решений. Особенно интересно одно из них: черная дыра может перемещаться в другую часть нашей Вселенной или даже внутрь иной вселенной. Таким образом, воображаемый космический путешественник мог бы использовать черную дыру для передвижения в пространстве и времени нашей Вселенной и даже проникновения в другую вселенную.


411


Правда, в реальности все оказывается намного сложнее. Есть ли у человека шансы сохраниться во время его падения в черную дыру? Разочаруем любителей фантастических путешествий в другие вселенные. Во время такого свободного падения тело попросту будет разорвано грандиозными силами тяготения: если, допустим, оно падает ногами вниз, то ноги окажутся ближе к черной дыре, чем голова, и будут двигаться быстрее — человек вытянется в тонкую нить длиной сотни километров. Существует еще много других серьезных и, по существу, непреодолимых препятствий для подобного путешествия. Например, у поверхности черной дыры свет (потоки фотонов) теряет энергию и испытывает красное смещение. А попадая под горизонт черной дыры, свет, наоборот, приобретает грандиозную энергию и испытывает фиолетовое смещение; здесь накапливается так называемый фиолетовый слой фотонов. Попадающего под горизонт черной дыры воображаемого путешественника ждет сильнейшая вспышка рентгеновских и гамма-лучей, губительная для всего живого. И т.д.


Что же происходит, когда черная дыра переходит в другую часть Вселенной или проникает в иную вселенную? Рождение черной дыры во время гравитационного коллапса является важным указанием на то, что с геометрией пространства-времени происходит нечто необычное — пространство и время меняется ролями. То, что во внешней Вселенной связывается с расстоянием, под горизонтом черной дыры ведет себя подобно времени, а то, что в нашей Вселенной характеризуется временем, в черной дыре ведет себя как пространство.


Теоретически коллапс должен завершиться образованием сингулярности, т.е. должен продолжаться до тех пор, пока черная дыра не станет нулевых размеров и бесконечной плотности (хотя на самом деле речь должна идти не о бесконечности, а о каких-то очень больших, но конечных величинах). Во всяком случае, момент сингулярности — это, возможно, момент перехода из нашей Вселенной в другие вселенные или момент перехода в другие точки в прошлом или будущем нашей Вселенной.


Много вопросов возникает и вокруг исторической судьбы черных дыр. Долгое время модели черных дыр в теоретической астрофизике создавались на основе представления, что черная дыра характеризуется исключительно тремя параметрами — массой, зарядом и моментом количества движения; все остальные свойства, присущие звездам (плотность, химический состав, давление, температура на разных глубинах и др.), здесь теряются. (Физики шутили: «У черной дыры нет волос».) Дальнейшее изучение свойств


412


черных дыр (Я.Б. Зельдович, С. Хокинг и др.) показало, что в некоторых случаях они могут «испаряться». Этот «механизм» связан с тем, что в сильном поле тяготения черной дыры вакуум (физические поля в самом низком энергетическом состоянии) неустойчив и может рождать частицы (фотоны, нейтрино и др.), которые, улетая, уносят энергию черной дыры. Вследствие этого черная дыра теряет энергию, уменьшаются ее масса и размеры. Черные дыры испаряются за счет испускания частиц и излучения, но не из самой черной дыры, а из того пространства, которое находится перед горизонтом черной дыры. Причем чем меньше черная дыра по массе, тем быстрее она испаряется.


Особенно интенсивные потери энергии свойственны вращающимся черным дырам, обладающим вихревым гравитационным полем, которое создает вокруг черной дыры эргосферу — особую область, которую можно посещать с возвратом назад в свою Вселенную. Если в эргосферу попадает частица с определенной энергией и распадается в эргосфере на две части, одна из которых поглощается черной дырой, а вторая выбрасывается из черной дыры, то энергия выброшенной части будет намного больше энергии исходной частицы перед ее попаданием в эргосферу. При этом энергия вращающейся черной дыры уменьшается. Кроме того, в эргосфере интенсивнее, чем в невращающейся черной дыре, протекают процессы квантового рождения частиц (и античастиц) из неустойчивого физического вакуума (фотонов, нейтрино и др.). Рожденные таким образом частицы, улетая из эргосферы, уносят с собой часть энергии черной дыры.


Таким образом, черная дыра оказывается достаточно динамичным физическим объектом. С одной стороны, существуют процессы, которые приводят к возрастанию энергии — за счет падения на них газа, излучения, в том числе реликтового, и др. С другой стороны, за счет квантового испарения черная дыра постепенно теряет свою массу и энергию, испаряется. Потому для больших черных дыр квантовые процессы потери энергии и массы совершенно ничтожны. Но их значение возрастает с уменьшением массы черной дыры.


А размеры черных дыр могут быть различными: от массы галактики (1044 г) до песчинки массой 10-5 г. Продолжительность жизни черной дыры пропорциональна кубу ее радиуса. Черная дыра массой в 10 масс Солнца испарится за 1069 лет. Это значит,


413


что массивные черные дыры, образовавшиеся на ранних стадиях эволюции Вселенной, и сейчас существуют, причем, возможно, даже в пределах Солнечной системы. Их пытаются обнаружить с помощью гамма-телесколов. А маломассивные черные дыры, теряя массу, разогреваются и излучают еще сильнее. В конце концов они должны взорваться и, по-видимому, полностью исчезнуть, породив мощную вспышку жесткого гамма-излучения. Например, такая вспышка черной дыры с массой 109 г за 0,1 с будет эквивалентна энергии взрыва миллиона водородных бомб!


11.6. Острова Вселенной: галактики


11.6.1. Общее представление о галактиках и их изучении. Вскоре после изобретения телескопа внимание наблюдателей привлекли многочисленные светлые пятна туманного вида, — так и названные туманностями, — видимые неизменно в одних и тех же местах. С помощью сильных телескопов У. Гершель и его сын Дж. Гершель открыли множество таких туманных пятен, а к концу XIX в. было обнаружено, что некоторые из них имеют спиральную форму. Но долго оставалось загадкой, что представляют собой эти туманности. Только в 1920-е гг. с помощью крупнейших в то время телескопов удалось разложить туманности на звезды. Стало ясно, что туманности — это не облака пыли, светящиеся отраженным светом, и не облака разреженного газа, а чрезвычайно далекие звездные системы галактики. Галактики — это гигантские звездные системы (примерно до 1013 звезд). Такого же порядка (n = 13) и массы галактик по отношению к массе Солнца.


Некоторые галактики можно разглядеть в хороший бинокль. Галактику Андромеды, большую по размерам и находящуюся достаточно близко к Солнцу (всего в 1,5 млн световых лет), в состоянии увидеть человек с хорошим зрением: это размытое пятно в созвездии Андромеды. Современные телескопы позволяют отыскать сотни миллионов и миллиарды галактик. В хорошо исследованной области пространства, на расстояниях 1500 Мпк, находится сейчас несколько миллиардов галактик. Таким образом, наблюдаемая нами область Вселенной — это прежде всего мир галактик.


414


Строение их различно. Но наиболее характерна и примечательна одна форма — уплощенный диск с выпуклостью в центре, откуда исходят спиральные рукава. Галактика Андромеды, как и наша собственная, принадлежит к спиральному типу галактик. Солнечная система расположена в одном из спиральных рукавов Галактики на расстоянии примерно двух третей ее радиуса от центра.


Следует помнить, что, наблюдая вселенную, мы видим галактики не такими, какие они есть теперь, а такими, какими они были в далеком прошлом. Свет от них приходит к нам через пространство в миллиарды и миллиарды километров, на преодоление которого он затрачивает миллионы лет. Свет от ближайшей к нам галактики Андромеды достигает Земли через 1,5 млн лет. С помощью больших телескопов можно наблюдать еще намного более далекие галактики, и мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад. Расстояние до самых дальних из наблюдаемых в настоящее время галактик — свыше 10 млрд световых лет.


Изучение мира галактик является сейчас наиболее бурно развивающейся областью астрономии. Именно в этой области происходят поразительные открытия, которые подводят нас к разгадке глубинных тайн Вселенной, загадок, наиболее потрясающих воображение. Изучение галактик требует максимально мощных инструментов, в частности, больших оптических телескопов, а также внеоптических средств и методов исследования слабых объектов, прежде всего радиоастрономических.


Одна из центральных проблем внегалактической астрономии связана с определением расстояний до галактик и размеров самих галактик. Расстояния до ближайших галактик, которые можно разложить на звезды, определяются по их светимости. Сложнее оценить расстояние до далеких галактик.


В 1912 г. американский астроном В. Слайфер обнаружил эффект красного смещения в спектрах далеких галактик: их спектральные линии оказались смещенными к длинноволновому (красному) краю по сравнению с такими же линиями в спектрах источников, неподвижных относительно наблюдателя.


А в 1929 г. американский астроном Э. X а б б л, сравнивая расстояния до галактик и их красные смещения, обнаружил, что последние растут в среднем пропорционально расстояниям (закон Хаббла). Этот закон дал астрономам эффективный метод определения расстояний до галактик по следующей формуле:


r = cz / H (Мпк),


415


где r – расстояние до галактики; с — скорость света; z = (λпр—λис)/λис; Н — постоянная Хаббла. По современной оценке, постоянная Хаббла (отношение скорости удаления (V) внегалактических источников к расстоянию (R) до них Н = V/R) составляет от 50 до 100 км/(сМпк). В настоящее время измерены красные смещения тысяч галактик и квазаров.


Чрезвычайно многообразны формы галактик. Типология форм галактик, разработанная еще Э. Хабблом, в основном сохранилась до настоящего времени. Хаббл выделял три основных типа галактик:


эллиптические, имеющие круглую или эллиптическую форму (обозначаются Е); это наиболее простые галактики, не содержащие горячих звезд, сверхгигантов, пыли и газовых туманностей; в центре их нет ядра;


спиральные, которые Хаббл разбил на два семейства — обычные (S) и пересеченные (SB). У первых ветви выходят непосредственно из ядра; у вторых ядро пересечено широкой, яркой полосой, называемой перемычкой или баром; спиральные ветви отходят от концов бара;


неправильные галактики (Ir) имеют клочковатое строение и неправильную форму; яркость и светимость их невелики; они изобилуют горячими сверхгигантами, газовыми туманностями и пылью (например, Большое и Малое Магеллановы Облака); к неправильным галактикам относятся также взаимодействующие галактики; большинство неправильных галактик — карлики.


Форма и структура галактик связаны с их основными физическими характеристиками: размером, массой, светимостью. И по этим характеристикам мир галактик оказался поразительно разнообразным.


В центрах галактик обычно сосредоточено огромное количество вещества (до 10% всей ее массы). Здесь происходят выбросы большого количества вещества, что приводит к интенсивному движению от центра туч водорода. В отдельных галактиках ядро, по-видимому, может представлять собой черную дыру.


11.6.2. Наша Галактика — звездный дом человечества. Особый интерес вызывает вопрос о том, что представляет собой наш звездный дом — наша Галактика. Те отдельные звезды, которые мы можем различить на ночном небе,— просто ближайшие к нам звезды нашей Галактики. Большая же часть Галактики видна лишь