Текст книги "От чёрных облаков к чёрным дырам"

Автор книги: Джаиант Нарликар

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 10 страниц)

Глава 11 ПОИСК ПРОДОЛЖАЕТСЯ

Мы завершили нашу звёздную одиссею. Пользуясь методом Пурны для изучения людей, описанным в гл. 1, мы смогли построить разумно согласованную картину того, как образуются звёзды, почему и как долго они светят, почему меняют свой внешний вид и, наконец, как они завершают свою жизнь. В основе понимания звёзд лежат законы ядерной физики и гравитации.

Но в этой истории остались существенные пробелы, которые все ещё предстоит заполнить. Перечислим их.

Изложенная в гл. 5 картина происхождения Солнечной системы не совсем удовлетворительна. Главная проблема заключается в том, что угловой момент самого Солнца много меньше углового момента планетной системы. Мы отмечали эту трудность в гл. 5 и там же предложили её решение с помощью магнитного поля. Но есть и другая проблема. Направление вращения Солнца и среднее направление вращения планет не совпадают; угол между этими направлениями равен примерно 7 градусов и это трудно объяснить в рамках гипотезы сокращения. Недавно астроном Томми Голд предложил альтернативное решение проблемы. Голд привёл убедительные аргументы в пользу того, что звезда типа Солнца может образоваться за счёт аккреции вещества плотной нейтронной звездой. Хотя сначала звезда может вращаться очень быстро, постепенно в процессе накопления вещества и внутренней перестройки она расширяется, становясь звездой главной последовательности, и в процессе этого её вращение замедляется. Пока ещё рано судить о преимуществах этой новой идеи.

Вторая проблема тоже имеет отношение к Солнцу, той звезде, которую нам следует знать лучше всего. Как обсуждалось в гл. 6, а настоящее время Солнце генерирует энергию за счёт p—p-цепочки реакций в его недрах. В этой цепочке образуется большой поток нейтрино. Эти частицы могут легко выбраться из глубин Солнца наружу, так как они практически не обращают внимания на окружающее вещество. (В противоположность этому фотоны многократно отклоняются от своего пути, прежде чем в конце концов покинуть поверхность Солнца.)

В 1970 г. Дэвис с помощью детектора нейтрино, расположенного глубоко под землёй, осуществил эксперимент по детектированию нейтрино, приходящих ют Солнца. Результаты разочаровали теоретиков. Детектор не зарегистрировал того числа нейтрино от Солнца, которое предсказывается теорией ядерного синтеза. Была зарегистрирована всего лишь одна четверть от предсказанного числа нейтрино, и это расхождение достаточно серьёзно, чтобы вызывать беспокойство. Работает ли детектор должным образом? А может быть, теория не совсем правильна? Или наше понимание свойств нейтрино недостаточно?

Считается, что следующее поколение детекторов солнечных нейтрино будет использовать ядра галлия. Детектор, способный поглотить достаточное число солнечных нейтрино, должен содержать около 50 т галлия, стоимость которого (по ценам 1985 г.) составляет около 25 млн. долл. Чтобы осуществить такой эксперимент, необходимость которого для подтверждения справедливости современных астрофизических представлений о Солнце и других звёздах трудно переоценить, необходимо широкое международное сотрудничество.

Продолжают разрабатываться детали взрыва сверхновых, образования ударных волн и сброса оболочки. Описывающие эти процессы гидродинамические уравнения очень сложны. За их решение удалось взяться главным образом благодаря применению быстрых и эффективных ЭВМ. В ближайшие годы в этой области ожидается значительный прогресс.

Аналогично, эволюция менее массивных звёзд от красного гиганта к белому карлику ещё не до конца количественно разработана. И в этом случае изобретательное использование компьютеров для расчёта быстро меняющихся физических ситуаций поможет получить окончательный ответ.

Выяснение предела на массу стабильных нейтронных звёзд является ещё одной проблемой сегодняшних и будущих исследований, так как это связано с возможностью превращения звезды в чёрную дыру. Здесь приходится иметь дело с изучением ядерной материи при плотностях, в миллионы миллиардов раз превышающих плотность воды. Существуют ли другие формы сверхплотного вещества, которые могли бы поддержать звезду массой от 5 до 10М_☉ в конце её активной ядерной фазы жизни?

Расчёты звёздной эволюции и нуклеосинтеза приводят к оценкам того, каков возраст наблюдаемых звёздных систем. Например, мы уже видели, что большую часть своей активной жизни звезда проводит на главной последовательности. Поэтому система звёзд, завершивших своё пребывание на главной последовательности и перешедшая в область гигантов, должна быть достаточно старой. Примерами таких систем являются шаровые скопления (см. рис. 49). Зная статистику жизни этих звёзд и скорость, с которой протекают процессы термоядерного синтеза на главной последовательности, можно оценить возраст шаровых скоплений. Самые сдержанные оценки этого возраста составляют около 12 млрд. лет, хотя не исключены и значения порядка 18 млрд. лет.

Ещё одно «окно в вечность» для хронологии звёздных событий связано с радиоактивным распадом элементов, образованных в быстром процессе нуклеосинтеза (коротко упомянутом в гл. 7). Например, торий ²³²Th распадается за время 20 млрд. лет, в то время как изотопы урана ²³⁸U и ²³⁵U распадаются за время 6,51 и 1,03 млрд. лет соответственно. Таким образом, отношение распространенностей этих элементов ²³²Th/²³⁸U и ²³⁵U/²³⁸U в метеоритах может дать оценку времени, когда эти элементы впервые образовались в звёздах. Распад рения ¹⁸⁷Re в осмий ¹⁸⁷Os является другим примером радиоактивного распада с большим временем жизни. И здесь оценки времени существования звёзд оказываются порядка 18—20 млрд. лет.

Такой большой возраст ставит проблему перед космологами, занимающимися изучением структуры и эволюции Вселенной как целого. В принятой сейчас картине происхождения Вселенной считается, что она возникла в результате гигантского взрыва, так называемого Большого взрыва. Оценки времени, прошедшего с момента Большого взрыва, зависят от измерений того, насколько быстро расширяется Вселенная сейчас. Наибольший интервал времени, который можно получить из современных наблюдений, составляет 16,5 млрд. лет. Всякая наблюдательная или теоретическая неопределённость в оценке этого числа, называемого обычно «возрастом Вселенной», имеет тенденцию понижать его до значений вплоть до 8—10 млрд. лет. Очевидно, что возраст звёзд слишком велик, чтобы его можно было совместить с возрастом Вселенной. Необходима значительная работа как в космологии, так и в изучении звёздной эволюции, чтобы устранить это расхождение.

С точки зрения задач наблюдений очень важно знать, насколько часты планетные системы вокруг звёзд. До сих пор мы с полной уверенностью можем говорить только об одной планетной системе – о нашей собственной! Космический телескоп и другая изощрённая наблюдательная техника может дать ответ на вопрос, имеются ли планеты у ближайших звёзд. Эта информация поможет теоретикам; во-первых, они смогут проверить теорию (или теории) звездообразования, так как считается, что планеты возникают в процессе образования звёзд; во-вторых, это может помочь при решении вопроса о существовании жизни в каком-то другом месте Галактики. Планета, находящаяся на подходящем расстоянии от своей звезды (как Земля по отношению к Солнцу), может оказаться колыбелью жизни и поддерживать её энергией, получаемой от звезды. Если у ближайших нескольких звёзд обнаружатся планетные системы, то астрономы могут направить свои большие радиотелескопы на них и попытаться перехватить разумные сигналы, возможно, существующих там высокоразвитых цивилизаций!

Нечего и говорить, что положительный результат подобных исследований переведёт астрономию в новое измерение.

Завершив свою миссию, космический корабль удалялся от Солнечной системы. Профессор, читавший подробный отчёт, подготовленный Суньей, вдруг засмеялся. Он поманил к себе Сунью. Ожидавший очередного выговора Сунья приятно удивился, увидев своего наставника в хорошем настроении. Профессор сказал: «Ты знаешь, Сунья, благодаря счастливой случайности ты наблюдал за человеческим существом, понять которое нам не помогла бы никакая статистика Пурны. Твоё путешествие было не напрасным».

Фотография человека, которого изучал Сунья, приведена на рис. 70.

Рис. 70. Фотография человека, которого изучал Сукья

Занимаясь в основном собиранием статистики небесных тел, астрономы непрерывно занимаются и поиском редких и необычных явлений, вроде Крабовидной туманности или Лебедя Х-1.

ПРИЛОЖЕНИЕ СТЕПЕНИ ДЕСЯТИ И ЛОГАРИФМЫ

Для записи больших чисел астрономы предпочитают использовать степени десяти. Степенные обозначения очень просто понять, и они станут ясны даже неподготовленному читателю из следующих простых примеров:

10² = 100, 10⁴ = 10 000, 10⁶ = 1 000 000.

Как видно из этих примеров, степень, т.е. число, стоящее справа вверху от 10, есть просто число нулей после единицы в этом числе. На самом деле, альтернативный, но более точный способ определения степени десяти связан с числом множителей 10 в рассмотренных выражениях; так,

10² = 10 • 10,

10⁴ = 10 • 10 • 10 • 10,

10⁶ = 10 • 10 • 10 • 10 • 10 • 10.

Когда такие числа перемножаются, их степени складываются просто потому, что складывается число сомножителей:

10²•10⁴=(10•10)(10•10•10•10)=10⁶=10²⁺⁴.

На математическом языке операция, обратная к возведению десяти в степень, заключается во взятии логарифма. Так, вопрос: «какое число получится при возведении 10 в степень 6?» имеет ответ: «один миллион». Изменим первоначальный вопрос: «в какую степень надо возвести 10, чтобы получить миллион в результате?», тогда ответом будет число 6. Это утверждение записывается так:

«логарифм миллиона по основанию десять равен шести», или, более компактно,

log₁₀(1 000 000) = 6.

Обычно принято опускать явное указание на «основание 10» в этом выражении и писать не log, a lg, подразумевая, что речь идёт только о степени десяти. Так,

lg(l 000 000) = 6, lg (10 000) = 4, lg (100) = 2.

Очевидно, что, возводя 10 во все большую и большую степень, мы будем получать все большие числа. Обратно, логарифм числа растёт, если растёт само число.

Возникает вопрос: «можно ли узнать логарифмы чисел, которые не получаются простым умножением 10 само на себя несколько раз?» Ответ положителен, если учесть указанное свойство логарифмов.

Так, мы знаем, что

lg 100 = 2, lg 1000 = 3.

Чему равен логарифм числа, лежащего между 100 и 1000? Согласно предыдущему свойству, значение логарифма будет лежать между 2 и 3. Чтобы получить правильный ответ, нужно использовать несколько более сложную математику. Однако задача упрощается, если воспользоваться таблицей логарифмов. Эта таблица даёт уже готовые вычисленные значения логарифмов таких промежуточных чисел с любой желаемой степенью точности. Поглядев в четырехзначные таблицы, можно найти, что

lg 200 = 2,3010, lg 300 = 2,4771.

Как и ожидалось, ответ находится между 2 и 3, причём логарифм 300 больше, чем логарифм 200.

Используя понятие логарифмов, можно рассматривать любое положительное число как степень десяти, единственное изменение лишь в том, что степень теперь может не быть целым числом:

200 = 10^2,3010..., 300 = 10^2,4771....

В согласии с правилом сложения степеней при умножении мы получаем правило сложения логарифмов. Так, из произведения

100•10 000 = 1 000 000

следует, что

lg (100) + lg (10 000) = lg (1 000 000).

Применим это правило к шкале звёздных величин из гл. 3. Мы знаем, что разница в пять величин соответствует множителю 100 в светимости. Какому отношению светимостей соответствует разница в одну величину? Допустим, что ответ равен R. Тогда закон сложения логарифмов говорит нам, что

R•R•R•R•R = 100

и, следовательно, 5 lg R=2. Поэтому lgR=2/5. Из таблиц логарифмов находим, что R≈2,512. Список рекомендуемой литературы

1. Нарликар Дж. Гравитация без формул: Пер. с англ. Мл Мир, 1985.

2. Нарликар Дж. Неистовая Вселенная: Пер. с англ. М.: Мир, 1985.

3. Шкловский И. С. Звёзды: их рождение, жизнь и смерть. М.: Наука, 1984.

4. Климишин И. А. Релятивистская астрономия. М.: Наука, 1983.

5. Чернин А. Д. Звёзды и физика. Библиотека «Квант». Вып. 38. М.: Наука, 1983.

6. Силк Дж. Большой взрыв. Рождение и эволюция Вселенной: Пер. с англ. М.: Мир, 1982.

7. Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной: Пер. с англ./Под ред, и с предисловием акад. Я. Б. Зельдовича. М.: Энергоатомиздат, 1981.

8. Новиков И. Д. Эволюция Вселенной. М.: Наука, 1983.

Оглавление Предисловие к русскому изданию 3 Предисловие 6 Глава 1 О ЗВЁЗДАХ И ЛЮДЯХ 9 Глава 2 СВЕТ – КЛАДЕЗЬ ИНФОРМАЦИИ 12 СВЕТ – ЭТО ВОЛНА 13 СВЕТ КАК СОБРАНИЕ ЧАСТИЦ 18 ИЗЛУЧЕНИЕ ЧЁРНОГО ТЕЛА 23 Глава 3 СТАТИСТИКА ЖИЗНИ ЗВЁЗД 25 ЗВЁЗДНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ 26 ПОКАЗАТЕЛЬ ЦВЕТА 32 ДИАГРАММА ГЕРЦШПРУНГА – РЕССЕЛЛА 34 ОТ ФАКТОВ К ТЕОРИИ 38 Глава 4 ДАЛЕКО ЛИ ДО ЗВЁЗД? 39 МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ 40 РАССТОЯНИЕ ДО СОЛНЦА 43 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССТОЯНИЯ ДО ЗВЕЗД С ПОМОЩЬЮ ТРИАНГУЛЯЦИИ 45 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИАГРАММЫ Г—Р 47 Глава 5 РОЖДЕНИЕ ЗВЕЗДЫ 52 ГИГАНТСКИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОБЛАКА 53 ОБРАЗОВАНИЕ ПРОТОЗВЕЗД 55 ОБРАЗОВАНИЕ ПЛАНЕТ 60 ДВА ВОПРОСА 65 Глава 6 СЕКРЕТ ЭНЕРГИИ ЗВЁЗД 65 УРАВНЕНИЕ ПОДДЕРЖАНИЯ РАВНОВЕСИЯ 66 ТЕМПЕРАТУРА ВНУТРИ ЗВЕЗДЫ 68 ПЕРЕНОС ИЗЛУЧЕНИЯ 69 ОТ КЕЛЬВИНА И ГЕЛЬМГОЛЬЦА ДО ЭДДИНГТОНА 70 ЗВЕЗДА КАК ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР 74 Глава 7 ЗВЁЗДЫ КАК ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ 77 ЗВЁЗДЫ ГЛАВНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ 77 КРАСНЫЕ ГИГАНТЫ 82 КОНЕЦ ПУТИ 88 ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ 90 Глава 8 КОГДА ЗВЁЗДЫ ВЗРЫВАЮТСЯ 91 ЛЕГЕНДА О ЗВЕЗДЕ-«ГОСТЬЕ» 91 СВЕРХНОВЫЕ ЗВЁЗДЫ 95 СНОВА О РОЖДЕНИИ ЗВЁЗД 99 Глава 9 СВЕРХПЛОТНЫЕ ЗВЁЗДЫ 104 БЕЛЫЕ КАРЛИКИ 105 ИСТОРИЧЕСКИЙ СПОР 108 НЕЙТРОННЫЕ ЗВЁЗДЫ 109 ОТКРЫТИЕ ПУЛЬСАРОВ 113 Глава 10 ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ 116 ГРАВИТАЦИЯ В РОЛИ ДИКТАТОРА 117 ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС 120 ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ 123 Поиск чёрных дыр 126 Глава 11 ПОИСК ПРОДОЛЖАЕТСЯ 130 ПРИЛОЖЕНИЕ 136 СТЕПЕНИ ДЕСЯТИ И ЛОГАРИФМЫ 136 Список рекомендуемой литературы 138

Научно – популярное издание

НАРЛИКАР ДЖАИАНТ

От чёрных облаков к чёрным дырам

Заведующий редакцией А. Б. Желдыбин

Редактор Л. В. Белова

Художник обложки В. Н. Забайров

Художественный редактор А. Т. Кирьянов

Техническийредактор Г. В. Преображенская

Корректор Н. А. Смирнова

ИБ 2916

Сдано в набор 12.12.88. Подписано в печать 09.02.89 Формат 84Х108¹/32. Бумага типографская № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая. Уcл. печ. л. 7,56. Уел. кр.-отт. 7,77. Уч.-изд. л. 7,5. Тираж 50 000 экз. Заказ № 224. Цена 40 к.

Энергоатомиздат. 113114 Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10

Владимирская типография Союзполиграфпрома при Госкомиздате СССР 600000, г. Владимир, Октябрьский проспект, д. 7

  ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ

ВЫХОДЯТ В СВЕТ В 1989 ГОДУ

Амусья М.Я. Тормозное излучение.– 10,5 л.: 2 р. 10 к.

Рассмотрено электромагнитное излучение, возникающее при столкновении частиц. Рассмотрены как полные, так и дифференциальные сечения тормозного излучения лёгких и тяжёлых частиц. Описаны проявления общих закономерностей тормозного излучения в процессах электрон-атомных, атом-атомных столкновений при рассеянии экзотических атомов, нуклонов на ядрах, ядер друг на друге. Обсуждены на конкретных примерах спектры и другие характеристики излучения, возникающего в указанных сталкивающихся системах.

Для научных работников в области атомной физики, физики твёрдого тела.

Биленький С.М. Введение в диаграммы Фейнмана и физику электрослабого взаимодействия. —18 л: 3 р. 90 к.

Изложены основы квантования полей и метод диаграмм Фейнмана. Детально рассмотрен целый ряд процессов с участием лептонов и адронов. Изложена техника вычисления вероятностей распадов, сечений процессов и других измеряемых на опыте величин.

Для научных работников в области ядерной физики и физики элементарных частиц.

Дюррани С., Балл Р. Твердотельные ядерные детекторы: Пер. с англ. – 22 л.: 4 р. 70 к.

Посвящена относительно новой и быстро развивающейся области методики физического эксперимента – разработке и применению диэлектрических трековых детекторов тяжёлых заряженных частиц. Показаны достижения в области разработки детекторов, методов электрохимического травления, идентификации и спектрометрии быстрых ядер.

Для научных работников в области ядерной физики.

Генерация и фокусировка сильноточных релятивистских электронных пучков/Под ред. Л. И. Рудакова.—16,5 л.: 3 р. 30 к.

Рассмотрены генерация импульсных релятивистских электронных пучков (РЭП) с длительностью в десятки наносекунд мощностью в пучке 10¹³ Вт и полной энергией в несколько мегаджоулей в высоковольтных вакуумных диодах на основе использования современных способов получения коротких мощных импульсов напряжения мегавольтного диапазона; применения РЭП для генерации интенсивного вакуумного УФ – излучения при нагреве тонких анодных фольг, относительно мягкого тормозного рентгеновского излучения возбуждения сильных ударных волн в веществе в качестве эффективного энергоносителя в инерционном термоядерном синтезе.

Для научных работников и инженеров в области ядерной физики и физики плазмы.

Кирьянов Г. И. Генераторы быстрых нейтронов. – 15,5 л.: 3 р. 10 к.

Посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям процессов получения потоков быстрых нейтронов по ядерным реакциям дейтерий – тритий и дейтерий – дейтерий, а также проектированию генераторов быстрых нейтронов, предназначенных для решения широкого класса аналитических народнохозяйственных задач. Рассмотрены инженерные методы расчёта генератора нейтронов и его элементов. Описаны конструктивные особенности и различные области применения генераторов нейтронов.

Для научных работников и специалистов, занимающихся вопросами создания генераторов быстрых нейтронов различного применения, а также для исследователей и инженерно-технических работников, использующих генераторы в отдельных областях науки и техники.

Перкинс Д. Введение в физику высоких энергий: Пер. с англ. – 25 л.: 2 р. 10 к.

Приведены последние достижения физики высоких энергий – науке о структуре материи. Последовательно и достаточно широко излагаются наиболее важные аспекты физики элементарных частиц: единство слабого и электромагнитного взаимодействия, кварк – партонная структура адронов и др.

Для научных работников в области ядерной физики. Может служить учебным пособием для студентов физических специальностей вузов.

Никитин Е. Е., Смирнов Б. М. Медленные атомные столкновения. – 18 л.: 3 р. 90 к.

Представлены общие подходы для описания медленных атомных столкновений на языке квазимолекулы. Получены квазиклассические выражения для параметров столкновения медленных атомных частиц. Даётся асимптотическая теория трёх групп медленных процессов: резонансных, квазирезонансных и процессов с отрывом электрона. Выражения для сечений соответствующих процессов в конкретных случаях сравниваются с экспериментом.

Для научных работников в области атомной физики. Может быть полезна аспирантам и студентам физических специальностей.

Петвиашвили В. И., Похотелов О. А. Уединённые волны в плазме и атмосфере. – 13,5 л.: 2 р. 70 к.

Описаны математические модели уединённых волн, наблюдаемых в природе и эксперименте. Особое внимание уделено дрейфовым солитонам – вихрям, их роли в конвективном теплопереносе, последним достижениям их моделирования в лаборатории. Проведена аналогия между этими вихрями в плазме и циклонами и антициклонами в атмосфере. Исследована устойчивость уединённых волн.

Для научных работников в области физики плазмы и гидромеханики.

Рекомендуемые книги Вы можете приобрести во всех книжных магазинах, распространяющих научно-техническую литературу.