Текст книги "Чудеса и катастрофы Вселенной"

Автор книги: Галина Железняк

Соавторы: Андрей Козка
сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 19 страниц)

СПЕЦИФИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ – БЛОБ

Большой телескоп VLT помог ученым обнаружить «эмбрион» Галактики – сгусток протовещества, находящийся на расстоянии более 10 млрд световых лет от Земли. За последние несколько лет астрономы обнаружили на окраинах Вселенной несколько так называемых блобов(от английского слова blob– сгусток, капля). Они относятся к новому классу космических объектов, характеризующихся большой энергией, но очень слабым видимым излучением. Некоторые блобы имеют размеры, сравнимые с нашей Галактикой, другие значительно превышают ее. Истинная природа этих объектов все еще неясна, существует лишь несколько рабочих гипотез.

Поскольку диаметр Вселенной, по современным данным, составляет порядка 13,5 млрд световых лет, наблюдение столь удаленного объекта позволяет ученым «переместиться во времени» в эпоху очень ранней Вселенной. Объект был обнаружен при использовании многорежимного инструмента FORS1 Большого телескопа ESO (VLT) в декабре 2002 г. Астрономы наблюдали небольшой участок области GOODS South field при использовании узкополосного фильтра 505 нм в течение 8 часов. Этот специальный фильтр позволяет регистрировать излучение атомов водорода.

Диаметр блоба составляет 200 тыс. световых лет, что в два раза больше Млечного Пути, его полная излучаемая энергия приблизительно в 2 млрд раз превышает энергию Солнца. Несмотря на это он долгое время оставался невидимым на снимках, сделанных при помощи средних телескопов в диапазонах длин волн от инфракрасного до рентгеновского.

Столь специфический космический объект обнаружен астрономами впервые. «Блоб не является ни галактикой с активным ядром, ни галактикой, где бурно протекают процессы образования новых звезд, – комментирует руководитель исследования Ким Нилсон (Kim Nilsson) из ESO. – Ни одна из существующих теорий не объясняет существование этого объекта. Возможно, мы наблюдаем излучение водорода, которое возникает в результате концентрации первичного газа Вселенной вокруг кластера темной материи. Если это так, тогда мы стали свидетелями начальной фазы формирования массивной галактики, почти такой же, как наш Млечный Путь».

КВАЗАРЫ ПОРОЖДАЮТ НОВЫЕ ЗАГАДКИ

Квазары – самые яркие объекты во Вселенной – сформировались в относительно небольших галактиках. Это явление воистину экстремальное, ведь квазары дают излучение гораздо большее, чем, например, все звезды нашего Млечного Пути. В соответствии с современными теориями мощнейшее излучение квазаров обязано своим появлением процессам поглощения сверхмассивными черными дырами. В более позднее время сверхмассивные черные дыры образовывались уже только в очень массивных галактиках, но на заре Вселенной все было не так. А ведь большинство ярких квазаров сформировалось именно тогда, когда возраст Вселенной составлял лишь приблизительно треть от ее нынешнего возраста.

Используя восьмиметровый телескоп «Северный Близнец» (Gemini North, Gemini Observatory), установленный на вершине потухшего вулкана Мауна-Кеа на Гавайских островах, международная группа астрономов изучила девять квазаров, расположенных от нас на расстоянии в 10 млрд световых лет, что соответствует времени, когда возраст Вселенной был менее 4 млрд лет. Астрономы попытались выделить из общего излучения древнейших источников излучение центрального квазара, чтобы непосредственно разглядеть «родительские» галактики, в которых развился тот или иной «монстр». Однако лишь одна из таких галактик оказалась достаточно яркой и достаточно массивной, чтобы ее можно было увидеть с помощью современных средств. И эта галактика была всего лишь среднего размера, то есть подобна нашему собственному Млечному Пути.

Подобный результат вызвал большое удивление в среде астрономов. «Когда мы видим что-то очень яркое, то обычно ожидаем, что это будет очень внушительным и массивным», – поясняет член этой группы Роберт Смит (Robert Smith) из Ливерпульского университета им. Джона Мура (Liverpool John Moores University) в Великобритании. Кроме того, не было обнаружено никаких признаков взаимодействия и объединения галактик, а ведь именно процесс слияния галактик, как считалось ранее, и обеспечивает необходимым материалом центральные сверхмассивные черные дыры. Получается, что «топливом» ядра галактик снабжает прежде всего непрерывный приток галактического газа.

Остается загадкой, почему квазары, находящиеся на дальних расстояниях, сияют приблизительно в 50 раз ярче своих более молодых и близких к нам собратьев. То ли те давние галактики сконцентрировали больше газа по сравнению с более поздними, то ли отдаленные черные дыры раз в 10 массивнее. Роберт Смит считает более вероятным последнее объяснение, но не может пока объяснить быстрый рост древних черных дыр. Астрофизики работают над новыми теориями, призванными объяснить, как такое могло случиться за время, не превышающее нескольких десятков или сотен миллионов лет. Существует предположение, что первые черные дыры возникли непосредственно за счет сжатия (коллапса) первородного газа, минуя этап формирования звезд. Однако более популярные модели все же привлекают к процессу рождения черных дыр первую генерацию звезд, которые сформировались вскоре после Большого взрыва.

Эти первые звезды были очень массивны и, соответственно, жили очень недолго. Вот они, возможно, и породили первые крупные черные дыры, когда взрывались в виде сверхновых. «Если эти звезды формировались в тесных скоплениях, то черные дыры могли бы сталкиваться друг с другом довольно часто и быстро набрать ту массу, с которой мы имеем дело в случае квазаров», – считает Марек Кукула (Marek Kukula), который занимается изучением квазаров в Эдинбургском университете (Великобритания).

ИСТОЧНИКИ ЗАГАДОЧНЫХ ГАММА-ВСПЫШЕК:
НОВЫЕ ВЕРСИИ

С помощью космических телескопов астрономам удалось значительно продвинуться в понимании природы коротких всплесков гамма-излучения – так называемых GRB-вспышек. Однако с увеличением объема данных число вопросов множится, и ученым приходится выдвигать новые теории происхождения загадочных гамма-всплесков.

На основании данных, полученных при помощи спутников «Swift» и НЕТЕ-2, а также других космических и наземных телескопов, было высказано предположение, что краткие GRB-вспышки происходят в результате слияния двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры. Длинные GRB-вспышки длятся минуту или дольше и возникают, когда массивные звезды взрываются с образованием сверхновой.

Однако недавние наблюдения показали, что процессы, приводящие к коротким GRB-вспышкам, гораздо сложнее, чем считалось ранее, сообщает «Sky and Telescope». Согласно существующей модели, при слиянии двух нейтронных звезд образующийся объект мгновенно коллапсирует в черную дыру. Небольшое количество оставшегося газа образует диск вокруг черной дыры, из которого под воздействием магнитного поля создаются два противоположно направленных джета. Ударные волны, формирующиеся в джетах, в свою очередь вызывают GRB-вспышку.

Такой сценарий, казалось бы, должен хорошо объяснять свойства коротких GRB-вспышек – краткость, энергию и удаление источников GRB от областей формирования звезд. Но в июле 2005 г. «Swift» зафиксировал два кратких GRB-всплеска, за которыми следовали вспышки рентгеновского излучения. Мощность этих рентгеновских вспышек была сравнима с мощностью первоначальных гамма-всплесков. Другой краткий GRB-всплеск, зафиксированный в декабре 2005 г., также озадачил астрономов: его общая энергия была сравнима с энергией, выделяющейся при типичном длительном GRB, хотя обычно энергия кратких GRB на порядок меньше.

Эти открытия заставили теоретиков выдвинуть новые предположения относительно природы гамма-всплесков. Эндрю Макфейден (Andrew MacFadyen) и его коллеги предположили, что источниками некоторых кратких GRB-вспышек могут быть двойные звездные системы, состоящие из нейтронной звезды и обычной звезды. Вещество обычной звезды «перетекает» на нейтронную звезду, и как только масса нейтронной звезды превышает некоторый предел, происходит гравитационный коллапс с образованием черной дыры, создающий краткую гамма-вспышку. Часть разлетающегося при этом вещества бомбардирует обычную звезду, вызывая вспышки рентгеновского излучения.

Китайский астроном Цигао Дай (Zigao Dai) вместе с коллегами предложил модель, согласно которой возникновение краткой GRB-вспышки свидетельствует о слиянии двух сравнительно небольших нейтронных звезд. Образующаяся новая нейтронная звезда вращается со скоростью в сотни оборотов в секунду. Появляющееся при этом так называемое дифференциальное вращениенавивает внутри нейтронной звезды линии магнитного поля. За несколько десятков секунд образуется магнитное напряжение, в результате которого скрытая энергия высвобождается в виде мощного взрыва. Этот взрыв выбрасывает сгустки материи. При столкновении быстро двигающихся сгустков с более медленными возникают вспышки рентгеновского излучения, характеристики которых похожи на параметры излучения, зафиксированного спутником «Swift». Этот процесс может повторяться несколько раз, что согласуется с наблюдениями – после GRB-вспышки июля 2005 г. наблюдалось пять вспышек рентгеновского излучения.

Астрономам уже удалось выяснить, что около 10 % кратких GRB не имеют ничего общего с процессами слияния. Скорее всего, эта часть вспышек проходит в не очень удаленных от нас галактиках. В этих галактиках нейтронные звезды-магнетары, обладающие мощным магнитным полем, производят потоки гамма-излучения в течение одной-двух секунд. Теоретики предполагают, что вспышки гамма-излучения могут вызвать и другие процессы. Например, в результате коллапса ядра массивной звезды образуется чрезвычайно тяжелая нейтронная звезда, масса которой больше максимальной массы нейтронной звезды. Если нейтронная звезда вращается очень быстро, центробежные силы могут до определенного времени предотвращать ее коллапс в черную дыру. Но в конце концов вращение замедляется и нейтронная звезда погибает. При этом происходит краткая GRB-вспышка.

Старая одиночная нейтронная звезда, известная как RX J1856.5-3754, имеет диаметр около 20 км. Хотя ее температура необычно высока для ее возраста (около 700 000 °C), более ранние наблюдения не выявили никакой активности этой звезды по сравнению со всеми остальными известными до сих пор нейтронными звездами. Астрономами Мартином ван Кервиком (Marten van Kerkwijk) из Института астрономии Университета Utrecht, Нидерланды и Шри Кулхарни (Shri Kulkarni) из Калифорнийского технологического института, Пасадена, было проведено детальное исследование звезды для того, чтобы лучше понять природу этого объекта. Неожиданно для астрономов изображения и спектры, полученные с помощью телескопа «Very Large Telescope» (VLT) Европейской южной обсерватории (ESO), расположенной в Чили, показали наличие малой конусообразной туманности вблизи нейтронной звезды. Туманность светится за счет излучения атомов водорода и, очевидно, каким-то образом взаимодействует с этой странной звездой. Аналогичные конусообразные туманности имеются вокруг быстровращающихся радиопульсаров и массивных звезд. Однако туманность вокруг этих объектов образуется в результате сильного оттока частиц из звезды или пульсара (звездный ветер), которые сталкиваются с межзвездным веществом.

Образование нейтронных звезд происходит в процессе гравитационного коллапса на конечных стадиях эволюции достаточно массивных звезд. Эволюция звезд с массой, по крайней мере в несколько раз превышающей массу Солнца, – медленная, она длится десятки и сотни миллионов лет. Это может привести к тому, что масса их центральных областей, сильно сжавшихся и исчерпавших запасы ядерного горючего, в какой-то момент окажется больше предела Чандрасекара (1,4 массы Солнца) для белых карликов. В таком состоянии центральные области звезды не могут существовать долго – охлаждение и продолжающееся увеличение их массы нарушают баланс между силами тяжести и давлением. В результате очень быстро, за несколько секунд или за доли секунды, центральные области звезды сжимаются до ядерных плотностей, подвергаясь одновременно процессу нейтронизации – рождается нейтронная звезда. В случае, когда появление нейтронной звезды сопровождается вспышкой сверхновой, значительная часть массы звезды выбрасывается в космическое пространство. Но образованию нейтронных звезд, по-видимому, не всегда сопутствует вспышка сверхновой звезды, возможен «тихий» коллапс.

Несколько лет назад немецким рентгеновским спутником-обсерваторией ROSAT был зафиксирован источник рентгеновского излучения RX J1856.5-3754. Более поздние наблюдения космическим телескопом «Хаббл» доказали, что этот объект является изолированной нейтронной звездой. Не было обнаружено никаких признаков остатка сверхновой, следовательно, возраст этой звезды должен быть, по крайней мере, 100 000 лет. Интересно, что в отличие от более молодых изолированных нейтронных звезд или нейтронных звезд в двойных звездных системах RX }1856.5-3754 не показывает никаких признаков активной деятельности типа переменности или пульсаций.

Уникальный объект сразу привлек к себе внимание многих астрономов. Рентгеновские наблюдения показали очень высокую температуру звезды. Однако считается, что с момента рождения нейтронные звезды теряют энергию и непрерывно остывают. Как может старая нейтронная звезда быть настолько горячей? Одно из возможных объяснений состоит в том, что некоторый межзвездный материал, газ и/или зерна пыли, захватывается мощным гравитационным полем звезды. Такие частицы могли бы свободно падать на нейтронную звезду, достигая ее поверхности со скоростью, равной приблизительно половине скорости света. Так как кинетическая энергия этих частиц пропорциональна квадрату скорости, то даже малые количества вещества обладают энергией, достаточной для разогрева нейтронной звезды.

При сравнении результатов проведенных наблюдений с наблюдениями этого объекта в 1997 г. выяснилось, что с тех пор нейтронная звезда переместилась примерно на 200 световых лет, что соответствует скорости 100 км/с. При такой высокой скорости она могла захватить достаточно вещества из межзвездного пространства, которое и разогрело ее поверхность. В настоящее время еще не определено, достаточно ли высока плотность окружающего звезду межзвездного вещества, чтобы разогреть ее до наблюдаемой температуры. Однако возможно, что в прошлом нейтронная звезда смогла собрать большее количество вещества во время своего путешествия через межзвездное пространство, чтобы разогреться, а теперь медленно остывает. Спустя несколько миллионов лет она станет невидимой, пока не встретит на своем пути другую плотную межзвездную область.

ГОЛУБОЙ СВЕРХГИГАНТ

Голубой сверхгигант – это тип сверхгигантских звезд (класс I) спектрального класса 0. Это молодые очень горячие и яркие звезды с температурой поверхности 20 000—50 000 °C. Масса измеряется в пределах 10–50 солнечных, максимальный радиус в пределах 25 солнечных радиусов. Эти редкие и загадочные звезды – одни из самых горячих, больших и самых ярких объектов в мире звезд. Из-за огромных масс они имеют относительно короткую продолжительность жизни – 10–50 млн лет и присутствуют только в молодых космических структурах типа рассеянного скопления, рукава спиральной галактики и в неправильныхгалактиках. Они практически не встречаются в ядрах спиральных галактик, эллиптических галактик или шаровых скоплениях, которые, как полагают, являются старыми. Несмотря на редкость и короткую жизнь, голубые сверхгиганты часто встречаются среди звезд, видимых невооруженным глазом; свойственная им яркость компенсирует их малочисленность.

Известный пример – Ригель, самая яркая звезда в созвездии Ориона. Масса Ригеля приблизительно в 20 раз больше массы Солнца, а его светимость в 14 000 раз больше солнечной.

Голубые сверхгиганты – это массивные звезды, находящиеся в определенной фазе процесса «умирания». В этой фазе интенсивность протекающих в ядре ядер-ных реакций снижается, что приводит к сжатию звезды. В результате значительного уменьшения площади поверхности увеличивается плотность излучаемой энергии, а это, в свою очередь, влечет за собой нагрев поверхности. Такого рода сжатие массивной звезды приводит к превращению красного сверхгиганта в голубой. Возможен также обратный процесс – превращение голубого сверхгиганта в красный.

В то время как солнечный ветер от красного сверхгиганта плотный и медленный, ветер от голубого сверхгиганта быстр, но разрежен. Если в результате сжатия красный сверхгигант становится голубым, то более быстрый ветер сталкивается с испущенным ранее медленным ветром и заставляет выброшенный материал уплотняться в тонкую оболочку. Почти все наблюдаемые голубые сверхгиганты имеют подобную оболочку, подтверждающую, что все они однажды были красными сверхгигантами.

По мере развития звезда может несколько раз превращаться из красного в голубой сверхгигант и наоборот, что создает слабые концентрические оболочки вокруг нее. В промежуточной фазе звезда может быть желтой или белой, как, например, Полярная звезда. Как правило, массивная звезда заканчивает свое существование взрывом сверхновой. Очень небольшое количество звезд, масса которых колеблется в пределах от восьми до двенадцати солнечных масс, не взрывается, а продолжает эволюционировать, превращаясь в итоге в кислородно-неоновые белые карлики.

Как голубые, так и красные сверхгиганты могут эволюционировать в сверхновую. Большую часть времени массивные звезды пребывают в состоянии красных сверхгигантов, поэтому мы наблюдаем их больше, чем голубых сверхгигантов. Астрофизики ранее даже предполагали, что все сверхновые происходят из красных сверхгигантов, однако сверхновая SN 1987А образовалась из голубого сверхгиганта и, таким образом, предположение оказалось неверным. Это событие также привело к пересмотру некоторых положений теории эволюции звезд.

ВСЕЛЕННАЯ ВО ВЛАСТИ ТЕМНОЙ ЭНЕРГИИ

Наблюдения за отдаленными квазарами, проводимые в течение 10 лет силами международной группы исследователей во главе с астрономами из Манчестерского университета, показывают, что основная часть энергии во Вселенной содержится в форме таинственной темной энергии.

Темная энергия(dark energy), иначе именуемая отрицательным давлением, или антигравитацией, – термин, возникший в рамках одной из самых популярных моделей Большого взрыва – модели инфляционной Вселенной, как бы «раздуваемой» по экспоненциальному закону на начальном этапе своего развития отрицательной гравитацией вакуума. Инфляционная модель позволила лучше объяснить совокупность реально наблюдаемых фактов вроде «плоской» (практически неискривленной) и сравнительно однородной по своей структуре окружающей нас области Вселенной, но взамен потребовала несколько произвольных допущений.

Подобным образом еще в 1917 г. Эйнштейн добавил в свои уравнения общей теории относительности специальный лямбда-член (космологическую постоянную), чтобы получить стационарную нерасширяющуюся Вселенную, что впоследствии называл главной ошибкой своей жизни. Точно такой же эффект, как введение лямбда-члена, производит присутствие нового фактора – отталкивания, антигравитации. Долгое время считалось, что модель расширяющейся Вселенной, по крайней мере на современном ее этапе, позволяет обойтись без этой новой сущности, космологическая постоянная Эйнштейна считалась равной или очень близкой к нулю. Но пять лет назад многие астрофизики парадоксальным образом вновь были вынуждены обратиться к этому старому непопулярному приему, чтобы согласовать наблюдаемые данные с теорией.

Первое убедительное доказательство реальности темной энергии принес год назад снимок сверхновой, взорвавшейся на рекордном расстоянии в 10 млрд световых лет, полученный космическим телескопом «Хаббл». Звезда такого типа должна была дать вспышку в два раза меньшей яркости, в связи с чем был сделан вывод, что расширение Вселенной происходит со все возрастающей скоростью. При отсутствии темной энергии расширение Вселенной должно было бы, наоборот, со временем замедляться, особенно учитывая найденные за последнее время физиками и астрофизиками запасы темной материи,то есть скрытой от непосредственного наблюдения в телескопы.

Теперь появилось доказательство того, что около 2/3 Вселенной (включая все виды материи) составляет темная энергия – странная сила антигравитации, воздействующая на удаленные объекты.

Использовались мощнейшие радиотелескопы, чтобы обследовать тысячи квазаров. Квазары, как вы помните, это удаленные (на краю видимой Вселенной) компактные источники излучения и источники рентгеновских лучей. Предполагается, что они представляют собой супермассивные черные дыры, ядра галактик, «питающиеся» межзвездным газом и веществом поглощаемых звезд.

Радиотелескопы позволяют достичь высочайшей разрешающей способности, недоступной более традиционным оптическим телескопам, даже поднятым на околоземную орбиту. Изображение каждого из 700 таких объектов искажалось присутствием на пути следования лучей неких скрытых массивных объектов, оказывающих воздействие, подобное гигантским гравитационным линзам. Радиолучи изгибаются вокруг гравитирующего объекта, и это приводит к тому, что на снимках появляются два (или даже больше) изображения одного и того же квазара. Сравнивая модели, в которых присутствовали разные оценки для темной энергии, заполняющей Вселенную, подбирали ту, которая лучше всего соответствовала бы работе реально наблюдающихся гравитационных линз.

Итак, около 2/3 Вселенной состоит из темной энергии. Оставшаяся треть приходится в основном на темную материю, состав которой до сих пор точно не прояснен. И только малая часть остается на долю обычной, видимой материи звезд и планет. Гравитация действует на все формы вещества, а антигравитация темной энергии проявляется только на дальних расстояниях, заставляя Вселенную расширяться ускоренными темпами, немыслимыми в том случае, если бы гравитация была доминирующей силой.