Текст книги "В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]"

Автор книги: Рудольф Сворень

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 13 страниц)

О некоторых работах, в которых участвовали наши радиоастрономы, рассказывает руководитель этих работ с советской стороны, руководитель лаборатории Института космических исследований АН СССР доктор физико-математических наук Леонид Иванович Матвеенко:

– В 1976 г. с участием советских исследователей было проведено семь циклов наблюдений на межконтинентальных радиоинтерферометрах. Это уже традиционные, плановые работы – они велись и раньше, будут проводиться в будущем. Первая работа 1976 г. (она длилась непрерывно более суток) прошла в феврале. В этот раз в интерферометр входили два радиотелескопа: в Хайстеке (район Бостона, США) и в Симеизе, в Крыму. Такие же циклы наблюдений были проведены в апреле и мае, но здесь уже работали радиотелескопы, расположенные в четырех точках планеты: в Тидбинбилле (Австралия, район Сиднея), в Мэриленд-Пойнте (район Вашингтона), в Биг-Пайн (вблизи Пасадены, США) и опять же в Симеизе. И наконец, пять циклов наблюдения по нескольку суток каждый (в июне, ноябре и декабре) с участием телескопов вблизи Бонна, в Хайстеке и Симеизе. Сезон 1977 г. в феврале открыл интерферометр Бонн – Симеиз – Онсала (Швеция).

Режим наблюдений, их программа очень насыщены и требуют исключительной четкости от всех участников работ. Обычно наблюдения одного объекта продолжаются 20 мин, затем пятиминутный перерыв на перестройку телескопа и снова двадцатиминутный сеанс. Сигнал, как правило, очень слаб, и его приходится долго «накапливать»; обычно период накапливания, этот квант измерений, составляет 300–400 с. Конкретные задачи наблюдений многообразны; об этом косвенно можно судить по числу исследовательских организаций – только в 1976 г. в наших работах участвовали Австрийская астрофизическая обсерватория, Институт Макса Планка (ФРГ), Массачусетский и Калифорнийский технологические институты, Смитсонианская, Хайстекская, Морская исследовательская и Национальная радиоастрономическая обсерватории, НАСА, Йельский университет (США), Крымская астрофизическая обсерватория и Институт космических исследований АН СССР. Все циклы наблюдений прошли удачно, «холостых выстрелов» не было. Это особенно радостно, потому что был впервые совершен трудный переход на очень короткую волну—1,35 см, что, в частности, позволило поднять разрешение интерферометра с 0,1 угловой миллисекунды до 0,05 миллисекунды. Оптический прибор с таким разрешением позволил бы из Москвы увидеть горошину во Владивостоке или увидеть с Земли яблоко на Луне.

Главные наши объекты – это природные мазеры, ядра галактик и совершенно загадочные до недавнего времени звездные образования – квазары.

В природных мазерах происходят в принципе те же процессы, что и в наших земных мазерах и лазерах; мощные источники энергии, скажем, излучения, идущие из области, где происходит рождение звезды, осуществляют «накачку» молекул окружающего газа – водяного пара или гидроксила; они-то и дают когерентное радиоизлучение – довольно острый и монохроматичный луч. До появления больших радиоинтерферометров это излучение приписывали большим областям пространства. Теперь же в этих областях удалось обнаружить очень компактные излучающие точки размером в десятые доли угловой миллисекунды.

Квазары долгое время представлялись этакими гигантскими полыхающими шарами с угловыми размерами в десятки и сотни миллисекунд (рис. 9). Напомним, что размеры, указанные в угловых единицах, – это есть тот телесный угол, в котором объект виден с Земли; так, например, размер Луны – 8 угловых градусов, Марса – 0,2 градуса. Чтобы перейти от угловых размеров к линейным, нужно знать расстояние до объекта. А оно не всегда известно достаточно точно, и астрономы характеризуют объект величиной, которую знают наверняка, – его угловым размером.

Но вернемся к квазарам.

У некоторых квазаров стали обнаруживаться детали, такие, например, как огромный (угловые размеры – около 20'') выброс материи («хвост») у квазара ЗС 273. Затем межконтинентальные интерферометры позволили увидеть достаточно мелкие детали квазаров (рис. 9—11).

Кроме того, наблюдая квазар с перерывом – иногда это несколько месяцев, иногда несколько недель, – часто обнаруживали, что его детали смещаются, разлетаются. С учетом примерного расстояния до квазара подсчитали скорость разлета, в ряде случаев она оказалась значительно больше скорости света. Есть разные объяснения этим сверхсветовым перемещениям. Какое из них окажется верным, покажут детальные исследования квазаров. Они входят в наши планы…

С помощью глобальных радиоинтерферометров уже сделано немало удивительных открытий касательно строения квазаров. Это даже представить себе трудно – исследуются детали квазаров, объектов, которые находятся на расстояниях в миллиарды световых лет, на краю видимой Вселенной! А обнаружение сверхсветовых движений в квазарах в какой-то момент даже вызвало сильное волнение в некоторых кругах, близких к астрономии. Как-никак речь шла о покушении на устои науки, что, конечно, всегда волнует – а вдруг?!

На этот раз, однако, покушение не состоялось и остался на своем месте краеугольный камень в фундаменте современной физики – скорость света в вакууме с = 300 000 км/с. Более того, превышение скорости света вообще не было неожиданностью для специалистов по теории относительности. Они, оказывается, еще «до того» твердо установили: возможна некая сверхсветовая «кажимость» и она никак не означает, что какие-то физические тела превысили скорость света. Было описано несколько возможных механизмов «кажимости», и некоторые из них вполне могут объяснить то, что наблюдается в квазарах.

Одно из объяснений удобно проиллюстрировать таким экспериментом, разумеется мысленным: пулемет дает длинную очередь по белой стене и пули прочерчивают на ней пунктирную линию. Скорость прочерчивания этой линии в принципе может быть любой, в том числе может превысить скорость света – нужно лишь, чтобы пулеметчик достаточно далеко отошел от стены и достаточно быстро поворачивал дуло пулемета. Можно представить себе нечто похожее и в квазаре, где по огромному внешнему газовому облаку («стена») бежит сверхсветовой «зайчик» («следы пуль»), нарисованный изнутри излучением раскаленного и быстро вращающегося ядра квазара («пулемет»). Вот другой возможный механизм «кажимости»: две детали квазара разлетаются в разные стороны с околосветовой скоростью, а земной наблюдатель вычислит, что они расходятся со скоростью около 2 с.

Возможные причины сверхсветовых «кажимостей» детально исследованы, описаны в литературе (см., например, книгу В. Л. Гинзбурга «Теоретическая физика и астрофизика». Наука, 1975), но, конечно, предстоит немалая работа, чтобы связать их с конкретными радиоастрономическими фактами, понять, что именно происходит в тех или иных квазарах. Осторожные люди, правда, говорят, что еще нужно проверять сами факты. Квазар – это бурлящий котел, и вполне возможно, так говорят осторожные люди, что радиоинтерферометр после перерыва регистрирует не перемещение старой детали, а рождение новой на большом расстоянии от старого места. Проще говоря, выводы о сверхсветовых скоростях сделаны на основе довольно редких радиоастрономических «фотографий», подтвердить эти выводы должно радиоастрономическое «кино».

Кстати, о фактах. В свое время, выполнив серию непрерывных наблюдений за сигналами «Викинга», американские астрофизики точно измерили тонкий релятивистский эффект: запаздывание радиоизлучений под действием массы Солнца. Подобные измерения проводились раньше, но на этот раз их точность значительно превысила прежние рекордные результаты и составила 1 %. Появилось еще одно подтверждение – теория относительности очень точно согласуется с физической реальностью. Та самая теория относительности, которая была придумана и продумана в деталях смелым гением в виде некоторой гипотезы относительности, «безумной идеи», опирающейся, однако, на неотвратимые факты. Та самая теория относительности, которая отвергает (во всяком случае, при нынешних наших представлениях о природе вещей) возможность движения каких-либо физических тел со скоростями, превышающими скорость света в вакууме.

Вселенная прибавляет в весе

В окрестностях многих галактик обнаружено нечто такое, что может сильно изменить наши взгляды не только на происхождение звездных миров, но и на будущее Вселенной.

Многие специалисты пока определяют свое отношение ко всему этому так: «Делать выводы преждевременно…», «Слишком рано…», «Рано…», «Рановато…». Другие же, напротив, считают, что открытие состоялось и давно уже пора занести его в реестр сенсаций века. Есть еще и третья точка зрения, но о ней потом. Сейчас о существе дела: похоже, что во Вселенной обнаружены огромные количества вещества, огромная «скрытая масса». Пока неизвестно, что она собой представляет, и точно не подсчитано, насколько она велика. По предварительным данным, «скрытая масса» во много раз превышает массу всех звезд, всех галактик, туманностей, вместе взятых, превышает массу всей известной нам до сих пор Вселенной.

В отличие от большинства других астрофизических сюрпризов, таких, например, как случайный прием радиоимпульсов первого пульсара, которые от неожиданности были приняты за сигналы высокоразвитых инопланетян, появление «скрытой массы» оказалось, так сказать, сенсацией замедленного действия. И историку науки предстоит немало повозиться, чтобы в деталях восстановить истину, целиком представить себе тот бикфордов шнур, по которому слабый огонек догадки добрался до наших дней, привел к нынешнему взрыву наблюдений, расчетов, оценок. Не пытаясь предрешить результаты скрупулезных исторических изысканий, приведем все же несколько строк, которым, вполне вероятно, найдется место в хронологической таблице на последних страницах будущего «Курса истории взвешивания Вселенной».

1786 г. Опираясь на свои наблюдения, Вильям Гершель доказал (предположений и раньше было много, но «доказал» – это, согласитесь, несколько иное дело), что туманные пятнышки на небосводе не что иное, как скопление звезд, галактики. В первый каталог В. Гершеля вошло 400 галактик, в последний его каталог – 2500.

Наблюдения и расчеты показывают, что в видимой нами Вселенной 10¹⁰ галактик, в каждой из них в среднем 10¹¹ звезд. Есть основания полагать, что масса звезды в среднем равна массе Солнца, а значит, общая масса Вселенной равна 10²¹ масс Солнца, или 10⁴⁸ т.

1895 г. Впервые применяется фотографирование для изучения формы галактик, доказано существование спиральных форм.

1917 г. Американский астроном Д. Слайфер обнаружил смещение линий в спектрах некоторых звезд, т. е. обнаружил, что приходящие от этих звезд излучения, характерные для тех или иных химических элементов, имеют длину волны совсем не такую, какая характерна для этих элементов на Земле. Смещение линий – следствие допплер-эффекта, оно вызывается движением звезд. Прошли годы, и смещение спектральных линий стало основным источником информации о движении звезд и галактик. По смещению линий измерили скорости разбегания галактик (красное смещение), уточнили движение отдельных их частей, зафиксировали вращение галактик-спутников вокруг больших галактик, движения галактик в сложных их скоплениях.

1939 г. Ленинградский астрофизик М. А. Леонтовский опубликовал свои работы по фотографированию галактики М31 (Туманность Андромеды). Он совмещал, складывал большое число одновременно сделанных фотографий, с тем чтобы выделить области малой яркости, невидимые на фоне светящегося неба. Автор скомпоновал в деревянных ящиках 200 самодельных картонных фотокамер с объективами из очковых стекол, «имеющих преимущество чрезвычайной дешевизны». Уже суммирование 10 снимков туманности «выявило те черты ее, которые на оригинальных фотографиях не видны», а 80 снимков более чем вдвое увеличили видимые размеры галактики. Столь интересно начатым работам М. А. Леонтовского не суждено было завершиться: в 1942 г. он погиб в осажденном Ленинграде.

1969 г. Результаты своих работ по фотографированию слабо светящихся областей галактик публикуют Г. де Вакулер, X. Арп, Ф. Бертолла и др. Электронная аппаратура и особые фотоэмульсии позволили фотографировать области галактик, яркость которых лишь на 1 % превышает фон неба. В последующие годы такие работы проводятся на многих обсерваториях, появляется много разных снимков. Выясняется, что практически все наблюдаемые галактики имеют огромные, невидимые на обычных снимках короны. Они хорошо видны на специальных снимках, где слабо светящиеся области для удобства представляют в виде чередующихся темных и светлых колец (в действительности все это светлые кольца с разным уровнем яркости, полученные при длительном экспонировании очень чувствительной пленки).

1974 г. Группа эстонских астрофизиков во главе с доктором физико-математических наук Я. Эйнасто опубликовала свою статью «Динамические свидетельства наличия «скрытой массы».

1975 г., январь. Астрономический совет АН СССР созывает в Таллине совещание по проблеме «Скрытые массы» во Вселенной».

Работы эстонских астрофизиков, особенно в сочетании с анализом фотографий галактических корон, как никогда ранее, приковали внимание исследователей к проблеме «скрытой массы». Резко усилилась аргументация того, что она существует и существует именно вокруг галактик. Получалось, что видимые эллипсы или спирали галактик – это лишь небольшие светящиеся части каких-то огромных невидимых массивов, что мы до сих пор видели лишь косточки огромных плодов, зреющих в бескрайних просторах космоса.

Настал момент собрать наблюдательные факты и попытаться представить себе, из чего же состоят короны галактик, в каком именно виде могла бы существовать в них «скрытая масса».

Если не входить в противоречие с наблюдательными данными о массе, светимости и цвете галактических корон, то можно сделать несколько предположений о их составе. Это мог бы быть ионизованный газ, нагретый до нескольких миллионов градусов и собранный, возможно, в отдельные облака. Или сравнительно легкие звезды, масса которых меньше 30 % от массы Солнца. Или карликовые скопления звезд, а может быть, даже карликовые галактики. Или, наконец, это могли бы быть так называемые умершие звезды – потухшие белые карлики, нейтронные звезды или даже «черные дыры». Данные о мягком рентгеновском излучении свидетельствуют, что в коронах спиральных галактик большого количества ионизованного газа, по-видимому, нет, а вот у эллиптических галактик массивные газовые короны вполне возможны. Что касается кандидатуры карликовых звезд, то здесь мог бы внести ясность поиск их в окрестностях нашего Солнца; чтобы карликовые звезды обеспечили расчетную «скрытую массу», их должно быть довольно много – примерно одна звезда на куб со стороной 15 св. лет. Эти звезды должны двигаться со скоростями более 100 км/с, и, по-видимому, они очень бедны тяжелыми элементами. Найти эти карликовые звезды будет не так-то просто. Во всяком случае, пока неясно, как их можно будет отличить от звезд слабой светимости, которые входят не в корону, а в само «тело» галактики.

«Скрытая масса», если существование ее будет доказано, должна заметно повлиять на наши представления об устройстве мира, об истории его развития и прогнозах на далекое будущее.

Видимая нами Вселенная, как установлено, расширяется, но этому расширению препятствуют силы взаимного притяжения ее «деталей», гравитационные силы. Противодействие тем сильнее, чем больше масса Вселенной, чем выше средняя плотность ее вещества. Если окажется, что плотность превышает 10^-29– 10^-30 г/см³—это значение называют критическим, – то гравитационные силы рано или поздно остановят расширение Вселенной, а затем заставят ее сжиматься. Известная нам масса Вселенной дает среднюю плотность около 3 % от критической, а значит, перспективу безостановочного расширения. По некоторым имеющимся в литературе оценкам «скрытой массы», она повышает среднюю плотность вещества во Вселенной до 20 %, а по иным оценкам, даже делает ее больше критической.

Наше представление о далеком прошлом Вселенной, о ее первых шагах мало зависит от того, будет обнаружена «скрытая масса» или не будет: основные модели мира вначале ведут себя одинаково при любой массе. Но зато она должна сильно влиять на более поздние события, и прежде всего на ход образования галактик. И конечно же, от того, есть «скрытая масса» или нет, а если есть, то сколько ее, сильно зависит все то, что сейчас происходит во Вселенной.

Вот, оказывается, с какими проблемами связан поиск «скрытой массы». Возраст и происхождение галактик… Стабильность звездных систем… Будущее Вселенной, беспредельное ее расширение или сжатие, которое придет на смену наблюдаемому в наши дни разбеганию галактик… Насколько же окончательными можно считать нынешние данные о «скрытой массе»? Насколько они достоверны? И можно ли повысить точность взвешивания Вселенной? С этими вопросами мы обратились к доктору физико-математических наук Я.Э. Эйнасто.

– Сначала скажу о работах, уже выполненных. Еще несколько лет назад, анализируя сдвиг спектральных линий в оптическом и радиодиапазоне, наша группа исследовала скорости движения ветвей некоторых спиральных галактик. Анализ этих скоростей показал: в движении должны участвовать массы, во много раз большие тех, которые могут быть у видимой части галактик. Следующим объектом изучения стали очень распространенные во Вселенной пары галактик, вращающиеся относительно некоторого центра. В первый период этой работы мы проанализировали около 110 таких пар с самыми разными расстояниями между компонентами пары. Анализ скоростей вращения показал, что в таком вращении участвуют огромные невидимые массы, сосредоточенные в очень больших объемах. Слово «невидимые» здесь используется уже с учетом последних достижений фотографической техники: по нашим расчетам, «скрытая масса» должна быть значительно больше, чем могли бы содержать галактические слабо светящиеся короны, и занимает она значительно большие объемы. По предварительным оценкам, «скрытая масса» в двойных галактиках в 10 раз больше видимой.

Можно наметить немало конкретных работ, которые позволили бы уточнить полную массу Вселенной. В их числе и тщательное изучение наблюдательных данных, уже имеющихся в мировой литературе, и ряд новых специальных наблюдений с помощью совершенных чувствительных спектрографов. В нашей стране такие наблюдения можно было бы проводить на нескольких обсерваториях, в частности в Алма-Ате, в Бюракане, в Крыму. Мы тоже планируем наблюдательные эксперименты, надеясь главным образом на длинные зимние ночи, когда обычно хмурое эстонское небо становится прозрачным. Новые исследования, и прежде всего изучение движения галактик в больших скоплениях, могут дать очень интересные результаты. Так, например, есть основания думать, что в таких скоплениях количество «скрытой массы» в сравнении с видимой значительно больше, чем в двойных галактиках. Сложных галактических скоплений очень много, и поэтому вполне может быть, что плотность Вселенной весьма близка к критической или даже больше ее. Судя по всему, уже сейчас нет оснований сомневаться в существовании во Вселенной большой «скрытой массы», хочется верить, что вскоре удастся более или менее точно и, конечно, более уверенно ответить на вопрос «сколько?»

Похоже, что наступило время, когда астрофизики перестают говорить о «скрытой массе» в сослагательном наклонении, с применением частицы «бы». Не сразу, а точнее, не все сразу, но перестают. В этой связи уместно, как это, кстати, и было обещано, вспомнить еще об одной, третьей точке зрения на последние работы по взвешиванию Вселенной. В достаточно вольном пересказе эта точка зрения выглядит так: «Обнаружение «скрытой массы»? Но, помилуйте, здесь нет никакой сенсации!.. Если не изобретать по всякому поводу новую физику и не придумывать патологических моделей, то давно уже нужно было признать, что масса Вселенной значительно больше, чем это кажется с первого взгляда. Тот факт, что долгое время эту массу не находили, приводит лишь к одному выводу: нужно лучше искать. А если «скрытая масса» действительно обнаруживается, то это вполне закономерно. Это еще одно дополнение к огромному списку известных уже примеров того, как хорошие наблюдения рано или поздно подтверждают правильную теорию».

Когда эта книга готовилась к печати, пришло интереснейшее сообщение: группа советских физиков получила экспериментальные данные, позволяющие считать, что масса покоя элементарной частицы нейтрино не равна нулю, как это считалось раньше. Нейтрино во Вселенной очень много – их, в частности, должно быть в десятки раз больше, чем электронов. И вполне может оказаться, что именно нейтрино создают огромную скрытую массу Вселенной.