Умк_ксе_бак

окружностям (рис. 3.2), но помимо них имеются, так называемые малые тела Солнечной системы — астероиды, кометы, метеоры и метеориты. Для измерения расстояний в Солнечной системе используют 1 а.е. = 150 млн км — среднее расстояние от Солнца до Земли.

Астероиды, которые как и планеты вращаются вокруг нашей звезды, отличаются от них только меньшими размерами. Их общее количество составляет много миллионов. Наиболее крупные из них хорошо изучены и имеют собственные имена. Так, например, диаметр Цереры 1003 км, т.е. всего в 2,3 раза меньше Плутона. За орбитой Плутона, начиная с 1996 года, были открыты еще несколько небольших планет диаметром около 500 км.

Кометы, точнее их ядра, состоят из льда (воды, углекислоты, метана, аммиака), и они обращаются вокруг Солнца по сильно вытянутым эллипсам. Эти две особенности комет приводят к их характерному внешнему виду — они являются самыми протяженными объектами в Солнечной системе.

Распространенным свойством крупных объектов Солнечной системы является наличие спутников, которые есть у всех планет, за исключением Меркурия и Венеры. В последние годы обнаружены спутники даже у не очень крупных астероидов. А у планетгигантов число спутников велико и новые наблюдения приводят к открытию все новых спутников (табл. 3.1). Размеры спутника Юпитера Ганимеда превышают размеры Меркурия и только ненамного меньше Марса. Помимо спутников, каждая из 4 планет-гигантов обладают сложным структурным образованием — кольцами. Особенно развитую тонкую структуру обнаруживают кольца Сатурна. Спутники с планетные кольцами являются остатками околопланетного диска, то есть и структурно, и генетически эти образования во многом повторяют Солнечную систему.

Человеком исследована природа всех планет, поверхности Луны, Венеры, Марса подвергнуты прямому изучению, а вблизи всех планет, кроме Плутона, пролетали научные космические аппараты. На примере Солнечной системы мы видим, что гравитация и относительное движение (вращение) ответственны за формирование и существование разных систем “планетарного типа”. В 90-е годы XX века наконец-то были открыты планетные системы у других звезд.

Звезды — основные объекты видимой Вселенной. Самая близкая к нам звезда

11 Одного грамма водорода в качестве термоядерного топлива достаточно для нагрева 1000 м3 воды от 0 оС до 100 оС.

71

основная часть вещества Вселенной. Звезды различаются прежде всего массой, светимостью, размерами, температурой, спектром, вращением, химическим составом, магнитным полем (табл. 3.2). Наконец, примерно половина входит в состав кратных систем, прежде всего двойных. Устоявшаяся точка зрения на звезды, как на что-то “вечное”, “неизменное” оказывается относительно справедливой только в отношении части звездного населения. Свойства значительной доли звезд сильно меняются на протяжении очень коротких промежутков времени, их называют переменными, нестационарными звездами.

Многие свойства звезд удается понять на основе их классификации, прежде всего по спектральным классам. В первом приближении звезды удобно объединять по их местоположению на диаграмме Герцшпрунга–Ресселла, где на плоскости температура– светимость выделяют различные последовательности звезд. Большинство звезд образует, так называемую главную последовательность. В результате термоядерных реакций в самом центре звезды выделяется энергия, которая посредством конвекции и излучения выходит во внешние слои, где окончательно покидает звезду в форме электромагнитных волн. Если размеры звезды увеличатся, то давление и температура в центре уменьшится, интенсивность термоядерного синтеза ослабнет и объем звезды вернется к прежнему значению. Уменьшение размера звезды приводит к усилению ядерных реакций, в результате звезда разогревается и объем восстанавливается. В целом имеется механическое и тепловое равновесие, при этом звезды являются устойчивыми саморегулирующими системами.

Переменность звезд имеет внутренние причины, связанные с определенными стадиями их эволюции, прежде всего с рождением и гибелью звезд. Причины нестационарности могут быть внешними. Эволюция звезд, входящих в состав тесных двойных систем, оказывается качественно отличной от жизни одиночных звезд. Отличительной чертой тесных двойных систем является перетекание вещества с одной звезды на другую, что в конечном счете является причиной быстрых и сильных изменений светимости этих объектов, в частности, вспышек новых звезд.

Звездные системы. Солнце и ближайшие звезды составляют лишь ничтожную часть гигантской системы звезд и других объектов, которую называют Галактикой — часть ее мы можем наблюдать как полосу Млечного Пути. Наша Галактика напоминает тонкий диск диаметром около 30 кпк = 30 тыс. пк. Он состоит примерно из 2.1011 разнообразных звезд, около 10% вещества находится в форме межзвездного газа и пыли, а относительно стационарное состояние системы обеспечивается ее вращением. Примерно половина звезд входит в состав кратных систем, прежде всего двойных. Часть звезд образуют рассеянные и шаровые звездные скопления. Важной структурной особенностью Галактики является спиральный узор. Наше Солнце находится на периферии Галактики на расстоянии примерно 8,5 кпк от галактического центра и вращается вокруг него вместе с окружающим веществом со скоростью приблизительно 220 км/с.

Структура Галактики достаточна сложна, но мы опять увеличим масштаб и посмотрим, что располагается дальше. Наша Галактика не одинока, точно также как Солнце

— рядовая типичная звезда в нашей Галактике, также наша Галактика — достаточно типичная галактика в мире галактик, хотя ее размеры превышают средние.

Последовательность Хаббла. Общее количество галактик во Вселенной сравнимо с числом звезд в нашей звездной системе. Оказалось, что все это огромное число объектов можно классифицировать, исходя из внешнего вида. Причем морфология объектов обусловлена, прежде всего размерами, внутренней структурой, эволюцией, внешим окружением галактик.

Галактики принято разделять на эллиптические (E), спиральные (S), неправильные (Ir). На рис. 3.3. изображена классификация галактик по Хабблу. Отличительной чертой является увеличение относительной доли газа и молодых звезд у различных типов галактик, расположенных правее на рисунке. Примерно у 70 % всех галактик обнаруживается спиральная структура, которая в подавляющем числе случаев является вращающимся волновым узором. Это свойство оказывается достаточно универсальным для вращающихся

72

систем.

Вблизи нашей звездной системы находится около 20 небольших карликовых галактик, крупнейшими спутниками из которых являются Большое и Малое Магелановы облака — протяженные хорошо различимые объекты Южного полушария. На расстоянии 690 кпк находится Туманность Андромеды (М 31 или NGC 224) — огромная спиральная галактика, единственная большая (содержит в 1,5 раза больше звезд, чем Галактика) система, различимая невооруженным глазом. При этом Туманность Андромеды также окружена двумя десятками мелких галактик.

Наша Галактика и Туманность Андромеды со своими спутниками и еще несколько некрупных галактик образуют, так называемую Местную группу галактик. Ближайшие соседние группы галактик располагаются уже на расстоянии более 2 Мпк и по составу похожи на ту, в которой мы живем.

Скопления и сверхскопления галактик. Оказывается, что в свою очередь галактики объединяются в еще более масштабные структуры, которые назвали скоплениями галактик. Существенно, что галактики распределены в пространстве не однородно, а объединяются в группы. Ближайшее крупное скопление галактик находится в созвездии Девы на расстоянии около 20 Мпс и состоит из 7 гигантских эллиптических галактик, 10 гигантских спиральных галактик, в том числе известная и ярчайшая по имени Сомбреро, 200 средних и крупных галактик. Типичные размеры скоплений составляют 5 Мпк. Одно из самых далеких скоплений галактик, до которого определено расстояние, находится в Волосах Вероники, до него несколько тысяч мегапарсек.

Удалось обнаружить еще более крупномасштабные образования — скопления концентрируются в сверхскопления. Кстати, скопление в Деве представляет собой, повидимому, центральное сгущение нашего Сверхскопления — наша Местная группа входит в него. Общее число галактик нашего Сверхскопления, без учета карликовых, равно приблизительно 20 тыс. Выявлено более сотни сверхскоплений, но наблюдаются скопления галактик, не входящие в сверхскопления.

Крупномасштабная структура Вселенной. Оказалось, что наиболее крупномасштабная структура Вселенной обнаруживает ячеистую (сотовую) структуру. Скопления галактик распределены не хаотически в наблюдаемой Вселенной, а неравномерно, они находятся в стенках гигантских ячеек и основные объемы Вселенной не содержат вещества (рис. 3.4).

Существование астрономических структур (молекулярных облаков, звезд, планетных систем, галактик, скоплений галактик, ячеистой структуры Вселенной) обусловлено действием гравитационного притяжения — любой объем вещества стремится сжаться, именно самогравитация приводит к неоднородности материи. Но по мере уменьшения размеров вещество разогревается, увеличивается скорость “частиц”, образующих систему. В результате, благодаря балансу двух основных факторов — гравитации и движению, существуют в течение длительных промежутков времени разнообразные астрономические системы нашего материального мира.

Иерархическая структура материального мира представляется отличительной особенностью организации вещества в нашей Вселенной.

3.6. Космологические концепции

Наука, изучающая эволюцию Вселенной в целом, называется космологией, в отличие от космогонии, которая рассматривает возникновение звезд и планетных систем. Идеи Эйнштейна об искривлении пространства тяготеющими массами коренным образом изменили наши представлении о строении Вселенной. Дело в том, что пространство с кривизной, в отличии от Евклидова пространства, может быть конечным, но безграничным. Хотя трехмерное пространство с такими свойствами представить себе очень сложно, с двумерным аналогом мы все хорошо знакомы — это поверхность сферы. Особенностью конечного пространства является возможность вернуться в исходную точку, двигаясь в одном

73

и том же направлении. Отметим, что роль прямой линии на поверхности сферы играет дуга большого круга, являющаяся в данном случае геодезической линией. В рамках этих представлений конечная Вселенная столь же естественна, как и бесконечная Вселенная в рамках представлений Ньютона.

Исследование уравнений общей теории относительности, проведенное А.А. Фридманом (1888–1925) в 1922 году показало, что Вселенная не может быть стационарной. Существует лишь две возможности: она либо расширяется, либо сжимается. Ответить на вопрос, как же ведет себя Вселенная в действительности, могли только данные наблюдений. И такие данные появились очень скоро.

Излучение, которое приходит к нам от любых галактик, где бы они не находились, оказывается смещенным в красную область спектра. В соответствии с эффектом Допплера можно предположить, что галактики разлетаются друг от друга, поэтому и набдюдается красное смещение излучения галактик. Уже в 1929 году, проанализировав данные наблюдений большого числа галактик, Э.П. Хаббл (1889–1953) установил закон: чем дальше находится от нас галактика, тем быстрее она удаляется. Этот закон может быть выражен очень простой формулой

V = r H ,

где V, r, H — соответственно скорость удаления галактики от нас, расстояние до нее и постоянная Хаббла.

Из закона разбегания Хаббла, конечно, не следует, что наша галактика является центром мира, а все остальные удаляются от нее. Согласно современным представлениям наша галактика ничем не выделена, поэтому точно такую же картину разбегания должен видеть наблюдатель из любой другой галактики. Другими словами, все галактики должны удаляться друг о друга. Наглядной моделью такого разбегания может служить надуваемый резиновый шарик с нанесенными на его поверхности точками, моделирующими галактики: при надувании все точки будут удаляться друг от друга в точном соответствии с законом Хаббла. Происходит глобальное расширение Вселенной, все различные ее части удаляются друг от друга.

Таким образом, было получено убедительное свидетельство в пользу того, что в природе реализовано решение Фридмана, соответствующее расширяющейся Вселенной. В связи с этим возникают два важнейших вопроса, во-первых, какова была Вселенная в прошлом, и, во-вторых, что с ней произойдет в будущем. Из имеющихся в настоящее время данных вытекает фундаментальный вывод относительно существования момента времени в прошлом, когда Вселенная была сосредоточена в “точке” — сингулярности. Более того, зная постоянную Хаббла, можно вычислить возраст Вселенной. При H = 75 км/(с.Мпс) получаем

ограничение to ≤ 1/H ≈ 15 млрд лет. Возраст Вселенной подтверждается астрономическими наблюдениями различных объектов в Галактике — не обнаружено звезд старше 13 млрд лет, что дает нам возраст Галактики.

В состоянии ли современная наука, опираясь на данные наблюдений, относящиеся к настоящему моменту времени, написать сценарий рождения и эволюции Вселенной? Да, такой сценарий написан и известен под названием космологии Большого Взрыва. Почему Вселенная начала расширяться? На этот вопрос нет удовлетворительного ответа. Но современная физика позволяет проследить эволюцию Вселенной, начиная с очень ранних ее этапов. Согласно современным космологическим моделям, на раннем этапе развития Вселенная была очень горячей, а плотность материи была чрезвычайно высокой. Через

промежуток времени t ≈ 10–10 c, после момента Большого Взрыва, вещество Вселенной состояло из свободных кварков, антикварков, лептонов и фотонов (рис. 3.5). Дальнейшее расширение Вселенной сопровождалось понижением ее температуры и кварки начали объединяться, образовав адроны. Процесс объединения кварков заканчивается к моменту времени с. С этого момента времени кварки существуют только в связанном состоянии, начинается так называемая адронная эра. Вещество ранней Вселенной состояло из примерно одинакового числа частиц и античастиц, поэтому к исходу первой секунды, когда

74

температура значительно понизилась, начался процесс аннигиляции частиц и античастиц, приведший к тому, что почти все вещество превратилось в излучение. В результате этого процесса отношение числа фотонов к числу частиц вещества, барионов, оказалось очень большим. На один барион приходился примерно миллиард фотонов. Это отношение сохранилось до настоящего времени и представляет собой фундаментальную постоянную современной космологии. В процессе дальнейшего расширения Вселенной температура фотонного газа падала и к настоящему моменту времени достигла значения примерно равного 3 К. Это излучение называется реликтовым. Существование этого излучение было предсказано в 1948 году Г.А. Гамовым (1904–1968) и затем, только в 1965 году экспериментально обнаружено американскими радиоастрономами А. Пензиасом и Р. Вильсоном. Максимум такого излучения приходится на сантиметровые волны и в тысячи раз более интенсивно в данном диапазоне, чем излучение звезд и галактик. Теоретическое предсказание и последующее экспериментальное открытие реликтового излучения является одним из наиболее ярких подтверждений гипотезы Большого Взрыва.

Приблизительно через 100 секунд после взрыва, температура Вселенной понизилась

до значений T ≈ 109 К. При таких температурах начинается процесс объединения барионов, в результате которого образуются ядра гелия. Это, так называемый первичный нуклеосинтез прекратился, вследствие падения температуры, к моменту времени, когда на часах Вселенной было 3 минуты. В рамках данной модели можно рассчитать, каким должно быть отношение элементов, установившееся после первичного нуклеосинтеза. Расчеты показывают, что отношение числа ядер гелия к числу ядер водорода должно быть 1:3. Более тяжелые ядра тоже синтезировались, но в совершенно незначительных количествах. Таким образом, вещество Вселенной в эпоху первичного нуклеосинтеза практически полностью состояло из водорода и гелия. Эти теоретические предсказания теории Большого Взрыва также прекрасно подтверждаются прямыми измерениями современного содержания этих элементов у наиболее старых объектов Галактики.

Следующая эпоха наступила, когда температура понизилась настолько, что стали возможными процессы рекомбинации электронов и ядер — процесс образования нейтральных атомов. Этот процесс продолжался приблизительно 700 тысяч лет и завершился, когда возраст Вселенной был около одного миллиона лет. После этой, довольно бурной стадии, начальный этап эволюции Вселенной завершается и переходит в рутинный процесс расширения, который мы и наблюдаем сейчас, спустя 15 миллиардов лет от момента Большого Взрыва. В ходе этого расширения, неоднородности в плотности материи развились в структуры, которые реализовались в форме галактик, последние в свою очередь сгустились, образовав скопления галактик, что проявляется в ячеистой структуре Вселенной. В галактиках рождались звезды, в недрах которых реализовывались условия для синтеза гелия и более тяжелых ядер. Звезды взрывались и из их останков образовывались планеты. В результате этой эволюции образовалась Солнечная система, Земля и мы, ее обитатели.

Вопрос, что будет со Вселенной, остается открытым, пока нет однозначного ответа. Дело в том, что этот ответ зависит от значения средней массовой плотности материи во

Вселенной. Если это значение меньше критического значения ρcrit = 3H2/ 8πG ≈ 10–29 г/см3, то Вселенная будет продолжать расширяться бесконечно долго — модель открытой Вселенной,

в противном же случае, этап расширения сменится этапом сжатия — модель закрытой Вселенной (см. рис. 3.6).

Другими словами, реализация того или иного сценария определяется полной массой Вселенной M. В настоящее время наука не может уверенно ответить на вопрос о будущем Вселенной. Масса видимого вещества близка, но не превосходит критическое значение M < Mcrit. Однако имеется, так называемая, проблема скрытой массы. Дело в том, что движение самих галактик и вещества в галактиках свидетельствует о существовании значительной невидимой массы. Это скрытое пока еще от астрономов вещество оказывается достаточным для реализации концепции закрытой Вселенной.

Чрезвычайно поучительно, что построение космологических моделей возможно

75

только на основе синтеза с достижениями микрофизики — физики элементарных частиц. Несмотря на множество свидетельств в пользу справедливости модели Большого Взрыва, вопрос о ее научной достоверности в деталях все еще окончательно не снят. Связано это с тем, что не может быть полной уверенности в выводах, полученных на границе человеческих знаний, с применением смелых экстраполяций. В общих же чертах теория Большого Взрыва представляется вполне справедливой, и несомненно представляет собой наилучшую из имеющихся в настоящее время гипотез. Даже при поверхностном знакомстве с этой теорией становится ясно, что панорама, которую она открывает, грандиозная и несомненно захватывающая.

3.7. Концепции звездной и планетной космогонии

Для того, чтобы понять, как могла возникнуть Солнечная система и другие планетные системы, нужно обратиться к современным представлениям о строении галактик. Особенностью современных космогонических идей является положение о практически одновременном формирование и центральной звезды, и планетной системы в рамках единого эволюционного процесса.

Межзвездное пространство заполнено газом, хотя и очень малой плотности. Эта межзвездная среда имеет весьма неравномерное распределение плотности, в ней имеются области с повышенной плотностью, так называемые газо-пылевые облака. Эти облака огромны по размерам и имеют массу в тысячи и даже миллионы раз, превышающую массу Солнца. Расчеты показывают, что если в таком облаке возникнет достаточно большая флуктуация плотности, то оно начнет сжиматься. В процессе сжатия облако может распасться на отдельные фрагменты, которые в дальнейшем будут эволюционировать независимо.

Процесс сжатия идет под действием сил гравитации, эти силы совершают работу, вследствие чего выделяется тепловая энергия, но на начальном этапе сжатие не сопровождается нагреванием, так как выделяющаяся энергия уносится излучением за пределы облака. С ростом плотности все меньшая часть излучения покидает облако и наступает момент, когда оно начинает нагреваться. Дальнейшее сжатие сопровождается увеличением температуры, особенно в центральной части облака. Когда в облаке температура достигнет нескольких миллионов градусов, начинаются термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Это можно считать моментом рождения новой звезды. После этого звезда стабилизируется на продолжительное время, пока весь водород не выгорит. Например, для звезд с массой порядка массы Солнца горение водорода продолжается примерно 10 миллиардов лет.

Хотя, в силу огромных временных масштабов космических процессов, мы не в состоянии проследить за эволюцией отдельного облака или протозвезды, об этой эволюции известно очень много. Дело в том, что в Галактике имеется огромное количество таких объектов, находящихся на разных ступенях эволюции. Это, фактически, позволяет наблюдать длительный процесс эволюции облаков и звезд на очень непродолжительном временном интервале.

Согласно современным представлениям, из такого газо-пылевого облака родилась и Солнечная система. В результате сжатия облака в центральной его части образовалось Солнце, а периферийная, холодная часть, благодаря вращению сформировалась в дискообразную туманность, состоящую из газа и пыли. Далее в туманности появились зоны повышенной плотности. Затем в этих областях повышенной плотности неизбежно происходило слипание пылинок во все более и более крупные объекты, так называемые планетезимали. У крупных планетезималей становится заметным собственное гравитационное поле, что еще более увеличивает их рост за счет захвата мелких тел. Поэтому крупные тела росли быстрее мелких. В результате процесса укрупнения и слияния планетезималей и образовались планеты и другие объекты Солнечной системы. В основном формирование Земли и планет земной группы завершилось приблизительно 4,5 миллиарда

76

лет назад, а несколько позже закончилось образование и более далеких планет-гигантов. Объединение планетезималей сопровождалось выделением энергии. Эффективность приливного воздействия Луны и радиоактивного распада многократно превышала современный уровень. Поэтому молодая Земля имела относительно высокую температуру и ее поверхность представляла собой расплавленную магму. По мере остывания, Земля начала накапливать атмосферу, появились материки, океаны. Около 3,8 миллиардов лет назад на Земле возникла жизнь.

Таким образом, современные теории происхождения Земли исходят из “холодной” концепции образования планетных систем посредством аккреции в газо-пылевом вращающемся облаке, которая пришла на смену космогонической гипотезы Канта–Лапласа об изначально горячей и жидкой Земле.

Эволюция звезд. Природу всего разнообразия наблюдаемых звезд удается понять в рамках единого подхода. Важнейшей характеристикой звезды является масса. В первую очередь, масса родившейся из газо-пылевого облака звезды определяет и ее свойства и, самое главное, всю последующую эволюцию объекта. На рис. 3.7 показана зависимость времени жизни одиночной звезды12 ts и ее светимости от начальной массы. В течение времени ts, когда происходит медленное выгорание термоядерного топлива, прежде всего водорода, свойства звезды меняются незначительно, но в конце жизни происходят бурные катаклизмы, в результате которых звезда теряет значительную часть массы (стадия гигантов, сверхгигантов и сверхновых) и превращается в одну из трех возможных форм релятивистских компактных объектов — белый карлик, нейтронная звезда, черная дыра.

Эволюцию маломассивных звезд обсудим на примере нашего Солнца. С большой долей уверенности можно утверждать, что термоядерный синтез гелия будет продолжаться внутри Солнца еще 5 миллиардов лет. В течение этого времени звезда будет достаточно стабильной. По истечении этого времени весь водород в окрестности ядра выгорит и ядро начнет сжиматься, во внешних же слоях термоядерный синтез еще будет продолжаться. Это приведет к тому, что наружный размер Солнца начнет расти, причем настолько, что современная орбита Земли окажется внутри солнечной атмосферы. Цвет Солнца при этом станет красным. Такие звезды называют красными гигантами и их известно весьма много. Через 100 миллионов лет фаза красного гиганта закончится. Отделившаяся внешняя оболочка навсегда покинет Солнце, а его ядро, состоящее в основном из гелия, образует

белый карлик.

Итак, в случае, когда после сброса вещества масса остатка звезды M не превышает 1,5 M , то образуется белый карлик, имеющий диаметр не больше 10 тыс. км, то есть в 100 раз меньше первоначальных размеров звезды, в силу этого их светимость в 10 тыс. раз меньше солнечной. Эволюция белого карлика идет только в направлении уменьшения светимости, происходит медленное остывание. Белый карлик превращается в коричневый карлик и, наконец, совсем потухнет, так как иссякнут внутренние источники энергии — всякие процессы прекратятся.

Если бы Солнце было более массивной звездой, то его дальнейшая судьба была бы иной. В этом случае температура в центральной части звезды поднимется настолько, что начнется термоядерный синтез более тяжелых, по сравнению с водородом ядер. После того как истощатся запасы гелия, ядро начнет сжиматься далее, пока температура не возрастет настолько, что станут возможными реакции термоядерного синтеза более тяжелых ядер в результате объединения ядер углерода и кислорода и так далее, вплоть до ядер железа, объединение которых уже оказывается энергетически невыгодным. После этого ядро начинает сжиматься до размеров порядка 3–10 км в течение одной секунды. Это так называемый коллапс звезды, в результате которого образуется нейтронная звезда или черная дыра. В результате коллапса выделяется огромное количество энергии, поэтому он сопровождается сбросом внешней оболочки в окружающее космическое пространство.

12 Точнее, время нахождения звезды на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга–Рассела.

77

Внешне это выглядит как быстрое увеличение яркости звезды в миллиарды раз, поэтому получило название вспышки сверхновой.

Если масса остатка звезды лежит в пределах 1,5 M < M < 3 M , то конечной стадией эволюции является нейтронная звезда. Размеры этих объектов меньше белых карликов и составляют всего 10 км, следовательно их плотности могут превышать 10 млн тонн/см3. Нейтронные звезды13 в форме пульсаров были открыты в 1967 году и их существование явилось блестящим подтверждением ОТО А. Энштейна. Образовавшийся после коллапса объект характеризуется очень малым радиусом при огромной массе, благодаря чему создается чудовищное давление, которое так сдавливает вещество, что все ядра сливаются и теряют свою индивидуальность. Более того, протоны, объединяясь с электронами, превращаются в нейтроны. То есть, такая звезда состоит из одних нейтронов.

Если масса остатка звезды превышает 3 M , то после исчерпания значительной части термоядерного топлива и сброса верхних слоев в процессе взрыва сверхновой, не существует такой силы, которая могла бы воспрепятствовать сжатию вещества и образованию черной дыры. Этот объект получил такое название потому, что его поверхность ничто не может покинуть. Ее поле притяжения настолько сильно, что даже свет не в состоянии преодолеть его. Это значит, что черная дыра не светит, что чрезвычайно затрудняет возможность ее наблюдения. Фактически, ее можно обнаружить только по косвенным проявлениям, например, если черная дыра входит в состав двойной звездной системы, то ее присутствие проявится в движении второго компонента и благодаря процессу перетекания вещества с нормальной звезды на черную дыру (рис. 3.8).

Другим примером возможных наблюдаемых проявлений массивных черных дыр являются активные галактические ядра, в том числе квазары, для которых характерно выделение огромной энергии, превышающей энергию целой галактики, в очень маленьких центральных областях галактики размером ~ 1 пс. По причине существования лишь косвенных свидетельств, до сих пор продолжаются споры о том, присутствует ли черная дыра в том или ином космическом объекте или нет.

Концепция звездного нуклеосинтеза — глобальная химическая эволюция вещества.

Химический состав Земли включает практически все элементы периодической таблицы Д.И. Менделеева. Присутствуют тяжелые элементы и в атмосфере Солнца и других звезд. Каково их происхождение? Часть вещества звезда теряет в форме звездного ветра. Важнейшим моментом звездной эволюции является стадия быстрого расширения (взрыва14), предшествующая формированию компактного объекта. В результате значительная, во многих случаях бóльшая часть звездного вещества выбрасывается в межзвездное пространство. В будущем эта материя идет на рождение новых поколений звезд, причем доля тяжелых химических элементов оказывается увеличенной в процессе термоядерного звездного синтеза.

Звезды выступают в качестве практически единственного источника ядер, тяжелее гелия. Причем, все химические элементы тяжелее железа рождаются в ходе взрыва звезд. Вещество Земли возникло в звездах, существовавших раньше Солнца. Эти звезды, пройдя свой путь, в конце концов взорвались, обогатив межзвездную среду тяжелыми элементами. Другими словами, Солнечная система образовалась из праха предшествующих поколений звезд. Причем Солнце является звездой третьего или четвертого поколения. Звездная эволюция является необратимым процессом, в ходе которого водород и гелий превращаются в более тяжелые химические элементы.

Таким образом, в целом эволюция существенной части вещества во Вселенной идет от

13Существование нейтронных звезд предсказал еще в 1932 году Л.Д. Ландау (1908–1968).

14Одним из самых грандиозных наблюдаемых явлений природы являются вспышки сверхновых. В результате бóльшая часть массивной звезды разлетается с огромной скоростью до 10 тыс. км/с, а центральная часть звезды сжимается в нейтронную звезду или черную дыру. При взрыве сверхновой в течение нескольких десятков дней выделяется около 1046 Дж, светимость такого объекта может превышать светимость всей галактики!

78

Табл. 3.3. Первая революция в астрономии и ее последствия

достаточно разреженного газа в форме межзвездного газа или молекулярных облаков через образование звезд к холодным компактным объектам — коричневым карликам, нейтронным звездам и черным дырам, которые образно можно назвать гравитационными могилами вещества. Этот процесс является необратимым. В модели открытой Вселенной после того, как значительная часть вещества галактик перейдет в компактные объекты, исчезнут условия для рождения новых звезд — глобальная эволюция прекратится (рис. 3.9).

Понимание звездной эволюции, выявление основных этапов этого многопланового и сложного процесса стало возможным только после построения теории ядерных превращений, физики элементарных частиц, привлечения СТО и ОТО. В свою очередь астрофизические исследования послужили стимулом для развития многих областей физики. Астрономия позволяет наблюдать все основные стадии прохождения звезд на пути от их рождения до смерти.

Научные революции в астрономии

Первая революция в астрономии связана прежде всего с великими именами Николая Коперника (1473–1543) и Галилео Галилея (1564–1642). Ее важнейшим итогом явилось установление гелиоцентрической системы и изобретение телескопа. В результате за последующие три столетия были совершены важнейшие открытия на пути познания Природы (табл. 3.3).

Во второй половине 40-х годов XX в. начался новый бурный этап развития астрономии. Вторая революция в астрономических науках напрямую связана с научнотехнической революцией. В ее основе лежат достижения электроники, вычислительной техники и космонавтики. Произошло внедрение в астрономию методов теоретической и экспериментальной физики. В результате к началу 70-х годов астрономия стала всеволновой (см. § 3.5).

79

3.8. Антропные аргументы

Современное состояние Вселенной явилось результатом ее эволюции. Сама же эволюция была, как нам представляется, предопределена физическими законами и значениями фундаментальных физических констант, таких как постоянная Планка, заряд электрона, скорость света, масса электрона, протона и так далее. Значения этих констант нам известны из опыта и представляются независимыми. Мы однако не знаем, чем определяются эти величины, поэтому кажется, что они могли бы иметь и другие значения. В связи с этим возникает желание посмотреть, а что было бы, если бы эти константы оказались другими?

Здесь обнаружился весьма неожиданный результат. Практически при любом другом наборе этих констант во Вселенной не смогла бы возникнуть жизнь. Например, если бы постоянная Планка была всего на 15 % больше своего настоящего значения, то протон не смог бы объединяться с нейтроном, а следовательно, не существовало бы ядер кроме протона, нуклеосинтез был бы невозможен, звезды бы не светили и жизнь в известной нам форме не могла бы возникнуть. Аналогичная ситуация возникла бы и при увеличении массы протона на 30 %. Если бы постоянная Планка или масса протона оказались меньше нынешних их значений всего на 10 %, то было бы устойчивым ядро гелия, состоящее из двух протонов. В результате весь водород бы выгорел на ранних этапах эволюции Вселенной, что также изменило бы ее облик до неузнаваемости. Именно существующие значения физических констант делают неустойчивыми ядра с атомными весами 5 и 8, благодаря чему первичный нуклеосинтез прервался на гелии. Как результат возникла водородно-гелиевая Вселенная. Синтез большинства элементов в звездах оказывается невозможным, если бы у ядра углерода не было возбужденного состояния с энергией очень близкой к энергии трех ядер гелия. Перечень подобных совпадений можно продолжить. Совокупность таких совпадений получила название тонкой подстройки Вселенной. Таким образом оказалось, что только при наличии тонкой подстройки Вселенная в ходе своего развития может создавать элементы нарастающей сложности, структуры с возрастающем уровнем упорядоченности. Наконец достигается такой уровень развития, что появляется “наблюдатель”.

Если предположить, что значения физических постоянных “выбирались” случайно, то попадание каждой константы в отдельности в нужную область оказывается очень маловероятным, а попадание всех вместе представляется вовсе невероятным. Другими словами, обоснование тонкой подстройки с опорой на ее случайность весьма затруднительно. В связи с этим был выдвинут антропный принцип. Имеется два его варианта. Слабый антропный принцип утверждает: то, что мы предполагаем наблюдать, должно удовлетворять условиям, необходимым для присутствия человека в качестве наблюдателя. Другими словами, раз человек существует, то он увидит только такой мир, в котором возможно его появление, другого просто не дано. Сильный антропный принцип — Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некоторой стадии эволюции мог существовать наблюдатель. В этой формулировке, если придерживаться позиций стохастичности природных процессов, фактически предполагается существование множества вселенных со случайными значениями физических постоянных. Тогда среди вселенных могут встретиться и такие, в которых значения физических постоянных удовлетворяют условиям тонкой подстройки.

Существуют и более радикальные интерпретации отмеченных результатов. Можно исходить из предположения, что тонкая подстройка была заложена изначально, поэтому дальнейшее развитие Вселенной в основном предопределено, в том числе и появление наблюдателя. Возможно появление разума не только было изначально запланировано, но и имеет определенное предназначение, которое должно проявиться в дальнейшем процессе развития. Хотя такие рассуждения не противоречат никаким имеющимся данным о Вселенной, они и не имеют под собой доказательной базы, кроме того они не совсем вписываются в систему современного естествознания, поэтому отвергаются многими специалистами.

80