Astronet > Problemy sovremennoi astrofiziki

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Problemy sovremennoi astrofiziki

V.V.ZhELEZNYaKOV

Nizhegorodskii gosudarstvennyi universitetim. N.I. Lobachevskogo

Osnovnye problemy sovremennoi astrofiziki svyazany s issledovaniem svoistv materii (veshestva i izlucheniya) v ekstremal'nyh usloviyah, ne dostizhimyh v zemnyh laboratoriyah: pri vysokih plotnostyah i temperaturah, v sil'nyh magnitnyh i gravitacionnyh polyah. V kachestve primerov kratko opisany kosmologicheskaya problema, problema kosmicheskih gamma-vspleskov.

Vvedenie

Predmetom astrofiziki yavlyaetsya issledovanie fizicheskih processov vo Vselennoi. Pri etom, za redkim isklyucheniem Luny, planet i nekotoryh malyh tel Solnechnoi sistemy, dostupnyh pryamym issledovaniyam sredstvami sovremennoi kosmonavtiki, osnovnym istochnikom informacii ob udalennyh kosmicheskih ob'ektah po-prezhnemu sluzhit prihodyashee ot nih elektromagnitnoe izluchenie. Poetomu zadachei astrofiziki yavlyaetsya postroenie modelei, kotorye mogut ob'yasnit' poyavlenie izlucheniya razlichnyh kosmicheskih ob'ektov s nablyudaemym harakteristikami: intensivnost'yu, spektrom, polyarizaciei, vremennym profilem i t.d. Estestvenno, pri reshenii etoi zadachi uchenye-astrofiziki ishodyat iz izvestnoi kartiny fizicheskih processov i zakonov, kotorye mogut realizovat'sya ili proyavit'sya v teh ili inyh usloviyah, kotorye opredelyayutsya, v osnovnom, velichinoi temperatury i plotnosti veshestva, nalichiem magnitnogo polya i ego velichinoi, vozmozhnym vliyaniem sil tyagoteniya.

Sovremennaya astrofizika sformirovalas' posle vtoroi mirovoi voiny. S tochki zreniya nablyudenii, ee osnovnaya cherta - rasshirenie spektral'nogo diapazona issleduemogo izlucheniya. Dovoennaya astrofizika ispol'zovala lish' rezul'taty astronomicheskih nablyudenii v vidimom svete - sravnitel'no uzkoi polose spektra elektromagnitnyh voln. Yasno, chto pri etom v centre vnimaniya okazyvalis' prezhde vsego te ob'ekty vo Vselennoi, kotorye izluchayut v osnovnom vidimyi svet - zvezdy, tumannosti, galaktiki. Teoriya ih izlucheniya byla postroena na osnovanii znanii, poluchennyh v zemnyh laboratoriyah. V nastoyashee vremya v astronomii ispol'zuyutsya prakticheski vse diapazony, ot radiovoln do gamma-izlucheniya. Prevrashenie astronomii vo vsevolnovuyu obogatilo znaniya ob izvestnyh ob'ektah i, chto gorazdo vazhnee, privelo k otkrytiyu novyh ob'ektov, pozvolilo zaregistrirovat' izluchenie iz takih oblastei, gde materiya (to est' veshestvo i izluchenie) nahodyatsya v tak nazyvaemyh ekstremal'nyh (predel'nyh) usloviyah. Etot termin obychno ispol'zuetsya, chtoby podcherknut', chto te ili inye usloviya prakticheski nevozmozhno realizovat' v laboratoriyah na Zemle. V etih usloviyah materiya neredko priobretaet novye fizicheskie svoistva. V kachestve primerov ekstremal'nyh astrofizicheskih uslovii mozhno ukazat' vysokie plotnosti veshestva, realizuyushiesya na pervyh etapah razvitiya Vselennoi, v nedrah neitronnyh zvezd i v blizhaishih okrestnostyah chernyh dyr; sil'nye gravitacionnye polya v okrestnostyah chernyh dyr; sil'nye magnitnye polya belyh karlikov i neitronnyh zvezd. Imenno v oblasti issledovaniya ob'ektov, v kotoryh realizuyutsya te ili inye ekstremal'nye usloviya, po nashemu mneniyu, sosredotocheny osnovnye problemy sovremennoi astrofiziki.

Podcherknem, chto pri nyneshnem urovne razvitiya zemnoi tehniki makroskopicheskie svoistva materii v ekstremal'nyh usloviyah mozhno issledovat', tol'ko nablyudaya astrofizicheskie ob'ekty, v kotoryh eti usloviya realizuyutsya. V etom smysle mozhno smelo utverzhdat': sovremennaya astrofizika - eto perednii krai nauki, i ona issleduet naibolee fundamental'nye yavleniya i processy, ne dostupnye poka "zemnoi" fizike. Naprimer, dazhe rekordnye dlya sovremennoi nauki i tehniki magnitnye polya, poluchennye v laboratoriyah, v desyatki raz men'she, chem polya magnitnyh belyh karlikov (10⁷ - 10⁹ E), i v sotni tysyach raz men'she magnitnyh polei neitronnyh zvezd (do 10¹² E i bolee). Primer "ekzoticheskih" effektov v ekstremal'nyh astrofizicheskih usloviyah - namagnichivanie vakuuma sverhsil'nym magnitnym polem. V polyah, blizkih k kriticheskomu B_sr = 4 $\cdot$ 10¹³ E, vakuum stanovitsya pohozhim na anizotropnyi kristall. Pokazatel' prelomleniya takoi "sredy" zavisit ne tol'ko ot napravleniya rasprostraneniya izlucheniya, no i ot ego polyarizacii (effekt dvulucheprelomleniya).

Nizhe my kratko rassmotrim lish' tri primera ob'ektov, gde realizuyutsya ekstremal'nye astrofizicheskie usloviya: Vselennuyu na nachal'nyh stadiyah ee razvitiya, kosmicheskie gamma-vspleski, a takzhe nedavno otkrytye "mikrokvazary" v nashei Galaktike. Privedennyi v konce stat'i spisok literatury vklyuchaet kak knigi [1]-[4], gde mozhno naiti obshuyu informaciyu ob ob'ektah s ekstremal'nymi usloviyami, tak i bolee special'nuyu literaturu po obsuzhdavshimsya voprosam (razdel 2 - [3],[4], razdel 3 - [5],[6], razdel 4 - [7]-[9]). K sozhaleniyu, poslednie rezul'taty po gamma-vspleskam i "mikrokvazaram" prakticheski ne obsuzhdalis' v nauchno-populyarnoi literature, tak chto poka nevozmozhno ukazat' bolee dostupnye istochniki informacii.

Kosmologicheskaya problema

V kosmologii osnovnye problemy, po nashemu mneniyu, sostoyat v vybore modeli razvitiya Vselennoi (otkrytoi s neogranichennym kosmologicheskim rasshireniem ili zakrytoi, v kotoroi pervonachal'noe rasshirenie iz sverhplotnogo sostoyaniya smenitsya posleduyushim szhatiem) i v vyyasnenii scenariya pervonachal'nogo rasshireniya Vselennoi posle momenta Bol'shogo Vzryva.

Sovremennyi temp rasshireniya Vselennoi opredelyaetsya tak nazyvaemoi postoyannoi Habbla H = 50 - 100 (km/c)/Mpk. Vsledstvie kosmologicheskogo rasshireniya lyubye dva ob'ekta, nahodyashiesya na rasstoyanii r, udalyayutsya drug ot druga so skorost'yu $\upsilon$ = Hr (eta formula spravedliva lish' dlya nerelyativistskih skorostei $\upsilon$ = Hr $\ll$ c, gde c - skorost' sveta). Dinamika rasshireniya ob'ektov, udalennyh ot nas na nekotoroe rasstoyanie r, opredelyaetsya gravitacionnym vozdeistviem so storony veshestva, nahodyashegosya vnutri sfery radiusa r. Poskol'ku, soglasno dannym astronomicheskih nablyudenii, raspredelenie veshestva na bol'shih masshtabah ves'ma odnorodno, to mozhno schitat' ego plotnost' $\rho$ postoyannoi. Sootvetstvuyushee gravitacionnoe uskorenie

$g_{r}=\frac{4\pi r^{2}G\rho}{3}$

a vtoraya kosmicheskaya skorost'

$\upsilon_{r}=\left(\frac{8\pi r^{2}G\rho}{3}\right)^{1/2}\,,$

gde G - gravitacionnaya postoyannaya. Model' otkrytoi Vselennoi realizuetsya, esli skorost' kosmologicheskogo rasshireniya prevyshaet $\upsilon_{r}$ . V protivnom sluchae $\upsilon$ = Hr < $\upsilon_{r}$ Vselennaya yavlyaetsya zakrytoi.

Iz privedennyh uslovii yasno, chto scenarii razvitiya Vselennoi zavisit ot srednei plotnosti veshestva v sovremennuyu epohu. Otkrytaya model' sootvetstvuet $\rho < \rho_{cr} = 3H^{2} / (8\pi G)$ , obratnoe neravenstvo spravedlivo dlya zakrytoi modeli. Po sovremennym dannym, kriticheskaya plotnost' veshestva $\rho_{cr}$ = 5 $\cdot$ 10^{- 30} g $\cdot$ sm^{- 3}. Primerno takoe zhe znachenie dayut ocenki plotnosti veshestva vo Vselennoi. Takim obrazom, pri dostignutoi tochnosti opredeleniya $\rho$ i $\rho_{cr}$ nel'zya sdelat' vybor mezhdu dvumya modelyami. Pri etom, odnako, sleduet imet' v vidu, chto velichina srednei plotnosti veshestva vo Vselennoi mozhet ne uchityvat' vklad kakoi-libo komponenty. Naprimer, esli podtverdyatsya eksperimenty po izmereniyu massy pokoya neitrino $m_{\nu}$ (soglasno etim izmereniyam, $m_{\nu}c^{2}\approx$ 30 eV), to mozhno budet odnoznachno sdelat' vybor v pol'zu zakrytoi modeli. Deistvitel'no, obilie takih neitrino sushestvenno uvelichit srednyuyu plotnost' Vselennoi.

Nezavisimo ot konkretnoi shemy evolyucii schitaetsya, chto spravedliva tak nazyvaemaya model' goryachei Vselennoi, kogda temperatura T i plotnost' veshestva na nachal'nyh stadiyah rasshireniya byli ves'ma veliki. Pervichnoe veshestvo bylo polnost'yu ionizovano, i dlina svobodnogo probega izlucheniya v eto vremya byla mala po sravneniyu s harakternym razmerom Vselennoi. Vsledstvie etogo veshestvo i izluchenie nahodilis' v sostoyanii termodinamicheskogo ravnovesiya, pri kotorom spektr izlucheniya opisyvaetsya formuloi Planka i imeet maksimum na chastote $\omega \approx 2,8kT/\hbar$ , gde $\hbar$ - postoyannaya Planka. Po mere rasshireniya temperatura veshestva i izlucheniya umen'shalas', i primerno cherez million let posle Bol'shogo Vzryva, pri $T\approx 5 \cdot$ 10³ K, nachalas' rekombinaciya ionov i elektronov s obrazovaniem neitral'nyh atomov. Tak kak neitral'noe veshestvo vzaimodeistvuet s izlucheniem gorazdo slabee, chem polnost'yu ionizovannoe, dlina probega kvantov etogo "reliktovogo" (ostatochnogo) izlucheniya prevysila razmery Vselennoi. Nachinaya s "epohi rekombinacii", reliktovoe izluchenie i veshestvo evolyucioniruyut nezavisimo. Effekt Doplera v rasshiryayusheisya Vselennoi privodit k umen'sheniyu nablyudaemoi chastoty reliktovogo izlucheniya i, sootvetstvenno, temperatury, opredelyayushei formu ego spektra. V nastoyashee vremya temperatura reliktovogo izlucheniya sostavlyaet 2,7 K i nablyudaetsya ono v vide radiovoln santimetrovogo i millimetrovogo diapazonov. Neobhodimo podcherknut': reliktovoe izluchenie - edinstvennyi pryamoi istochnik informacii o strukture Vselennoi v epohu rekombinacii, 10 - 12 milliardov let nazad. V chastnosti, stepen' ego izotropii odnoznachno svyazana so stepen'yu odnorodnosti veshestva v epohu rekombinacii. Nablyudaemuyu v sovremennuyu epohu chrezvychaino vysokuyu stepen' izotropii reliktovogo izlucheniya mozhno ob'yasnit' lish' v ramkah inflyacionnoi (razduvayusheisya) modeli rannei Vselennoi, kogda schitaetsya, chto pervonachal'noe rasshirenie proishodilo po eksponencial'nomu zakonu $r\propto\exp(Ht)$ . Vo vremya inflyacionnoi stadii byla podavlena gravitacionnaya neustoichivost', privodyashaya k formirovaniyu neodnorodnostei, a takzhe sglazhivalis' pervichnye neodnorodnosti, esli takovye sushestvovali.

Kosmicheskie gamma-vspleski

Kosmicheskie gamma-vspleski otnosyatsya k naibolee zagadochnym astronomicheskim yavleniyam, otkrytym v poslednie 25 let, i do sih por vyzyvayut ozhivlennyi interes uchenyh.

Gamma-vspleski byli otkryty sluchaino amerikanskimi sputnikami serii Vela, prednaznachennymi dlya obnaruzheniya nazemnyh yadernyh vzryvov. K nastoyashemu vremeni razlichnymi kosmicheskimi apparatami zaregistrirovano okolo 1500 vspleskov. Oni predstavlyayut soboi impul'sy gamma-izlucheniya (energii kvantov ot neskol'kih desyatkov kiloelektrovol't do neskol'kih megaelektrovol't) dlitel'nost'yu ot desyatkov millisekund do neskol'kih minut. Raspredelenie gamma-vspleskov po dlitel'nosti pokazyvaet chetkii maksimum na 10 - 20 s i menee vyrazhennyi na 0,2 s.

Vremennye istorii vspleskov otlichayutsya chrezvychainym raznoobraziem (ris. 1).

Ris. 1. Vremennye profili gamma-vspleskov: zavisimost' srednei chastoty registracii fotonov N ot vremeni t - t₀ posle nachala vspleska [5].

Obsheprinyatoi ih klassifikacii poka ne sushestvuet. Ves'ma uproshenno mozhno razdelit' vspleski na dve bol'shie gruppy: vspleski otnositel'no prostoi formy s plavnym profilem (inogda sostoyashie vsego iz odnogo prostogo impul'sa) i sobytiya so slozhnoi vremennoi strukturoi. Inogda otdel'nye piki v predelah vspleska sleduyut pochti periodicheski, hotya strogo regulyarnaya periodichnost', za edinichnymi isklyucheniyami, v profilyah vspleskov otsutstvuet. Intensivnost' izlucheniya vo vremya gamma-vspleska mozhet sil'no i bystro menyat'sya. Minimal'noe vremya peremennosti izlucheniya vspleskov sostavlyaet $\Delta t\leq$ 0,2 ms. Eto pozvolyaet ocenit' maksimal'nyi razmer izluchayushego ob'ekta kak $\Delta r\leq c\Delta t\approx$ 60 km. Uzhe takaya ocenka pokazyvaet, chto istochnikami vspleskov mogut byt' lish' kompaktnye ob'ekty (naprimer, chernye dyry ili neitronnye zvezdy). Vpolne vozmozhno, chto nablyudaemoe raznoobrazie dlitel'nostei i profilei vspleskov ukazyvaet na raznoobrazie prirody ih istochnikov i mehanizmov generacii.

Gamma-vspleski nablyudayutsya dovol'no chasto, v srednem odin raz v 20 - 30 chasov, odnako nevozmozhno zaranee uznat', kogda i v kakoi tochke nebosvoda vsplesk proizoidet v sleduyushii raz. Za isklyucheniem treh sluchaev poka ne udalos' uvidet' povtornye vspleski iz odnogo i togo zhe mesta na nebesnoi sfere. Yasno poetomu, chto issledovat' gamma-vspleski teleskopami s uzkim polem zreniya neracional'no: slishkom mala veroyatnost', chto sleduyushii vsplesk proizoidet imenno v tom nebol'shom uchastke nebesnoi sfery, na kotoryi v dannyi moment vremeni napravlen teleskop. Dlya registracii gamma-vspleskov obychno ispol'zuyutsya detektory s polusfericheskim obzorom bez kakih-libo fokusiruyushih ili napravlyayushih elementov; ih chuvstvitel'nost' proporcional'na $s_{d}\sin\theta$ , gde $s_d$ - ploshad' vhodnogo okna detektora, a $\theta$ - ugol mezhdu ego ploskost'yu i napravleniem na istochnik. Esli razmestit' na kosmicheskom apparate neskol'ko takih priborov, orientirovannyh v raznyh napravleniyah, to mozhno ocenit' mestopolozhenie istochnika vspleska na nebesnoi sfere, sravnivaya uroven' signala v teh detektorah, kotorye etot vsplesk "vidyat". Pri etom tochnost' opredeleniya uglovyh koordinat ogranichivaetsya statisticheskimi fluktuaciyami potoka gamma-kvantov i obychno sostavlyaet 1°-5°. Takoi metod ispol'zovalsya v konce 70-h - nachale 80-h godov v eksperimentah KONUS na sovetskih mezhplanetnyh stanciyah "Venera"-11, 12, 13 i 14, gde vspleskovyi kompleks sostoyal iz 6 detektorov, raspolozhennyh po osyam pryamougol'noi sistemy koordinat. V nastoyashee vremya podobnaya shema realizovana i v eksperimente BATSE na amerikanskoi orbital'noi gamma-observatorii GRO, gde nablyudenie vspleskov vedetsya vosem'yu detektorami, ploskosti kotoryh orientirovany parallel'no granyam pravil'nogo vos'migrannika. V poslednem sluchae kazhdaya tochka neba osmatrivaetsya chetyr'mya detektorami. Bolee tochnoe opredelenie uglovyh koordinat istochnikov vspleskov mozhet dat' ih odnovremennoe nablyudenie neskol'kimi (ne menee chem tremya) kosmicheskimi apparatami, nahodyashimisya na bol'shom (naprimer, mezhplanetnom) rasstoyanii drug ot druga. Esli izvestny momenty nachala vspleska na kazhdom iz kosmicheskih apparatov, to po raznosti etih vremen mozhno opredelit' napravlenie na istochnik. Tochnost' dannogo "metoda triangulyacii" povyshaetsya pri uvelichenii rasstoyaniya mezhdu kosmicheskimi apparatami i ih chisla, a takzhe pri umen'shenii vremeni narastaniya izlucheniya vspleska (inymi slovami, vsplesk s krutym perednim frontom mozhno lokalizovat' tochnee). V naibolee blagopriyatnyh sluchayah metod triangulyacii pozvolyaet opredelit' koordinaty vspleska s tochnost'yu do 10" - 20".

Dal'neishuyu informaciyu o raspolozhenii istochnikov vspleskov mozhno poluchit' dvumya sposobami. Prezhde vsego mozhno popytat'sya obnaruzhit' istochniki vspleskov v "spokoinom" sostoyanii, to est' zaregistrirovat' v kakom-libo diapazone dlin voln izlucheniya ot togo ob'ekta, kotoryi vremya ot vremeni (ili raz v zhizni) generiruet vspyshku gamma-izlucheniya. K sozhaleniyu, mnogochislennye popytki identificirovat' gamma-vspleski so stacionarno izluchayushimi ob'ektami v radio-, infrakrasnom, opticheskom, rentgenovskom i gamma-diapazone ne uvenchalis' uspehom. Drugoi sposob - opredelit' rasstoyanie do istochnikov, sravnivaya istinnuyu i vidimuyu svetimost' vspleskov, - takzhe nevozmozhno ispol'zovat', poskol'ku neizvestna istinnaya svetimost'. V zvezdnoi astronomii etot zamknutyi krug obychno preodolevayut, predpolagaya, chto zvezdy s odinakovymi spektrami dolzhny imet' blizkuyu po velichine svetimost'. Kosvennye metody opredeleniya prostranstvennogo raspredeleniya vspleskov takzhe ispol'zuyut eto predpolozhenie. K analizu spektrov gamma-vspleskov my vernemsya neskol'ko pozzhe. Zdes' lish' zametim, chto v otlichie ot opticheskih zvezdnyh, bogatyh mnogochislennymi detalyami (linii i polosy v pogloshenii i izluchenii, skachki i t.d.), gamma-spektry vspleskov po bol'shei chasti maloinformativny. Poetomu, po sravneniyu so zvezdnoi astronomiei, predpolozhenie ob odinakovoi svetimosti gamma-vspleskov gorazdo menee obosnovano i ispol'zuetsya za neimeniem luchshego.