Astronomicheskie zadachi nachala XXI veka, ili 23 problemy Sendidzha
29.04.2003 18:50 | V. P. Reshetnikov/Priroda, Moskva

Pri smene stoletii, a uzh tem bolee tysyacheletii, vsegda hochetsya podvesti itogi i sostavit' plany na budushee. Eto spravedlivo kak dlya otdel'nyh lyudei, tak i dlya razlichnyh ih soobshestv (naprimer, professional'nyh).

Prognozirovat' razvitie nauki - delo ochen' neblagodarnoe. Kak pravilo, prognozy ne sbyvayutsya. Hrestomatiinym primerom mogut sluzhit' zayavleniya Ogyusta Konta, chto nikogda, nikakimi sposobami my ne smozhem izuchit' himicheskii sostav nebesnyh tel, chto lyuboe znanie istinnyh srednih temperatur zvezd neminuemo dolzhno byt' navsegda skryto ot nas. No cherez neskol'ko let voznik spektral'nyi analiz, pozvolivshii opredelyat' eti harakteristiki. Obsheizvestna istoriya s molodym Maksom Plankom, starshii kollega kotorogo (Filipp Zholli) ne rekomendoval emu zanimat'sya teoreticheskoi fizikoi vvidu polnoi besperspektivnosti takogo zanyatiya, poskol'ku fizika uzhe v osnovnom zakonchena

Odnako est' primery i uspeshnyh prognozov razvitiya nauki. Samyi izvestnyi iz nih, pozhalui, doklad Davida Gil'berta, prochitannyi letom 1900 g. na Mezhdunarodnom kongresse matematikov v Parizhe. V etom doklade Gil'bert sformuliroval 23 problemy *, reshenie kotoryh, po ego mneniyu, dolzhno bylo okazat' vliyanie na razvitie matematiki v XX v. Popytka Gil'berta okazalas' neobychaino plodotvornoi, chto, nesomnenno, bylo obuslovleno zamechatel'noi lichnost'yu avtora (sm. podrobnee v [1]).

* V ustnoi versii doklada Gil'bert dlya kratkosti perechislil tol'ko 10 problem iz polnogo spiska.

Fiziki i astronomy: vzglyad s raznyh storon

Drugoi ochen' interesnoi popytkoi vydelit' klyuchevye voprosy razvitiya nauki (v dannom sluchae fiziki i astrofiziki) stal spisok osobenno vazhnyh i interesnyh problem, sostavlennyi i dopolnyaemyi na protyazhenii uzhe bolee 30 let Vitaliem Lazarevichem Ginzburgom (poslednyaya versiya opublikovana v [2]). Po mneniyu Ginzburga, klyuchevye zadachi (estestvenno, menyayushiesya so vremenem) dolzhny formirovat' nekii fizicheskii minimum, s kotorym dolzhen byt' znakom kazhdyi issledovatel'. Ego spisok vklyuchaet i ryad astrofizicheskih zadach, odnako ih nemnogo (10) i oni sformulirovany v ochen' obshei forme. Problemy, vydelennye Ginzburgom, takovy:

1. Obshaya teoriya otnositel'nosti - ee eksperimental'naya proverka.

2. Gravitacionnye volny, ih detektirovanie.

3. Kosmologicheskaya problema. Inflyaciya. -chlen i kvintessenciya (temnaya energiya). Svyaz' mezhdu kosmologiei i fizikoi vysokih energii.

4. Neitronnye zvezdy i pul'sary. Sverhnovye zvezdy.

5. Chernye dyry. Kosmicheskie struny (?).

6. Kvazary i yadra galaktik. Obrazovanie galaktik.

7. Temnaya materiya (skrytaya massa) i ee detektirovanie.

8. Kosmicheskie luchi so sverhvysokoi energiei, ih proishozhdenie.

9. Gamma-vspleski. Gipernovye.

10. Neitrino v fizike i astronomii. Neitrinnye oscillyacii.

Privedennye napravleniya issledovanii, nesomnenno, fundamental'ny i ochen' aktual'ny (sm. ih podrobnoe obsuzhdenie v [2]). Odnako oni otrazhayut tochku zreniya fizika na astronomiyu. A kakie zadachi schitayut naibolee aktual'nymi sami astronomy?

Kto takie astronomy i chem oni otlichayutsya ot fizikov, opredelit' ochen' slozhno, nesomnenno tol'ko, chto eto otlichie sushestvuet *. Vozmozhno, ono sostoit v otnositel'no bol'shem vnimanii astronomov k samim ob'ektam issledovaniya (zvezdam, galaktikam, gazovym tumannostyam i t.p.), a ne tol'ko k fizicheskim processam v nih. Krome togo, astronomy gorazdo luchshe fizikov predstavlyayut real'nuyu tochnost' teh chisel i ocenok, kotorye izvlekayutsya iz nablyudenii. Deistvuya po precedentu, mozhno perefrazirovat' izvestnoe vyskazyvanie A.A. Markova o matematike i skazat', chto astronomiya - eto to, chem zanimalis' Vil'yam Gershel', Edvin Habbl, Artur Eddington i Alan Sendidzh.

* V etoi svyazi pouchitel'no prochitat' stat'yu Alekseya Filippenko [3], v kotoroi on opisyvaet istoriyu otkrytiya kosmologicheskogo uskoreniya po nablyudeniyam dalekih sverhnovyh. Eto otkrytie bylo soversheno dvumya gruppami issledovatelei, prichem odna iz grupp sostoyala preimushestvenno iz fizikov, a vtoraya - iz astronomov. Sam Filippenko, yavlyayas' professional'nym astronomom, specialistom po sverhnovym, byl priglashen rabotat' v pervyi kollektiv. Odnako cherez nekotoroe vremya on oshutil nekii diskomfort, svyazannyi s neprivychnym dlya nego stilem raboty i slishkom zhestkoi ierarhicheskoi strukturoi gruppy. Kogda pozdnee sformirovalas' konkuriruyushaya komanda astronomov, on pereshel v nee. Otkrytie bylo sdelano dvumya gruppami prakticheski odnovremenno

Voprosy Sendidzha

V 1997 g. na Kanarskih o-vah sostoyalas' neobychnaya nauchnaya konferenciya. Na nei bylo tol'ko 11 dokladchikov, no kakih! Vse oni yavlyalis' (i yavlyayutsya) po opredeleniyu organizatorov konferencii velichaishimi maestro v razlichnyh oblastyah astronomii. Primechatel'no, chto sredi nih bylo dva rossiiskih astronoma - I.D. Novikov i R.A. Syunyaev. Kazhdyi maestro prochel bol'shuyu obzornuyu lekciyu, posvyashennuyu naibolee interesnym nereshennym problemam v svoei oblasti astronomii. Tematika 11 dokladov ohvatila pochti vse razdely sovremennoi astronomii, i poetomu opublikovannye trudy etoi konferencii byli ozaglavleny Vselennaya v celom [4]. Ustroiteli konferencii, po-vidimomu, nadeyalis', chto dokladchiki (kollektivnyi Gil'bert) hotya by chastichno smogut sdelat' dlya razvitiya astronomii to, chto sdelal Gil'bert dlya matematiki pochti 100 let nazad.

Konferenciya byla otkryta dokladom Sendidzha Astronomicheskie zadachi na posleduyushie 30 let. Dokladchik v podrobnom predstavlenii ne nuzhdaetsya. On byl aspirantom Val'tera Baade, sotrudnikom Edvina Habbla, rabotal s Martinom Shvarcshil'dom. Imya Sendidzha prochno svyazano s ryadom krupneishih dostizhenii nablyudatel'noi kosmologii, s vozniknoveniem sovremennyh predstavlenii o formirovanii i evolyucii zvezd i galaktik, s sovremennoi shkaloi rasstoyanii vo Vselennoi. O chem zhe shla rech' v ego doklade?

Osoznanno imitiruya Gil'berta, Sendidzh sformuliroval 23 problemy, reshenie kotoryh, vozmozhno, budet naideno v techenie posleduyushih 30 let. Tem samym Sendidzh ushel ot popytki predskazat' novye problemy i yavleniya, a postupil bolee ostorozhno i vydelil to, chto, po ego mneniyu, skoro budet proyasneno. Eti problemy byli sgruppirovany im v tri razdela, kasayushihsya obshih svoistv galaktik, nashei Galaktiki - Mlechnogo Puti - i nablyudatel'noi kosmologii. Rassmotrim eti problemy podrobnee. (Sleduet otmetit', chto za istekshie posle doklada Sendidzha neskol'ko let voznikli novye zadachi, svyazannye, v chastnosti, s oshelomlyayushimi uspehami kosmologii, kotorye, estestvenno, ne mogli byt' vklyucheny v ego perechen'.)

Habblovskaya klassifikaciya galaktik

Pervaya gruppa zadach posvyashena znamenitoi morfologicheskoi klassifikacii galaktik, predlozhennoi Habblom v 20-h godah proshlogo veka (ris. 1). Eta klassifikaciya (ee proobraz, kstati, mozhno obnaruzhit' eshe u Gershelya, za 150 let do Habbla) delit galaktiki na ellipticheskie, spiral'nye i nepravil'nye. Ellipticheskie galaktiki v svoyu ochered' razbivayutsya na podtipy v zavisimosti ot nablyudaemoi velichiny szhatiya (splyusnutosti), a spiral'nye - po osobennostyam spiral'nyh vetvei (strukturnosti, stepeni zakruchennosti) i po sootnosheniyu svetimostei zvezdnogo diska i central'nogo zvezdnogo sgusheniya (baldzha).

Klassifikaciya Habbla voznikla kak chisto morfologicheskaya (svyazannaya s formoi) i byla osnovana na tom, kak vyglyadyat galaktiki v opticheskom diapazone. Pozdnee, odnako, vyyasnilos', chto vneshnii vid galaktik svyazan s ih fizicheskimi harakteristikami - massoi, svetimost'yu, kolichestvom atomarnogo i molekulyarnogo gaza, tipom zvezdnogo naseleniya, kolichestvom pyli, tempom rozhdeniya zvezd i t.d. Eta svyaz', konechno, nosit statisticheskii harakter, no proslezhivaetsya vpolne otchetlivo.

Sendidzh sformuliroval sleduyushie voprosy:

1. Chto privodit k vozniknoveniyu habblovskoi posledovatel'nosti: evolyuciya galaktik ili nachal'nye usloviya pri ih formirovanii?

2. Kakie parametry menyayutsya, a kakie ostayutsya neizmennymi vdol' etoi posledovatel'nosti?

3. V chem prichina razbrosa harakteristik galaktik, imeyushih odin habblovskii tip?

4. Ot chego zavisit spiral'naya struktura (rol' vrasheniya galaktik)?

5. Yavlyaetsya li nachal'nyi temp zvezdoobrazovaniya osnovnym mehanizmom, opredelyayushim tip galaktiki?

6. Kakova kosmogoniya sootnosheniya morfologiya - plotnost'?

7. V chem rol' (esli ona est') sliyanii galaktik?

8. Kakovo proishozhdenie i vozrast pyli (v chastnosti, rol' zvezd na evolyucionnoi stadii asimptoticheskoi vetvi gigantov)?

My ne budem detal'no obsuzhdat' vse eti zadachi (chastichno eto sdelal sam Sendidzh v svoem doklade). Esli ih kratko summirovat', to oni svodyatsya k sleduyushemu fundamental'nomu voprosu: kak sformirovalis' osnovnye krupnomasshtabnye harakteristiki okruzhayushih nas galaktik? Kak ni stranno, etot osnovnoi dlya vnegalakticheskoi astronomii vopros eshe ne vpolne yasen. Ran'she schitalos', chto galaktiki formiruyutsya na rannih stadiyah evolyucii Vselennoi i ih osnovnye nablyudaemye v nastoyashee vremya svoistva odnoznachno opredelyayutsya harakteristikami protoob'ekta (naprimer, polnoi massoi i uglovym momentom, opisyvayushim vrashenie).

Pozdnee eta kartina nachala zaputyvat'sya i slozhilsya al'ternativnyi scenarii: svoistva galaktik formiruyutsya v processe ih evolyucii, v hode kotoroi oni aktivno vzaimodeistvuyut so svoim okruzheniem (mezhgalakticheskoi sredoi, drugimi galaktikami). V poslednie gody poyavilis' fakty, ochen' vesomo svidetel'stvuyushie v pol'zu takogo podhoda. Naprimer, okazalos', chto dolya vzaimodeistvuyushih galaktik ochen' bystro rastet s uvelicheniem krasnogo smesheniya, t. e. pri rassmotrenii vse bolee rannih epoh v evolyucii Vselennoi [5]. Tak, kogda Vselennaya byla vdvoe molozhe, ot treti do poloviny vseh galaktik, po-vidimomu, nahodilis' v sostoyanii sil'nogo vneshnego gravitacionnogo vozmusheniya ili v processe sliyaniya s sebe podobnymi. Poetomu nesomnenno, chto vzaimodeistviya i sliyaniya (sed'maya problema Sendidzha) igrali vazhnuyu rol' pri formirovanii galaktik.

Sushestvuet dazhe tochka zreniya, chto habblovskaya posledovatel'nost' - eto posledovatel'nost' umen'sheniya (sleva napravo na ris. 1) chisla aktov sliyanii i vstryasok v istorii galaktik. K primeru, ellipticheskie galaktiki mogut formirovat'sya v processe polnogo sliyaniya spiral'nyh galaktik so sravnimymi massami. Horosho zametnye baldzhi - central'nye, pochti sfericheskie zvezdnye sgusheniya - spiral'nyh galaktik rannih tipov mogli vozniknut' pri akkrecii na chisto diskovuyu galaktiku malomassivnyh sputnikov ili zhe za schet vnutrennih processov, iniciirovannyh vneshnim vozmusheniem. Spirali pozdnih tipov (Sc, SBc na ris. 1), vozmozhno, imeyut naibolee spokoinuyu, nevozmushennuyu istoriyu.

Odin iz vazhneishih rezul'tatov poslednih let - eto zaklyuchenie, chto habblovskaya posledovatel'nost' galaktik sformirovalas' otnositel'no nedavno. Okazalos', chto 5 - 7 mlrd let nazad u spiral'nyh galaktik ochen' redko vstrechalis' takie vazhnye dlya morfologicheskoi klassifikacii Habbla strukturnye elementy, kak bary (sm. nizhnyuyu vetv' galaktik na ris. 1: bar - eto vytyanutoe obrazovanie v central'noi oblasti galaktiki *, ot koncov kotorogo obychno othodyat spiral'nye vetvi) i horosho vyrazhennye krupnomasshtabnye spiral'nye vetvi [6] (sm. izobrazheniya dalekih galaktik na ris. 2). Habblovskaya posledovatel'nost' ne starshe Solnechnoi sistemy?!

* Bar i baldzh razlichayutsya po raspredeleniyu plotnosti, sostavu zvezd, dominiruyushemu tipu ih dvizhenii i t.d.

Okonchatel'no vopros o proishozhdenii struktury okruzhayushih nas galaktik poka ne reshen. Po vsei vidimosti, i nachal'nye usloviya, i posleduyushaya evolyuciya vliyayut na harakteristiki galaktik, odnako sootnoshenie mezhdu etimi faktorami ostaetsya neyasnym. Veroyatno, ono razlichno dlya galaktik raznyh morfologicheskih tipov, mass i prostranstvennogo okruzheniya.

Zvezdnaya evolyuciya i Galaktika

Zadachi, posvyashennye strukture i proishozhdeniyu Mlechnogo Puti, summirovany vo vtoroi gruppe problem, issledovaniya po kotorym dolzhny snabdit' nas sleduyushei informaciei:

9. Raspredeleniya vozrasta, kinematiki i himicheskogo sostava dlya razlichnyh podsistem Galaktiki.

10. Kosmogoniya etih raspredelenii.

11. Posledovatel'nost' sobytii pri formirovanii Mlechnogo Puti (kak vyglyadela Galaktika na rannih stadiyah formirovaniya).

12. Sootnoshenie vozrast - metallichnost' (otnositel'noe soderzhanie tyazhelyh elementov) dlya raznyh oblastei Galaktiki.

13. Raspredelenie ob'ektov ot zvezd do kamnei po ih massam.

14. Zvezdnye podschety dlya kartografirovaniya galo i tolstogo diska.

Dannye problemy chut' bolee konkretny i uzkoprofessional'ny, chem zadachi predydushei i posleduyushih grupp. Eto i ponyatno - my nahodimsya vnutri nashei zvezdnoi sistemy, i ona dostupna nashemu izucheniyu v gorazdo bol'shih detalyah, po krainei mere blizhaishie okrestnosti Solnca. S drugoi storony, struktura Galaktiki v celom, harakteristiki ee diska, baldzha, spiral'nyh vetvei izvestny huzhe (dazhe kolichestvo vetvei do sih por vyzyvaet spory), chem u mnogih drugih galaktik. Issleduya odin listochek i nebol'shuyu chast' vetki, my pytaemsya sostavit' predstavlenie o vsem dereve!

V poslednie neskol'ko let v issledovanii Mlechnogo Puti dostignut ochen' bol'shoi progress. Eto svyazano v pervuyu ochered' s rabotoi kosmicheskih apparatov. Naprimer, observatoriya HIPPARCOS pozvolila ocenit' rasstoyaniya do soten tysyach zvezd v predelah neskol'kih soten parsek ot Solnca. Struktura blizhaishih okrestnostei Galaktiki stala gorazdo yasnee. Nablyudeniya v infrakrasnom diapazone na sputnike COBE vpervye dali predstavlenie o tom, kak vyglyadit Mlechnyi Put' v celom (ris. 3). V chastnosti, okazalos', chto central'naya oblast' Galaktiki predstavlyaet soboi vytyanutuyu strukturu (vozmozhno, bar), bol'shaya os' kotorogo vytyanuta pochti v napravlenii nashego Solnca.

Odnako odin iz samyh gromkih uspehov byl dostignut v hode nazemnyh nablyudenii. Pri issledovanii zvezd vneshnih oblastei baldzha gruppa angliiskih astronomov v 1994 g. otkryla karlikovuyu galaktiku, nahodyashuyusya prakticheski v predelah Mlechnogo Puti, na rasstoyanii 16 kpk ot ego centra [7].

Eta galaktika sil'no deformirovana prilivnym vozmusheniem Mlechnogo Puti i vytyanuta v kolossal'nuyu dugu, pochti perpendikulyarnuyu ego ploskosti. Vspomnim o sushestvovanii dvuh drugih davno izvestnyh sputnikov, Bol'shogo i Malogo Magellanovyh Oblakov, o gigantskom gazovom hvoste, soedinyayushem ih s nashei zvezdnoi sistemoi (Magellanov Potok), i my poluchim chetkuyu kartinu prodolzhayushegosya v nastoyashee vremya stroitel'stva Mlechnogo Puti.

Vselennaya: prakticheskaya kosmologiya

Nekotorye iz zadach poslednei gruppy obsudim bolee podrobno.

15. Real'nost' rasshireniya Vselennoi.

Deistvitel'no li Vselennaya rasshiryaetsya? Vopros zvuchit otchasti neozhidanno. Uzhe ne odno pokolenie issledovatelei vyroslo s predstavleniem o tom, chto my zhivem v rasshiryayusheisya Vselennoi. Rasshirenie Vselennoi sluzhit naibolee prostym ob'yasneniem tak nazyvaemogo krasnogo smesheniya spektrov vnegalakticheskih ob'ektov. Nestacionarnost' Vselennoi estestvennym obrazom voznikaet i v teoreticheskih modelyah.

Odnako, kak eto ni stranno, do nedavnego vremeni otsutstvovali pryamye, odnoznachno interpretiruemye dokazatel'stva real'nosti kosmologicheskogo rasshireniya. Sendidzh predlozhil rassmotret' tri takih nablyudatel'nyh testa.

Pervyi test (test Tolmana) sostoit v izmerenii poverhnostnyh yarkostei dalekih ob'ektov. Kak bylo pokazano eshe v 30-h godah proshlogo veka, v rasshiryayushemsya prostranstve poverhnostnaya yarkost' ob'ekta umen'shaetsya s rostom krasnogo smesheniya z kak (1+z)⁴. (Ochen' vazhno, chto v al'ternativnyh modelyah, ob'yasnyayushih nablyudaemoe krasnoe smeshenie, k primeru, ustalost'yu fotonov i t.p., predskazyvaetsya drugaya zavisimost' yarkosti ot z.) Etu proverku osushestvil sam Sendidzh. V nedavnem cikle rabot on rassmotrel ellipticheskie galaktiki v skopleniyah i nashel, chto ih nablyudaemaya poverhnostnaya yarkost' umen'shaetsya s z v sootvetstvii s tem, kak eto i dolzhno byt' dlya real'no rasshiryayusheisya Vselennoi.

Vtoroi test sostoit v izmerenii effekta zamedleniya vremeni u dalekih ob'ektov. Sut' ochen' prosta: chem dal'she ot nas nahoditsya ob'ekt v rasshiryayushemsya prostranstve, tem s bol'shei skorost'yu on ot nas udalyaetsya. Sledovatel'no, dlitel'nost' shodnyh processov vblizi nas i v dalekih oblastyah Vselennoi dolzhna byt' raznoi. Nam dolzhno kazat'sya, chto pri krasnom smeshenii z vse dlitsya v 1+z raz dol'she. Chto zhe vzyat' v kachestve takogo standartnogo processa, dlitel'nost' kotorogo mozhno izuchat' na raznyh rasstoyaniyah ot nas? Kak okazalos', dlya etoi celi luchshe vsego podhodyat krivye bleska sverhnovyh pervogo tipa (SN Ia), kotorye otlichayutsya zamechatel'nym shodstvom kak po forme, tak i po dlitel'nosti. V poslednie gody (uzhe posle obsuzhdaemogo zdes' doklada Sendidzha) byli nakopleny dannye dlya neskol'kih desyatkov dalekih sverhnovyh zvezd. Issledovanie ih krivyh bleska s horoshei tochnost'yu podtverdilo sushestvovanie ozhidaemogo vsledstvie rasshireniya Vselennoi effekta zamedleniya vremeni (naprimer, [8]).

Tretii test predpolagaet izmerenie temperatury reliktovogo izlucheniya v razlichnye epohi evolyucii Vselennoi, t. e. pri raznyh z. Standartnaya model' rasshiryayusheisya Vselennoi predskazyvaet, chto temperatura fonovogo izlucheniya dolzhna rasti s izmeneniem z proporcional'no 1+z (pryamaya liniya na ris. 4). Naprimer, pri z=3 ego temperatura dolzhna byla byt' ne 2.7 K, kak seichas (tochka pri z=0 na risunke), a okolo 11 K. No kak ocenit' temperaturu reliktovogo izlucheniya v proshlye epohi? Na pomosh' prihodit ochen' detal'noe issledovanie spektrov dalekih galaktik. Esli fonovoe izluchenie s bolee vysokoi, chem seichas, temperaturoi deistvitel'no sushestvuet, v spektrah udalennyh ob'ektov mogut poyavit'sya linii, vozbuzhdenie kotoryh bylo by nevozmozhno pri otsutstvii dopolnitel'nogo istochnika energii. Takoi podhod pozvolil v poslednie gody na osnove analiza absorbcionnyh spektrov kvazarov poluchit' pervye real'nye ocenki temperatury reliktovogo izlucheniya (sm. ris. 4; znacheniyu z=2 sootvetstvuet vozrast Vselennoi, primerno ravnyi chetverti nyneshnego, a z=3 - okolo1/7 - 1/8 ego chasti). Vse eti ocenki nahodyatsya v soglasii s model'yu goryachei rasshiryayusheisya Vselennoi.

Ris. 4. Temperatura reliktovogo izlucheniya pri raznyh krasnyh smesheniyah [9]. Treugol'nikami pokazany verhnie predely po dannym raznyh avtorov. Chernym kruzhkom pri z=3.025 izobrazhena ocenka temperatury soglasno [9]. Nepreryvnaya pryamaya - ozhidaemaya zavisimost' dlya modeli rasshiryayusheisya Vselennoi.

Takim obrazom, vse tri predlozhennyh Sendidzhem testa uzhe realizovany. V predelah oshibok izmerenii vse oni dayut nezavisimye i odnoznachnye ukazaniya na real'nost' kosmologicheskogo rasshireniya Vselennoi. Primechatel'no, chto testy byli vypolneny s ispol'zovaniem klassicheskih astronomicheskih nablyudatel'nyh metodik (izmerenie poverhnostnoi yarkosti, postroenie krivyh bleska, analiz spektrov).

16. Evolyuciya so vremenem (pervichnye galaktiki).

Poisk pervichnyh, t.e. molodyh, nahodyashihsya v processe formirovaniya galaktik v techenie dolgogo vremeni byl pohodom za svyatym Graalem dlya vnegalakticheskih astronomov. Kakie ob'ekty tol'ko ne otozhdestvlyali s protogalaktikami! Kvazary, radiogalaktiki, ul'trayarkie v infrakrasnom diapazone ob'ekty, galaktiki s nizkoi poverhnostnoi yarkost'yu I lish' v poslednie neskol'ko let podobnye ob'ekty byli, nakonec, obnaruzheny. Pomoglo obshee razvitie nablyudatel'noi tehniki, poyavlenie klassa 8 - 10-metrovyh nazemnyh teleskopov, a takzhe ispol'zovanie pri poiske prirodnyh gravitacionnyh linz - dalekih skoplenii galaktik.

Gravitacionnoe pole skopleniya mozhet usilit' izluchenie raspolozhennoi za nim galaktiki i postroit' ee iskazhennoe izobrazhenie. Obrazovannye dannym sposobom izobrazheniya chashe vsego vydelyayutsya v vide slabyh dug, okruzhayushih centr skopleniya (sm. primer na ris. 5). Spektral'noe issledovanie odnoi iz takih dug i pozvolilo obnaruzhit' samuyu dalekuyu izvestnuyu v nastoyashee vremya (leto 2002 g.) galaktiku s krasnym smesheniem z=6.56 [10].

Ob'ektov s krasnymi smesheniyami, prevyshayushimi 5, izvestno uzhe bol'she desyatka. Ih vozrast, otschityvaemyi ot nachala kosmologicheskogo rasshireniya, sostavlyaet menee 10% ot tekushego vozrasta Vselennoi, i ih v polnoi mere mozhno schitat' molodymi, formiruyushimisya galaktikami. Kak okazalos', stol' molodye galaktiki yavlyayutsya ochen' kompaktnymi (harakternyi razmer ~1 kpk), yarkimi (po vsei vidimosti, za schet ochen' intensivnogo tempa rozhdeniya novyh zvezd) i asimmetrichnymi obrazovaniyami. Izuchenie etih ob'ektov tol'ko nachinaetsya, i to, vo chto oni prevratyatsya v hode dal'neishei evolyucii, eshe ne vpolne yasno. Oni mogut predstavlyat' soboi, naprimer, formiruyushiesya central'nye oblasti (baldzhi) galaktik, vokrug kotoryh pozdnee vozniknet bolee protyazhennaya diskovaya sostavlyayushaya. Vozmozhno takzhe, chto pri z > 5 my obnaruzhili ne neposredstvennyh predkov sovremennyh galaktik, a protogalakticheskie stroitel'nye bloki, iz kotoryh v processe ierarhicheskih sliyanii v dal'neishem budut postroeny privychnye galaktiki.

17. Shkala rasstoyanii.

Shkala rasstoyanii vo Vselennoi byla odnim iz klyuchevyh napravlenii issledovanii astronomii XX v. i otchasti ostaetsya takim i seichas. Vazhneishei zadachei shkaly rasstoyanii yavlyaetsya opredelenie znacheniya postoyannoi Habbla (H₀). Znachenie H₀ harakterizuet tekushii temp rasshireniya Vselennoi i pozvolyaet nahodit' rasstoyaniya do galaktik po nablyudaemoi skorosti ih udaleniya ot nas. V techenie neskol'kih desyatiletii tochnost' ocenki H₀ byla ne luchshe 50%. Eto sozdavalo bol'shie neopredelennosti kak pri reshenii kosmologicheskih zadach, tak i pri issledovanii fizicheskih svoistv vnegalakticheskih ob'ektov.

V poslednie gody blagodarya rabote vneatmosfernyh observatorii velichinu H₀ udalos', nakonec, konkretizirovat'. Kosmicheskie nablyudeniya pozvolili vydelit' vo mnogih otnositel'no blizkih galaktikah osobyi klass yarkih zvezd - cefeidy. Cefeidy (mayaki Vselennoi) demonstriruyut zamechatel'nuyu zavisimost' mezhdu periodom kolebanii bleska i svetimost'yu. Issledovav krivye bleska cefeid, mozhno s bol'shoi tochnost'yu (~10%) naiti rasstoyaniya do nih i, sledovatel'no, do galaktik, v kotoryh oni nahodyatsya. Po zadavaemoi imi shkale rasstoyanii mozhno prokalibrovat' drugie indikatory rasstoyanii (seichas ispol'zuetsya bolee desyatka vtorichnyh indikatorov) i rasprostranit' etu shkalu na bol'shie rasstoyaniya. V rezul'tate mnogoletnei raboty mnogih grupp issledovatelei polucheno, chto znachenie H₀ blizko k 70 km/s/Mpk s oshibkoi okolo 10 km/s/Mpk.

18. Parametr zamedleniya.

Doklad o problemah astronomii Sendidzh sdelal v 1997 g., t. e. za god do otkrytiya uskoreniya kosmologicheskogo rasshireniya Vselennoi. Do etogo nablyudatel'naya kosmologiya byla, kak inogda pisali, naukoi o dvuh chislah. Odnim iz etih chisel byla uzhe upominavshayasya postoyannaya Habbla, vtorym - parametr zamedleniya, harakterizuyushii plotnost' veshestva vo Vselennoi. Eti dva chisla, kak schitalos', polnost'yu opredelyayut geometriyu i evolyuciyu Vselennoi.

V 1998 i 1999 gg. dve gruppy issledovatelei ob'yavili, chto dannye o svetimostyah dalekih sverhnovyh pervogo tipa (SN Ia) svidetel'stvuyut o sushestvovanii kosmologicheskogo uskoreniya ili, drugimi slovami, o nenulevom znachenii vvedennogo Einshteinom -chlena (istoriya otkrytiya ochen' interesno opisana v [3]). Pozdnee eto zaklyuchenie bylo podtverzhdeno nezavisimym obrazom po dannym ob anizotropii reliktovogo izlucheniya i o krupnomasshtabnom raspredelenii galaktik. Kak okazalos', my zhivem v ploskoi evklidovoi Vselennoi, osnovnoi vklad v plotnost' kotoroi (~2/3) vnosit kosmicheskii vakuum (sm. podrobnee v [11]). Vklad plotnosti obychnoi materii v sochetanii s tradicionnoi skrytoi massoi sostavlyaet lish' okolo 1/3. Malo nam tainstvennoi skrytoi massy, tak otkryto eshe nechto bolee strannoe - vakuum, temnaya energiya, global'naya antigravitaciya!

Tem samym vosemnadcataya zadacha Sendidzha v ee prosteishei formulirovke, po-vidimomu, uzhe reshena, i eto reshenie privelo k smene predstavlenii o tom, kak ustroena Vselennaya. Kak i v sluchae zadachi 15, uspeh byl dostignut tradicionnymi astronomicheskimi metodami (fotometriei i spektroskopiei SN Ia).

19. Izbytok galaktik.

Eta problema izvestna s konca 80 - nachala 90-h godov. Togda soschitali slabye galaktiki, vydelyaemye v glubokih ploshadkah (t.e. na izobrazheniyah izbrannyh oblastei neba, poluchennyh s ochen' bol'shimi ekspoziciyami, kogda vidny ochen' slabye i, estestvenno, dalekie ob'ekty). Pri vidimoi zvezdnoi velichine v cvetovoi polose B, bol'shei 20m, nablyudaemoe chislo ob'ektov prevysilo ozhidaemoe dlya modelei evolyucii galaktik, pri kotoryh ih chislo ne menyaetsya so vremenem. Primechatel'no, chto izbytok obnaruzhivaetsya tol'ko pri podschete v golubyh opticheskih fil'trah, a v blizkom infrakrasnom diapazone on pochti ne proslezhivaetsya. Poetomu problemu chasto nazyvayut problemoi izbytka slabyh golubyh galaktik.

Sushestvovanie izbytka slabyh golubyh galaktik bylo, po krainei mere chastichno, proyasneno nablyudeniyami na Kosmicheskom teleskope im. Habbla. Vysokoe uglovoe razreshenie, obespechivaemoe pri kosmicheskih nablyudeniyah, pozvolilo issledovat' morfologiyu dalekih galaktik. Okazalos', chto nablyudaemyi izbytok galaktik svyazan s morfologicheski pekulyarnymi, nepravil'nymi, slivayushimisya ob'ektami. S drugoi storony, davno izvestno, chto vzaimodeistviya i sliyaniya galaktik chasto privodyat k usileniyu tempa zvezdoobrazovaniya v nih, i cvet ih stanovitsya bolee golubym. Sledovatel'no, problema izbytka golubyh galaktik okazalas' svyazana s bystrym rostom k z ~ 1 tempa vzaimodeistvii i sliyanii mezhdu galaktikami (sm. vyshe obsuzhdenie pervoi gruppy zadach).

20. Priroda skrytoi massy.

Priroda skrytoi (temnoi) massy, ukazaniya na sushestvovanie kotoroi byli polucheny eshe v pervoi polovine proshlogo veka, vse eshe ostaetsya nevyyasnennoi. Na etu temu napisano ogromnoe kolichestvo nauchno-populyarnyh statei (sm., naprimer, [12]) i knig, vyskazano mnozhestvo predpolozhenii i gipotez.

Slozhilas' ochen' redkaya v istorii nauki situaciya. Prakticheski vse soglasny, chto skrytaya massa * est'. Ona proyavlyaet sebya na raznyh masshtabah posredstvom gravitacionnogo vliyaniya na ob'ekty, dostupnye nablyudeniyam, - zvezdy, gaz, galaktiki. Bez vezdesushei skrytoi massy ne ob'yasnit' ni ploskie protyazhennye krivye vrasheniya galaktik, ni dinamiku karlikovyh sputnikov v okrestnostyah massivnyh galaktik, ni dvizheniya galaktik v gruppah i skopleniyah, ni gravitacionnoe linzirovanie dalekimi skopleniyami, ni formirovanie krupnomasshtabnoi struktury Vselennoi, ni rentgenovskie korony skoplenii galaktik, a takzhe mnozhestvo drugih, sovershenno nezavisimyh yavlenii. No vot uzhe neskol'ko desyatiletii ee nikak ne udaetsya identificirovat'.

* Ne putat' s temnoi energiei, upominavsheisya v zadache 18!

Neizvestna dazhe forma, v kotoroi nahoditsya eta skrytaya (ot sovremennyh nablyudenii) massa. Ona mozhet byt' v vide obychnoi, barionnoi materii (zvezd nizkoi svetimosti, ostatkov zvezdnoi evolyucii, holodnogo molekulyarnogo gaza) ili v nebarionnoi forme (naprimer, neitrino, aksionov ili gipoteticheskih slabovzaimodeistvuyushih massivnyh chastic - WIMP). Vozmozhno, na raznyh masshtabah skrytaya massa imeet raznuyu prirodu. Naprimer, est' kosvennye ukazaniya na to, chto v predelah galaktik raspredelenie skrytoi massy mozhet byt' svyazano s raspredeleniem obychnogo veshestva (zvezd i gaza) i, sledovatel'no, ona skoree vsego imeet barionnuyu prirodu. Vneshnie protyazhennye korony galaktik mogut sostoyat' iz nebarionnogo veshestva. Odnako vse eto poka tol'ko predpolozheniya

Hochetsya nadeyat'sya, chto eta problema i v samom dele skoro budet reshena! Hotya nemnogo zhalko teryat' stol' intriguyushuyu zagadku.

21. Otkloneniya ot kosmologicheskogo rasshireniya.

Vselennaya rasshiryaetsya. Chem dal'she ot nas nahoditsya galaktika, tem s bol'shei skorost'yu ona udalyaetsya. Naskol'ko sushestvennymi mogut byt' otkloneniya skorostei galaktik ot regulyarnogo kosmologicheskogo rasshireniya, ot habblovskogo potoka? Eto vazhno s raznyh tochek zreniya. Naprimer, eto ogranichivaet tochnost' ocenki rasstoyaniya po zakonu Habbla. S drugoi storony, otkloneniya ot rasshireniya mogut inducirovat'sya krupnomasshtabnymi fluktuaciyami raspredeleniya plotnosti, i, sledovatel'no, issledovanie pekulyarnyh skorostei galaktik okazyvaetsya vazhnym kosmologicheskim testom.

V poslednie neskol'ko let, posle togo kak byli nakopleny dannye o rasstoyaniyah i skorostyah dlya neskol'kih desyatkov blizhaishih k nam galaktik, obnaruzheno, chto regulyarnoe habblovskoe rasshirenie proslezhivaetsya ne tol'ko po dalekim galaktikam, no i po ob'ektam Mestnoi gruppy, t. e. vplot' do 1.5 - 2 Mpk [13]. No na etih masshtabah raspredelenie galaktik ochen' neodnorodno, i, esli nablyudaemoe raspredelenie massy v Mestnom ob'eme vliyaet na kinematiku galaktik, blizkie ob'ekty ne dolzhny pokazyvat' stol' regulyarnoe rasshirenie! Sledovatel'no, dvizhenie galaktik okolo nas slabo svyazano s ih prostranstvennym raspredeleniem, i kinematikoi galaktik rukovodit ne ih massa, a nechto drugoe. Chto zhe eto? Po vsei vidimosti, kosmologicheskii vakuum (sm. obsuzhdenie problemy 18), ch'ya plotnost' dominiruet v okruzhayushem nas mire. Sovremennaya kosmologiya nachinaetsya ne s soten megaparsek, a srazu za granicami nashei Galaktiki [11]!

22. Sostav i proishozhdenie mezhgalakticheskoi sredy (gaza, pyli, kamnei mezhdu galaktikami).

23. Vremya obrazovaniya krupnomasshtabnoi struktury Vselennoi (yavlyayutsya li skopleniya i gruppy galaktik starymi ili molodymi).

Poslednie dve zadachi vpolne yasny. Pervaya posvyashena tomu, chto nahoditsya vne galaktik, vtoraya - vremeni obrazovaniya galakticheskih struktur. Nedavnee obnaruzhenie vozmozhnogo protoskopleniya galaktik s z=4.1 otodvigaet eto vremya na otnositel'no rannie etapy evolyucii Vselennoi.

Tochku ne stavim

Vyshe byl priveden spisok 23 problem Sendidzha i kratko rassmotreny nekotorye iz nih. Mnogie iz etih zadach uzhe otchasti resheny, rabota nad drugimi idet polnym hodom. (Napomnim, chto Sendidzh summiroval ne prosto interesnye nereshennye problemy, a te, reshenie kotoryh, po ego mneniyu, vozmozhno budet naideno v techenie 30 let.)

Etot spisok, konechno, sub'ektiven i otrazhaet tochku zreniya lish' konkretnogo issledovatelya - Sendidzha - na problemy astronomii. Drugoi astronom ili fizik predstavit svoi spisok zadach, eshe odin - tretii spisok i t.d. Naprimer, Igor' Dmitrievich Novikov vo vremya obsuzhdeniya doklada Sendidzha sformuliroval pyat' obshih problem, stoyashih pered sovremennoi astronomiei, astrofizikoi i fizikoi. Eti problemy takovy: proishozhdenie Vselennoi; struktura Vselennoi na samyh bol'shih masshtabah; proishozhdenie materii vo Vselennoi; chto predshestvovalo nachalu rasshireniya Vselennoi; kakovo budushee Vselennoi. Eti problemy stol' kolossal'ny i mnogogranny, chto ih obsuzhdenie vyhodit za ramki etoi stat'i.

Govorya v celom, astronomiya seichas perezhivaet period, shodnyi, byt' mozhet, lish' s 20-mi godami proshlogo veka (otkrytie galaktik, rasshireniya Vselennoi) ili s 60-mi (obnaruzhenie kvazarov, pul'sarov, reliktovogo izlucheniya). Menyaetsya obshaya kartina Vselennoi, vpervye neposredstvennym nablyudeniyam stali dostupny galaktiki ot epohi ih formirovaniya do nastoyashego vremeni, otkryvayutsya planety u drugih zvezd Kak skazal S. Foll, cherez odno-dva desyatiletiya my budem oglyadyvat'sya na nyneshnie gody s nostal'giei, poskol'ku imenno v nashe vremya delaetsya istoriya, otkryvaetsya to, chto popadet zatem vo vse uchebniki.

Zakonchit' stat'yu hochetsya trivial'nym utverzhdeniem, chto astronomiya - schastlivaya nauka. Ee zadachi stol' grandiozny, a ob'ekty issledovanii nastol'ko krasivy i raznoobrazny (vzglyanite na snimki s Kosmicheskogo teleskopa im. Habbla!), chto vsegda budut nahodit'sya romantiki, kotorye, nevziraya na otsutstvie material'noi vygody, budut posvyashat' ei vse svoi sily Pered astronomami vo vse vremena stoyali i budut stoyat' interesneishie i vazhneishie problemy. Astronom vryad li kogda-nibud' soglasitsya s polushutkoi Landau, chto kak vse horoshie devushki uzhe razobrany i zamuzhem, tak i vse horoshie zadachi resheny. Horoshih devushek v astronomii vsegda bylo i budet ochen' mnogo.

(Dannaya stat'ya opubliknovana v zhurnale "Priroda" za fevral' 2003 g.)

Literatura

1. Rid K. Gil'bert. M., 1977.

2. Ginzburg V.L. // Uspehi fiz. nauk. 2002. T.172. S.213 - 219.

3. Filippenko A.V. // PASP. 2001. V.113. P.1441 - 1448.

4. The Universe at large / Eds. G.Munch, A.Mampaso, F.Sanchez. Cambridge, 1997.

5. Reshetnikov V.P. Vzaimodeistvuyushie galaktiki // Priroda. 2000. N 6. S.13 - 21.

6. Bergh S. van den // PASP. 2002. V.114. P.797 - 802.

7. Ibata R.A., Gilmore G., Irwin M.J. // Nature. 1994. V.370. P.194 - 196.

8. Goldhaber G., Groom D.E., Kim A. et al.// ApJ. 2001. V.558. P.359 - 368.

9. Molaro P., Levshakov S.A., Deussauges-Zavadsky M., DOdorico S. // A&A. 2002. V.381. P.64L - 67L.

10. Hu E.M., Cowie L.L., McMahon R.G. et al. // ApJ. 2002. V.568. P.75L - 79L.

11. Chernin A.D. // Uspehi fiz. nauk. 2001. T.171. S.1153 - 1175.

12. Smol'nikov A.A. Temnaya materiya vo Vselennoi // Priroda. 2001. N7. S.10 - 19.

13. Karachencev I.D., Makarov D.I. // Astrofizika. 2001. T.44. S.5 - 19.
 

Publikacii s klyuchevymi slovami: galaktiki - morfologiya galaktik - Sendidzh Publikacii so slovami: galaktiki - morfologiya galaktik - Sendidzh
Sm. takzhe: Zvezdnye potoki v mestnoi Vselennoi Galaktika Sigara ot teleskopov "Habbl" i "Dzheims Vebb" "Glaza" v cepochke galaktik Markaryana NGC 4632: galaktika so spryatannym polyarnym kol'com M82: galaktika so sverhgalakticheskim vetrom NGC 3314: kogda galaktiki perekryvayutsya Prizrak Miraha Vse publikacii na tu zhe temu >>