Теперь, когда мы познакомились с тем, как устроена Вселенная, ес­тественно возникает вопрос какое место занимает человек в этом мире? Мельчайшая из известных нам материальных структур — нук­лон, элементарная частица, входящая в сосгав атомных ядер, имеет размер порядка 10 13 см. А размер человеческого тела порядка 102 см. Представим себе масштабную лестницу, каждая ступень ко­торой отличае гея по размеру от предыдущей в 10 раз (в логариф­мическом масштабе все ступени будут одинаковы). Если взять чело­века за центр отсчета, то увидим, чго 15 ступеней ведут от него в глубь микромира, до самых мельчайших частиц материи. Пройдя столько же ступеней в направлении увеличения масшт аба, мы дос­тигнем внешних границ Солнечной системы и приблизимся к бли­жайшим звездам. Следующие б ступеней приведут нас к границам Галактики. А чтобы достичь пределов наблюдаемой области Все­ленной, придется пройти еще 5 ступеней. Таким образом, на «мас­штабно-структурной лестнице» Вселенной человек не занимает сред­него положения: 15 ступеней ведут от него «вниз» — в глубины материи, и 26 ступеней ведут «вверх» — в просторы Вселенной Вследствие подобной «асимметрии» космические масштабы гораз до больше отличаются от масштаба привычных нам вещей, чем объекты микромира. Впрочем, если в качестве наименьшего масш­таба принять планковскую длину 10~33 см, то асимметрия масшта бов изменит знак[110].

Посмотрим теперь, в каких временных рамках разворачивае тся «Вселенская Драма». Как мы видели, с момента Большого взрыва прошло приблизительно 10 млрд лет. Примем этот промежуток времени за некоторый условный Космический Год Тогда в этой воеменной шкале 1 Месяц будет соответствовать 830 миллионам земных лет, Сутки — 28 млн лет, Час — 1,2 млн лет, Минута — 20 тысяч лет и Секунда — примерно 300 лет.

В течение первых 10 Минут нашего Космического Года во Все ленной завершился процесс образования первичного вещества — нейтрального водородно-гелиевого газа, из которого возникаю! все последующие структуры. В середине Января начинается процесс фор мировани" галакт ик. Наша Галактика образуется, вероятно, в начале Февраля. В течение нескольких Месяцев в Галактике протекает про­цесс формирования звезд первого и второго поколений, при вспыш­ках сверхновых межзвездная среда обогащается тяжелыми элемента­ми; из этой обогащенной среды возникают звезцы третьего поколе­ния, к которому принадлежит наше Солнце Образование Солнечной туманности начинается, вероятно, в конце Июня. К середине Июля заканчивает ся формирование Земли как самостоятельного космичес­кого тела. Почти сразу же, в конце Июля, на Земле возникают про­стейшие формы жизни, начинае тся процесс биологической эволю ции В первые месяцы после происхождения жизни атмосфера со­храняет еще первичный состав. В океане бурно разрастаются водоросли, в результате их жизнедеятельности формируется богатая кислородом вторичная атмосфера Земли. Этот процесс завершается к концу Октября. В Ноябре растения и животные выходят на сушу, жизнь начинает завое1 ывать континенты. В последней декаде ДскаЗ ря появляи пся млекопитающие. А 31 Декабря Космического Года на Земле появляется человек Вся известная нам (письменная) история человечества, на протяжении которой возникали, возвышались и гибли великие цивилизации, занимает последние полминуты Космическо­го Года. А современная техническая эра нашей цивилизации длится не более одной Космической Сею нды.

Аковы пространственно-временные рамки Теперь нам предсто­ит выяснить, насколько условия во Вселенной соответствуют появ­лению в ней человека. Начнем с Земли.

Космос бе" пределен и бьег, как огненная струя, раз­брасывающая свои искры на зарождение жизни ] о всем пространстве. Единая струя и многочисленны искры Един Космос и беспредельны формы.

«Беспредельность», 71

Завершая наш рассказ о Вселенной, полезно оценить пределы на­ших знаний и попытаться заглянуть «за завесу». Все известное нам многообразие физических явлений, объектов и процессов описы­вается с помощью основных (фундаментальных) физических тео­рий. В процессе развития науки неоднократно происходила смена представлс ний, отдельные физические теории оказывались ошибоч­ными и полностью отбрасывались. Но к фундаментальным теори­ям это не относится. Фундаментальные теории, составляющие ядро физической парадигмы, не отбрасываются в процессе развития — уточняется лишь область их применимости, а вне этой области дей­ствуют другие, более общие теории, имеющие более широкую об­ласть применимости. Благодаря этому в развитии науки имеет мес то преемственность. И хотя в процессе развития науки мы посто­янно сталкиваемся со сменой представлений, сменой физических картин мира, но это не означает, что происходит просто замена одного знания другим — происходит расширение знания, ибо ядро
старой парадигмы включается в новую парадигму, в новое знание (а все ошибочные представления и теории при этом отбрасываются

В настоящее время известны шесть основных физических тео­рий: ньютонова механика (НМ); ньютонова теория тяготения (НТТ); специальная теория относительности (СТО1′; общая теория относительности (ОТО), или эйнштейновская теория тяготения (ЭТТ); квантовая механика (КМ); рслят ивистская квантовая меха­ника (РКМ). В каком соотношении между собой они находятся5 При рассмотрении этого вопроса мы будем опираться на идеи Аб­рама Леонидовича Зельманова, изложенные в его работах158-|Г9. При этом предст шляется более удобным (конечно, это дело вкуса) изме­нить геометрический образ взаи­мосвязей и вместо «куба Зельмано­ва» представить совокупность фи­зических теорий в виде «пирамиды знания»1®0.

На рис. 2.3.1 изображена четы­рехгранная пирамида (тетраэдр). Каждое ребро этой пирамиды изображает определенную фунда­ментальную физическую теорию. В основании пирамиды лежат три основные теории: ньютонова тео­рия тяготения, специальная теория относительности и квантовая меха ника. Все они характеризуются од­ной фуг цаментальной физической постоянной (мировой констан­той). Для ньютоновой теории тяютения это постоянная тяготения G, для специальной теории относительности это фундаментальная скорость распространения физического взаимодействия с (совпа­дающая численно со скоростью света в пустом пространстве) и для квантовой механики — постоянная Планка H.

Истоком всех этих георий является ньютонова механика (не со­держащая никакой фундамент ллытой постоянной). Как известно, ме­ханика Ньютона справедлива при описании движения тел со скорос­тями, малыми по сравнению со скорос ью свет а. Она не распростра няется на травит ационные явления и не включает в себя закон всемирного тяготения. Ныотснову теорию тяготения можно рассмат­ривать, как расширение ньютоновой механики, обобщение ее на об ласть гравитационных явлений. При отсутствии гравитации уравне­ния НТТ сводятся к уравнениям ньютоновой механики. При скоро­стях, близких к скорости света, ньютонова механика не применима. Это область специальной теории относительности. Она также не ол ватывает гравитационных явлений. Можно сказать, что специальная теория относительности есть обобщение ньютоновой механики на случай, когда скорость движения тел близка к скорости света При условии V « с (скорость много меньше скорости света) уравнения СТО переходят в уравнения механики Ньютона. Это позволяет рас­сматривать ньютонову механику как частный случай СТО, а после­днюю, как более общую теорию, включающую в себя НМ. Ньюто­нова теория тяготения и специальная теория относительности спра­ведливы при описании движения макроскопических тел. В области микромира они не применимы. Здесь действую, законы квантовой механики. Они справедливы, когда произве, гение энергии движущихся частиц на время (или количества движения на пройденный путь) со­поставимо с квантом действия H. Если эти величнньг много больше /г, действуют законы ньютоновой механики. Таким образом, квантовая механика есть обобщение. НМ на область микромира. При И—>0 (т. е. когда квантом действия H можно пренебречь) уравнения кван го вой механики переходят в уравнения механики Ныотона.

В нашем юграэдре ребра основания пересекаются в точках А, В и С. Каждая из этих точек служит истоком более общей теории, каж дая из них характеризуется двумя мировыми константами. Так, точка А, в которой пересекаются НТТ и СТО, служит истоком общей тео­рии относительности. Она является обобщением ньютоновой тео­рии тяготения на область сильных гравитационных полей и быст­рых движений (со скоростями, близкими к скорости света). В то же время она является распространением, обобщением СТО на область 1 равит-щионных явлений. Соответственно, общая теория относитель­ности характеризуется двумя фундаментальными постоянными G и С. При отсутствии гравитации уравнения ОТО переходят в уравнения специальной теории относительности. А при медленных скоростях движения V « с) уравнения ОТО переходят в уравнения ньютоно­вой теории тяготения. Таким образом, обе теории — НТТ и С ГО — можно рассма гривать как частные проявления более общей теории — ОТО. Последняя справедлива для макроскопических тел и не рас­пространяется на явления микромира. Точка В, где пересекаются СТО и КМ, является истоком релятивистской квантовой механики. Она является обобщением квантовой механики на случай движения час­тиц с релятивистскими (т. е. близкими к с) скоростями и в то же вре­мя — обобщением СТО на область микромира. Соответственно, РКМ характеризуется двумя мировыми коне/антами с’ и И. Наконец, точка С, где пересекаются НТТ и КМ, м^жег быть истоком теории, которую Тельманов наззал (нере. ытивистской> квант овой гравитаци­онной теорией (KIT). Он.. характеризуется двумя постоянными G и И и является обобщением НТТ и КМ. Подобной теории пока не < ущесгвуе г. И возможность ее по-лроенкя вызывает сомнение, так как кванты гравитационного поля (гравитоны) должны перемещаться со скоростью света и, следовательно, квантовая теория гравитации не­избежно должна быть релятивистской. Тем не менее З^льманов фор­мулирует условия, при которых KIT может существовать как само­стоятельная теория. Получается, в целом, довольно симметричное ] юстроение. Грань тетраз дра АОВ обрг ювана релятивистскими тео­риями, грань БОС — квантовыми теориями и грань АОС — грави­тационными теориями.

В этой схеме не нашлось места для ньютоновой механики НМ, кото рая служит истоком всех остальных теорий. Можно изобразить ее в цен­тре основания и, проведя стрелки на ребра АВ, АС и ВС, указать тем самым, что соответствующие теории исходят из НМ. Другой вариант, п} едложенный В. Г. Сурдиным, — пристроить к основанию еще одну пирамиду вершиной вниз и поместить в эту вершину НМ.

Что касается таких физических дисциплин, как статистическая фи­зика, термо инамика и электродинамика, то первоначально они были «.формулированы в рамках ньютоновых представлений, но впосле тсгвии, юлжным образом обобщенные, они вошли в рамки тех представлений, которые вытекают из более общих теорий: СТО, ОТО и КМ. Основ­ные физические взаимодействия также охватываются этой схемой. Тео­рия электромагнитного взаимодействия входит в СТО, а теория слабого и сильного взаимодействия — в РКМ. Гравитационное взаимодействие описывается гравитационными теориями.

Все физические теории в нашей схеме сходятся к вершине пира­миды, которая изображает наиболее общую теорию, являющуюся Синтезом всех существующих. Зельманов назвал ее Единой физичес­кой теорией (ЕФТ). Она характеризуется тремя мировыми констан­тами G, И и с. Эта теория, объединяющая все ввды физических взаи­модействий, находится сейчас в стадии становления. Мы уже упоми­нали об объединении электромагнитного и слабого взаимодействий и создании теории электрослабого взаимодействия, а также о Вели­ком объединении трех физических взаимодействий: электромагнит­ного, слабого и сильного. Чтобы завершить этот процесс синтеза физических теорий, необходимо включить в объединенную теорию и гравитационное взаимоцейсгвие. Такая формирующаяся сейчас те­ория по.1учила название Суперобъединения.

Тенденция к синтезу, интеграции основных понятий и теорий характерна для развития физических наук. Специальная теория от­носительности объединила столь различные категории, как простран­ство и время, в единую сущность — четырехмерный пространствен­но-временной континуум. Оказалось, что лишь при скоростях, ма­лых по сравнению со скоростью света, эта единая сущность разделяется на две независимые составляющие — пространство и время, никак не связанные друг с другом. Но при скоростях, близких к скорости све­та, пространство и время уже не являются независимыми: при движе­нии тел с такими скоростями совместно меняются и геоме трические свойства пространства, и темп течения времени. Мы уже упоминали о том, как сце до создания теории относительности произошло объе­динение теорий электричества и магнетизма в единую теорию элект­ромагнитного поля. Это стало возможным потому, что электричес­кие и магнитные силы, как выяснилось, являются проявлением од­ного электромагнитного взаимодействия. Впоследствии произошло объединение этого взаимодействия со слабым и сильным. Все они оказались проявлением одной универсальной силы Великого объе­динения. Создатель теории относительности А. Эйнштейн мечтал о построении теории, в кот эрой были бы объединены все силы при­роды. Много лет после создания теории относительности, практи­чески всю вторую половину жизни он напряженно работал над со­зданием такой теории. Современная теория суперобъединения (еще до конца не завершенная) является воплощением этой мечты Эйн­штейна[107] .

Единое универсальное взаимодействие, объединяющее все силы природы, все ввды физических взаимодействий, проявляется как синтетическое начало только при очень БольШих энергиях частиц, порядка планковской энергии U л = — JcFti/G = 1019ГэВ

Она на шпь порядков больше энергии Великого объединения. При меньшей энергии происходит расщепление Единого взаимо­действия, сначала отщепляется гравитационное взаимодействие, за­тем сильное и, наконец, происходит разделение электрослабого вза­имодействия на слабое и электромагнитное. В условиях, с которы­ми мы обычно имеем дело, все эти взаимодействия выступают как совершенно различные силы, хотя и являются проявлением одной Универсальной Силы Природы.

В рамках теории Суперобъединения исчезае1 различие между ча­стицами физической материи фермионами и частицами перенос­чиками взаимодействий — бозонами. При Е ~ 1019 ГэВ они могут свободно переходить друг в друга.

Другой важнейшей чертей Суперобъ щинения является дальней­шее обобщение понятия пространства — введение многомерных пространств и, соответственно, дополнительных пространо венных измерений. Мы привыкли к тому, что наше физическое простран­ство трехмерно, и не допускаем того, что мир может быть устроен более сложно. Но математики давно работают с многомерными пространствами, однако до последнего времени считалось, что это — лишь теоретические конструкции В физике многомерные фазовые пространства широко используются в качестве удобных теоретичес­ких моделей, но не более. Мир предполагается трехмерным и счи­тается, что дополнительные пространственные измерения не могут иметь никакого отношения к действительнос ти. Это превратилось в своего рода философскую догму.

Однако уже первая попытка объединить теорию гравитации с электромагнетизмом, предпринятая в 1920-е годы Т. Калуцой и О Клейном, привела к неожиданному результату. Оказалось, что это возможно только в том случае, если ввести дополнительное чет­вертое пространственное измерение, т. е. рассматривать пятимер­ный пространственно-временной мир. Работа Т. Калуцы и О. Клейна была первым шагом. Они пытались объединить гравитацию непос­редственно с электромагнетизмом. Сегодня мы знаем, что синтез возможен только через Великое объединение (сначала электромаг­нетизм объединяется со слабым взаимодействием, потом с сильным и только после этого возможно ооъединение с гравитацией). Одна­ко возникшая в их теории необходимость введения дополнитель­ных пространственных измерений оказалась не случайной. Совре­менные теории показывают, что невозможно добит ься Суперобъе динения в рамках трехмерного пространства. Наименьшее число пространственных измерений, для которых удается построить тео­рию суперобъединения, равно 9. То есть мы имеем 9-мерное про­странств^ или 10-мерный пространственно-временной мир. Воз­можно, полное число пространственных измерений больше 10.

Конечно, все эти дополнительные пространственные измерения не могут быть пустыми, поскольку пространство не существует вне материи. Автор полагает, что дополнительные пространственные измерения имеют определенный не равный нулю объем, в отличие от тех теоретических построений, которые приводят к нулевому объему. Несомненно, они заполнены какой то материей. Но какой? Скорее всего, это материя неизвестного нам вида, которую мы пока не научились обнаруживать посредством физического эксперимен­та. Может быть, это та материя, которая лежит «за пределом* фи­зического вакуума. Вероятно, в этих неизвестных нам пространствен­ных мирах действуют и какие то другие, неизвестные нам законо­мерности. Например, в нашем т рехмерном мире каждая физическая величина выражается определенным действительным числом Раз­витый в мат ематике аппарат мнимых чисел остается невостребован — ным[108]. Может быть, в других пространственных измерениях какие — то характеристики материи измеряются мнимыми числами? Может бьггь… Космос, несомненно, таит в себе еще много неизведанного.

В свете этих представлений философская идея о неисчерпаемос­ти форм материи приобретает более реальные очертания. Вместе с тем качественно новое значение приобретает понятие «беспредель­ности». Если ранее оно трак говалось как беспредельность простран­ственного протяжения Вселенной, то теперь мы должны включить в это понятие все беспредельное многообразие миров и форм ма терии вечно меняющегося, эволюционирующего Космоса.

Вернемся к «пирамиде физических теорий». Симметрия и за­вершенность этой конструкции могут навести на мысль, что с объе — днненнем всех фундаментальных физических теорий в одну Еди­ную физическую теорию (теорию Суперобъединения) завершается развитие физического знания[109]. Так ли это? Несомненно, создание ЕФТ будет означать окончание очень важного этапа в развитии на­ших знаний о физическом мире. Но, конечно, это не финал позна­ния. Я думаю, что Единая физическая теория явится не только за­вершением, но и мощным истоком новых теоретических представ­лений, новых теорий, новых знаний, опирающихся на новые экспериментальные открытия. Более того, завершенность «пирамиды знания» указывает, на мой взгляд, на то, что дальнейшее развитие будет связано в принципиальными качественными изменениями. Вероятно, оно будет включать изучение новых пространственных измерений и новых форм движения материи.

Несмотря на волнующие воображение достижения науки в изуче­нии безграничных пространств иiлубин Вселенной, не следует слиш­ком обольщаться этими успехами. Мы познали (и притом не полно­стью!) лишь один срез, один слой окружающего Мира. Сегодня мы стоим на пороге революционного изменения всей научной картины мира. Многие процессы, которые сейчас происходят в физике, био­логии, психологии, являются предвестниками того, что ожидает нас за этим порогом — там, где сияет Беспредельный Космос.

Не было ни дня, ии ночн, пи неба, ни земли, ни п>мы, ни света, ничего дру| ого, за исключс-‘исм Одного, непостижимого разумом, что есть Бра­ман н Пуме (Дух) и Прадхапа (Изначальна): Ма­терия).

«Тайная Доктрина»

Кто знает, воистину, и кто может сказать, когда ото родилось, и когда свершился этот акт творе­ния? Богн появились юраздо |.озже сотворения этого мира. Кто же тогда знает, когда появился мир?

Ригведы «Песнь Творения»

В первые мгновения после сингулярности, в те ничтожные доли секунды, которые cooi летсгвуют адронной эре, Вселенная была очень горяча, давление излучения было невообразимо велико. На первый взгляд, может показаться, что именно это чудовищное давление и является причиной расширения подобно тому, как это имеет место при взрыве какого-либо заряда, кот да большое давление, возника­ющее в центре взрыва, разбрасывает окружающее вещество. Но на самом деле это не так. Для того чтобы произошел взрыв, важно не давление само по себе, а перепад давления. При взрыве бомбы этот перепад определяется разчостыо между высоким давлением горя­чего газа внутри быстро сгорающего взрывчатого вещества и низ­ким давлением окружающего воздуха. Именно этот перепад и со­здает силу взрыва. Но ведь Вселенная однородна и изотропна, дав­ление в каждой ее точке одинаково, перепад (или, как говорят физики, градиент) давления отсут :твует. Следовательно, давление не может быть причиной Большого взрыва. Более того, согласно общей теории относительности, давление создает пополнительное поле тяготения и, следовательно, только усиливает тормозящее дей­ствие гравитационных сил. Но все это относится к обычной мате­рии, состоящей из частиц вещества и различных физических полей. Однако на самом раннем этапе эволюции Вселенной, в эпоху близ­кую к планковскому времени Twl = 3-10"44 с (т. е в момент, отстоя­щий от теоретической фридмановской сингулярност и T = 0 на вели­чину 3 • Ю-44 с) материя, по-видимому, находилась в так называемом вакуумно-подобном состоянии. В свойствах этого состояния и надо искать причину Взрыва, причину расширения Вселенной Что та­кое вакуумно-подобное состояние? Здесь нам приде гея сделать еще одно отступление и познакомп гься с физическим вакуумом.

Физический вакуум опреде^шют как низшее состояние кванто­вых полей, при котором энергия поля минимальна, а все квантовые числа, характеризующие эти поля (электрический заряд, импульс и др.), равны нулю. Ьолее просто, хотя, может быть, несколько гру­бо, можно определить его так: физический вакуум это то, что оста­ется в некоторой области пространства, если убрать оттуда все час­тицы и все кванты любых физических полей. Но что же останется в таком случае в рассматриваемой области пространства? На первый взгляд, ничего не останется — будет абсолютная пустота. Но ока­зывается в этой «пустоте» постоянно рождаюiся и аннигилируют так называемые виртуальные частицы. От реальных частиц они от­личаются тем, что живут очень короткое время, столь малое, что их принципиально невозможно обнаружить за это время — не пото­му, что точность измерения времени мала, а потому что длитель­ность их жизни лежит за пределом обнаружения, допускаемого со­отношением неопределенностей квантовой механики. Виртуальные частицы рождаются парами: частица-античастица и, по истечении времени At аннигилируют’40. На образование частиц необходимо затратить определенную энергию, которая берется из «ничего», но по истечении времени At частицы аннигилируют и выделяющаяся при этом энергия возвращается в «ничто». Закон сохранения энер­гии выполняется А т ак как весь этот процесс рождения-аннигиля­ции часгиц остается вне наблюдения, то вроде бы ничего и не про­исходит; виртуальные частицы существуют и как бы не сущестзую] Зачем же тогда говорить о них? Дело в том, что хотя виртуальные част ицы невозможно зарегистрировать непосредственно, косвенно они проявляются: за короткое время своей жизни виртуальные час­тицы успевают прореагировать с реальными частицами и результа­ты этих взаимодействий обнаруживаются в физическом эксперимен те. Следовательно, физический вакуум это не пустота, а особое со­стояние материн. Оно характеризуется постоянным рождением и аннигиляцией частиц и античастиц, которое образно называют «ки­пением» вакуума.

Как и всякая физическая материя, вакуум обладает определен­ной плотностью энергии ек11. и соответствующей плотностью мас — сы 9«ж = гтУс1- 1еоретические оценки показывают, что вблизи планковского времени плотность вакуума могла составлять

1411 Время жизни виртуальных частиц Д/ — Л/тс2, где т — масса частицы Для Т = /и1 (масса электрона) время ^сизнн At ~ 10 21 с

Р.™ ~ Ю74+ 1094 г/см3. Так что эта «пустота» была необычайно плот­ной!

Важной особенностью физического вакуума является его урав­нение состояния. Уравнение состояния связывает плогноегь и дав­ление. Для обычной материи давление с ростом плотности моно­тонно возрастает. Значит, если увеличивать число частиц в каком-то объеме, то давление в этом объеме возрастает и оно стремится вы­толкнуть частицы из занимаемого объема. В вакууме все происхо­дит наоборот. Уравнение состояния вакуума имеет вид

PiUk = — £пак = ~ Ри.1кС •

То есть в отличие от обычной материи, давление вакуума отрица­тельно!

Посмотрим теперь, каковы гравитационные свойства вакуума. Если положительное давление обычной материи создает дополни­тельное поле тяготения, то можно ожидать, что отрицательное дав­ление вакуума уменьшает поле тяготения. В действит ельности, про­исходит более радикальное преобразование: сила притяжения транс­формируется в силу с ггалкивания.

В ньютоновской теории тяготения сила тяготения пропорциональна плот мос ти вещества р Ull. В релятивистской теории тяготения (общей те­ории относительности) для любого вида физической материи сила тяго­тения пропорциональна величине р.,ф = р + 3Р/с2, где р — плотность материи, а р — давление В обычных условиях, I которыми мы сталкива­емся в физике и астрофизике, второе слагаемое очень мало по сравне­нию с первым. Так например, даже в цектре Солнца, где давление очень высоко, второе слагаемое составляет 10 5 от первого. Если взять Вселен­ную в целом, то для нее в современную эпоху можно с большой степенью точности положить р = 0, р = р = р|,сш. т Тяготение определяется плотно­стью вещества. В дорекомбинационную .J Ioxy (эра излучения) р = 0, Р. Ф = Зр/с здесь р — давление излучения. Уравнение состояния для из­учения имеет вид р = (1/3) е,11Л= (1/3) р,„, с2. Следовательно, P:K|, = P„,., Тяготение определяется и лет иостыо излучения. Но для вакуума р = — р^ с2, следовательно, р ф = — 2р11|к. Эффективная плотность оказывается отрица тельной’ Это означает, что сила тяготения паку} ма, по сравнению с обыч ной материей,’ меняет знак.

Если для обычной материи мы имеем гравитационное пригяжс ние, то в вакууме возникают силы гравитационного отталкивания. Это и есть те самые космологические силы отталкивания, которые

Такая материя называется пылевидной.

Эйнштейн ввел в свои уравнения с помощью Л-члена (см. п 2.2.1). Оказывается, он не зря это сделал! Для того чтобы силы гравитаци­онного отталкивания существенно превышали силы притяжения, необходимо выполнение условия рмк» р, 1де р — плотность обыч­ной материи. Состояние материи, для которого выполняется это условие, называется вакуумно-подобным.

Теперь мы можем вернуться к нашей Вселенной. В очень ранней Вселенной, в момент близкий к планковскому времени twl = 3 • 1О"44 с, при температуре Т= Тш = 1032 К и плотности равной р11Л = 10»4 г/см3 матеоия находилась в вакуумно-подобном состоянии. В этом состоя­нии сила гравитационного отталкивания вакуума намного превы­шала силу притяжения обычной материи. Она-то и послужила при­чиной Взрыва, создала тот Начальный Импульс, под дейст вием ко­торого Вселенная начала расширяться. Когда этот импульс исчерпался, расширение продолжалось по инерции.

В фридмановской космологии, которая справедлива для обыч­ной материи, плотность при расширении уменьшается. Это вполне естественно и понятно. Поразительное свойство вакуума состоит в том, чте его плотность остается постоянной[97]. Соответственно, не меняется со временем при расширении и сила отталкивания, дей­ствующая на фиксированном расстоянии. В этих условиях любые две частицы движутся друг относительно друга с нарастающей ско­ростью, и расстояние между ними изменяется по экспоненциально­му закону[98]:

/-(О = >У"; Ш

Такой закон расширения соответствует модели де Ситтера. Раз­мер Вселенной увеличивается очень быстро. Этот процесс получил Название раздувание (или инфляция), а модель, описывающая рас­ширение Вселенной под действием гравитационных сил вакуума, получила название инфляционной. Инфляционная модель, по су­ществу, является моделью де Ситтера. Только длится эта craj, ия не до современного момента и дольше, как полагал Ситтер, а заканчи — ьается значительно раньше.

Раздувание Вселенной началось при T = Tm = 3 • Ю-44 с из области размером порядка планковской длины г = 10 33 см и длилось в тече­ние времени At. Величина At в разных моделях инфляции различ­на. Coi ласно одной из первых моделей (см. Новиков И. Д. Как взор­валась Вселенная. — М.: Наука, 1988. С. 117-118), At = 109/,,,,, т. е. инфляция длилась примерно до T = 3 • 10 35 с. К концу этого пери­ода размер Вселенной увеличился в 104 1 раз, температура упала практически до абсолютного нуття (Т = 10 4 ,()" К). Плотность обыч­ной материи (не вакуума!), которая, как и в теории горячей Вселен­ной, убывает пропорционально г 4, уменьшилась в 1010′ раз и стала равной 10s4: 10’°’= 10lu г/см3. При такой плотности одна частица материи отстоит от другой на расстояние 10′ "’* св. лет, т. е. на рас­стояние в невообразимое число раз превышающее современный раз­мер Ме тагалактики! В это время Вселенная была практически пус­той для обычной физической материи Единственное, что оста­лось к концу стадии раздувания, это переохлажденное вакуумно-подобное состояние материи Но такое сос гояние явля­ется неустойчивым. При T = 3 • 10"35 происходит фазовый переход, связанный с распадом вакуумно подобного сос. ояния. Вакуум пе­реходит в состояние с очень малой плотностью. За счет освобо­дившейся энергии рождаются частицы и античастицы обычной ма­терии. Температура повышается до температуры великого объеди нения Т = 10 27 К, и Вселенная (после непродолжительной переходной стадии) начинает развиваться по законам горячей мо­дели. Частицы и античастицы, заполняющие Вселенную в — vry эпо­ху, возникают при распаде вакуумно подобного состояния. И если эта горячая плазма является первичной субстанцией нашей Все­ленной, то вакуум, из которого она возникает, можно назвать пра — материей физического мира.

Как точно происходит инфляция — в настоящее время неизве стно. Существуют разные модели, которые отличаются длительно стыо инфляционной фазы и другими параметрами. Но общие чер­ты нарисованного сценария сохраняются. Раздувание происходит из вакуумно-подобного состояния за счет сил гравитационного отталкивания вакуума. Расширение иде т по экспоненциальному за кону. При этом плотность обычной материи быстро падает, а плот­ность вакуумно-подобного состояния практически не меняется. По окончании инфляционной стадии происходит фазовый переход, вакуумно-подобное состояние распадается, образуется горячая плаз­ма из обшчной материи, и Вселенная начинает расширяться по сте пенному закону (как в горячей модели). Силы гравитационного притяжения, которые теперь превосходят силы от1алкивания вакуу­ма, начинают тормозить расширение. Такое замедленное расшире ние будет продолжаться вплоть до тех пор, пока плотность обыч­ного вещества не станет меньше плотности «вакуумной материи», ос­тавшейся после распада вакуумно-подобного состояния. После этого Вселенная начнет расширяйся ускоренно. В самое последнее время (как уже упоминалось) появились данные о том, что Вселенная в со­временную эпоху расширяется ускоренно. Возможно, это связано с описанным процессом, а та «вакуумная материя», под действием ко­торой происходит ускоренное расширение и которая сост авляет пре обладающую долю «скрытой массы», и есть то, что осталось при рас­паде вакуумно подобного состояния в конце инфляции.

Итак, Большой взрыв представляет собой экспоненциальное рас ширение (раздувание) Вселенной под действием гравитационных сил вакуума — сил отталкивания, которые и являются причиной Перво­толчка. Наличие инфляционной стадии в эволюции Вселенной по­зволяет избежать неприятностей, связанных с обращением в нуль масштабного фактора при T = 0 (во фридмановской модели). При экспоненциальном расширении масштабный фактор обращается в нуль при Т=— йй. В любой конечный момент времени он отличен от нуля, соответственно, и плотность никоща не обр пцае гея в бесконечность. Означает ли это, что в инфляционной модели исчезает понятие син­гулярности? Hei, не исчезает, но претерпевает качественное измене­ние. Сингулярным сос тоянием современные космологи называют состояние, которое имеет место при T = Tn L. Как мы видели, в этом состоянии плотность материи очень высока, но не бесконечна Син­гулярность связана не с бесконечно большой плотностью, а с тем, что в этом состоянии перестают действовать все известные физичес­кие законы и, главное, понятия времени и пространства из за квап говых эффектов теряют смысл. По существу, сингулярное состояние является переходным к новым состояниям материн, которые еще не вошли в сферу изучения современной физики.

Помимо сингулярности, инфляционная стадия позволяет решить и другие важнейшие космологические проблемы. Одна из них проблема горизонта. В п 2.2.1 мы говорили о горизонте Вселенной или гори­зонте событий. По существу, он ограничивает размер причинно свя­занной области. В современную эпоху радиус горизонта по порядку ве­личины совпадает с радиусом Метагалактики. Но радиус горизонта из­меняется со временем пропорционально F, а радиус Метагалактики пропорционально /2/3 Поэтом) если мы будем двигаться назад в про­шлое, то радиус горизонта будет убывать быстрее, чем радиус Метага лактики, и горизонт событий будет охватывать все меньшую часть Ме­тагалактики. Так, при t = 10 ■I4 с (время Великого объединения) радиус Метагалактики составлял 30 см, I радиус горизонта 3 ■ 10 24 см. Следо­вательно, Метагалактика состояла примерно из 107|) отдельных причин­но не связанных областей. Между этими областями невозможно ника кое взаимодействие. Возникает вопрос — как же в этих условиях при отсутствии всякого обмена установилось однородное изотропное рас­пределение материи во Вселенной? В рамках фридмановской модели это невозможно объяснить и прихэдится принимать просто как посту лат, подтверждаемый наблюдениями реликтового излучения. В де сит — теровской модели проблема горизонта, вообще, не возникает, так как расширение Вселенной происходит значительно быстрее, чем рост го­ризонта. Это относится и к инфляционной модели. Более того, в ней раздувание происходит из причинно-связанной области размером 10~3′ см, которую, естественно, считать однородной и изотропной. Это свойство сохраняется и в процессе раздувания В конце инфляционной стадии невообразимо раздувшийся «вакуумный пузырь» распадается, пре­вращаясь в обычную материю При этом область, из которой возникла наша Метагалактика, составляет лишь ничтожную часть «лопнувшего пузыря». Поэтому нет ничего удивительного в том, что эта область оказывается однородной и изотропной В образовавшейся горячей Все­ленной расширение идет медленнее, чем рост горизонта, но это уже не может повлиять на однородность и изотропию той исходной области, с которой стартует модель горячей Вселенной.

Вторая проблема связана с критической плотностью. Мы уже отме­чали, что в современную эпоху средняя плотность материи во Вселенной по порядку величины близка к критической; она может отличаться от нее не более чем в тридцать раз, а с учетом скрытой массы — существен­но меньше Это в современную эпоху А что было раньше? Принимая во внимание характер изменения плотности со временем[99], нетрудно полу­чить, что в эпоху Великого объединения (t = 10 14 с) отичие плот ности от критической (рК[, — р)/р = 10 5U. Это поразительное совпадение! Ведь кри­тическая плотность определяется постоянной Хаббла и, следовательно, зависит от скорости расширения Вселенной в рассматриваемый момент времени Скорость определяется силой Большого взрыва. Почему же силу взрыва Природа подобрала таким образом, что критическая плот пость на ранней стадии расширения с величайшей точностью совпала с реальной плотностью материи в этот момент? В рамках космологии Фрид мана эта загадка остается неразрешимой. Инфляционная модель снимает проблему. Дело в том, что плотность вакуумо подобного состояния в точности равна критической. Когда в конце стадии раздувания вакуум­но-подобное состояние распадается и превращается в обычную мате­рию, плотность рик этого состояния переходит в плотность обычной ма Терии. Понятно поэтому, что последняя с величайшей точностью совпа­дает с критической плотностью в момент перехода.

Инфляционная модель успешно решает и другие космологичес­кие проблемы: проблему магнитных монополей, начальных флу;- туаций плотности Все это можно рассматривать как косвенное под­тверждение ее справедливости. А нет ли прямых эксперименталь­ных доказательств справедливости этой модели? В теории горячей Вселенной такими экспериментальными подтверждениями являют­ся: реликтовое излучение, относительное обилие водорода и гелия, наблюдаемое отношение числа фотонов к числу частиц вещества (пфог/^нукл = Юу). А как обстоит цело ь инфляционной теории? В планковскую эпоху, согласно теории, в сверхсильных гравитацион­ных полях должны интенсивно рождаться кванты гравитационно­го поля — гравитоны. Рожденные на заре возникновения Вселен­ной они в дальнейшем не взаимодействуют с другими частицами и должны сохранить информацию об эпохе своего рождения. В со­временной Вселенной эти реликтовые ■ равитоны должны образо­вать фон гравитационного излучения подобно позднее возникше­му фону реликтовых нейтрино и фотонов. К сожалению, регистра ция реликтового гравитационного излучения находится пока за пределами экспериментальных возможностей.

Итак, согласно инфляционной модели, наша Вселенная возник­ла в момент /М1, раздуваясь из одной-единственной причинно-свя­занной области размером гт = 10~33 см Означает ли это, что все пространство физического мира в этот момент времени сводилось к столь ничтожной области? С точки зрения фридмановской кос­мологии, в рамках закрытой модели дело обстояло бы именно так. Современная космология исходит из других представлений.

Согласно этим представлениям, извечно существует бесконечное (вообще говоря, мноюмерное) пространство, заполненное физи­ческим вакуумом. В этой вечно-кипящей субстанции (вакуумной пене) непрерывно происходят квантовые флуктуации, в результате кото­рых могут рождаться трехмерные’45 планковские миры размером гт = КГ33 см с плот чостыо рпл = 10У4 г/см3. Большая часть их из-за квантовых флукгуаций тут же (за время порядка хО"44 с) возвращает­ся в состояние пены. Но небольшая доля, в результате длинной цепочки случайных флуктуаций, приобретает плотность заметно

,’15 Образование I рехмерного мнра га многомерного пространства, т. е. уменьше­ние размерности, происходит благодаря процессу компактификации. Современная теоретическая физика рассмафнваеттакнс процессы.

Отличающуюся от р„, (причем меньшую, чем рмл). Такие «пузырьки» уже не могут вернут [>ся в состояние исходной вакуумной пены Они то и составляют зародыши будущих вселенных. Материя в них на­ходится в вакуумно-подобном состоянии (рпак» р). Под действием сил гравитационного отталкивания они начинают раздаваться и после распада вакуумно-подобного состояния превращаются в го ря1’ие фридмановские вселенные. В одной из таких вселенных жи­вем мы. Эту вселенную, в отличие от других, мы и называем нашей вселенной, или Вселенной с большой буквы (подобно тому, как это имеет место для галактик), а часть нашей Вселенной, охваченную ас грономическими наблюдениями, мы по прежнему, будем назы­вать Метагалактикой.

Каждый из возникающих миров развивается из своей собствен­ной причинно-связанной области. Между собой они никак не вза­имодействуют, и это оправдывает название — вселенные. А как же тогда назвать совокупность всех этих вселенных и тот бесконечный в пространстве и времени Мир, из которою они возникают? Иног­да этот Mhd также называют Вселенной (с большой буквы), но тогла возникает путаница с нашей Вселенной. Философы используют понятие «Универсум», а физики пользуются термином «Большая Вселенная» в отличие от мини-вселенных, к которым принадлежит и наша. Можно также называть этот Мир Физическим Миром, или, используя древнее название, — Физическим Космосом.

Подавляющая часть его находится в состоянии сверхплотного ^ки­пящего» вакуума. Из него изредка отпочковываются «пузырм», кото­рые развиваются в самостоятельные вселенные. Если визникающие таким образом вселенные являются замкнут ыми, го по окончании стадии расширения они переходят в стадию ежа гия и в конце ее, сжав­шись до планковской плотности, возв| >ащаются вновь в состояние ва­куумной пены (сингулярное состояние), из которого рождаются но­вые вселенные. В этом смысле история каждой отдельной вселенной напоминает историк) водяной капли, испарившейся с поверхности Океана. После долгих «странствий» капля-вселенная возвращается в Океан, где она покоится в слитом состоянии, в неразрывном Един­стве с другими капля! Ih, до тех пор пока не придет срок нового путе­шествия, и она вновь не по’синет порог родного Дома. «У такого мира в целом нет начала и не будет конца Он вечен и юн одновре менно. Это картина взрывающейся Вечност и»[100].

Так современная космология вернулась к представлению о вечном и бесконечном Космосе. Когда было открыто расширение Метагалактики и построены первые космологические модели, показавшие, что расшире­нию подвержено все теоретическое пространство Вселенной, которое может намного превосходить объем Метагалактики и быть даже бесконеч ным (ь случае открытой модели) — возникло представление о конечной во времени Вселенной, расширяющейся из сингулярности. Причем в случае закрытой модели такая Вселенная (единственная в своем роде, тождествен­ная всему существ; ющему) оказывалась также конечной и в пространстве (хотя и беспредельной). Дальнейшее изучение эволюции ранней Вселен­ной и причин ее расширения привело к описанной выше картине Космо­са, в которой наша Вселенная является одной из многих, других вселен­ных, возникающих из вакуумной пены. Этот Космос не сводится ни к открытой, ни к закрытой модели, хотя содержит черты к той, и другой. Подобно открытой Вселенной, он пространственно бесконечен, но рождап рщиеся в нем вселенные могут бьпт> пространственно конечны. Этот Космос существует вечно, а вселенные могут иметь свою конечную исто рию[101].

В какой мере нарисованная картина соответствует действитель­ности? Поскольку мы приблизились к переднему краю науки, мно­гие вопросы здесь остаются пока неразработанными, многие про­блемы не решенными. Но общий контур картины представляется верным. По словам И. Л. Розенталя, этот контур предстает перед нами, «как абрис стройного здания, освещенного полыхающими отблесками далеких ночных зарниц»14".

Позволим себе небольшое философское отступление. Одной из не вполне ясных проблем является природа физического вак) ума, из которого возникает Вселенная. Вспомним, что вакуум представ­ляет собой состояние материи, в котором постоянно рождаю тся и аннигилируют виртуальные частицы. Но откуда берутся эти части­цы? Физики говорят, что — из «ничего». Поэтому они считают, что Вселенная также возникает из «ничего». Крупнейший советский физик и космолог академик Я. Б. Зельдович одну из своих после­дних статей так и назвал «Рождение Вселенной из "ничего"»’49. Зель­дович подчеркивает, что рождение замкнутого мира из «ничего» не противоречит закону сохранения энергии, поскольку масса веще — ггва такого мира и связанная с нею положительная энергия полно­стью компенсируется отрицательной гравитационной энергией связи этой массы. Конечно, математически ноль всегда можно предста­вить как сумму положительного и отрицательного количеств. Но физически очень трудно представить себе возникновение чего-либо из ничего. Касаясь этой проблемы, А. М. Мостепаненко замечает, что, когда говорят о возникновении Вселенной из ничего, то, «по сути дела, имеют в зиду либо вакуум современной квантовой теории поля, либо еще более глубокий вакуум, природа которого еще не стала предметом изучения современной теории»[102].

Вернемся к виртуальным частицам. На их образование необхо­димо затратить определенную энергию. Считается, что она берется из «ничего». Физиков это не смущает, поскольку виртуальные час­тицы честно возвращают заимствованную ими энергию обратно в «ничто». Более того, физический «контролер» не успевает и прин­ципиально не может успеть зафиксировать этот акт займе гвования — отдачи энергии. Поэтому исходя из положения «не пойманный — не вор», он считает, что никаких «нарушений» не происходит. Но раз мы знаем о заимствовании энергии, мы должны поинтересо­ваться, от куда она берется. I [евозможно получить что-то из ничего. Поэтому «за пределами» вакуума должно бьпь НЕЧТО, рождаю­щее виртуальные частицы, НЕЧТО, откуда берется энергия, необ­ходимая на их рождение, и куда она затем возвращается. Это НЕ­ЧТО лежит вне пределов физической реальности, т. е. представляет собой состояние материи, не описываемое современными физичес­кими теориями. Значит, вакуум можно определить как пограничное состояние материи, отделяющее физическую реальность от того мира, который лежит за ее пределами. Так как этот мир — вне физи­ческой реальности, то, с точки зрения физики (но только с этой точки зрения!), он, действительно, представляет собою ничто (физическое ничто), хотя и является вполне материальным. Возможность существо­вания иных миров, сложенных из неизвестных нам видов материи, должна приниматься во внимание при обсуждении проблемы внезем­ного разума, ибо нельзя исключит^ того, что какие-то формы разум­ной жизни могут быть связаны с такими видами материи.

Теперь, познакомившись с представлениями о том, как рожда­ются и начинают расширяться вселенные, мы можем вернуться к нашей Вселенной, которую мы оставили в предыдущем пункте в предверии образования в ней сложной структуры.

2.2.4. Образование структуры Вселенной,, Согласно древним мифам, наш Мир произошел из Хаоса, т. е. из совершенно беспо­рядочной, бесформенной материи. Таково, в действительности, было вещество Вселенной, образовавшееся после ядерных реакций и рекомбинаций. Может ли бесструктурная материя сама из себя Выделить определенные структуры? Современная наука о самоорга­низации — синергетика отвечает на этот вопрос положительно. Самоорганизация это и есть появление макроскопически упорядо­ченных crpv ктур в первоначально бесструктурной среде. В резуль­тате самоорганизации система переходит из однородного бесструк­турного состояния в неоднородное, обладающее определенной структурой («структурированное») состояние. Иными словами, она переходит от Беспорядка к Порядку, от Хаоса к Плану. Начальное и конечное состояния системы — устойчивые, а сам процесс пере­хода, процесс самоорганизации — существенно неравновесный. Он осуществляется б iaro деря тому, что в системе возникают микроско­пические взаимодействия между частицами, в результате чего их дви­жение становится взаимосогласованным. Таким образом, самоор­ганизация проявляется как согласованный коллективный процесс.

Классическим примером самоорганизации является образование яче­истой структуры в ситиконовом масле. Если сосуд с маслом подогревать снизу, то в плоском горизонтальном слое масла возникают беспорядоч­ные неоднородности плотности. Развитие этих начальных неоднородно — стей приводит к тому, что, независимо от фирмы и размера сосуда, об­разуется вполне упорядоченная структура в виде шестигранных ячеек. Жидкость поднимается в центре каждой ячейки и опускается вблизи ее граней. Исхолное состояние системы — однородная бесструктурная жид­кость, конечное состояние — шестигранная струк гура. Существенным моментом в этом процессе является то, что для образования структуры необходим приток тепла снизу.

В общем случае процесс самоорганизации в открытых системах мож­но представить следующим образом. Поток энергии через первоначаль­но однородную среду выводит ее из равновесного состояния. В системе начинают развиваться неустойчивости, т. е. возникают случайные (сто­хастические) движения частиц. Благодаря взаимодействию частиц их движения, по крайней мере частично, становятся согласованными. Та­кое состояние называется динамическим хаосом. От истинного хаоса оно отличается наличием коллективного эффекта — согласованным движе­нием частиц. В случае истинного хаоса дчижения частиц полностью ие — Зависимы. Другое отличие динамического хаоса от истинного состоит в том, что его свойства зависят от времени Если время наблюдения мень­ше некоторого характерного времени, называемого временем переме­шивания, то движения отдельных частиц коррелированы (согласованы) между собой — в системе наблюдается определенная структура То есть динамический хаос состоим из струю ур, которые постоянно сменяют друг друга по истечении времени перемешивания. В качестве аналогии можно представить себе узоры, возникающие в калейдоскопе при его вращении Рели сфотографировать эти узоры с экспозицией, значитель­но превышающей время изменения узоров (время перемешивания), то на фотографии получим чисто хаотическую картину. Но каждый момен­тальный снимок даст опредетенную структуру, которая будет меняться от снимка к снимку. (Для истинного хаоса нобой снимок с самой корот­кой экспозицией даст полностью бесструктурную картину.)

Таким обра:,ом, если развитие неустойчивостей в системе приводит к возникновению хаоса с очень большим временем перемешивания, много большим времени наблюдения (как еслн бы мы на некоторое время оста новили вращение своего калейдоскопа), то будет наблюдаться опреде­ленная структура С этой точки зрения, процесс самоорк анизации мож­но рассматривать как рождение определенной структуры из хаоса воз­можных структур.

Очень заманчиво применить эти нден в астрономии для интерпрета ции различных космических структур. Астросипергетнка делает пока только первые шаги, но она уже добилась определенных успехов[103].

Нас интересует образование структуры Вселенной из первона­чально бесструктурной материи ^Космического хаоса). Решающую ноль в этом процессе играло тяготение. В однородном веществе всегда существуют хотя бы небольшие ф. [уктуации плотности При определенных условиях они под действием тяготения начинают уплотняться (мы касались этого вопроса в пункте, посвященном об­разованию звезд), в результате однородное вещество распадается на отдельные сгустки. Этот процесс называется ггавитационной неус­тойчивостью. Именно гравитационная неустойчивость и ответствен­на за образование структуры Вселенной.

Во Вселенной первичные флуктуации плотности образовались с самого начала, еще при распаде вакуумно-подобного состояния. Они н явились теми семенами, из коюрых позднее образовались скоп­ления галактик и отдельные 1алактики. В процессе эволюции Все­ленной до эпохи рекомбинации все неоднородности с малой мае сой затухают, и в нейтральном веществе, оказавшемся после реком­бинации, остаются только массивные неоднородности. Из них-то и образуются галактики и скопления галактик. Надо отметить, что величина отклонения плотности от среднего значения в этих флук — гуациях Ар/р в момент рекомбинации очень мала (это следует из наблюдений реликтового излучения), так что вещество практичес­ки является однородным. Но под влиянием гравитации неодно­родности начинают уплотняться — развивается гравитационная не устойчивость. Из теории, развитой Л. Б. Зельдовичем и его сотруд­никами, следует, что в результате сжатия образуются тонкие плоские образования, которые авторы назвали «блинами». Масса «блинов» порядка массы скоплений галактик. Вероятно, они представляю"- собой протоскопления. Линии пересечения «блинов» образуют плотные волокна, а пересечение волокон — плотные узлы. Из них обра |уются сверхскопления и самые богатые скопления галактик. Эволюция «блина» приводит к тому, что в его центральных частях вещество распадается на сгустки порядка массы галактик, а во вне­шних частях остается нагретый газ, который входит в состаь фор­мирующегося скопления.

Разумеется, это очень грубая картина. Существуют и другие ва рианты теории. Процесс формирования структуры Вселенной до конца не ясен. Но каковы бы ни были детали этого процесса, ясно, что в основе его лежит гравитационная неустойчивость.

Мы видели, что в процессе самоорганизации в открытых системах неустойчивость, развитие которой приводит — к образованию определен­ной структуры, возникает за счет притока энергии извне. Вселенная не является открытой системой, поэтому в ней развитие неустойчивостей может происходить только за счет внутренней энергии. Конечно, такой энергией служит энергия гравитационного пола Следует отметить одно важное обстоятельство. По мере развития гравитационной неустойчиво­сти и образования все новых и новых структур энтропия Вселенной воз растает При этом рост чнтропии сопровождается появлением все новых и новых структур, и процессы не замирают, как можно было бы ожп дать, а развиваются. За счет чего это происходит? Счастливое для Все ленной (и для нас с вами) обстоятельство состоит в том, что гравитаци­онная энергия отрицательна В процессе уплотнения сгущений потенци альная гравитационная энергия уменьшается (модуль ее растет, а сама энергия, будучи отрицательной, уменьшается). А так как полная энергия системы, равная сумме потенциальной и кинетической, сохраняется, то уменьшение потенциальной энергии сопровождается ростом кинетичес кой. Положительная кинетическая энергия (не даром ее назвали «живая сила») может переходить в другие виды энергии и, следовательно, слу­жить источником самых разнообразных процессов. Поэтому рост энт­ропии, сопровождающий развитие гравитационной неустойчивости, не приводит к замиранию процессов во Вселенной.

Развитие гравитационной неустойчивост и во Вселенной означа­ет, что в ней развивается динамический хаос. «Бели Вселенная нахо­дится в состоянии динамического хаоса, — отмечает И. К. Роз — гачева, — то ей с) ждена эволюция с бесконечной сменой структур, которые могут оказаться более совершенными, чем наблюдаемые нами галактики, звезды и живые существа. Встав на эту точку зре­ния, можно не согласиться с замечанием С. Вайнберга, что "чем постижимей представляется Вселенная, тем более она кажется бес смысленной". Конечно же в имеальном хаосе нет ни смысла, ни гар­монии. В космическом же хаосе есть "законы, охраняющие сокро­вища жизнн, коюрыми украшает себя Вселенная" (Гете)»[104].

2.2.5. Будущее Вселенной. Как бы интересна ни была история Вселенной — она уже состоялась, и мир, в котором мы живем, су­ществует. А какова дальнейшая суцьба этого мира и населяющих его разумных существ, каково будущее Вселенной? В отличие от про­шлого, которое оставило свои следы, помогающие воссоздать исто­рию Вселенной, будущее не имеет следов в нашем мире Изучение ето может основываться только на экстраполяции протекающих се­годня процессов. Зная законы механики, мы можем на много лет вперед нредвычислять положение планет, предсказывать солнечные затмения и т. д. Точно так же, зная законы развития Вселенной, можно предсказать ее будущее. Чем точнее мы знаем законы эволю ции, и чем ближе по времени рассматриваемый момент к современ­ной эпохе — тем точнее будут наши предсказания. Не исключено, что в будущем (в реальной Вселенной, а не в нашей идеальной моде­ли!) возникнут такие условия, при которых проявятся неизвестные нам законы природы. Тогда наши предсказания, основанные на известных сегодня законах, окажутся неточными, а для далекого будущего — неверными. Все это надо иметь в виду при изучении будущего Вселенной. С учетом этих оюворок рассмотрим, какова картина будущего, вытекающая из установленных на сегодня фун­даментальных законов физики, какова судьба окружающего нас физического мира.

Мы видели, что будущее развитие Вселенной зависит от плотно­сти материи. Если средняя плотность физической материи меньше или равна критической, Вселенная будс1 расширяться неограничен­но; если она больше критической — расширение сменяется сжати­ем. Рассмотрим оба сценария в отдельности. Начнем с открытой модели.

В своей увлекательной книге «Как взорвалась Вселенная» И. Д. Новиков приводит слова одного из создателей современной космологии бельгийского астронома Ж. Лемсгра: ^Эволюцию мира можно сравнить со зрелищем фейерверка, который мы зас­тали в момент, кслда он уже кончается: несколько красных уголь­ков, пепел и дым. Стоя на ос. ывшем пепле, мы видим медленно угасающие солнца и пытаемся воскресить исчезнувшее великоле­пие начала миров»’53. Похоже, что аббат Леметр несколько сместил акценты. Наша Вселенная, скорее всего, находится в самом рас­цвете своего развития. Но несомненно, что в будущем, когда ис­черпаются запасы ядерного горючего в звездах, они перестанут светить, превратившись в холодные черные карлики (см. п. 2.1.3). Это произойдет через 1014 лет. Любопытно, что длительность (вез — дной стадии эволюции Вселенной по порядку величины совпадает с Махакальпой (см. стр. 258).

По окончании звездной стадии галактики будут состоять из ос­тывших звезд и черных дыр, образовавшихся при вспышках сверх новых. Сами галактики также постепенно разрушаются. Это проис­ходит из-за того, что отдельные звезды в результате гравитационно­го взаимодействия с другими звездами (очень редко, но все же1 приобретают большую скорость, при которой они покидают га­лактику. Этот процесс аналогичен медленному испарению воды при комнатной "температуре. В результате тако. о «испарения» зве. тды будут постепенно уходить из галактики, а ее центральная часть бу­дет понемногу сжима п»ся. В конце концов, около 90 % всех звезд рассеются в npoci ранстис, а оставшиеся в центральной части галак­тики поглотятся черной дырой, нгходящейся в галактическом ядре. Процесс завершится через 10’v лег. К концу этого периода Вселен­ная будет состоять из рассеянных в пространстве остывших звезд, планет и черных дыр с массой от нескольких масс Солнца до 10’° М@. Останется также крайне разреженный межзвездный газ, масса

Is.? Цитируется по книге: Новиков И Д. Как пяорналлсь BcfridMto —М.: Наука, 1988. С. 162-1.63.

Которого составляет около 1 % от всей массы Вселенной. Этой, ка­залось бы, незначительной составляющей в дальнейшем суждено сыграть важнейшую роль в эволюции Вселенной.

Что же произойдет дальше? Во Вселенной идет очень медлен­ный, но неуклонный процесс разрушения самого вещества, связан­ный с распадом протона. Время жизни прогона порядка 1032 лет. Оно невообразимо велико по сравнению с современным возрастом Вселенной, поэтому протон считается очень стабильной частицей. Но все же оно не бесконечно! Через 1032 лет все вещество звезд и планет полностью распадется. Образующиеся в процессе распада позитроны аннигилируют с элекгронами, в результате остаются толь­ко фотоны и нейтрино. Что касается межзвездного газа, то при его распаде из-за крайней разреженности вещества вероятность столк­новения электрона и позитрона очень мала, поэ тому анниг иляция не происходит, и, наряду с фотонами и нейтрино, образуется очень разреженная электрон-позитронная плазма.

Остаются еще черные дыры, но основная масса Вселенной пос­ле распада вещества будет сосредоточена в излучении (фотонах и нейтрино"54). В теории горячей Вселенной мы видели, что плот­ность излучения убывает быстрее, чем плотность вещества. Поэто­му через 1033 лет плотность материи будет определяться массою ве­щества, а не излучения. Вещество в это время будет состоять из элек- трон-позитронной плазмы и черных дыр, в которых и будет сосредоточена основная масса Вселенной. Но и это еще не конец. Оказывается, черные дыры тоже не вечны. Около черных дыр про­исходит рождение квантов излучения. Это приводит к уменьшению массы черной дыры — черная дыра «испаряется», превращаясь в фотоны, нейтрино и гравитоны. Процесс этот чрезвычайно мед­ленный, но тоже не бесконечный. Черная дыра с массой 10 М@ «испарится» за 1064 лет, а сверхмассивная черная дыра с массой 10"’ Ме — за 1096 лет. По истечении этого времени все черные дыры превратятся в излучение, и оно вновь станет доминирующим по массе. Однако вследствие расширения Вселенной, так как плотность излу­чения, как уже неоднократно отмечалось, падает быстрее плотнос­ти вещества, то уже через 10")() лет плотность излучения станет нич­тожно малой по сравнению с плотностью электрон-позитронной плазмы.

Начиная с этого момента дальнейшая трансформация материи во Вселенной прекрати. ся. Вселенная будет состоять из электронов и позитронов, концентрация которыч будет уменьшаться с расширени­ем Вселенной. При T = 10,uo лет плотность электрон-позитронной плазмы будет соответствовать одной частице на обьем, равный ]0’85 объемам наблюдаемой сеюдня Вселснной (!), и эта плотность будет еще убывать со временем Воображение теряется перед такими вели­чинами! И все же означает ли это, что в той невообразимо далекой Вселенной невозможны никакие формы жизни и разума?

«Конечно, с нашей сегодняшней точки зрения, — пишет И. Д. Новиков, — все процессы в будущем будут чрезвычайно за­медлены. Но это с нашей точки зрения! Ведь и пространственные масштабы тода буд)т несравненно грандиознее современных. На­помним, что в самом начале расширения «пашей» Вселенной, кода температуры были, например, 1027 К и происходили процессы рож­дения вещества, текли бурные реакции, продолжительность кого рых исчислялась КГ34 с, а масштабы 10 24 см С точки зрения тех процессов, сегодняшние события в «нашей» Вселенной, в том чис­ле наша жизнь, это нечто невероят но протяженное в пространстве и очень медленное. Вселенная ие считается с нашими вкусами. В будущем жизнь «нашей» Вселенной будет продолжаться, хотя и в весьма своеобразных формах»’55. Это очень поучительное рассуж­дение, приучающее нас к осознанию относительности наших при­вычных представлений, когда речь идет о категориях Космоса.

Но не все космологи согласны с таким рассуждением. Они дума­ют, что если жизнь и возможна в таких условиях, то это будет жизнь в темном и очень скучном мире. Поэтому они называют эту эпоху темной, и то1да наша эпоха — эпоха сущест вования биоло! ической жизни — предел авляется как очень тонкий во времени переходный слой от Инфляции и Большою взрыва к Темному времени[105].

Будет ли «темное время» длиться бесконечно? Если бы А-член был равен нулю, то так бы оно и было — расширение Вселенной в открытой модели с А = 0 замедляется под действием фавитации, но длится бесконечно (см. рис. 2 2.3). Но, как мы уже отмечали, наблюдения свидетельствуют, что в нашей Вселенной А член не ра­вен нулю — в ней присутствует «вакуумная материя» (вероятно, ос­тавшаяся от фазы инфляции), которая приво [ит к тому, что Все­ленная в современную эпоху расширяется ускоренно. Что же будет с ней дальше? Под влиянием ускоренного расширения плотность обычной материи будет быстро убывать, а плотность «вакуумной материи» (ее еще называют «квинтэссенцией») будет оставаться по­стоянной. И вот в этих условиях возможна ситуация, когда вновь начнется инфляция, которая приведет к рождению новой мини — вселенной. Начнется новый круг эволюции. Образовавшаяся в кон це инфляции плазма будет развиваться по законам горячей модели. Эра излучения сменится эрой вещества, образу ются ] алактики, звез­ды. возникнет жизнь и разум. Затем все повторится вновь. Если это так — история Вселенной будет сосюять из периодов существова­ния биологической (или иной?) жизни, разделенных эпохами «тем­ного» времени. Это очень напоминает представления древнеиндий­ской космологии о чередовании манвантар (периодов активного существования Вселенной, когда она проявляется из непроявленно — го состояния) и пралай (когда все процессы на доступном нам пла­не Бытия замирают).

Рассмотрим сценарий развития для замкнутой Вселенной После того как будет достигнуто максимальное значение радиу са, Вселен­ная начне! сжиматься. Полное время ;ущес] вования замкнутой Все­ленной (период расширения-сжатия от сингулярности до сингуляр­ности) меньше длительности звездной стадии Вселенной. Из-за это­го звезды не успевают спокойно закончить свой век. Они будут разрушены в результате бурных процессов, сопровождающих сжа­тие Вселенной на последних этапах. Примерно за миллион лет до новой сингу. шрности начнут разрушаться звезды главной после­довательности. За 100 с до сингулярности разрушатся белые карли­ки, за 10"4 с — нейтронные звезды. Когда до новой сингулярности останется меньше чем 10"35 с, вероятно, должны произойти фазовые лереходы в вакууме, приводящие к возникновению сверхплотного ва­куумно-подобного состояния. Сдновременно степенной (фридма — новский) закон сжа(ия Вселенной должен смениться на экспоненци — гльный, соответствующий де-ситтеровской модели. То есть конец Все­ленной является как бы зеркальным отражением ее начала. В конечном итоге, замкнутая Вселенная, возникающая из вакуумной пены, вновь возвращасгся в нее. И из этой «пены» рождаются новые вселенные. Мы уже отмечали, что история каждой отдельной вселенной напо­минает историю водяной капли, испарившейся с поверхности Океа­на и после долгих «странствий» вновь возвратившейся в него. В этом вечно бурлящем Космосе постоянно рождают^ новые вселенные и поэтому в нем, как подчеркивает И. Д. Новиков, всегда будут суще­ствовать достаточно большие области (подобные нашей Вселенной), способные поддерживать жизнь известного нам типа.

Насколько достоверны рассмотренные нами сценарии? И. Л. Ро — зенталь замечает в этой связи, что любой сценарий весьма далек от отснятого фильма. «Все же, — пишет он, — представляется, что мы достаточно продвинулись в понимании качественной картины… однако наших знаний недостаточно, чтобы количественно оценить детали этой картины»[106]. Это — задача будущей науки. И хотя она пока не создана, некоторые черты ее предугадываются, просматри­ваются уже в настоящее время.

Была Тьма: скрытое сперва во ^ьмс все это было бесформенным Хаосом. Все, что существовало тогда, было пустым и бесформенным, Великой силой тепла рождено было это Единое.

Ригведы «Песнь Творения»

На ранней стадии эволюции Вселенной, в первые минуты после начала расширения, плотность вещества была очень велика. При такой плотности должны были протекать ядерные реакции. Харак тер их существенным образом зависит от температуры. Была ли Вселенная в это время холодной или горячей?

Исторически первой еще в 1930 е г оды была рассмотрена мо­дель холодной Вселенной. Предполагалось, что все вещество суще­ствовало в виде холодных нейтронов. Однако, как выяснилось по­зднее, в такой Вселенной в результате цепочки ядерных реакций (с образованием протона, дейтерия и т. д.) все вещество, в конце кон­цов, преврагилось бы в гелий. Это противоречит наблюдениям, по­скольку подавляющая часть вещества Вселенной состоит из водоро­да. Другой вариант теории холодной Вселенной был предложен Я. Б. Зельдовичем в начале 60-х годов. Он предполагал, что перво­начально холодное вещество Вселенной состояло из смеси прого­нов, электронов и нейтрино. При расширении Вселенной такая смесь должна была превратиться в чисто водородную плазму. Что касается гелия и дру1 их химических элементов, то, согласно этой гипотезе, они синтезировались много позднее, после тою, как образовались звезды. В отношении всех элементов, кроме гелия, это справедливо. Но обилие гелия (30 % от всего вещества Вселенной по массе) невоз­можно объяс нить ядерными реакциями в звездах.

Модель горячей Вселенной была предложена рогсийско- амери­канским физиком Г. Гамовым в 1948 г. Гамов стремился объяснить происхождение всех химических элементов ядерными реакциями, которые про екали в торячем веществе ранней Вселенной при се расширении. Это была неверная посылка, ибо, как мы теперь зна­ем, элементы тяжелее гелия образуются в звездах. Однако сама идея о горячей Вселенной оказалась правильной.

Один из выводов, кот эрый вытекал из теории Гамова, состоял в том, что в настоящее время во Вселенной, помимо излучения звезд (и других источников), должно существовать электромагнитное из­лучение, образовавшееся в ту далекую :чюху, когда никаких звезд еще не было, а Вселенная представляла собой однородную торя — чую плазма В этой плазме, состоящей, в основном, из электронов и протонов, все частицы, тесно взаимодейст вуя, находились в равно­весии между собой и с излучением. При взаимодействии протонов и электронов образовывались нейтральные атомы, но они тут же разрушались под дейс твием кван гов элекгромаг нитного излучения Процессы ионизации уравновешивались рекомбинациями, и вся эта плазма вместе с иг лучением, участвуя в общем космолот ическом рас­ширении Вселенной, постепенно охлаждалась. Когда температура ее упала до 4000 К, энергия квантов стала уже недостаточной, что­бы ионизовать вещество. Равновесие нарушилось, процессы реком­бинации стали преобладать над ионизацией — в результате реком­бинации образовалось нейтральное вещество. С этого момента Все­ленная стала прозрачна для излучения. Излучение практически перестало взаимодействовать с веществом, оно как бы отделилось от него и стало эволюционировать независимо. Эволюция вещества привела к образованию того сложного, многообразного Мира, в котором мы живем. А излучение продолжало равномерно запол­нять все пространство, только плотность его с расширением Все­ленной уменьшалась, и температура тоже палата. В настоящее время температура этого реликтового излучения-37, согласно расчетам Га — мова и его сотрудников, должна составлять несколько Кельвинов. Ьсли бы мы могли наблюдать это излучение, мы бы получили ин­формацию о далекой, дозвсздной стадии эволюции Вселенной, Koi да в результате рекомбинации образовалось нейтральное вещество.

Несмотря на столь фундаментальный вывод, вытекающий из те­ории Гамова, никто не пытался его проверить. Видимо, все эти те­оретические построения представлялись экспериментаторам слиш­ком отвлеченными, далекими от действительности. (Игра ума тео­ретиков! Разве можем мы знать, что происходило во Вселенной в такую отдаленную эпоху?!) Надо сказать, что сам Гамов не надеялся на обнаружение реликтового излучения, так как полагал, что оно полностью маскируется излучением звезд, возникших на более по­здней стадии эволюции Вселенной В 19 64 г. советские астрофизи­ки А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков показали, что хотя общее количество энерши реликтовот излучения сравнимо с излучением I алакт ик, но в сантиметровом и миллиме тровом диапазонах радио­волн оно значительно превышает излучение всех остальных радио­источников и, следовательно, его можно обнаружить. Эта работа еще не была в полной мере осознана, когда в 1965 г. реликтовое излучение было открыто чисто случайно американскими физика­ми Р. Вилсоном и А. Пензиасом с номощыо 7-метровой рупорной антенны, предназначенной лля наблюдения искусст венного спут­ника Земли «Эхо». Таким образом, теория горячей Вселенной по лучила экспериментальное подтверждение, а Пензиас и Вилсон за открытие реликтового излучения были удостоены Нобелевской премии.

Максимум энергии реликтового излучения приходится на длину волны около 1 мм, а распределение энергии по спектру соответствует чернотельному излучению с температурой около 3 К. Как уже отме­чалось, реликтовое излучение равномерно заполняет все простран­ство. В современную эпоху плотность энер1ии реликтового излуче­ния составляет приблизительно 5 • 10~13 эрг/см3, энергия одного фо­тона около Ю-‘5 эрг, следовательно, в одном кубическом сантиметре содержится 500 фотонов реликтового излучения. Это очень боль шая величина. Для сравнения напомним, что концентрация атомов водорода — самого распространенного элемента, в котором сосре­доточена практически вся «вещественная» масса Вселенной, состав­ляет 3 • 10~7 см "3 (один атом водорода илн один протон на несколько кубических метров). Следовательно, отношение числа фотонов к числу частиц вещества порядка 109, т. е. на каждый атом вещества приходит­ся миллиард реликтовых фотонов. Согласно соотношению Эйнш­тейна эквивалентности массы и энергии (Е = тс1), плотности энер­гии реликтового излучения е1ш = 5 • 1013 эрг/см-3 соответствует плот­ность массы р = 5-10"34 г/см3, что приблизительно в 1000 раз меньше, чем плотность массы обычно) о вещества рл щ = 3 • 10~3|г/см3. Таким образом, хотя по числу частиц реликтовых фотонов в. милли­ард раз больше, чем частиц вешества, они дают вклад в плотность Вселенной в 1000 раз меньший. Это относится к современной эпохе. Но так было не всегда Дело в том, что при расширении Вселенной концентрация частиц и плотность вещества убывае т пропорциональ­но а’г (напомним, что а — масштабный фактор); концен. рация фо­тонов также убывает пропорционально я 3, но, помимо этого, из-за красного смещения частота излучения и, следовательно, энергия (Е = Av) каждого фотона убывает как а’1. Значит, плотность излуче­ния убывает пропорционально а 4, т. е. быстрее, чем для вещества. Отношение f» (/р1Ш A{T). В современную эпоху оно равно 103, но с течением времени, по мере возрастания масштабного фактора из-за расширения Вселенной, эта величина будет расти. Напротив, в про­шлом отношение р11сЩ /рнм было меньше, чем сейчас. В эпоху, когда масштабный фактор (а значит, и размер Метагалактики) был в 1000 раз меньше современного значения, плотность вещества равнялась плотности излучения. Это о ютветствует эпохе, когда с начала расши­рения Вселенной прошло около 300 000 лет. При T > 3-105лет PnLiu>Pnxn плотность Вселенной определяется веществом; этот период развития Вселенной, в который живем и мы с вами, называется эрой вещества. При T < 3 ■ 105лет р11И>рпС11„ плотность Вселенной опреде­ляется излучением; coo Irc IСт вующая эра в развитии Вселенной назы­вается эрой излучения.

Выше речь шла о плотности вещества и излучения. Что касается отношения числа фотонов к числу частиц вещества, то, поскольку концентрация и тех и других с расширением Вселенной падает как я"3, отношение |фОТ/и11укл со временем не меняется и равно 10" Воз­никает вопрос — почему это отношение столь велико? Ведь, если в горячей Вселенной на раннем этапе все частицы находились в рав­новесии, то число частиц разного гипа должно было быть пример­но равным. Но как только мы задумываемся над этим вопросом, возникает другой, гораздо более важный вопрос — а почему, вооб­ще, существует вещество в нашей Вселенной? Ведь если когда-то все частицы находились в равновесии, то число частиц должно было равняться числу античастиц. Почему же тогда образовалось только вещество, куда делось антивещество? Конечно, для нас это обстоя­тельство весьма благоприятно, ибо если бы во Вселенной существо­вало в равных количествах вещество и антивещество, го в какой-то момент оно должно было аннигилировать, и тогда весь Мир состо­ял бы только из излучения. Разгадка этих проблем, как оказалось, кроется в самых ранних этапах эволюции Вселенной, когда после сингулярности прошли ничтожные доли секунды.

[Сак близко можно подойти к сингулярност и, двигаясь назад во времени, и как определить условия в ранней Вселенной? Теория го рячей Вселенной дает простые соотношения для масштабного фак тора, плотности и температуры в любой момент времени для ран­ней Вселенной:

A(T) ос /1/2; р(/) ос а"4 ос г2; Т°с ос г|/2

Или:

,. 510s. , т 10,оК , ч, ЧЗК

Р(/) = —— г/см3; T = —jj— a(t) = a(t0)—

Здесь T — время в секундах, отсчитываемое от сингулярности, T0 — Современный момент времени.

В своей замечательной книге «Первые три минуты»’38, изданной в 1977 г., С. Вайнберг начинает историю Вселенной с момента T = 0.01 с, когда температура составля [а 10" К (в 10 тыс. раз выше, чем в недрах Солнца). Современные космологи идут гораздо даль­ше, они начинают с момента / = 3 • Ю-44 с. Эт о так называемое нлан — ковское время. Дальше к синг улярности дви1 аться уже невозможно, ибо здесь начинают сказываться квантовые эффекты, и привычное нам понятие времени теряет смысл. Мы начнем описание истории горячей Вселенной с момента T = 10 34 с; более ранний период будет рассмотрен в следующем пункте.

,3Ч Вайнберг С Первые трн минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной —М 1 Энергонздат, 1981.

При T = Ю-34 с температура состаьляла 1027 К, радиус Метагалак­тики равнялся 30 см (!), а плотность составляла Ю7* г/см3. Темпе­ратуру Т = 1027 К называют температурой великого объединения, ибо при этой температуре crapaei ся различие межд> гремя видами физических взаимодействий — электромагнитным, сильным и сла­бым. Существует Единое физическое взаимодействие, проявлением которого при меньшей температуре является электрослабое и силь­ное взаимодействие. Но здесь нам придется сделать небольшой экс­курс в физику элементарных частиц.

Все многообразие физических сил и взаимодействий, существу­ющих в природе, сводится к четь. рем основным взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному. Грави­тационное взаимодействие — сила всемирного тяготения дейст вует на все тела и частицы. По сравнению с дру1 ими взаимодействиями. оно очень слабо и в мире элементарных частиц практически не ска — 31 твается. Тяготение становится заметным на больших расстояниях и для тел достаточно большой массы. Электрома1 яитные силы опре­деляют взаимодействие между заряженными частицами. Было время, когда электрические и магнитные явления, известные с незапамятных времен, рассматривались как совершенно независимые. Но затем была установлена тесная взаимосвязь межд»’ ними: движение электричес­ки} зарядов порождает магнитное поле, а изменение магнитного поля создает электрический ток. В теории Максвелла электрические и маг­нитные явления были объединены в единое электромагнитное взаи­модействие. Слабые взаимодействия характеризуют все типы про­цессов с элементарными частицами, в которых принимают участие нейтрино. Они, в час гности, ответст венны за распад нейтрона и, сле­довательно, за процессы радиоактивною распада. В отличие от гра­витационного и электромагнитного взаимодействий, которые изме­няют только внешнее состояние движения частиц, слабое взаимодей­ствие меняет вну треннюю природу самих частиц (например, нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино). В обычных условиях слабое взаимодействие слабее электромагнитного и тем более силь­ного (отсюда и его название), но оно значительно сильнее гравита­ционного взаимодействия. Наконец, сильное взаимодействие харак­теризует ядерные силы, которые удерживают протоны и нейтроны в атомных ядрах. Важной особенностью сильных и слабых взаимо­действий является то, что они действуют только на очень малых рас­стояниях. Радиус действия ядерных сил порядка 10~13 см, а радиус действия «слабых» сил порядка 10"’6 см. Поэтому в обычных масш­табах эти силы не оказываются, здесь действуют только гравитацион­ные и элект рома] нитные силы.

В соотвс тствии с типами взаимодействий, все элементарные час­тицы делятся на два больших класса, сильно взаимодействующие частицы, или адроны, и частицы, не участвующие в сильных взаи­модействиях, — лептоны. К последним относятся: электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино — электронное, мюонное и тау — нейтрино (а также соответствующие античастицы). Что касается адронов, то в последние десятилетия было установлено, что они, строго говоря, не являются элементарными част ицами: адроны со­стоят из фундаментальных частиц — кварков. В обычных условиях (т. е. в тех условиях, которые имеют место во Вселенной в совре­менную эпоху) кварки в свободном виде не встречаются, они суще­ствуют только в составе адронов. Силы, которые удерживают квар­ки в составе адронов, также относятся к сильному взаимодействию. Адроны, в свою очередь, подразделяются на два типа частиц: мезо­ны и барионы. Каждый мезон состоит из кварка и антикварка, а барион — из грех кварков. К барионам относятся протоны, нейт­роны и нестабильные частицы — i ипероны. Полное число имею­щихся в системе барионов минус число антибарионов определяет барионный заряд. Если число барионов равно числ) антибарио­нов, то барионный заряд равен нулю.

Физические взаимодействия осущесть^шются с помощью особых частиц-переносчиков. Переносчиками гравитационного взаимодей­ствия являются кванты гравитационного поля — гравитоны, пере­носчиками электромагнитного взаимодействия — фотоны, а пере­носчиками сильного взаимодействия — глюоны. В отличие от час­тиц материи — ферминов, к которым относятся и адроны, и лег. гоны, частицы-переносчики называются бозонами. К ним относятся фо­тоны, гравитоны, глюоны и другие виды бозонов. Так, переносчи­ками слабого взаимодействия являются три вида частиц: W’, W и Z°-6030Hbi. Эти частицы обладают большой массой и для их обра — зозания надо затрат ить очень большую энергию. При температуре Т > 10|5К, когда энергия частиц превышает 100 ГэВ, WT, W" и Z°-6030Hbi рождаются столь же легко, как и у-кванты. При этих ус­ловиях исчезает различие между слабым и электромагнитным взаи­модействиями, и они объединяются в единое электрослабое взаи­модействие. При еще более высокой температуре Т = 1027 К, когда энергия част иц состав шет 1014 ГэВ. исчезает различие между силь­ным и эл^ктрослабым взаимодействием, и они объединяются в еди­ное универсальное взаимодействие (взаимодействие великого обье динения). Переносчиками этого взаимодействия являются сверхтя­желые частицы X и Y бозоны. С их помощью кварки могут iпревра­щаться в лептоны и антикварки, т. е. стирается грань между основными типами элементарных частиц.

Теперь мы можем вернуться к ранней Вселенной в момент, когда от начала расширения прошло 10"34 секунды. При T < 10~34 с темпе­ратура Т> 1027К, т. е. больше температуры великого объединения. При такой температуре адроны распадаются на кварки, значит, силь­но взаимодействующие частицы существуют только в виде свобод­ных кварков. Вселенная состоит из кварков, лептонов и фотонов. Все частицы находятся в равновесии, кварки свободно переходят в лептоны и наоборот, частицы переходят в античастицы. Число ча­стиц равно числу античастиц, в том числе число кварков равно чис­лу антикварков. Полный электрический заряд и барионный заряд равны нулю. Эта чудовищно горячая динамичная смесь взаимопрев- ращающихся частиц и есть та Первичная «Огненная» Субстанция Физического Мира, из которой, в конце концов, возникает извест­ная нам Вселенная со всем многообразием существующих в ней форм материи. Рассмотрим главные этапы эволюции горячей Вселенной.

При T > 10"34 с температура падает ниже 1027 К. При такой тем­пературе тяжелые Х-бозоны не образуются, а существующие начи­нают распадаться. Теперь уже кварки не могут превращаться в леп­тоны, происходит разделение великого взаимодействия на сильное и Злектрослабое. Одновременно, благодаря несимметрии в свой­ствах частиц и античастиц, при распаде Х-бозонов нарушается рав­новесие между кварками и антикварками. Возникает избыточный барионный заряд, равный 10~9 на одну частицу. Это значит, что число барионов на одну миллиардную часть превосходит число ан — гибарионов. Но именно эта ничтожная разница в числе барионов и антибарионов приводит впоследствии к возникновению мира из ве­щества. Как это происходит?

Прежде всего при температуре порядка 3 • 1012 К кварки объеди­няются в ядерные частицы — образуются протоны и нейтроны. При этом барионный заряд сохраняется, т. е. число нуклонов[96] на одну миллиардную превышает число антинуклонов. Так как пол­ный электрический заряд остается равным нулю, то имеется также небольшой избыток электронов над позитронами порядка 10 9, от­рицательный электрический заряд которых компенсирует положи­тельный заряд избыточных протонов. Этот избыток электронов возник одновременно с возникновением избыточного барионного заряда. Почти сразу же после образования ядерных частиц при Т~ 1012 К (/ = Ю"4 с) происходит аннигиляция нуклонов н антинук­лонов. При этом остаются только избыточные нуклоны, для кото­рых не хватило соответствующих античастиц. Эти избыточные нук­лоны и образуют основу современного вещества Вселенной. Если бы не было этого небольшого числа избыточных нуклонов, мир бы сей­час был практически «пустым» (т. е. лишенным вещества). Так как основная масса нуклонов аннигилировала, образовав кванты элект­ромагнитного излучения, то отношение числа оставшихся частиц к фотонам «,1ук.,/ИфОТ = 10~’J. Это как раз та величина, которая наблюда­ется в современной Вселенной, что является свидетельством правиль­ности нарисованной картины.

В течение всего периода до аннигиляции нуклонов основная мас­са Вселенной была сосредоточена в адронах. Поэтому этот период получил название адронная эра. Она длилась примерно от 3 • 10-35 с до 10"4 с. Аннигиляция нуклонов знаменует конец адронной эры. Поскольку почти все адроны аннигилировали, оставив лишь ничтож­ный избыток = 10"9, то основная масса Вселенной после аннигиля­ции сосредоточилась уже не в адронах, а в лептонах. Соответствую­щий период в истории Вселенной получил название лептонная эра. Она длилась от 10"4 до 100 секунд. Вселенная в этот период состоит из лептонов (т. е. электронов, позитронов, нейтрино и антинейтри­но), а также из фотонов и остаточного числа нуклонов, образовав­шихся после аннигиляции. В начале лептонной эры, когда температу­ра была еще очень высока, все частицы находились в термодинами­ческом равновесии, тесно взаимодействуя друг с другом. В середине лептонной эры, при t = 0,2 с, когда температура упала до 2 • 1010 К, происходит важное событие в жизни Вселенной: нейтрино переста­ют взаимодействовать с электронно-позитронной плазмой, так как их энергии уже недостаточно для образования пары электрон-по­зитрон. Начиная с этого момента, они отделяются от вещества и не­зависимо от него (не взаимодействуя с веществом) участвуют в общем расширении Вселенной. Эти реликтовые нейт рино должны существо­вать и в настоящее время, их температура (упавшая из-за расширения Вселенной) в современную эпоху составляет 2 К, а концентрация рав­на 450 частиц в куб. см (всех видов нейтрино). Если бы нам удалось зарегистрировать эти нейтрино, мы могли бы «зактянуть» в эпоху, отстоящую от сингулярности всего на 0,2 с (!), т. е. значигельно бли­же, чем с помощью реликтовых фотонов. К сожалению, обнаруже­ние реликтовых нейтрино находится пока за пределами эксперимен­тальных возможностей.

Спустя примерно 10 с после начала расширения Вселенной, когда температура упала до 3 — 10У К, началась аннигиляция эл :ктроноь и позитронов. Этот процесс закончился приблизительно через 3 ми­нуты (при Т~ 109 К). В результате электроны и позитроны превра­тились в кванты электромагнитного излучения, остался лишь не­большой избыток электронов, отрицательный электрический заряд которых в точности компенсирует положительный электрический заряд избыточных протонов. Выделившаяся при аннигиляции энер­гия пошла на увеличение температуры фотонного газа. Температу­ра нейтринного газа осталась без изменения, так как нейтрино не взаимодействуют ни с веществом, ни с излучением. Благодаря этому современная температура реликтовых фот >нов (3 К) на 1 К выше температуры реликтовых нейтрино. Поскольку большая часть леп — тонов проаннигилировала, основная масса Вселенной сосредото­чилась теперь в фотонах. Наступила эра излучения, о которой мы упоминали выше. Эта эра длилась несколько тысяч лет.

В самом начале эры излучения, приблизительно через 5 минут после начала расширения, когда температура упала ниже 109 К, на­чался процесс нуклеосинтеза — образование ядер гелия в резуль­тате цепочки ядерных реакций (с участием дейтерия). Этому пред­шествовал процесс распада нейтронов — превращения их в прото­ны. К моменту начала ядерных реакций (длившихся всего несколько секунд) доля нейтронов ненамного превышала 10 %, все они в ре­зультате реакций оказались связаны в ядра гелия. Таким образом, масса нуклонов (протонов и нейтронов), сосредоточенных в яд­рах 4Не, составила 25 % от общей массы нуклонов. Оставшиеся 75 % пришлись на долю прогонов, которые в конце эры излуче­ния, после рекомбинации, вошли в состав атомов водорода. Сле­довательно, первичное вещество Вселенной должно было на 75 % состоять из водорода и на 25 % из гелия. Это соответствует на­блюдаемому химическому составу. Правда, в современную эпоху гелия несколько больше — около 30 %, но ведь часть гелия образу­ется в звездах. Объяснение наблюдаемого обилия водорода и ге­лия, как н предсказание реликтового излучения, является важ­Ным достижением горячей модели и всей фридмаиовской кос­мологии

После периода ядерных реакций ионизированный водород и ге­лий еще долго находятся в равновесии с излучением, и только через 200 ООО лет, когда температура водородно-гелиевой плазмы упала до 4000 К, произошла рекомбинация и вещество отделилось от излуче­ния. Спустя еще около 100 тыс. лет, при температуре меньше 3000 К, плотность образовавшегося нейтрального вещества превысила плот­ность да лучения. Началась эра вещества. В это время Вселенная была в 1000 раз меньше, чем сейчас. С переходом к эре вещества изменил­ся и закон расширения Вселенной: до этого масштабный фактор уве­личивался со временем пропорционально /1/2, а с переходом к эре вещества этот закон сменился законом A(T) «* T2/3.

Некоторые параметры Вселенной в различные периоды ее эво­люции приведены в таблице 2 2.1.

После рекомбинации Вселенная представляла собой однородное первичное вещество — нейтральный водородно-гелиевый газ, погру­женный в океан фотонов и нейтрино. Эти три составляющие, не вза­имодействуя, взаимопроникали друг друга, участвуя в общем расши рении Вселенной. Теперь ее дальнейшая судьба связана с эволюцией вещества. Лишенное какой бы то ни было структуры первичное веще­ство Все ленной в потенции должно было содержать в себе весь шт 6oi атый, многообразный мир форм, который окружает нас сегод­ня В течение сотен миллионов лет в первичном веществе постепенно созревали условия дли образования галактик. Как это произошло, мы рассмотрим позднее. А сейчас нам надо вернуться к самому нача­лу, чтобы понять, как началось расширение Вселенной.

При начале периода деятельности, говорит Гайная Доктрина, в силу повиновения вечному и непре­ложному закону, совершается распространение этой Божественной Сущности… и феноменаль­ный или видимый мир является конечным резуль­татом длинной цепи космических сил, последова­тельно приведенных в движение. Так же, ко» да на­ступает возвращение к пассивному состоянию, происходит сокращение Божественной Сущност и, н предыдущее созидание постепенно н последова­тельно растворяется. Видимый мир разлагается, его материя рассеиваете,,, и единая «Тьма», еще раз оди­нокая, лежи! над лнком «Бездны»

Е. П. Блаватская

Расширение Вселенной было открыто Э. Хабб. юм в 1929 г. по на­блюдениям с 2,5-метровым телескопом обсерватории Маунт Вил-
сон. Это открытие основано на результатах измерения лучевых ско­ростей га 1актик. Лучевой скоростью называется состав гяющая пол­ной скорости, направленная вдоль луча зрения наблюдателя. Она определяется по доплеровскому смещению спектральных линий. Если галактика удаляется от нас, все линии в ее спектре смещены в сторону красного конца, т. е. длины волн их возрастают; если га­лактика приближается к нам, линии смещаются " фиолетовому кон­цу, длины волн их убывают. Величина смещения ДА, зависит от луче­вой скорост и галактики Vr. Если эта скорость много меньше скоро­сти све та, то

(2.1)

Здесь с — скорость света, Апабл— наблюдаемая длина волны, А — лабораторная длина волны, т. е. длина волны линии в случае непод­вижного источника. Зная из наблюдений величину ДА., можно оп­ределить лучевую скорос гь Vr.

Первые измерения лучевых скоростей галактик были выполнены В. Слайфером на Ловелловской обсерватории в самом начале XX века. Уже эти измерения показали, что галактики обладают колоссальными скоростями в несколько сотен километров в секунду, во много раз пре­восходящими скорости звезд. Причем подавляющая часть галактик имеет положительные лучевые скорости Это могло означать, что Солнце дви жется относительно наблюдаемой системы галактик со скоростью в не­сколько сотен км/с, или рой галактик удаляется от Солнца с той же, но противоположно направленной скоростью. Так как каждая галактика роя имеет еще свою собственную скорость, то наблюдаемая скорость галактики складывается из скорости удаления всего роя н скорости дви­жения каждой галактики внутри роя Чтобы разобраться в картине дви жения, надо было иметь лучевые скорости для большого числа галак­тик. Слайферу, с его 60 сантиметр» Ibmm телескопом, эта задача была непосильна, он мог измерять лучевые скорости только самых близких галактик.

В конце 1920-х годов в измерение лучевых скоростей галактик включилась Маунт Вилсоновская обсерватория. Спектры галакт ик на 2,5-метровом телескопе получал М Хьюмасон, а расстояния до них по наблюдениям на том же телескопе определял Хаббл. В 1929 i., накопив достаточный наблюдательный материал, Хаббл сопоставил данные о лучевых скоростях галактик с расстояниями до этих га­лактик Оказалось, что скорость удаления галактик пропорциональна
расстояниям до них (рис. 2.2.1). Чем дальше расположена галакти­ка, тем с большей скоростью она удаляется от Солнца:

Vr = H-r. (2.2)

Эту зависимость, в честь ее первооткрывателя, стали называть зако­ном Хаббла, а коэффициент пропорциональности — постоянной Хаббла (Hubble), которую стали обозначать буквой Н. Это одна из

«.1000 2 и:

I500 §-

Б о

Расстояние, Мпк

Рис. 2.2.1. Зависимость между лучевой скоростью галактик и расстоянием до иих, полученная Э Хабблом

Рис. 2.2.2. Зависимость между красным смещением и видимой звездной величи­ной галактик (закон Хаббла).

По данным Сендиджа и Таммана, 1981 г. черный прямоугольник в ле­вом нижнем углу соответствует области данных, доступных Хабблу в 1929 г.

Фундаментальных космологических постоянных. В настоящее вре­мя закон ХабЬла проверен по огромному числу удаленных галактик и квазаров (рис. 2.2.2). Справедливости его подтверждается наблю дениями в разных диапазонах волн от радиодиапазона до рентге­новского.

Закон Хаббта означает, что вся наблюдаемая система галактик расширяется. На первый взгляд, может показаться, что, поскольку все галакти. ш удаляют ся от Солнца, — наша Галактика, вместе с Сол­нцем, расположена в центре этого расширяющегося роя. Но на са­мом деле это не так. Если две галактики удаляются от третьей со скоростями, пропорциональными расстояниям до этой галактики, то и скооость их взаимного удаления также пропорциональна рас­стоянию между ними[87]. Поэтому наблюдатель, в какой бы га гакти-
ке он ни находился, будет видеть, что другие галактики разбе1 аются от него со скоростями, пропорциональными расстояниям до этих j алактик. Вся система галактик напоминает разлетающийся из улья пчелиный рой, или расширяющееся облако газа. В одной популяр­ной книге я прочел сравнение с пирогом, нашпигованным изю­мом: когда пирог печется, он поднимается, расстояние между изю­минками зозрасгает. Можно преде / акт ь ссбс также резиновый шар с металлическими заклепками, укрепленными на его поверхности; если надувать шар, поверхность его расширяется и расстояние меж­ду заклепками увеличивае тся.

Расширение Вселенной характеризуется величиной красного смещения:

Z=K:,(,~K„, _ (2.3)

Rut

При малых Z — ко1да скорость расширения мала по сравнению со скоростью света, справедливо соотношение V = Cz, совпадающее с формулой (2.1). В этом случае, в соответствии с законом Хаббла, имеется линейная зависимость между г и г. На больших расстояни­ях, когда скорость расширения становится сравнимой со скоростыо света, соотношение V = сх не выполняется и, соответственно, зави­симость между красным смещением и расстоянием отклоняется от линейной. В этом случае надо пользоваться формулами теории от­носительности124, из которых следует, что при V = с Z = Таким об разом, Z может принимать любые значения от 0 до Макси­мальное значение z, которое исполгзолал Хаббл в 1929 г., сосгавля ло 0,004, в настоящее время наблюдакпея квазары, для которых г > 5. Чем больше z, тем дальше от нас находится наблюдаемый объект, тем дальше в прошлое отстоит момент излучения наблюдае­мого нами света. Таким образом, красное смещение характеризует как распределение объектов в пространстве в заданный момент вре­мени, так и распределение их во времени, т. е. позволяет просле­дить историю Вселенной.

Несмотря на необычность результата, полученного Хабблом, он не был полностью неожиданным: предсказание о расширении Все­ленной вытекало из космологических моделей, построенных на основе общей теории относительности А. Эйнштейна.

12,1 При не очень сильных полях тяготения можно пользоваться формулой снеци-

, Iе+ у

Альнои теории относительности г +1 = Л————— — .

Первую космологическую модель, опирающуюся на ОТО, построил сам Эйнштейн в I917R. Исходя из господствовавших в то время пред­ставлений о неизменности Вселенной, Эйнштейн искал стационарное решение, в котором расстояние между любыми двумя точками в про­странстве и другие параметры Вселенной не меняются со временем. Од­нако уравнения общей теории относительности не давали такого реше ния Чтобы избежатт этой «неприятности», Эйнштейн ввел в свои урав­нения дополнительную величину А-член (лямбда-член), который описывает действ} ющие во Вселенной гипотетические силы отталкива­ния Подобно силам гравитации, эти космологические силы отталкива­ния носят универсальный характер, т. е. они ие зависят от свойств гел, а зависят только от их взаимного расстояния. Но в отличие от сил гравита­ции они не убывают, а, напротив, возрастают с расстоянием, увеличива­ясь пропорционально г. В обычных масштабах, с которыми мы имеем дело, и даже в астрономических масштабах вплоть до размеров Галакти­ки, эти силы совершенно ничтожны по сравнению с силами гравитации, и их можно не учитывать. Но на космологических расстояниях силы от­талкивания становятся сравнимыми с силами тяготения. Взаимодействие этих двух противоборствующих сил и определяет динамику Вселенной. При определенных условиях, при определенном расстоянии г, обе силы уравновешивают друг друга, и Вселенная остается стационарной. Именно такую модель Вселенной и построты Эйнштейн.

Мир Эйнштейна оказался стационарным, но при этом он обладал не­обычными геометрическими свойствами. Будучи бе граничным (мы могли бы двигаться в этом мире в любом направлении сколь угодно долго и никогда не вышли бы за его предел), он имеет конечный объем. Геомет­рия Евклида в этом мире неприменима, здесь действует геометрия Рима — па. Это замкнутый мир — мир постоянной положительной кривизны. Аналогом такого трехмерного мира среди двумерных многообразий мо жет служить поверхность сферы. Она замкнута и безгранична; двшаясь вдоль се поверхности, двумерное существо никогда не выйдет за ее пре­делы Между тем поверхность сферы конечна, она равна 4л/?2. Радиус сферы R определяет постоянную положительную кривизну (к = 1 /R2) в каждой ее точке. Геометрия на сфере (сферическая геометрия), как из­вестно, отличается от евклидовой геометрии, действующей на плоской поверхности. Подобно тому как на сфере, двигаясь по большом}’ кругу, можно обойти сферу и прийти в исходную гочку — так же и в трехмер­ном замкнутом мире, двигаясь по геодезической линии125, мы, в конце концов, обойдем этот мир и вернемся к точке старта.

Принципиальным недостатком модели Эйнштейна, как было обнару жено позже, является ее неустойчивость — малейшее изменение парамет ров приводит к тому, что Вселенная выходит из равновесия и больше не возвращается в это состояние Подобные системы не могут реализовать ся в Природе. В дальнейшем Эйнштейн сам отказался от своей модели и даже считал ее самой большой ошибкой в своей жизни. Но введенные

125 Геодезическая линия есть обобщение понятия прямой на случай неевклидовой 1 еометрии, она играет ту же роль, что н прямая в евклидовом пространстве В частно­сти, дуга гсо (езнческой линии, подобно отрезку прямой, определяет кратчайшее рас­стояние между двумя точками им космологические силы отталкивания сыграли очень ьажную роль в космологии, хотя значение их не сразу было оценено.

Силы отталкивания не зависят от плотности вещества во Вселенной. Они будут действовать н при отсутствии вещества — в вакууме. Поэтому нх назчвают еще силами гравитационного отталкивания вакуума Мо­дель Вселенной, в которой, плотность вещества ничтожно мала — гак называемая щустая» модель была рассмотрена голландским астрономом В де Ситгером сразу после появления модели Эйнштейна, в том же 1917 г. В «пустой» Вселенной действуют только силы отталкивания >’си лами тяготения вещества можно пренебречь), поэтому такая Вселенная будет расширяться. Причем поскольку силы отталкивания пропорцио­нальны расстоянию, то и скорость взаимною удаления частиц вещества в «пустой» Вселенной (а под такими частицами можно подразумевать целые галактики) будет пропорциональна расстоянию Это и есть закон Хаббла Модель де Ситтера, в силу’ присущих ей «экзотических» свойств (на кото­рых мы пока останавливаться не будем) практически не использовалась в космологии И только спустя много десятилетий выяснилось, что с ее по­мощью можно описать самые раиние этапы развития Вселенной

Задача об эволюции Вселенной в общем виде — без априорных предположений о ее стационарности или об отсутст зии вещества — была решена советским математиком А. А. Фридманом в 1922 г. Единственное условие, которое Фридман положил в основу своей теории, это предположение об однородности и изотропии Вселен­ной. Однородность означает равномерное распределение вещества во Вселенной в больших масштабах. Как мы видели в предыдущем параграфе, это предположение подтверждается астрономическими наблюдениями. Изотропия утверждает равноценность всех напрар."сний в пространстве. Оба предположения кажу тся вполне естествен­ными (самыми простыми) и в дальнейшем они полностью подтвер­дились. Основной вывод, который вытекает из полученного Фрид маном решения космологичесглх уравнений, состоит в следующем: материя во Вселенной в больших масштабах не может находиться в покое. Вселенная в целом яв-ьяется нестационарной, она может либо расширяться, либо сжиматься[88].

Пабота Фридмана имела выдающееся значение. Эйнштейн не сразу согласится с Фридманом, но загем дал высокую оценку его работе, отметиЕ фундаментальную важность теоретического вывода о нестаци­онарности Вселенной[89]. А. А. Фрчдман умер в 1925 г., не дожив все­го несколько лет до триумфа своей теории. Несмотря на признание и высокую оиенку Эйнштейна, его работа на многие годы выпала из поля зрения не только астрономов, но и физию >в теоретиков.

В 1927 г. аббат Ж. Леметр, бельгийский астроном (ученик Эд — цингтона), независимо от Фридмана получил решение космолот и — ческих уравнений и подтверди;! вывод о нестационарности Вселен ной. Таким образом, к концу 1920 х годов в космологии были по­лучены очень важные результаты, касающиеся эволюции Вселенной. Тем не менее они не привлекли внимание астрономов. Анализируя это обстоятельство, А. С. Шаров и И Д. Новиков отмечают, что одна из причин состояла в сложности теории и разобщенности меж ду теоретиками л наблюдателями. Другал причина, по их мнению, — «психологическая, вероятно, состояла в необычности выводов тео­рии, утверждавшей, например, возможность замкнутости простран­ства или существование начала эволюции нашею мира в прошлом. Астрономам-практикам, с помощью новых телескопов проникав­шим все дальше и дальше в глубины пространства, психологически было трудно поверить в реальность таких утверждений, в корне ме­нявших их представление о Вселенной»[90]. Вот почему такое боль­шое значение имеет работа X 1ббла, экспериментально подтвердив­шая факт расширения Вселенной. Это открытие, несомненно, яв­ляется крупнейшим достижением сстсствознаниг XX века.

Необходимо отметить, что расширение Вселенной никак не вли­яет на отдельные тела: расстояние между галактиками увеличивает­ся, но размеры самих i «тактик (а тем более звезд и планет) остают ­ся без изменения — подобно тому, как не меняются размеры пчел в разлетающемся рое или размеры молекул в расширяющемся облаке газа. То есть гравитаг ионно связанные тела в расширяющейся Все­ленной не подвержены космологическому расширению.

Каждая галактика участвует в общем космологическом расширеиии и имеет, кроме того, свое собственное движение. Полная относительная скорость двух галактик складывается из скорости нх космологического удаления и относительной скорости собственного движения галактик Для далеких галактик космологическая скорость намного превышает собственную скорость галактик (которой в этом случае можно пренеб­речь), поэтому из наблюдений далеких галактик мы получаем скорость их космологического расширения. Для близких галактик их собстзенная скорость сравнима со скоростью космологического расширения н мо­жет даже превышать ее. Поэтому полная скорость может сильно отли­чаться от космологической и может быгь даже отрицательной. Так, на пример, Туманность Андромеды имеет отрицательную скорость, т. е. она не удаляется от нашей Галактики, а приближается к ней.

Поскольку в настоящее время Вселенная расширяется, расстоя­ние между галакжиками увеличивается, то ясно, что в прошлом они были расположены ближе друг к другу и размер наблюдаемой Все­ленной (Метагалактики) был меньше. Следовательно, средняя плот ­ность вещества была выше, т. е. условия во Вселенной в прошлом отличались от тех, которые имею г место в настоящее время. Но насколько велико это различие? Закон Хаббла сам по себе не дает OTBeia на ггот вопрос. Здесь необходима помощь теории Мы дол­жны обратиться к космологическим моделям и выбрать ту из них, которая лучше соответствует наблюдениям.

Простейшей и, как казалось, наилучшим образом соответствую­щей наблюдениям является модель Фридмана однородной изотроп­ной Вселенной с Л-членом, равным нулю. В этой модели действуют только силы гравитации[91]. Если в некоторый момент остановить расширение Вселенной, то в следующий момент под действием гра­витации она начнет сжиматься. Поскольку в настоящее время Все­ленная расширяется, значит, когда-то в прошлом, в какой-то началь­ный момент времени, по причине, о которой мы пока ничего не знаем, частицы вещества приобрели скорость разлета, подобно об­лаку газа, образовавшемуся при взрыве. В дальнейшем Вселенная расширялась по инерции, а силы тяготения тормозили расшире­ние. Динамика Вселенной зависит от соотношения между началь ной скоростью и силами тяготения, которые определяются сред­ней плотностью вещества во Вселенной. Если плотность не превы­шает некоторого критического значения (р < рК(1), то силы тяготения
не в состоянии остановить расширение, и Вселенная будет расши­ряться неограниченно. Если р > рК|„ то силы тяготения останавли­вают расширение; в некоторый момент постоянно уменьшающаяся скорость расширения обращается в нуль, после чего Вселенная на­чинает сжиматься.

На рис. 2.2.3 показано, как изменяется с течением времени мас­штабный фактор a{t) в рассматриваемой модели Поскольку рас­стояние между любыми точками в расширяющейся Вселенной про­порционально масштабному сЬактору (R{T) = I0Ci(T)), то анало­гичным образом будет менять­ся расстояние между дзумя лю­быми далекими галактиками, радиус Метагалактики и, вооб ще, радиус любой достаточно большой сферы, выделенной во Вселенной.

Такой характер изменения мас­штабного фактора можно попять, исходя из следую. цих соображений. Выделим мысленно в однородной Вселенной некую сферу пронз вольного, но достаточно большого радиуса, так, чтобы в пей содср жалось большое число галактик. Рассмотрим «частицу» вещества (галактику), находящуюся на гра ннце сферы[92]"’. Она обладает он ределепной скоростью, с которой удаляется от центра сферы, и со­ответствующей кинетической энер гией. Как будет двигаться такая галактика по отношению к центру сфе­ры? В однородной Вселенной на галактику действует только тяготение вещества, расположенного внутри сферы; тяготение наружных слоев вза­имно уравновешивается Следовательно, задача аналогична задаче о дви­жении тела, например ракеты, находящейся на поверхности планеты, ко­торой сообщили вертикальную скорость. Полная энергия Е выбранной нами галактики складывается из кинетической н потенциальной, после­дняя определяется силами тяготения. В процессе расширения Вселенной
кинетическая н потенциалььая энергии изменяются, а лолная энергия Е остается без изменения (закон сохранения энергии) Напомним, что по­тенциальная энергия отрицательна, а кинетическая энергия — положи­тельна Полная энергия зависит от плотности. При р < рк[1 полная энергия Е > 0; это соответствует случаю, когда ракета приобретает скорость, превышающую вторую космическую. Как известно, в этом случае она будет двигаться по гиперболической орбите, неограниченно удаляясь от планеты, причем скорость на бесконечности будет стремиться к пре­дельному значению Rf > 0. Так же будет вести себя и рассматриваемая нами «пробная» галактика. А поскольку мы выбрали эту галактику со­вершенно произвольно на поверхности выделенной сферы — так будет вести себя любая другая галактики, зиачит, вся сфера будет неограни­ченно расширяться. И так как сфера, в свою очередь, выбрана произ­вольно, то это относится к любой выделенной сфере во Вселенной, т. е. вся Вселенная будет неограниченно расширяться. При р = ркр Е = 0; это соответствует случаю, когда ракета приобретает параболическую ско­рость Вселенная будет также неограниченно расширяться, только ско­рость на бесконечности будет стремиться к нулю. Наконец, при р > р полная энергия Е < 0, это соответствует случаю, когда ракета приобр! — тает скорость меньше параболической. В этом случае она удаляется от планеты на определенное расстояние, а затем падает на нее. Подобно это­му наша сфера (и любая другая сфера во Вселенной) расширяется до оп­ределенного предела, а затем начнет сжиматюг Эта аналогия позволяет понять, почему космологические уравнения без введения дополнительных сил отталкивания не дают статического решения Ведь и ракета не может неподвижно висеть над Землей, она или улетает от нее, или падает на по­верхность. Чтобы удержать ракету неподвижно, нужны дополнительные силы.

Критическая плотность, от которой зависит характер расшире­ния Вселенной, определяет также геометрию Мира. При р > ркр мы имеем, как и в модели Эйнштейна, замкнутый мир постоянной по­ложительной кривизны, в котором выполняется геометрия Римана. При р = рК[, Вселенная пространстзеннс бесконечна, кривизна про­странства равна нулю, следовательно, в этом случае справедлива евк­лидова геометрия. Наконец, при р < ркр Вселенная тоже открыта: она бесконечно простирается во все стороны, кривизна ее постоян­на и отрицательна; это мир, в котором выполняется геометрия Ло­бачевского. Таким образом, открытая Вселенная расширяется нео­граниченно, а в замкнутой Вселенной расширение сменяется сжа­тием; в момент остановки, ко1да скорость расширения становится равной нулю, радиус кривизны (и объс м) Вселенной достигает мак­симального значения, а затем начинает уменьшаться.

Какой же сценарий имеет место в действительности? Это зависит от отношения р/ркр. В современную эпоху р =10 29 г/см3. Средняя плотность светящегося (наблюдаемого) вещества, как мы видели, составляет 3 • 10~31 г/см". Эта величина приблизительно в 30 раз мень­ше критической. Если бы во Вселенной никакого другого вещества не было, мы бы имели вариант открытого бесконечно расширяю­щегося мира, для которого на больших масштабах справедлива гео­метрия Лобачевского.

Однако помимо этой наблюдаемой материи во Вселенной суще­ствует материя, которая непосредственно не наблюдается, а прояв­ляет себя только • равитационным воздействием. Часть ее может быть обусловлена обычным веществом, сосредоточенном в «коричневых» карликах (о которых мы упоминали в п 2.1.3), но доля его невели­ка. Считается, что обычное вещество, как наблюдаемое, гак и не­наблюдаемое, составляет не более 5% массы Вселенной (или даже еще меньше), остальные 95% прихс штся на долю так называемой Темной материи или скрытой массы.

Значение этого обстоятельства не всегда оценивается в должной мере. Вдумаемся — все, что мы знаем о Вселенной, основано на изучении не более 5% ее массы! А остальное для нас пока полиос­тью сокпыто. Чтобы яснее осознагь. что это значит, представим себе, что мы занимаемся реставрацией большого полотна, полнос­тью закрытого позднейшими наслоениями. И вот нам удалось от — рест шрировать 5% картины. Уже проептюют ясно какие-то черты пейзажа. Мы видим деревья на скалистом берегу моря, видим обла­ка на небе, еще какие-то детали. Но мы не можем пока сказать, что представ-тяет собою картина в целом: пейзаж, портрет с пейзажем на заднем или переднем плане, батальная эпопея или бытовая сце­на. Примерно в таком же положении оказались астрономы. Дело не в том, чго нам известны не все звезды или не все галактики. Для того чтобы понять строение и эволюцию Вселенной, в этом нет никакой необходимости. Дело в том, что 95% материи — это не I алакгики и не звезды, это не межзвездная пыль и не i аз, это не плазма, состоящая из обычных частиц, из которых строятся атомы вещества. Это нечто, нам пока неизвестное и неизученное. Сказан­ное не означает, что наши знания о Вселенной не достоверны — нет, го, чго установила наука, достаточно надежно. Но это значит, что наша картина Вселенной на сегодня еще весьма ограничена.

С учетом скрытой массы средняя плотность материи во Вселен­ной весьма близка к критической Зго означает, что кривизна про­странства близка к нулю, мы живем в евклидовом (почти евклидо­вом) мире.

Какова природа скрытой массы’1 Это тоже до конца неизвестно. Вна­чале, когда проблема впервые остро встала перед космологией, предпо­лагалось, что скрытая масса может быть обусловлена нейтрино. Долгое время после открытия нейтрино считалось, чго их масса равна нулю. Однако в 1980-х годах экспериментально было обнаружено, что хотя масса нейтрино действительно очень мала, она все же отлична от нуля Первые оценки массы нейтрино давали величину порядка 5-10~зг г, за­тем они были снижены до Ю-32 г, это в 100 тысяч раз меньше массы электрона, но вполне достаточно, чтобы объяснить всю или почти всю скрытую массу. Действительно, в 1 см4 пространства в современную эпоху содержится около 500 нейтрино всех видов, их общая масса порядка 10"29 г. Однако по современным данным масса нейтрино значительно меньше, и их вклад в массу темной материи невелик. Считается, что подавляющая доля скрытой массы, до 70 %, падает на долю особой «ва­куумной материи», равномерно заполняющей всс пространство Вселен­ной. Эта материя обладает отрицательной гравитацией и является источ­ником тех самых сил отталкивания, связанных с А-членом, которые были введены в модели Эйнштейна (дополнительно см. п. 2 2.3). В отличие от обычной материи, «вакуумная материя» не тормозит расширение Все­ленной, а, напротив, ускоряет его. Поэте >му хотя доля этой материи ве­лика, она не может привести к образованию замкнутой Вселенной. Ос­тается еще 30 % скрытой массы. Предпола1 ается, что она может быть обусловлена такими гипотетическими частицами, как аксионы, нейтра — лнно н другие суперснмметричные частицы, которые «с необходимостью» возникают в теории, но экспериментально пока не обнаружены. Иногда в этой связи указывают и на такие тоже гипотетические объекты, как «монополи», «струны», «мембраны», первичные черные дыры и даже горловины «кротовых нор», о которых мы упоминали в § 1.15. Посколь­ку вклад всех этих объектов точно не известен, рассматривается еще одна возможность — «зеркальное вещество».

Современная физика элементарных частиц принимает в качестве фундаментального постулата симметрию между правым и левым. От­сюда следует, что каждая частица нашего мнра должна иметь свой зер­кальный аналог. Из них могут быть образованы зеркальные атомы, мо­лекулы, звезды, галактики и… внеземные цивилизации. При этом час тицы нашего мнра могут взаимодействовать с частицами зеркального мнра только гравитационно. По образному выражению одного нз фи­зиков, через комнату, в которой вы сейчас сидите, может проходить поезд нз зеркальной материи, и никто этого не заметит, если только не будут поставлены тончайшие гравитационные эксперименты. Но по — сколику зеркальное вещество подвержено тяготению, оно вносит свой вклад в скрытую массу нашего мнра (как и наша материя вносит свой вклад в скрытую массу их мира) Если доля обычного вещества (бари — оииая составляющая) в зеркальном мире такая же, как и у нас, зеркаль­ная материя вносит 5% в скрьггую массу нашего мнра. Если барноиная ^оставляющая в зеркальном мире выше, то соответственно повышается и обусловленная зеркальным веществом доля скрытой массы нашего мира. По мнению Н. С Кардашева, доля зеркального вещества может доходить до 25 % ш.

Читателя не должна смущать неопределенность приводимых здесь данных. Обсуждая проблему скрытой массы, мы не только подо­шли к передовому краю развития науки, но коснулись таких облас­тей, где перед физикой встали фундаментальные проблемы, кото­рые, возможно, существенно изменят чаши представления о мире. Развитие здесь происходит очень быстро, и когда читатель будет пробегать глазами эти строки, многое, наверное, уже изменится.

Важно подчеркнуть, чго хотя мы не знаем точно, какова плот­ность материи во Вселенной — больше критической или меньше, но она заведомо близка к критической. (Именно потому, что плот­ность близка к критической, трудно выбрать между двумя альтерна­тивными вариантам!:) Таике надо иметь в виду, что описанный выше характер расширения Вселенной справедлив для модели с Л-чле — ном, равным нулю. Наличие «вакуумной материи» означает, что А-член не равен нулю. Если это так, то истинный характер расши­рения должен отличат ься от описанного выше.

Каков бы ни был характер расширения Вселенной, в началь­ный момент (T = 0) масштабный фактор A{T) обращается в нуль (см. рис. 2.2.3). Для замкнутой Вселенной это означает, что ее объем в начальный момент был равен нулю, и значит, она начала расши­ряться из точки (!). Что касается бесконечной Вселенной, го она всегда остается бесконечной, но любая ее конечная область (в том числе наша Метагалактика) в начальный момент тоже имела нуле­вой объем. Плотность вещества в этот момент была бесконечной, а скорость расширения стремилась к скорости света. Это состоя­ние бесконечной плотности получило название «сингулярного со­стояния». Таким образом, в начальный момент Вселенная расши­ряется из сингулярного состояния с предельно большой скорос­тью Процесс «возникновения» Вселенной из сингулярности Леметр назвал Большим взрывом.

Какова природа сингу. тярного состояния, реализуется ли оно в действительности? Как близко можно подойти к этому состоянию, изучая историю Вселенной? Что означает «возникновение» Вселен­ной при T = 0? Что было до этою момента? Эти фундаментальные

ШКардашеь Н. С Кос; юлогпя и цивилизации / Древняя астрономш небо и че­ловек — М., 1998. С. 158-168. Он же. Скрытая масса н поиск внеземных цивилиза­ций / Препринт ФИАН № 65 — М., 1919 Проблемы космологии не получили пока окончательного решения. Однако за пределами сингулярности теория хорошо согласуется с наблюдениями.

Возникает вопрос — как давно произошел Большой взрыв? Ока­зывается, можно определю I. этот момент, зная значение постоян­ной Хаббла"[93]. Если Вселенная расширяется с постоянной скорос­тью, равной ее современному значению, то время расширения от момента T = 0 до современного момента T0 равно = L/Hv (HL — значение постоянной Хабблт в современную эпоху)133. Это время называется хаббловским временем Фактически время расширения бу­дет отличаться от хаббловского. Для модели с Л-членом, равным нулю, в случае р = рч„ что, как мы видели, близко к действитечьностл:

‘о4—= ||н — (2.4)

0 3 Н0 3 "

Если постоянную Хабб ia Н0 выражать, как это принято в наблю­дательной астрономии, в единицах (км/с)/Мпк, а время TH — в го­дах, то /н = 1012///0. Точное значение Н0 не известно, но из наблю­дений следует, что //„заведомо не превышает 100 (км/с)/Мпк, и не меньше, чем 50 (км/с)/ Мпк. Более точная оценка //„: в пределах от 65 до 80 (км/с)/Мпк. Отсюда /„ = 10 + 20 млрд лет, или более точно 12 + 15 млрд лет, а /0= 8 + 10 млрд лет. Здесь опять-таки следует иметь в виду, что и эти оценки справедливы при условии А — 0. В последнее воемя появляется все больше свидетельств того, что А-член не равен нулю и, более того, связанные с ним силы от­талкивания приводят к тому, что Вселенная в современную эпоху расширяется Ycnopei но. Если это так, то возраст Вселенной (время от момента T0 до современного момента) должен быть больше хаб­бловского.

Наличие сингулярности приводит к существованию горизонта Вселенной. Чем дальше от нас находится наблюдаемый обьект, тем ближе к началу расширения Вселенной относится момент времени, когда был испущен свет, достигающий сейчас наблюдателя. Точки в пространстве, от которых до нас доходит свет, испущенный в мо­мент начала расширения (T = 0), и образуют горизонт Вселенной. Горизонт охватывает лишь часть Вселенной, а в случае открытой Вселенной за его пределами находится бесконечное пространство. И тем не менее, ни один объект за горизонтом не может наблюдать­ся даже с помощью самого совершенного телескопа, ибо за все вре­мя существования Вселенной свет, испущенный любым из этих объектов, еще не успел достичь наблюдателя. Эти объекты станут доступными для наблюдения в будущем, когда свет от них дойдет до наблюдателя. Следовательно, горизонт со временем расширяется. В современную эпоху радиус горизонта R = с///,,; в зависимости от значения постоянной Хаббла он составляет 10 • 20 млрд св. лет. На горизонте красное смещение становится бесконечным, а ско­рость расширения равна скорости света.

Сколь близко астрономы подошли к горизонту Вселенной? Если в начале XX века область Метагалактики, для которой были определены расстояния, составляла менее I % от радиуса горизонта, го сейчас она превысила 50 %. Расстояние до далеких объектов (с — > 1) выражается формулой F ч

1—

(2.5)

VT+I,

При к —» оо R(Z) —» Rnlp. Наиболее далекие из обнаруженных к насто­ящему времени объектов имеют Z порядка 5 + 6. При Z = 6 отношение R(Z)/Rtof = 0,62. Свет, который мы сейчас наблюдаем от этого объекта, был испущен, когда Вселенная была в 18,5 раза моложе и в 7 раз компакт­нее, чем сейчас. (Здесь мы использовали соотношения: гтГп/Rtlil= I + Z; ‘Mth/’Ifu, = С + *) > справедливые для модели Фрилмаиа при р = р на достаточно поздних стадиях расширения, когда давлением излучения мож но пренебречь.)

Вбли зи горизонта незначительному приращению расстояния соответ ствует большое изменение Z и, следовательно, существенное продвиже­ние в прошлое Вселенной. При этом возможна ситуация, когда из двух объектов более удаленный сейчас в момент излучения находился ближе к нам, чем более близкий (в момент его излучения). Действительно, свет от более удаленного объекта был излучеи давно, когда Вселенная была сильно сжата, и все расстояния в ней, в том числе расстояние от объекта до наблюдателя, были существенно меньше Свет же от более близкого объекта был излучен не так давно, Вселенная была тогда не столь сжата,
и его расстояние от наблюдателя не сильно отличается от современного, поэтому он в момент излучения был дальше от наблюдателя, чем более удаленный объект в момент его излучения. Так в расширяющейся Все ленной проявляется относительность понятий «близкое» и «далекое»: близкое становится далеким и далекое близким.

Проиллюстрируем сказанное следупщим примером. Рассмотрим две галактики с красными смещениями Z, = 2 и Z2 = 5. Используя формулу (2 5), получим ив1 = 1,40. В момент излучения первая галактика

Была в 3 раза ближе к нам. чем сейчас, а вторая — 6 раз ближе Следо­вательно, расстояние этич галактик в момент излучения было R2Im/Rlnjjl = = 1,40:6×3 = 0,70.

Как долго дчится сингулярное состояние? Длится ли оно беско­нечно долго от T = до / = 0, когда Вселенная «вдруг» начинает расширяться, или это короткий, неизмеримо короткий миг? Тео­рия Фридмана не дает ответа на этот вопрос. Более того, теоретики утверждают, что вопрос не имеет смысла, ибо в сингулярности не только не действуют все известные нам физические законы, но и само понятие времени из за квантовых эффектов становится нео­пределенным. Пусть гак. 11о как бы гам ни было, она как бы возни­кает из Небытия, проявляется из какого-то непостижимого для нас сингулярного состояния. Этот факт рождения Вселенной при T — 0 и, следовательно, се конечность во времени представляет серьезную проблему в плане философского осмысления Мира.

Если до! 1уст ить, что сингуллрностг дли тся конечное время (с точки зрения «несингулярного» наблюдателя), то, опускал вопрос о том, что творится в самой сиш улярности, правомерно спросить — а что было до сингулярного состояния* Возможно, что ко1да-то, в бес­конечно далеком прошлом, Вселенная сжималась из крайне разре­женного состояния, плотность ее со временем увеличивалась до тех пор, пока постоянно уменьшающийся масштабный фактор при 1 = 0 Ни обратился в нуль — Вселенная перешла в сингулярное состоя­ние, после чего начала расширяться. Мы живем на стадии расшире­ния, которая в случае открытой модели будет продолжаться беско­нечно долго. Этот сценарий снимает трудность с возникновением Вселенной — Вселенная существует вечно (от «минус бесконечнос­ти» до «плюс бесконечности»). При этом она один раз проходит через сингулярное сост ояние.

Что происходит в момент, когда Вселенная проходит через син­гулярность? А. Д. Сахаров, исходя из законов симметрии, предпо­ложил, что ири прохождении через сишулярность все частицы за­меняются иа античастицы, все пространственные конфиграции

Точной зеркальной копией гел и явлений после этого момента с за­меной частиц на античастицы и с заменой направления течения про­цессов. С нашей точки зрения, Мир до сингулярности (Ан гимир) существовал в далеком прошлом, когда Вселенная еще сжималась. Но с точки зрения обитателей Антимира (не хочется называть их аити — людьми, хотя они состоят из антивещества и имеют сердце с правой стороны) — это наш Мир существует в их далеком прошлом, причем наш Мир, следуя направлению их времени, сжимается, а их Мир — расширяется. «Фактически ОНИ—это МЫ (или МЫ — это ОНИ), так как с точностью до условного определения знака времени, услов­ного отличия правого от левого и условного отличия вещества от аигивещества, отраженный мир не отличается от нашего»[94]®.

В случае замкнутой Вселенной расширение, как мы видели, сме­няется сжатием. В конце ст адии сжатия Вселеннтя приходит в син­гулярное состояние, такое же, из которого она начала расширяться.

Следовательно, те же силы и те же причины, которые привели к расширению Вселенной в начальный момент времени, теперь снова заставлт ее начать расширяться. В конце нового цикла картина вновь повторится и т. д. Мы получим, таким образом, вечно существую­щую пульсирующую Вселенную, в которой периоды расширения — сжатия разделены сингулярностями. Если каждый раз в сингуляр­ности происходит замена Мира на Ашимир (как описано выше), то эволюция Вселенной во времени будет представлять собой череду­ющуюся вереницу миров и антимиров, между которыми Вселенная пребывает в сиш-улярном состоянии. Возможность существования пульсирующей модели Вселенной была ясна еще Фридману. В..вязи с этим он вспоминал сказания индусской мифологии о периодах жизни. Действительно, в индусской мифологии и в древнеиндийс­кой философии существует представление о периодическом про­цессе проявления (манифес :ации) Вселенной, в котором активные процессы — Манвантары чередуются с пассивными периодами — Пралайями, образуя циклы различного масштаба длительности136. Самый крупный цикл — Махакалыта составляет 311 040 ООО ООО ООО = 3- 10[95] нет. Махакалыта — это Век Брамы, он состоит из 100 Годов Брамы. Каждый Год делится на 360 су. о к (360 Дней и 360 Ночей Брамы). Одни Сутки Брамы равны 8 640 000 00С лет, а одна секунда в этом масштабе времени состав­ляет 100 000 земных лет. Обращает внимание, что Сутки Брамы по порядку величины близки к дли тельности расширения во Фридма — новской Вселенной (8 + 10 млрд. лет). Если принять, что длитель­ность расширения /„ в точности равна Суткам Брамы, то получим постоянную Хаббла Н0 = 77 (км/с)/Мпк, что попадает как раз внутрь интервала неопределенности для Н0: 65 + 80 (км/с)/Мпк.

Привлекательной чертой пульсирующей модели является то, что она позволяет избежать проблемы Генезиса Вселенной. Однако некоторые космологи указывают, что это не так Дело в том, что в каждом цикле Вселенной как в период расширения, так н в период сжатия происходит рост ипропии (которая в конечном итоге определяется числом фото­нов, приходящихся на один нуклон). Ьсли накопленная в данном цикле энтропия сохраняется при переходе через сиигуляторность, то в каждом следующем цикле энтропия будет выше, а следовательно, максимальный радиус кривизны (связанный с энтропией) и период пульсации будут боль­ше, чем в предыдущем (рис.2 2 5). То есть будет происходить «раскач­ка» Вселенной. Необходимая для раскачки положительная энергия бе­рется за счет отрицательной энергии гравитационного поля, а полная энергия, равная сумме положительной и отрицательной энергии, не ме­няется, т. е. закон сохранения энергии при переходе от цикла к циклу

Рис. 2.2.5. Изменение масштабного фактора в осцилирующей модели Вселенной а) без увеличения лпропии; б) с увеличением штропии

Выполняется. Если бы пульсирующая Вселенная существовала бесконеч­но долю в прошлом, то за бесконечное число пульсаций должна была накопиться бесконечная энтропия Но этого нет Следовательно, с мо­мента возникновения Мира прошло конечное число пульсаций, т. е мы снопа возвращаемся к проблеме Начала, только отодвигаем его во вре­мени. Следует отметить, что эти рассуждения справедливы, если энтро­пия при прохождении через сингулярность сохраняется. Предположение — далеко не очевидное, если учесть, какие глубокие преобразования про­исходят в сит улярностг.

Мы рассмотрели механическую картину эволюции Вселенной, не касаясь физики процессов. Теперь нам следует обратиться к физике

Выдыхание «Непознаваемой Сущности» рожда ет мнр, а вдыхание зас •авдяст его исчезнуть. Этот процесс продолжается извечно, и наша Вселенная есть лишь одна и.-, бесконечных серий, не имею щих ни начала, ни конца.

«Тайная Доктрина»

Одна из важнейших (может быть, самая важная!) особенность аст­рономии XX века состоит в том, что она стала «насквозь» эволюци­онной. В течение веков в европейской культуре господствовало представление о стабильности Вселенной. В отличие от изменчиво­го мира земной природы, Небеса представлялись эталоном неиз­меняемости, царством непреходящего порядка, существующего от Вечности. Начиная с Канта, эволюционные идеи проникают в аст­рономию но они касаются происхождения и эволюции отдельных Небесных i >бъектов: происхождение Солнечной системы, эволюция звезд и т. д. Что же касается Вселенной в целом, то она остается неизменной и «безразличной» по отношению к любым локальным изменениям, происходящим в отдельных ее частях — подобно кри­сталлу, на неизменности и совершенстве которого не сказываются внутренние молекулярные движения. Во второй четверти XX века эти представления подверглись глубочайшему изменению. «XIX век покончил с метафизической традицией в истории и биологии. На долю XX века выпало обосновать эволюционную точку зрения для мира как целого»[85]. Решающую роль здесь сыграло открыт ие фун­даментального факта расширения Вселенной и появление космоло­гических теорий эволюции Вселенной как целого. Наряду с воз­никшей позже, уже во ыорой половине века, теорией самооргани­зации материи[86], которая вводит эволюционные представления в физику, косм< логия расширяющейся Вселенной открыла путь к ста­новлению идеи глобального эволюционализма.

Итак, знакомясь с окружающей нас Все­ленной, мы прошли путь от планеты Земля до Метагалактики. Что­бы лучше представить себе размер этого пути и соотношение раз­личных ст рукгурных образований во Вселенной, воспользуемся масштабом Шкловского. Уменьшим мысленно земную орбиту до размеров первой боровской орбиты атома водорода (0,5 • 10"8 см).

В этом масштабе 1 пк соответствует 10"3 см. Следовательно, рас­стояние до бли^сайших звезд будет составлять сотые доли милли­метра. Расс гояние до центра Галактик] i составит 10 см, размер на­шей Галактики — 30 см. Расстояние до Туманности Андромеды со­ставить около 7 м, до скопления в Деве — 200 м. Размер среднего скопления галактик будет соответствовать неско [ьким десяткам мет­ров, толщина волокон ячеистой структу ры Метагалактики — 100 м, а линейный размер ячейки — порядка 1 км. Границы наблюдае мой области Вселенной в этом масштабе теряются где-то около 10 км. Таким образом, объем Метагалактики в сотни раз пре­вышает объем ячейки крупномас­штабной структуры.

По мере совершенствования астрономических наблюдений с применением все более крупных телескопов границы наблюдае­мой Вселенной непрерывно раз­двигаются. Может ли этот про­цесс продолжаться бесконечно? Наблюдая далекие галактики, мы видим их такими, какими они были миллиарды лет тому назад Мы не можем видеть, как они выг­лядят в настоящее время (ибо для этого мы должны перенестись на несколько миллиардов лет в будущее), потому мы способны из) чать только их прошлое. Таким оЬразом, проникая все дальше и дальше в просторы Вселенной, мы noi ружаемся все глубже и гаубкш в пучи­ну времени, Двигаясь к границам Me гагалактики, мы как бы полу­чаем развертку событий во времени. Это обе гоятельство, как мы увидим ниже, кладет практический предел нашему проникновению в пространство, устанавливает своего рода горизонт, за пределы ко­торого мы проникнуть не можем. Это связано с расширением Все­ленной, о котором мы расскажем в с юдующем параграфе.

Рассмотрим распределение вещества в Метагалап ике. В малых объемах (малых по сравнению с размером Метагалактики) вещество распределено крайне неравномерно. Действительно, подавляющая часть вещества сосредоточена в звездах, звезды группируются в скоп­ления, образуют различные составляющие (тоскую, сферическую), межзвездное вещество в галактиках также распределено неравномер­
но. Сами галактики образуют группы, скопления и сверхскопления. Иное дело в больших масштабах; при осреднении по большим объе­мам (больше характерного размера ячеистой структуры) средняя плотность вещества остается постоянной[84]. Можно провести следу ющую аналогию. Представим себе некое сложное химическое со­единение, молекулы которого равномерно распределены в простран стве. Очевидно, если мы выделим какой либо объем, содержащий достаточное количество молекул, средняя плотность вещества в та ком объеме будет постоянной, независимо от его расположения. Но если мы проникнем внутрь этой молекулы, ситуация изменится коренным образом. В одном из выделенных объемов будут нахо­диться одни атомы (более тяжелые), а в другом — более легкие. Далее, в самих атомах масса распределена крайне неравномерно: подавляющее часть ее сосредоточена в атомном ядре, занимающем ничтожную долю объема атома. Похожая картина наблюдается и для распределения вещества в Метагалактике, где роль «молекул» играют элементы ячеистой структуры.

Однородность Вселенной в больших масштабах — это ее важ­нейшее свойство, с однородностью связано расширение Вселен­ной — факт, имеющий ключевое значение для понимания истории ее развития. С расширением Вселенной мы и познакомимся в сле­дующем параграфе.

Даз. х простое наблюдение звездного неба начол няет сердце трепетом Этот трепет возрастает, когда астрономы поясняют нам, что среди этих мириа — дов сверкающих цен тров окромнмх сил лишь не­сколько точек являются нашими планетами, а ос­тальные — это мо1учие центры далеких Солнеч­ных систем и 1ранлиозные скопления Солнц — галактики.

Н. Уранов. «Размышляя над Беспредельностью»

Еще в начале XX века известная астрономам Вселенная ограничива­лась рамками нашей Галактики. Воображение с трудом улавливало контуры этой грандиозной системы, границы ее сливались с прак­тической бесконечностью. И все-таки пытливая человеческая мысль стремилась проникнуть за эти пределы. Развернувшаяся здесь драма идей длилась почти два столетия.

Умозрительные идеи об островной Вселенной"3 высказыва шсь еще в XVIII веке. У истоков этих воззрений стоит известный шведский ученый и философ, великий мистик и оккультист Э. Сведенборг. Он не только впервые определил Млечный Путь как реально существующую динами — чсскую систему звезд, удерживаемых вместе физическими силами, но и создал картину Мироздания, основанную на иерархическом принципе — существования сложных космических систем, включающих целые «млеч­ные пути» и системы все более и более высокого порядка. Эти идеи развивались затем И. Кантом’14 и И. Ламбертом Но они не имели убе­дительного подтверждения астрономическими наблюдениями.

Во второй половине XVIII века великий английский астроном В. Гер — шель, на основании звездных подсчетов, показал, что наш звездный мир (наша Галактика) конечен, и сделал правильный вывод о том, что он представляет собой лишь один из «островов» Вселенной. Гершель свягал эти «остро!;а» с открытым им же миром туманностей. Это оыло пра­вильное предположение, ибо 80 % открытых им туманностей, действи­тельно, расположено за пределами нашей Галактики и являютс" ;Ipvi ими галактиками. О щако вскоре Гершель отказался от этого преддожени; Дело в том, что, как показали дальнейшие исследования, ряд туманнос­тей — планетарные, диффузные (т. е. те, которые мы теперь связываем с областями HII) принадлежат нашей Галактике. Гершель ошибочно рас — ] фосгранил этот вывод на все туманности.

Во второн половине XIX века было обнаружено, что многие туман­ности Гершеля имеют спиральную структуру. «Перед глазами астроно­мов как бы материализовались угаданные древними натурфилософами и возрожденные в свое время Декартом и Сведенборгом космические вих­ри»115. Это открытие имело важнейшее значение. Спиральные туманно­сти наблюдаются, в основном, на высоких галактических широтах, они избегают полосы Млечного Пути. Это понятно, ибо, если мы сквозь толщу пылевых облаков не видим центр нашей собственной Галактики, то тем более мы не можем наблюдать другие галактики. Однако такой аргумент не рассматривался, и не мог рассматриваться как решающее подтверждение внегалактт ческой природы спиральных туманностей. Более того, концентрация спиралей к полюсам Галактики создавала иллюзию, что они каким то образом связаны с системой Млечного Пути. Великий спор о природе спиральных туманностей продолжался в течение нескоть — ких десятилетий Еще в 20-х годах XX века выдающейся американский астроном X Шепли отстаивал представление о том, что спиральные ту­манности имеют диффузную природ" и принадлежат нашей Га тктике. Одна из гипотез предполагала, что спирали представляют собой форми­рующиеся планетные системы. В таком случае они должны были распола­гаться недалеко от Солнца.

1 14 «Мы видим первые члены непрерывного ряда миров и систем, — писал Кант, — н первая член этой бесконечной прогрессии уже дает нам возможность представить, каково целое. Здесь нет конца, здесь бездна подлинной несоизмеримости, перед кото­рой бледнеет г сякая способность челове [сского понимания, хотя бы и подкрепленного математикой» (И Кант Очерк системы неподвижных звезд, а также о многочислен­ности подобных систем неподвижных звезд. Цит. по кн : Еремеева А. И., ЦицинФ А История астрономии. — М.: Изд-во Моек ун га, 1989. С. 199 ) 1,5 Еремеева А. И., Цииин Ф. А. История астрономии. С. 221.

В 1917 г на горе Маунт Вилсон начал работать самый крупный в ту пору зеркальный телескоп диаметром 2,5 м. Директор обсерватории Дж. Хейл считал, что важнейшим направлением исследований с помо­щью нового телескопа должно стать наблюдение спиральных туманно­стей. Он полагал, что это внесет решающий вклад в проблему образова­ния планетных систем. Телескопу, действительно, суждено было сыграть решающую роль в определении природы спиральных туманностей, но оказалось, что она совершенно иная Решить загадку спиралей выпало на долю Эдвина Хаббла — человека, который сыграл совершенно исклю чительную роль в астрономии XX века

К августу 1924 г. Хаббл с помощью 2,5-м прового телескопа получил около 200 негативов туманностей Андромеды, Треугольника и NGC 6822. Ему удалось разрешить их на отдельные звезды, среди которых были об­наружены цефеиды. Мы уже отмечали, что, зная период изменения блескг цефеид, можно найти их светимость и, следовательно, определить рас­стояние до туманностей, в которых они находятся. Проделав эту процг: дуру, Хаббл нашел, что расстояние до туманностей значительно превы­шает размер нашей Галактики, а сами они по размеру сопоставимы с Галактикой. Так была поставлена точка в вековом споре.

Было доказано, что спиральные туманности представляют со­бой другие звездные системы, подобные нашей. Они стали назы­ваться галактиками (с маленькой буквы), а за нашей звездной систе­мой сохранилось название Галактика (с большой буквы) или систе­ма Млечного Пути.

Мир галактик не менее разнообразен, чем мир звезд. Напом­ним, что общее число галактик в наблюдаемой области Вселенной
рических ЕО до очень сплюсн) гых Е7. Спиральные галактики, ха­рактеризующиеся наличием спиральных рукавов, делятся на нор­мальные спирали (S) и пересеченные спирали (SB). У первых спи­ральные рукава начинаются от ядра галактики, у вторых они закру­чиваются от краев яркой прямой перемычки, пересекающей центр галактики и выходящей далеко за пределы галактического ядра. В зависимости от характера спиральной структуры, от того, как рас­кручиваются спиральные ветви, как быстро они удаляются от ядра (или перемычки) — и нормальные, и пересеченные спирали под­разделяются еще на несколько подтипов, обозначаемых буквами а, Ь, с… Напримерj Sa, SBc и т. д. (см. рис. 2.1.31). Наша Галактика, вероятней всего, относится к типу Sb. Существует также промежу­точный тип между эллиптическими г | тактиками и спиралями. Они получили название линзообразных (обозначаются SO). У линзооб­разных галактик различается ядро, диск и слабый ореол (гало) вок­руг него. В наружных частях диска иногда видньг зачатки (или ос­татки) спиральных рукавов и перемычки, а иногда наблюдается на­ружное кольцо. Любопытно, что этот тип галактик был предсказан теоретически, и J-ишь затем они бьии обнаруженьг. Наиболее мно­гочисленны спиральные галакгикг (50 %), э глиптические составля­ют около 25 %, линзообразные — около 20 %, а на долю крупных неправильных (иррегулярных) галактик приходится только 5 %. Фотографии некоторых галактик приводятся на рис. 2.1.32-2.1 ЗЕ

Основные типы галактик отличаются не только по своему внеш­нему виду, но и по составу, структуре и характеру движения. В эл­липтических галактиках нет звезд­ных дисков, они состоя 1 как бьг из одной сферической составляющей. Плотность звезд в них плавно убы­вает с расстоянием от центра галак тики. Эти галактики практически не содержат газа, в их составе нет также молодых звезд; видимо, про­цесс звездообразования в них уже закончился. Звезды вращаг гея во­круг центра эллиптической галак­тики в самых различных плоско­стях, а сами галактики, как целое, вращаютст очень медленно. По размерам они охватывают широкий ииапазон — от 3 кпк (карликовые галактики) дс п [гантских галак­тик диаметром 100 кпк. Соответственно, массы их изменяются or 106 до 1012 Ме, а светимость от 106 до 10" LB.

Спиральные галактики представляют собой сильно уплощенные звездные системы. Подобно нашей Галактике, они состоят из диска и гало, в центральной части их расположено сфероидальное взду­тие (балдж), внутри которого находится iалактическое ядро. В спи­ральных ветвях диска сосредоточены самые яркие молодые звезды, диффузные туманности, молодые звездные скопления и ассоциа­ции. Поэтому спиральный узор в галактиках так отчетливо выделя­ется, хотя на долю спиральных ветвей приходится всего несколько процентов массы каждой галактики. Основная масса звезд равно­мерно распределена в галактическом диске Их химический состав
близок к солнечному. Звезды вращаются вокруг центра галактики по почти круговым орбитам в плоскости, совпадающей с плоско стью диска. Звезды гало имеют сфероидальное пространственное распределение, сильно концентрируясь к центру галактики. Они вра­щаются по сильно вытянутым эллиптическим орбитам, наклонен-

Ным под всевозможными углами к галактической плоскости Звез ды гало относительно бедны тяжелыми элементами, это наиболее старые звезды спиральных i алакшк — их возраст порядка 10 млрд лет. Диапазон масс и светимостей у спиральных галактик более уз­кий, чем у эллиптических: мас­сы заключены в пределах от 109 до 1012 УИ0,а светимость от 108 до 10" L0.

В неправильных галактиках полностью отсутствует сфери­ческая составляющая. Большин­ство звезд сосредоточено в плоском щеке, но спиральных ветвей в нем нет, отсутствует так­же галактическое ядро. В них много молодых звезд и много газа, в некоторых галактиках газ со стаи л лет до 50 % общей массы.

Описанные основные типы галакт ик не исчерпывают всего их многообразия. Известный советский астроном Б. А. Вороицов — Вельяминов изучил с помощью микроскопа (!) фотографические снимки неба («Паломарский атлас»). Он описал мноше сотни пе­кулярных галактик, кахдая из которых имеет совершенно уникаль­ную форму. Среци них Б. А. Воронцов-Вельяминов выделил осо­
бый тип взаимодействующих галактик. Это, ка:с правило, двойные галактики, в которых между компонентами наблюдаются перемыч­ки светлой и темной материи или хвосты, уходящие далеко в межга лакгическое пространство. Считается, что наша Галактика вместе с ее ближайшими спутниками Магеллановыми Облаками также об­разует взаимодействующую систему От Магеллановых Облаков в сторону нашей Галактики движется поток газа, полная масса кото­рого составляет не менее 100 млн солнечных масс. На небе этот поток образует длинную полосу, протянувшуюся из южного полу­шария! в северное более чем на 90°. Однако ни в какие оптические телескопы его не видно, он был обнаружен по радиоизлучению ней трального водорода на волне 21 см.

Особый гип галактик представляют галактики с активными яд­рами[83] . Хотя доля обт "ма, занимаемого ядрами галактик, ничтох: на (менее 10 от полного объема галактики), количество энергии, излучаемое активными ядрами (их светимость), составляет замет­ную долю от светимости галакгики в целом. При этом светимость ядра не остается постоянной, она может заметно меняться за время от нескольких недель до нескольких месяцев. В некоторых случаях из активных ядер истекают потоки газа, движущегося со скорое гя ми в несколько десятков тысяч километров в секунду.

К числу 1алактик с активными ядрами от носятся раджл алакти — ки. У обычных галакгик светимость в радиодиапазоне в миллионы раз меньше, чем в оптическом. Радиогалактики излучают в радиоди­апазоне столько же энергии, как и в оптической области спектрт (или даже больше). Эти мощные потоки радиоволн являются след ствием тех бурных процессов, которые протекают в ядре галакти­ки. Из ядра радиогалактик выбрасываются интенсивные потоки эле­ментарных частиц (космических лучей), движущихся с околосвето­выми скоростями, чаще всего в двух противоположных направлениях. Двигаясь в машитном поле, электроны космических лучей порождают мощное синхротронное радиоизлучение. За счет этого процесса вблизи таких галактик образуются интенсивные ра­диоисточники, по размерам превосходящие размеры самой галак­тики. Примером может служить один из ярчайших источников Ле­бедь А (рис. 2.1.36).

Долгое время самьи 1и загадочными объектами за пределами на­шей Галактики оставались квазары (квазизвездные радиоисточни­ки). Они были обнаружены в 1963 г. и поистине стали астрономи­ческой сенсацией. Для объяснения квазаров было выдвинуто много

Остроумных гипотез, но постепен — ________ . …._. _______

Но стала проясняться их связь с га — К • лактическими ядрами. На фото1 ра — фиях квазары выглядят, как слабые

Голубоватые звездочки. Однако I ]

Спектр их совершенно не похож ии 1

На спектр звезд, ии на спектр галак — I I

Тик. В отличие от линий поглоще — i

Ния звездного спектра, спектр ква-

Заров содержит яркие эмиссионные

Линии. Когда было измерено рас — о

Стояние до квазаров, оказалось, что это самые далекие объекты в наблюдаемой области Вселенной Обычные галактики на таких рас­стояниях невозможно было бы обнаружи гь. Следовательно, кваза ры не только самые далекие, но и самые мощные, обладающие са мой высокой светимостью объекты Вселенной. Особенно много энергии излучают они в инфракрасной области спектра. Дальней-
ш«с исследования показали, что вокруг квазаров наблюдается сла­бое свечение, обусловленное присутствием звезд. Это позволило связать квазары с ядрами далеких галакт ик. Следует иметь в виду, что в квазарах, так же как в активных галактических ядрах, наблю­дается излучение быстро движущегося газа скорость которого дос тигает тысяч км/с). П< щобно активным ядрам многие квазары за­метно меняю" свою светимость за время порядка нескольких меся­цев. Все Jto указывает на то, что квазары — это ядра далеких I алактик, которые находятся на ранни., стадиях эволюции в состоянии очень высокой активности. Такое представление позволят* выяснить место квазаров в ряду других объектов Вселенной, но это не раскрывает загадку их приооды, поскольк природа самих галактических ядер, источников их энергии остается неизвестной. Великий астроном XX века Джеймс Джичс считал, что в центре галактик находятся осо­бые точки, где «в нашу Вселенную вливается вещество из каких-то других чространственных измерений..»"7. Как шать, может быть, эта мысль — в несколько измененном виде (как это не раз случалось в истории науки) — получит со временем подтверждение и развитие

Таков многообразный мир галактик. Нам остается рассмотреть, каким образом они распределены в пространстве. Подобно звез­дам галактики образуют группы, скопле­ния и сверхскопления. Скопления делятся на правильные и неправильные Правиль­ные скопления обладают сферической формой и содержат десятки тысяч галак­тик. Неправильные скопления менее насе­ленные, в них входят от нескольких десят­ке з до нескольких сотен галактик. Ближай­шее к нашей Галактике скопление галактик находится в созвездии Девы, это непра­вильное скопление, содержащее около 200 г алактик, расстояние до него 20 мегапар секов (Мпк), размер скопления 5 Мпк. Бли­жайшее сферическое скопление находится в созвездии Волосы Вероники, на рассто­янии 125 Мпк, оно содержит более 30 тыс. галактик. Самое далекое скопление их тех, до которых измерено расстояние, также находится в Волосах Вероники, расстояние до него 5200 Мпк. Всего сейчас известно более 7000 скоплений.

Часть галактик (около 10 %) не входит в скопления. Среднее рас­стояние между ними 1-2 Мпк, приблизительно в 100 раз больше размеров галактик. Среднее расстояние м^жду галактиками в скоп­лениях — несколько сотен килопарсек, всего в 10-20 раз меньше размеров i алактик. В этом отношении распределение галактик сильно отличается от распределения звезд: среднее расстояние между звез­дами приблизительно в 20 млн раз превышает их размеры. Таким образом, галак гики «упакованы» в пространстве гораздо более плот­но. Еще «плотнее» упакованы скопления галактик, расстояние между ними практически одно­го порядка с размером скопле­ний. Часть скоплений, как было уже сказано, объединяются в сверхскопления.

Наша Галактика и Туман носгь Андромеды входит в со­став так называемой Местной группы галактик. Она содержит около 40 членов и состоит из двух семейств — семейства Млечного Пути (нашей Галак­тики) и семейства Андромеды. В семейство нашей Галактики

Входят несколько карликовых сфероидальных гачакгик, не­сколько внегалактических ша — Рис — 2J’38" гнк" М 31 (Туманность

Андромеды)

Ровых скоплении И неправиль- Ближайшая # .ЩГ ал ктика, расположенная Ные галактики— Большое и на расстоянии около 2 миллионов световых Малое Магеллановы Облака. В лет’относится " ™"У спиральных галактик Семейство Андромеды входит

Дюжина галактик различных типов. Кроме того, около 10 непра­вильных галактик образуют периферию Местной группы. Местная группа, скопление в Деве и еще ряд скоплений образуют Сверхскоп­ление галактик, диаметр его около 30 Мпк, а число галактик поряд­ка 20 гысяч. С нашим Сверхскоплением соседствует сверхскопление в созвездии Льва (расстояние 140 Мпк) и в созвездии Геркулеса (рас­стояние 190 Мпк). Всего пока выделено около 50 сверхскоплений.

Как распределены сверхскопления? Заполняют ли они равномер­но все пространство наблюдаемой Вселенной или образуют струк­
туры еще более высокого порядка — «скопления сверхскоплений», как это предполагалось в теории островной иерархической Вселен­ной? Оказалось — ни то, ии другое. Крупногласнпабная структура Вселенной состоит из сети объемных ячеек, что-то наподобие ги­гантских пчелиных сот с размером ребра порядка 100 Мпк. Стен­ки ячеек образованы сверхскоплениями г алактик, а внутри ячеек га­лактик почти нет. Эти области получили название пустот или вой — дов. На пересечении стенок расположены длинные тонкие волокна, толщиной около 10 Мпк. Эти волокна представляют собой наибо­лее мощные сверхскопления. А на пересечении волокон в вершинах ячеистой структуры распола1 аются самые крупные, богатые скоп­ления галактик. Важно подчеркнут ъ, что ячеистая структура не со­бирается в более крупные образования, а в среднем равномерно заполняет пространство наблюдаемой Вселенной.

Подобные ячеистые CrpyKiypbi широко распространены на Зем­ле, в минеральном царстве и в живой природе. Мы встречаемся с ними на Солнце в явлениях фотосферной грануляции и хромос — ферной сетки. И, наконец, они проявляю. ся на самых верхних эта­жах структурной лестницы Вселенной. Это свидетельствует о том, что во Вселенной в явлениях самых различных масштабов — от мо­лекул до сверхскопл^иий галакти] действуют одни и те же законы организации материи118.

Вся доступная наблюдениям область Вселенной, включающая в себя га гактики, их скопления и сверхскопления, собранные в ячеи- ггую структуру, образуют систему, называемую Метагалактикой"9.

Космогония должна вызывать величественные мысли.

«Знаки Атни Йоги»

По современным представлениям, звезды обра? уются из диф фузной материи путем i равитационной конденсации. Пространство между звездами заполнено i азом и пылью, которые обра (уют очень разреженную газопылевую среду Средняя концентрация газа (в ос­новном, водорода) в межзвездной среде составляет 1 атом на куб. см (концентрация других газов значительно ниже). Это соответствует плотности 10~24 г/см3; плотность пылевой составляющей на поря­док ниже. По нашим земным меркам, это почти абсолютный ваку­ум. И тем не менее, это не пустота! Земные мерки неприменимы к Космосу. Чем глубже мы будем знакомиться со Вселенной, тем боль­ше будем убеждаться в этом. Нам еще предстоит познакомиться с межзвездной средой, а пока отметим, что она не однородна. Меж­звездная среда состоит из отдельных газопылевых облаков разно1 о размера, с плотностью на 1-2 попядка выше средней. В этих обла­ках и образуются звезды.

Под влиянием различных внешних воздействий (например, маг­нитного поля или ударной волны), а также чисто случайно, в газо — пьшевом облаке могут возникать локальные уггют нения. Силы гра­витации ст ремят ся ежа Л) образовавшееся уплотнение, а давление i аза препятствует этому. Сили грави гации пропорциональна линейному размеру уплотнения г, а сила давления обратно пропорциональна г. Ясно, что при некотором размере обе силы должны быть равны. Соответствующий размер называется критическим радиусом Джинса (или длиной волны Джинса). Он зависит от плотности, температуры и средней молекуляоной массы среды. Если размер уплотнения боль ше критического радиуса Джпнса, уплотнение будет сжиматься. Об­разующийся сгусток об ыдает определенным вращательным момен­
том, так как вещество, из которого он образуется, участвует в общем вращении Галактики. При сжатии скорость вращения возрастает, а это приводит к тому, что массивный сгусток не может сразу сжаться до большой плотности — под действием центробежной силы он раз­бивается на отдельные фрагмен —

TOC o "1-3" h z ты, которые, в свою очередь, ЩЛ ^Bfr ififib1 И подвергаются фрагментации и т. д. Так, в процессе последова — ‘

Тельной фрагментации образу­ются сгустки вещества с массой теУ^ЯЕЭТр^ЭуДя^^у^И порядка массы звезд — это про- у I ‘Ifyv V. ‘ |-щ Я

Тозвезды. Примером такого WL?^^ чР^*-Я газо-пылевого комплекса, в ко — ■ /^Я

Тором идет процесс звездооб — ИЬ^.. j^jJk

Разования, является область ^^ИЕ^ ^ вокруг известной туманности — А^уу»!

Ориона.

В центре сжимающейся ripo — тозвезды плотность вещества выше, на периферии — ниже.

Чем выше плотность, тем быс — Н Н ж» Ж" ■II ; " трее протекает сжатие; это, в [ШНН^Ъ, + " 1 свою очередь, увеличивает *"’ "’"^Я

Плотность и, следовательно, 1ИИИИНИЛ|к.- ИМ повышает скорость сжатия и г. д. В результате сжимающая­ся протозвезда разделяются на два компонента: компактное ядро и протяженную оболочку. Вещество оболочки, притягиваясь к ядру, непрерывно выпадает на него и увеличивает его массу. Ядро при сжатии нагревается и излучает тепловую энергию. Такая про­тозвезда, состоящая из ядра и оболочки, наблюдается в виде источ­ника инфракрасного излучения. Мы упоминали о подобных объек­тах в § 1.12, когда говорили о поисках сфер Дайсона.

Если сжимающаяся протозвезда вращается очень быстро, то на определенном этапе она разделяется на отдельные фрагменты — так образуются тесные двойные системы. Из более медленно вра­щающихся прогозвезд образуются одиночные звезды. При опреде­ленных условиях оболочка протозвезды трансформируется в про­тяженный газоиылевой диск, которому передается основная доля вращательного момента. Из такого диска затем формируются пла
неты. Известно, что в Солнечной системе 98 % вращательного мо­мента приходится на долю планет и лишь 2 % на долю Солнца. Если бы весь момент количества движения принадлежал Солнцу, оно вра­щалось бы со скоростью 100 км/с на экваторе. С такой скоростью вращаются звезды главной последовательности ранних спектраль­ных классов от О до F. Звезды более поздних спектральных Классов от F5 до М имеют такую же, как у Солнца скорость вращения — порядка нескольких км/с. Важно отметить одно обстоятельство: у звезд главной последовательности при переходе от одного спект­рального класса к другому все параметры звезды (ма :са, светимость, температура, радиус) меняются непрерывно, а вот скорость враще­ния ведет себя иначе. При переходе от звезд ВО к звездам F0 она медленно непрерывно уменьшается, но в районе спектрального клас­са F5 резко падает до значения нескольких км/с. Это может слу­жить указанием на то, что у звезд спект ральных классов от F5 до М на определенном этапе эволюции сформировался протопланегный диск, которому была передана основная доля вращательного мо­мента протозвезды. Если это тал, то все звезды указанных спект­ральных классов должны иметь планетные системы. Поскольку про — топланетный диск образуется на стадии формирования звезды, можно заключить, что образование планет происходит в едином процессе со звездообразованием. Наблюдения последних лет под­тверждают этот вывод. Как уже отмечалось выше, планетные систе­мы обнаружены у нескольких десятков звезд[79], причем все они име­ют спектральные классы от F8 до М4.

Пока оболочка протозвезды непрозрачна, мы не видим находя — дуюся внутри ее формирующуюся звезду. Но по мере выпадения вещесгва оболочки на ядро и по мере формирования планет обо­лочка (или протопланетный диск) становятся прозрачными. В это время звезда наблюдается как звездообразный объект с нерегулярно изменяющейся светимостью. Считается, что к эгой стадии относят­ся звезды типа Т Тельца. Ядро протозвезды (будущая звезда) про­должает сжиматься, температура в центре его неуклонно возрастает. Когда она достигает нескольких миллионов градусов, в недрах ядра «загорается» водород: начинаются термоядерные реакции превра­щения водорода в гелий. Выделяющаяся при этом энергия поддер­живает высокую температуру 1071С давление горячего газа уравно вешивает силу тяготения, сжатие останавливается — протозвезда превращается в звезду. Момент начала термоядерных реакций и есть момент рождения звезды На этом заканчивается первая стадия звездной эволюции — стадия образования звезды.

Вторая стадия связана с термоядерными реакциями, в которых ядерным горючим яьляется водород. К этой стадии принадлежат все звезды главной последовательности (включая Солнце), поэтому ее молшо назвать стадией главной последовательности Начинает­ся она с началом ядерных реакций; ас грономы говорят, что в этот момент звезца вступает на главную последовательность. Знаменатель­но, что ядерным горючим на этой стадии является самый распрос­траненный элемент во Вселенной. Надо признать, что Природа рас­порядилась здесь весьма разумно, ибо запасы этого горючего наи­более велики

При сгорании водорода в недрах звезд главной последовательности образуется гелий В результате цепочки ядерных реакций четыре ядра атома водорода (протона), соединяясь, образуют ядро гелия (гелий-4), состоящее из двух протонов и двух нет. фонов, при этом выделяется энергия 4-10 5 эрг на одно образующееся ядро гелия""’. У звезд с массой меньше 0.3 М& температура в центре звечды недостаточна для образования ге­лий-4, здесь процесс завершается на образовании изотопа гелия 3Не.

Пока идут термоядерные реагции, звезда находится в устойчивом со­стоянии; все ее параметры: радиус, масса, светимость, температура ос­таются постоянными На диаграмме Герцшпрунга-Расседа она занимает строго определенное место на главной последовательности. Положение чвезды определяется ее массой. Массивные звезды имеют высокую све­тимость, они занимают верхнюю тасть главной последовательности. Звезды малой массы имеют низкую светимость, они находятся в нижней части главной последовательности Это красные карлики. Их масса заключена в пределах от 0,08 А1в до (1,3 М@

Звезд с массой меньше, чем 0,08 /Ие не существует. Почему? Если масса прото (вгзды меньше 0,08 Мр, то в процессе ок пия температура в ее центре никогда не достигает величины, необходимой для начала ядер­ных реакций с участием водорода. Такое тело (его уже нельзя назвать прогозвездой) сжимается до тех пор, пока его вещество не перейдет в состояние вырожденного газа, давление которого остановит сжатие. Это досп игается при огромных плотностях, порядка 106 г/см3, радиус такого объекта будет порядка 3000 км. Вырожденный газ обладает рядом заме­чательных свойств. Прежде всего, в отличие от обычного газа, он прак тически несжимаем У обычного газа давление зависит от температуры; когда температура падает — газ ежи чается. У вырожденного газа давле­ние не зависит от температуры. Поэтому по мере остывания звездооб­разный объект из вырожденного газа не будет сжиматься Даже если объект потеряет все запасы тепла, сила давления вырожденного газа по — прежнему будет противостоять силе ттн отения, которая не сможет сжать объект до меньших размеров[80]. Постепенно, высветив всю свою тепло­вую энергию, накопившуюся во время сжатия до вырожденного состоя ния, подобные звездообразные объекты превратятся в черные карлики — безжизненные несветящисся тела, которые могут существовать в таком состоянии миллиарды миллиардов лет. Таким образом, нижнии предел массы звезд определяется массой, при которой в центре сжимающейся звезды достигается температура, необходимая для «загорания» водорода. А чем определяется верхний предел массы? Вспомним, что при сжатии массивной протозвезды на ее ядро непрерывно выпадает вещество обо лочки, в результате чего масса ядра (будущей звезды) растет Чем больше масса ядра, тем выше его температура и интенсивнее излучение При мас­се, равной приблизительно 100 М&, давление излучения достигает такой величины, при которой дальнейшее выпадение вещества из оболочки пре­кращается. Это и определяет верхний предел наблюдаемых масс звезд.

Вернемся к звездам главной последовательности Чем больше энергии излучает звезда (т. е. чем выше ее светимость), чем быстрее она расходует ядерное горючее, тем короче стадия устойчивого состояния звезды (время жизни звезды на главной последовательности). Запасы ядерного горючего в звезде пропорциональны ее массе, а темп расходования пропорционален светимости Поэтому время жизни звезды на главной последовательности T<x M/L Но, как уже отмечалось выше, L /И4, следовательно, t <х М~ Звезды с массой, равной массе Солнца, «живут» 11-13 млрд лет Звезды с массой вдвое меньше Ме живут на главной последовательности почти 100 млрд лет, а красные карлики — много дольше[81]. Самые массивные горячие звезды с массой больше 10 М& находятся на главной последова­тельности менее 10 млн лет. Если бы такая звезда образовалась вместе с нашим Солнцем 5 млрд лет тому назад, то к настоящему времени она давно бы исчерпала запасы водородного горючего и прекратила свое существование, вероятнее всего, взорвавшись как сверхновая (см ниже). То, что мы наблюдаем подобные звезды, свидетельствует о том, что они очень молодые и сформировались не более 20 млн лет назад; по космого ническим (и даже геологическим1) масштабам, это совсем мало. Следо­Вательно, процесс звездообразования в Галактике продолжается и в настоящее время.

Чти же происходит со звездой по мере выгорания водородного горю­чего? Во внутренних слоях звезды энерговыделение уменьшается и давле­ние газа уже не в состоянии противостоять силам тяготения. В115 гренние слои звезды слегка сжимаются, темпера! ура в них повышается, давление останавливает сжатие; интенсивность ядерных реакций при повышенной температуре возрастает, восстанавливая прежний темп энерговыдслени« Светимость звезды и температура ее поверхности не меняются. Так в недрах звезды осуществляется управляемый термоядерный синтез, кого рый позволяет поддерживать равновесие звезды. В это время звезда на­ходится на главной последовательности.

Но когда значительная доля водорода выгорит, в центре звезды обра (уется гелиевое ядро. В приле1ающих к нему слоях звезды про­должаются термоядерные реакции с образованием ЯШ Гелиевое ядро растет и, в конце концов, вокруг него остается только очень тонкий слой, где идут ядерные реакции. Лишенное источников энер­гии гелиевое ядро начинает сжимат ься, температура его растет; од­новременно попытается температура примыкающей к ядру тонкой оболочки, где идут термоядерные реакции. Скорость реакций очень сильно зависит от температуры. С повышением температуры скэ рость реакций возрастает, а это, в свою очередь, повышает темпера — гуру и увеличивает скорость ядерных реакций. Такое состояние яв­ляется неустойчивым. Наружные слои звезды начинают расширять­ся, все параметры звезды (ее радиус, спектр, светимость, температура поверхности) изменяются. Период стационарного состояния звез­ды закончился. Начинается новая, третья стадия звездной эволю­ции — стадия красного гиганта.

Процесс перехода в состояние красного гиганта у звезд разной массы протекает по разному. У звезд малой массы температура поверхности (не путать с температурой внутри звезды!) при расширении оболочки практи чески не меняется. Значит, не меняется п поток энергии с единицы повер хности. А так как излучающая поверхность при расширении увеличивает ся, то светимость звезды воз[ астает Эволюционный трек такой зве щы на диаграмме Герцшпрунга-Ра^села изображается почти вертикальной лини­ей (см. рис. 2.1.20). За счет чего увеличивается мощность излучения звез­ды? Очевидно, за счет возрастания Mepi оныдсления в ее внутренних ело ях. Такое кратковременное возрастание энергии, как мы видели, возмож­но, несмотря на истощение ядерного горючего, за счет повышения температуры в зоне, где иду г ядерные реакции. У звезд большой массы температура поверхности с расширением быстро падает, излучательная
способность единицы поверхности уменьшается, но это полностью ком­пенсируется увеличением поверхности звезды, так что ее светимость не меняется. На диаграмме Герцшпрунга-Рассела эволюционный трек такой звезды изображается горизонтальной линией Каким бы путем звезда ни пришла в состояние красного гиганта, в этом состоянии она имеет темпе ратуру поверхности значительно ниже, чем звезда главной последователь

•ост* с той же светимостыо (или светимость выше, чем звезда глав­ной последовательности с той же температурой). Характерной осо бенностыо. звезд на этой стадии эволюции является то, что они становятся очень неоднородными: выделяете,, плотное компактное очень горячее ядро и холодная про­тяженная внешняя оболочка У обычных звезд плотность и тем­пература непрерывно изменяют­ся от поверхности звезды к ее цен­тру, здесь же возникает резкий ска­чок плотности между ядром и оболочкой. По своему строению красный гигант, в какой-то мере, похож на протозиезду в начальном состоянии сжатия

Время перестройки звезды, время перехода ее в состояние красного гиганта в сто раз мень­ше срока жизни звезды на глав­ной последовательности В про­цессе перестройки звезда нахо­дится в неустойчивом состоянии, здесь возникают условия, при которых она может совершать регулярные пульсации В это время звезда наблюдается в качестве цефеиды или пе­ременной типа RR Лиры.

Как же протекает третья стадия звездной эволюции4 Некоторое время после образования красного гиганта зве ща остается стационарной: ее ра­диус, температура, светимость не меняются. В центре звезды находится гелиевое ядро. Еще на стадии образования красного гиганта оно начало сжиматься Если масса ядра больше 0,4-0,5 /И0, то температура при сжа­тии достигает 10" К, начинается новый цикл ядерных реакций, при кото­рых гелий превращается в углерод (три ядра гелия-4 образуют ядро угле­рода 12С). Выделяющаяся при этом энергия поддерживает излучение звез­ды Таким образом, в отличие от звезд главной последовательност и, красный гигант излучает не за счет водородного, а за счет гелиевого горючего. По мере выгорания г:лил в центре звезды образуется углеродное ядро. Когда весь гелий выгорит, стадия красного гиганта заканчивается.

Если масса ядра меньше 0,4-0,5 Ме (масса такой звезды, вероятно, меньше одной Л4е), то температура его при сжатии никогда не достигает величины, при которой «загорается» гелий, лишенное источников энер­гии такое ядро эволюционирует по уже известному нам сценарию, пре­вращаясь в черного карлика. Но в отличие от несостоявшейся прото — згезды, которая превращается в водородный черный карлик, в данном случае образуется черный карлик из гелия. Причем в данном случае это будет гелий-4, а не гелий 3, как для звезд с М < 0,3 М0

Продолжительность каждой из рассмотренных стадий звездной эволюции зависит от массы звезды, не относительная длительность стадий для звезд разной массы сохраняется. Используя это обстоя­тельство Д. Голдсмит и Т. Оуэн в книге «Поиски жизни во Вселен­ной» применяют остроумный прием, сопоставляя время жизни звез­ды с человеческой жизнью. Если принять, что полное время жизни звезды соответствует 70 годам, то в этом масштабе времени первая стадия — сжатие протозвезды (детство) занимает 15-16 лет, сгадия главной последовательности — приблизительно 50 лет, переход­ный период к стадии красного гиганта — около года, а сама стадия красного 1 иганта (сгароетт звезды) — около трех лет. Отсюда вид­но, что большую част ь своей жизни звезда проводит иа главной пос­ледовательности.

Следующая заключительная стадия связана с гибелью звезды. В зависимости от массы звезда либо превращается в белый карлик и медленно угасает, либо взрывается как сверхновая

На первый взгляд может показаться, что чем массивнее звезда, тем больше плотность вещества в ее центре. Но на самом деле это не так. Для равновесия звезды важ"а не плотность, а давление, которое сдержи­вает вес вышележащих слоев и препятствует гравитационному сжа~ию Но давление зависит от температуры, а температура в центре массивных звезд выше, чем у звезд малой массы. Давление нагретого до высокой температуры газа уравновешивает вес вышележащих слоев при меньшей плотности, чем в недрах менее массивных звезд, где температура не так высока. В результате ядро менее массивных звезд более плотное. Это обстоятельство оказывает решающее влияние на судьбу звезд на конеч­ной стадии их эволюции.

У ^везд средней массы (вероятно, не превышающей 2,5 Ме) по­сле выгорания гелия остается углеродное ядро, сжатое до уже зна­комого нам вырожденного состояния, при котором дальнейшее сжа­тие невозможно. Если бы ядро могло сжиматься дальше, то темпе­
ратура его повысилась бы до значения, при котором начинаются термоядерные реакции следующего цикла. Но давление вырожден­ного электронного газа препятствует этому. Поэтому такое ядро обречено на медленное остывание и превращение в черный угле­родный карлик. Но прежде чем это произойдет, звезда претерпева­ет существенные изменения. Наружные слои звезды (красного ги ганта) благодаря интенсивному истечению вещества в межзвездное пространство (звевдный ветер) постепенно рассасываются, обнажая горячее углеродное ядро. Это и есп> белый карлик. У некоторых звезд с массой ~ М@ сброс оболочки происходит на ранних стадиях

Образования красного ги­ганта, когда начинается го­рение гелия. У этих звезд возгорание гелия сопровож дается резким выделением энергии. Звезда теряет ус­тойчивость и сбрасывает с себя наружные водородные слои, они отделяются от звезды, образуя медленно расширяющуюся оболочку, которая наблюдается в виде планетарной туманности"19. Оставшееся в цен. ре ее ядро становится новой плотной и горячей звездой с температурой 50-100 тыс. К, которая теряя энер­гию и охлаждаясь, постепенно превращается в белый карлик

Таким образом белые карлики «вызревают^ в недрах звезды крас — ного гиганта и «появляются на свет» riocue того, как звезда тем или иным способом сбросила свои наружные слои. Они представляют собой очень плотные остатки этих звезд, сос тоящие в основном из ядер углерода и элекгроноь Плотность вещества в них в миллион раз выше средней плотности Солнца. Белые карлики не имеют тер­моядерных источников энер1 ии и светят за счет тепловой энергии, запасенной на предшествующих стадиях эволюции. Температура их поверхности довольно высока (от 5000 до 15000 К), но благодаря

"W Планетарные туманности были открыты Гершелем в конце XV1I1 века, их название отражает чисто внешнее сходс тво с дисками планет при визуальных телеско­пических наблюдениях с небольшим увеличением.

Малой излучающей поверхности светимость их в тысячи раз мень­ше, чем у Солнца. Таким образом, экономно расходуя свою энер­гию, белый карлик может светить в течение миллиардов лет, прежде чем, медленно остывая, превратится в черный углеродный карлии, Подобная участь ожчдает и паше Солнце. Возраст Солнца около 5 млрд ле г. Через 6-8 млрд лет водородное г орючее в недрах Солн ца исчерпается, и оно превратится сначала в красный гигант, а затем, сбросив оболочку и пройда, вероятно, через стадию планетарной туманности, станет белым карликом, а потом черным карликом раз­мером с Землю.

Масса белых карликов близка к массе Солнца и не превышает 1,4 Ме. Масса родительской звезды, из которой он образовался, может бьгть зн; чительно больше. Это зависит от toi О, какую долю вещества сбрасывает звезда, прежде чем из нее «вылупится» белый карлик Звезды типа Сол­нца, вероятно, сбрасывают небольшую долю своей массы. Более массив­ные звезды moiyi сбрасывать шачи тельную часть массы Хорошим при мером является спутник Сириуса — Сириус В, исторически первый от крытый белый карлик. Вместе со звездой Снрпус А они образуют тесную двойную систему. Очевидно поэтому, что обе звезды образовались одно­временно и имеют одинаковый возраст Сириус А (та самая звезда, кото­рая гак ярко сияет на пашем небе) является звездой главной последова­тельности, а тс зда, из которой образовался Сириус В, уже прошла через стадию главной последовательности и превратилась в бсмллй карлик, сле­довательно, она эволюционировала быстрее А это значит, что она имела большую массу. Масса Сириуса А 2,3 Ме, следовательно, звезда, из кото рой образовался Снрпус В, могла иметь массу 2,5-3 Ме Веролтпо, это одна из наиболее массивных звезд, нз которых образуются белые карли­ки. Так как масса белого карлика Сириус В равна 0,9 Ме, это значит, что звезда, нз ко юрой он образовался, потеряла до 70 % своей первона­чальной массы.

Почему масса белых карликов не превышает 1,4 Ме? Мы уже отме­чали, что если масса тела, лишенного внуIpciiniix источников энергии, превышает 1,4 М^ (пт>слел Чапдрасскара), то давление вырожденного электронного газа не может противостоять силе тяготения, и такое тело продолжает сжиматтся, превращаясь в нейтронную звезду или чертмо дыру. Поэтому если в недрах звезды после превращения термоядерных реакций образуется ядро с массой больше указанного предела, то оно презращается в нейтронную звезду или черную дыру.

Мы подошли к самым драматическим событиям звездной эво­люции В центре массивной звезды температура очень высока, ве­щество там находится ие в вырожденном состоянии, а в состоянии обычного газа, который может сжиматься. Когда содержание гслич в ядре истощается, ядро начинает сжиматься, температура в центре его повышается, и там начинается новый цикл ядерных реакций с учас гием углерода, т. е. ядерным горючим становится углерод. В результате слиянии ядер 12С и 4Не образуется ядро кислорода |60. По мере истощения углерода «загорается» кислород: ядро 160, присо­единяя 4Не, образует ядро неона 20Ne и т. д. То есть следует цикл ядерных реакций, в которых последовательно синтезируются тяже­лые элементы вплоть до железа. В каждом последующем типе реак­ций выделяется все меньше и меньше энергии. Но чтобы противо­стоять сжатию, звезда должна вьщелять энергию в прежнем темпе. Это достигается за счет того, что каждый последующий элемент «сгорает» все быстрее и быстрее. Горение углерода длится тысячи лет. Затем смена горючего происходит через годы, сутки и даже часы. Загорание каждого очередного элемента происходит тогда, когда масса его достигнет некоторого критического значения, ко торое близко к переделу Чандрасекара для ядра из этого элемента В результате звезда приобретает структуру «луксвицы»: в центре нахо­дится железное ядро, окруженное многочисленными слоями из продуктов ядерного горения в предыдущих циклах.

Когда образуется железное ядро, дальнейшая цепь ядерных ре­акций прерывается. Почему? Дело в том, что в раду химических элементов железо занимает особое место. При синтезе ядер сравни­тельно легких элементов, включая железо, не надо затрачивать энер­гию. Напротив, синтез этих ядер сопровождается выделением энер­гии, которая и является источником свешмости звезд. В отличие от этого, для синтеза ядер элементов тяжелее железа необходимо зат­ратить определенную энергию (которая освобождается при распа­де этих ядер) Поэтому такой процесс не может поддерживать излу­чение звезды.

Итак, когда образуется железное ядро, ядерные реакции в звезде прекращаются. Звезда охлаждается и начинает сжиматься. Сжагие железного ядра происходит катастрофически быстро: менее чем за секунду оно уменьшает свои размеры в тысячи раз (говорят, что ядро коллапсирует). Казалось бы вещество звезды должно придти в вырожденное состояние, и давление вырожденного электронного газа должно остановить сжатие. Но этого не происходит. Дело в том, что в центре такой коллансирующей звезды развивается фанта­стически высокая температура, она достигает миллиардов градусов. При такой температуре электроны вступают в реакцию с протона­ми и образуют нейтроны (происходит процесс нейтронизации ве — щесгва). В результате количество электронов быстро уменьшается. Но откуда в центре звезды появились протоны? Ведь водород гам давно выгорел на предшествовавших стадиях эволюции. А происхо­дит вот что: при повышении температуры ядра атомов железа со­ударяются друг с другом и разрушаются, распадаясь, в конечном итоге, на протоны и нейтроны. Образующиеся при этом протоны и соединяются с электронами. Энергия, необходимая для распада атомных ядер железа черпается из кинетической энер1 ии коллапси — рующей звезды. Быстрое уменьшение плотности электронов в ре­зультате их слияния с протонами снимает вырождение (исчезает вы­рожденный электронный газ, давление которого могло бы предот­вратить сжатие). Образующиеся нейтроны заполняют звездное ядро, и коллапс продолжается до тех пор, пока в центре звезды не обра­зуется чудовищно плотный компактный объек! размером порядка 10 км, состоящий почти исключительно из нейтронов.

Столкновения атомных ядер при коллапсе приводит, как мы ви­дели, в основном, к их распаду с образованием протонов и нейтри — нов. Однако в этих же столкновениях, очень редко, но все же проис­ходит образование ядер более тяжелых, чем железо, таких, как медь, молибден, олово, иод, серебро, золото, платина, ртуть, свинец, уран, и т. д. Описанный процесс длится примерно 1 секунду, но именно в эту последнюю секунд) жизни звезды рождаеIoi, по существу, вся химия Вселенной, все химические элементы таблицы Менделеева. Энергия, необходимая для обра ювания ядер этих элементов, черпается из ки­нетической энергии коллапсирующей звезды. Заканчивая свой жиз­ненный путь, звезда использует последний шанс, последний источ­ник энергии для образования тяжелых элементов. Надо сказать, что этот процесс имеет для нас немаловажное значение. Хотя живые орга­низмы состоят преим} щественно из элементов более легких, чем же­лезо, — в основном, это водород, углерод, азот, кислород, фосфор — небольшая доля элементов тяжелее железа также входит в состав жи­вых организмов, и они играют в|жную роль в процессах жизнедея тельности (не говоря уже об использовании их в технологических целях для нужд развивающейся цивилизации).

Когда в центре звезды образуется нейтронной ядро, наружные слои обпушиваются на него с колоссальной скоростью. Возникает взрыв, отбрасывающий вещество назад. Мощная ударная волна, дви­жущаяся от центра звезды, вызывает сброс оболочки. При этом выделяется колоссальная энергия порядка 1045 Дж, а образовавшие­ся в звезде тяжелые элементы разбрасываются в окружающее ::осми — ческое пространство. Это и есть взрыв звезды, приводящий к вспыш­ке сверхновой. Обнажившееся нейтронное ядро образует уж знако­мую нам нейтронную звезду, которая наблюдается в виде пульсара.

Ней тронная звезда обр азуется лишь в том случае, если масса же лезного ядра меньше 2 Ме. Если масса ядра превышает 2 Ме, кол­лапс идет неограниченно с образованием черной дыры. Так назы­ваются совершенно необычные объекты, сжавшиеся до такой степе­ни, что их поле тяготения удерживает не только вещество, но и излучение, не позволяя ему вырваться за пределы объема, ограни­ченного так называемым i равитдционным радиусом Rg — IGMIc1 (G — постоянная тяготения, М — масса тела, с — скорость света). Идя тела с массой Солнца Re = 3 км Всякое гравитирующее веще­ство характеризуется определенной скоростью освобождения, ее на­зывают также параболической или второй космической скоростью. Если скорость частицы, находящейся в поле тяготения рассматри­ваемого тела, оольше параболической, частица вырывается из поля тяготения и уходит в космическое пространство. Для Земли пара­болическая скорость равна 11,2 км/с, для Солнца она составляет 600 км/с, а для черной дыры параболическая скорос ть больше ско­рости света. Поэтому ни одна частица (даже квант света), находяща­яся внутри черной дыры (под гравитационным радиусом), не мо­жет вырваться наруж}. Черная дыра не светит и не греет, но своим мощным гравитационным полем затягивает внутрь себя вещество из окружающег о пространства. Академик Я. Б. Зельдович образно назвал черную дыру гравитационной мог илой. Но это грубая кар­тина. Как показал крупнейший современный физик-1еоретик С. Хо — кинг, учет квантовых гффектов приводит — к тому, что черная дыра все же будет светиться, но очень слабо (излучение Хокинга). Обна­ружить по этому излучению обычные черные дыры невозможно. Но их можно заметить по свечению падающего на черную дыру газа. К середине 2001 г. было обнаружено около 20 черных дыр звездной массы и 60 сверхмассивных черных дыр (с массой более миллиона солнечных масс) в ядрах галактик. Образоваггие после­дних не связано со звездной эволюцией.

Описанная картина может быть ие точна в деталях и она не описыва­ет всех возможностей. При определенных условиях могут вспыхивать, как сверхновые, и ие очень массивные звездьг, с массой не сильно превы­шающей солнечную. Не обязательно в результате взрыва образуется ней­тронная звезда или черная дыра; звезда может взорваться полностью, без остатка Важно, что при взрьгве освобождается гигантская энергия и разбрасываются в пространство синтезированные в звезде химические элементы В белых карликах синтез элементов не продвинулся дальше углерода, но и он, в конечном итоге, оказывается запертым в недрах черного углеродного карлика, в который после остывания превратится белый карлик. Взрыв же сверхновых звезд обеспечивает процесс косми­ческого метаболизма: он обогащает межзве щную среду, из которой фов мируются новые поколения звезд. Звезды первого поколения сформиро­вались нз вещества, которое образовалось па ранних стадиях развития Вселенной. Они состояли практически целиком нз водорода (70 % по массе) и гелия (30 %) с небольшой примесью бериллия, лития и бора (меньше одной миллионной). Вероятно, это были массивные звезды, ко­торые давно закончили свою эволюцию, взорвавшись, как сверхновые, и разметас по Галактике тяжелые элементы от углерода до урана Самые старые звезды, которые наблюдаются сегодня, относятся ко второму поколению; они содержат уже заметную долю тяжелых элементов, хотя значительно меньшую, чем звезды следующего третьего поколения, к которому принадлежит и наше Солнце. Существенно, что, как сверхно­вые, взрываются, в основном, массивные звезды, которые очень быстро эволюционируют и, следовательно, за время существования Галактики сверхновые звезды многократно обогащали межзвездную среду.

Итак, звезды формируются из межзвездной среды путем гравита ционной конденсации диффузной материи. Они проходят длитель­ную стадию главной последовате шности, когда устойчивое состоя­ние звезды обеспечивается за счет ядерных реакций превращения водорода в гелий. Затем следует более короткая стадия красного ги­ганта, коща жизнь звезды поддерживается за счет горения гелия. И наконец, наступает заключи г».льная ф 1за, когда, в зависимости от массы зпезды, она либо превращается в белый карлик и медленно угасает, унося с собой в черную могилу накопления своей жиши, либо взры­вается, как сверхновая, щедро разбрасывая в пространство плоды сво­его творчества для использ< >вания их в следующих поколениях звезл. Вспышка света необычайной яркости оповещает всех, кто может ее увидеть, об этом подвиге самоотверженности звезды, отдающей себя, свою материю, свою сущность во имя продолжения Беспредельной Нити Жизни Космоса. Умирая, она, подобно фениксу, возрождается вновь в поколениях звезд, которые приходят ей на смену

2.1.4. Звездная система — Галактика. Мы познакомились с миром звезд, с их свойствами, с тем, как они рождаются, живут и умирают. Теперь нам предстой! краткое знакомство с той страной, в которой они обитают, — с i рандиозной звездной системой Га­лактикой, имеющей размер более 100 тыс. св. лет и содержащей норядка L0" звезд. Напомним, что в Галактике астрономы измеря­ют расстояние в парсеках (1 нк = 3,26 св. года) шги килопарсеках

Большинство наблюдаемых звезд Галактики сосредоточено в плоском диске с небольшим сферическим утолщением в центре. Поперечник диска около 30 килопарсек (кпк), толщина — в десят­ки раз меньше; поперечник центрального утолщения (иногда его называют «балдж») составляет около 4 кпк. Диск с балджем окру­жены звездным тало сферической формы, размер которого около 20 кпк, Диск и 1ало — две основные подсистемы звездного населе­ния Галактики. Предполагается, что вокруг этой «видимой» части Галак. ики простирается еще невидимая галактическая корона, об

Разуемая очень слабыми звездами, при сухо вис которых обнаружь вастся только по их суммарному i равитационному полю. В центре Галактики расположено компактное ядро размером около 20 пк. Схематически строение Галактики показано на рис 2.1 22.

Солнце относится к населению диска, оно расположено на пе­риферии Галактики, ближе к краю диска, на расстоянии около 8 кпк от центра и лежит почти точно в плоское i и симметрии дис­ка (на расстоянии 20 пк над нею). Земной наблюдатель видит диск «с ребра», и огромное число удаленных звезд сливается для него в светящуюся полосу Млечного Пути, который в безлунную ночь хорошо виден на небе невооруженным глазом. Отсюда происхо диг и название нашей звездной системы — Галактика, т. е. звезд ная си-тема Млечного Пути («галактикос» по-гречески означает молочный[82]). Звезды, видимые невооруженным глазом вне поло­сы Млечного Пути, — это звезды диска, расположенные б шзко к Солнцу, поэтому они наблюдаются на больших углах по отноше­нию к галактической плоскости.

Концентрация звезд в окрестности Солнца соответствует при­близительно одной звезде на 8 кубических парсеков. Это значит, что среднее расстояние между звездами составляв около 2 пк (или 6,5 св. лет). В центральных областях Галактики концентрация звезд в миллион раз выше, а расстояние между ними в 100 раз меньше, чем в окрестностях Солнца

Звезды двух основных составляющих — диска и гало отличают­ся возрастом (а, следовательно, химическим составом) и харакге ром движения. В состав i ало входят наиболее старые звезды Галак­тики, относительно бедные тяжелыми элементами. Звезды диска более молодые, и они богаче тяжелыми элементами ио сравнению со звездами гало.

Важно подчеркнуть, что Галактика представлю г собой не просто случайное скопление гигантского количества звезд, а динамическую систему, в которой составляющие ее элементы соверш нот упорядо­ченное движение под действием центральной силы, определяемой суммарным тяготением галактической материи. Если мы выделим 100 или 1000 звезд в окрестности Солнца — они не образуют динами­ческую систему, а вот Галактика в целом является! гакой системой.

Геракл, рожденный смертной женщиной, был поднесен к груди спящей Геры, чтобы молоко ьогини сдела по его бессмерп 1ым. Но проснувшаяся Гера оттолкнула младенца. Геракл не еттл бессмертным, а брызнувшее из гр"дн Вогинн молоко оставило на небе вечный бсо_мерт ный след—Млечный Путь.

Звезды диска обращаются вокруг ядра Галактики по почти кру­говым орбитам, лежащим приб шзительно в одной плоскоп и. При этим все они обращаются в одну сторону. Скорость их движения зависит от расстояния от центра Галактики. Для звезд в окрестнос­ти Солнца скорость галактического вращения составляет приблизи­тельно 200 км/с, это соответствует полному периоду обращения вокру] центра Галактики примерно за 250 млн лет Звезды сфери­ческой составляющей обращаются вокруг центра Галактики по силь­но вытянутым эллиптическим орбитам, наклоненным под всевоз­можными уыами к плоскости ;щска (рис. 2.1.24)’". Такой характер вращения напоминает вращение тел Солнечной системы. Звезды диска движутся подобно планетам, а звезды гало — подобно коме­там. По-видимому, это связано с тем, что процесс формирования Галактики и Солнечной системы имеют общие черты.

Характерной особенностью Галактики является ее спиральная структура. Собственно говоря, спиральная CrpyKiypa относится не ко всей Галактике, а лишь к ее диску. Если бы мы могли посмотреть на нашу Галактику со стороны, в направлении перпендикулярном плоскости диска, то увидели бы, что от центра диска к периферии отходят спиральные рукава (рис. 2.1.25). Спиральные рукава пред­ставляют собой области повышенной концентрации (сгущения) ^везд и межзвездного вещества. В промежутках между рукавами плотность галактической материи меньше. Солнце расположено между рукава­ми — между рукавом Стрельца и рукавом Персея, и движется в на­правлении последнего.

В спиральных ветвям Галактики сконцентрированы почти все мо­лодые горячие звезды высокой светимости. Именно они наиболее ярко очерчивают спиральные ьегви. Эти звезды образуются в спи­ральных вет вя и за время своего существования не успевают поки­ну пь их. Таким образом, спиральные ветви представляют собой ме­сто, где наиболее интенсивно идет процесс звездообразования. Ковда газопылевое облако при своем вращении вокруг центра Галактики входит в спиральный рукав, то на внутренней кромке рукава возни­кает ударная волна, здесь образуется область повышенной плотнос­ти, что способствует процессу звездообразования. Возникающие молодые звезды ярким блеском отмечают область своего звездного «инкубатора».

Что же является причиной возникновения спиральной структуры? Счи­тается, что из центра Галактики распространяется спиральная волна плот­ности. Она представляет собой периодическое чередование сгущения и разряжения галактической материи (звезд и межзвездного вещества) Но

В отличие от обычной волны, например, на поверхности воды, которая распрост раняется по прямым линиям во все сторо

Рис. 2.1.25. (Слева) Спиральная галактика NGC 1232.

По-видимому, она похожа на нашу Галактику. Светлые точки в верхней чае~и рисунка представляют собой распределение молодых объектов в спиральных рукавах нашей Галактики вблизи Солнца, наложенные на фотографию NGC 1232, При выбранном масштабе точки хорошо ложатся на спиральные ветви NGC 1232 (Справа) Галактика NGC 5364 в созвездии Девы—одна из типичных спиральных галактик

Ны от источника возбуждения, галактическая волна плотности распрос­траняется от центра Галактики по спирали. Эта спиральная волна плот­ности обращается вокруг галактического центра с постоянной угловой скоростью (не зависящей от расстояния от центра Галактики). Поэтому спиральный узор при вращении сохраняется. Но этот узор есть картина распределения плотностч Что же касается отдельных «частиц» веще­ства — звезд или межзвездных облаков, скорость вращения которых за­висит от расстояния от центра Галактики, то они при своем движении пересекают спиральную структуру. Звездьг входят в спиральный рукаь и, миновав его, вновь выходят в пространство между рукавами. На рассто яннн 10-15 кпк от центра Галактлки (пока расстояние точно не нзвест но) скорость галактического вращения совпадает со скоростью враще ния спирального узора. Эта область получила название зоны коротацил. Вблизи нее звезды никогда не пересекают спиральные рукава. Некот > рые аьторы считают, что Солнце на дадится как раз в зоне коротации и что это оказало решающее влияние на происхождение жизни в Солнеч ной системе.

Как возникают в Галактике волны плотности, что является их «гене­ратором» — этот вопрос остается пока нерешенным. Возможно, разгад
ка таится в природе самого Галактического гентра, откуда распростра­няются волны плотности.

Диск, гало, корона, спиральные ветви — это наиболее крупные элементы галактической структуры. Но и внутри этих крупных струк­турных образований распределение галактической материи также неоднородно. Звезды диска часто группируются в скопления При­чем это не эффект случайной проекции, звезды скопления распола­гаются в одной области пространства и гравитационно связаны между собой. Плотность звезд в скоплении в десятки раз выше, чем в окружающем звездном фоне, но заметной концентрации к центру скопления не наблюдается. Такие скопления получи. и назв шие <‘рас — сеянные». Число звезд в рассеянных скоплениях меняется в широ­ких пределах — от нескольких десятков звезд (бедные скопления)

До нескольких тысяч »везд (бога­тые скопления). Примером рас­сеянною звездного скопления может служит, хорошо известное скопление Плеяды в созвездии Тельца, видимое невооруженным глазом (см. рис. 2.1.26); оно со­держит сотни звезд, из которых глазом видны 5-6 самых ярких. Диаметры рассеянных скоплений составляют от 1,5 до 30 пк, а мас­сы — от 100 до 3000 Ме. В пре­делах 2 кпк от Солнца известно более тысячи рассеянных скопле­ний, а общее их число в Галакти ке оценивается в 20 тысяч. Все рассеянные звездные скопления на­блюдаются в полосе Млечного Пу ти, т. е. они расположены в диске Галактики. В состав ближайшего к Солнцу очень разреженного скоп­ления входят пять звезд ковша Ьольшой Медведицы, Сириус и дру­гие близкие звезды. Поскольку Солнце расположено рядом с этим скоплением, и мы наблюдаем его как бы изнутри, звезды скопления не образуют компактную группу на небе, а разбросаны по вссму небосклону.

Все звезды одного скопления не только расположены в одном месте, но имеют бличкий возраст, следовательно, они связаны об щим происхождением. Мы уже знаем, что звезды образуются из межзвездной среды. Звезды, возникающие в процессе фрагмента-
цин одного газопылевого облака, как раз и образуют рассеянное звездное скопление. Так как, помимо общего галактического вра­щения, они имеют еще хаотические, случайные скорости, то скоп­ление с течением времени «рассасывается». Обычно это происхо­дит за время нескольких десятков оборотов вокруг центра Галакти­ки. Наше Солнце представляет собой одиночную овезду. Вероятно, оно образовалось в составе рассеянного скопления вместе с сотней других звезд, но за 5 млрд лет >то скопление полностью рассоса лось, и сегодня мы не знаем братьев и сестер Сол] ща.

Наряду с рассеянными звез дными скоплениями в диске Галактики наблюдаются разре­женные группировки молодых горячих звезд, которые полу­чили название звездных ассо­циаций. Счит ает ся, что звезды ассоциации также сформиро­вались в пределах одного об­лака, но не смогли объединить ся в гравитационно связанное скопление.

Следующим, более круп­ным структурным образовани­ем являются звездные комп­лексы, в состав которых входят несколько рассеянных звезд­ных скоплений, ассоциаций и облаков межзвездного газа. Размер комплексов 500-1000 пк, масса 106-107 М@. Все они распо­лагаются вдоль спиральных ветвей Галактики.

Некоторые звезды сферической составляющей также группиру­ются в скопления. В отличие от рассеянных скоплений, они имеют очень высокую концентрацию звезд к центру скопления и имеют, как правило, шаровую форму. Поэтому они получили название шаровых скоплений. По размерам шаровые скопления превосходят рассеян­ные, их диаметр от 15 до 200 пк Число звезд в шаровых скоплениях также больше: согни тысяч, а в отдельных случаях вплоть до милли­она звезд. Массы шаровых скоплений составляют 104-10" М@. Кон­центрация звезд в центральных областях шарового скопления очень
велика: в сотни тысяч раз выше, чем в окрестностях Солнца. Если бы вокруг одной из таких звезд обращалась планета, населенная ра­зумными существами, то они, вероятно, не знали бы, что такое на­стоящая ночь, ибо даже после захода солнца на небе осталось бы множество светил, сияющих, как Луна в полнолуние. Характерной особенностью шаровых скоплений является го, что они практически не содержат i аза. В состаге их также нет молодых звезд. Это наибо­лее древние объекты Галактики, возраст их порядка 10 млрд лет. В настоящее время известно около 150 шаровых скоплений. Они рас­пределены в пространстве неоднородно, концентрируясь к центру Галактики. Как и одиночные зьезды сферической составляющей (гало), шаровые скопления движутся по сильно вытянутым эллиптическим орбитам с периодом обращения 108-109 лет. Большую часть времени они проводят вдалеке от Галак гического центра, но один раз за пе­риод обращения проводят через плотные центральные области Га­лактики.

До сих пор речь шла о звездном населении Галактики. Но, по­мимо звезд, важную роль в жизни Галактики играет межзвездная среда, из которой образуются и сами звезды. Она состоит из газа и пыли, перемешанных в соотношении 100 : 1 (по массе), г. е. масса пыли составляет 1 % от массы газа. Газ и пыль сосредоточены в галактическом диске. Средняя плотность газа здесь, как уже отмеча­лось выше, составляет 1 атом/см1. Для сравнения напомним, что в 1 см3 атмосферы у поверхности Земли содержится 3- 1019 молекул. Несмотря на столь ничтожную плотность межзвездной среды, об­щая масса газа, занимающего огромное пространство, составляет заметную долю — около 3 % массы Галактики (без учета массы ко­роны’). Как и звезды, газ (и пыль) в диске распределены неравномер­но, образуя отдельные газопылевые облака. Средний размер обла­ков — несколько десятков парсек. Химический состав межзвездного газа подобен солнечному Главным компонентом является водород. Он может находит ься в атомарном или молекулярном состоянии. Со­ответственно говорят об облаках атомарного или молекулярного во­дорода. Плотность газа в облаках атомарного водорода составляет 10-100 ат/см3 (в среднем 20 ат/см1), шютность в межоблачной сре­де порядка 0,2 ат/см3. Плотность молекулярных облаков Н2 на мно­го порядков выше, она может достигать 106 молекул/см3, а масса та­ких облаков дост игаег миллиона солнечных масс. Так как пропор­ция между газом и пылыо всюду остается приблизительно одинаковой, то в более плотных облаках содержится также больше пыли.

Плотные газопылевые облака не пропускают свет звезд, нахо­дящихся за ними. Поэтому они выглядят как темные области на небе, которые получили на звание темных туманностей. Примером может служить тем­ная туманность «Конская го­лова» в созвездии Ориона (рис. 2.1.28).

Большая часть атомарного водорода находится в нейтраль­ном состоянии. Облака нейт­рального водорода образуют так называемые области HI. Это холодные облака с тем пера турой меньше 100 К Они совсем не светятся в видимой области спектра, и если бы не

Радиоизлучение на волне Рис. 2.1.28. Темная туманность «Конская

Голова»

21 см, такие облака невозможно было бы обнаружить. К счастью, излучение в линии 21 см дает богатую информацию о распределе­нии этих облаков в Галактике, их движении и физических услови­ях в них.

8 -4147

Если вблизи газопылевого облака находятся яркие звезды, то благодаря рассеянию света звезд на частицах пыли такие облака мопт наблюдаться в вице светлых туманностей, которые получили назва­ние отражательных. Примером может служить отражательная ту­манность в скоплении Плеяды (рис. 2.1.29). Таким образом, отра­жательные туманности представляют собой газопылевые облака, под­свеченные звездами. Когда температура звезд, находящихся внутри (или вблизи) газопылевого облака, достаточно высока, они своим мощным УФ-излучением ионизируют водород. Образуется область ионизированного водорода НИ. Температура в таких областях до — с гигает 10000 К, и они являются интенсивными источниками теп­лового радиоизлучения. Кроме того, ионизованный водород при рекомбинациях"2 интенсивно излучает в оптической области спект­ра, благодаря чему зона НИ светится, образуя диффузные туман­ности (рис. 2.1.30). Формы их необычайно разнообразны, они об­ладают очень богатой гонкой структурой и по красоте не уст упаюг картинам облаков в земной атмосфере. Конечно, наблюдать их мож­но только с помощью телескопов. Области HI и НИ, а 1акже моле­кулярные облака располагаются преимущественно в спиральных вет­вях Галактик

Межзвездные молекулярные облака играют особую poj. b. Имен­но в этих плотных облаках интенсивно идет процесс образования звезд (и планетных систем). Помимо молекулярного водорода Н2, они содержат десятки других молекул. Среди них молекулы воды, шрающей такую важную роль в известной нам водно углеродной форме жизни, к которой принадлежим и мы сами, а также молеку­лы органических веществ. Причем речь идет не только о простей ших органических веществах типа метана СН4, но и более сложных соединениях, таких как муравьиная кислота НСООН, этиювый спирт C2HsOH и др. Молекулы метиламина CH3NH2, обнаружен­ные в межзвездной среде, являются важным звеном в формирова­нии аминокислот, а это уже ступень к образованию белков. Чем сложнее молекула, тем труднее ее обнаружить. Поэтому неизвест­но, как далеко зашла химическая эволюция в молекулярных обла­ках межзвездного газа и какие типы молекул там действительно су­ществуют. Согласно гипотезе Ф. Хойла и Ч. Впкрамасинга, в меж­звездных молекулярных облаках могут возникать даже простейшие формы жизни. Мы подробней рассмотрим эту проблему в гл. 4.

Газовый диск Гатактики пронизан галактическим магнитным полем. Напряженность его в сотни тысяч раз меньше, чем напря­женность геомагнитного поля, но оно играет важную роль в физи­ке и динамике межзвездного газа. Галактическое магнитное поле имеет довольно сложную структуру. Вдоль его силовых лучей дви­жутся заряженные частицы космических лучей. В их состав входят электроны, протоны, позитроны, мезоны, гипероны, ядра тяже­лых элементов. При движении эле* гронов в магнитном поле излу­чаются радиоволны. Это один из основных механизмов радиоиз­лучения Галактики, в целом, и отдельных дискретных источников радиоизлучения. Космические лучи генерируются в ядре Галактики и при вспышках сверхновых. В составе Галактик л оии удерживают­ся ее магнитным полем.

Заканчивая наше "накомство с Галактикой, нам остается «загля­нуть» еще в ее центральную область. Эта область радиусом около 1 кпк, носит название «Галактический центр». Внутри ее находится компактное ядро нашей Галактики размером приблизительно 20 пк (в поперечнике). Галактический центр расположен в направлении созвездия Стрельца за плотным слоем пылевых облаков, ослабляю­щих свет в десятки тысяч раз. Поэтому наблюдать его в оптическом диапазоне невозможно. К счастъю, пылевая среда прозрачна для инфракрасного и радиоизлучения, и это позволяет наблюдать Га­лактический центр в указанных диапазонах волн. Подав тяклцая часть вещее гва в Галак. ическом центре сосредоточена в звездах. Среди них много молодых горячих звезд спектрального класса О. Это указывает на то, что в центральной области нашей Галактики интен­сивно идет процесс звездообразования. Помимо звезд, в Галакти ческом центре имеется значительное количество газа и пыли. Эта газопылевая среда образует быстро вращающийся диск радиусом около 600 пк, наклоненный под углом 22" к галактической плоско­сти. Его называют «околоядерным», так как он непосредственно примыкает к ядру Галактики, расположенному ь центре этого дис­ка Диск состоит из облаков атомарного и молекулярного водоро­да (перемешанных с пылью); во внутренних частях диска водород полностью ионизирован, образуя область НИ р щиусом 150 пк. В околоядерном диске газ движется со скоростью около 200 км/с. По-видимому, эти газовые потеки истекают из ядра Галактики.

В пределах Галактического центра находится мощный источник радиоизлучения Стрелец А. Он состоит из двух компонентов — За­падного и Восточного. Источник Стрелец А Западный, занимаю­щий область размером около 20 пк, совпадает с динамическим цен­тром Галактики, вокруг которого вращаются входящие в нее звез­ды. Эта область и представляет собой ядро нашей Галактики. Внут­ри ядра обнаружены более компактные источники инфракрасного и радиоизлучения. Особый интерес иредставляе г сверхкомпактный радиоисточник, обнаруженный методом радиоинтерферометрии Его угловой размер меньше 0,001", что Coot Ictci вуст линейному размеоу, не превышающему 10 а. е. Предполагается, что это черная дыра с массой поряда 106 7И0.

Ядро Галактики — это самая загадочная область нашей звездной системы. Возможно, оно играет такую же определяющую роль для Галактики, как Солнце для Солнечной системы. Роль ядер особен­но хорошо видна на примере других галактик. К описанию мира ] алактик мы теперь и переходим.

Охватим взором всю ширь ночного неба, облетим мыслью все бесчисленные миры и гайники бсско нечною прос. рансыа.

Е И Рерих

2.1.1. Солнечная система — дом, в котором мы жиьем. Мы живем на поверхности плансгы, которою называем Землей. С точки зрения наше! о повседневного опыта, это огромный необычайно сложный и прекрасный мир. Если мы хотим посмотреть на Землю со стороны, нам придется огвлечься от Mhoi Их доро1 их нашему сер­дцу подробностей. Тогда Земля предстанет как космическое тело, приблизительно шарообразной формы, ее диаметр около 12,7 тыс. км, масса 6-10 кг. Земля вращае гея вокруг своей оси с периодом около 24 часов Ъ< льшая часть ее поверхности покрыта водами мирового океана, 29 % поверхности занимает суша.

Суша Земли образует пять континентов и множество мелких и больших островов. Наружная твердая обе точка Земли — земная кора в районе материков имеет толщину до 70 км, дно океанов об­разовано более тонкой океани­ческой корой, ее толщина около 10 км. Под твердой корой Зем­ли находится мантия, образован ная расплавленным веществом, она состоит из нескольких сло­ев и простирается до глубины 2900 км. Еще глубже расположе­но плотное железо-никилевое ядро Земли. Нзружные слои ядра — жидкие, центральная внутренняя час ть—твердая. Дав­ление в центре Земли достигает 33 • 10б агм, температура около 6000 К Вследствие вращения Земли вокруг своей оси в жидком ядре I енерируются электрические токи, которые являются источником геомагнитного поля.

Над поверхностью мирового океана и континентов расположена воздушная оболочка Земли — ее атмосфера. Она простирается при­близительно до высоты 2000 км и постепенно переходит в межпла­
нет ную среду. Основные процессы, связанные с формированием погоды, протекают в нижней атмосфере Земли — тропосфере, ее юлщина в средних широтах составляет 10-11 км. На высоте 60 км (в стратосфере) содержится значительное количество озона — озо­новый слой, который поглощает большую часть жесткого ультра­фиолетового излучения Солнца и таким образом предохраняет органическую жизнь на Зем ге от губительного действия УФ-радиа­ции. На высоте нескольких сотен километров (от 80 до 800 км) простираются ионизированные слои земной атмосферы, так назы­ваемая ионосфера, которая эффективно отражает декаметровые радиоволны и обеспечивает тем самым дальнюю радиосвязь в диа­пазоне КВ. Атмосфера Земли в основном состоит из азота (78 %) и кислорода (21%); имеется также небольшое количество аргона (0,9 %), углекислого газа (0,03 %) и водяного пара (меньше 0,1%). Атмосфера Земли поглощает большую часть спектра электромаг­нитного излучения, падающего на нее из Космоса. Лишь в оптичес­кой области, приблизительно от 0,3 до 0,7 мкм, и в радиодиапазо­не, от нескольких метров до 1 мм, атмосфера относительно про­зрачна. Через эти два узких «окна прозрачности» и пост) пает на поверхность Земли все излучение из космического пространства.

Содержание свободного кислорода в атмосфере Земли целиком обусловлено жизнедеятельностью живых организмов. Таким обра­зом, органическая жизнь на Земле выступает как активный геохи­мический фактор планетарного масштаба. В соответствии с этим область распространения активной жизни на Земле, охватывающая часть нижней атмосферы, гидросферу и верхнюю часть твердой обо­лочки, получила название биосфера[70]. Таковы некоторьге черты Земли как планеты.

Ближайшее к Земле небесное тело — Луна. Это спутник нашей планеты. Она расположена на расстоянии 384 гьге. км (среднее рас­стояние) и обращается вокруг Земли с периодом 27,3 суток. Диа­метр Луны в 3,5 раза меньше земного, а ее масса в 81 раз меньше массьг Земли. Это мертвое, безжизненное тело, лишенное атмосфе­ры и гидросферы. Несмотря на это, Луна оказьгвает заметное влия­ние на Землю. Прежде всего, благодаря гравитационному взаимо­действию, она вызывает ггриливьг в океане, атмосфере и твердой оболочке Земли. Имеются данньге о том, что ритм жизнедеятель­ности земных организмов коррелирует с ритмом лунных приливов. Отмечена также корреляция процессов в биосфере с фазами Луны.

Земля с Луною обращаются вокруг Солнца по почти круговой орбите с периодом 365,26 суток (сидерический год). Всего в Сол­нечной системе 9 больших планет, — это (в порядке возрастания расстояний от Солнца): Мерк)рий, Венера, Зем ш, Марс, Юпитер, Caiypn, Уран, Нептун и Плутон Расстояния в Солнечной системе принято выражать в астрономических единицах; 1 а. е. равняется среднему расстоянию от Земли до Солнца, 149,6 млн км. Ближай­шая к Солнцу планета Меркурий обращается вокруг него на расстс янии 0,39 а. е., а самая удаленная планета Плутон — на расстоянии 39,4 а. е. Все планеты обращаются вокруг Солнца приблизительно в одной плоскости и в одном направлении, совпадающем с напраи лением вращения Солнца вокру1 собственной оси. Основные ха­рактеристики планет приведены в таблице 2.1.1.

Расстояния планет от Солнца подчиняются определенной зако­номерности (так называемое правило Тициуса-Боде). Согласно этой закономерност и, между Марсом и Юпитером дол;:<на быть еще одна планета. Но вместо нее там существуют целый рой малых тел — малых планет или астероидов Орбиты большинства астероидоь за­ключены в пределах от 2,17 до 3,64 а е. ^эту область Солнечной системы называют поясом аст гроидов), больше всего их на расс го янии 2,8 а. е., где, согласно правилу Тициуса-Боде, должна нахо­диться несуществующая планета.

В настоящее время зарегистрировано более 10 000 астероидов. Са мый крупный из них Церера, ее размер 950 км, а масса в 7000 раз мень­ше массы Земли. Затем следуют Паллада, Веста, Юнона с диаметром, соответственно, 550, 530 и 240 км Число астероидов с уменьшением их размера быстро возрастает. Самые малые из зарегистрированных асте роидов (т. с. таких, для которых определена орбита) имеют размер по рядка нескольких сот метров Более мелкие тела обычно называют ме — теороидами. Граница между ними и астероидами условна. И те, и другие представляют собой каменные глыбы неправильной формы, образовав­шиеся, вероятно, от дробления более крупных тел Процесс дробления продолжается и в настоящее время. Чем меньше осколки, тем больше их число, самые мелкие образуют частицы межпланетной пыли Некого рые метеороиды попадают в поле тяготения Земли и падают на ее повер­хность в виде метеоритов или Ci орают в атмосфере в виде метеоров. Крупные метеоритные кратеры на Земле соответствуют падению асте­роидов диаметром около 1 км

Существовала гипотеза, согласно которой пояс малых планет образовался в результате взрыва планеты Фаэтон, обращавшейся по орбите между Марсом и Юпитером. Согласно современным вз1 ля­дам, астероиды — остатки протопланетных тел, из которых могла с формироваться планета, однако процесс ее формирования не был завершен из-за гравитационных возмущений со стороны Юпитера.

К числу малых тел Солнечной системы относятся и комет ы. Вре­мя от времени эти небесные странницы появляются на нашем не­босводе, создавал красочную картину и оставляя у людей неизгла­димое впечатление, часто наполненное смутными предчувствиями каких-то грядущих событий. Ядро кометы представляет собой ле­дяное тело неправильной формы (ледяную глыбу) размером не­сколько сот километров, состоящую из замерзших газов (Н20, NH-, СО, и др.) с вкрапленными в лед минеральными частицами. Счита­ется, что вещество ядра сохранилось от тех времен, когда происхо­дил процесс формирования Солнечной системы, это остатки тех тел, из которых образовались планеты.

Кометные тела обращаются вокруг Солнца по очень вытянутым эллиптическим орбитам. Большую часть времени они находятся вдали от Солнца, образуя гигантское облако кометных тел, простираю­щееся на 100-150 тысяч а. е., которое называют облаком Оорта[71]. Вблизи афелия своих орбит кометные тела испытывают притяже­ние соседних с Солнцем звезд. Под действием этого притяжения орбиты их изменяются. Часть тел приобретает пораболическую ско­рость и покидают Солнечную систему. Другие (их небольшое чис­ло) переходят на орбиту с перигелием, расположенным вблизи Сол­нца. Именно они и образуют кометы. Когда ядро кометы прибли­жается к Солнцу, вначале с ним не происходит никаких заметных изменений. Но когда расстояние становится меньше 6 а. е., замерз­шие газы в ядре кометы под действием солнечных лучей испаряют­ся и обра iyioi вокруг ядра туманную i азо пылевую оболочку — кому. Вместе с находящимся внутри ее ядром кома образует голову коме­ты, размеры которой достигают 104-105 км. Под действием свето­вого давления и солнечного ветра вещество комы отбрасывается назад от Солнца и образует хвост, простирающийся на сотни миллионов километров. Пройдя через перигелий, комета удаляе гея от Солнца, хвост ее уменьшается, блеск слабеет, и, наконец, она совсем исчезает
из виду. Когда комета проходит через области Солнечной системы, занятые планетами, кометное ядро вновь испытывает возмущения, но уже не от соседних звезд, а от планет. Часть комет под действием этих возмущений переходят на гиперболические орбиты и уходят

Из Солнечной системы, дру­гие захватываются на менее вытянутые эллиптические орбиты. Такие кометы пери­одически возвращаются к Солнцу. Одна из самых изве сгных периодических ко­мет — комета Галлся, с пери­одом обращения примерно 76 лет, последнее прохожде­ние ее было в 1986 г.

В последнее десятилетие XX века были получены но­вые данные о строении вне­шних частей Солнечной си­стемы[72]. В 1992 г. за орби­той Нептуна, на расстоянии 44,3 а. е. была открыта малая планета размером 283 км, которая обращается вокруг Солнца по почти круговой орбите (с очень малым экс­центриситетом). В следующем году была открыта вторая такая пла­нета размером 286 км. А к середине 2002 г. число транснептуно — вых объектов достигло 500. Диаметр самого большого из них — около 1300 км, самого маленького — 96 км. По оценкам количе­ство объектов за орбитой Нептуна размером более 100 км состав­ляет 65 000. Но, конечно, гам должны быть и более мелкие тела, количество которых значительно больше (уже открыты первые та кие объекты размером от 6 до 10 км).

Все транснептуновые тела можно разделить на два класса. Объекты первого класса движутся по почти круговым орбитам, лежащим целиком за орбитой Нептуна. Это так называемые классические
объекты пояса Койпера Существование их было предсказано Дж. Койпером в 1951 г. как возможного источника короткоперио — дических комет. Большинство транснептуновых объектов (до 70 %) относится к этому классу.

В отличие от них объекты второго класса движутся по сильно эксцентричным орбитам и могут заходить внутрь орбиты Непту­на. Плутон принадлежит к этому классу (он также заходит внутрь орбиты Нептуна), поэтому все объекты второго класса получили название плутино, т. е. «маленькие плутончики». Все они, как и Плутон, находятся в резонансе с Нептуном, делая 2 обращения вокруг Солнца за 3 оборота Непгуна Среднее расстояние всех плутино от Солнца примерно равно 39 а. е., а эксцентриситеты и, соответственно, расстояния в перигелии и афелии у различных плутино различны. К середине 2000 г. было открыто около 100 плутино, а общее число таких тел с размером больше 100 км оценивается в 25 000.

Помимо этих двух классов, за орбитой Нептуна находятся объек­ты, которые движутся по очень вытянутым эллиптическим орбитам и могут уходить далеко за орбиту Нептуна и Плутона. Примером может служить объект TL бб, открытый в 1996 г. Е»о размер 500 км, период обращения 1000 лет, и он удаляется от Солнца (в афелии) на 135 а. е. Количество подобных объектов оценивается в 10 000, а их общая масса може1 достигать от 0,5 до 1 массы Земли.

Еще один пояс малых тел расположен внутри орбиты Нептуна, между ним и Юпитером. Это так называемые кентавры. Первый кентавр был огкрьп — в 1977 г. и получил название Хирон (не путать с Хароном — спутником Плутона"). В греческой мифологии Хи рон— имя одного из кентавров (получеловека, полулошади). На­звание объекта «Хирон» было оправдано тем, что он сочетал в себе свойства астероидов и хомет. Так в 1996 г., находясь весьма далеко от Солнца, Хирон проявил активность кометного типа: у него по­явились кома и хвост. Впоследствии другие объекты, подобные Хи — рону, стали называть «кентаврами» К середине 2000 г. было извес­тно около 20 кентавров. Считается, что они попали в область меж­ду орбитами Юпитера и Нептуна из пояса Койпера. Это подтверждает предположение о том, что пояс Койпера является источником периодических комет Расположение некоторых транс­нептуновых тел и «кентавров» показано на рис. 2.1.4.

Но вернемся вновь к большим планетам. Они делятся на две груп­пы: земная группа — Мергурий, Венера, Землт, Марс и планеты-

Гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Плутон занимает осо­бое пол< окение: по своим характеристикам он больше похож на спут­ники планет-гигантов или на плутино.

Рассмотрим планеты! смной фуппы Все они имеют твердые обо­лочки; наиболее обильные химические элементы в твердой оболочке: железо, кислород, кремний, магний. Жидкая оболочка — гидро­сфера имеется только у Земли. На Марсе жидкой воды нет, но есть лед Н-О в полярных шапках и в грунте (вечная мерзлота). Венера, Земля и Марс окружены газовой атмо­сферой. Особенно мощ­ная атмосфера у Венеры, давление ее у поверхно­сти планеты составляет 90 атм, у Земли — 1 атм, у Марса — 0,006 атм Ос­новные компоненты ат­мосферы на Венере и Марсе — углекислый газ и азот (на Земле — кис­лород и азот). У Мерку­рия атмосферы практи­чески нет. Жидкое ядр з имеется у Меркурия, Венеры и Земли, у Map са оно, по-видимому, отсутствует. Все планеты земной группы имеют слабое магнитное поле, у Меркурия оно в 100 раз слабее земного, у Марса — в 104 раз слабее, у Венеры — в 10" раз.

Температура на поверхности Меркурия в полдень составляет 750 К (477 "С), а в полночь падает до 100 К (-173 "С); на Венере, под ее мощной атмосферой, создающей сильный парниковый эф­фект, средняя температура погерхносги 735 К (462 °С); на Марсе в полдень температура достигает 2Ь0 К (7 "С), а в полночь составляет 150 К (-123 "С). Сезонные вариации температуры возникают из-за наклона плоскости экватора планеты к плоскости ее орбиты; поми­мо Земли они еще имеют место на Марсе и практически отсутству­ют на Венере. На Меркурии сезонные изменения температуры свя­заны с заметной эллиптичностью его орбиты: в перигелии он полу­чает вдвое больше тепла, чем в афелии.

Рельеф поверхнос ти планет земной группы отличается большим разнообразием. Самые крупномасштабные элементы поверхности — континентальные блоки и океанические впадины. Имеются они на Земле, Марсе и Венере. Характерной особенностью рельефа яв. тя — rcrrof также горные цени и долины. В формировании рельефа по­верхности планет земной группы, помимо внутренних факторов

Рис. 2.1.5. Венера. Изображение облачного слоя в УФ-лучах.

Фото с американского космического аппарата «Пионер Венера» на расстоянии

65 ООО км от поверхности планеты — 1979 г.

Рис. 2.1.6. Участок поверхности Венеры под облачным слоем По результатам радиолокационной съемки, выполненной с советских космических ап­паратов «Венер..-15» и «Венсра-16» в 1983-1984 гг. Хорош > видна складчатая гряда Лукелонг протяженностью 1500 км

(тектоническая делгельность, вулканы, эрозия), существенную роль играют падения метеоритов, особенно у планет, не имеющил мощ­ной атмосферы У Марса и Меркурия метеоритные кратеры — наи более распространенная форма рельефа, имеются они также на Земле и Венере. На Марсе в результате исследования космическими аппаратами «Викинг» обнаружены образования, связанные с вод­ной эрозией — извилистые долины, русла высохших рек, свиде­тельствующие о том, что в далеком прошлом на Марсе была вода и более n.’ioi ная атмосфера Существует i ипогеза, согласно которой большие запасы воды сохраняются над поверхностью Марса.

Две внутренние планеты — Меркурий и Венера, не имеют спут никои, у Земли один спутник — Луна; у Марса два спутника — Фс бос и Деймос, это небольшие тела неправильной формы, напоми­нающие астероиды

Планеты гиганты отличаются от планет земной группы не толь­ко своими ртзмерами, но также строением и составом. В их составе мало тяжелых элементов, преобладают самые легкие элементы —

Водород и гелий. В этом отношении состав плане т гигантов близок к солнечному. Различие в составе планет земной группы и планет- гигантов объясняет ся различными условиями их образования. В то время, когда формировались плаьеты, интенсивное коротковолно­вое излучение молодого Солнца и солнечный ве тер «Выдули» боль­шую часть легких газов (водород, гелий) из внутренних частей про- топланетного облака, где формировались планеты земной груши. В соответствии с различием в составе, средняя плотность планет — гигантов значительно ниже, чем у планет земной группы.

Строение планет гигантов также имеет общие черты. В центре их находится каменистое ядро, к которому примыкает ледяная оболоч­ка — ] 1антия, состоящая, в основном, из водяного льда, а также за­мерзшего метана и аммиака; над ней простирается очень мощная, протяженная и плотная атмосфера с толстым облачным слоем. У

Юпитера и Сатурна атмосфе­ра состоит, в основном, из во­дорода и гелия с примесыо раз­личных аэрозолей. Давление у основания атмосферы столь велико, что водород здесь на­ходи. ся в жидком состоянии, а еще ниже, в слое, примыкаю­щем к ледяной ман тии, — в ме­таллической фазе. Ядро Юпи­тера составляет всего 4% его массы, у Сатурна оно уже дос­тигает 25 %, а у Урана и Непту­на — 90 % полной массы. Вне­шняя газо-жидкая оболочка Урана и Нептуна состоит из во­дорода, гелия, метана и аммиа­ка. Температура видимой поверхности Юпитера (облачного слоя) составляет приблизительно 130 К (-143 °С), а у остальных планет, которые расположены дальше от Солнца, она еще ниже; самая уда­ленная из планет-гигантов Нептун имеет температуру порядка 60 К (-213 "С). Все планеты-гш анты имеют магнитное поле, особенно сильное оно у Юпитера. Его магнитосфера является источником мощного радиоизлучения, обнаружено радиоизлучение и у Нептуна.

Важной особенностью планет гигантов является наличие у каж­дой из них целого семейства спутников. Еще до начала космических исследований с помощью наземных телескопов у Юпитера было об­наружено 12 спутников, у Сатурна — 10, у Урана — 5, у Нептуна — 2. Исследования с помощью космических аппаратов, побывавших в окрестностях этих планет, позволили обнаружить новые, неизвест­ные ранее небольшие спут ники. В настоящее время общее число спут­ников, обнаруженных в системе Юпитера, достигло 40, у Сатурна обнаружено 30, у Урана — 21, у Нептуна — И спутников. Самым крупным спутником в Солнечной системе является спутник Юпитер-1 Ганимед, его диаметр (5280 км) превос ходит диаметр Меркурия. Один из самых интересных— спутник Сатурна Титан Его диаметр 5150 км, масса почти вдвое превышает массу Луны Титан обладает довольно мощной атмосферой, давление ее у поверхности спутника 1,6 атм. Сос­тав атмосферы: 90 % азота, 9 % аргона, 1 % метана, имеется также небольшое ко­личество аммиака, цианистого водорода и этана. Облака спутника состоят из ка­пелек жидкого метана. У Титана обнару­жено слабое Mai нитное поле. Вторым спутником, у которожо имеется атмосфе ра, является спутник Нептуна Тритон. Его диаметр 2700 км, масса немного превь — шает массу Луны. Следы атмосферы имеются и у спутника Юпитера Ио Хотя Ио не способен удержать г. тмосферу, она постоянно пополняется за счет вулканк ческих извержений. Вулканическая дея­тельность Ио была обнаружена во время полета «Вояджеров». Вулканы Ио выбрасывают вещество со скоро­стью 1 км/с на высоту в сотни километров. Это во много раз превы­шает скореегь и высоту выбросов при извержении вулканов на Земле. Обнаружена слабая атмосфера у еще одного спутника Юпитера — Европы (см. п. 4.2.5).

С системой спутников связана еще одна особенность планет-ги­гантов: наличие у них колец. Наиболее ярко выраженное кольцо — у Сатурна, оно было открыто еще на заре телескопических наблю­дений[73] . В последние годы обнаружены кольца также у Юпитера,

Урана и Нептуна (последние два с помощью космических аппара­тов). Кольца образованы совокупностью небольших тел размером от нескольких микрометров до нескольких метров. Они располо­жены на таком расстоянии от каждой планеты, где сильны вызван­ные ее тяготением приливные силы. Считается, что. сольца пред­ставляют собой тот остаточный материал, из которого должен был бы сформироваться очередной спутник, но процесс этот не состо­ялся из-за разрушительного действия приливных сил планеты.

Последняя планета Солнечной системы Плутон представляет собой небольшое тело диаметром 2280 км, средняя плотность его 2 г/см3, значит, в основном он состоит из камня и льда. Температу­ра поверхности Плутона около 42К (-230 "С). Атмосфера есть, но очень разрежена, давление у поверхности составляет несколько мик — робар. В основном, она состоит из метана и азота. В г азообразном состоянии атмосфера существует только тогда, ко1да Плутон нахо­дится вблизи перигелия. Однако большую часть своего долгого года (243 земных лет) он находится очень далеко от Солнца, и тогда атмосфера его полностью вымерзает. Очень близко к Плутону, на расстоянии около 20 тысяч км, обращается его спутник Харон, он имеет размерьг примерно такого же порядка, как и Плутон (всего в два раза меньше). Фактически это двойная планета.

По своим характеристикам Плутон существенно отличается от других планет Солнечной системы и как бы «не вписывается» в об тц’ю схему ее строения. В последнее время у ученых появились со­мнения, насколько правомерно относить Плутон к больигим плане­там. Возможно, это обычный транснепгуновый объект (плутино), только самьгй массивньгй. Но астрономы — люди консервативньге, и они не спешат лишить Плутон статуса 9 й шпнетьг

Пространство между планетами заполнено мелкими пылевыми частицами. Они образуются от дробления астероидов и метеорит­ных тел (при их столкновениях), а также при распаде периодичес­ких комет. Рассеяние солггечного свет а на частицах межпланетной пыли создает красивую картину Зодиакального света — слабое ко­нусообразное свечение, которое в средних широтах можно наб по­дать в весенние месяцьг в западной части неба после окончания ве­сенних сумерек, или осенью — перед началом утренних сумерек, на востоке. Помимо пылевых частичек, межпланетное пространство заполнено частицами солнечного вещества — плазмой с «вморо­женными» в нее магнитными полями Этот намаг ниченньгй иони­зированный газ движется ог Солнца со скоростью сотни километ — ров в секунду, образуя так называемый «солнечный ветер». Меж­планетное пространство пронизано также элект ромагнитным излу­чением, космическими лучами, гравитационными волнами и нейт­рино, а возможно, и другими неизвестными нам полями.

Солнечная система со всеми ее планетами, их спутниками, коме­тами, астероидами и межпланетной средой представляет собой тот дом, в котором мы живем Э го наш макрокосмос, по отношению к которому человек являе тся микрокосмом. Центром Солнечной си­стемы, ее сердцем является Солнце.

Диаметр Солнца 1 400 ООО км — в 109 раз больше диаметра Земли. Масса Солнца 2 • 1030 кг — в 330 ООО раз больше массы Зем­ли и в 743 раза больше массы всех план» Солнечной системы; иными словами, в Солнце сосредоточено 99,87% всей массы Солнечной системы. Солнце вращается вокруг своей оси с периодом 25,4 зем­ных суток. Вещество Солнца состоит на 71% из водорода, на 26% из гелия, оставшиеся 3% приходятся на все остальные химические эле­менты. С поверхности Солнца, которая нагрета до температуры 6000 К, излучается гигантская (по нашим земным меркам^ энергия 4-1026 Вт, большая часть ее приходится на видимую часть спектра. 3 гот поток света и тепла играет определяющую роль в процессах, ироисхо, тящих в атмосферах и на поверхности плане г, он является источником, поддерживающим органическую жизнь на нашей пла­нете. От куда же берется эта энерг ия?

В недрах Солнца иду т ядерные реакции. Зона реакций — ядро Солнца, занимающее 1% его объема, но содержащее почти полови­ну его массы; температура здесь достигает 10-15 млн градусов, дав­ление 40 млрд атмосфер Вырабатываемая энергия переносится к наружным слоям в виде излучения. На глубине 100-200 тыс. км под поверхностью Солнца находи тся конвективная зона, темпера­тура в ней 104— 106 К, давление — 10й атм. Ядерные реакции в ней не идут, а энерг ия переноси тся не с помощью излучения, а самими эле­ментами вещества. Ячейки горячего газа со скоростью несколько километров в секунду поднимаются к поверхности Солнца и, излу­чая свет, охлаждаются. Охлажденный газ становится плотнее и по­гружается в глубь конвективной зоны, где вновь нагревается и под­нимается вверх.

Видимая глазом блестящая поверхность Солнца, сш фо госфе — ра, расположена непосредственно над конвективной зоной. Толщи­на фотосферы около 400 км. Может показаться, что это довольно протяженная оболочка, но если принять во внимание размер Сол­нца, фотосфера состаь мет всего около 0,03% от его диаметра, т. е. это очень тонкая оболочка. Фотосфера представляет собой осно­вание солнечной атмосферы. Расположенные над ней внешние слои (хромосфера и корона) прозрачны и поэтому в обычных условиях не видны глазом. Их можно видеть вокруг диска Солнца лишь в редкие минуты полного солнечного затмения.

На вид фотосфера кажется твердой поверхностью, но на самом деле она в тысячи раз разреженнее воздуха. Упомянутая выше температура поверхности Солнца около 6000 К — это температура фотосферы. Фо­тосфера имеет сложную структуру, па фотографиях Солнца можно ви-

Рис. 2.1.10. Поверхность Солнца на уровне хромосферы.

Видны темные волокна (протуберанцы) и светлые флокульные поля в активных областях

Деть, что она со< гоит из отдельных зернышек — грянул, разделенных узкими менее яркими промежутками. Размеры гранул различны — от 150 до 1500 км, в среднем около тысячи километров. Время жизни гра­нул — всего несколько минут, юэтому образованная ими картина непре­рывно меняется. Гранулы связаны с конвективными ячейками, которые выносят на поверхность Солнца порции горячего газа.

На поверхности Солнца (через плотный светофильтр) иногда можно чидеп темные пятна. Размеры пятен колеблются от тысячи до десятков тысяч километров, т. е. крупные пятна во много раз превышают размеры земного шара. Солнечные пятна — это области с очень сильным магнит­ным полем. Магнп гное поле тормозит движение конвективных потоков газа, поэтому температура в области пятен примерно на 1500 К ниже, чем в окружающей фотосфере, из за чего они и выглядят более темными. Количество пятен и их суммарная площадь периодически изменяется с пе­риодом около 11 лет. Это период солнечной активности. Пятна являются одним из наиболее показательных ишчкаторов солнечной активности.

Над фотосферой Солнца простирается хромосфера, ее толщина 10- 15 тыс. км. Хромосфера отличается очень сильной неоднородностью и большой изменчивостью, в ней постоянно возникают какие-то струи, пет­ли, отдельные сгустки горячего газа размером в целые земные континен­ты. Одним из самых замечательных феноменов в солнечной хромосфере являются хромосферные вспышки. Во время вспышки в отдельных облас­тях хромосферы внезапно выделяется колоссальное количество энергии, температура повышается до 10-30 млн градусов, появляется мощное рен­тгеновское излучение, возникают потоки за­ряженных частиц — электронов или протонов, которые со скоростью 100 км/с покидают Солнце, при этом генерируется мощное радио­излучение, резко возрастает яркость в опти­ческом диапазоне спектра. Во время сильных вспышек выделяется энергия до 10" Дж, что эквивалентно энергии около миллиарда атом­ных бомб. Такие вспышки происходят редко. Но вспышки в сотни раз более слабые наблю­даются почти каждый день.

Хромосфера постепенно переходит в сол­нечную корону. Это самые внешние слои сол­нечной атмосферы, простирающиеся на рас­стояние в десятки радиусов Солнца. Темпе­ратура короны достигает 1-2 млн градусов. Во внутренних областях ее часто наблюдают­ся большие плотные облака причудливой фор­мы — протуберанцы. Хотя протуберанцы под­нимаются высоко над хромосферой, в область короны, это, по существу, хромосферные об­разования. В некоторых из них происходят очень бурные процессы, и они живут всего несколько минут; другие существуют несколько меся­цев. Внешние слои солнечной короны постепенно переходят в межпла­нетную газовую среду. Вещество солнечной короны (электроны, прото­ны, ионы) непрерывно покидает Солнце со скоростью в сотни километ­ров в секунду. Это и есть солнечный ветер, о котором мы упоминали выше. Солнечный ветер постоянно обтекает Землю, так что, образно говоря, мы живем в атмосфере Солнца, точнее — в атмосфере солнеч­ного ветра. Характеристики его зависят от состояния солнечной актив­ности.

Солнечная активность связана, прежде всего, с состоянием магнитного поля Солнца. Периодическое изменение магнитного поля на поверхности Солнца сопровождается периодическим изменением различных процес­сов: изменяется число и площадь солнечных пятен, число протуберанцев и их активность, мощность и число хромосферных вспышек и др. Все эти процессы и характеризуют солнечную активность. Хотя состояние актив­ности Солнца не влияет на поток солнечной радиации, в частности, на количество тепла, которое получает Земля от Солнца, оно оказывает за­
метное влияние на различные процессы на земном шаре. Вспышки на Сол­нце вызывают полярные сияния и магнитные бури, они приводят к измене­ниям в ионосфере, что сказывается на распространении радиоволн, и к

Другим изменениям в земной атмосфе ре. Обнаружено влияние солнечной активности на живые организмы: рост деревьев, миграцию некоторых видов животных и насекомых, состояние здоровья людей Имеются данные о воздействии на более топкие процес­сы, в частности, в социальной сфере 11 летний цикл солнечной активно­сти, иа самом деле, представляет толь ко половину цикла — полный цикл, включающий также изменение понтяр мости магнитного поля, охватывает период в 22 года. Помимо 11-летнего цикла, по-видимому, существуют и более длительные циклы, но они ме­нее изучены. Так, интенсивность 11-летнего цикла меняется с периодом около 90 лет, имеются указания на существование 600-летнего цикла.

В 1974 г. советские ученые А. Б. Северный, В. А. Котов, Т. Т. Цап обнаружили, что поверхность Солнца пульсирует с периодом 2 часа 40 мин. Амплитуда пульсаций очень мала, она сост дютяст около 20 км или примерно 10~5 диаметра Солнца Интересно, что суточное вра щение Земли достаточно хорошо синхронизировано с периодом сол чечных пульсаций (1 сутки = 24 часа = 9 х 2 ч 40 мин). Имеются

Указания на то, что ритмы био­сферы также синхронизированы с периодом солнечных пульса ций. Таким образом, мы не только живем «в атмосфере Сол нца», но и, возможно, испыты­ваем на себе влияние ритма его «дыхания».

До сих пор речь шла преиму щественно о физических про­цессах в Солнечной системе. Если иметь в виду ее механику, то здесь определяющую роль играет сила гравит ационного притяжения Сол нца. Она является доминирующей вплоть до расстояний 2 ■ 10s а. е. На больших расстояниях начинает сказываться притяжение соседних звезд. Это расстояние (совпадающее с внешним краем облака Оорга)
можно принять в качестве i раницы Солнечной системы. Двигаясь мыс­ленно за ее пределы, мы должны сделать следующий шаг — к звездам.

2.1.2. Мир звезд. Ближайшая к Солнцу звезда Проксима Центав­ра расположена на расстоянии от него 270 ООО а. е. Расстояние до удаленных звезд в десятки тысяч раз больше. Астрономическая еди­ница оказывается мало удобной для измерения расстояний между звездами. Для этой цели используются более крупные единицы — парсек и световой год. 1 парсек равен расстоянию, на котором ради­ус земной орбиты виден под углом в 1", а световой i од — это рас стояние, которое свет, распространяясь со с корост ыо 300 ООО км/ с, проходит за 1 год:

1 пк = 3,26 св. год = 206265 а. е. = 3,086 ■ 10"’ м.

Невооруженным глазом на небе можно видеть несколько тысяч звезд. Современные телескопы позво шют различить сотни милли­онов отдельных звезд, а всего в нашей Галактике содержится поряд­ка 10" звезд Следует иметь в виду, что наша Галактика — не един ственная во Вселенной. В наблюдаемой области Вселенной — Ме­тагалактике содержатся десятки миллиардов дру1 их звездных систем — галактик, так что общее число звезд в наблюдаемой Все­ленной порядка 102l-1022. Звезды подобны Солнцу Если бы мы могли удалиться от Солнца на расстояние 10 пк (что совсем немно­го по масштабам Галактики), мы увидели бы его в виде слабой звез­ды 5-й звездной величины»9. Это иегко понять, ибо Солнце — ря­довая звезда, которая кажется нам столь ослепительно яркой только потому, что она расположена от нас несравненнс ближе всех Dc Гальных звезд Солнце — это наша звезда, А друг ие звезды — это Солнца, многие из которых имеют свои планетные системы.

Характерная особенность звезд состоит в том, что это самосве тящиеся тела, они излучают ia счет внутренних источников энергии (в отличие, например от планет, которые светят отраженным све­том). Источником звездной энергии являются ядерные реакции, про­текающие в их недрах Строение звезд в общих чертах напоминает" строение Солнца. По составу лвезды также подобны Солнцу при близи I сльно 70% составляет водород, около 27% — гелий, а на долю остальных химических элементов приходится приблизительно 2% массы. В пределах этих 2% наблюдаются иногда резкие аномалии химического согтава, о которых упоминалось в § 1.12. Все химичес­кие элементы тяжелее гелия образуются за счет ялерных реакций, которые протекают в звездах[74].

Во внутренних слоях звезд при температуре в миллионы граду­сов развивается гигантское давление газа (плазмы). Это давление мои» бы разорвать звезду, если бы оно не уравновешивалось силой гравитационного притяжения частиц звездного вещества. Равнове­сие этих противоборствующих сил обеспечивает устойчивое состо­яние звезды. Если количество энергии, ".оторое выделяется в не­драх звезды, уменьшается, то давление внутри звезды падает, сила притяжения превосходит силу давления, и звезда начинает сжимать­ся; при этом температура и давление внутри ее нарастают, пока вновь не наступит равновесие (уже при меньших размерах). Напротив, если количество энерг ии, выделяемое в недрах звезды, увеличивается, то давление газа возрастает, и звезда начнет расшириться до тех Tiod. Пока уменьшающееся при расширении давление не уравновесится силой притяжения. Таким образом, в зависимое! и от величины вы­деляемой энергии и в зависимости от массы звезды равновесие дос — ти! ается при различных значениях ее радиуса (т. е. при ра. шичных размерах звезды;.

Массы большинства звезд заключены в пределах от 0,1 до 10 масс Солнца; встречаются (очень редко) звезды в 50 раз массивнее Солнца. Величина 0,1 массы Солнца близка к предельной, при ко­торой, вообще, возможно существование звезды как самосветяще­гося тела, излучающего за счет ядерной энергии. Это связано с про­цессом формирования звезд из межзвездного вещества (см. ниже)

Масса звезды М, ее светимость L (т. е. мощность излучения — количество энергии, излучаемой звездой в единицу времени), ради­ус R и температура поверхности Т связаны меж ду собой определен­ными соотношениями. (;,вегимост ь звезды определяется количеством энер1 ии, ежесекундно вырабатываемой в ее недрах. Чем больше масса звезды, тем выше давление, а следовательно, и температура в цент­ральных областях ее, где идут термоядерные реакции. Скорость ре­акций очень сильно зависит от температуры. Поэтому в массивных звездах, где температура выше, реакции протекаю г быстрее, скорость

Выделения энергии, а значит, светимость звезды выше Теория, в согласии с наблюдениями, дает, что светимость обычной звезды (с умеренной массой) пропорциональна четвертой степени ее массы (L <х М4). С другой стороны, светимость зависит от температуры поверхности и ее размера, Количество энергии, ежесекундно излуча­емой с единицы поверхности звезды, равно сТ4 (здесь а— постоян­ная Стефана-Больцмана). Следовательно, L = AT4S = gT44TcR2 (здесь S — площадь излучающей поверхности). Параметры звезды удобно выражать через соответ ствующие параметры Солнца. На основании приведенных соотношений имеем.

Индекс © означает, что данная величина относится к Солнцу.

Если построить график, на котором по горизонтальной оси от­ложить температуру поверхности звезды, а по вертикальной оси от ложить светимость, выраженную в абсолютной звездной величине[75], то на таком графике каждая звезда изобразится одной точкой (рис. 2.1.14). Этот график играет в ас трономии исключительно важ — , ную роль и носит название диаграмма Герцшпрунга-Рассела. Боли — шинство звезд на диаграмме располагается вдоль линии, идущей из верхнего левого угла в нижний правый. Эта совокупность звезд по­лучила название главной последовательности — Солнце относится к их числу. Помимо главной последовательности, выделяются еще два типа звезд: гиганты (и сверхгиганты), которые при той же темпера­туре имеют гораздо более высокую светимость, чем звезды тлавной последовательности, и белые карлики, которые, напротив, при той же температуре имеют гораздо более низкую светимость.

Поверхностная температура звезд меняется в пределах от несколь­ких тысяч до нескольких десятков тысяч Кельвинов, в очень редких случаях она может превышать 100 ООО К. Светимость, пропорцио — нгльная четвертой степени температуры, меняется в гораздо более широких пределах от 10"4 L0 до 106 L@.

На рис. 2.1.14 на верхней шкале по горизонтали нанесены спект­ральные классы звезд. По характеру спектра (т. е. в зависимости ог того, какие спектральние линии и какого вида наблюдаются в спект­рах звезд) все звезды разделены на несколько спектральных классов,

Которые обозначаются буквами: О, В, A, F, G, К, М. Кроме того, внутри каждого класса выделяются 10 подклассов, обозначаемые циф­рами от 0 до 9. Наше Солнце относится к классу G2. Каждому спек­тральному классу соответствует определенная температура поверхно-

Спектральнын класс

BQI В5 Д9 А2 AS F2 Г8 С S К2 М

1 .п I "Г…………… I

Ригель • Дмн» БстсльгсПэс Г Свсрхшгинты Ч ЧПолмрн. ы. Антарес •/ -"- "Бсллатрикс-.., • дЦефем…—» *Спика Красные пи^нты АльдеГир^н

Pcrv’i • } Мира — ••

‘ «Алголь. • в ; Llcra» Капелла Арктур;

Лчл. пгц" • П(хи|нс1н А

А Цс>|т.(пж А»*..

. Солнце

Главная ‘•. а Цитшра В яослсловатслыюст:

— Б л* it Карлики

•ciiphvcb : "■-. КрюК-ль 60В

‘•Процион В • : • •.

UV Кита.

Рис. 2.1.14. Диаграмма Гсрцшпрунга-Рассела. (Вверху) По вертикильной оси отложена абсо­лютная звездная величина, справа — свети­мость звезды по отношению к Солнцу; по гори­зонтальной оси внизу— температура поверх­ности звезды, вверху — спектральный класс. (Слева) Положение некоторых ярких и близких звезд на диаграмме Герцшпрунга-Раохла

Сти. Спектральные классы ярких юрячих звезд иногда называют «ран­ними», а холодных звезд — «поздними». Эти названия условны и отражают господствовавшие очно время ошибочные представления

Сравнения: средняя плотность Солнца 1,4 г/см3 — порядка плот­ности воды). Однако это не предел: нейтронные звезды (о которых мы упоминали в § 1.8) приблизительно в 1000 раз меньше Земли, их диаметр составляет всего 10 -20 км!

Таким образом, мир звезд весьма разнообразен. Однако сказан­ное не исчерпывает его многообразия. Существует еще множество

Типов переменных и нестационар­ных звезд, а также вспыхивающие, новые и сверхновые звезды. ^ Среди переменных звезд особен-

|Щ Я^Ш но интересны звезды, которые пе-

91 Арктур J риодически меняют свой блеск (их

Часто называю] правильными пере — Анчаьес л т> M

BI менными). 15 зависимости от причин

■ ,’ изменения блеска, они делятся на

Два типа: затменные переменные и физические i юременные. За тменные ‘ ^ переменные звезды являются двой-

;ными, т. е. каждая такая звезда, на са — Jfl^L мом деле, представляет собой систе-

^ му двух близко расположенных ipa

ДХДтЯДг ^^Ж витационно связанных звезд,

Которые из за близкого расстояния между ними воспринимаются даже при наблюдении в телескоп, как одна звезда. Обращаясь вокруг общего центра тяжести, эти звезды попе­ременно затмевают одна другую, чем и объясняются периодические изменения блеска. Примером такой системы является звезда Алголь (Р Персея), переменность которой была обнаружена еще в средние века арабскими астрономами. Блеск ее меняется с периодом 2 сут ок 20 часов 49 минут.

У физических переменных звезд периодические изменения блеска вызываются пульсациями их поверхности. Эти звезды периодичес­ки сжимаются и расширяются. При расширении температура по­верхности звезды падает1, а при сжатии увеличивается, этим и объяс­няются колебания блеска. Примером такой пульсирующей звезды являгтся 8 Цефея. По ее имени все подобные пульсирующие звезды получили название цефеиды. Периоды цефеид составляют от не­скольких часов до нескольких недель. Цефеиды играют исключи­тельную роль в астрономии. Дело в том, что их светимость и пери­
од изменения блеска связаны линейной зависимостью. Используя эту зависимость, можно, определив из наблюдений период цефеи­ды, найти ее светимость. А зная светимость и видимую звездную величину, можно оценит ь расстояние до цефеи. [ы и, следовательно, до того объекта (звездного скопления, галактики), в котором она находится, Это один из наиболее надежных методов определения расстояний во Вселенной.

Помимо пульсирующих звезд (цефеид), существует большой класс неправильных переменных шезд, которые отличаются непериоди­ческими (неправильными) часто быстрыми и сильными изменени­ями блеска. Неправильные переменные также относятся к типу фи­зических переменных звезд. Изменение их блеска, по-видимому, вы­зываются бурными, взрывными процессами, протекающими в их атмосферах. К числу таких т»_зд относятся недавно сформировав­шиеся молодые звезды типа Т Тельца, которые отличаются быст­рыми неправильными изменениями блеска, а 1также вспыхивающие звезды типа UV Ки п, Последние характерны тем, что у них блеск менее, чем за одну минуту может возрасти в десятки раз, а затем! а 10-15 минут падает до первоначальной величины. Во время таких кспышек выделяется энергия, которая на один-два порядка (т. е. в 10-100 раз) превосходит энергию сильных хромосферных вспы­шек на Солнце.

Совершенно другой масштаб явлений связан со вспышками но­вых и сверхновых звезд. Новые звезды во время вспышки за несколь­ко дней увеличивают свою светимость в тысячи и да>ж;е миллионы раз (в среднем, приблизительно в 10 тыс. раз). Обычно это слабые звез­ды, которые не видны невооруженным глазом[76] Но во гремя вспыш­ки, когда блеск их возрастает в тысячи раз, некоторые из них (не очень далекие) можно видеть даже невооруженным глазом. На небе, где до этого ничего не было видно, появляется новая звезда, отсюда и название — новая. Примером может служить очень яркая новая звезда, которая вспыхнула внезапно в августе 1975 г. в созвездии Ле­бедя, вызвав сильное волнение в астрономическом мире. Несколько дней она была сравнима по блеску с самыми яркими звездами этого красивого созвездия и была хорошо видна невооруженным глазом. Но затем ее светимость начала падат ь, звезда стала слабеть и вскоре совсем исчезла из виду, а созвездие приняло свой обычный вид.

В чем причина вспышек новых звезд? Наблюдения показали, что вокруг новой звезды после вспышки образуе. ся расширяющаяся га­зовая оболочка. Кроме того, было установлено, что новые звезды представляют собой тесные двойные системы. Одним из компо­нентов этой системы является обычная звезда, а другим — белый карлик. Из-за очень близкого расположения компонентов вещество обычной звезды под действием притяжения белого карлика непре­рывно перетекает на него. Падая с большой скоростью на поверх­ность плотной звезды, газовый поток нагревает белый карлик. Когда захваченная масса газг (водорода) достигает критической величины (~ 1030 г), температура во внутренних слоях белого карлика увели­чивается настолько, что там начинаются термоядерные реакции Ьыс трое выделение энергии приводит к взрыву, в результате которого внешние слои белого карлика отрываются от него, образуя расши ряющуюся газовую оболочку. Общая энергия, выделяемая при взры­ве, достигает Ю40Дж. Этот процесс мы и наблюдаем как вспышку но­вой. После взрыва процесс перете­кания вещест ва возобновляется, что приводит к повторным вспышкам Интервал между вспышками состав ляет порядка 1000 лет, но иногда бывает значительно короче.

Несравненно более грандиоз­ные процессы происходят при вспышках сверхновых звезд. Све­тимость звезды в течение несколь­ких суток возрастает в Ю10 раз, и она излучает столько же света, :колько все вместе взятые звезды 1 алакгики! Мощность излучения во время вспышки превышае т 1036 Вт, а длительность активной с{ азы мо­жет достигать одного года; полная энергия, выделяемая за это время составляет 104’1 Дж, это приблизительно столько же, сколько Соли це излучает за миллиард лет! В качестве сверхновых вспыхивают, как правило, массивные звезды с массой, превышающей в несколько раз массу Солнца. При взрыве они сбрасывают оболочку, масса кото­рой может достигать нескольких масс Солнца.

Вспышки сверхновых звезд происходят в среднем раз в несколь­ко сотен лет (в одной галактике). По масштабам человеческой исто рии — это довольно редкое сооытие. Одна из таких звезд вспыхну ла в 1054 г. в созвездии Тельца. Яркость ее, по свидетельству китай­ских и японских летописцев, была настолько велика, что она была хорошо видна на дневном небе при свете Солнца. Через несколько недель блеск звезды стал слаба ь, и вскоре она исчезла из ноля зре­ния Сейчас на месте, где вспыхнула Сверхновая 1054 г., находится знаменитая Крабовидная туманность — остаток оболочки Сверх новой, а в центре ее обна) ужен пульсар — нейтронная звезда, ос тавшаяся после взрыва Не всегда на месте вспышки сверхновой об наруживает ся нейтронная звезда. Так, на месте Сверхновой, вспых­нувшей в созвездии Кассиопеи несколько сотен лет назад, име ется мощный рентгеновский источник и самый мощный ис­точник радиоизлучения (он называется Кассиопея А), од­нако там нет оптической туман­ности и никакой звезды в цен­тре рентгеновской оболочки не обнаружено. Остается также загадкой, почему вспышка сверхновой в Кассиопее не была зафиксирована средневе­ковыми астрономами. Две пос­ледние вспышки сверхновых в нашей Галактике наблюдались в 1572 г. Тихо Браге и в 1604 г. И Кеплером. Это было за не сколько лет до начала телескопичесих наблюдений С тех пор аст рономы с нетерпением ждут новой вспышки в нашей Галактике, но тюка безрезультатно.

С помощью телескопов ежегодно наблюдаются несколько вспы­шек сверхновых в других галактиках, но они расположены настоль­ко далеко от нас, что не могут наблюдаться невооруженным глазом. Впрочем, ожидания астрономов были частично вознаграждены в 1987 г., когда сверхновая вспыхнула в Большом Магеллановом Об­лаке — в ближайших окрестностях нашей Галактики. Немедленно на нее были направлены крупнейшие наземные телескопы (радио и оптические), а также все рентгеновские телескотты, установленные
на борту космических аппаратов. В их числе рентгеновские телеско­пы модуля «Квант», который (очень удачно!) был запущен и состы­ковался со станцией «Мир» незадолго перед вспышкой Сверхно­вой. Астрономы и физики стремились использовать для из) чения Сверхновой все имеющиеся у них средства: были предприняты по­пытки обнаружить связанный со вспышкой всплеск гравитацион ного и нейтринного излучения. Из всех результатов, которые были получены по Сверхновой 1987 г., упомянем лишь об одном: уда­лось обнаружить ту самую звезду (предсверхновую), которая вспых­нула как сверхновая, она была обнаружена на фотографиях, полу­ченных до вспышки. Оказалось, что это массивная голубая звез­да — сверхгигант. Это единственный пока в истории астрономии случай, когда згезда, вспыхнувшая как сверхновая, наблюдалась не только после, но и до вспышки.

С чем же связан такой интерес к вспышкам сверхновых? Дело в том, что при взрывах сверхновых звезд происходит синтез тяжелых элементов (тяжелее железа), которые вместе с элементами, синтези­рованными в ходе предшествующей эволюции, выбрасываются в межзвездное пространство и обогащают его всеми химическими элементами тяжелее гелия. Это определяет важнейшее космогони­ческое значение сверхновых звезд. О проблемах звездной космого­нии мы поюворим чуть позже, а сейчас нам осталось познакомить ся с еще одним важным классом звезд — двойными и кратными системами.

О двойных звездах мы уже упоминали, они образуют гравитаци­онно связанную систему и обращаклея под действием сил взаимно­го тяготения вокруг оби’его центра масс. Их называют физически­ми двойными, в отличие от звезд, которые не связаны друг с др) гом, а просто проецируются в близкие точки небесного свода[77]. Физи­ческие двойные, двойственность которых обнаруживается при не­посредственных наблюдениях в телескоп, называются визуально-двой­ными. Они имеют периоды обращения от нескольких лет до не­скольких тысяч лет. Самой короткопериодической из визуально — двойных является звезда М Кита, ее период 2,62 года. Иногда компоненты двойной системы расположены так далеко друг от дру га и обращаются друг относительно друга так медленно, что уло­вить их движение непосредственно невозможно. Их двойственность определяется косвенными методами. Такие звезды образуют широ­кие пары. В простоанстве их компоненты отстоят друг от друга на тысячи и десятки тысяч астрономических единиц, а их периоды достигают миллионов лет. Такова, например, звезда а Центавра, ко­торая вместе с ближайшей к нам Проксимой I Центавра образуют двой­ную систему с расстоянием между компонентами не менее 10 ООО а. е.

В некоторых двойных системах звезды расположены столь близ­ко друг от друга, что их невозможно различить даже при наблюде­нии в самые сильные телескопы. Двойственность этих звезд может быть обнаружена либо по периодическому изменению блеска, ког­да одна звезда при вращении затмевает другую (это затменно-пере — менные звезды), либо спектроскопически (Спектрально-овойные Звезды). Примером затменно-двойной системы, помимо уже упо­минавшегося нами Алголя, является звезда Р Лиры. Известно не­сколько тысяч затменно-двойных звезд. Их периоды заключены от нескольких часов до десятков лет. Спектрально двойные обнаружи­ваются по периодическому смещению спектральных линий из-за эффекта Доплера при обращении звезд дру! относительно друг а (или вокруг общего центра масс). Половину периода зьезда движет :я на нас, ее линии смещаются к фиолетовому концу спектра; другую по­ловину периода звезда движется от нас, лиши смещаются к красному концу спектра.

В тесных двойных системах расстояние между звездами сопосп вимо с их размерами. В таких системах существенную роль начина­ют играть приливные взаимодейст вия между компонентами. Под влиянием приливных сил звезда вытягивается, приобрет ая эллип­соидальную форму. В таких системах газ может пере текать с одной звезды на другую, при этом может образоваться газовый диск вок­руг одной из звезд (см. рис 2.1.18). В состав некоторых двойных систем входят новые звезды, пульсары и, возможно, черные дыры (см. с. 216). Обращаясь друг относительно друга, двойные звезды подчиняются тем же законам небесной механики, что и планеты

Солнечной системы при их вращении вокруг Солнца Определив из наблюдений орбиты звезд в двойной системе, можно найти их массы. Это основной метод определения масс звезд.

Среди двойных систем встречаются такие, в которых один ком­понент имеет во много раз меньшую массу, чем другой. Такой ком­понент (темный спутник) не наблюдается, а его присутствие обна­руживается по периодическим колебаниям положения главного ком­понента на небесной ccbepe. Массы темных спутников заключены в пределах от 0,2 до 0,01 Мв Обычно они не превосходят 0,1 7И0; такие обьекгы называют «коричневыми карлика ли» и относят к звез­дам, так как на определенном этапе эволюции их светимость поддерживается термоядерными реа:сциями. А менее массивные тела с массой меньше 0,01 М@ от ностт к планетам, посколгку они полное тыо лишены термо­ядерного источника энергии. К концу 2000 г. обнаружены пла­неты у нескольких десятков звезд (см. п. 4.3.2).

Помимо двойных систем, существуют тройные и кратные системы. По-видимому, около трети двойных звезд являются тройными и звездами большей кратности Примером шести­кратной системы явлчются Ми — цар и Алькор в созвездии Большой Медведицы. Эти звезды образу­ют широкую пару. Причем Мицар представляет собой визуально — двойную звезду, состоящую из двух компонентов — Мицар А и Мицар В, разделенных угловым расстоянием 14". В свою очередь, Мицар А— спектрально-двойная звезда с периодом 21 Cjt, Ми­цар В — тройная система, она состоит из спектрально-двойной звез — ды с периодом 182 сут, а вокруг этой пары обращается еще третий более далекий компонент с периодом 1350 сут.

Общее число двойных и кратных систем очень велико. Считает­ся, что от 50 до 70 % всех звезд являются системами той или иной кратности. Существует предположение, что и Солнце тоже двойная звезда. Геологические данные показывают, что примерно каждые
30 млн лет на Земле происходят катаклизмы, связанные с интенсив­ным выпадением метеоритов и кометоподобных тел и приводящие к существенному ограничению жизнедеятельности или даже полно­му вымиранию отдельных биологический видов. Одна из гипотез, пытающихся объяснить это загадочное явление, предполагает, что вокруг Солнца обращается ио очень вытянутой эллиптической ор­бите небольшая звезда (спутник). Перигелий орбиты лежит чнугри облака Оорта, а период обращения составляет около 30 млн лет. Когда звезда проходит через перигелий, она вызывает сильнейшие возмущения в облаке Оорта, в результате чего большое число ко­метных тел проникает во вн) гренние области Солнечной системы и, бомбардируя Землю, вызывает периодические катаклизмы. Ги­потетическую звезду многозначительно назвали Немезидой — по имени древнегреческой Богини возмездия. (Согласно другой гипо­тезе, интенсивное выпадение метеоритного вещества связано с про­хождением Солнечной системы через галактические пылевые обла­ка. Но в этом случае трудно объяснить строгую периодичность яв­ления.)

Вполне возможно, что у двойных звезд также имеются планеты. В тесных двойных системах, где расстояние между компонентами много меньше астрономической единицы, планеты (если они там существуют) обращаются, по-видимому, сразу вокруг обеих звезд, точнее вокруг их общего центра масс. В широких парах каждая звезда может иметь свою планетную систему. Если бы земным путешествен­никам удалось побывать на этих планетах (особенно в кратных сис­темах), они увидели бы совершенно необычную для нас картину, когда различные солнца вместе или поочередно появляются на небе. Вероят но жителям этих планет очень трудно представить, что где — то могут существовать планеты, освещаемые одним единственным солнце?*

Наш рассказ о мире звезд, по необходимости, был чисто вне­шним, описательным. Между тем, звезды играют важную роль в жизни Вселенной и в нашей жизни. Дело не только в том, что в них сосредоточено более 95 % всего видимого вещества Вселенной[78]. Звезды являются источниками энергии, необходимой для поддер­жания жизни на планетах; в их недрах образуются необходимые дтя жизни химические элементы. Чтобы лучше понять роль звезд, их влияние на процессы происхождения и развития жизни, надо познакомиться с тем, как рождаются сами гвезды. Конечно, многое здесь лежит еще за пределами нашего пониманил, но общие конту­ры картины обрисовать можно.