Астрономия

Другим фундаментальным  свойством Вселенной является нестационарность. Наблюдения показывают, что галактики  и скопления галактик, разделённые расстояниями, превосходящими размер ячейки неоднородности, удаляются друг от друга. Этот факт был установлен благодаря измерению лучевых скоростей галактик.

Первое успешное определение  лучевой скорости галактики по наблюдению доплеровского смещения её спектральных линий было выполнено в 1912 году В.М. Слайфером в обсерватории Ловелла (США). Он нашёл, что одна из галактик в созвездии Андромеды приближается к Земле со скоростью около 200 км/с. Это удивительный результат, если вспомнить, что большинство звёзд движется со скоростями не более 50 км/с. Изучая спектры других галактик, Слайфер нашёл, что для большинства из них характерно красное смещение линий, то есть в отличие от галактики в Андромеде эти галактики не приближаются, а удаляются с относительно большими скоростями. К 1914 году Слайфер измерил спектры 13 галактик; все они, за исключением двух, удалялись со скоростями около 300 км/с.

Значение результатов  Слайфера прояснилось в дальнейшем благодаря важному открытию Э.П.Хаббла (США), который показал, что скорости удаления галактик отнюдь не случайны. Исходя из измеренных им расстояний до спиральных галактик, Хаббл в 1929 году установил, что вплоть до расстояний в 6 млн световых лет скорости галактик V пропорциональны расстояниям R до них: V = HR. Коэффициент пропорциональности H, названный фактором (или постоянной) Хаббла, измерен с не очень высокой точностью: H = 50–100 (км/с)/Мпк. Наиболее вероятным считается значение H = 75 (км/с)/Мпк.

Величину, обратную постоянной Хаббла, можно рассматривать как  возраст нашей Метагалактики: T = H –1 = 2×10 10 лет. Величина H не зависит от направления, а это означает, что Метагалактика не только однородна, но и изотропна.

Данные о распределении и движении галактик до недавнего времени были единственным источником сведений о Метагалактике. В 1965 году было открыто электромагнитное излучение, однородно заполняющее Метагалактику и приходящее равномерно со всех сторон. Измерения интенсивности этого излучения в диапазоне длин волн от 0,3 до 20 см показали, что оно равновесно, то есть имеет планковский спектр с температурой T = 2,7 K. В указанной области длин волн изотропия этого излучения установлена с точностью до десятой доли процента, что значительно превышает точность, с которой установлена изотропия постоянной Хаббла (~20%).

Разлёт галактик свидетельствует, что наша Метагалактика расширяется. Будет ли наша Метагалактика расширяться неограниченно или её расширение сменится сжатием? Ответ на этот вопрос зависит от того, каково значение плотности вещества в Метагалактике в настоящее время. При малой плотности Метагалактика будет неограниченно расширяться, а при большой — расширение сменится сжатием из-за действия сил гравитации. Существует критическое значение плотности вещества ρкрит , отделяющее один случай от другого. Известно, что вторая космическая скорость для шара с массой M записывается следующим образом:

V = (2GM / R) 1/2 .     (6)

Подставляя в (6) выражение  для массы

M = 4π / 3 ρR 3,

а вместо скорости — выражение V = HR, находим

HR = (8πG / 3 ρR 2 ) 1/2 ,

или, выражая отсюда плотность  ρкрит:

ρкрит =3H 2 / (8πG),     (7)

то есть критическое значение средней плотности в Метагалактике зависит от постоянной Хаббла H. При значении постоянной H = 75 (км/с)/Мпк получаем, что ρкрит ≈ 10 –29 г / см 3. Для вещества, входящего в галактики, усреднённая плотность составляет около 3 × 10 –31 г / см 3, то есть много меньше критической. Учёт скрытой массы позволяет увеличить эту оценку.

Природа скрытой массы

Галактики в скоплениях двигаются слишком быстро, и при этом скопления не распадаются. Звёзды, расположенные на краях спиральных галактик, вращаются вокруг них быстрее, чем предсказывает теория, и при этом не улетают прочь. Запасы невидимого вещества с его дополнительной гравитацией удерживают эти галактики и звёзды в равновесии. Поскольку все тела — от протонов до планет — участвуют в гравитационном взаимодействии, тёмное вещество теоретически может состоять из чего угодно. Многие астрономы поддерживают мысль о том, что тёмное вещество состоит из более или менее обычного вещества — множества слабо светящихся коричневых карликов или, возможно, тёмных планет типа Юпитера (см. табл. 1).

Однако большинство  физиков убеждено в том, что невидимое вещество состоит из элементарных частиц. В процессе многочисленных экспериментов учёные так модифицировали свои экспериментальные устройства, чтобы сделать возможным изучение некоторых из частиц тёмного вещества. Слабо взаимодействующие массивные (CВМ) частицы, или вимпсы (WIMPs — Weakly Interacting Massive Particles), должны пролетать сквозь детектор со скоростью 320 км/с. По некоторым оценкам, каждое мгновение миллионы этих мельчайших пылинок могут пролетать через каждый квадратный сантиметр космоса. Предполагается, что, когда интенсивный поток СВМ-частиц будет пролетать через кристалл (германий и силикон), одна из частиц будет время от времени ударять в ядро кристаллической решётки и решётка начнёт вибрировать из-за толчков, поскольку эти частицы, по расчётам, должны иметь массу примерно такую же, как атом. Небольшая часть энергии этих ударов будет передана электронам в кристалле, заставляя их перемещаться. Каждый кристалл соединён со свинцовой батареей; эффект наблюдается в результате помещения в электрическое поле такой системы кристалл-батарея и измерения потока зарядов — метод, известный как ионизационное обнаружение. Поскольку почти все СВМ-частицы просто пролетят сквозь кристалл, как если бы его не было, то результирующий заряд будет слабым. Один кристалл массой 900 г может испытать от 1 до 1000 взаимодействий с вимпсами каждый день независимо от их природы.

Аксион. Аксион — это гипотетическая частица, используемая в физике для решения некоторых проблем, возникающих при моделировании сильного взаимодействия — взаимодействия, которое удерживает атомные ядра от распада. Один аксион может быть более чем в триллион раз легче электрона, но в каждом кубическом сантиметре их может быть 100 миллиардов. Аксионы-вимпсы могут аннигилировать в тёмном гало Млечного Пути, испуская гамма-лучи, антипротоны и позитроны. Такую радиацию можно зафиксировать, но пытаться выделить этот сигнал на фоне излучения нашей Галактики едва ли проще, чем обнаружить СВМ-частицы в лаборатории.

Нейтрино — возможный носитель скрытой массы. Нейтринная астрофизика изучает физические процессы в космических объектах, происходящие с участием нейтрино. Проблемы регистрации космических нейтрино ν относятся к нейтринной астрономии. Нейтрино естественного происхождения во Вселенной имеют три принципиально различающихся по своей природе источника.

На ранних стадиях горячей Вселенной, в течение приблизительно 1 с после начала её расширения, нейтрино находились в тепловом равновесии с веществом. От этой эпохи нам остался сильно остывший с тех пор газ космологических нейтрино (реликтовые нейтрино).

В обычных звёздах типа Солнца нейтрино рождаются в ядерных реакциях, обеспечивающих наблюдаемую светимость звёзд. При взрывах сверхновых звёзд и в звёздных гравитационных коллапсах температура в центре звезды поднимается настолько, что рождаются позитроны и даже π-мезоны (пионы) и мюоны (μ), которые образуют нейтрино в реакциях:

e – + e + → ν + ν - ,  
μ → ν + ν -, 
π ± → μ ± + ν.

Энергии этих звёздных нейтрино находятся в основном в диапазоне от долей до нескольких десятков мегаэлектронвольт. Нейтрино рождаются также космическими лучами. Ускоренные до высоких энергий протоны или более тяжёлые ядра, сталкиваясь с ядрами атомов или с низкоэнергетическими фотонами, производят π — и K-мезоны, в результате распада которых возникают космические нейтрино высоких энергий. Их энергетический диапазон, доступный регистрации, простирается от нескольких десятков гигаэлектронвольт до, возможно, 10 15–10 16 эВ.

Коричневые карлики — маломассивные холодные звёзды. Данные о массах компонентов двойных звёзд неоценимы для установления статистической зависимости между абсолютной болометрической величиной звезды и её массой — зависимости, которая вытекает из современной теории внутреннего строения звёзд и источников энергии звёзд. Эта зависимость служит для определения масс одиночных звёзд по их светимостям (иначе, по их абсолютным болометрическим звёздным величинам Mбол ). Масса коричневого карлика оценивается как 0,5 M Sol. В недрах таких звёзд никогда не загораются термоядерные реакции.

Нейтронные звёзды. Нейтронные звёзды представляют собой гидростатически равновесные звёзды, вещество которых состоит в основном из нейтронов. Существование нейтронных звёзд было предсказано в 30-х годах нашего века, вскоре после открытия нейтрона. Однако только в 1967 году они были обнаружены в виде импульсных источников радиоизлучения — пульсаров. Затем (1971) было установлено, что нейтронные звёзды проявляют себя также как рентгеновские пульсары и вспыхивающие источники рентгеновского излучения — барстеры (1975). Возможно, на одной из своих стадий существования нейтронные звёзды являются источниками гамма-всплесков. К 1996 году уже открыто более 700 нейтронных звёзд, из них около 100 в виде рентгеновских пульсаров, более 50 в виде барстеров, а остальные в виде обычных радиопульсаров.

Чёрная дыра. чёрная дыра — это область пространства-времени, в которой поле тяготения настолько сильно, что вторая космическая скорость (параболическая скорость) для находящихся в этой области тел должна была бы превышать скорость света, то есть из чёрной дыры ничто не может вылететь — ни излучение, ни частицы, ибо в природе ничто не может двигаться со скоростью, большей скорости света. Границу области, за которую не выходит свет, называют горизонтом чёрной дыры. Для того чтобы поле тяготения смогло „запереть“ излучение, создающая это поле масса должна сжаться до объёма с радиусом, меньшим гравитационного радиуса rg = GM / c 2. Гравитационный радиус чрезвычайно мал даже для больших масс (например, для Солнца, имеющего массу 2×10 33 г, rg = 3 км, для Земли это значение ещё меньше — около 9 мм).

Поле тяготения чёрной дыры описывается теорией тяготения  Эйнштейна. Согласно этой теории, вблизи чёрной дыры геометрические свойства пространства-времени описываются  неэвклидовой (римановой) геометрией, а время течёт медленнее, чем вдали, вне сильного поля тяготения.

По современным представлениям, массивные звёзды (с массой в несколько масс Солнца и больше), заканчивая свою эволюцию, могут в конце концов сжаться (коллапсировать) и превратиться в чёрную дыру (подробнее об этих объектах смотри статьи Д.А. Киржница „Горячие чёрные дыры“ и А.М. Черепащука „Чёрные дыры в двойных звёздных системах“).

Основные методы поиска «cкрытой массы»

Если скрытая масса  состоит из компактных звёздных объектов, то они могут быть обнаружены по эффекту гравитационной фокусировки, то есть будут действовать как гравитационные линзы, отклоняя и усиливая свет далеких звёзд или галактик.

Гравитационная линза. Гравитационная фокусировка — это свойство гравитирующего объекта отклонять проходящий мимо него поток частиц или излучения, собирая поток (фокусируя) и действуя наподобие оптической или электромагнитной линзы.

Солнце, двигаясь относительно разреженного межзвёздного газа, фокусирует своим тяготением поток газа, собирая  его вдоль луча, направленного  в сторону, противоположную движению Солнца (рис. 3). Уплотнение потока газа вдоль луча фокусировки непосредственно наблюдается по его излучению в линии гелия (λ = 584 Å) с помощью приборов, установленных на космических аппаратах.

При прохождении света вблизи гравитирующего тела его траектория искривляется, свет притягивается к телу (рис. 4). Для обычных тел угол отклонения α мал (α << 1) и выражается формулой α(b) = 4Gm / (bc 2 ), где b — прицельный параметр, m — масса тяготеющего тела.

Как видно из рис. 4, лучи, вышедшие из светящейся точки И, огибают тело С и достигают наблюдателя Н. Если источник света протяжённый, то наблюдатель увидит два сильно астигматичных изображения объекта А и В. Тело С, которое своим тяготением искривляет поток лучей, получило название гравитационной линзы. Если гравитирующая масса линзы С не сосредоточена в центре объекта, а распределена по некоторому объёму и лучи света могут свободно проходить через эту массу (такой случай реализуется для большей части объёма галактик или скопления галактик), то траектории лучей будут более сложными. Как правило, наблюдатель сможет увидеть три изображения светящегося объекта (третий луч может проходить через центральную часть гравитационной линзы, почти не отклоняясь от своего пути).

Уже обнаружено проявление 3–5 гравитационных линз. Например, открыта  пара квазаров QSO 0957+561 А, В, находящихся  на угловом расстоянии 5",7 друг от друга, имеющих идентичные спектры с красным смещением z = 1,41 и почти одинаковую яркость. Гравитационной линзой в этом случае является галактика (или скопление галактик), находящаяся на пути от квазара к Земле и создающая его двойное изображение.

Гравитационная фокусировка  света своеобразно проявляется  при распространении света в пространстве, заполненном прозрачной тяготеющей материей. Тяготение материи, находящейся в конусе лучей, искривляет их, как схематически показано на рис. 5. Чем дальше объект, тем большая масса содержится в конусе лучей, тем сильнее отклонение. Это приводит к тому, что начиная с некоторого расстояния во Вселенной более далёкий объект имеет уже не меньшие угловые размеры, а большие, чем такой же объект, расположенный ближе.

Программа EROS. Кривая вращения, наблюдаемые у спиральных галактик, свидетельствуют, что гало у таких галактик должно состоять из тёмного вещества. Считается, что масса гало должна быть в десять раз больше, чем масса видимых частей галактик. Природа тёмного вещества пока неизвестна. Это могут быть взаимодействующие элементарные частицы или тёмные астрономические объекты типа коричневых карликов и чёрных дыр. Раскрытие природы гало оказало бы сильное влияние на космологию и на теорию образования галактик.