Сканировал Игорь Степикин

  • Перспективы
  • Гипотезы
  • Нерешенные проблемы

    БУДУЩЕЕ НАУКИ
    МЕЖДУНАРОДНЫЙ ЕЖЕГОДНИК
    Выпуск пятый

    ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ» 1972

    001

  • Б90

    РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ

  • В. И. ГОЛЬДАНСКИЙ, В. А. КИРИЛЛИН, Б. Г. КУЗНЕЦОВ (председатель), И. М. МАКАРОВ, В. П. МАСЛИН, В. И. СИФОРОВ

    Ответственный редактор Е. Б. ЭТИНГОФ

    2—1

  • Т. п. 1972,—№1

    ИЗ СОДЕРЖАНИЯ

  • Я. Б. Зельдович, академик. Рождение элементарных частиц с. 43-54.
  • К. Торн (США). Релятивистские теории тяготения с. 55-68.
  • B. Зонн (Польша). Квазары с. 119-139.
  • А. Ю. Ишлинский, академик, В. В. Шварев, кандидат технических наук. Механика лунного грунта и грядущие исследования планет с. 140-155.
  • В. П. Глушко, академик. Предисловие к статье Г. С. Хозина с. 156.
  • Г. С. Xозин, кандидат исторических наук. Модель комплексных научно-технических проектов будущего с. 157-168.
  • К. Я. Кондратьев, член-корреспондент АН СССР. Природная среда и космос с. 169-183.

    Статьи иностранных ученых перевели:

  • К. Торн. Релятивистские теории тяготения.— А. А. Рузмайкин
  • B. Зонн. Квазары.— О. П. Бегучев
  • Редактор переводов статей иностранных авторов Р. К. Чуйкова

    ЯКОВ БОРИСОВИЧ ЗЕЛЬДОВИЧ — физик, академик, трижды Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской и Государственной премий. Занимался теорией горения, ядерной физикой, теорией элементарных частиц. В настоящее время основная область исследований — астрофизика и космология.

    ЗЕЛЬДОВИЧ Я. Б.
    РОЖДЕНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

  • При быстром развитии науки предсказания сбываются или же опровергаются раньше, чем о них успевают забыть. Всякое предсказание основано на анализе и осмысливании прошлого. Поэтому первый вопрос, который нужно поставить перед собой, что именно из достижений прошлого представляет наибольший интерес, заключает в себе наибольшие потенциальные возможности развития.
  • Таким разделом физики мне представляется теория рождения элементарных частиц, в особенности рождения заряженных частиц и античастиц.
  • Здесь надо остановиться на двух сторонах дела: на истории вопроса и внутренней его логике (откуда возник вопрос) и на тех применениях к другим областям физики и астрофизики, которые можно ожидать.
  • Итак, сначала об истоках теории рождения частиц. Эта теория целиком дитя двадцатого века!
  • Само понятие об элементарных частицах, наверно, древнее, чем письменность и религия. Так, естественно поставить вопрос о том, что будет, если кусок вещества делить все мельче и мельче; при этом дойти до абстрактного представления о неограниченной, бесконечной делимости было бы гораздо труднее, чем предположить существование предела, т. е. существование мельчайших неделимых частиц.
  • Думается, что, хотя Лукрецию приписывают открытие атомизма, его заслугой скорее является оформление (притом в стихотворной форме, на зависть современным «прозаическим» ученым) взглядов, истоки которых теряются в еще более глубокой древности. Но здесь важнее подчеркнуть общую особенность последующего развития физики от Лукреция до создателей квантовой механики включительно: развивалось учение о движении частиц. При всем гигантском накоплении знаний есть сходство между исследованием движения планет Ньютоном и исследованием атома водорода Шрёдингером и Гейзенбергом.
  • Ньютон считает массы Солнца и планет заданными (и находит их из наблюдений), авторы квантовой теории считают заданными массу и заряд электрона. Подчеркивая это сходство, я не хочу умалять всех различий, известных читателю; в частности, отметим, что Ньютону нужны еще начальные условия (скорости, положения планет), тогда как в квантовой теории основное состояние атома, его вполне определенный нижний энергетический уровень не зависят от предыдущей истории атома.
  • И все же подчеркнем, что даже квантовая механика есть теория движения готовых частиц, а не теория их рождения. Более того, можно сказать, что пафос объяснения явлений сводился к отказу от понятия рождения и гибели, к замене их понятием движения.
  • В самом деле, алхимик говорил, что два вещества (например, ртуть и сера) исчезают и рождается третье (киноварь). Мы считаем достижением как раз понимание того, что одни и те же ядра и электроны входили в состав серы и ртути, но только по-другому перегруппировались в пространстве при образовании киновари и возникли новые свойства. То же самое относится к современной алхимии — к синтезу химических элементов, т. е, новых ядер при перегруппировке нейтронов и протонов.
  • Понятие рождения частиц впервые появилось в связи со знаменитыми работами Эйнштейна по квантовой теории фотоэффекта и особенно квантовой теории излучения. В самом деле, если свет состоит из отдельных частиц — фотонов, то, следовательно, испускание и поглощение света оказываются рождением и гибелью частиц!
  • Современников больше поразил именно тот факт, что свет, описываемый уравнениями Максвелла, т. е. непрерывным распределением переменных электрических и магнитных полей, на самом деле оказывается потоком частиц! То, что эти частицы рождаются, пожалуй, осталось в тени.
  • Подчеркнем именно эту сторону дела. Атом, даже возбужденный, имеет размеры гораздо меньше длины волны испускаемого света. Не может быть и речи о том, что фотон «уже был» в атоме и при излучении вылетел в отличие от электрона при ионизации.
  • Фотон именно рождается — то его не было, а после излучения — вот он, лови его!
  • Однако фотоны — это все же очень своеобразные частицы, во многом непохожие на другие: у фотонов нет ни заряда, ни массы покоя; у фотонов, особенно когда их много, ярко проявляются волновые свойства. Не является ли возможность рождения и гибели уделом только таких особых частиц?
  • Тридцатые годы XX века дали ответ на этот вопрос. Оказалось, что могут рождаться и электроны. Но электроны заряжены; поэтому их рождение всегда происходит попарно: отрицательный и положительный (позитрон) электроны появляются вместе.
  • Это явление было предсказано гениальным англичанином Дираком. Впрочем, ирония заключается в том, что первоначально Дирак ставил перед собой более узкую задачу — описать магнитные свойства электрона. Возможность рождения пар и особенно обратного процесса — уничтожения пары, состоящей из отрицательного и положительного электрона, появилась «на кончике пера теоретика», появилась потому, что иногда математический ответ содержит больше, чем заложено в условия задачи.
  • Первоначально Дирак думал, что протон является положительным электроном и возможность гибели электрона с протоном казалась катастрофой, страшной трудностью теории.
  • Лишь позже последовало открытие позитрона. Рождение частиц оказалось необходимым и для теории бета-распада — процесса превращения нейтрона в протон + электрон + нейтрино. Опять, как и в случае фотона и атома, мы уверены, что электроны и нейтрино не были «спрятаны» в нейтроне, не входили в его состав, как маленькая матрешка входит в большую; е- (электрон) и v (нейтрино) родились в момент распада. Покойный Энрико Ферми сейчас более известен как человек, построивший и запустивший первый атомный реактор, но за 10 лет до того Ферми развил теорию бета-распада. Вернемся к общим принципам рождения частиц и дальнейшему развитию событий.
  • Электрический заряд есть сохраняющаяся, постоянная величина, и поэтому рождаются именно пары e+ и е-. Но есть и другие сохраняющиеся величины, среди которых главная— барионный заряд. Применительно к ядрам — это просто сумма числа протонов и нейтронов. Именно сохранение этой величины не позволяет атому целиком превратиться в энергию. Сохранение барионного заряда приводит к тому, чго рождение бариона обязательно должно сопровождаться рождением антибариона (например, протон и антипротон).
  • Этот процесс был экспериментально изучен лишь в середине 50-х годов. Мучительный период ожидания затянулся на четверть века, и не удивительно, что у некоторых теоретиков сдавали нервы, были попытки (впрочем безуспешные) построить теорию без антибарионов.
  • Но вот теперь эти трудности позади. Мы знаем, что любые элементарные частицы могут быть рождены, так же как рождаются фотоны. Мы знаем и о специфике рождения тяжелых, заряженных частиц: они рождаются парами и есть пороговая минимальная энергия их рождения, разная 2mc2, где m — масса одной частицы, c — скорость света.
  • Перейдем, наконец, от прошлого к будущему. Чего можно ожидать от рождения частиц? В газетной статье академик Г. И. Будкер («Известия», 1971, 15 января.) напомнил о возможности с помощью рождения частиц запасать энергию.
  • Ведь энергия 2mc2, затраченная на создание пары частиц, выделится снова при их гибели. Значит, в принципе можно накапливать антивещество там, где энергия дешева, и употреблять энергию его аннигиляции в случаях, когда важен малый вес топлива, прежде всего в космических аппаратах.
  • Отметим существенное отличие проблемы антивещества от использования деления (уран, плутоний) энергии изотопов (стронций и др.) и термоядерного синтеза (дейтерий, дейтерий с тритием). Во всех перечисленных случаях речь идет об использовании, освобождении энергии, запасенной природой.
  • В отличие от этого в процессах с антивеществом можно только запасать и переводить в другую форму затраченную нами энергию. Конечно, необычайно важна даже такая возможность получения удобного горючего, хотя и дорогой ценой.
  • Однако на пути применения антивещества лежат огромные трудности: получение приемлемого энергетического коэффициента полезного действия, разработка метода хранения антивещества. Не случайно в заглавии статьи Г. И. Будкера слово «мечты».
  • В данной статье я хочу остановиться на нескольких научных вопросах, связанных с рождением частиц. С момента, когда мы знаем о возможности рождения частиц, можно предсказать существование верхнего, максимального предела для величины электрического поля. Если электрическое поле становится больше, происходит самопроизвольное рождение пар е- е+. Эти заряды, двигаясь в противоположные стороны, отбирают у поля энергию, а значит, и ослабляют поле. Отметим, что на классическом языке нужно было бы сказать, что частицы рождаются на конечном расстоянии друг от друга, чтобы разность потенциалов компенсировала затрату энергии на рождение
  • е[j1—j2] = eEl = 2mc2.
  • Здесь е — заряд электрона; j1 — электростатический потенциал в точке 1, где появляется электрон; j2 — то же в точке 2, где появляется позитрон; Е — электрическое поле; l — расстояние между точками 1 и 2; m — масса электрона; с — скорость света. Когда мы предполагаем, что частицы рождаются одновременно и сразу же оказываются на конечном расстоянии l друг от друга, не нарушается ли при этом принцип, согласно которому скорость частиц не может превышать скорость света? Нет, на самом деле здесь подводит, оказывается неполным классическое описание, которое нужно заменить квантовым. Две классические частицы действительно не могли бы мгновенно разойтись на расстояние l. Но в квантовой теории возможно постепенное появление частиц. Процесс идет активно лишь в том случае, если квантовые эффекты существенны, а для этого нужно, чтобы расстояние l было порядка длины волны электрона где h — постоянная Планка. Итак, критическое электрическое поле равно в электростатических единицах, а в более привычных для неспециалистов — 3·1016 в/см.
  • Это очень большое поле: плотность его энергии 1026 эрг/см3; по принципу эквивалентности такое поле имеет и немалый вес (точнее плотность массы) — 105 г/см3.
  • Реален ли такой процесс? Где и как могли бы возникнуть такие поля?
  • Прежде всего заметим, что даже при поле в 50 раз меньшем (т. е. 2·1012 в абсолютных единицах) рождение пар было бы наблюдаемо с помощью современной аппаратуры, позволяющей зарегистрировать каждую энергичную частицу.
  • Один путь создания большого поля подсказывает природа: вблизи атомного ядра электрическое поле очень велико. Обозначим через Z — номер ядра в таблице Менделеева,
  • r0 — радиус ядра; где А — атомный вес. На краю ядра урана поле порядка
  • Эта величина даже больше требуемой.
  • Однако такое поле быстро убывает. Специальные довольно сложные расчеты показывают, что самопроизвольное рождение пар происходило бы только в электрическом поле ядра с зарядом Z = 170 далеко за пределами известных элементов таблицы Менделеева.
  • При этом электроны садятся на орбиту около ядра, а позитроны должны улетать, отталкиваясь от ядра.
  • На этой орбите помещается только 2 электрона, значит этот «взрыв вакуума» закончится рождением двух пар 2е— + 2е+, заряд ядра не будет сколько-нибудь значительно заэкранирован.
  • В настоящее время известны ядра с зарядом 104 и 105, смелые поиски идут вокруг возможных «островов стабильности» Z = 110 и Z = 126; хорошо известно, что в среднем общая тенденция заключается в нестабильности и радиоактивном распаде ядер тяжелее свинца и висмута. Может быть, если не существуют ядра с Z = 170, опыт все же можно поставить иначе— в момент столкновения двух ядер урана (Z = 92 каждое) может возникнуть нужное поле; тогда эффект рождения позитронов и электронов будет происходить на лету во время столкновения.
  • Другой путь возник лишь в последние годы. Новые горизонты в создании сильных полей открывают ОКГ — оптические квантовые генераторы, т. е. лазеры. Представим себе лазер с запасом энергии 1000 дж (это меньше 250 ккал — меньше энергии кипящего чайника или самовара). Причем эта энергия отдается за одну пикосекунду (10-12 сек) и фокусируется в пятно размером в одну квадратную длину волны l2, где lпорядка 4000 А (ангстрем)» 4·10-5 см. В фокусе получится электрическое поле порядка 1011 в абсолютных единицах. Этого еще мало (надо ~ 2·1012), но разница не так уж велика.
  • Не стоит гадать, каким образом удастся произвести дальнейшее увеличение поля — за счет увеличения энергии, сокращения времени импульса или уменьшения длины волны и фокусировки в меньшее пятно. Принципиально важно, что лазерный луч может дать максимум поля в середине пустого сосуда, тогда как при старой технике статических полей максимум поля всегда приходится где-то на электродах. Ясно, однако, что любой металл или диэлектрик отдаст свои готовые электроны раньше, чем начнут рождаться новые. Поэтому поле, достижимое в лазерном луче, гигантски превосходит предел, достижимый в статическом поле.
  • Заметим также, что в диэлектриках есть процесс переброски электрона из одной (заполненной) зоны в другую (пустую).
  • Заполненная зона не проводит ток, но если один электрон из нее вынуть, то можно говорить о зоне, в которой есть дырка; дырка ведет себя как положительно заряженная частица.
  • Итак, переброс электрона в диэлектрике можно назвать рождением двух «частиц», пары: дырки в заполненной зоне и свободного электрона в пустой зоне.
  • Сходство терминологии отражает глубокое сходство процесса с рождением электрона и позитрона в вакууме; вакуум — тоже диэлектрик! Это сходство распространяется на математический аппарат теории.
  • Рождение пар в диэлектриках, моделирующее рождение частиц в вакууме, наблюдалось при действии постоянных, статических полей, а в недавнее время в Ленинградском физико-техническом институте — под действием лазерного излучения.
  • Рождение пар электронов и позитронов при совместном действии гамма-квантов и электрического поля ядра хорошо изучено экспериментально. В этом случае важна не величина поля, а высокая частота. Энергия фотона (гамма-кванта) hw должна быть больше, чем 2mc2.
  • Процессы, описанные выше, отличаются тем, что поле — постоянное или медленно меняющееся, частота лазера в 100000 раз меньше требуемой; играет роль величина поля, а не частота. Такие процессы с большой определенностью предсказываются теорией, но до сих пор еще не осуществлены на опыте.
  • Перейдем к последнему разделу статьи, касающемуся рождения частиц под действием сил тяготения. Этот процесс чрезвычайно далек от лабораторного осуществления.
  • В чем же его интерес и значение? Электромагнитные и ядерные явления происходят в пространстве, но по крайней мере не меняют его геометрических свойств (Примеч.-Везде, коротко говоря о пространстве, мы имеем в виду 4-мерный комплекс пространство плюс время, геометрия включает и течение времени, и закон распространения сигнала.). Иное дело тяготение.
  • Определим вакуум как такое состояние пространства, которое характеризуется минимальной плотностью энергии. В теорию входят только разности энергии до и после процесса, поэтому никто не мешает нам считать, что у вакуума плотность энергии просто равна нулю. При таком определении пространство, в котором имеются поля, электрическое, магнитное и др., уже нельзя называть вакуумом, оно не пустое.
  • В этом смысле рождение пар в непустом пространстве не так удивительно.
  • Однако теория тяготения существенно отличается от теории других сил и полей — электрических, ядерных сил и др.
  • Наши представления о пространстве и времени изменились после создания специальной теории относительности: физики (а может быть, и не только физики) привыкли к пространству— времени Минковского, обладающему замечательным свойством одинаковости скорости света для всех наблюдателей, хотя бы и движущихся друг относительно друга.
  • Но теория тяготения строится принципиально другим способом! Предполагается, что пространство может быть искривленным (Примеч.- В согласии с предыдущим замечанием это значит, что и время течет по-разному в разных точках пространства — времени.) Это искривление создается влиянием тяжелых тел и, в свою очередь, влияет на движение всех тел, что и воспринимается как влияние одних тел на другие, т. е. как гравитационное их взаимодействие.
  • Но искривление пространства ведь не то же самое, что помещение в пространство чего-то другого (частиц, электромагнитных полей); искривленное пространство можно считать по-прежнему пустым.
  • Озорная формулировка вопроса: могут ли в пустом пространстве, из пустоты, из ничего рождаться пары, такие материальные, зримые, как электрон и позитрон?
  • Ответ оказывается удивительным. Проще всего дать ответ для высокочастотных гравитационных полей, которые имеют к тому же малую длину волны. Для них вопрос о кривизне и геометрии не играет роли, на фоне в среднем плоского пространства мелкие искривления можно трактовать наравне с другими полями.
  • Здесь можно привести сравнение: согнутый лист бумаги воспринимается как пустой лист. Но буквы или узоры, нанесенные выдавливанием, как в книгах для слепых, воспринимаются так же четко, как узоры, отпечатанные чернилами.
  • Гораздо труднее себе представить и труднее разработать безупречную теоретическую схему для рассмотрения рождения частиц в плавно искривленном пространстве, в частности в мире как целом.
  • В настоящее время ряд физиков занимаются этим вопросом и можно думать, что результаты будут важны для космологии.
  • Дело в том, что в далеком прошлом по всем данным Вселенная была заполнена очень плотным веществом и расширялась неимоверно быстрее, чем в настоящее время (Примеч.- Именно из факта медленного расширения, наблюдаемого в нашу эпоху, делается вывод о большой плотности в прошлом.).
  • В этот период условия были таковы, что можно ожидать рождения пар.
  • Пусть читатель простит невольный каламбур — интерес подогревается тем, что Вселенная горячая.
  • В настоящее время, как известно, в среднем в каждом кубическом метре содержится несколько протонов и электронов и полмиллиарда фотонов. Чтобы получить такое среднее, нужно все звезды и планеты, пыль и газ равномерно распределить по всему пространству между галактиками.
  • Фотоны сами за счет своего движения распределены равномерно по пространству. Здесь мы рассматриваем лишь первичные, древние, или, как их принято называть, реликтовые фотоны, т. е. фотоны, которые существовали уже на самой ранней, дозвездной стадии эволюции Вселенной. Молодые фотоны, испущенные звездами или радиоисточниками, нас не интересуют.
  • Естественный вопрос заключается в том, нельзя ли считать эти фотоны порождением периода грандиозных плотностей и ускорений. Следует думать, что в этот период рождаются не одни фотоны, а различные сорта частиц и античастиц. Однако позже в ходе столкновений между собой все виды частиц приходят в статистическое равновесие; при расширении останутся только фотоны (а также нейтрино и гравитоны, обнаружение которых крайне трудно).
  • Как ни хорошо звучат эти слова, вопрос сводится к тому, можно ли от слов прийти к объяснению числа? Характерное для Вселенной число — это отношение фотонов к протонам около 109. Было замечено, что это число есть где G — постоянная тяготения, a m — масса протона. Однако еще никто не получил этой формулы логическим путем из теории рождения частиц.
  • Были попытки ряда теоретиков — англичанина Ф. Хойля, советского ученого К. Станюковича рассматривать рождение частиц в настоящее время вокруг нас. Если следовать законам физики, такой процесс имеет ничтожную скорость.
  • В упомянутых теориях законы физики грубо нарушаются; с моей точки зрения, этим все сказано. Я не догматик (или по крайней мере не считаю себя таковым), законы могут видоизменяться, но там и только там, где для этого есть основания. Поэтому область неизвестного я и отношу к далекому прошлому.
  • Еще один возможный аспект заключается в том, что несимметричное расширение Вселенной, по-видимому, благоприятнее для рождения частиц: вероятно, обратное влияние рожденных частиц способствует выравниванию асимметрии. Возможно, что рождение частиц играло важную роль в формировании той поразительной однородности и симметрии Вселенной, которая наблюдается в настоящее время.
  • Распределение звезд отдельными группами созвездий с поэтическими названиями Дева, Стрелец, Возничий, Большая и Малая Медведицы — вся эта структура, по-видимому, позднего происхождения возникла под влиянием взаимного притяжения.
  • Древние реликтовые фотоны позволяют заглянуть в далекое прошлое. Наблюдения до сих пор не обнаружили никакого различия в потоке реликтовых фотонов в различных направлениях; точность лучше 0,001 ( в относительных единицах).
  • С удивительной точностью Вселенная расширяется одинаково во все стороны, во всяком случае на протяжении времени, составляющего 99,9% общей продолжительности всего современного этапа, а может быть, даже от плотности больше ядерной до сегодняшнего дня.
  • Как уже сказано выше, возможно, что рождение частиц на раннем несимметрическом этапе расширения было существенным для перехода к симметрической картине. Понятно, насколько важно выяснить эту возможность.
  • Выше я пытался обрисовать причины, по которым рождение частиц в электромагнитных полях и под влиянием тяготения представляется мне интереснейшей, важнейшей задачей ближайших лет. Во всяком выборе «важнейшего», «наиболее интересного» есть много субъективного. Об этом хорошо сказано в статье академика В. Л. Гинзбурга (Примеч.- В. Л. Гинзбург. Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными? — «Наука и жизнь», 1971, № 2.), где он дает список важнейших задач — свой список.
  • Меня в последнее время рождение пар частиц увлекает настолько, что я почти не в состоянии заниматься ничем другим. Это наваждение захватывает меня все больше.
  • Когда я вижу человеческую пару — он и она — мне уже трудно поверить, что они родились по отдельности и потом встретились.
  • Древнегреческая легенда говорит, что души влюбленных рождаются парами, потом они разделяются, не так ли частицы выныривают из вакуума в разных точках пространства, а после мучительно ищут того партнера, с которым когда-то родились. Счастье встречи этого единственного, пронзающая острота соединения — разве все это не похоже на аннигиляцию частицы и античастицы?
  • Отваживаюсь на пророчество, что ближайшие годы подтвердят решающую роль рождения частиц в космологии.

    КИП СТИВН ТОРН (THORNE)-американский физик-теоретик, профессор Калифорнийского технологического института. Основные работы связаны с общей теорией относительности, космологией, теорией квазаров и пульсаров.

    КИП СТИВН ТОРН
    РЕЛЯТИВИСТСКИЕ ТЕОРИИ ТЯГОТЕНИЯ

  • Ньютоновский закон тяготения, гласящий, что два любых тела во Вселенной притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, явился одним из величайших триумфов физики до XX столетия. Он позволил полно и точно объяснить траектории тел, брошенных над Землей, движения планет и их спутников и орбиты искусственных спутников. Кроме того, этот закон составляет неотъемлемую часть современных теорий структуры и эволюции Земли, Солнца, звезд и Галактики.
  • Однако, как установил в 1905 г. создатель теории относительности Альберт Эйнштейн, ньютоновский закон не пригоден для описания гравитационного взаимодействия тел, движущихся с большими скоростями, и в случае сильных полей тяготения. В период с 1905 по 1915 г. Эйнштейн переформулировал законы тяготения на основе теории относительности и создал релятивистскую теорию тяготения, которая носит название общей теории относительности. Законы этой теории, которые, по общему признанию, являются наиболее простыми и красивыми из всех современных законов физики, утверждают, что тяготение всецело есть проявление кривизны пространства—времени и что кривизна определяется материей, заполняющей Вселенную. После 1905 г. выдвигался ряд других релятивистских теорий тяготения, как правило, менее простых и привлекательных, чем общая теория относительности. Большинство из них были опровергнуты экспериментально.
  • Все релятивистские теории тяготения должны содержать в себе с определенной точностью закон Ньютона. Эта точность составляет менее одной миллионной в Солнечной системе (иными словами, такова доля релятивистских эффектов) и около одной тысячной для звезд, которые наблюдались астрономами до 1967 г. (в 1967 г. были открыты пульсары). Следовательно, астрономы и космонавты могут почти всегда применять ньютоновский закон тяготения.
  • Еще на рубеже столетия некоторые очень точные измерения позволили обнаружить релятивистские поправки к ньютоновскому закону тяготения. В конце XIX столетия астрономов поразил тот факт, что орбита планеты Меркурий отличается от эллиптической на величину, не объяснимую ньютоновским законом. Аномальное смещение перигелия ближайшей к Солнцу точки на орбите Меркурия составляет 0,43 сек дуги в год. Иными словами, после 13 миллионов оборотов вокруг Солнца, что требует трех миллионов земных лет, Меркурий пройдет через свой перигелий на один раз меньше, чем предсказывается законом Ньютона. Общая теория относительности объяснила эту аномалию XIX столетия, показав, что солнечное тяготение на близких расстояниях от Солнца сильнее ньютоновского. Большинство других релятивистских теорий тяготения не сумели количественно объяснить смещение перигелия Меркурия и были отвергнуты.
  • Эйнштейновская теория предсказала также, что свет, проходя вблизи солнечного лимба, должен отклониться на 1,75 сек дуги, в то время как согласно ньютоновскому закону световой луч не искривляется в поле тяготения Солнца. Наблюдения, проведенные Эддингтоном и его коллегами в Бразилии во время солнечного затмения 1919 г., блестяще подтвердили предсказание Эйнштейна с точностью около 20%. Это нанесло заключительный удар «всемирности» ньютоновского закона.

    Явления, в которых отклонения от ньютоновского тяготения становятся решающими

  • В последние два десятилетия был установлен важный принцип научного исследования: новый эффект, едва различимый вначале, может затем превзойти все другие эффекты в ситуациях, которые казались досконально изученными. Стимулированное испускание света, предсказанное квантовой теорией в 1920 г. и едва обнаружимое в экспериментах 30-х годов, стало основой мазеров и лазеров в 50—60-х годах и было открыто радиоастрономами в 1963 г. как источник естественного «ОН-излучения» гигантских межзвездных газовых облаков.
  • Если исходить из этого принципа, то усилия, приложенные астрофизиками к теоретическому изучению явлений, в которых релятивистские гравитационные эффекты могли быть существенными, более того, решающими, следует признать лишь умеренными. Но благодаря близкому контакту с наблюдательной астрономией плата за усилия теоретиков оказалась значительно выше, чем ожидалось. Ниже мы опишем некоторые из достигнутых результатов, начиная с космологического масштаба (10 биллионов световых лет) и завершая масштабами сверхплотных звезд (10 км).
  • 1. После пионерской работы Эйнштейна мы хорошо знаем, что в масштабе Вселенной релятивистские эффекты так велики, что ньютоновская теория просто бессильна. До 1960 г. космология строилась на довольно скудном наблюдательном основании, однако последнее десятилетие в результате совместного труда теоретиков и наблюдателей ознаменовалось существенным прогрессом (подробнее см. статью А. Д. Сахарова во втором выпуске ежегодника «Будущее науки», 1968 г.)
  • 2. Открытие квазизвездных радиоисточников (квазаров) в 1963 г. породило революцию во взглядах астрономов. Вселенная оказалась мощнее, чем мы думали. Каков источник огромного энергетического выхода квазаров? До сих пор неясно, может ли дать необходимую мощность ядерное деление или ядерный синтез. Есть два более мощных источника — аннигиляция материи и антиматерии и гравитационный коллапс (Примеч.- Гравитационном коллапсом называют катастрофическое сжатие тела под действием сил собственного тяготения.).
  • На ранних стадиях гравитационный коллапс вполне описывается ньютоновской теорией, однако на поздних критических стадиях сжатия релятивистские эффекты становятся преобладающими и ньютоновская теория не годится. Теоретические расчеты, основанные на эйнштейновской общей теории относительности, помогли проанализировать процесс гравитационного коллапса. Кроме того, теория дала предсказания: когда коллапсирующий объект достигает своего «гравитационного радиуса» (3 км для Солнца, биллионы километров для квазара), он как бы исчезает из Вселенной, оставляя за собой в пространстве гравитирующую «черную дыру», так как поле тяготения не выпускает излучение. Впоследствии материя может падать в «черную дыру», увеличивая ее гравитационное воздействие на другие тела, однако выйти назад уже не может. Реальное существование «черных дыр» во Вселенной пока не доказано астрономическими наблюдениями (Примеч.- Подробнее о коллапсировавших объектах можно прочитать в статье И. Д. Новикова «О конечной судьбе звезд» в ежегоднике «Будущее науки», выпуск второй, 1968 г.— Ред.).
  • 3. Другую серьезную загадку перед астрономами поставило красное смещение света квазаров. Если, что наиболее вероятно, красное смещение космологическое по происхождению, т. е. вызвано расширением Вселенной, то квазары находятся в десять раз дальше, чем самые далекие из наблюдаемых галактик. Однако красное смещение может быть гравитационным по происхождению, т. е. вызвано интенсивными гравитационными полями квазаров; или же может быть доплеровским по происхождению, т. е. вызвано тем, что квазары выброшены со скоростями, близкими к скорости света, из внутренних областей ближайших галактик. В любом случае релятивистские отклонения от ньютоновской теории тяготения являются решающими: если красное смещение космологическое или гравитационное, оно целиком обязано релятивистским отклонениям от ньютоновского тяготения; если оно является доплеровским, то выбрасывающий процесс, по-видимому, создал сильные релятивистские гравитационные поля. Поэтому квазары стимулировали не только дальнейшие космологические исследования; они вызвали также теоретическое изучение небесных объектов с сильными, полностью релятивистскими гравитационными полями (сверхмассивные звезды и сверхплотные звездные скопления). При внимательном теоретическом рассмотрении космологическое объяснение красных смещений квазаров оказывается более разумным, чем гравитационное или доплеровское. Например, в соответствии с общей теорией относительности, когда звезды или звездные скопления обладают гравитационными полями, достаточно сильными, чтобы вызвать красное смещение квазаров, эти поля оказываются более чем достаточными, чтобы вызвать гравитационный коллапс звезды или звездного скопления и превратить их в «черные дыры». Теоретические исследования пока здесь не обнаруживают исключений.
  • 4. Сверхмассивные звезды, релятивистские звездные скопления и «черные дыры», изученные теоретиками в связи с квазарами, могут играть существенную роль и в ядрах галактик. Еще в конце 50-х годов астрономы-наблюдатели установили, что в ядрах типичных галактик довольно часто (каждые несколько миллионов лет) происходят бурные взрывы и что в некоторых специальных галактиках сильные взрывы могут происходить почти каждый день. Причины взрывов пока неизвестны; чтобы описать их, нужны дополнительные наблюдательные данные и глубокие теоретические исследования. Возможно, в ядрах галактик созрели условия для образования объектов с релятивистскими гравитационными полями.
  • 5. С 1930 г. астрофизики размышляли над вопросом, что происходит со звездами, когда у них выгорает все ядерное горючее. Уже в 1939 г. ответ на этот вопрос был найден в общих чертах Л. Ландау, С. Чандрасекаром, Р. Оппенгейнером и его студентами. Звезды с массой меньше чем 1,2 масс Солнца сжимаются до размеров в несколько тысяч километров и становятся «белыми карликами», в то время как более массивные звезды могут сжаться «до размеров порядка 10 километров и превратиться в нейтронные звезды» или подвергнуться релятивистскому коллапсу и исчезнуть из Вселенной, оставив после себя «черные дыры» размером в несколько километров. Детальные теоретические исследования, проведенные в последнее десятилетие, подтвердили эти предсказания и навели на мысль, что сжатие, которое образует нейтронную звезду или «черную дыру», может вызвать яркое оптическое проявление, которое астрономы называют «сверхновой», а также генерировать выбросы нейтрино и гравитационных волн. Эти предсказания особенно интригующи, потому что «черные дыры» и гравитационные волны не существуют по ньютоновской теории, релятивистские отклонения от ньютоновской гравитации здесь составляют более 20%.
  • Детальные теоретические исследования к 1967 г. обрисовали ключевые свойства нейтронных звезд, гравитационных волн и «черных дырок», однако не было наблюдательных данных, которые могли бы подтвердить или опровергнуть теорию. Первыми наблюдательными открытиями такого плана были детектирование в 1969 г. того, что может быть гравитационными волнами, испущенными в процессе коллапса, в котором образуются нейтронные звезды и черные дыры (Джозеф Вебер, Мерилендский университет), и открытие в 1967 г. пульсирующих радиоисточников (пульсаров), которые, как сейчас полагают, являются вращающимися нейтронными звездами. Без теоретического изучения в последнее десятилетие мы вообще не были бы готовы к интерпретации этих двух больших открытий. Мы могли бы поверить, как это сделали астрономы, впервые открывшие пульсары и незнакомые с теорией сверхплотных звезд, что пульсары — это передающие маяки высокоразвитых внеземных цивилизаций.

    1970—1980 — десятилетие проверки релятивистской теории тяготения

  • Астрономы и астрофизики не могут сегодня игнорировать релятивистские теории гравитации. Космология, квазары, ядра галактик, сверхновые, пульсары и гравитационные волны — это явления, в которых релятивистские отклонения от ньютоновского закона тяготения становятся решающими. Однако ученый, желающий включить релятивистские эффекты в изучение этих явлений, встает перед дилеммой: какую релятивистскую теорию тяготения следует использовать? Большинство применяет эйнштейновскую общую теорию относительности. Но существуют некоторые другие релятивистские теории тяготения, конкурирующие с общей теорией относительности и совместимые на сегодня со всеми экспериментальными тестами.
  • Основным конкурентом является скалярно-тензорная теория, созданная американскими физиками Карлом Брансом и Робертом Дике (1961). Если в общей теории относительности (ОТО) гравитационная сила полностью обусловлена кривизной пространства — времени, то теория Бранса — Дике (БДТ) приписывает кривизне лишь 85%, или более вклада в гравитационную силу, а остальное (до 15%) вносит дополнительное гипотетическое скалярное гравитационное поле, аналогичное ньютоновскому. Отношение гравитации, производимой кривизной, к скалярной части гравитации Бранс и Дике обозначили буквой w. Если w бесконечна, то БДТ переходит в ОТО, однако при конечной w эти теории не совпадают.
  • Фундаментальные различия БДТ и ОТО проявляются в ситуациях, в которых существенны релятивистские гравитационные эффекты. Например, в БДТ сферические пульсации нейтронных звезд затухают за несколько секунд из-за эмиссии скалярных гравитационных волн, в то время как в ОТО скалярные волны вообще отсутствуют и звезда может пульсировать сферически симметрично в течение многих лет. Это различие может оказаться весьма существенным для пульсаров.
  • Можно было бы надеяться обнаружить различия в предсказаниях БДТ, ОТО и других релятивистских теорией гравитации в наблюдениях пульсаров, квазаров или в космологии, К сожалению, обилие негравитационных эффектов в этих случаях делает, по-видимому, безнадежными попытки выделения чисто гравитационных эффектов. Поэтому астрофизики предпочитают проверять теории в пределах Солнечной системы, а уж затем применять их к интерпретации пульсаров, квазаров и в космологии. Релятивистские эффекты в Солнечной системе весьма малы (как уже говорилось, менее одной миллионной) по сравнению с пульсарами, квазарами и космологией, где они могут составлять десятки процентов. Тем не менее в Солнечной системе легко выделить чисто гравитационные эффекты. Современная техника, использующая искусственные спутники, делает возможным высокоточные эксперименты, которые позволят сделать выбор между БДТ, ОТО и другими релятивистскими теориями тяготения. К 1980 г. и, вероятно, даже скорее у нас будет ряд тестов, которые установят различия между разными теориями тяготения с точностью в одну тысячную. Например, если правильна БДТ, к 1980 г. мы узнаем значение параметра w; если же будет показано, что w велика (больше 1000), то правильна ОТО.
  • Все решающие эксперименты— внеземные. Гравитационные релятивистские эффекты в земной лаборатории так малы, что их невозможно измерить. Исключением является гравитационное красное смещение, измеренное в 1963 г. Эцром Паундом и его коллегами из Гарвардского университета с точностью до одного процента, но оно одинаково в различных релятивистских теориях тяготения (ньютоновская теория не предсказывает красного смещения и поэтому несовместима с этим экспериментом).
  • Опишем кратко ряд экспериментов в Солнечной системе, которые уже выполнены, выполняются или планируются.
  • Эксперименты с использованием оптических телескопов. Используя оптические телескопы, можно осуществить две важные проверки релятивистской теории гравитации—измерения отклонения света солнечным тяготением (1,75 сек дуги у солнечного лимба в соответствии с ОТО) и измерения релятивистского смещения перигелия Меркурия (0,42 сек дуги в год согласно ОТО).
  • Еще недавно мы полагали, что оптические наблюдения доказывают смещение перигелия Меркурия, предсказанное ОТО с точностью до 2%—точностью, которая делает w>30 и убеждает в неправильности БДТ. Однако два последних эксперимента показали, что точность составляет всего 10%.
  • Изучая с помощью радара орбиты планет Солнечной системы, американские ученые обнаружили, что во многих оптических измерениях систематические ошибки в десять раз выше, чем принималось раньше. Такие систематические ошибки могли присутствовать также и при измерениях смещения перигелия. Роберт Дике и Маркс Гольденберг из Принстонского университета открыли, что Солнце сплюснуто; экваториальный диаметр Солнца превышает его полярный диаметр на величину, составляющую 1/2000000 диаметра Солнца.
  • Если солнечное гравитационное поле тоже сплюснуто на соответствующую величину, это вызовет изменение смещения перигелия Меркурия на 8%, уменьшая релятивистское смещение перигелия, предсказываемое ОТО. Мы надеемся, что использование межпланетной радиолокации и спутников позволит в ближайшие несколько лет устранить неопределенность величины смещения перигелия Меркурия.
  • Обратимся теперь к вопросу об измерениях отклонения света. До сих пор такие измерения можно было проводить только во время полного солнечного затмения. В обычный день Солнце делает небо настолько ярким, что даже с использованием в телескопе коронографа, закрывающего солнечный диск, невозможно увидеть звезды вблизи Солнца. К тому же полные солнечные затмения, будучи весьма короткими, наблюдаются, как правило, в океанах, джунглях и пустынях, т. е. в местах, где трудно использовать хорошую астрономическую аппаратуру. Эти неудобства и делали невозможным измерение релятивистского отклонения звездного света с точностью, превышающей 20 %.
  • Благодаря недавнему технологическому прогрессу ситуация изменилась: американский ученый Генри Хилл разработал электронную методику прослеживания звезд, движущихся вблизи Солнца на фоне яркого неба. В течение одного года или двух лет он в состоянии измерить релятивистское отклонение света с точностью 1%. Его аппаратура будет проводить также независимые измерения сплюснутости Солнца.
  • Эксперименты, использующие трансмировую интерферометрию. В последние несколько лет канадские и американские радиоастрономы разработали метод, позволяющий измерять угловые размеры радиоисточников с точностью почти 0,0003 сек дуги. Этот метод, получивший название трансмировой интерферометрии, заключается в следующем. Радиоволны от данного источника измеряются одновременно двумя радиотелескопами, расположенными в разных концах земного шара. Интенсивность радиоволн как функция времени наносится на магнитную ленту каждого телескопа. Затем магнитные ленты доставляют в одно место и сравнивают с помощью вычислительной машины. Изучая различия в показаниях магнитных лент, устанавливают с высокой точностью (0,0003 сек дуги) размеры и форму источника. Начало экспериментам положено осенью 1969 г. Один телескоп расположен в США и второй — в СССР, в Крыму. Только соединив американскую и советскую технику, удалось получить такую высокую точность.
  • Ту же самую технику можно применить для измерения углового расстояния между двумя удаленными радиоисточниками. Особенный интерес представляют квазары ЗС 279 и ЗС 273, угловое расстояние между которыми составляет 8 градусов. В октябре каждого года Солнце проходит возле квазара ЗС 279. Измеряя в момент прохождения угловое расстояние между ЗС 279 и ЗС 273 как функцию времени, можно найти величину отклонения радиоволн квазара ЗС 279 полем тяготения Солнца (радиоволны должны отклоняться на ту же величину, что и свет). Такие измерения с использованием трансмировой интерферометрии могут обнаружить отклонения с точностью, как уже сказано, до 0,0003 сек дуги — с точностью 1/10000 от значения отклонения, предсказанного ОТО. Уже первые измерения в Калифорнии в октябре 1969 г. выполнены с точностью около 5%.
  • Любопытно при этом отметить следующее.
  • Если в будущем радиоастрономы попытаются установить высокочастотную координатную систему на небе, используя трансмировую интерферометрию, то с течением времени их координаты будут в достаточно большой окрестности Солнца искажены на величину порядка 0,01 сек из-за гравитационного отклонения радиоволн Солнцем.
  • Эксперименты, использующие пассивную радиолокацию. Еще одним новым инструментом для изучения тяготения явилась межпланетная радиолокация. Радиоволны, испущенные гигантским передатчиком, достигают другой планеты, отражаются ею и частично возвращаются на Землю, где принимаются радиотелескопами. Измеряя с высокой точностью время путешествия радиоволн, т. е. время между испусканием и приемом, астрономы с высокой точностью могут определить расстояние между Землей и отражающей планетой. В настоящее время за несколько часов наблюдений можно достигнуть точности около одного километра, этого достаточно для проверки некоторых релятивистских гравитационных эффектов.
  • По ОТО радиолокационные волны, проходящие вблизи Солнца, движутся в искривленном пространстве, поэтому время путешествия их туда и обратно должно быть больше, чем в ньютоновской теории. Добавочное релятивистское запаздывание для 25-минутного путешествия Земля — Венера— Земля составляет 0,0002 сек. Релятивистское запаздывание, предсказываемое БДТ, отличается на 5% от величины, предсказанной ОТО (такое значение величины зависит от величины w). С точностью около 5% релятивистское запаздывание было измерено в 1968 г. группой Ирвина Шапиро из лаборатории Линкольна Массачузетского технологического института. В ближайшем будущем использование передатчика линкольновской лаборатории в Хайстеке и голдстоуновского приемника реактивных двигателей Калтеха позволит довести точность до 1%. Добавочная точность возможна в силу беспрецедентной чувствительности голдстоуновского приемника, который куплен для американской космической программы и стоит намногб больше, чем могут позволить себе радиоастрономы.
  • Эксперименты, использующие активную радиолокацию. Применяя обычную межпланетную радиолокацию для измерения расстояний, вряд ли можно достигнуть точности больше одного процента в релятивистских эффектах. Однако другой тип радиолокации, «активная радиолокация», обещает обеспечить в 100 раз лучшую точность в течение 70-х годов. В активной радиолокации сигнал принимается и отражается «передающей системой», расположенной на борту спутника или на поверхности другой планеты. Как и в обычной пассивной радиолокации, расстояние между Землей и передающей радиосистемой определяют, измеряя время путешествия радиоволн туда и обратно.
  • Активная радиолокация использовалась для слежения за американскими спутниками с 1965 г. Сегодня за несколько часов измерений достигается точность около 10 м (в 100 раз больше, чем в пассивной радиолокации!).
  • Какие тесты гравитации можно выполнить, применяя активную радиолокацию? Прежде всего, можно измерить релятивистское запаздывание сигналов, проходящих вблизи Солнца. Такие измерения были проведены в мае 1970 г. с использованием передающих систем не борту двух спутников «Маринер», которые фотографировали Марс в сентябре 1969 г. (в мае 1970 г. спутники были на удаленной от нас стороне своей орбиты вокруг Солнца). Этот эксперимент пока дал больше 1 % точности в измерении релятивистского запаздывания; аналогичные эксперименты с другими американскими спутниками в 1973 году должны дать точность 0,1% и больше.
  • Огромная точность (10 м) активной радиолокации делает ее идеальным инструментом для изучения планетных орбит в Солнечной системе. Поместив передающую систему на околопланетную орбиту или на поверхность планеты, ученые смогут с такой точностью измерять расстояние между центром Земли и центром планеты. Комбинированные данные от передающих систем Меркурия, Венеры, Марса и, может быть, Юпитера расскажут нам в мельчайших деталях об орбитальных (а следовательно, и гравитационных) свойствах внутренней части Солнечной системы. Мы получим не только смещения перигелиев с точностью О,1 % или больше, а сможем обнаружить и много других релятивистских эффектов планетарных орбит. Например, БДТ предсказывает, что во внешнем гравитационном поле тело с массой, равной массе Солнца, должно падать на одну миллионную медленнее, чем тело с массой, равной массе Меркурия. Другими словами, отношение гравитационной массы к инертной массе должно быть различным для тел с различной массой, ОТО не предсказывает такого различия. Как результат предсказаний БДТ должна появиться стометровая аномальная деформация орбит Земли и Марса. Эту аномальную деформацию можно измерить, применяя активную радиолокацию,—и это лишь один из множеств новых эффектов. Ясно, что активная радиолокация может оказаться наиболее мощным и разносторонним инструментом для проверки релятивистской гравитации в 70-х годах. Однако установление передающих систем на других планетах—довольно дорогая процедура, так что количество информации, которое мы сможем получить, будет ограничено. По этой причине огромную важность представляет комбинирование советских и американских данных. Объединяя усилия, можно получить значительный эффект. Это новая большая возможность советско-американского научного сотрудничества.
  • Эксперименты с применением лазеров. Для специального случая Земля—Луна можно использовать новый тип пассивной радиолокации. Лазерный луч, испущенный с Земли, отражается на Луне от углового рефлектора, установленного астронавтами «Аполлона—11», и возвращается на Землю. Измеряя время путешествия луча туда и обратно, можно определить расстояние от Земли до Луны с точностью до 6 см. Такие эксперименты в ближайшее десятилетие нельзя выполнить с другими планетами, даже установив там угловой рефлектор. Лазерный луч мощностью, достаточной, чтобы достигнуть другой планеты и вернуться назад, будет, вероятно, разрушен линзами и зеркалами приемного телескопа.
  • Регистрация расстояния Земля—Луна позволит астрономам обнаружить релятивистские гравитационные эффекты совершенно нового типа: влияние взаимодействующих гравитационных полей Земли и Солнца на лунную орбиту. Этот эффект, величиной менее 100 см различен в различных теориях тяготения. Лазерные эксперименты должны также с 10-процентной точностью проверить утверждения БДТ о том, что ускорения Земли и Луны по направлению к Солнцу различаются на одну биллионную.
  • Гироскопические эксперименты. С. У. Эверит и У. М. Фэйербенк из Стенфордского университета готовят эксперимент с установлением четырех сверхпроводящих гироскопов на спутнике, обращающемся по околоземной полярной орбите. В соответствии с ньютоновской теорией эти гироскопы должны всегда указывать неподвижное направление на фиксированные звезды. Однако релятивистские теории гравитации утверждают, что гироскопы должны прецессировать с угловой скоростью около 7 сек дуги в год из-за кривизны пространства, создаваемой земной массой, и с угловой скоростью 0,05 сек в год в силу кривизны, вызванной вращением Земли. Как и в других экспериментах в Солнечной системе, предсказания ОТО и БДТ в этом случае отличаются на величину порядка 5% или меньше. Ожидаемая точность эксперимента составляет 0,01 +0,001 сек дуги в год, что вполне достаточно для проверки этих теорий. Эксперимент будет проведен в 1973 г.
  • Нас могут спросить: если так много экспериментов обещают с высокой точностью проверить релятивистские теории тяготения в ближайшие несколько лет, то зачем тратить деньги на выполнение всех экспериментов? Ответ заключается в том, что в разных экспериментах измеряются различные аспекты тяготения. До тех пор пока не установлены различные аспекты тяготения, нельзя выбрать с полной определенностью релятивистскую теорию тяготения. А правильная теория гравитации будет решающей при интерпретации наблюдательных данных, полученных при изучении космологии, квазаров, пульсаров, сверхновых и ядер галактик.
  • Возвращаясь к прошлому, следует отдать дань уважения Альберту Эйнштейну, который, не имея наблюдательных данных, создал общую теорию относительности — теорию, которая лишь сейчас, спустя 50 лет, понята как необходимый ключ астрономического познания. Честь современной технике, которая, наконец, сможет проверить эйнштейновскую теорию тяготения, используя в качестве лаборатории Вселенную.

    ВЛАДЗИМЕЖ ЗОНН (ZONN) — польский астроном, профессор. Основная тема научных трудов — вопросы звездной и внегалактической астрономии.

    ВЛАДЗИМЕЖ ЗОНН
    КВАЗАРЫ

  • История открытия квазаров может служить весьма ярким примером плодотворности взаимодействия двух отраслей астрономии, пользующихся резко отличными средствами наблюдения, то есть астрономии в старом смысле этого слова (иногда называемой оптической), и радиоастрономией.
  • Несколько лет назад точность определения положения источника радиоизлучения была порядка 1'. В области размером 1'Х1' с помощью наиболее крупных оптических телескопов можно было зарегистрировать около десяти или более объектов (звезд, туманностей, галактик). Какой же из этих объектов является источником радиоизлучения? На этот вопрос астрономы часто не могли ответить. В каталогах, суммирующих систематические наблюдения неба в диапазоне радиоволн, время от времени появлялись указания — объект не идентифицирован.
  • Определенную помощь при идентификации радиоисточников оказывало то обстоятельство, что звезды, за немногими исключениями, являются в радиодиапазоне «темными» объектами. Поэтому если в окрестности сильного радиоисточника оказывалась звезда, то ее исключали из числа искомых объектов и обращали внимание на близлежащие туманности и галактики. Несмотря на это по отношению к некоторым, вначале не очень многочисленным, радиоисточникам предполагали, что их оптическое изображение крайне напоминает звезды.
  • Когда вскоре после идентификации нескольких наиболее ярких радиоисточников, имеющих вид звезд, удалось получить их оптические спектры, то оказалось, что они больше похожи на спектры туманностей, а не звезд. Тем не менее за этими объектами сохранилось их первоначальное название: quasi stellar objects (квазизвездные объекты). Иногда их также обозначают сокращенно QSO или QSS — quasi stellar sources (квазизвездные источники), но чаще всего их называют квазарами.
  • Длину волны спектральной пинии данного элемента можно считать инвариантной, эталонной величиной только тогда, когда наблюдаемый источник излучения неподвижен относительно наблюдателя. Если это условие не выполняется, то происходит так называемое доплеровское смещение линий. Для заданной скорости удаления тела от наблюдателя v относительные величины сдвигов z равны и составляют:
  • где l — наблюдаемая длина волны; l0— длина волны источника, если бы он был неподвижен; с — скорость света.
  • Первые же наблюдения нескольких самых ярких квазаров привели астрономов в удивление. Порядок линий в их спектрах не согласовывался ни с одной из до тех пор известных серий! Прошло около 3 лет, прежде чем ученые смогли идентифицировать эти линии. Это удалось М. Шмидту, который предположил, что линии в спектрах квазаров очень сильно сдвинуты в сторону более длинных волн в соответствии с эффектом Доплера. Исходя из этой гипотезы, М. Шмидт пробовал делить длину волны каждой линии на 1+z и подбирал z так, чтобы получившиеся значения
  • совпали с какой-либо серией для известных элементов.
  • Таким путем удалось идентифицировать несколько ярких линий в спектрах квазаров и убедиться, что в них присутствуют водород, кислород, углерод, неон, магний, кремний и другие элементы, содержащиеся в значительных количествах в туманностях, звездах и в атмосфере Солнца.
  • Следует заметить, что такой метод, то есть мысленное перемещение спектров в ту или другую сторону, уже давно практиковался в астрономии, поскольку ни звезды, ни галактики не являются неподвижными относительно земного наблюдателя или относительно Солнца. В спектрах этих объектов давно наблюдалось доплеровское смещение. В случае же квазаров это смещение оказалось неожиданно большим: соответствующие величины z в некоторых случаях достигают значений 1,5 и даже 2, в то время как для звезд они обычно не превышают 0,001. Это означает, что многие спектральные линии, которых мы никогда не видим в спектрах небесных тел, гак как они лежат в далеком ультрафиолете (а земная атмосфера не пропускает ультрафиолета), в спектрах квазаров оказались в видимой области. Линии же, обычные для спектров звезд и Солнца, в спектрах квазаров были сдвинуты в далекую инфракрасную область, которая также недоступна земному наблюдателю. Такое радикальное изменение облика спектра оказалось неожиданным для астрономов, в результате чего попытки идентифицировать их спектральные линии долго оставались неудачными.
  • Оставляя пока в стороне причины такого сильного красного смещения, обратим теперь внимание на тот факт, что спектры квазаров — это типичные эмиссионные спектры, то есть серии светлых линий на более темном фоне. Из этого следует, что главным источником излучения в квазарах являются сильно разреженные газы.
  • На основании того, что многие линии принадлежат двух— и трехкратно ионизированным атомам, а также учитывая большое уширение этих линий (Примеч.- При высокой температуре тепловое движение атомов и ионов приводит к доплеровскому сдвигу линий индивидуальных атомов. В среднем это приводит к уширению каждой линии.), можно прийти к выводу об очень высокой температуре (порядка 10000°C) и малой плотности (менее 10-20 г/см3) газа. Об исключительно малой плотности газа в квазарах свидетельствует также наличие в их спектрах запрещенных линий (Примеч.— Запрещенные линии соответствуют переходам электронов с уровней, среднее время жизни электрона на которых в несколько раз больше, чем на других. Эти переходы могут происходить только тогда, когда среднее время столкновения между атомами больше времени пребывания электрона на метастабильном уровне. Иначе говоря, электрон не может «дождаться» спонтанного перехода, так как столкновение перебрасывает его с метастабильного уровня на другой, более высокий. Большему времени между столкновениями соответствует очень низкая плотность. Поэтому запрещенные линии могут появляться только у газов с плотностью порядка 10-20 г/смЗ.).
  • Кроме линий испускания, в спектрах квазаров наблюдаются также на фоне очень слабого континуума линии поглощения. Доплеровское смещение эмиссионных линий близка к смещению линии поглощения, хотя часто обнаруживаются и небольшие отличия, чаще всего в сторону меньшего смещения линий поглощения.
  • Можно было бы предположить, что квазары погружены в облака относительно холодных газов. Тогда огромная сильно разреженная оболочка квазара должна была бы поглощать излучение его более глубоких слоев, и так можно было бы объяснить появление линий поглощения. Можно также предположить, что между нами и большинством далеких квазаров лежат гигантские облака холодных разреженных газов.

    Переменный характер излучения квазаров

  • Наиболее загадочным свойством квазаров является переменность их излучения как в оптическом, так и в радиодиапазоне. Оставляя пока в стороне попытку объяснения этого явления, суммируем сейчас данные, полученные при наблюдениях.
  • Переменность излучения лучше всего изучена у квазара ЗС273, изображения которого удалось отождествить на многих старых фотографиях вплоть до начала этого века. Результаты анализа этих снимков представлены на рис. 1, где ясно заметны долгопериодные изменения квазара. Более быстрые изменения заметить невозможно как из-за невысокой точности наблюдений, так и из-за того, что снимки делались со слишком большими интервалами.

    Рис. 1. Среднегодовая величина блеска квазара ЗС273 (в оптическом диапазоне). Наблюденные величины блеска отмечены короткими горизонтальными штрихами. Более длинные вертикальные линии обозначают среднюю ошибку наблюдений. В последние годы они заметно меньше, чем в начале XX века.
  • Однако в последнее время были проведены такие непрерывные наблюдения и удалось обнаружить, что квазарам присущи также и быстрые изменения яркости. Так, яркость квазара ЗС446 в течение 10 дней изменилась в 5 раз. Обнаружены также еще более быстрые изменения с периодом порядка нескольких часов, сопровождающиеся изменением интенсивности эмиссионных линий. Наряду с изменением яркости вспышечного характера квазары обнаруживают и квазипериодические колебания блеска с характерным временем от нескольких месяцев до нескольких лет.
  • Аналогичные свойства были зарегистрированы и в радиодиапазоне, где, однако, не удалось обнаружить столь же быстрых и внезапных изменений, как для оптического излучения квазаров. Некоторые радиоастрономы сообщили об изменениях излучения квазара ЗС273 масштаба десятков процентов в миллиметровом диапазоне с периодами порядка месяцев и недель. Однако эти наблюдения еще нуждаются в проверке. Более медленные изменения в других диапазонах были открыты и у других квазаров.
  • Природа изменений интенсивности излучения у квазаров пока не совсем ясна. По-видимому, за вспышки ответственны выбросы новых порций релятивистских электронов, излучающих в магнитных полях. А медленные квазипериодические слабые изменения связаны, может быть, с вращением объектов как целое.

    Распределение квазаров на небе

  • Для дальнейших выводов имеет значение также вопрос о распределении всех до сих пор открытых квазаров на небе. Дело в том, что из распределения объектов на небе можно сделать ряд важных выводов об их распределении в пространстве и, наконец, дать ответ на вопрос о принадлежности квазаров к нашей Галактике, который может иметь важное значение для уяснения природы квазаров.

    Рис. 2. Распределение квазаров в галактических координатах. Плоскость Млечного Пути проходит горизонтально в середине рисунка. Заштрихованная область — зона «избегания». Пустой участок — часть неба, недоступная наблюдению в Северном полушарии.
  • На основании многочисленных наблюдений мы знаем, что большая часть объектов нашей Галактики концентрируется в районе Млечного Пути, который является областью с самой высокой плотностью «населения» звезд и туманностей, принадлежащих к нашей галактической системе. В этой же плоскости концентрируется и межзвездная пыль, в силу чего внегалактические объекты (галактики) не могут наблюдаться в окрестности Млечного Пути. По этой причине распределение внегалактических объектов характеризуется так называемой «зоной избегания», в которой не наблюдается практически ни одной галактики. Именно такое распределение характерно для квазаров (рис. 2), откуда следует, что они не принадлежат к нашей Галактике, а являются внегалактическими объектами,

    Космологическая интерпретация смещения спектров квазаров

  • Приступая к попыткам интерпретации описанных наблюдений, следует напомнить, что главным вопросом является проблема расстояния до квазаров. Чтобы перевести наблюдаемые величины блеска на язык мощности излучения этих объектов (как в оптическом, так и в радиодиапазоне), необходимо знать расстояние до этих объектов. Знание расстояния также нужно для определения пространственных размеров наблюдаемых объектов, поскольку все наши наблюдения дают нам лишь угловые размеры.
  • Только данные спектров могут быть интерпретированы без учета данных о расстоянии. В этом заключается преимущество спектроскопических наблюдений над всеми другими.
  • Тем, кому знакомы основные проблемы внегалактической астрономии или космогонии, сразу должна быть понятна важность доплеровского смещения спектров квазаров для определения расстояния до них.
  • Закон Хаббла давно уже служит для астрономов средством определения расстояния до галактик. Измеряя в наблюдениях величину z, из него сразу определяется r.
  • Если мы применим это правило к квазарам, то получим гигантские расстояния, превышающие в несколько десятков раз расстояния до самых отдаленных из известных галактик. Так, например, значению z = 2 отвечает l/l0 = 3. Отсюда v = 0,8 с, то есть скорость отдаления квазара равна 80% скорости света. Подставляя в закон Хаббла v = 240000 км/сек, получим расстояние 2400 Мпс, или около 7 миллиардов световых лет. Это должно означать, что большинство квазаров, точнее те, для которых z имеет большие значения, лежат на самом краю известной нам Вселенной. А поскольку наблюдаемые яркости квазаров того же порядка, что и яркости галактик, мы приходим к выводу, что мощности излучения квазаров как в оптическом, так и в радиодиапазоне по крайней мере в несколько сот раз больше, чем у самых ярких галактик,
  • К таким выводам мы приходим при объяснении смещения спектров квазаров законом Хаббла. Такой подход к интерпретации эффекта Доплера называется космологическим, а расстояния, получаемые в результате такого подхода,— «космологическими» в отличие от так называемых «локальных», которым мы сейчас уделим некоторое внимание.

    Локальный подход к смещению спектров

  • Некоторые астрономы не согласны с космологической интерпретацией спектров квазаров в основном по причине вытекающих из нее огромных расстояний, а следовательно, и гигантских мощностей излучения квазаров.
  • Второй причиной, по которой некоторые астрономы не согласны с космологической интерпретацией смещения в спектрах квазаров, является переменность их излучения как в оптическом, так и в радиодиапазоне. При этом существенно, что периоды изменения их блеска иногда весьма малы, достигая величин порядка суток или даже долей суток.
  • Для того чтобы в объекте, имеющем размеры в несколько десятков тысяч световых лет (а именно такая величина следует из космологического подхода), происходили колебания интенсивности излучения, ответственный за эти изменения механизм должен действовать в пределах всего квазара или его значительной части. Изменения в небольшой части квазара нельзя было бы заметить, так как то, что мы наблюдаем, есть следствие суммарных изменений излучения квазара.
  • Подобные допущения, однако, сразу же приводят к противоречию. Всегда должно наблюдаться запаздывание, связанное с конечностью распространения изменений. Для квазара такое запаздывание (если положить скорость распространения изменения равной даже скорости света) составит тысячи лет. Поэтому яркость свечения квазара как целого не может за меньшее время существенно измениться.
  • Такие аргументы против космологической интерпретации выдвигают сторонники локального подхода к проблеме расстояния до квазаров. При этом они предполагают, что размеры этих объектов должны быть невелики, того же порядка, что и у звезд, у которых также наблюдаются колебания блеска и нередко довольно быстрые. Невелико должно быть и расстояние до квазаров.
  • Сторонники космологических расстояний выдвигают, однако, свои объяснения быстрых изменений яркости квазаров. Они утверждают, что в квазарах существуют отдельные, между собой не согласованные, источники переменного излучения, мощность излучения которых, однако, так велика, что его изменения вносят вклад в общую яркость.
  • Такими внезапно вспыхивающими «фонарями» могут являться скорее всего сверхновые звезды, о которых мы не очень много знаем, однако знаем, что излучение этих объектов действительно может внезапно увеличиваться в несколько миллионов раз. Этого вопроса мы еще коснемся при обсуждении гипотезы о происхождении квазаров.
  • Вернемся теперь к локальному подходу к проблеме расстояния до квазаров. Ее самым слабым моментом является тот факт, что для квазаров характерна пропорциональность красного смещения спектров расстоянию до них. Короче говоря, для квазаров выполняется закон Хаббла. Если бы смещение спектров имело бы другую причину, то соблюдение такой закономерности было бы невозможно объяснить.
  • Сторонники локального подхода утверждают, что квазары образовались в результате взрыва ядра либо нашей, либо одной из соседних галактик. В этом и только в этом случае все продукты такого взрыва должны отдаляться от нас со скоростами, пропорциональными расстоянию до Солнца. В противном случае фрагменты с большими скоростями были бы уже очень далеко к тому моменту, когда фрагменты с малыми скоростями не успели еще удалиться на значительное расстояние.
  • Такое объяснение было бы убедительным, если бы число известных квазаров не было столь велико. Трудно представить, чтобы из ядра одной галактики возникли сотни квазаров.
  • Второе возражение против локального подхода следует из измерений собственных движений звезд (Примеч.- Собственным движением какого-либо небесного тела называется угол, на который этот объект перемещается на небе за единицу времени (например за год) по отношению к окружающим его звездам. Умножив этот угол на расстояние, получим слагающую линейной скорости объекта.).
  • Из локального подхода следует, что расстояния квазаров от нашей Галактики должны быть невелики. В то же время скорости их, как это следует из измерения спектров, значительны — порядка сотен тысяч километров в секунду.
  • А это означает, что их собственное движение должно быть также значительно. В то же время наблюдения этому решительно противоречат. Все попытки определить собственное движение нескольких самых ярких квазаров дали нулевой результат.
  • Однако этот спор не укрепил позиций сторонников локального подхода. Большинство астрономов склоняется сегодня к космологическому подходу. Дальше мы также в интерпретации данных наблюдений будем придерживаться этого подхода.

    Структура квазаров

  • По мере усовершенствования средств радиоастрономических наблюдений астрономам удалось установить внутреннюю структуру квазаров в диапазоне радиоволн и доказать, что она не похожа на структуру звезд, как подсказывали раньше оптические наблюдения. Кроме того, недавно и в оптическом диапазоне в строении квазаров были открыты некоторые особенности, отличающие квазары от звезд.
  • Остановимся опять на квазаре 2С273, структура которого изучена намного детальней благодаря наблюдению его прохождения за Луной. На рис. 3 представлены изофоты радиоизлучения этого квазара. На нем видно, что 2С273 является двойным объектом. Компонента А представляет сильно вытянутый объект. Его оптическое изображение на снимках выглядит как едва заметное сильно вытянутое пятнышко, тогда как изображение компоненты В имеет вид достаточно яркой звезды. В диапазоне радиоволн компонента А, наоборот, ярче компоненты В.
  • Многие квазары имеют еще более причудливую структуру. Они состоят из трех объектов: одного оптического, то есть заметного на фотографиях, и двух радиообъектов, расположенных симметрично относительно оптического обьекта на расстояниях порядка сотен килопарсек. Часто с оптическим объектом связан компактный радиоисточник.

    Рис. 3. Изофоты радиоизлучения квазара 3C273.
  • С другой стороны, квазар ЗС48 состоит из одного объекта, достаточно яркого как в оптическом, так и в радиодиапазоне. Причем изображение этого квазара в этих обоих диапазонах имеет вид звезды. Вокруг квазаров ЗС196 и ЗС48 обнаружены слабо светящиеся «волокна», похожие на те, которыми обладают галактики типа N (Примеч.- N-галактиками называют объекты, видимые на фотографиях как ядрышки с туманной оболочкой, являющиеся сильными радиоисточниками.— Ред.).
  • Следует добавить, что в так называемых радиогалактиках (Примеч.- Так называются все галактики, обладающие сильным радиоизлучением.— Ред.) область наиболее мощного радиоизлучения не совпадает с оптическим изображением. Чаще всего наблюдается два центра радиоизлучения, симметрично расположенные относительно оптического изображения.
  • Этот факт наводит на мысль, что центры радиоизлучений образовались в результате каких-то мощных взрывов в ядре галактики (или в ядре квазара). При таких взрывах из ядра, по-видимому, выбрасываются с громадными скоростями огромные массы вещества. Движение в магнитном поле потоков такого вещества, в основном состоящего из электронов с релятивистскими энергиями, должно приводить к мощному радиоизлучению.
  • Образующееся радиоизлучение называется обычно синхротронным, так как впервые излучение электронов, движущихся в магнитном поле, было открыто в синхротроне. Такое излучение характеризуется линейной поляризацией.
  • Открытие линейной поляризации радиоизлучения многих квазаров подтверждает синхротронный механизм возникновения излучения.

    Массы квазаров и генерируемая ими энергия

  • Наиболее трудным вопросом является проблема определения масс квазаров. Ответ на этот вопрос тесно связан с мощностью излучения квазаров, приходящейся на единицу их массы. Не зная массы квазара, нельзя ничего сказать и о мощности излучения.
  • Известен один метод, который дает довольно точный результат, однако он основан только на измерениях спектральных линий излучения газа, входящего в состав квазара. Поэтому этот метод позволяет оценить только массу газовой компоненты квазара. Из измерений спектров нескольких квазаров можно определить интенсивность какой-нибудь одной эмиссионной линии (например, линии Нb водорода) в абсолютных единицах. Иначе говоря, можно определить количество энергии (в эргах на квадратный сантиметр в секунду), приходящей от данного квазара на этой частоте. Зная расстояние до квазара (из космологической трактовки красного смещения), удается легко вычислить мощность излучения квазара на этой частоте. Учитывая, что водород квазара излучает и на других длинах волн, можно оценить общее излучение водорода квазара. Таким путем получается величина порядка 1042—1043 эрг/сек. Для сравнения отметим, что суммарная мощность излучения Солнца во всех диапазонах частот равна 4·1033, то есть в 1010 раз меньше.
  • Отметим также, что если отбросить космологическую оценку расстояния до квазаров и стать на точку зрения локального подхода, то получим значительно меньшую величину мощности излучения квазаров, однако при этом пропорционально уменьшится и их масса. Удельная мощность излучения остается примерно постоянной. Так что все относящееся к излучению, отнесенному к единице массы, в дальнейшем изложении одинаково справедливо для обоих интерпретаций красного смещения.
  • Вернемся, однако, к излучению водорода, находящегося в квазарах в ионизированном состоянии. Количество энергии, выделяющейся в единице ионизированного газа, зависит только от двух величин: от его температуры и плотности.
  • О температуре газа в квазарах уже говорилось. Так что единственной неизвестной остается плотность, то есть число атомов в единице объема. Чтобы найти массу квазара, необходимо плотность умножить на объем газа, то есть объем квазара. Эта величина находится путем умножения углового размера квазара на расстояние до него и возведением произведения в куб.
    Таблица
    Радиус и масса двух наиболее исследованных квазаров, вычисленные при предположении, что расстояния до них:
    А) имеют космологический порядок величины
    Б) соответствуют локальному подходу и равны для обоих квазаров 32·196 световых лет.
    НазваниеРадиус (в световых годах)Масса (в массах Солнца)
    АБАБ
    ЗС 48351,55·106410
    ЗС 27340,35·106270
  • В таблице (стр. 131) приведены результаты, полученные таким путем для двух хорошо изученных квазаров для космологической и для локальной оценки расстояний (при этом во втором случае расстояния принимались равными 10 Мпс).
  • Остается открытым вопрос, в каком отношении находится масса водорода в газовой компоненте квазара к общей его массе. По-видимому, это отношение не может быть малым.
  • Известен еще один способ оценки массы квазаров, основанный на совершенно других приемах. Тем не менее он дает для массы значения, близкие к только что полученным. В этом случае речь идет только об одном квазаре 2С273, у которого наблюдается вытянутое облако, являющееся сильным источником радиоизлучения. Это облако занимает размер в 20". Принимая за расстояние до квазара величину, следующую из космологической трактовки, можно оценить длину этого облака 105 световых лет.
  • Предположим, что момент выброса этого облака и был моментом образования квазара. Тогда его возраст должен быть равен 105 лет (считаем, что облако двигалось со скоростью света). Так как этот кзазар излучает 1046 эрг/сек или 1053 эрг/год, можно легко вычислить, сколько энергии он излучил в течение всего периода своего существования. Получается около 1058 эрг. Примем далее, что энергия, которую этот квазар еще в состоянии излучить, то есть энергия, содержащаяся в нем, в 100 раз больше. Тогда мы получим суммарный запас энергии в квазаре в момент его образования, равный 1060 эрг, что эквивалентно массе, равной 108 солнечных масс.
  • Мы, таким образом, получили величину, не сильно отличающуюся от цифры 106—107 солнечных масс, получающейся из измерений интенсивности спектральных линий. Есть еще и другие способы оценки массы квазаров. Например, Я. Б. Зельдовичем и И. Д. Новиковым был предложен метод оценки, связанный с условием равенства внутри квазара гравитационных сил и сил давления излучения. Это дало нижнюю оценку массы в 108М¤. В некоторых квазарах, где линии поглощения, возможно, свидетельствуют о падении вещества к центру, можно оценить массу центральной области, зная скорость падения газа и расстояние до него. Хотя окончательной ясности нет, однако, по-видимому, можно считать, что массы квазаров заключены в пределах от 107 до 1010 масс Солнца.
  • Это означает, что выделение энергии в расчете на один грамм вещества в квазаре значительно больше, чем у Солнца и других звезд. Оно в сто раз больше в оптическом диапазоне и в тысячу раз — в радиодиапазоне.
  • Это отношение будет еще больше, если учесть, что квазары являются очень мощными источниками не только в оптическом и радиодиапазонах, но также, как показали наблюдения последних лет, в инфракрасном (~1011—1012 гц) и рентгеновском (1017—1018 гц) диапазонах. Например, квазар ЗС273, по предварительным оценкам, излучает в инфракрасной области энергии почти в 100 раз больше, чем в оптике.
  • Это, в свою очередь, имеет важное значение для рассмотрения механизмов генерации энергии в квазарах. Из числа таких механизмов мы должны исключить процессы, происходящие в недрах почти всех звезд, а именно, термоядерные реакции, в особенности реакции превращения водорода в гелий и далее в более тяжелые элементы. Мы должны исключить эти механизмы по следующим причинам:
  • 1) Реакции термоядерного синтеза идут только при очень высоких температурах порядка миллионов градусов. Для того чтобы они были эффективны, плотность газа должна быть значительной, как, например, в недрах звезд. В то же время квазары не характеризуются ни высокими температурами, ни значительными плотностями газа.
  • 2) В ходе термоядерной реакции образуется мощное гамма-излучение. Однако, как показывают последние исследования с помощью ракет, в диапазоне гамма-излучения квазары являются относительно «темными» объектами.
  • Кроме того, как отмечали В. Л. Гинзбург и Л. М. Озерной, в общем-то обычный химический состав оболочек квазаров противоречит присутствию мощного g — излучения.
  • Можно было бы предположить, что в квазарах происходит процесс, подобный тому, который наблюдается в звездах: термоядерные реакции идут исключительно в некоем ядре, а образующееся при этом гамма-излучение, проходя через оболочки ядра, превращается в оптическое и радиоизлучение.
  • Такое рассуждение заставляет рассматривать ядро квазара как единственную область, где сконцентрирована почти вся его масса. Это ядро тогда было бы чем-то вроде сверхмассивной звезды, генерирующей, однако, в сотни тысяч раз больше энергии, чем обычная звезда.
  • Но такой объект не может существовать даже непродолжительное время, так как гигантское давление излучения, идущего из центра, немедленно разорвет его.
  • Поэтому мы должны оставить всякую мысль о подобных механизмах генерации энергии в звездах и квазарах и начать поиски механизмов с большим выделением энергии, чем термоядерные процессы.

    Происхождение квазаров

  • Приступая к обсуждению различных гипотез происхождения квазаров, следует предостеречь читателя от возможного чувства растерянности, которое может появиться под влиянием разнородности выдвигаемых гипотез. Равно не следует впадать в скептицизм, которым грешат даже некоторые астрономы, считающие, что строить догадки о происхождении квазаров преждевременно. Следовало бы, конечно, признать их правоту, если бы не та истина, что склонность строить догадки есть естественное свойство человеческой натуры. Если эта склонность еще сочетается с настойчивостью, то проверка таких догадок образует ту базу, на которой в дальнейшем вырастает рациональное знание. По этой причине не следует скрывать такие догадки от широкого круга читателей, желающих войти в курс проблем данной науки.
  • Наиболее убедительной представляется гипотеза, рассматривающая квазары как массовый процесс взрывов сверхновых. Известно, что сверхновые возникают в разных галактиках, в том числе и в нашей. Известно также из данных наблюдений и теоретических расчетов, что сверхновая есть крайне непродолжительная стадия многих звезд (вероятно, всех массивных звезд), в течение которой в звезде происходят нарушения равновесия. Выделение энергии в недрах звезды внезапно увеличивается, вследствие чего ее внешние слои оказываются отброшенными со скоростями, достигающими тысячи километров в секунду. Сброшенная оболочка рассеивается в пространстве, образуя затем подобие туманности. При этом внутренняя часть звезды, излучающая гигантское количество энергии, предстает оголенной. На этом этапе яркость свечения сверхновой превышает часто яркость всей галактики, в которую она входит. Затем яркость сверхновой уменьшается сначала быстро, потом медленнее, так что этот процесс занимает десятки и сотни лет. Еще лет двести после взрыва в свечении сверхновой можно наблюдать большие или меньшие изменения, откуда следует, что остаток после сверхновой совсем не напоминает обычную звезду.
  • После взрыва вокруг сверхновой образуется большое количество релятивистских электронов, которые, двигаясь в магнитном поле, являются мощным источником радиоизлучения. Все указывает на то, что это излучение затухает намного медленнее, чем оптическое излучение сверхновой. Такие выводы получены в результате наблюдений над несколькими сверхновыми в нашей Галактике; в основном над сверхновой, возникшей в 1054 году и давшей начало Крабовидной туманности — сильнейшего источника радиоизлучения. Сегодня мы даже знаем, какой из заметных на фотографии внутри туманности объектов есть остаток этой сверхновой. Им является недавно открытый пульсар NP 0532 (Примеч.- Пульсары — похожие на звезды объекты, обнаруживающие весьма строгую периодичность излучения.).
  • Из многолетних систематических наблюдений галактик можно сделать вывод, что сверхновая вспыхивает в одной из галактик в среднем раз в тысячу лет. Однако представляется, что в некоторых типах галактик средний период их появления значительно меньше — порядка 10 лет.
  • Возвратимся к квазарам, где вспышки сверхновых должны следовать одна за другой, образуя как бы цепную реакцию. Можно представить ситуацию, когда подобный цепной характер вспышек сверхновых не кажется очень невероятным. Известно, что ядра галактик состоят из звезд примерно одинакового возраста и с небольшим разбросом масс. При этом звезды имеют значительные массы. Из небольшого отличия их масс следует схожесть эволюции этих звезд и, следовательно, близость момента происхождения или стадии сверхновой. Если предположить, что на этой стадии появляются от ста до тысячи сверхновых в год, то можно получить наблюдаемое количество излучаемой энергии в квазарах.
  • Изложенная гипотеза объясняет также переменность квазаров, поскольку вспышки сверхновых следуют более или менее хаотично, притом они достаточно сильны, чтобы не быть замаскированными суммарным излучением всего квазара. Однако, таким образом, нельзя объяснить периодические изменения блеска.
  • Гипотезу совершенно иного рода предложил шведский физик X. Альвен. Эта гипотеза основывается на допущении, что во Вселенной наряду с обычной материей существует в сравнимых количествах и антиматерия.
  • У нас нет пока никаких подтверждений существования антиматерии во Вселенной, однако этот факт можно объяснить тем, что антизвезды и антитуманности не отличимы от обычных звезд и туманностей.
  • С другой стороны, трудно представить, чтобы в природе не существовало вообще античастиц. Следует допустить, что в огромной и достаточно «старой» Вселенной должно существовать намного большее разнообразие условий, чем те, которые удается создать в лабораториях. Поэтому предположение о существовании в природе объектов, состоящих из антиматерии, не кажется слишком искусственным.
  • Совершенно по-другому трактуют проблему квазаров астрономы, рассматривающие квазары как результат непрерывных столкновений звезд в ядрах галактики. Такой процесс не может продолжаться долгое время в том случае, если ядра галактик имеют действительно высокую плотность звездного «населения».
  • Никто сегодня не может представить себе детально процессов, которые должны происходить в результате столкновений звезд, однако можно приблизительно оценить выделяющуюся при этом энергию. Обозначив через N число звезд, через М — их среднюю массу и через v — среднюю скорость, можно записать их кинетическую энергию в виде 1/2NMv2. Если среднюю массу звезды считать равной массе Солнца, число звезд положить равным 1010, а скорость их движения 100 км/сек, то суммарная энергия должна составить величину порядка 1057 эрг. Приблизительно та же цифра получилась у нас и при вычислениях по совершенно другому методу.
  • Невольно возникает вопрос, какова будет конечная стадия этого бурного процесса? Большая часть кинетической энергии превратится в излучение и рассеется в пространстве. Некоторая часть останется в форме энергии быстрых движений газообразного вещества внутри квазара, который примет вид небольшого облака, вращающегося с моментом, равным моменту первоначального галактического ядра. В результате этих движений квазар будет сжиматься до тех пор, пока не превратится в устойчивое образование, может быть, схожее с ядрами некоторых типов известных нам галактик.
  • В последнее время работы по исследованию природы пульсаров натолкнули многих астрофизиков на мысль, что и квазары могут быть вращающимися массивными телами, магнитная ось которых не совпадает с осью вращения (модель наклонного ротатора). В такой модели энерговыделение квазара черпается в конечном счете из энергии вращения массивного тела, а ускорение частиц до релятивистских энергий происходит посредством их взаимодействия с низкочастотным излучением вращающегося магнитного диполя.
  • Изложим, наконец, еще одну гипотезу, касающуюся происхождения квазаров, в которой эти объекты рассматриваются как конечная стадия сгущения гигантских облаков межгалактического газа. Надо заметить, что пока у астрономов нет убедительных доказательств о существовании таких облаков, хотя если они существуют, то обнаружить их было бы крайне трудно ввиду малого поглощения света в разреженном межгалактическом газе. В спектрах излучения объектов, лежащих за такими облаками, могут, конечно, возникать линии поглощения, характерные для межгалактического газа, однако наблюдать их пока у близких квазаров практически невозможно. Дело в том, что линии поглощения сильно разреженных газов располагаются в далеком ультрафиолете, почти полностью поглощаемом атмосферой. Таким образом, пока нет оснований считать предположение о существовании гигантских облаков газа в межгалактическом пространстве лишенном всяких оснований.
  • Гипотезы, которую мы собираемся изложить, придерживаются в основном сторонники локальной интерпретации квазаров. Так, в ее рамках красное смещение спектров получает объяснение, не связанное с предположением о больших скоростях удаления квазаров. Этим, возможно, объясняется и повышенная приверженность астрономов к этой гипотезе, трудно объяснимая ее весьма умеренными достоинствами в астрофизическом отношении.
  • Процесс сжатия любого скопления материи является процессом перехода ее потенциальной энергии в другие формы: кинетическую, тепловую или энергию излучения. Этот процесс по своему существу очень похож на падение тел, при котором, как известно, также происходит превращение потенциальной энергии в кинетическую или в энергию, выделяющуюся при ударе тела о Землю.
  • По мере сжатия газового облака температура возрастает. Также растет давление газа и давление излучения, испускаемого этим газом. Это означает, что некоторая часть потенциальной энергии превращается во внутреннюю энергию газа, уменьшая тем самым количество энергии, которую образующийся квазар может испустить во внешнее пространство. Из расчетов следует, что процесс сжатия облака газа как целого не в состоянии обеспечить нужной нам энергии излучения независимо от того, мала или велика масса газа. При большой массе большим становится и расход энергии на увеличение внутренней энергии газа.
  • Для того чтобы спасти теорию сжимающегося газового облака, необходимо предположить существование процесса, мешающего превращению потенциальной энергии во внутреннюю энергию. Таким процессом может быть нарушение равновесия всего облака, в результате которого оно распадается на отдельные области. При этом быстро уменьшается давление и плотность газа в промежутках между этими областями, а освобождающаяся в результате этого энергия излучается в пространство.
  • Образующиеся фрагменты также не являются устойчивыми образованиями. Их сжатие приводит к еще большему дроблению массы квазара с одновременным выделением дополнительной энергии. При этом считается, что внутри квазара существует магнитное поле, которое при каждом дроблении подвергается деформации. Сжимающиеся и расширяющиеся силовые линии этого поля приводят к образованию внутри квазара мощных ударных волн, сообщающих электронам огромные скорости. Таким путем объясняется происхождение сильного радиоизлучения квазаров.
  • Образующиеся фрагменты газового облака могут иметь как малые, так и большие массы. При этом гравитационное поле в окрестности некоторых фрагментов может достигать больших значений, вызывая значительное красное смещение в спектрах квазаров. Так, сторонники описанной гипотезы объясняют большое красное смещение в спектрах квазаров, не отвергая при этом и вклада, вносимого в это явление расширением Вселенной. Они, однако, возражают против объяснения смещения спектров квазаров одним только расширением Вселенной.
  • Положение в области исследования квазаров характеризуется большими противоречиями и неопределенностью и напоминает ситуацию в астрономии в то время, когда гелиоцентрическая система мира делала свои первые шаги.
  • Неизвестно, явится ли разрешение загадки квазаров переломным моментом в развитии астрономии и в эволюции мировоззрения современного человека. Такой возможности, однако, нельзя исключать, поэтому ознакомление общественности с основными тенденциями в этой области имеет важное значение. При этом люди, далекие от астрономии, будут более подготовлены к восприятию тех событий, которые могут произойти в этой области науки и в большей или меньшей степени изменить мировоззрение человечества.

    далее