Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Естественно-научная картина мира. Учебник
.pdf
141
Позволяет обнаружить планеты с массой не меньше нескольких
масс Земли, расположенные в непосредственной близости от
звезды, и планеты-гиганты с периодами до примерно 10 лет.
Планета, обращаясь вокруг звезды, как бы раскачивает ее, и мы
можем наблюдать доплеровское смещение спектра звезды. Метод позволяет определить амплитуду колебаний радиальной
скорости для пары «звезда — одиночная планета», массу планеты, период обращения, эксцентриситет и нижнюю границу значения массы экзопланеты. Угол между нормалью к орбитальной
плоскости планеты и направлением на Землю современные методы измерить не позволяют.
2. Транзитный метод — метод, основанный на наблюде-
нии уменьшения светимости звезды при прохождении планеты
на ее фоне. Позволяет определить размеры планеты, а в сочетании с методом Доплера — плотность планеты. Дает информацию о наличии атмосферы и ее составе. Следует понимать, что
этим методом можно обнаружить лишь те планеты, орбита которых лежит в одной плоскости с точкой наблюдения.
3. Метод гравитационного микролинзирования. Между
наблюдаемым объектом (звездой, галактикой) и наблюдателем
на Земле должна быть другая звезда, выступающая в роли линзы
и фокусирующая своим гравитационным полем свет наблюдаемой звездной системы. Если у звезды-линзы есть планеты, то
появляется асимметричная кривая блеска, и, возможно, отсутствие ахроматичности. У этого метода крайне ограниченное
применение. Метод чувствителен к планетам с малой массой,
вплоть до земной.
4. Астрометрический метод — метод, основанный на из-
менении собственного движения звезды под гравитационным
воздействием планеты. С помощью астрометрии были уточнены
массы некоторых экзопланет, в частности, Эпсилона Эридана b.
Будущее этого метода связано с орбитальными миссиями.
5. Радионаблюдение пульсаров. Если вокруг пульсара
вращаются планеты, то излучаемый пульсаром сигнал имеет
осциллирующий характер. Мощные направленные пучки излучения пульсара образуют в пространстве конические поверхно-
142
сти. Если на такой поверхности окажется Земля, тогда возможно
зарегистрировать данное излучение.
6. Метод прямого наблюдения — метод получения пря-
мых изображений экзопланет посредством изолирования экзопланет от света их звезды. Так как метод дает наилучшие результаты для планет, удаленных от своей звезды на ~10–100 а. е.
и горячих из-за тепла, оставшегося после их образования, метод
применяется для поиска планет около молодых звезд. Предполагается, что космический телескоп имени Джеймса Уэбба, благодаря огромному зеркалу (диаметром 6,5 м) и высокой разрешающей способности, будет способен напрямую обнаруживать
экзопланеты, а также подробно изучать состав их атмосфер.
Открытие экзопланет позволило астрономам сделать вывод: планетные системы — явление в космосе распространенное. До сих пор нет общепризнанной теории образования планет, но теперь, когда появилась возможность подвести статистику, ситуация в этой области меняется к лучшему.
6.4. Объекты и процессы космологии
В современной астрофизике можно обозначить три фундаментальные проблемы:
• космология (рождение и эволюция Вселенной в целом);
• ядра галактик (физическое строение и процессы, проис-
ходящие в них);
• проблема поиска внеземных цивилизаций и связи с ними.
Космология — раздел астрономии и астрофизики, изуча-
ющий происхождение, крупномасштабную структуру и эволюцию Вселенной.
Предмет космологии — весь окружающий нас мегамир,
вся «большая Вселенная», ее задача состоит в описании наиболее общих свойств, строения и эволюции Вселенной.
Вселенная (Универсум) — это весь существующий мате-
риальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя
в процессе своего развития. Часть Вселенной, охваченная аст-
143
рономическими наблюдениями, называется Метагалактикой,
или нашей Вселенной.
Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет ~ 20 млрд световых лет. Световым
годом называют расстояние, которое световой луч, движущийся
со скоростью 300 000 км/с, преодолевает за один год, т.е. составляет 10 трлн км.
Данные для космологии в основном получают из астрономических наблюдений. Для их интерпретации в настоящее время используется общая теория относительности А. Эйнштейна.
Создание этой теории и проведение соответствующих наблюдений позволило в начале 1920-х гг. поставить космологию в ряд
точных наук, тогда как до этого она скорее была областью философии. К началу XXI в. космология стала наиболее быстро
развивающейся областью астрономии и физики.
Под космологическими данными понимают результаты
экспериментов и наблюдений, имеющие отношение к Вселенной в целом в широком диапазоне пространства и времени. Любая мыслимая космологическая модель должна удовлетворять
этим данным. Можно выделить шесть основных наблюдательных фактов, которые должна объяснить космология:
1. В больших масштабах Вселенная однородна и изотропна, т.е. галактики и их скопления распределены в пространстве
равномерно (однородно), а их движение хаотично и не имеет
явно выделенного направления (изотропно).
2. Вселенная расширяется. Галактики удаляются друг от
друга. Это обнаружил американский астроном Э. Хаббл в
1929 г. Закон Хаббла гласит: чем дальше галактика, тем быстрее
она удаляется от нас. Но это не означает, что мы находимся в
центре Вселенной: в любой другой галактике наблюдатели видят то же самое. С помощью новых телескопов астрономы углубились во Вселенную значительно дальше, чем Хаббл, но его
закон остался верен.
3. Пространство вокруг Земли заполнено фоновым микроволновым радиоизлучением. Открытое в 1965 г., оно стало,
наряду с галактиками, главным объектом космологии. Его важным свойством является высокая изотропность (независимость
144
от направления), указывающая на его связь с далекими областями Вселенной и подтверждающая их высокую однородность.
Если бы это было излучение нашей Галактики, то оно отражало
бы ее структуру. Но эксперименты на баллонах и спутниках доказали, что это излучение в высшей степени однородно и имеет
спектр излучения абсолютно черного тела с температурой около
2,7 К. Очевидно, это реликтовое излучение молодой и горячей
Вселенной, сильно остывшее в результате ее расширения.
4. Возраст Земли, метеоритов и самых старых звезд немногим меньше возраста Вселенной, вычисленного по скорости
ее расширения. В соответствии с законом Хаббла Вселенная
всюду расширяется с одинаковой скоростью, которую называют
постоянной Хаббла Н. По ней можно оценить возраст Вселенной как 1/Н. Современные измерения Н приводят к возрасту
Вселенной ~20 млрд лет. Исследования продуктов радиоактивного распада в метеоритах дают возраст ~10 млрд лет, а самые
старые звезды имеют возраст ~15 млрд лет.
5. Во всей наблюдаемой Вселенной, от близких звезд до
самых далеких галактик, на каждые 10 атомов водорода приходится 1 атом гелия. Кажется невероятным, чтобы всюду местные условия были столь одинаковы. Сильная сторона модели
Большого взрыва как раз в том, что она предсказывает везде
одинаковое соотношение между гелием и водородом.
6. В областях Вселенной, удаленных от нас в пространстве
и во времени, больше активных галактик и квазаров, чем рядом
с нами. Это указывает на эволюцию Вселенной и противоречит
теории стационарной Вселенной.
Современная астрономия исходит из установки о космогоническом смысле (прямом или опосредованном) любой астрономической проблемы. Именно космогонический аспект исследования Вселенной начинает все больше выступать в виде того
организующего центра, который объединяет различные разделы
дифференцировавшейся астрономической науки. Больше всего
вопросов возникает в связи с исследованиями в области происхождения, рождения, эволюции и будущего Вселенной. Исторический обзор космогонических концепций показывает, что, несмотря на все трудности, именно вопрос мирообразования яв-
145
лялся ключевым. Многие современные космогонические концепции уходят своими корнями глубоко в прошлое.
Современная космология берет начало в первые десятилетия ХХ в. В 1915–1917 гг. американский астроном Весто Слайфер обнаружил, что галактики (которые тогда называли туманностями) не стоят на месте, а движутся в пространстве, причем
большинство из них удаляются от нас. Этот вывод следовал из
наблюдений спектров галактик: их движение проявляло себя в
сдвиге спектральных линий к красному концу спектра. Первая
релятивистская модель, основанная на новой теории тяготения и
претендующая на описание всей Вселенной, была построена
А. Эйнштейном в 1917 г. Исходя из открытых им фундаментальных уравнений, связывающих распределение материи с
геометрическими свойствами пространства и ходом времени,
Эйнштейн построил статическую модель Вселенной. В 1922–
1924 гг. А. А. Фридман (1888–1925) открыл, что уравнения
Эйнштейна имеют решения, которые описывают расширяющийся со временем мир. В 1927 г. бельгийский математик, физик и католический священник Жорж Леметр независимо пришел к тем же результатам, какие показывали уравнения Фридмана, и первым сформулировал зависимость между расстоянием
и скоростью галактик, предложив первую оценку коэффициента
этой зависимости. Леметр считал, что в какой-то период времени в прошлом вся масса Вселенной была сосредоточена в одной
точке (атоме). Этим в науку была введена парадигма эволюционирующей Вселенной, получившая в 1929 г. подтверждение в
открытии расширения Вселенной, сделанном американским
астрономом Э. Хабблом (1889–1953) с помощью астрофизических наблюдений.
В 1946 г. Дж. Гамов (1904–1968) выдвинул концепцию горячей Вселенной, согласно которой на ранних этапах расширения, вскоре после своего рождения (так называемый Большой
взрыв), Вселенная была очень горячей, и в ней излучение доминировало над веществом. При расширении температура падала,
и с некоторого момента пространство стало для излучения практически прозрачным. В выдвинутой в 40-е гг. ХХ в. Г.А. Гамовым теории горячей Вселенной рассматривались ядерные реак-
146
ции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной в
очень плотном веществе. При этом предполагалось, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Теория предсказывала, что вещество, из которого формировались первые звезды и галактики, должно состоять в основном из водорода (75 %) и гелия (25 %), примесь других
химических элементов незначительна. Другой вывод теории —
у сегодняшней Вселенной должно существовать слабое электромагнитное излучение, оставшееся от эпохи большой плотности и высокой температуры вещества. Такое излучение в ходе
расширения Вселенной было названо реликтовым излучением.
К тому времени появились принципиально новые наблюдательные возможности в космологии: возникла радиоастрономия,
расширились возможности оптической астрономии. В 1965 г.
экспериментально наблюдалось реликтовое излучение. Это открытие подтвердило справедливость теории горячей Вселенной.
Реликтовое излучение, космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение — равномерно заполняющее Все-
ленную тепловое излучение, возникшее в эпоху первичной рекомбинации водорода. Обладает высокой степенью изотропности и спектром, свойственным для абсолютно черного тела с
температурой 2,72548 ± 0,00057 К.
Реликтовое излучение равномерно заполняет всю Вселенную до сих пор. Из-за космологического расширения температура этого излучения продолжает падать. Открытие и изучение
реликтового излучения отмечено тремя Нобелевскими премиями. Первая присуждена в 1978 г. Пензиасу и Вилсону, открывшим в 1965 г. реликтовое излучение, вторая — в 2006 г. Джорджу Смуту и Джону Матеру, которые в 1992 г. доказали, что
реликтовое излучение — это действительно термодинамически
равновесный газ фотонов определенной температуры. Нобелевскую премию по физике в 2019 г. присудили Джеймсу Пиблсу,
за «теоретические открытия в области космологии», Мишелю
Майору и Дидье Кело за «открытие экзопланеты на орбите вокруг солнцеподобной звезды». По словам Нобелевского комитета, оба этих открытия позволили по-новому взглянуть на место
человека во Вселенной. В основном предсказания Джеймса Пи-
147
блза были посвящены спектру реликтового излучения и его
свойствам. Во-первых, Пиблз показал, что реликтовое излучение играет важную роль в формировании галактик. Во-вторых,
Пиблс рассчитал спектр флуктуаций реликтового излучения —
в частности, оценил, как излучение будет выглядеть, если добавить к обычной материи холодную темную материю, и показал,
что в такой модели относительная амплитуда колебаний температуры излучения находится на уровне 5 × 10−6. В-третьих, он
добавил в модель темную энергию с отрицательной плотностью
и снова пересчитал спектр излучения. Кроме того, Пиблс изучил, как введенные им гипотетические сущности сказываются
на эволюции Вселенной в целом и формировании галактик
в частности.
Реликтовое излучение — главный источник информации о
происхождении и свойствах структуры Вселенной. Хотя, конечно, только его одного не хватило бы для понимания устройства
мира. Например, о том, что Вселенная расширяется
с ускорением, мы знаем благодаря вспышкам сверхновых —
«стандартных свечей». Нам известно, что, если Вселенная расширяется, свет претерпевает красное смещение. По красному
смещению в зависимости от модели можно измерять расстояние — нужно только понять, какую модель выбрать. И если
мы видим, что есть стандартная свеча, есть красное смещение,
это начинает работать на определенную модель. Эта модель —
Lambda-CDM: Lambda — это темная энергия, а CDM — cold
dark matter, холодная темная материя.
Есть и другие источники космологической информации:
абсорбционные линии квазаров, измерения параметров радиоисточников с учетом их эволюции, стандартные линейки и тесты
вроде парадокса Ольберса. Но когда мы знаем, что именно происходит, измерять параметры этого явления лучше всего именно
с помощью реликтового излучения. Следует отметить, что есть
и прямые наблюдения распределения галактик в пространстве,
причем на классических телескопах в оптическом диапазоне,
которые и показывают, что материя распределена во Вселенной
в виде космической паутины на больших масштабах. И обычно
получается, что все остальные эксперименты либо подтвержда-
148
ют информацию, которую мы получили с помощью реликтового
излучения, либо минимально с ней не согласуются. Реликтовое
излучение — главный источник информации, но если бы у нас
было только оно одно, то не было бы подсказок, что именно исследовать. А так исследователи получают подсказки со стороны,
проверяют их с помощью реликтового излучения и получают
максимально точную информацию.
По современным представлениям, Вселенная расширяется, что привело к пересмотру основных утверждений астрономии и формулировке совершенного космологического принципа: «Свойства Вселенной постоянны как в пространстве, так и
во времени». Расширяющуюся Вселенную обычно сопоставляют с поверхностью надуваемого шара, все точки которого в
процессе этого надувания расходятся друг от друга все дальше и
дальше. Таким образом, в настоящее время общепринятой считается модель однородной, изотропной, нестационарной, горячей, расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей
теории относительности и релятивистской теории тяготения.
Крупномасштабная структура Вселенной в космологии — структура распределения вещества Вселенной на самых
больших наблюдаемых масштабах. Искривление пространствавремени на данном масштабе хорошо описывается общей теорией относительности.
Звезды, которые можно увидеть на небе, входят в нашу
Галактику — Млечный путь. Она состоит из 150 млрд звезд.
Имеет ядро и несколько спиральных ветвей. Размеры нашей Галактики — 100 тыс. световых лет. Солнце расположено на расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра галактики. Соседняя галактика — Туманность Андромеды.
В начале ХХ в. было доказано, что, кроме нашей Галактики, существуют другие галактики, состоящие из множества
миллиардов звезд. В 1963 г. были открыты звездоподобные источники сильного радиоизлучения — квазары, активные ядра
далеких галактик. К настоящему времени их насчитывается более тысячи.
Квазары — класс астрономических объектов, являющих-
ся одними из самых ярких источников космического радиоизлу-
149
чения (в абсолютном исчислении) в видимой Вселенной, расстояния до которых оцениваются в миллиарды световых лет.
В настоящее время распространена гипотеза, что квазары — это активные ядра галактик на начальном этапе развития,
в которых сверхмассивная черная дыра поглощает окружающее
вещество, и что их избыточный свет — результат того, что газ,
попадая в черную дыру и нагреваясь от высокой скорости и давления до миллионов градусов, частично попадает на квазар, тем
самым давая ему энергию для его свечения. Аккреционный диск
черной дыры и является источником излучения, исключительно
мощного (иногда в десятки и сотни раз превышающего суммарную мощность всех звезд таких галактик, как наша) и имеющего
помимо космологического гравитационное красное смещение,
предсказанное А. Эйнштейном в общей теории относительности.
Уже в начале XX в. было известно, что звезды группируются в звездные скопления, которые, в свою очередь, образуют
галактики. Позже были найдены скопления галактик и сверхскопления галактик. Сверхскопление — самый большой тип
объединения галактик, включает в себя тысячи галактик. Форма
таких скоплений может быть различна: от цепочки, такой как
цепочка Маркаряна, до стен, как великая стена Слоуна. Разумно
было бы предположить, что эта иерархия распространяется
дальше на сколь угодно много уровней, но в 1990-е гг. Маргарет
Геллер и Джон Хукра выяснили, что на масштабах порядка
300 мегапарсек Вселенная практически однородна и представляет собой совокупность нитевидных скоплений галактик, разделенных областями, в которых практически нет светящейся
материи. Эти области — войды — могут достигать колоссальных размеров. К примеру, диаметр гигантской пустоты АРLP 36 — одного из наиболее крупных, известных человечеству
войдов, равен 400 мегапарсек. В это же время диаметр нашей
галактики Млечный Путь равен всего 0,03066 мегапарсек.
Войды — обширные области между галактическими ни-
тями, в которых отсутствуют или почти отсутствуют галактики
и скопления. Войды обычно имеют размеры порядка 10–
100 мегапарсек. Наиболее крупные космические пустоты име-
150
нуются супервойдами. Средняя плотность материи в них менее
десятой доли от типичной для наблюдаемой Вселенной.
Галактическая нить, филамент — самые большие из
известных космических структур во Вселенной, представляющие собой нитевидные структуры со средней длиной 50–80 мегапарсек (163–260 млн световых лет) и формирующие границы
между большими пустотами (войдами). Галактические нити
также называют группами сверхскоплений галактик или великими стенами.
Нити и пустоты могут образовывать протяженные относительно плоские локальные структуры, которые получили название «стены». Первым таким наблюдаемым сверхмасштабным
объектом стала Великая стена CfA2, находящаяся в 200 млн световых лет и имеющая размер около 500 млн световых лет и
толщину всего 15 млн световых лет. В ноябре 2012 г. открыта
Громадная группа квазаров, имеющая размер 4 млрд световых
лет, в ноябре 2013 г. открыта Великая стена Геркулес — Северная Корона размером 10 млрд световых лет.
До последнего времени ученые-астрофизики считали, что
звезды, галактики, скопления галактик и вообще космическое
вещество располагаются в пространстве неупорядоченным образом. Открытия конца 70-х гг. показали, что Вселенная имеет
ячеистую (сетчатую, пористую) структуру: «Галактики и их
скопления расположены в порядке, напоминающем пчелиные
соты огромных размеров. И чем ближе к стыкам таких ячеек,
тем сильнее сконцентрировано вещество» [91]. Такой вывод был
получен в результате анализа того, как распределена масса галактик, которые охватывают сверхскопления в Персее, Андромеде и Пегасе. Анализ показал, что над границей такой «ячейки» поверхностная плотность галактик и их скоплений примерно в четыре раза выше, чем в ее центральной части.
Американские ученые обработали с помощью ЭВМ данные о
миллионах галактик. Анализ этого огромного материала подтвердил ячеистую структуру Вселенной.
Ячеистая структура Вселенной — крупномасштабная
неоднородность пространственного распределения галактик и
скоплений галактик, большая часть которых сосредоточена в
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]