Тема. 1. Вступ.

1. Мета, задачі та основні розділи астрофізики. Зв'язок астрофізики з іншими науками.

Астрофізика, розділ астрономії, що вивчає фізичні явища, що відбуваються в небесних тілах, їх системах і в космічному просторі, а також хімічні процеси в них. А. включає розробку методів отримання інформації про фізичні явища у Всесвіті, збір цієї інформації (головним чином шляхом астрономічних спостережень), її наукову обробку і теоретичне узагальнення. Теоретична А., займаючись узагальненням і поясненням фактичних даних, отриманих спостережливою А., користується законами і методами теоретичної фізики. Сукупність методів спостережливої А. часто називають практичною А.

На відміну від фізики, в основі якої лежить експеримент, пов'язаний з довільною зміною умов протікання явища, А. ґрунтується головним чином на спостереженнях, коли дослідник не має можливості впливати на хід фізичного процесу. Проте при вивченні того або іншого явища зазвичай трапляється нагода спостерігати його на багатьох небесних об'єктах за різних умов, так що кінець кінцем Л. опиняється в не менш сприятливому положенні, чим експериментальна фізика. У багатьох випадках умови, в яких знаходиться речовина в небесних тілах і системах, набагато відрізняються від доступних сучасним фізичним лабораторіям (надвисока і наднизька щільність, високі температури і т. п.). Завдяки цьому астрофізичні дослідження нерідко призводять до відкриття нових фізичних закономірностей.

Історично склався розподіл спостережливою А. на окремі дисципліни за двома ознаками: по методах спостереження і по об'єктах спостереження. Різним методам присвячені такі дисципліни, як астрофотометрія, астроспектроскопія, астроспектрофотометрія, астрополяриметрія, астроколориметрія, рентгенівська астрономія, гамма-астрономія та ін. Прикладом дисциплін, виділених по об'єкту дослідження, можуть служити: фізика Сонця, фізика планет, фізика туманностей галактичних, фізика зірок та ін.

У міру розвитку техніки космічних польотів в астрофізичних дослідженнях все більшу роль грає позаатмосферна астрономія, заснована на спостереженнях за допомогою інструментів, розміщених на штучних супутниках Землі і космічних зондах. З розвитком космонавтики з'явилася можливість встановлювати такі інструменти також і на інших небесних тілах (передусім на місяці). На цій же основі передбачається розвиток експериментальної астрономії. На межі спостережливої і експериментальної астрономії знаходяться астрономія (радіолокація метеорів, Місяця, найближчих до Землі планет) радіолокації, а також лазерна астрономія, одержуючі інформацію про небесні тіла, використовувану в А., шляхом їх штучного освітлення пучками електромагнітних хвиль.

2. Огляд сучасних уявлень про походження, будову та розвиток Всесвіту. Просторово-часові масштаби сучасної фізики та астрофізики (_ см, _).

Питання про походження Всесвіту з усіма її відомими і доки невідомими властивостями споконвіку хвилює людину. Але тільки в ХХ столітті, потім, виявлення космологічного розширення, питання про еволюцію Всесвіту стало помалу вияснюватися. Останні наукові дані дозволили зробити висновок, що наш Всесвіт народився 15 мільярдів років назад в результаті Великого вибуху. Але що саме вибухнуло в той момент і що, власне, існувало до Великого вибуху як і раніше залишалося загадкою. Створена у кінці ХХ століття інфляційна теорія появи нашого світу дозволила істотно просунутися у вирішенні цих питань, і загальна картина перших митей Всесвіту сьогодні вже непогано промальована, хоча багато проблем ще чекають свого часу.

    До початку минулого століття були всього два погляди на походження нашого Всесвіту. Учені вважали, що вона вічна і незмінна, а богослови говорили що Світ створений і у нього буде кінець. Двадцяте століття, зруйнувавши

Ця модель лише ілюструє процес загального розширення нашого тривимірного простору. Дві будь-які точки сфери, що роздувається, втікають один від одного, причому чим більше вони видалені, тим вище швидкість розльоту
Карта температури реліктового випромінювання, отримана супутниками "COBE" (США) і "Реликт-1" (Росія). Варіації температури від точки до точки не перевищують однієї десятитисячної градуса Кельвіна

дуже багато що з того, що було створено в попередні тисячоліття, зуміло дати свої відповіді на більшість питань, що займали уми учених минулого. І можливо, одним з найбільших досягнень минулого століття, є прояснення питання про те, як виник Всесвіт, в якому ми живемо, і які існують гіпотези з приводу його майбутнього.

    Простий астрономічний факт - розширення нашого Всесвіту - привело до повного перегляду усіх космогонічних концепцій і розробки нової фізики - фізики виникаючих і зникаючих світів. Всього 70 років тому Едвін Хаббл виявив, що світло від більше далеких галактик «красніше» світла від ближчих. Причому швидкість розгону виявилася пропорційна відстані від Землі (закон розширення Хаббла). Виявити це вдалося завдяки ефекту Доплера (залежності довжини хвилі світла від швидкості джерела світла). Оскільки більше далекі галактики здаються «червонішими», то припустили, що і віддаляються вони з більшою швидкістю. До речі, розбігаються не зірки і навіть не окремі галактики, а скупчення галактик. Найближчі від нас зірки і галактики пов'язані один з одним гравітаційними силами і утворюють стійкі структури Причому в якому напрямі не подивися, скупчення галактик розбігаються від Землі з однаковою швидкістю, і може здатися, що наша Галактика є центром Всесвіту, проте це не так. Де б не знаходився спостерігач, він скрізь бачитиме все ту ж картину - усі галактики розбігаються від нього.

    Але такий розліт речовини зобов'язаний мати початок. Значить, усі галактики повинні були народитися в одній точці. Розрахунки показують, що сталося це приблизно 15 млрд. років назад. У момент такого вибуху температура була дуже великою, і повинні були з'явитися дуже багато квантів світла. Звичайно, з часом усе остигає, а кванти розлітаються по виникаючому простору, але відгомони Великого вибуху повинні були зберегтися до наших днів.

    Перше підтвердження факту вибуху прийшло в 1964 році, коли американські радіоастрономи Р. Вильсон і А. Пензиас виявили реліктове електромагнітне випромінювання з температурою близько 3° за шкалою Кельвіна (- 270°С). Саме це відкриття, несподіване для учених, переконало їх в тому, що Великий вибух дійсно мав місце і спочатку Всесвіт був дуже гарячим.

    Теорія Великого вибуху дозволила пояснити безліч проблем, що стояли перед космологією. Але, на жаль, а може, і на щастя, вона ж поставила і низку нових запитань. Зокрема: Що було до Великого вибуху? Чому наш простір має нульову кривизну і вірна геометрія Евкліда, яку вивчають в школі? Якщо теорія Великого вибуху справедлива, то чому нинішні розміри нашого Всесвіту що значно більше передбачається теорією 1 сантиметра? Чому Всесвіт на подив однорідний, тоді як при будь-якому вибуху речовина розлітається в різні боки украй нерівномірно? Що привело до початкового нагріву Всесвіту до неймовірної температури більше 10¹³ К^?

    Усе це вказувало на те, що теорія Великого вибуху неповна. Довгий час здавалося, що просунутися далі вже неможливо. Тільки чверть століття назад завдяки роботам російських фізиків Э. Глинера і А. Старобинского, а також американця А. Гуса було описано нове явище - надшвидке інфляційне розширення Всесвіту. Опис цього явища ґрунтується на добре вивчених розділах теоретичної фізики - загальній теорії відносності Ейнштейна і квантової теорії поля. Сьогодні вважається загальноприйнятим, що саме такий період, що дістав назву «інфляція», передував Великому вибуху.

    Розміри Всесвіту астрономи оцінюють як 10²⁸ см, тоді як почався інфляційний процес з флуктуації розміром 10-33 см Величина протона, тобто атомного ядра атома водню, - 10^-13 см Таким чином, виходить, що Всесвіт спочатку був в стільки ж разів менше протона, в скільки протон менше місяця. До речі, місяць по відношенню до сучасного Всесвіту має приблизно той же розмір, що і початкова флуктуація порівняно з ядром атома водню.

Суть інфляції

    При спробі дати уявлення про суть початкового періоду життя Всесвіту доводиться оперувати такими надмалими і надвеликими числами, що наша уява насилу їх сприймає. Спробуємо скористатися деякою аналогією, щоб зрозуміти суть процесу інфляції. Уявимо собі покритий снігом гірський схил, в який украплені різнорідні дрібні предмети - камінчики, гілки і шматочки льоду. Хтось, що знаходиться на вершині цього схилу, зробив невеликий сніжок і пустив його котитися з гори. Рухаючись вниз, сніжок збільшується в розмірах, оскільки на нього налипають нові шари снігу з усіма включеннями. І чим більше розмір сніжку, тим швидше він збільшуватиметься. Дуже скоро з маленького сніжку він перетвориться на величезний ком. Якщо схил закінчується прірвою, то він полетить в неї зі швидкістю, що усе більш збільшується. Досягнувши дна, ком удариться об дно прірви і його складові частини розлетяться на всі боки (до речі, частина кінетичної енергії кому при цьому піде на нагрів довкілля і снігу, що розлітається).

    Тепер опишемо основні положення теорії, використовуючи приведену аналогію. Передусім фізикам довелося ввести гіпотетичне поле, яке було названо «інфлатонним» (від слова «інфляція»). Це поле заповнювало собою увесь простір (у нашому випадку - сніг на схилі). Завдяки випадковим коливанням воно набувало різних значень в довільних просторових областях і в різні моменти часу. Нічого істотного не відбувалося, поки випадково не утворилася однорідна конфігурація цього поля розміром більше 10^-33 см Що ж до спостережуваної нами Всесвіту, то вона в перші миті свого життя, мабуть, мала розмір 10^-27 см Передбачається, що на таких масштабах вже справедливі основні закони фізики, відомі нам сьогодні, тому можна передбачити подальшу поведінку системи. Виявляється, що відразу після цього просторова область, зайнята флуктуацією (від латів. fluctuatio - «коливання», випадкові відхилення спостережуваних фізичних величин від їх середніх значень), починає дуже швидко збільшуватися в розмірах, а інфлатонне поле прагне зайняти положення, в якому його енергія мінімальна (снігова грудка покотилася). Таке розширення

Залишки найновішої NGC 6995 - це гарячий газ, що світиться, утворився після вибуху зірки 20-30 тисяч років назад. Подібні вибухи 10-14 млрд. років назад активно збагачували простір важкими елементами з яких згодом утворювалися планети і зірки наступного покоління.

Коротка історія Всесвіту Це зображення описує розвиток Всесвіту з часу Великого вибуху, до "наших" днів. Від появи елементарних часток і атомів, до сучасних галактик і планет. Детальні пояснення до зображення см внизу.

триває всього 10^-35 секунд, але цього часу виявляється досить для того, щоб діаметр Всесвіту зріс як мінімум в 10²⁷ разів і до закінчення інфляційного періоду наш Всесвіт придбав розмір приблизно 1 см Інфляція закінчується, коли інфлатонне поле досягає мінімуму енергії - далі падати нікуди. При цьому кінетична енергія, що накопичилася, переходить в енергію часток, що народжуються і розлітаються, інакше кажучи, відбувається нагрів Всесвіту. Якраз цей момент і називається сьогодні Великим вибухом.

    Гора, про яку говорилося вище, може мати дуже складний рельєф - декілька різних мінімумів, долини внизу і всякі пагорби і купини. Снігові коми (майбутні всесвіти) безперервно народжуються нагорі гори за рахунок флуктуацій поля. Кожен ком може скотитися у будь-який з мінімумів, породивши при цьому свій всесвіт із специфічними параметрами Причому всесвіти можуть істотно відрізнятися один від одного. Властивості нашого Всесвіту найдивовижнішим чином пристосовані до того, щоб на ній виникло розумне життя. Іншим всесвітам, можливо, повезло менше.

    Ще раз хотілося б підкреслити, що описаний процес народження Всесвіту «практично ні з чого» спирається на строго наукові розрахунки. Проте у всякої людини, що уперше знайомиться з інфляційним механізмом, описаним вище, виникає немало питань.

    Сьогодні наш Всесвіт складається з великого числа зірок, не кажучи вже про приховану масу. І може здатися, що повна енергія і маса Всесвіту величезні. І абсолютно незрозуміло, як це усе могло поміститися в первинному об'ємі 10^-99 см³. Проте у Всесвіті існує не лише матерія, але і гравітаційне поле. Відомо, що енергія останнього негативна і, як виявилось, в нашому Всесвіті енергія гравітації в точності компенсує енергію, що знаходиться в частках, планетах, зірках і інших масивних об'єктах. Таким чином, закон збереження енергії прекрасно виконується, і сумарна енергія і маса нашого Всесвіту практично дорівнюють нулю. Саме ця обставина частково пояснює, чому Всесвіт, що зароджується, тут же після появи не перетворився на величезну чорну діру. Її сумарна маса була абсолютно мікроскопічна, і спочатку просто нічому було колапсувати. І тільки на пізніших стадіях розвитку з'явилися локальні згустки матерії, здатні створювати поблизу себе такі гравітаційні поля, з яких не може вирватися навіть світло. Відповідно, і часток, з яких «зроблені» зірки, на початковій стадії розвитку просто не існувало. Елементарні частки почали народжуватися в той період розвитку Всесвіту, коли інфлатонне поле досягло мінімуму потенційної енергії і почався Великий вибух.

    Область, зайнята інфлатонним полем, розросталася зі швидкістю, істотно більшій швидкості світла, проте це ніскільки не суперечить теорії відносності Ейнштейна. Швидше за світло не можуть рухатися лише матеріальні тіла, а в даному випадку рухалася уявна, нематеріальна межа тієї області, де народжувався Всесвіт (прикладом надсвітового руху є переміщення світлової плями по поверхні місяця при швидкому обертанні освітлюючого її лазера). Причому довкілля зовсім не чинило опір розширенню області простору, охопленого усе більш швидко розростається інфлатонним полем, оскільки її як би не існує для виникаючого Світу. Загальна теорія відносності стверджує, що фізична картина, яку бачить спостерігач, залежить від того, де він знаходиться і як рухається. Так от, описана вище картина справедлива для «спостерігача», що знаходиться усередині цієї області. Причому цей спостерігач ніколи не дізнається, що відбувається поза тією областю простору, де він знаходиться. Інший «спостерігач», що дивиться на цю область зовні, ніякого розширення зовсім не виявить. У кращому разі він побачить лише невелику іскорку, яка по його годиннику зникне майже миттєво. Навіть найвитонченіша уява відмовляється сприймати таку картину. І все-таки вона, мабуть, вірна. Принаймні, так вважають сучасні учені, черпаючи упевненість у вже відкритих законах Природи, правильність яких багаторазово перевірена.

    Слід сказати, що це инфлатонное поле і зараз продовжує існувати і флуктуіровати. Але тільки ми, внутрішні спостерігачі, не в змозі цього побачити - адже для нас маленька область перетворилася на колосальний Всесвіт, меж якого не може досягти навіть світло.

    Отже, відразу після закінчення інфляції гіпотетичний внутрішній спостерігач побачив би Всесвіт, заповнений енергією у вигляді матеріальних часток і фотонів. Якщо усю енергію, яку міг би виміряти внутрішній спостерігач, перевести в масу часток, то ми отримаємо приблизно 10⁸⁰ кг Відстані між частками швидко збільшуються із-за загального розширення. Гравітаційні сили тяжіння між частками зменшують їх швидкість, тому розширення Всесвіту після завершення інфляційного періоду поступово сповільнюється^.

Коротка історія розвитку Всесвіту
Час	Температура	Стан Всесвіту
10-45 - 10-37 сік	Більше 1026K	Інфляційне розширення
10-6 сік	Більше 1013K	Поява кварків і електронів
10-5 cек	1012K	Утворення протонів і нейтронів
10-4 сік - 3 мін	1011 - 109 K	Виникнення ядер дейтерію, гелію і літію
400 тис. років	4000 К	Утворення атомів
15 млн. років	300 K	Продовження розширення газової хмари
1 млрд. років	20 K	Зародження перших зірок і галактик
3 млрд. років	10 K	Утворення важких ядер при вибухах зірок
10 - 15 млрд. років	3 K	Поява планет і розумного життя
1014 років	10-2 K	Припинення процесу народження зірок
1037 років	10-18 K	Виснаження енергії усіх зірок
1040 років	-20 K	Випар чорних дір і народження елементарних часток
10100 років	10-60 - 10-40 K	Завершення випару усіх чорних дір

Вибухи найновіших зірок настільки яскраві, що затьмарюють своїм світлом мільярди інших, що спокійно горять в галактиці, зірок. Саме завдяки таким вибухам виникає будівельний матеріал, необхідний для формування нових планет.     Чим далі знаходиться той або інший астрономічний об'єкт, тим про більше ранній період життя нашого Всесвіту він може розповісти. В результаті, спостерігаючи спалахи далеких найновіших, фізики не лише заглядають в глиб Всесвіту, але і уточнюють шляхи її початкового розвитку, коли вона була ще зовсім молодою

   Що ж чекає наш Всесвіт надалі? Ще кілька років тому у теоретиків в зв'язку з цим були всього дві можливості. Якщо щільність енергії у Всесвіті мала, то вона вічно розширюватиметься і поступово остигатиме. Якщо ж щільність енергії більше деякого критичного значення, то стадія розширення зміниться стадією стискування. Всесвіт стискуватиметься в розмірах і нагріватися. Значить, одним з ключових параметрів, що визначає розвиток Всесвіту, є середня щільність енергії. Так от, астрофізичні спостереження, що проводяться до 1998 року, говорили про те, що щільність енергії складає приблизно 30% від критичного значення. А інфляційні моделі передбачали, що щільність енергії має бути рівна критичною. Апологетів інфляційної теорії це не дуже бентежило. Вони відмахувалися від опонентів і говорили, що не вистачає 70% «як-небудь знайдуться». І вони дійсно знайшлися. Це велика перемога теорії інфляції, хоча знайдена енергія виявилася такою дивною, що викликала більше питань, ніж відповідей. Схоже, що шукана темна енергія - це енергія самого вакууму.

   В уявлені людей не пов'язаних з фізикою, вакуум - «це коли нічого немає» - ні речовини, ні часток, ні полів. Проте це не зовсім так. Стандартне визначення вакууму - цей стан, в якому відсутні

Активна газова туманність, виявлена телескопом "Хаббл" в сусідній галактиці NGC 604. У цій гігантській газовій туманності вже народилися тисячі зірок, і процес їх утворення триває. Її діаметр 1300 світлових років.
1 - Пульсуюча модель Всесвіту, період розширення - період стискування. 2 - Всесвіт із строго підігнаною середньою щільністю, в точності рівній критичній. Розширення увесь час сповільнюється. 3 - що Рівномірно розширюється за інерцією Вселена. 4 - Світ, що розширюється зі все більшою швидкістю. Домінуюча модель у наш час.

частки. Оскільки енергія знаходиться саме в частках, то, як резонно вважали чи не усі, включаючи і учених, немає часток - немає і енергії. 3начить, енергія вакууму дорівнює нулю. Уся ця милостива картина рухнула в 1998 році, коли астрономічні спостереження показали, що розгін галактик трішки відхиляється від закону Хаббла. Викликаний цими спостереженнями у космологів шок тривав недовго. Дуже швидко стали публікуватися статті з поясненням цього факту. Найпростішим і природнішим з них виявилася ідея про існування позитивної енергії вакууму. Адже вакуум, врешті-решт, означає просто відсутність часток, але чому лише частки можуть мати енергію? Виявлена темна енергія виявилася розподіленою в просторі на подив однорідно. Подібну однорідність важко здійснити, адже якби ця енергія знаходилася в якихось невідомих частках, гравітаційна взаємодія примушувала б їх зібратися в грандіозні конгломерати, подібні до галактик. Тому енергія, захована в просторі - вакуумі, дуже витончено пояснює влаштування нашого світу.

    Проте можливі і інші, більше екзотичні, варіанти світоутворення. Наприклад, модель Квінтесенції, елементи якої були запропоновані радянським фізиком А.Д. Борговим в 1985 році, припускає, що ми все ще скачуємося з тієї самої гірки, про яку говорилося на початку нашого оповідання. Причому котимося ми вже дуже довго, і кінця цьому процесу не видно. Незвичайна назва, запозичена у Арістотеля, означає деяку «нову суть», покликану пояснити, чому світ влаштований так, а не інакше.

    Сьогодні варіантів відповіді на питання про майбутнє нашого Всесвіту стало значно більше. І вони істотно залежать від того, яка теорія, що пояснює приховану енергію, є правильною. Припустимо, що вірне просте пояснення, при якому енергія вакууму позитивна і не міняється з часом. В цьому випадку Всесвіт вже ніколи не стискуватиметься і нам не загрожує перегрівання і Великий хлопок. Але за усе хороше доводиться платити. В цьому випадку, як показують розрахунки, ми в майбутньому ніколи не зможемо досягти усіх зірок. Більше того, кількість галактик, видимих з 3емлі, зменшуватиметься, і через 10^-20 млрд. років у розпорядженні людства залишиться всього декілька сусідніх галактик, включаючи нашу - Чумацький Шлях, а також сусідню Андромеду. Людство вже не зможе збільшуватися кількісно, і тоді доведеться зайнятися своєю якісною складовою. У розраду можна сказати, що декілька сотень мільярдів зірок, які будуть нам доступні в так віддаленому майбутньому, - це теж немало.

    Втім, чи знадобляться нам зірки? 20 мільярдів років - великий термін. Адже всього за декілька сотень мільйонів років життя розвинулося від трилобіту до сучасної людини. Отже наші далекі нащадки, можливо, будуть на вигляд і можливостям відрізнятися від нас ще більше, ніж ми від трилобіту. Що ж обіцяє їм ще віддаленіше майбутнє, за прогнозами сучасних учених? Ясно, що зірки будуть тим або іншим способом «помирати», але утворюватимуться і нові. Цей процес теж не нескінченний - приблизно через 10¹⁴ років, по припущенню учених, у Всесвіті залишаться тільки слабосвітні об'єкти - білі і темні карлики, нейтронні зорі і чорні діри. Майже усі вони також загинуть через 10³⁷ років, вичерпавши усі запаси своєї знергии. До цього моменту залишаться лише чорні діри, що поглинули усю іншу матерію. Що може зруйнувати чорну діру? Будь-які наші спроби зробити це лише збільшують її масу. Але «ніщо не вічне під місяцем». Виявляється, чорні діри повільно, але випромінюють частки. Значить, їх маса поступово зменшується. Усі чорні діри теж повинні зникнути приблизно через 10¹⁰⁰ років. Після цього залишаться лише елементарні частки, відстань між якими набагато перевершуватиме розміри сучасного Всесвіту (приблизно у 10⁹⁰ разів) - адже весь цей час Всесвіт розширювався! Ну і, звичайно, залишиться енергія вакууму, яка абсолютно домінуватиме у Всесвіті. До речі, властивості такого простору уперше вивчив В. де Сіттер ще в 1922 році. Отже нашим нащадкам належить або змінити фізичні закони Всесвіту, або перебратися в інші всесвіти. Зараз це здається неймовірним, але хочеться вірити в могутність людства, як би воно, людство, не виглядало в так віддаленому майбутньому. Тому що часу у нього предостатньо.

    До речі, можливо, що вже і зараз ми, самі того не відаючи, створюємо нові всесвіти. Для того, щоб в дуже маленькій області виник новий всесвіт, необхідно ініціювати інфляційний процес, який можливий тільки при високій щільності енергій. Адже експериментатори вже давно створюють такі області, зіштовхуючи частки на прискорювачах... І хоча ці енергії ще дуже далекі від інфляційних, вірогідність створення всесвіту на прискорювачі вже не дорівнює нулю. На жаль, ми є тим самим «видаленим спостерігачем», для якого час життя цього «рукотворного» всесвіту занадто мало, і впровадитися в неї і подивитися, що там відбувається, ми не можемо...