Виктор Комаров - Занимательная астрофизика

• Название: Занимательная астрофизика
• Автор: Виктор Комаров
• Издательство: Наука. Главная редакция физико-математической литературы
• Жанр: Научпоп
• Год: 1984

Книга в популярной и занимательной форме знакомит читателей с наиболее интересными проблемами современной астрофизики, с не обычными физическими объектами в космосе: пульсарами, квазарами, радиогалактиками, черными: дырами, источниками: рентгеновского и гамма-излучения, а также с наиболее интересными вопросами современной космологии. В книге рассказывается о новых методах познания Вселенной, об открытиях, сделанных в последние годы. Специальный раздел посвящен проблеме поиска разумной жизни во Вселенной.

Для иллюстрации вопросов астрофизики авторы в ряде случаев прибегают к помощи научной фантастики.

Под редакцией В, М. Чаругина.

---

Было замечено, что у пульсаров, расположенных в одной половине небесной сферы, эта частота изменяется медленнее, чем у пульсаров, расположенных в другой ее половине. Совершенно очевидно, что подобный эффект не может быть присущ самим пульсарам, а как-то связан с условиями их наблюдения. Одной из возможных причин и является присутствие в окрестностях Солнечной системы достаточно массивного тела. Если такое тело действительно существует, то Солнечная система должна определенным образом смещаться относительно центра масс системы «Солнце — массивное тело». Именно это ускоренное движение и может вызывать тот эффект в наблюдаемом радиоизлучении пульсаров, о котором идет речь.

Естественно возникает вопрос: что представляет собой неизвестное тело, какова его физическая природа? Пока на этот счет можно только строить предположения. В частности, не исключено, что загадочный объект является черной дырой.

Согласно расчетам И. Д. Новикова и Н. С. Кардашева, одна из черных дыр, возможно, образовавшихся на ранней стадии эволюции Вселенной и обладающих сравнительно небольшими массами, может находиться как раз на таком расстоянии от Солнца, на каком предположительно расположено то неизвестное тело, о котором мы только что говорили. Но черные дыры можно наблюдать только по некоторым побочным эффектам, например по эффектам, возникающим вследствие падения на них окружающего вещества. Однако в той области пространства, где находится неизвестное тело, межзвездная среда настолько сильно разрежена, что обнаружить подобный эффект практически невозможно.

Прежде всего, астрономам предстоит по имеющимся данным определить, в каком направлении относительно Солнца находится неизвестный объект, и постараться его непосредственно обнаружить. Если это не черная дыра, а обычное космическое тело — такая задача в принципе вполне разрешима.

Если предварительные выводы ученых подтвердятся, изменит ли это что-либо в окружающем нас мире? Внешне как будто ничего. Но это позволит лучше понять прошлое нашей Солнечной системы, историю ее образования. В частности, академик О. Ю. Шмидт — автор широко известной теории происхождения Земли и планет из холодного газово-пылевого облака — первоначально считал, что это облако было захвачено Солнцем во время его «путешествия» по Галактике. Однако в дальнейшем Шмидт отказался от этой идеи, поскольку, согласно законам механики, захват в системе двух тел невозможен, а в те годы, когда Шмидт создавал свою теорию, реального кандидата на роль «третьего» тела, которое обладало бы необходимой массой и находилось на достаточно близком расстоянии от Солнца и облака, в науке не существовало.

Но если подтвердится, что Солнце в самом деле является одним из компонентов двойной системы и неизвестное тело сравнимо с ним по массе, то положение кардинальным образом изменится и захват облака в принципе может оказаться возможным…

Присутствие массивного тела в Солнечной системе должно оказать определенное влияние на ее дальнейшую эволюцию, и хотя это влияние, скорее всего, может сказаться лишь в очень отдаленном будущем, а может и вообще оказаться несущественным, астрономам в своих расчетах придется принимать его во внимание. Это сделает прогнозирование будущих состояний Солнечной системы более точным и надежным.

Черные дыры

«Первый свой опыт я проделал над куском белой шерстяной материи. До чего же странно было видеть, как эта белая материя постепенно таяла, как струя пара, и затем совершенно исчезла! Мне не верилось, что я это сделал. Я сунул руку в пустоту и нащупал материю, столь же плотную, как и раньше. Я нечаянно дернул ее и она упала на пол. Я не сразу ее нашел»[12]).

Так герой научно-фантастического романа знаменитого английского писателя Герберта Уэллса осуществляет свой первый опыт. Он изобрел способ делать невидимыми различные тела, а затем превратил в невидимку и самого себя.

Любой предмет мы видим потому, что он отражает некоторую часть падающего на него света. Предмет, который бы никаких лучей не отражал, а был для них абсолютно прозрачен, оказался бы невидимым. Однако материальных объектов, удовлетворяющих подобным условиям и существующих в нашем обыденном мире, мы не знаем.

Тем не менее объекты-невидимки, полностью поглощающие любые излучения, а сами абсолютно ничего не излучающие, в принципе могут существовать!..

Двадцатый век принес с собой целый ряд удивительных открытий в области физики и астрономии. Многие из них с трудом укладываются в наши обыденные представления об устройстве окружающего мира, а иногда и вступают с этими представлениями в прямое противоречие.

Но таков закономерный путь развития естествознания. Идет своеобразная цепная реакция: обнаруживаются диковинные явления, а их дальнейшее изучение и осмысление приводит к открытию явлений еще более поразительных…

К числу таких явлений, оказавшихся в последние годы в центре внимания современной астрофизики, относятся и черные дыры. Одно название чего стоит: дыры во Вселенной, да еще черные!..

В начале века А. Эйнштейн разработал одну из наиболее фундаментальных физических теорий — теорию относительности. Собственно говоря, существуют две теории относительности: специальная и общая. Специальная теория (СТО) занимается изучением явлений, происходящих при больших скоростях, близких к скорости света. Общая теория относительности (ОТО) — ее иногда называют эйнштейновской гравитационной теорией — это теория тяготения, пространства и времени, представляющая собой обобщение ньютоновской теории тяготения.

Одним из главных выводов этой теории является вывод о тесной связи между геометрическими свойствами пространства, темпом течения времени и распределением массы. В частности, любые массы искривляют пространство и тем сильнее, чем эти массы больше.

Как известно, классическая физика Ньютона рассматривала пространство Вселенной как пустое «вместилище», в котором расположены небесные тела, взаимодействующие по закону всемирного тяготения.

Если бы из мира исчезла вся материя, говорил Эйнштейн, формулируя для широкой публики различие между классической физикой и общей теорией относительности, то с точки зрения физики Ньютона пространство и время сохранились бы. С точки зрения общей теории относительности с исчезновением материи исчезли-бы пространство и время.

Нет абсолютного пространства и абсолютного времени, единых для всей Вселенной. И пространство, и время — формы существования материи.

Еще в довоенные годы физики рассмотрели любопытную теоретическую возможность: если очень большая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, то под действием собственного тяготения это вещество начинает неудержимо сжиматься. Наступает катастрофа — гравитационный коллапс — падение вещества в точку, где плотность в принципе может достигнуть чуть ли не бес конечной величины…

В процессе коллапса растет концентрация массы, растет в соответствии с общей теорией относительности и кривизна. Дело в том, что сильные поля тяготения существенным образом искривляют пространство в сфере своего действия. Это может проявляться, например, в отклонении от прямолинейного распространения световых лучей вблизи каких-либо масс, в частности, в отклонении света далеких звезд при его прохождении вблизи Солнца.

В конце концов, в результате сжатия наступает момент, начиная с которого ни один физический сигнал не может «вырваться» изнутри коллапсирующего образования наружу, и для внешнего наблюдателя оно как бы перестает существовать. Вот такой объект и называется черной дырой. От него к нам не поступает никакая информация. Ведь любая информация должна иметь «материального носителя» — она не может распространяться сама собой.

Правда, тут следует сделать оговорку. Хотя непосредственно обнаружить черную дыру невозможно, она, строго говоря, невидимкой в том смысле, который вкладывал в это понятие Уэллс, все же не является: мы не можем видеть сквозь нее. Отсюда и название — черная дыра.

Возможно, именно по этой причине теоретическое исследование, о котором шла речь выше, было выполнено по принципу: «рассмотрим некоторую воображаемую ситуацию и попытаемся выяснить, что из нее получается….». О существовании во Вселенной реальных черных дыр в то время не было никаких фактических данных.

Заметим, кстати, что принципиальная возможность существования объектов типа черных дыр вытекает и из обычной классической механики. На это обратил внимание в конце XVIII в. П. Лаплас. Но полная теория физических процессов, происходящих в черных дырах, может быть построена только с позиций общей теории относительности.

В последние десятилетия в глубинах космоса был открыт целый ряд явлений, которые говорят о возможности концентрации огромных масс вещества в сравнительно небольших областях пространства. В связи с этим астрофизики снова вспомнили о гравитационном коллапсе и пришли к выводу, что существует ряд космических процессов, которые в принципе могут приводить к образованию черных дыр.