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.

---

По мнению некоторых ученых, их масса может достигать миллиардов солнечных масс. Такие черные дыры способны «заглатывать» окружающее вещество, в том числе небольшие небесные тела, разрывать приближающиеся к ним звезды или срывать с них атмосферные оболочки и «питаться» образующимся при этом газом.

Благодаря мощной концентрации массы в небольшом объеме черная дыра может с очень высокой степенью эффективности преобразовывать энергию падающего на нее газа в энергию излучения или кинетическую энергию.

В частности, если черная дыра вращается, то, как показывают расчеты, она должна вовлечь во вращение и окружающий ее газ. А это, в свою очередь, может привести к выбрасыванию газовых струй вдоль направлений, параллельных оси вращения черной дыры.

Следует, однако, подчеркнуть, что и это предположение является только гипотезой, которая должна быть подтверждена наблюдениями. Вообще говоря, существует целый ряд причин, которые могут препятствовать превращению больших сжимающихся масс вещества в черные дыры. С точки зрения теории достаточно большая компактная масса вещества действительно должна коллапсировать и может превратиться в черную дыру. Но является ли подобный финиш коллапса практически неизбежным — еще вопрос! Имеется ряд факторов, которые в принципе способны помешать образованию в процессе сжатия массивных черных дыр.

В частности, при коллапсе быстровращающегося тела на его экваторе развиваются центробежные силы, препятствующие дальнейшему сжатию. Оно продолжается только вдоль линии, соединяющей полюса. В результате может сформироваться «блин» с радиусом значительно больше гравитационного и образования черной дыры не произойдет. Коллапсирующие массы могут фрагментировать — распадаться на части. На определенной стадии сжатия возможно возникновение ядерных процессов, способных вызвать разлет газовых масс. Эти и некоторые другие физические явления могут помешать «коллапсу до конца» или по крайней мере сильно его замедлить, настолько, что стадия черной дыры будет достигнута лишь через несколько миллиардов лет. А если это так, то образование черных дыр в квазарах и ядрах галактик должно представлять собой весьма редкое явление. Следовательно, высокую активность и огромное энерговыделение этих объектов присутствием черных дыр объяснить трудно!

Во всяком случае, до сих пор астрономические наблюдения реальных указаний на существование черных дыр как в ядре нашей Галактики, так и в ядрах других звездных систем не принесли.

Разумеется, все эти соображения не являются, как отмечает В. Л. Гинзбург, «…решительным возражением против возможности связать активность в квазарах и галактических ядрах с массивными черными дырами. Речь идет лишь о том, что нельзя без дальнейших доказательств принимать такую гипотезу как нечто почти обязательное или даже наиболее вероятное. Проблема состоит в том, чтобы выяснить природу кернов квазаров и активных галактических ядер путем наблюдений»[14]).

Нельзя, в частности, сбрасывать со счета и предположение, высказанное академиком В. А. Амбарцумяном, согласно которому компактные образования в ядрах галактик и квазарах представляют собой очень плотные сгустки так называемой дозвездной материи, физическая природа которой, однако, тоже остается неясной.

Видимо, истинное положение вещей удастся выяснить лишь в результате дальнейших исследований.

Таким образом, в современной астрофизике по вопросу о реальном существовании черных дыр во Вселенной и их роли в различных космических процессах существуют разные мнения. Однако удивляться тому, что в процессе изучения некоторых сложных научных проблем возникают различные концепции, иногда даже прямо противоречащие друг другу, не следует.

«… при движении в неизведанной области, — пишет В. Л. Гинзбург, — только достигнутый успех подтверждает правильность выбранного пути. Поэтому никто не может на серьезном уровне заранее объявлять те или иные подходы „идейными“ или „безыдейными“. Вместе с тем при рождении новых гипотез и предложений каждый заинтересованный наблюдатель выносит для себя определенное интуитивное суждение, делает какой-то прогноз. В дальнейшем, естественно, такой наблюдатель радуется, если оказался прав, и огорчается в случае ошибки»[15]).

Открытие реальных черных дыр имело бы фундаментальное теоретическое значение. Существование подобных объектов явилось бы важным подтверждением справедливости ОТО в сильных гравитационных полях. И не только качественным, но и (если удастся осуществить соответствующие измерения вблизи черных дыр) количественным. В настоящее время ОТО широко применяется физиками и астрофизиками и для тех случаев, когда речь идет о сильных гравитационных полях (при условии, что квантовые эффекты в рассматриваемой области малы). Тем не менее нельзя сбрасывать со счета то обстоятельство, что справедливость ОТО для сильных полей проверена все же недостаточно. К тому же существуют теории гравитационного поля, отличающиеся от эйнштейновской теории, с точки зрения которых определенные явления (например, поведение гравитационных волн) должны протекать иначе, чем предсказывает ОТО.

И хотя непротиворечивость этих теорий, — отмечает В. Л. Гинзбург, — и их «внутренняя последовательность не всегда доказаны, было бы, как я убежден, неправильно без доказательств принимать, что черные дыры заведомо могут существовать» [16]).

Поэтому обнаружение во Вселенной реальных черных дыр и изучение их свойств явилось бы очень важной проверкой ОТО в сильных гравитационных полях, представляющей первостепенный интерес для понимания физики Вселенной.

Космические иллюзии

Знаменитый английский мыслитель Бертран Рассел как-то сказал: математики обычно говорят так — если верно то, то верно и это; таким образом, математики никогда не знают, о чем они говорят, и верно ли то, о чем они говорят. Разумеется, Бертран Рассел несколько сгустил краски — он вообще был склонен к парадоксальным высказываниям. Но бесспорно одно — многие теоретические построения, и не только в математике, но и в астрофизике, конструируются именно по тому самому формальнологическому принципу, о котором упомянул Рассел. Выдвигается некоторое предположение или допущение, затем чисто теоретическим путем из него выводятся всевозможные следствия.

И тем не менее было бы неправильно утверждать, что физики и астрономы «не знают, о чем они говорят». Ведь исходные предположения строятся либо на фундаменте существующей теории, либо на почве тех или иных конкретных фактов. А выводы с помощью наблюдений и экспериментов сопоставляются с реальностью.

Но что верно, то верно: логическая машина обладает завидной способностью перерабатывать любую заложенную в нее информацию, независимо от того, чему именно она соответствует в реальной действительности. Вероятно, это обстоятельство в какой-то мере побуждает ученых к теоретической разработке даже самых экстравагантных предположений, и нередко подобные усилия оправдываются, приводят к открытию новых явлений, новых закономерностей окружающего мира. Даже в тех случаях, когда полученный результат не подтверждается наблюдениями, он все равно приносит немалую пользу, способствуя выяснению того, «как в природе не бывает», и тем самым отсекая бесперспективные пути исследования, сужая круг возможных объяснений.

Поэтому попытки применения разнообразных теоретических подходов к тому или иному еще недостаточно хорошо изученному явлению отнюдь не бесполезны. Особенно в тех случаях, когда ни один из предлагаемых теоретических вариантов объяснения подобных явлений нельзя признать достаточно убедительным. Именно с такого рода ситуациями то и дело сталкиваются современные астрономы.

Как мы уже говорили, астрономия — наука дистанционная, изучаются не сами космические объекты непосредственно, а их излучения. Свойства этих излучений зависят от свойств их источников — таким образом природа вкладывает в них информацию о тех физических процессах, которые их порождают.

Однако связь между тем, что регистрирует прибор, установленный на поверхности Земли или на борту искусственного спутника, и космическим явлением далеко не прямая. Показания прибора необходимо истолковать, интерпретировать. А сделать это можно лишь в рамках определенных теоретических представлений.

Но далеко не всегда теоретические представления о тех или иных космических процессах являются однозначными. Особенно в тех случаях, когда речь идет о новой области исследований. Отсюда могут возникать всевозможные неопределенности. Речь, разумеется, идет не о том, что астрономические методы исследования вообще недостоверны, а лишь о тех специфических затруднениях, которые нередко возникают в астрономии на пути к желаемому.