Теория распада или теория конденсации? Часть1

Втр, 06/03/2014 - 20:48

Академик Виктор Амазаспович Амбарцумян (1908-1996 гг.)

Шаровое звездное скопление 47 Тукана

Рассеянное звездное скопление М45 «Плеяды»

Спиральная галактика М81

Галактика М 51 из созвездия Гончих Псов

-

Судя по многочисленным публикациям, посвященным современной астрофизике, она находится на подъеме. Положение дел даже сравнивают с революционной ситуацией, сложившейся в физике в начале прошлого века. Но если тогда истина рождалась в спорах, сейчас новые понятия проникают в астрофизику практически без сопротивления. При этом ключевые положения старой теории, вместо того, чтобы обрести окончательную ясность, заменяются наборами гипотез. Современный астрофизик подробно объяснит, что такое космологический вакуум или антигравитация, но на вопрос о происхождении галактик даст расплывчатый ответ, включающий несколько возможных сценариев.

— 1 —

Итак, рассмотрим ситуацию с критической точки зрения.

В основе общепринятой космогонической концепции и связанной с ней космологической теории Большого взрыва лежит классическая теория происхождения звезд путем гравитационного сжатия газопылевой материи. До середины прошлого века единственным источником сведений о Вселенной был видимый свет. К этому времени классическая концепция заняла в астрофизике господствующее положение. Но в результате научно-технического прогресса появились приборы, позволяющие вести наблюдения в самом широком диапазоне волн — от метровых радиоволн до гамма-лучей, где длины волн составляют миллиардные доли миллиметра. Это вызвало нарастающий поток астрономических данных, многие из которых не вписывались в русло классической концепции. Ради согласия теории с фактами астрофизики решились на сомнительный шаг — дополнили ее экзотическими понятиями: темная материя, темная энергия, черные дыры. В результате возникла неуязвимая концепция-кентавр: чем больше открывалось новых фактов, противоречащих классической части концепции, тем больше появлялось аргументов в защиту ее экзотической части, которая, таким образом, росла как на дрожжах. Если бы в свое время физики проявили такую же безоговорочную преданность классическим представлениям, они бы до сих пор открывали все новые и новые свойства эфира, подобно тому, как астрофизики открывают все новые и новые свойства темной материи. К счастью для физиков, они, как правило, могут сделать выбор в пользу той или иной теории с помощью решающего эксперимента. В астрофизике же, где решающий эксперимент невозможен, степень обоснованности теории зависит от количества работ, посвященных ее обоснованию, другими словами — определяется числом сторонников данной теории. В свою очередь, число сторонников теории тем больше, чем больше ее обоснованность. При таких условиях космогоническая концепция, возникшая раньше других, оказывается вне конкуренции.

И все же существует альтернативная концепция, создатели которой внесли в развитие современной астрофизики не меньший вклад, чем их оппоненты, — достаточно того, что они положили начало систематическому изучению взрывных процессов в ядрах галактик. Речь идет о бюраканской концепции, разработанной сотрудниками Бюраканской обсерватории во главе с выдающимся астрономом В.А. Амбарцумяном.

Обе концепции сходятся в следующем. Крупномасштабное строение Вселенной имеет иерархическую структуру. Элементарными строительными единицами являются звезды. Дальше по ступеням иерархии следуют звездные скопления, галактики, скопления галактик. Скопления галактик удаляются друг от друга по закону, называемому законом разбегания галактик:

v = Hr,

где v — скорость удаления скопления галактик от начала системы отсчета, r — расстояние от начала системы отсчета до скопления, H — постоянная Хаббла. Отсюда видно, что некогда в прошлом вся материя Вселенной была сосредоточена в малом объеме и пребывала в сверхплотном состоянии. Начало расширения Вселенной принято называть Большим взрывом. В результате Большого взрыва различные области первоначального сгустка материи получили различные начальные скорости; дальнейшая эволюция этих областей привела к образованию скоплений галактик.

Иерархическое строение Вселенной обусловливает параллелизм сопоставляемых концепций — их общие схемы совпадают.

Согласно и той, и другой, сначала образуются протоскопления галактик. Они распадаются на протогалактики, которые распадаются на протоскопления звезд, которые распадаются на протозвезды. Разница заключается в природе протообъектов. В классической концепции протообъектами являются гигантские облака диффузной материи. Сжимаясь до определенной стадии, они теряют гравитационную устойчивость и распадаются на части, каждая из которых повторяет процесс эволюции в меньшем масштабе, вплоть до образования звезд. В бюраканской концепции протообъектами являются сверхплотные дозвездные тела, включая первоначальный сгусток материи, взрыв которого положил начало расширению Вселенной. Каждый очередной акт распада дозвездного тела повторяет Большой взрыв в соответствующем масштабе: дозвездным телам на более поздней стадии эволюции соответствуют меньшая плотность и меньшее количество энергии, выделяемой при распаде.

При сопоставлении концепций в логическом плане выигрывает отнюдь не классическая. В бюраканской концепции принцип экономии мышления соблюдается, а в классической — нет. Если природа экономна — зачем ей сначала распылять материю из сверхплотного состояния, а затем формировать из нее структуру, — не проще ли совместить оба процесса? В бюраканской концепции с самого начала фигурирует дозвездное тело неизвестной природы — в глазах оппонентов это является основным недостатком теории. Но в классической концепции Вселенная также начинает эволюцию из сверхплотного состояния, о котором ничего не известно. Отодвинув этот факт в сторону, как будто он не имеет отношения к делу, сторонники классической концепции проделывают большой путь и упираются в понятие темной материи, природа которой не более понятна, чем природа дозвездного тела.

В рамках классической концепции существует и более простой сценарий эволюции звездных систем: сначала появляются звезды, из них формируются галактики, из которых образуются скопления галактик. В этом случае галактики должны формироваться очень быстро, чтобы успеть не только образовать скопления, преодолев взаимное разбегание, но и тесно повзаимодействовать, породив неправильные галактики. К тому же, наличие газового диска у галактики трудно объяснить иначе, как эволюцией протогалактического облака. Но время от времени появляются сообщения о том, что в ранней Вселенной обнаружены химические элементы, которые могли возникнуть только в результате гибели звезд первого поколения. Это согласуется с тем, что звезды первого поколения, полностью лишенные тяжелых элементов, до сих пор не обнаружены. Получается, галактики состоят из звезд второго и последующих поколений. Надо думать, звезды первого поколения были настолько массивными, что стали причиной грандиозных коллапсов, эхо которых теперь доносится до нас в виде гамма-всплесков. Чтобы сэкономить время, нужное для образования галактик, можно допустить, что крупные галактики образовались в результате слияния мелких галактик; возможно также, что первичные черные дыры послужили затравками для образования галактик.

Рассматривая астрофизические проблемы, надо помнить, что один и тот же астрономический факт можно трактовать по-разному, — отсюда избыток эволюционных гипотез в астрофизике. Например, существуют три равноправные точки зрения на связь между эллиптическими и спиральными галактиками: спиральные галактики произошли от эллиптических; эллиптические галактики произошли от спиральных; между ними нет эволюционной связи, — вид галактики зависит от начальных условий ее формирования. Что же касается общепринятых взглядов, то и они в любой момент могут быть откинуты. Связь формы эллиптической галактики с ее вращением кажется очевидной. Но, как выяснилось, степень сжатия эллиптической галактики не определяется скоростью вращения, а требует для своего обоснования новых гипотез. Например, среди астрофизиков пользуется популярностью странная гипотеза о происхождении эллиптических галактик путем слияния спиральных галактик. Гипотеза объясняет слишком медленное вращение эллиптических галактик, в остальном же не выдерживает критики. Не меньшей популярностью пользуется и гипотеза о происхождении спиральных галактик путем слияния эллиптических галактик — она объясняет происхождение газового диска у галактики без ссылки на эволюцию протогалактического облака.

Долгое время основным аргументом в пользу бюраканской концепции считалось доказательство нестационарности некоторых звездных систем, члены которых разлетаются в разные стороны, предположительно из общего центра (кстати, отсюда впервые вытекало общепринятое сейчас представление о том, что звезды образуются и в наше время, причем группами, а не поодиночке). Оппоненты замалчивали этот факт, пока не нашли ему простое объяснение. Может случиться так, что масса газопылевого облака, в результате сжатия которого возникает звездное скопление, намного больше массы самого скопления. Новорожденные звезды своим излучением выдувают из скопления лишний газ, в результате чего масса системы уменьшается и она становится гравитационно-несвязанной. Таким образом, гравитационная несвязанность звездных (а по аналогии — и галактических) систем не может служить аргументом в пользу бюраканской концепции.

Что касается критики бюраканской концепции, то она, в основном, вызвана упрощенным представлением о последней. Например, проблема углового момента. При расширении изолированного тела его угловой момент (момент импульса) сохраняется, и, следовательно, скорость вращения уменьшается пропорционально увеличению радиуса. Поэтому быстро вращающаяся звезда не может образоваться в результате расширения сверхплотного тела, как того требует бюраканская концепция. Здесь, очевидно, подразумевается, что дозвездное тело сначала распадается на части, которые затем расширяются до размеров звезд. Но возможна иная картина. Начиная с Большого взрыва, каждый очередной акт распада дозвездного тела происходит в два этапа: сначала дозвездное тело расширяется, уменьшая плотность пропорционально увеличению объема, а затем распадается на части, распределяя между ними угловой момент. В классической концепции та же проблема решается аналогичным образом. Наблюдаемые скорости вращения звезд варьируются в широких пределах. Но если звезда образовалась в результате сжатия протозвездного облака, скорость ее вращения не может быть слишком мала. Значит, процесс образования медленно вращающихся звезд происходит в два этапа: сначала протозвездное облако сжимается, увеличивая плотность пропорционально уменьшению объема, а затем распадается на части, распределяя между ними угловой момент. Таким образом, в рамках обеих концепций закон сохранения момента импульса объясняет, почему звезды и галактики образуют кратные системы.

Следующее замечание касается химического состава звезд, входящих в состав одной и той же звездной системы. Чем моложе звезда, тем больше в ней тяжелых элементов. Это естественно, если звезды образуются из газа: в состав молодых звезд входят продукты жизнедеятельности звезд предыдущего поколения. Кроме того, молодые звезды всегда окружены газом, а некоторые из них, которые можно считать протозвездами, находятся внутри плотных газовых коконов. Если рассматривать распад дозвездного тела как механическое дробление, то оно, конечно, не может привести к таким результатам. Но бюраканскоя концепция претендует на аналогию с биологической эволюцией, а не на аналогию с механическим процессом. Точнее, на аналогию с номогенезом — учением о направленном развитии. Каждый очередной акт распада дозвездного тела — это этап эволюции как макро(мега), так и микроструктуры Вселенной. Газ (водород) — обязательный продукт распада дозвездного тела; в жизнедеятельности дозвездных тел и звезд он играет роль, аналогичную роли воды в жизнедеятельности земных организмов. Таким образом, в рамках обеих концепций момент рождения звезд выглядит одинаково: вспыхивающие звезды разлетаются из своей газовой колыбели.

Защищая аналогию с номогенезом, можно упомянуть антропный принцип: подмечено, что между эволюциями галактик, звезд, химических элементов и живых организмов на Земле существует странная согласованность, несвойственная механическим процессам, но присущая биологическим.

Другие материалы рубрики


  • О спонтанном возникновении вещества из пустого пространства говорят как о рождении “из ничего”, которое близко по духу рождению ex nihilo в христианской доктрине. Для физики пустое пространство совсем не “ничего”, а весьма существенная часть Вселенной, а мысль о рождении самого пространства может показаться вообще странной. Однако в каком-то смысле это все время происходит вокруг нас. Расширение Вселенной есть не что иное, как непрерывное “разбухание” пространства. С каждым днем доступная современным телескопам область Вселенной возрастает на 1018 кубических световых лет. Здесь полезна аналогия с резиной. Если упругий резиновый жгут вытянуть, его “становится больше”. Пространство напоминает суперэластик тем, что оно, насколько известно физикам, может неограниченно долго растягиваться не разрываясь. Растяжение и искривление пространства напоминает деформацию упругого тела тем, что “движение” пространства происходит по законам механики точно так же, как и движение обычного вещества. В данном случае это законы гравитации. Квантовая теория в равной мере применима как к веществу, так и к пространству и к времени.
    Действительно, благодаря собственной физической природе Вселенная возбуждает в себе всю энергию, необходимую для “создания” материи — это есть космический бутстрэп (bootstrap — в переводе “зашнуровка”, в переносном смысле — отсутствие иерархии в системе элементарных частиц).



  • В своей ранней молодости Марс, похоже, подвергся удару, навсегда изменившему облик планеты. Объект размером с Плутон врезался в планету с севера, разделив ее на две половины — низкий север и высокий юг. Крупнейший кратер Солнечной системы сохранился до наших дней.



  • Теория эволюции звезд основана на диаграмме «спектр-светимость». Спектр звезды связан с температурой ее поверхностных слоев, светимость — это количество световой энергии, излучаемой звездой в единицу времени. По оси абсцисс откладывается последовательность спектральных классов, по оси ординат — светимость. Звезды Галактики изображаются на диаграмме точками. Точки могли бы расположиться как попало, могли бы сгуститься к одной линии. Но они сгущаются к нескольким линиям и областям, из которых выделяются пять. Им соответствуют группы звезд: звезды главной последовательности, субкарлики, красные гиганты, сверхгиганты, белые карлики. Сопоставляя диаграммы «спектр-светимость», составленные для различных звездных скоплений, можно с уверенностью утверждать, что звезды главной последовательности на определенном этапе эволюции превращаются в красные гиганты. Из диаграмм также видно, как это происходит: температура звезды начинает уменьшаться, размеры и светимость, наоборот, увеличиваются. Через некоторое время температура опять начинает расти. Скорость эволюции определяется начальной массой звезды.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Варварские наклонности некоторых звезд иногда возмущают. Пока одни отнимают вещество у ближайших тел, другие поступают еще более нагло и жестоко. Они скидывают со звезд газопылевые диски, которые могли бы дать начало новой планетной системе, а то и новым формам жизни. Но не со всех, а лишь с тех, кто решается переступить опасную черту.



  • За последнее время вблизи Земли пролетели несколько сравнительно крупных небесных тел. Сильную тревогу вызвало в 1936 г. прохождение астероида Адонис на расстоянии около 2 млн. км от Земли. А настоящую панику вызвал в 1937 г. астероид Гермес, имеющий диаметр ≈1,5 км, промчавшийся лишь на расстоянии 800 тыс. км от Земли (удвоенное расстояние до Луны). Позже (в 1992 г.) большой ажиотаж был связан с приближением к Земле малой планеты Тоутатис. Астероид диаметром около полукилометра пролетел мимо Земли 19 мая 1996 г. на расстоянии всего 450 тыс. км.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Впервые астрономы обнаружили планету вне нашей Солнечной системы, которая является потенциально пригодной для жизни, с температурами подобными земным, сопоставимыми с Землей массой и размером и, вероятно, жидкой водой на поверхности. Что приятно, потенциально обитаемый мир находится всего в двух десятках световых лет от нас. Когда-нибудь люди туда смогут добраться.
    О сенсационной находке рассказала 25 апреля 2007 года международная группа из 11 астрономов (из Швейцарии, Португалии и Франции), которая работала в Чили, на одном из телескопов Европейской южной обсерватории (ESO). Ученые нашли сходную с Землей планету у звезды Gliese 581 — красного карлика, расположенного в созвездии Весы.
    Планета, получившая имя Gliese 581c, обладает массой примерно в 5 масс Земли. Ее диаметр оценивается в 1,5 диаметра нашей планеты, так что сила тяжести на ее поверхности составляет приблизительно 1,6 g. Из-за этих параметров астрономы окрестили ее также «Суперземлей» (super-Earth).
    Ученые предполагают, что эта планета — скалистый мир, сходный с Землей по облику. Как возможный вариант — это может быть ледяная планета. Но в обоих случаях на ее поверхности должна быть жидкая вода. Причем, в случае с ледяным миром — она может быть покрыта океаном полностью.



  • Однако сторонники потоков воды провели всестороннее исследование гипотезы о жидкой углекислоте и других средах. Были детально рассмотрены практически все ее аспекты и сделаны убедительные выводы. Например, в аккуратной работе Стьюарта и Ниммо, вышедшей в 2002 году, результаты сформулированы следующим образом: «Мы нашли, что ни конденсированный CO2, ни клатраты CO2 не могут быть накоплены в коре Марса в достаточных количествах... Таким образом, мы заключаем, что овраги не могут быть образованы жидким CO2. В свете этих результатов потоки жидкой воды остаются предпочтительным механизмом формирования свежих протоков на поверхности».


  • ...В начале 70-х годов появилось предложение объединить бозоны и фермионы в единую теорию, что, мягко говоря, среди ученых вызвало недоумение, ведь столь различны по своим свойствам эти две группы частиц. Тем не менее, оно возможно, если обратиться к симметрии, более широкой, нежели симметрия Лоренца — Пуанкаре, лежащая в основе теории относительности. Математическая суперсимметрия соответствует извлечению квадратного корня из симметрии Лоренца — Пуанкаре, физически же она соответствует превращению фермиона в бозон и наоборот. Разумеется, в реальном мире невозможно проделать такую операцию, тем не менее, операцию суперсимметрии можно сформулировать математически и можно построить теории, включающие суперсимметрии...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...Несмотря на то, что идея коллапса кажется простой (при сжатии ядра выделяется энергия гравитационной связи, за счет которой выбрасываются внешние слои вещества), трудно понять процесс в деталях. В конце жизни у звезды с массой более 10 масс Солнца образуется слоеная структура, с глубиной появляются слои все более тяжелых элементов.
    Ядро состоит в основном из железа, а равновесие звезды поддерживается квантовым отталкиванием электронов.
    Но в конце концов масса звезды подавляет электроны, которые вжимаются в атомные ядра, где начинают реагировать с протонами и образовывать нейтроны и электронные нейтрино. В свою очередь, нейтроны и оставшиеся протоны прижимаются друг к другу все сильнее, пока их собственная сила отталкивания не начнет действовать и не остановит коллапс.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Галактика, в которой мы живем, — Млечный Путь — настоящий исполин по галактическим меркам. Среди галактик местной группы лишь Туманность Андромеды может тягаться с нашим домом по количеству звезд, размерам и массе. Однако сферы влияния гигантов давно поделены, и нашу галактику окружают десятки, а может, и сотни галактик-спутников.
    Сейчас известны по крайней мере 23 спутника нашей галактики. Некоторые из них светятся, как миллиарды солнц, и жителям Южного полушария нашей планеты отлично знакомы Магеллановы облака — крупнейшие спутники нашей Галактики, не заметить которые на ночном небе невозможно даже невооруженным глазом.