6
И. Шкловский
Астрономия
невидимого
Это просто чудо, что мы сквозь огромную толщу земной атмосферы можем видеть звезды! Ведь над каждым квадратным сантиметром поверхности нашей планеты находится один килогramм вещества atmosферы — факт, известный даже Остапу Бендеру…
Это настоящая броя. Почему же она поглощает только 15—20% падающего из космоса излучения? Но—стоп! Необходима существование оговорка: речь идем о видимом излучении.
Видимый нашими глазами свет — это очень узкая полоска в шкале электромагнитных излучений, ограниченная длинами волн 8·10⁻⁷ м (красные лучи) и 4·10⁻⁷ м (филюлетовые). В сторону длиных волн к этой полоске примыкает широкая полоса инфракрасных волн, простраюшаясяprimерно до длины волны 10⁻⁴ м. Еще дальнейшие огромная область радиоволн от субмиллиметровых до многокилометровых волн.
В сторону коротких волн от полоски видимого света располагаются ультрафилюлетовые волны с длиной до 10⁻⁸ м, еще более короткиеRENTгеновские и, наконец, самые короткие гамма-лучи.
Удивительная прорачность толстой брони земной атмосферы относится прежде всего к видимым лучам. Кроме того, земная атмосфера прорачана и для радиоволн с длиной от одного сантиметра до 15—20 метров. Существуют также отдельные «окна прорачности» и в инфракрасной области спектра. Все остальные видия электромагнитного излучения земная атмосфера полностью поглощает.
To obstruction, что земная атмосфера прорачана для видимых лучей, с точки зрения общих законов
10
Серпуховский радиотелекон Физическая института Академии наук СССР.
димой части спектра, которые «съехали» туда с далекой ультрафилотовой части. Ни у каких других астроνομических объектов (звезд, туманностей) эти линии никогда не наблюдались (ультрафилотовая часть спектра нацелло поглощается атмосферой). Далее, оказывается, что скорость удаления такой галактики близка к 250 000 km/c, что составляет 0,8 от скорости света в вакууме!
Наблюдаемое уже много лет является красного смещения современная космология, начиная от нашей заменательного физика и математика А. А. Фридмана, объявляет реальный распределением Вселенной. С течение времени расстояния между галактиками увеличивается все больше, следовательно, растут масштабы Вселенной. Наблюдая квазар с λ/λ₀=4, мы как бы заглядываем в далекое прошлое Вселенной, когда ее размеры были в 4 раза меньше нынешних, а средняя плотность вещества — в 64 раза больше. Ну, а что было еще равны?
Пока квазаров с λ/λ₀ больше 4,6 еще не обнаружено. Очень возникло, что их либо совсем не будет, либо будет очень мало. Это означает, что галактики (а следовательно, и их ядра) образовались на определенной стадии развития Вселенной, когда ее масштабы были в 4—5 раз меньше нынешних. Еще в более раннюю эпоху никаких галактик не было. А что же было? Оказывется, был газ, причем довольно простого химического состояния — смесь водорода и гелия. По мере расширения этого газа, связанного с расширением Вселенной, он уменьшал свою плотность и охлаждался. Значит, когда «возраст» Вселенной исчисляется несколько миллионами лет, температура заполняющего ее газа достигала несколько тысяч градусов. При такой температуре этот газ был частично низирован, то есть представлял собой плазму.
Важной особенность Вселенной на ранних стадиях ее эволюции было то, что она содержала огромное количество излучения. Спектральный состав этого излучения был такой же, как и у раскаленого до соответствующей температуры тела. Плотность энергии этого излучения (энергия, приходящая на единицу объема) была в сотни миллионов раз больше плотности тепловой энергии газа (так как вещество во Вселенной тогда имело еще сравнительно низкую плотность). Кванты лучистой энергии находится в равновесии с атомами газа, которые поглощали и излучали их. Это значит, что число квантов, поглощенных атомами, равно числу испускаемых имми квантов (за одно и то же время). По этой причине температуры вещества и излучения были одинаковы. Но это могло продолжаться лишь до поры, до времени.
Из-за расширения Вселенной плотность газа быстро убывала, и это причине обмен энергий между излучением и газом происходит все медленнее и медленнее. Наконец, эти процессы стали настоящко медленными, что излучение, наполяющей Вселенную, потеряло всякую с газом. Это произойдет как раз тогда, когда возраст Вселенной был несколько миллионов лет, а размеры примерно в тысячу раз меньше совершенных. По мере дальнейшего расширения Вселенной плотность излучения
11
чения, заполняющего Вселенную, быстро уменьшалась в соответствии с тем, что его температура изменялась пропорционально размером. И теперь, когда со времен «отклейки» излучения от вещества Вселенная увеличила свои размеры больше чем в тысячу раз, ожидая температура заполняющего ее излучения должна быть порядка нескольких градусов.
Величайшим достожением радиоastronomии является обнаружение этого заполняющего всю Вселенную излучения, по сравнению получшего названия «реликтового». Подано тому, как среды живущих на Земле видов животных и растений попадаются «живые анахронизмы» — представители фауны и флоры давно прошедшего состояния Вселенной, когда в ней еще не было галактик и звезд, а был только горячий газ и заполняющее весь мир излучение. Это открытие было сделано 12 лет тому назад. Оказаюсь, что на радиоволнах сантиметрового и миллиметрового диапазонов все незалучает одинаково по всем направлениям. Спектральный состав этого излучения соответствует телу, нагретому до температуры 2,7 градуса абсолотной шкалы Кельвина. Максимальная интенсивность приходит на длину волны около одного миллиметра. Значение этого открытия состоит прежде всего в том, что оно должно возникнуть изучать Вселенную, когда она была в десяти тысяч раз «моложе», чем сейчас, и совершено не похоже на нынешнюю. Вселенная имеет историю, она под действием внутренних причины непрерывно развивается и, конечно, усложняется. Ибо сейчас Вселенная неизмеримо богате и сложнее, чем это было в ту отдельную эпоху. Например, тогда вещество еще не имело того богатого химического состояния, как сейчас. Элементы, отличные от водорада и геля, образовались в недрах звезд значительной позже. Не следует также забивать, что и жизнь во Вселенной могла возникнуть только после образования тяжельых элементов.
Парадоксально, что мы знаем сейчас о той отдельной от нас эпохи, когда образовались «реликтовое» излучение, значительное больше, чем обуслових образования нашей Солнечной системы и, в частности, Земли, хотя это весна важное событие произойдет не так уж давно: всего «каих-нибудь» пять миллиардов лет тому назад, когда размеры Вселенной были раз в два меньше современных. Это хорошо пример тому, что наука развивается неравномерно, что прогресс наших знаний идет на «пропыве» в неизвестное.
Одно из важнейших направлений в радиоastronomии может быть назван «астропидекторскойция». Речь идет об исследовании различных спектральных линий, длины волн которых находится в радиодиапазоне. Чаще всего эти линии наблюдаются в отдельных области весма резреженной межзвездной среды, встроенное изучение которого в последние годы приобрело особенно большое значение. Самая «знаменитая» радиолиния имеет длину волны 21 см и принадлежит водороду. Так как водород является наиболее обильным элементом во Вселенной, изучение этой линии дает весма ценную информацию, относится ко всем нашей звездной системе — Галактике. Изучение этой линии позволяет выявить температуру межзвездной среды, ее плотность и характер движения облаков межзвездного газа.
Наряду с atomами в межзвездном газе содержится молекулы. Многие из них излучают радиолинии, которые успешно наблюдаются. Неожиданность было открытие в межзвездном пространстве сложных, многоатомных молекул, например, муравный кислоты, этилового и метилового спиртов и ряда других. Исследование радиолиния от молекул открывает изучение изотопного состояния вещества во Вселенной. Именно таким образом впервые был обнаружен межзвездный дейтерий — тяжельый водород, у которого радиолиния имеет длину волны около 92 см. Оказаюсь, что в межзвездной среде на каждые сто тысячи atomов облакного водорада приходит один atom тяжелого.
12
Это открытие имеет довольно неожиданные последствия. Дело в том, что действий никак не может образовать в недрах звезд. Уже при довольно «умеренной» температуре в несколько миллионов градусов происходит ядерные реакции, ведущее к разрушению ядер деятельности. Поэтому так же, как и обычный водород, действий должен имеет «реликтовое» происхождение. Оказывается, что ядерные реакции, при которых синтезировался действий, должны были проискать тогда, когда температура Вселенной была несколько миллиардов градусов, а возраст — всего лишь около 10 минут! Вот куда могут заглянуть «глаза» радиотелекопсв…
Особое место в космической радиоспектрокопии занимают исследование линей молекулы гидроксила OH, длины волн которых (их всего четыре) около 18 см. Дело в том, что на этой волне совершено неожиданное были обнаружены ядрыше, очень маленькие источники, обычно нахождения в газовых туманностях. Выяснились, что эти источники работают по тому же принципу, что и лазеры—квантовые генераторы электромагнитных волн ввидимом диапазоне спектра. Для радионапазона также источники называют мазерами. Кроме того, примерно в тех же местах неба были обнаружены очень яркие источники в линей водного пара H₂O с длиной волны 1,35 см, имеющие ту же природу. Таким образом, оказалось, что природа реализует в естественных условиях условий прибор, являющийся в нашей длине символьом переживаемой человекеством научно-технической революции! Всего любопытнее то, что эти удивительные источники находятся в непосредственной близости от области Галактики, где по всем данным проискот пока еще во многом загадочный процесс образования молоды звезд из межзвездной газовой среды. Таким образом, радиоастроения совершено неожиданное оказалась мощным средством изучения этой давно уже ставшей классической проблемы.
Перечисляя выдающиеся достижения радиоастронии за последнее 10—15 лет, нельзя умолчать об открытии, взвольновавшем человечество 10 лет тому назад. Речь идет об открытии пульсаров. Этот совершенню необычный класс радионсточников характерен строгой периодичностью радиосигналов. Самый короткий из известных периодов близок к 1/30 секунды, самый длинный — около 4 секунды. Исследования показали, что пульсары — это очень быстро врашающее нейтронные звезды, причем период врашения совпадает с наблюдаемой периодичностью радиомпульсов. Что же такое нейтронная звезда? Представьте себе нашей Солнце, скатое до размеров около 10 км. Так как радиус Солнца близок к 700 000 км, а его средняя плотность равна 1,4 г/cм³, то средняя плотность 10-километрового шара — нейтронной звезды — будет близка к 10¹⁵ г/cм³. Это — удивительно большая величина, близкая к плотности вещества atomного ядра.
Нейтронные звезды, как закономерный конец эвольции неокотрых звезд, были теоретически предсказаны свыше 40 лет тому назад. В оптических лучах эти звезды (за одним важным исключением) обнаружить невозможно. Только методы совершенню радиоастронии позволили в нашей дни обнаружить нейтронные звезды — мечту двух поколений физков и астрономов всего мира. Это — одно из величайших открытий в астрономии и физике XX века, столбогатого выдающимся достижениями науки.