Астрономия

XI. Многоаспектная всеволновая астрономия в рамках классической релятивистской картины мира

1930.19.II - открытие Плутона (К. Томбо, США). 1930 - окончательное доказательство существования межзвездного поглощения света, с оценкой его величины (Р. Дж. Трюмплер, США); 1931 - открытие космического радиоизлучения (К. Янский, США): Берман, Занстра - объяснение физики планетарных туманностей: гипотеза Милна: остаток взрыва новой - белый карлик. 1932 - уточнение расстояния Солнца от центра Галактики (Б. П. Герасимович); постановка проблемы создания Каталога слабых звезд (КСЗ) для изучения структуры Галактики и звездных движений (Б. П. Герасимович и Н. И. Днепровский); организация в СССР службы Солнца (Е. Я. Перепелкин, Пулково); изобретение зеркально-линзовой системы телескопа (Б. Шмидт, Эстония-Германия); каталог Шепли-Эймз ярких галактик (сыгравший важную роль в выявлении крупномасштабной структуры Метагалактики). 1932-1933 - методы определения расстояний до планетарных туманностей, температур их ядер, классификация форм (Б. А. Воронцов-Вельяминов). Начало 30-х гг. - возрождение идей скоплений и сверхскоплений галактик (X. Шепли, Э. Хаббл, М. Хьюмасон, В. де Ситтер); заключение о существовании во Вселенной скрытой массы на основе применения теоремы вириала к скоплениям галактик (Ф. Цвикки, США). 1932-1951 - повторное обнаружение частей пояса ярких галактик, перпендикулярного Млечному Пути, некогда открытого В. Гершелем (X. Шепли. К. Сейферт). 1932 - идея возможности нейтронных звезд (Л. Д. Ландау, СССР). 1933 - разработка теории лучистого равновесия планетарных туманностей и теории возбуждения метастабильных уровней в газовых туманностях (В. А. Амбарцумян). 1934 - гипотеза о том, что остатком взрыва сверхновой должна быть нейтронная звезда (В. Бааде, Ф. Цвикки, США); теория протяженных атмосфер звезд (теория Козырева - Чандрасе-кара); первое детальное исследование Be-звезд, в том числе проблемы истечения вещества из них и состояния вещества в расширяющихся оболочках (Б. П. Герасимович); открытие для новоподобных звезд зависимости амплитуда изменения блеска - период и предсказание вспышки Т Северной Короны (П. П. Паренаго, Б. В. Кухаркин, Москва. - Подтвердилось в 1946 г.),. 1935-1936 - разработка методов статистического исследования звездных систем иобоснование короткой шкалы возраста Галактики (согласующейся с релятивистской теорией) (В. А. Амбарцумян). 1936 - первая классификация новых звезд (Герасимович); обнаружение различного относительного содержания ¹³С и ¹²С в звездах разных классов (Э. Мак-Келлар, Канада). 1936-1937 - массовые репрессии советских астрономов в эпоху культа личности (Б. В. Нумеров, Н. А. Козырев, Д. И. Еропкин, П. И. Яшнов, Н. В. Комендантов, И. А. Балановский, В. Ф. Газе, Н. И. Днепровский. Е. Я. Перепелкин, М. М. Мусселиус. Б. П. Герасимович). 1936-1940 - вывод элементов земного эллипсоида (Ф. Н. Красовский). 1937 - теория термоядерных реакций синтеза (HHe) как источника внутризвезднои энергии (Г. Бете, США; К. Вейцзеккер, Германия); сооружение первого параболического радиотелескопа и подтверждение результата Янского о радиоизлучении Галактики (на волне 1,8 м), догадка об излучении диффузной материи (Г. Ребер, США) - начало радиоастрономии; разработка эффективного метода определения пространственной плотности звезд на основе звездных подсчетов с учетом межзвездного поглощения (метод Вашакидзе - Оорта); обнаружение молекул СН в межзвездной среде (П. Свинге, Бельгия; Л. Розенфельд, США); идея крупномасштабного галактического магнитного поля (X. О. Альвен, Швеция); идея неиерархической крупномасштабной структуры Вселенной (аналогияс мыльной пеной, где скопления галактик играют рольпузырей) (Ф. Цвикки, США). 1937-1940 - теория звездной эволюции на основе ядерных источников энергии (Дж. Гамов, США). 1938 - критика космогонической гипотезы Джинса (Г. Рессел, окончательное доказательство несостоятельности этой приливной гипотезы, - Н. Н. Парийский, 1943). 1938-1939 - открытие двух типов ядерных реакций синтезаHHe: протон-протонного цикла (К. Критчфилд, Англия; К. Вейцзеккер) и углеродно-азотного (Г. Бете). 1939 - нейтринная теория взрыва сверхновых (Дж. Гамов); вывод на основании ОТО неизбежности черной дыры (Р. Оппенгеймер, X. Снайдер, США). 1939-1941 - разработка физической теории движения метеорных тел в атмосфере и установление верхней границы геоцентрической скорости метеоритообразующих из них (Б. Ю. Левин). 1939- 1942 - основы космической электродинамики (X. Альвен, Швеция). 1939 - нач. 40-х гг. - два новых метода определения электронной температуры планетарных туманностей (В. А. Амбарцумян, В. В. Соболев). 1940 - открытие молекул CN, NH в межзвездной среде (Э. Мак-Келлар, Канада); создание теории поглощения света в Галактике (П. П. Паренаго). 1940-1942 - выделение галактик с активными ядрами как качественно нового загадочного феномена (К. Сейферт, - сейфертовские галактики); открытие возбужденного состояния молекул межзвездного циана (Мак-Келлар, - в дальнейшем объяснено реликтовым излучением). 1941 - изобретение менисковой оптической системы телескопа (Д. Д. Максутов). 1941-1942 - расшифровка корония, как многократно ионизированных атомов Fe, Ni и др. (Б. Эдлен, Швеция). 1942 - Крабовидная туманность - остаток взрыва сверхновой 1054 года (Н. Мейолл, Я. Оорт); первая радиокарта неба (Ребер); открытие теплового радиоизлучения Солнца (Дж. С. Хей и Дж. Стюарт). 1942-1947 - динамическая теория зодиакального света (В. Г. Фесенков). 1943 - заключение о поляризации излучения в затменных двойных с компонентом раннего класса (эффект Соболева - Чандрасекара). 1943-1944 - разделение звезд Галактики на подсистемы, имеющие эволюционный смысл (звездные населения) (В. Бааде, Б. В. Кукаркин). 1944 - наиболее ранее сообщение об открытии теплового радиоизлучения Солнца (Г. Ребер); разложение на звезды центральных частей М31 и ее эллиптических спутников М32 и NGC 205 (Бааде);теоретическое предсказание радиоизлучения нейтрального водорода на l=21 см в межзвездном пространстве (X. К. ван де Хюлст, Нидерланды); первая краткая публикация космогонической гипотезы О. Ю. Шмидта (Метеоритная теория происхождения Земли и планет). 1945 - теория определения фигуры реальной Земли (геоида) (М. С. Молоденский). 1945 - начало составления Кембриджских каталогов дискретных радиоисточников в результате радиообзоров северного неба с антеннами высокой разрешающей способности методом апертурного синтеза (М. Райл с сотрудниками, Англия); подтверждение эффекта красного смещения в радиодиапазоне (Райл). 1946 - радиолокация н обнаружение радиоизлучения Луны; радиолокация метеорных потоков (доказательство возможности дневного их наблюдения) (Дж. Хей, Дж. Стюарт), получение УФ-спектра Солнца (Р. Таузи, США) и открытие его рентгеновского излучения (X. Фридман, США); создание радиоинтерферометра (Дж. Пози, М. Райл); теория горячей Вселенной (Дж. Гамов); обнаружение магнитного поля у звезды (78 Девы) и его переменности (X. У. Бэбкок, США); открытие первого дискретного космического радиоисточника Лебедь А (Дж. Хей, С. Пирсоне, Дж. Филлипс, Англия); получение первых ИК-спектров планет и звезд (Дж. Koйnep); интерпретация радиоизлучения спокойного Солнца как теплового излучения верхней атмосферы (В. Л. Гинзбург, И. С. Шкловский, СССР; Д. Мартин, Англия). 1947 - открытие глобул (Б. Бок, Рэйли, США); основание обсерватории Маунт Паломар (США). 1947-1948 - открытие звездных О- и В-ассоциаций как областей продолжающегося звездообразования (В. А. Амбарцумян. Б. Е. Маркарян). 1948 - предсказание остаточного (от первичного взрыва) излучения во Вселенной с T @5K(Дж. Гамов, Р. Альфер и Р. Герман); обнаружение ядра Галактики с помощью ИК-фотографии (В. Б. Никонов, А. А. Калиняк, В. И. Красовский); открытие межзвездной поляризации света (У. А. Хилтнер, Дж. Холл, США; В. А. Домбровский. СССР); обоснование наблюдаемости космического радиоизлучения в линии 21 см (И. С. Шкловский, СССР); выход первого издания Общего каталога переменныхзвезд (ок. 11 тыс. объектов) (под ред. Б. В. Кукаркина и П. П. Паренаго). 1948-1949 - введение в строй нового крупнейшего в мире 200-дюймового рефлектора на Маунт Паломар. 1949 - обоснование наблюдаемости межзвездных молекул ОН, СН и других в радиодиапазоне с расчетом радиолиний (Шкловский); открытие уникального астероида, орбита которого заходит за орбиту Меркурия, - Икар (Бааде). 1949-1951 - детальная разработка космогонической гипотезы О. Ю. Шмидтом. 1949-1953 - открытие обилия эмиссионных водородных туманностей в галактиках (Г. А. Шайн и В. Ф. Газе). 1950 - гипотеза о существовании на периферии Солнечной системы (100-150 тыс. а. е.) сферического слоя кометных тел - кометное облако Оорта (Я. Оорт; ранее близкие идеи были высказаны В. Г. Фесенковым, а затем Э. Ю. Эпиком); открытие радиоизлучения М31, сравнимого с галактическим (Р. Браун и К. Хэзард, Англия).

5. Горизонт видимости во Вселенной

Важнейшее значение для принципиальных вопросов наблюдений в космологии, и для физических процессов, протекавших в прошлом при расширении Вселенной, имеет наличие так называемого горизонта видимости. Наличие этого горизонта связано с расширением Вселенной. Чем дальше от нас находится галактика, тем больше времени потребовалось свету, чтобы достичь наблюдателя. Свет, который сегодня достигает наблюдателя, покинул галактику в далеком прошлом. Вселенная начала расширяться около десяти-двадцати миллиардов лет назад. Свет, вышедший из какого-либо источника даже в момент начала расширения мира, успеет пройти лишь конечное расстояние во Вселенной - расстояние около 10-20 миллиардов световых лет или около (3 ÷ 6)*10⁹Мnс. Точки Вселенной, лежащие от нас на этом расстоянии, называют горизонтом видимости. Области Вселенной, лежащие за горизонтом, сегодня принципиально ненаблюдаемы. Мы не можем увидеть более далекие галактики: какими бы телескопами мы ни обладали, свет от галактик за горизонтом просто не успел до нас дойти. Красное смещение света неограниченно нарастает, когда излучающий объект лежит ближе и ближе к горизонту. На самом горизонте оно бесконечно. Таким образом, мы можем видеть конечное число звезд и галактик во Вселенной. Тем самым решается еще один парадокс доэйнштейновской космологии: фотометрический. Парадокс заключается в следующем. В бесконечной Вселенной, заполненной звездами, луч зрения рано или поздно встретит светящуюся поверхность звезды. В этом случае все небо должно сиять как поверхность Солнца и звезд. В действительности из-за наличия горизонта мы видим конечное число звезд, весьма редко разбросанных в пространстве, и ночное небо темно. К тому же жизнь звезд ограничена.

Горизонт видимости делает для нас не столь существенной разницу между закрытым и открытым миром. В обоих случаях мы видим ограниченную часть Вселенной с радиусом около 10-20 миллиардов световых лет. В замкнутом мире свет не успевает обойти мир к настоящему времени, и конечно, невозможно увидеть свет от нашей собственной галактики, обошедший весь мир. Увидеть "собственный затылок" невозможно в замкнутой Вселенной. Даже за весь период расширения от сингулярного состояния до смены расширения сжатием свет успевает пройти только половину замкнутого пространства и лишь на фазе сжатия сможет закончить полный обход мира.

Заметим, что в этом пункте может быть существенная разница между Вселенной без Λ-сил и Вселенной с Λ-силами отталкивания, когда имеется задержка расширения, описанная в 11 гл. 1. Рассмотренная там модель мира необходимо должна иметь пространство положительной кривизны и должна быть замкнута. Только в случае высокой плотности ρ (а значит, и положительной кривизны пространства) силы тяготения вещества могут затормозить расширение Вселенной и почти остановить его. В модели с задержкой мир длительно почти не расширяется. За это время задержки свет успевает обойти все замкнутое пространство и вернуться в исходную точку. Если задержка расширения достаточно длительна, то свет может обойти мир несколько раз. В этом случае можно наблюдать несколько изображений одного и того же объекта, например, галактики. Может быть, мы видим подобные "духи" на небе и принимаем их ошибочно за разные галактики? Как уже говорилось в конце гл. 1, вряд ли задержка расширения действительно имела место. Но в принципе такая ситуация возможна!

Горизонт видимости для каждого наблюдателя свой. Все точки однородной Вселенной равноправны. С течением времени горизонт каждого наблюдателя расширяется, к наблюдателю успевает доходить свет от все новых областей Вселенной. За сто лет радиус горизонта увеличивается на одну стомиллионную долю своей величины.

Еще одно замечание. Вблизи самого горизонта мы в принципе должны видеть вещество в далеком прошлом, когда плотность вещества была гораздо больше сегодняшней. Отдельных объектов тогда не было, а вещество было непрозрачным для излучения. К этому вопросу мы вернемся в следующей главе.

Наконец отметим еще следующее. Само понятие "принципиального" горизонта видимости имеет место только потому, что в космологических моделях есть момент в прошлом, когда началось расширение, когда ρ = ∞, и за конечное время, прошедшее от этого момента, свет от далеких областей не успевает дойти до наблюдателя.

Если вблизи сингулярности ρ = ∞ мир расширялся не так, как в модели Фридмана (о возможности этого см. гл. 3 и 5), то закон движения света там был бы иной, свет при некоторых условиях успевал бы вблизи сингулярности проходить огромные расстояния и горизонт бы отсутствовал. Наконец, если бы до момента сингулярности ρ = ∞ была бы эпоха сжатия Вселенной (см. об этом гл. 5), то никакого "принципиального" горизонта не было бы, так как свет, вышедший до момента ρ = ∞, успеет пройти дальше, чем тот, который вышел в момент ρ = ∞. Конечно, реальный свет при этом неизбежно поглотится в эпоху очень больших ρ, но мы говорим сейчас о принципиальном горизонте для частиц, сколь угодно хорошо проникающих сквозь плотное вещество. Для них горизонта не было бы. (Разумеется, считаем, что эти "сверхпроникающие" гипотетические частицы летят со скоростью света.)

Как мы увидим дальше, все эти варианты с возможным отсутствием "принципиального" горизонта, весьма маловероятны и наверно не имеют отношения к действительности. И уж во всяком случае во всех вариантах космологических моделей, которые могут иметь отношение к действительности, есть "практический" горизонт видимости, который соответствует тому, что наблюдатель, принимающий сигналы от далеких областей пространства, видит эти области в далеком прошлом, когда плотность материи была столь большой, что никакие частицы сквозь вещество уже не пройдут. Сигналы от более далеких областей пространства, даже если бы в принципе могли успеть до нас дойти (ибо они вышли, например, в гипотетическую эпоху до сингулярного состояния), все равно поглотились бы в сверхплотной материи. Этот практический горизонт, конечно, лежит к нам чуть ближе, чем горизонт видимости, определяемый выходом сигнала точно в момент ρ = ∞. Кроме того, он несколько разный для разных частиц, например для света и нейтрино, ибо нейтрино несравненно лучше проходит сквозь вещество, чем свет. Но оказывается, что все различия в расстоянии до нейтринного, светового и прочих горизонтов ничтожно малы по сравнению с самим расстоянием, которое составляет, как уже говорилось 10 ÷ 20 миллиардов световых лет. Неопределенность (10 ÷ 20) связана с неточностью определения постоянной Хаббла.

Тайны вселенной

Концепция Большого Взрыва