1.1. Исследование Вселенной. Астрофизика

Звезды изучает астрономия (греч. astron – звезда и nomos – закон) – наука о строении и развитии космических тел и их систем. Основным методом астрономических исследований являются наблюдения. В результате наблюдений ученые получают свыше 90% информации о космических процессах, явлениях и объектах. Огромные расстояния обусловливают единственно возможный способ изучения Вселенной, состоящий в регистрации излучений. При этом следует учитывать, что регистрируемый в данный момент времени на Земле сигнал является характеристикой процесса, который шел в источнике излучений несколько лет или десятков и даже сотен лет назад.

В настоящее время ученые научились фиксировать следующие типы излучений:

- свет – излучение в оптическом диапазоне, воспринимаемые глазом человека, длина волны около 10^-7 м;

- инфракрасное излучение с длиной волны от 10^-6 м до 1 см;

- микроволновое излучение (от 1 см до 1 м);

- радиоволны (от 1 м и более);

- ультрафиолетовое излучение;

- рентгеновское излучение;

- гамма-излучение;

- космические лучи.

В зависимости от характера исследуемого излучения астрономию стали подразделять на оптическую и радиоастрономию, инфракрасную, ультрафиолетовую, рентгеновскую и гамма-астрономию. Астрономия делится на небесную механику, радиоастрономию, астрофизику и другие дисциплины.

Первая особенность астрономических наблюдений состоит в том, что наблюдения пассивны и иногда требуют очень длительных сроков. Мы не можем активно влиять на небесные тела и проводить эксперименты с ними. Лишь космонавтика дала в этом отношении некоторые возможности. Вторая особенность астрономических исследований состоит в том, что мы наблюдаем положение небесных тел и их движения с Земли, которая сама находится в сложном движении. Вид неба для земного наблюдателя зависит и от того, в каком месте Земли он находится, и в какое время он наблюдает. Например, когда у нас зимний день, в южной Америке летняя ночь, и наоборот.

Третья особенность астрономических наблюдений состоит в том, что при наблюдениях во многих случаях мы производим угловые измерения и ниже из них делаем выводы о линейных расстояниях и размерах тел. Все светила так далеки от нас, что ни на глаз, ни в телескоп нельзя решить, какое из них ближе, какое дальше. Все они кажутся одинаково далекими. Мы говорим, что на небе две звезды близки друг к другу, если близки друг к другу направления, по которым мы их видим.

Единицы измерений в астрономии

Поскольку в природе ничто не может двигаться быстрее скорости света, мы можем утверждать, что размеры Вселенной не превосходят 2 С∙Т, где С – скорость света, а Т – возраст Вселенной. Следовательно, верхнюю границу размеров Вселенной мы можем оценить как 2∙ 3∙ 10^8∙15∙10⁹∙365∙24∙60∙60 = 5,2∙10²⁶ м. Эта цифра настолько большая, что ее трудно осознать. Для астрономических измерений метр не очень подходящая мера длины.

В астрономии удобнее расстояния измерять в световых годах. Световой год – это расстояние, которое свет проходит за астрономический год, мы можем рассчитать это расстояние в метрах: 1 световой год = 3·10⁸∙365∙24∙60∙60 = 9,46∙10¹⁵м.

Еще одной удобной для астрономии единицей является величина, называемая парсек. За счет движения Земли вокруг Солнца звезда, наблюдаемая с Земли, в разные времена видна под различными углами. Видимое изменение положения небесного светила вследствие перемещения наблюдателя называется параллаксом. Различают параллакс, обусловленный вращением Земли (суточный параллакс), обращением Земли вокруг Солнца (годичный параллакс) и движением Солнечной системы в Галактике (вековой параллакс). Парсек – (сокр. от параллакс и секунда) – астрономическая единица измерения звездных расстояний, равная 3,26 световых лет. Самым дальним объектом, открытым на сегодняшний день, является квазар на расстоянии 8 млрд световых лет от нас. Если учесть, что радиус Вселенной не более чем 15 млрд световых лет, то не так уж много осталось, чтобы увидеть саму границу.

В Солнечной системе основной единицей измерения служит астрономическая единица. Это среднее расстояние от Земли до Солнца, принятое за 150 млн км.

Астрофизика

Раздел астрономии, изучающей физическое состояние и химический состав небесных тел и их систем, межзвездной и межгалактических сред, а также происходящие в них процессы, называется астрофизикой. Основные разделы астрофизики включают: физику планет и их спутников, физику Солнца, звездных атмосфер, межзвездной среды, теорию внутреннего строения звезд и их эволюцию. В отличие от физики, в основе которой лежит эксперимент, астрофизика основывается главным образом на наблюдениях, Но во многих случаях условия, в которых находится вещество в небесных телах и системах, отличается от доступных современным лабораториям (сверхвысокие и сверхнизкие плотности, высокая температура и т.д.). Благодаря этому астрофизические наблюдения приводят к открытию новых физических закономерностей.

Собственное значение астрофизики определяется тем, что в настоящее время основное внимание в релятивистской космологии переносится на физику Вселенной – состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии.

Релятивистская астрофизика изучает на основе общей теории относительности (теории тяготения А. Эйнштейна) объекты сверхплотного образования во Вселенной.

Методы астрофизики исследования Вселенной

Метод оптический – изучение Вселенной при помощи телескопа, который является главным инструментом астрономических исследований (прил. 5). Наибольшее количество сведений о космических процессах приносит свет. Телескоп – это устройство для собирания света с помощью объектива: двояковыпуклой линзы или вогнутого зеркала. Оптические телескопы делятся на три типа: рефрактор (объектив – большая линза), рефлектор (объектив – вогнутое зеркало), зеркально-линзовый телескоп. В этих телескопах используют в качестве объектива как линзы, так и зеркала, за счет чего их оптическое устройство позволяет достичь великолепного качества изображения с высоким разрешением, при том, что вся конструкция состоит из очень портативных коротких оптических труб. Основная цель телескопа – собрать как можно больше света от небесного объекта. Свет через трубу телескопа собирается объективом, полученное с помощью телескопа изображение небесного тела фиксируется на фотопластинке. Физика подарила исследователям Вселенной такой метод изучения световых лучей, как спектральный анализ. Если пропускать луч белого солнечного света через узкую щель, а затем сквозь стеклянную трехгранную призму, то он распадается на свои составные цвета и на экране появляется радужная цветовая полоска с постепенным переходом от красного до фиолетового – непрерывный спектр. Красный конец спектра образован лучами, наименее отклоняющимися при прохождении через призму, фиолетовый – наиболее отклоняемыми. Телескоп снабжают специальным устройством спектрографом. Он не только разлагает свет на составные части, но и фиксирует спектр на фотопластинке. Расшифровкой спектра, полученного от космического объекта, занимается физика. Расшифровка спектра помогает: а) изучить химический состав космического объекта. Каждому химическому элементу соответствуют определенные спектральные линии. Например, в спектре паров натрия можно обнаружить близкорасположенные желтые линии, в спектре паров калия – фиолетовую и желтую линии; б) определить температуру источников излучения, т.к. красный цвет соответствует низкой температуре (у звезд, 3-4 тыс. градусов по Цельсию), желто-зеленый – средней (у звезд, 5-6 тыс. градусов по Цельсию), бело-голубой – высокой (у звезд, 10-11 тыс. градусов по Цельсию); в) измерить скорость космического объекта согласно эффекту Доплера – зависимость измеряемой длины волны от взаимного движения наблюдателя и источника волн, если космический объект приближается к нам, то в его спектре спектральные линии смещаются к фиолетовому концу, в противоположном случае к красному (прил. 12).

Метод изучения космического радиоизлучения при помощи радиотелескопа. Долгое время астрономы могли исследовать космические объекты только по видимому излучению. Это было серьезным ограничением, так как видимый свет составляет небольшую часть спектра. Видимый свет соответствует интервалу длины волны от 4000 Ǻ (1 Ǻ = 10^-10 м) у фиолетовой границы до 7200 Ǻ – у красной. Свет, длина волны которого выходит за эти пределы не воспринимается нашим зрением. За фиолетовой областью видимого спектра идут ультрафиолетовое, рентгеновское и очень коротковолновое всепроникающее -излучение. За красной границей спектра находится инфракрасное, микроволновое и радиоизлучение, длина волн которого может превосходить километры. В начале 30-х годов XX столетия при изучении шумов, мешающих радиосвязи, был открыт источник небольших радиопомех, расположенный в направлении центра нашей Галактики. В основном источниками радиоволн являются космические объекты, находящиеся за пределами Солнечной системы. Радиоволны по сравнению со световыми лучами проходят там, где видимый свет пробиться не может. Вся информация о самых удаленных областях Вселенной целиком получена из радионаблюдений. Главными источниками космических радиопередач в большинстве случаев являются такие объекты, в которых протекают бурные физические процессы. Именно они представляют наибольший интерес для изучения развития Вселенной и форм космической материи. Радиоволны излучает и межзвездное пространство, а именно находящийся в нем ионизированный горячий газ. Нагрев и ионизацию газа (преимущественно водорода) вызывают горячие звезды и космические лучи. Другой источник радиоизлучения – нейтральный водород, которого в межзвездном пространстве значительно больше, чем ионизированного. Исследователи Вселенной умеют сегодня не только улавливать и переводить на доступный человеку язык информацию космических радиосигналов. Они научились также «прощупывать» с помощью радиолуча, направленного с Земли, поверхность небесных тел и принимать отраженные от них сигналы. Изучение космического «радиоэха» позволяет измерять расстояние до небесных тел, определять скорость их движения и по характеру отражения радиоволн изучать поверхность космического объекта. Ученые осуществили радиолокацию ближайших планет, Луны и Солнца.

Метод нейтринной астрофизики. Источником энергии Солнца являются термоядерные реакции. В ходе этих реакций рождается нейтрино. Одна из отличительных особенностей нейтрино состоит в том, что эта частица чрезвычайно слабо взаимодействует с веществом. Длина свободного пробега нейтрино в веществе колоссальна. Пронизывая толщу солнечного вещества, они вылетают наружу в космическое пространство, и определенная их часть достигает поверхности Земли. Регистрируя солнечное нейтрино с помощью специальных устройств, (нейтринных телескопов) и вычисляя величину их потока, можно судить о характере физических процессов, протекающих в недрах Солнца.

Методы внеатмосферной астрономии. Внеатмосферное наблюдение – современное направление физики космоса, которое исследует космические объекты при помощи аппаратуры, вынесенной для устранения атмосферных помех за пределы земной атмосферы. Внеатмосферная астрономия дает возможность устранить дрожание изображения в телескопах, вызванное атмосферными неоднородностями, и довести пространственное разрешение оптического телескопа до его теоретически возможного (дифракционного) значения. Современная внеатмосферная астрономия вносит в астрофизику вклад, вполне соизмеримый с вкладами оптической и радиоастрономии.

Методы инфракрасной, ультрафиолетовой, рентгеновской и гамма-астрономии. В целях изучения инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и -излучения созданы ИК-телескопы, УФ-телескопы, рентгеновские и -телескопы. Благодаря установке особой аппаратуры на ракеты и спутники Земли оказалось возможным фиксировать эти виды излучений.

Космические лучи удается наблюдать по следам, оставляемым в специальных ловушках (например, пластинках с ядерной эмульсией). Космические лучи представляют собой элементарные частицы (электроны, протоны, ядра углерода, железа), которые движутся так быстро, что проникают через любые тела, включая Землю в целом.