Файл: Шама Д.В. Современная космология.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.04.2024

Просмотров: 170

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

М Л Е Ч Н Ы Й П У Т Ь

43

если принять, что излучение вызвано синхротроннымн процессами в магнитном поле напряженностью 5 - Ю - 6 Гс. Кроме того, это фоновое радиоизлучение частично ли­ нейно поляризовано, чего можно было бы ожидать при синхротронном механизме. Существование межзвездного

10 г

W

WO

1000'

 

Частота ,МГи,

 

Рис. 20. Спектр радиоизлучения Галактики.

 

магнитного поля

надежно установлено

другими метода­

ми. Гипотеза о синхротронной природе

радиоизлучения

Млечного Пути, таким образом, почти

наверняка пра­

вильна.

 

 

Можно, обратив наши рассуждения, считать радио­ излучение доказательством существования в Галактике электронов космических лучей, поток которых равен в точности наблюдаемому на Земле. Это говорит в пользу гипотезы, согласно которой протоны, наблюдаемые в космических лучах, также заполняют Галактику и поток их везде такой же,, как и наблюдаемый вблизи Земли.

44 Г Л Л В Л 2

Мы не можем проверить эту гипотезу прямыми наблю­ дениями, поскольку из-за большой массы протона его синхротронное излучение оказывается слишком слабым.

Та ж е аналогия между протонами и'электронами за­ ставляет думать, что космические лучи могут заполнять область более обширную, чем галактический диск. Осно­

ванием для этого являются некоторые

указания на

то,

что

радиоизлучение приходит не

только из диска,

но

т а к

ж е из окружающего Галактику

гало

приблизительно

сферической формы размером около 30 кпс. Полагают,

что

это гало

содержит

горячий ионизованный

водород

плотности ~ 1 0 ~ 2 7

г/см3

и температуры ~ 1 0 6

К,

хотя

этот

водород

пока

непосредственно не наблюдали.

Если

галактическое магнитное поле соединяется с магнитным полем гало, то, поскольку электроны движутся вдоль силовых линий, они могли бы попадать из диска в гало и там испускать синхротронное излучение. Вероятно, та­ ким ж е путем протоны и более тяжелые ядра тоже про­ никают в гало. В настоящий момент нет надежно уста­

новленных радиопризнаков

гало, однако

весьма вероят­

но, что физическое гало, т.

е. область,

в которой нахо­

дятся ионизованный газ, магнитное поле и космические лучи, существует. Если напряженность поля и поток электронов там слабее, чем в диске, то соответственно будет труднее обнаружить радиоизлучение гало. Это довольно естественно, но мы сильно нуждаемся в поло­ жительном свидетельстве того, что заметное гало суще­ ствует.

Другой вероятный источник синхротронного излуче­ ния электронов — Крабовидная туманность, поскольку она является радиоисточником, излучение которого ли­

нейно поляризовано.

Интенсивность источника

такова,

что плотность потока

электронов д о л ж н а в нем

быть на­

много больше, чем в среднем в Млечном Пути. Это со­

гласуется с общей

идеей об ускорении космических лу­

чей

в

сверхновых.

Как показали В. Л . Гинзбург и

С.

И.

Сыроватский,

количественно эта гипотеза вполне

приемлема. Д л я Крабовидной туманности эти представ­

ления блестяще подтвердились предположением

И. С.

Шкловского о том, что ее

оптическое излучение

может

т а к ж е иметь синхротронное

происхождение, но создается,


46

Г Л А В Л

2

 

 

 

 

 

 

 

солнечной

и

радиусом

10

км, в р а щ а ю щ а я с я

с

периодом

33 мс, то такие темпы

замедления

вращения

должны

означать,

что нейтронная

звезда

теряет вращательную

энергию со скоростью

103 S эрг/с. Это

очень

важный ре­

зультат,

так

как давно

известно,

что для

объяснения

наблюдаемого современного потока синхротронного из­

лучения

туманности

требуется

подкачка

мощности та­

кого ж е

порядка. В

частности,

электроны

очень высоких

энергий, ответственные за оптическое синхротронное из­ лучение, теряют свою энергию столь быстро, что их эффективное время жизни меньше возраста Крабовидной туманности, так что они не могли быть ускорены во

время

взрыва

сверхновой

в 1054 г. Очень привлека­

тельна

поэтому

гипотеза о

том, что пульсар является

источником, поставляющим

в Крабовидную туманность

необходимую энергию. Можно пойти дальше и предпо­ ложить, что большинство галактических космических лучей ускоряется в пульсарах, связанных с другими остатками сверхновых. Остается, правда, и возможность того, что большая часть космических лучей ускорена во

время самих взрывов

сверхновых.

Р е н т г е н о в с к о е и у -

излучение*)

Разделение на рентгеновские и ѵ л У ч и довольно про­ извольно, но для удобства можно условиться считать границей энергию 100 кэВ. Впервые космическое рент­ геновское излучение (несолнечного происхождения) об-

*) Рентгеновская астрономия развивается столь быстрыми темпами, что сведения, сообщаемые автором, уже устарели. В на­ стоящее время известно больше сотни источников. Большинство информации о них получено с рентгеновского спутника UHURU. Рентгеновский источник (довольно слабый) открыт в ядре нашей Галактики. Фундаментальным фактом является, по-видимому, пере­ менность многих источников. Характерное время вариаций заклю­ чено в чрезвычайно большом диапазоне — от месяцев до милли­ секунд. Особый интерес представляет импульсная переменность («рентгеновские пульсары»), которая может иметь как периодиче­ ский характер, типа пульсара в Крабовидной туманности, так и нерегулярный. Многие из переменных рентгеновских источников яв­ ляются затмешіыми, т. е. входят в состав двойных систем (очень тесных). Вероятно, галактические рентгеновские источники — это объекты типа нейтронных звезд и, может быть, «черных дыр» —


М Л Е Ч Н Ы Й

ПУТЬ 47

н а р у ж и ли в 1962 г. Д ж а к о н и , Гурский, Паолини

и Росси.

В настоящее время надежно известно примерно 50 диск­ ретных источников рентгеновских лучей; большинство

Энергия, изВ

Рис. 22. Энергетический спектр изотропного рентгеновского фоно­ вого излучения.

из них лежит близко к плоскости Галактики. Дв а рент­ геновских источника отождествлены с звездами, по всей

сколлапсировавших объектов, вся масса которых находится под шварцшильдовским радиусом. Несомненно, что в ближайшее время рентгеновская астрономия станет источником важнейшей информа­ ции (в том числе и космологической), сравнимым по значению с

радиоастрономией. —- Прим. перев.

48

Г Л А В А

2

 

 

 

видимости

бывшими

новыми. Крабовидная туманность

т а к ж е

является источником рентгеновских лучей. Осталь­

ные источники, вероятно, тоже галактические, за

исклю­

чением

радиогалактики Дева А *) (гл. 4), квазара

ЗС

273

(гл.

5)

и

нескольких

сейфертовских галактик

(гл.

4).

Дискретные источники накладываются' на общий фон рентгеновского излучения, возможно, внегалактического происхождения. Его энергетический спектр показан на рис. 22. Происхождение фона не известно, но существует несколько интересных предположений из области космо­ логии, о которых мы расскажем в гл. 11 и 16.

Попытки найти космическое ^-излучение были менее успешными. Лишь в конце 1968 г. был получен положи­

тельный результат: как будто бы

мощный поток у-лучей

с энергией 100 МэВ приходит из

центра

нашей

Галак­

тики и ее диска. Происхождение

его не

известно**) .

Нейтрино

 

 

 

Как мы видели в гл. 1, были

предприняты

попытки

зарегистрировать нейтрино от Солнца. Космические ней­

трино

т а к ж е могут существовать:

на

эту

тему

выдвига­

лось

много предположений, но до

сих

пор

нет

наблюде­

ний. Слабое взаимодействие с веществом очень услож­ няет обнаружение нейтрино.

Гравитационные волны

ВГалактике может присутствовать и другой тип

слабо

взаимодействующего

излучения — гравитацион­

ные

волны. Согласно общей

теории относительности

Эйнштейна, при ускорении частицы или при деформации тела излучаются гравитационные волны. Они распрост­ раняются в вакууме со скоростью света и несут инфор­

мацию

об изменении гравитационного поля

источника.

*)

Существование рентгеновского излучения

от

радиогалак­

тики Дева А не было подтверждено дальнейшими

наблюдениями. —

Прим.

перев.

 

 

**) В

последнее время были

обнаружены

и другие объекты;

в частности, импульсы у-нзлучеішя

с периодом

33 мс приходят от

пульсара

в Крабовидной туманности. — Прим. ред.


 

 

 

 

 

 

М Л Е Ч Н Ы Й П У Т Ь

49

Это

предсказание общей

 

теории

относительности

 

 

пока

еще

не

подтверждено

окончательно

экспериментами,

хотя, по-видимому, к такому

ж е результату должна

приво­

дить

любая релятивистская

теория

тяготения. Трудности,

с которыми сталкивается

экспериментатор,

вызваны

 

сла­

бостью гравитационного

взаимодействия.

Д л я примера

укажем, что гравитационная сила притяжения

между

протоном

и электроном

составляет

всего

лишь

 

около

10- 4 0

силы их электростатического

взаимодействия

 

(см.

стр. 167). Чтобы сила гравитации была доступна изме­ рениям, необходимо очень массивное тело, такое, как, например, Земля . Поэтому в лабораторных условиях можно генерировать только очень слабые гравитацион­

ные волны, которые л е ж а т

ниже порога обнаружения

д а ж е самыми

современными

методами.

 

Тогда возникает вопрос: достаточно ли интенсивно

гравитационное

излучение естественного

происхождения",

чтобы

его можно было

обнаружить?

Д о

недавнего вре­

мени

прогнозы

были

не слишком

обнадеживающими .

Однако теперь

стало

ясно,

что многие

типы объектов

во Вселенной могут катастрофически взрываться с вы­ делением колоссальной энергии. В этой книге мы еще познакомимся с несколькими примерами таких грандиоз­ ных взрывов, однако сейчас д л я нас важно то, что они могут дать доступный измерениям поток гравитационных волн.

Эти

соображения

побудили

Д ж . Вебера

посвятить

многие

годы созданию

высокочувствительного

детектора

гравитационных волн.

Типичный

детектор представляет

собой металлическую болванку длиной около метра, подвешенную на проволоке в глубоком вакууме. Упав­ шая на болванку гравитационная волна вызывает в ней колебания, которые регистрируются пьезоэлектриче­ скими кристаллами, прикрепленными к ее поверхности.

Необходимы тщательные

меры предосторожности, что­

бы изолировать болванку

от возмущений негравитациои-

ного характера . Некоторое представление о чувстви­ тельности детектора Вебера дает тот факт, .что детектор

всостоянии зарегистрировать колебания болванки с

амплитудой всего Ю - 1 4 см.

Поскольку одних только

тепловых шумов достаточно,

чтобы вызывать колебания