1.16. Что представляют собой космические лучи?
Космические лучи – это поток стабильных частиц высоких энергий (от одного до триллиона гига-электрон-вольт, что приблизительно в тысячу раз выше энергии частиц, вырабатываемых ускорителями), приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное этими частицами при взаимодействиях с атомными ядрами атмосферы вторичное излучение, в состав которого входят все известные элементарные частицы. Первичное космическое излучение изотропно в пространстве и неизменно во времени; в его состав входят протоны (около 90 процентов), альфа-частицы (около 7 процентов) и другие атомные ядра вплоть до самых тяжелых, а также небольшое количество электронов, позитронов и гамма-квантов. До сих пор источники космического излучения являются неразгаданной тайной. В частности, все еще неясно, имеют ли они исключительно галактическое или также и внегалактическое происхождение. И почему Вселенная пронизана потоками этих частиц. Поскольку основную часть космического излучения составляют заряженные частицы, чувствительные к действию магнитного поля Галактики, а также магнитных полей близких небесных тел, то космические лучи постоянно отклоняются, из-за чего абсолютно невозможно определить направление, откуда они пришли. Принято, однако, считать, что подавляющая часть первичных космических лучей приходит на Землю из Галактики и лишь небольшая их часть связана с активностью Солнца. Космические лучи с энергией выше 108 ГэВ, возможно, приходят из Метагалактики. Наиболее вероятные источники галактических космических лучей – вспышки сверхновых звезд и образующиеся при этом пульсары. Заряженные частицы ускоряются, по-видимому, электромагнитными полями, возникающими в пульсарах или в окружающих их турбулентных плазменных оболочках. Сильные магнитные поля закручивают релятивистские электроны, что вызывает интенсивное синхротронное излучение из областей, где рождаются космические лучи. Ускоренные заряженные частицы рассеиваются межзвездными магнитными полями и достигают Земли в среднем через 20—100 миллионов лет в виде изотропного излучения. Космические лучи – уникальный естественный источник частиц сверхвысоких энергий, позволяющий изучать процессы взаимодействия элементарных частиц и их структуру. Многие элементарные частицы были открыты при исследовании космических лучей. Наряду с этим космические лучи дают возможность обнаруживать и изучать астрофизические процессы, происходящие в глубинах Вселенной. За открытие космических лучей (в 1912 году) австрийский физик В. Ф. Гесс в 1936 году был удостоен Нобелевской премии.
1.17. Как велик возраст Вселенной и на основе каких данных он определен?
В 2003 году с помощью запущенного NASA (Национальным управлением США по аэронавтике и исследованию космического пространства) космического зонда, оснащенного специальной аппаратурой, были проведены измерения температуры фонового микроволнового (реликтового) излучения с точностью до миллионной доли градуса. Результаты этих измерений позволили установить, что возраст Вселенной составляет 13,7 миллиарда лет и что формирование первого поколения звезд началось спустя 200 миллионов лет после Большого взрыва.
1.18. Что такое темная материя и как много ее во Вселенной?
Астрономы способны непосредственно наблюдать только объекты, испускающие электромагнитное излучение, в том числе свет (одно из немногих исключений – нейтрино). Однако значительная часть космического вещества может и сама не излучать света и не освещаться близкой звездой, оставаться совершенно непрозрачной и не отражать никакого излучения (как, например, это происходит с углем). Или, наоборот, быть столь прозрачной, что ее невозможно заметить и при освещении (например, если она состоит из ряда кристаллов, газа или элементарных частиц). В астрономии, а еще чаще в космологии такую материю называют темной. Тем не менее в темной материи происходят некие процессы, поскольку различные формы материи и энергии проявляются во взаимосвязи. Кроме того, масса и гравитационное поле темной материи влияют на движение наблюдаемых небесных объектов – звезд, галактик и их скоплений. Наблюдения сверхновых в далеких галактиках привели астрономов к выводу об ускоренном характере расширения Вселенной, что свидетельствует о наличии в ней также скрытой (темной) энергии. Согласно современным представлениям, видимая (наблюдаемая) материя составляет всего около 4 процентов общей массы Вселенной, а остальная ее масса проявляется в форме темной материи (около 23 процентов) и темной энергии (около 73 процентов).
1.19. Какова структура Вселенной?
Изучение скоплений и сверхскоплений галактик позволяет создать модель Вселенной в большом масштабе, то есть определить, как распределяется материя внутри очень большого пространства. В этом смысле самый значительный результат, полученный космологией за последние 50 лет, заключается в том, что Вселенная, похоже, состоит из больших полых пузырей, пересекающихся друг с другом, в результате чего они напоминают губку. В таком контексте скопления и сверхскопления галактик распределяются по стенкам пузырей, образуя волокнистые структуры длиной в десятки миллионов световых лет. Эти пузыри представляют собой полости, содержащие темную материю. Изучение динамики движения галактик (их взаимного удаления, вызванного расширением Вселенной) показало, что в направлении созвездия Стрельца, видимо, существует огромная концентрация материи, так называемая великая точка притяжения, которая своей гравитацией притягивает даже Местное сверхскопление галактик.
1.20. Что представляют собой вспышки гамма-излучения в космосе и как велика их энергия?
Космические вспышки гамма-излучения – это бурные взрывы, ежедневно происходящие в небе. Они в течение нескольких секунд высвобождают огромное количество электромагнитного излучения высокой энергии – гамма-лучей. Вспышки эти происходят совершенно неупорядоченно, предсказать время и место очередной вспышки гамма-излучения невозможно. Наиболее вероятными из возможных источников вспышек гамма-излучения считают либо взрывы очень крупных звезд (так называемых сверхновых), либо слияние двух нейтронных звезд или черной дыры и нейтронной звезды. Равномерность распределения источников вспышек гамма-излучения по небесной поверхности приводит к выводу, что они находятся в галактиках, расположенных на космологических расстояниях, то есть на расстояниях в несколько миллиардов световых лет (если бы вспышки порождались звездами Млечного Пути, они чаще проявлялись бы на галактическом диске, где звезды сконцентрированы интенсивнее). Если вспышки гамма-излучения действительно происходят на таких расстояниях, то энергия, испускаемая источником вспышки за время от нескольких секунд до пары минут, сравнима с энергией, излучаемой 100 звездами вроде Солнца в течение 10 миллиардов лет.
1.21. В чем состоит значение нейтрино с точки зрения астрофизики?
Нейтрино – это элементарные частицы, не имеющие электрического заряда. В 1931 году швейцарский физик Вольфганг Паули высказал предположение об их существовании, а экспериментально оно было доказано в 1956 году. Долгое время считалось, что нейтрино имеют нулевую массу покоя, однако результаты последних исследований показали, что масса нейтрино, видимо, отлична от нуля, хотя и очень мала (меньше 1/25 000 массы электрона). С точки зрения астрофизики нейтрино имеют огромное значение. Они во множестве возникают во время ядерных реакций, идущих в звездах, а потому представляют собой уникальный сверхбыстрый вид «транспорта», способный донести к Земле прямую информацию из ядра Солнца. Нейтрино всегда образуются и во время взрыва сверхновой. В космологии считается, что из нейтрино (если их масса не равна нулю) могут состоять целые участки темной материи. С Земли можно обнаружить только те нейтрино, которые образованы в Солнце. Единственный случай обнаружения другого источника нейтрино имел место во время взрыва сверхновой 1987А в Большом Магеллановом Облаке.
1.22. Что характеризует звездная величина?
Звездной величиной называют физическую единицу измерения светимости небесных объектов. Первую попытку классифицировать (занести в каталог) звезды на основании их светимости предпринял греческий астроном Гиппарх Никейский во II веке до нашей эры. Его работу продолжил во II веке нашей эры Клавдий Птолемей. Они разделили звезды на 6 классов. Самые яркие назвали звездами 1-й звездной величины, а 6-ю звездную величину присвоили звездам, еле видимым невооруженным глазом. Приблизительность в делении звезд на классы светимости была преодолена в середине XIX века английским астрономом Норманом Погсоном. Заметив, что разница в светимости между соседними классами составляет примерно 2,5 раза (например, звезда 3-й звездной величины приблизительно в 2,5 раза ярче звезды 4-й звездной величины), а между звездами 1-й и 6-й звездной величины, которые различаются на 5 звездных величин, существует соотношение светимостей 100: 1, Погсон установил шкалу звездных величин, по которой соотношение между соседними классами составляет 2,512: 1 (2,512 является корнем пятой степени из 100). Таким образом, была сохранена прежняя классификация, получившая при этом математическое обоснование. Со временем аппаратура стала совершеннее и появилась возможность измерять светимость звезд более точно: до десятых, а затем и сотых долей звездной величины. У ярких звезд звездная величина составляет, например: для Денеба 1,25; Альдебарана 0,85; Веги 0,04. По этой шкале у самых ярких звезд звездная величина имеет отрицательное значение: Сириус -1,46; Канопус -0,72; Арктур -0,04. Термином «звездная величина» обозначают также светимость таких диффузных объектов, как туманности и галактики (в этом случае «звездная величина» берется в целом для всей поверхности объекта).
