Заглядывая в дали Вселенной

В наши дни астрономия переживает период бурного развития. Особенно успешно развивается один из ее разделов- астрофизика, изучающая физические явления, происходящие в космосе, в небесных телах и в их системах.

На длинном пути истории астрономии тематика ее исследований не раз претерпевала изменения. Так, лет двести тому назад изучение тел Солнечной системы - в первую очередь планет и комет - было отодвинуто на второй план бурно развивающейся звездной астрономией.

В настоящее время особое внимание ученых направлено на галактики, скопления галактик, квазары (сверхзвезды или квазизвезды), а также на пространство и время как объект астрофизического изучения. Большой интерес для ученых представляют ядра галактик - астрофизические объекты нового типа. Догадка о существовании таких объектов возникла в итоге накопления различных наблюдений и открытий.

Раньше представлялось, что галактики - это застывшие, неизменяющиеся образования, единственным активным элементом которых являются звезды. В 1963 г. этот взгляд был опровергнут. Важнейшим моментом в признании ядер галактик полноценными астрономическими объектами было открытие квазаров. Ученые были поражены огромностью энергетических ресурсов этих "маяков Вселенной". Свет квазаров через века доходит до нас с поистине фантастических расстояний.

Крупный вклад в астрофизику внесли ученые Бюраканской астрофизической обсерватории, руководимой академиком В. А. Амбарцумяном, основоположником научной теории звездообразования. Заместитель директора этой обсерватории, доктор физико-математических наук Л. В. Мирзоян, которому принадлежат важные исследования, в частности установление активности и других ранее неизвестных свойств ядер галактик, рассказывает:

"Открытие нового типа звездных систем - звездных ассоциаций, динамически неустойчивых и объединяющих недавно возникшие молодые звезды, имеет важное значение для решения принципиальных вопросов, связанных с происхождением и развитием звезд и звездных систем. В противоположность господствовавшему в науке представлению об одновременном формировании всех звезд в галактике в отдаленном прошлом было твердо установлено, что процесс звездообразования продолжается и в наше время, что звезды рождаются группами в звездных ассоциациях. Дальнейшие работы показали, что нестационарные явления гораздо больших масштабов происходят в мире галактик - в огромных звездных системах типа Млечного Пути.

Огромный научный интерес представляет активность ядер галактик, сопровождаемая колоссальным выделением энергии - радиовспышки, взрывы, которые вызывают выбросы струй и целых компактных галактик. Оказалось, что ни звезды, ни диффузное вещество, содержащееся в ядрах галактик, не могут стать причиной этих форм активности ядер. Значит, в ядрах существуют весьма массивные тела пока неизвестной природы, которые обладают чрезвычайно высокой плотностью и огромной энергией. Многочисленные наблюдения, проведенные с помощью крупнейших в мире телескопов, полностью подтвердили выводы о космогонической активности ядер галактик и об их необычных свойствах".

Как безгранична Вселенная, так и бесконечен процесс ее познания. И тем не менее есть наука, которая пытается это сделать, - космология. Она занимается изучением всей необъятной Вселенной как целого в отличие от исследования только планет, Солнца и звезд.

Академик Я. Б. Зельдович в статье "Вселенная была горячей", опубликованной в газете "Известия" 1 апреля 1967 г., отмечал:

"Безусловно, космология является наукой, которая самым тесным образом связана с общим мировоззрением человека. Огромное значение имеет самый факт естественнонаучного рассмотрения проблемы Вселенной... Задача космологии - понять, какие физические явления происходят во Вселенной и каким законам они подчиняются.

Ранний этап космологии характеризовался тем, что внимание было сосредоточено на геометрии и механике мира, в котором основную роль играют силы тяготения. Важнейший результат этого периода исследований заключается в том, что вещество не может находиться в состоянии покоя. Наблюдения показывают, что мы переживаем эпоху "расширения": объекты, лежащие далеко за пределами нашей Галактики, т. е. того местного скопления звезд, к которому принадлежит Солнце, удаляются от нас. Об этом можно судить по "красному" смещению линий их спектров".

Теория "горячей" Вселенной легко объясняет загадочные радиошумы в космосе, обнаруженные в 1965 г. В далеком прошлом при высокой температуре все пространство Вселенной было пронизано мощными потоками излучения. В ходе "расширения" длина волн этого излучения растет - они как бы растягиваются и превращаются в радиошумы.

На основе этих представлений была описана вероятная последовательность отдельных стадий эволюции на всем этапе "расширения", начиная с момента гигантских плотностей и температур. В начале этого этапа во Вселенной не' было ни звезд, ни галактик, была лишь однородная горячая плазма, состоящая из излучения электронов, позитронов и других элементарных частиц.

Законы физики позволяют рассчитать ход превращений. Так, через секунду после начала "расширения", утверждают ученые, общая плотность вещества достигла полтонны на кубический сантиметр, температура была 1013 градусов. В это время атомных ядер еще не было, на каждые пять протонов приходился один нейтрон. За последующие 100 с плотность снизилась до 50 г/см3, упала и температура. На этой стадии в ходе ядерных реакций нейтроны соединились с протонами и дали ядра гелия. Более тяжелые элементы должны были образоваться позднее за счет ядерных реакций в звездах.

На протяжении сотен тысяч лет, пока температура во Вселенной была выше 4000°, протоны и электроны не соединялись в атомы. По-видимому, с того момента, когда водород стал нейтральным, началось формирование облаков, которое заняло много времени. Первые облака превращались в гигантские звезды, ярко вспыхивающие и снова нагревающие газ. Лишь после этого из горячего, но уже гораздо менее плотного газа образовались "обычные" галактики и звезды типа тех, что окружают нас в настоящее время. Рождение звезд в нашей Галактике продолжается и теперь.

Описанная схема с двумя этапами звездообразования, которую развивают Я. Б. Зельдович, А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков, согласуется с данными радиоастрономии.

Вполне вероятно, что лишь меньшая доля горячего газа превратилась в звезды и галактики, а большая его часть и по сей день заполняет все огромное пространство между галактиками. Исследование межгалактического газа имеет принципиально важное значение. От величины его плотности зависит дальнейший ход эволюции Вселенной. Если плотность газа достаточно велика (больше 10 протонов на кубический метр), то силы тяготения смогут остановить наблюдаемое в настояще время "расширение", и еще через один или два десятка миллиардов лет начнется "сжатие". И тогда астрономы будут наблюдать не "красное", как теперь, а "синее" смещение в спектрах.

Открытие реликтового излучения показало, что гипотеза расширяющейся Вселенной, выдвинутая еще в 20-е гг., получила наконец наглядное экспериментальное доказательство.

Существует и другая теория Вселенной, допускающая непрерывное рождение вещества в каждой ее точке. По этой модели Вселенная не расширяется, она стационарна. Убыль гравитационной энергии за счет расширения все время пополняется рождением новых частиц, и Вселенная все время остается в одном и том же состоянии. Эта теория наиболее живуча и конкурентоспособна, чем теория относительности Эйнштейна.

В 1975 г. в журнале "Знание - сила" № 8 была опубликована гипотеза В. С. и Б. В. Богословских о пятом состоянии вещества апейроне (по специальному разрешению авторы гипотезы сдали ее теоретические обоснования на хранение в Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР еще в 1961 г.).

"Согласно теории, на которую мы опираемся, - пишут они, - звезды образуются путем сгущения холодных масс вещества. При этом масса зародышевых образований - глобул - постепенно сжимается под воздействием сил тяготения. Давление нарастает, и вещество под сравнительно тонкой корой теряет привычные нам свойства. Так, уже при давлениях свыше 105 ат полупроводник теллур становится проводником, а, скажем, водород и метан приобретают свойства металлов. Это доказано экспериментально. При более высоких давлениях, порядка 10⁹-10¹⁸ ат, атомы всех элементов "раздавливаются", электроны отрываются от ядра, энергетические поля перекрываются, вещество образует лишенную химизма смесь ядер, протонов, электронов и других элементарных частиц. При еще большем повышении давления внутриатомная структура преобразуется сильней, и материя переходит в нейтральное, а затем в гиперонное состояние!

Но эти два состояния - случай не столь уж типичный во Вселенной. Зато обычным и неизбежным при формировании звезд оказывается то состояние вещества, которое возникает при давлении 10⁹-10¹⁸ ат. Такое вещество мы назвали апейроном. По нашему мнению, апейрон играет исключительную, до сих пор неоцененную роль в эволюции звезд и планет. Именно из апейрона состоят ядра подавляющего большинства небесных тел. Наша Земля также имеет ядро из апейрона".

Большой интерес для науки представляет проблема квазаров. Слово "квазар" в переводе с английского - радиоисточник, похожий на звезду. Оно впервые появилось в лексиконе астрономов и астрофизиков несколько лет назад. Квазары оказались настоящим клубком загадок.

На фотопластинах квазары выглядят как слабенькие звездочки. Однако светимость каждой такой "звездочки" выше, чем у всех ста миллиардов звезд галактики Млечного Пути. Тусклыми квазары кажутся потому, что их отделяют от нас громадные расстояния межгалактического пространства.

С точки зрения астрономов, гораздо более удивительно то, что интенсивность блеска квазаров меняется в течение месяцев и даже дней. Это означает, что квазар - не скопление многих звезд, как наша Галактика, а какая-то одна довольно компактная сверхзвезда: миллиарды звезд не могли бы мерцать одновременно. Следовательно, квазар должен обладать гигантской массой, в миллиарды раз больше солнечной.

Между тем из обшей теории относительности вытекает, что звезды с массой больше солнечной всего в 100 раз не могут существовать длительно. Они должны начать катастрофически сжиматься - "схлопываться". При этом гравитационное поле звезды становится столь мощным, что из его "объятий" не может вырваться наружу никакое излучение. Звезда гаснет и становится своеобразной "гравитационной могилой", абсолютно невидимой с Земли. А квазары светят. Объект размером всего в несколько раз больше звезды средней величины излучает, как сто миллиардов солнц. Открытие сверхзвезд, природа которых еще не ясна, было признано самым крупным научным событием 1963 г.

Мощное излучение квазаров пытались объяснить взаимодействием вещества и антивещества. Существуют и другие гипотезы на этот счет. Благодаря квазарам был найден способ обнаружения межгалактического нейтрального водорода по поглощению им света в слое, расположенном между квазаром и наблюдателем. Оказалось, что плотность такого водорода, по крайней мере, в миллион раз меньше критической. Нейтральный водород находят и по поглощению радиоволн. И в этом случае плотность его мала.

Еще в 1932 г., сразу после открытия нейтрона, Л. Д. Ландау предсказал существование нейтронного состояния вещества. Значительным событием в астрономии стало открытие в 1968 г. так называемых пульсаров - объектов, испускающих импульсные радио-, световое и рентгеновское излучения.

Пульсары - звезды, вещество которых состоит из нейтронов и сжато до ядерной плотности 1014 г/см³ (если до такой плотности сжать Землю, она будет иметь диаметр 0,5 км). Пульсар, или нейтронную звезду, некоторые ученые рассматривают как гигантское атомное ядро, с тем единственным, но существенным отличием, что нейтронная звезда сдерживается скорее гравитационными силами, чем ядерными. Большая часть электронов нейтронной звезды втиснута в протоны, так что протоны превращаются в нейтроны.

Пульсары, - самые маленькие по размерам и самые плотные звезды в Галактике. Вместе с тем они обладают самым сильным магнитным полем (10¹¹-10¹⁴ э). Почему оно так велико? Ведь у Солнца оно составляет примерно 1 э, а на поверхности более массивных звезд - примерно 100-1000 э. На этот вопрос отвечает академик Б. Б. Кадомцев:

"Причина в следующем: нейтронная звезда имеет радиус примерно в 100 тысяч раз меньший, чем обычные звезды. Известно, что магнитное поле пропорционально числу силовых линий, пронизывающих единицу поверхности. Следовательно, при сжатии звезды магнитное поле растет обратно пропорционально квадрату радиуса звезды. Итак, уменьшение размеров звезды в 10⁵ раз при образовании пульсара приводит к росту магнитного поля в 10¹⁰ раз. Отсюда и возникают столь большие поля...

Сверхсильное магнитное поле должно существенно влиять на строение атомов и молекул, это должно сказаться и на свойствах поверхности нейтронной звезды - самой внешней ее корочки. Прежде всего из-за существенного увеличения энергии связи атомов, молекул и сил сцепления в твердом теле поверхностный слой не обязательно должен представлять собой горячую плазму, как в обычных звездах. Это может быть "горячий нейтральный газ" или даже твердая кора. Соответственно изменяются условия для втягивания электронов и ионов с поверхности пульсаров внешними электрическими полями, что может повлиять на процессы образования горячей атмосферы пульсара, излучающей принимаемые на Земле радиоволны. Изменяется и спектр излучения самой нейтронной звезды".

Б. Б. Кадомцев научно обосновывает положение, что в сверхсильном магнитном поле твердое тело должно быть полимером.

Астрофизики теоретически предсказали существование самых необычных объектов Вселенной - "черных дыр" - схлопнувшихся звезд. Они настолько плотны, что их гравитация не выпускает наружу излучения. Диаметр Солнца примерно в 70 тыс. раз больше диаметра нейтронной звезды. Расчеты показывают, что если нейтронная звезда сожмется всего лишь на треть своего диаметра, то она должна стать "черной дырой". Пока "черные дыры" - объекты теоретических выкладок, но ученые надеются их обнаружить. Гигантская масса "черной дыры" должна притягивать вещество из окружающего пространства. Прежде чем исчезнуть в гравитационной могиле, оно ярко вспыхнет, подобно метеорам, входящим в земную атмосферу.

В конце 1975 г. в СССР вступил в действие самый большой на планете радиотелескоп "Ратан". Главное зеркало телескопа весит 42 т, диаметр его 6 м. Телескоп обладает несравненными преимуществами перед державшим пальму первенства с 1948 г. американским телескопом на горе Паломар с диаметром зеркала 5 м. С помощью уникального телескопа ученые Специальной астрофизической обсерватории АН СССР уже получили серию снимков Вселенной.

Создан уникальный комплекс аппаратуры "МАНИЯ" (многоканальных наносекундных измерений яркости) для поиска "черных дыр". Если зафиксированная с помощью этого комплекса яркость меняется сравнительно медленно, значит, в объективе обычная звезда. Если же частота колебаний измеряется нано- или микросекундами, это может означать, что в объективе "черная дыра", хотя, по современным представлениям, ее увидеть нельзя, так как чудовищная гравитация тела, размеры которого не превышают 10 км, а масса сравнима с солнечной, не позволяет вырваться из этой западни ни одному лучу света или электромагнитному колебанию. Всякая порция вещества, вовлеченная в гравитационную воронку, прибавит ей массы, но светимость по-прежнему останется нулевой. И все же расчеты показывают, что окрестности "черной дыры" могут оказаться видимыми. Поиск продолжается.

Как рождаются галактики и звезды, откуда они берут энергию, как развивается Вселенная и что было с ней на ранних этапах ее развития? Все это проблемы динамической эволюционной картины Вселенной.

"Проблема динамики Вселенной, - рассказывает доктор физико-математических наук М. Н. Смородский, - органически связана с глубоким познанием микрофизики - физики элементарных частиц. Изучение ранней истории Вселенной требует глубокого понимания процессов с элементарными частицами, потому что при больших плотностях уже нет атомов и, наверное, нет ядер. Знание процессов, которые происходят при очень высоких плотностях материи, превосходящих даже ядерные плотности, уже совершенно невозможно без понимания природы элементарных частиц.

Астрофизика требует знания законов микромира, физика элементарных частиц требует, в свою очередь, хорошего понимания гравитационных взаимодействий, чтобы узнать, что происходило в те далекие времена, .когда элементарные частицы только возникли то ли вместе с галактиками, то ли раньше галактик. Главная задача, стоящая перед обеими этими науками, - понять, что представляют собой огромные источники энергии во Вселенной и какую роль в ее динамике играют или играли элементарные частицы".

Некоторые физики ставят под сомнение гипотезу о термоядерной природе светимости Солнца и других звезд, считая ее несостоятельной при объяснении большинства проявлений солнечной активности и взрывов в ядрах галактик, в квазарах и в масштабах Вселенной.

Они полагают, что в природе должны существовать иные виды энергии, несравненно более интенсивные, чем термоядерная, проявляющиеся в космических масштабах, и что такая энергия таится в вакууме.

Излагая гипотезу о природе звездной энергии с позиций теории квантовой гравитации, родившейся на стыке физики, математики и космологии, старший научный сотрудник Института ядерных исследований АН СССР В. Г. Лапчинский в статье "Энергия из... вакуума", напечатанной в "Неделе" - приложении к газете "Известия" - 22 августа 1976 г., пишет:

"Вот представление о вакууме, возникшее в одном из современных разделов физики: вакуум - это сверхплотная среда с очень богатыми физическими свойствами, а наблюдаемая материя - всего лишь разреженное состояние этой среды. Иными словами, материя - это пустота по сравнению со сверхплотным вакуумом. Это новое представление о вакууме органически связано с теорией относительности и квантовой теорией материи...

Во всех процессах, связанных с человеческой деятельностью, во многих доступных нашему наблюдению космических явлениях энергия наблюдаемой материи не достигает даже малой доли энергии, сравнимой с собственной энергией вакуума. Именно поэтому вакуум никогда не возбуждается (не происходит его раскомпенсация) и остается для нас абсолютно инертной "пустотой". Чтобы возбудить вакуум, нужно сжать наблюдаемую мате- . рию до огромных плотностей или, что эквивалентно, построить ускоритель во много миллиардов раз мощнее Серпуховского. Однако в природе существует множество "лабораторий", в которых необходимые энергии достигаются очень легко. Эти "лаборатории" - коллапсирующая Вселенная - объекты, сжимающиеся собственными гравитационными силами.

Исследование коллапса Вселенной в рамках квантовой теории гравитации привело к наиболее яркому теоретическому открытию последних лет - эффектам рождения частиц из вакуума в таком количестве, которое способно остановить сжатие Вселенной около состояния с бесконечной плотностью материи и обратить сжатие в расширение. Другими словами, причиной и источником самого мощного взрыва во Вселенной - взрыва самой Вселенной - является энергия вакуума.

...Если выводы теории квантовой гравитации о структуре вакуума найдут дальнейшее подтверждение, тогда вся Вселенная предстанет перед нами как единый самосогласованный механизм. Взорвавшаяся Вселенная расширяется до тех пор, пока кинетическая энергия освобожденной материи не уравновешивается гравитационными силами. В процессе расширения объем Вселенной увеличивается, а следовательно, увеличивается вероятность освобождения вакуумной энергии в наблюдаемую. Преобладают процессы рождения галактик и последующего их рассеяния в пространстве. Мы живем в эпоху расширения Вселенной, поэтому являемся свидетелями многочисленных взрывных явлений во Вселенной.

Когда Вселенная расширяется до максимальных размеров, гравитационные силы стягивают Вселенную, уменьшая ее объем. В эту эпоху преобладает процесс растворения звезд в вакууме в результате их коллапса. Коллапсирующие звезды исчезают в вакууме одна за другой, но гравитационное поле их остается, что приводит к еще более быстрому сжатию Вселенной до плотности, при "которой вакуум возбуждается глобально, и происходит новый большой взрыв Вселенной. Начинается новый цикл расширения".

Космология, как никакая другая наука, укрепляет в нас веру в силу человеческого разума, в объективность познания. Вся ее история тесно связана с проверкой двух предположений. Первое относится к пространственной однородности Вселенной, одинаковости ситуаций в различных ее частях, отрицанию "островной" гипотезы мира, окруженного пустотой, идеи о каком-то особом, центральном положении нашей Земли и Солнца или нашей Галактики. Второе предположение соединяется с отрицанием неизменности Вселенной во времени, утверждением идеи эволюции Вселенной в целом.

Изучение возникновения и последующего "расширения" вещества в сверхплотном состоянии может привести к открытию новых законов природы. Необычайно расширился ' круг исследований. Наряду с чисто геометрическими и механическими вопросами "расширения" исследуются и ядерные реакции, и нейтрино, и спектры электромагнитного излучения в космосе. Такая широта подхода служит залогом будущих больших открытий.

Закономерность в энергетическом спектре космических лучей

Космические лучи приходят на Землю из глубин Вселенной и состоят преимущественно из ядер легких и тяжелых элементов (протонов, альфа-частиц и т. д.). Согласно современным представлениям космические лучи возникают в результате ускорения заряженных частиц в активных космических объектах. Такими объектами являются сверхновые звезды, ядра галактики пульсары,так как именно они обладают энергией, достаточной для рождения космических лучей и сверхвысоких энергий.

Исследование космических частиц сверхвысокой энергии представляет большой интерес, так как даже самый факт существования таких частиц является одной из наиболее интересных загадок природы. До сих пор физики и астрофизики решают вопрос о механизмах их ускорения.

Десятки, если не сотни ядерных превращений происходят с космическими "скитальцами", прежде чем они достигают земной поверхности. Выйдя из области эффективного ускорения, космические лучи попадают в межзвездное, а затем в межгалактическое пространство, в котором они испытывают влияние регулярных и хаотических магнитных полей и взаимодействуют с межзвездным веществом и реликтовым электромагнитным излучением, возникшим на ранней стадии эволюции Вселенной.

Химический состав, распределение по энергиям и направление космических частиц в значительной степени зависят от свойств той среды, в которой они распространяются. Космические лучи не только несут информацию о свойствах источников, в которых они возникают, но и являются эффективным зондом межзвездного и межгалактического пространства.

Попадая в атмосферу Земли, космическая частица сверхвысокой энергии взаимодействует с атомами воздуха и создает в результате ядерно-каскадного процесса мощный поток вторичных элементарных частиц. Этот поток коррелированных частиц называется широким атмосферным ливнем. На уровне моря он имеет большое число частиц - оно измеряется сотнями тысяч и даже десятками миллиардов, в зависимости от энергии частицы, и достигает больших поперечных размеров (до 1 км и выше). Поток состоит из электронов, мюонов и ядерно-активных частиц. Благодаря большим поперечным размерам таких потоков существенно возрастает область регистрации каждой космической частицы сверхвысокой энергии. Экспериментальные данные о широких атмосферных ливнях - единственный источник наших сведений о первичном космическом излучении сверхвысоких энергий.

Особенно большой прогресс в исследовании частиц сверхвысоких энергий был достигнут тогда, когда были созданы установки, дающие детальные сведения об индивидуальном ливне. В Советском Союзе такая установка на уровне моря была создана в конце 50-х гг. в МГУ по инициативе академика С. Н. Вернова и профессора Г. Б. Христиансена. Эта установка называется комплексной установкой для исследования широких атмосферных ливней, так как на ней детально исследуется каждый ливень - определяется число электронов и мюонов, их пространственное расхождение и т. д. Установка располагает уникальными по масштабу площадями детекторов с большим разнообразием функций.

На территории МГУ стоит здание специальной конструкции, крыша которого выполнена в виде блестящих полуцилиндров из тонкого дюралюминия. Они "прозрачны" для космических лучей. Здесь расположена центральная часть комплексной установки для изучения частиц сверхвысокой энергии, приходящих из космоса. Остальные части установки находятся в 50 фургонах - походных лабораториях, расположенных на территории около 100 тыс. м². Свыше 5 тыс. датчиков на поверхности Земли и 2 тыс. на глубине 25 м регистрируют коррелированные потоки частиц, создаваемые в атмосфере частицами сверхвысокой энергии. Установка работает круглые сутки в течение многих месяцев в году. Поток частиц сверхвысокой энергии чрезвычайно мал - в неделю на площадь 1 м² падает одна частица с энергией более 10¹⁵эВ.

На установке были проведены прецизионные исследования спектров ливней по числу электронов и мюонов. Было установлено; что оба спектра резко изменяют свою форму. Анализ спектров, а также различных компонент широких атмосферных ливней позволил получить фундаментальный результат: для объяснения экспериментальных данных требуется принять предположение о резком изменении энергетического спектра первичных космических лучей. Если энергетический спектр описывать функцией степени, то показатель степени должен претерпевать резкое увеличение в сравнительно узком интервале энергии.

Этот результат привлек большое внимание и был подтвержден рядом работ, выполненных в лабораториях разных стран. До этого долгое время считалось, что энергетический спектр космических лучей, т. е. их распределение по энергиям, описывается степенным законом с постоянным показателем.

Открытие ранее неизвестной закономерности в энергетическом спектре космических лучей сделано коллективом ученых МГУ в составе академика С. Н. Вернова, профессора Г. Б. Христиансена, кандидатов физико-математических наук Г. В. Куликова, В. И. Соловьевой, А. Т. Абросимова и Б. А. Хренова. Оно привело к появлению ряда новых аспектов в теории происхождения космических лучей.

По предлагаемой авторами диффузианной модели распространения космических лучей, они образуются в нашей Галактике, и коэффициент диффузии растет с увеличением энергии частицы. Этот коэффициент зависит от характеристик межзвездного пространства - величины магнитного поля, размеров облаков ионизированного газа и др. Рассматривались и другие возможности. Предполагалось, что изменение энергетического спектра вызвано взаимодействием космических лучей с универсальным тепловым излучением на ранних стадиях развития Вселенной. В этом случае наблюдаемое изменение формы первичного спектра объясняется взаимодействием космических лучей с реликтовым излучением на ранних стадиях эволюции Метагалактики и, таким образом, тесно связано с космологической проблемой - эволюцией Вселенной.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 84 с приоритетом от 22 апреля 1958 г. Формула его такова:

"Экспериментально установлена неизвестная ранее закономерность в энергетическом спектре космических лучей (до энергий ∼ 10¹⁷ эВ), состоящая в том, что похазатель степени у интегрального спектра при энергиях ≤ 2•10¹⁵ эВ, равный 1,7, при больших энергиях увеличивается до значения γ=2,3".

С каждым годом наука обогащается новыми данными в исследованиях космоса. Так, например, приборы "Интеркосмоса-6" были предназначены для изучения высокоэнергичных частиц космических лучей и явлений, происходящих при их взаимодействии с ядрами фотоэмульсии, стопка которой входила в состав бортовой аппаратуры. Этот спутник предусматривал возможность возвращения с орбиты на Землю и доставки (помимо переданной по радиоканалу телеметрической информации) непосредственных экспериментальных материалов из космоса. Герметический контейнер с ядерной фотоэмульсией, рентгеновские пленки и фотоматериалы запечатлели следы ядерных взаимодействий. Их изучают ныне уяе-ные всех стран - участниц программы "Интеркосмос".

Явление линейной поляризации космического радиоизлучения

Кандидат физико-математических наук В. А. Разин (Научно-исследовательский радиофизический институт при Горьковском государственном университете имени Н. И. Лобачевского) обнаружил ранее неизвестное явление частичной линейной поляризации распределенного космического радиоизлучения. Впервые получено экспериментальное подтверждение гипотезы о том, что нетепловое космическое радиоизлучение есть излучение релятивистских (т. е. движущихся с огромными скоростями, близкими к скорости света) электронов в межзвездных магнитных полях.

Наблюдения поляризации внеземного радиоизлучения имеют исключительно большое значение при исследовании физических процессов в Галактике и за ее пределами. Данные о поляризации радиоизлучения необходимы прежде всего для выяснения механизмов генерации радиоволн в космических условиях. Именно в результате исследований линейной поляризации и частотных спектров было установлено, что радиоизлучение Галактики и многих дискретных источников в основном обусловлено так называемым синхротронным механизмом, т. е. релятивистскими электронами, движущимися в магнитных полях.

Обнаружение явления линейной поляризации распределенного космического радиоизлучения уже само по себе имеет принципиальное значение для выяснения физических условий в галактическом межзвездном пространстве, так как непосредственно доказывает существование там магнитного поля и релятивистских электронов. Это одно из крупнейших достижений радиоастрономии. С открытием поляризации представления о синхротронной природе нетеплового космического радиоизлучения получили экспериментальное подтверждение.

Измерение поляризации космического радиоизлучения относится к числу исключительно тонких и сложных радиоастрономических экспериментов. С помощью такого эксперимента представилась возможность наблюдать это явление на метровых волнах. Измерение линейной поляризации космического радиоизлучения позволяет построить модель галактического магнитного поля и определить среднюю концентрацию и распределение ионизированного межзвездного газа вблизи галактической плоскости.

Голландский астроном Ян Оорт в докладе на XII съезде Международного астрономического союза в Гамбурге (1964 г.) так охарактеризовал значение исследований поляризации космического радиоизлучения: "Можно надеяться... что весьма ценная информация о структуре и интенсивности галактических магнитных полей будет в конце концов получена из наблюдений поляризации и фарадеевского вращения на разных частотах. Такие наблюдения теперь успешно проводятся в нескольких обсерваториях. Они становятся одним из наиболее важных направлений исследования структуры галактической системы".

Исследования линейной поляризации распределенного космического радиоизлучения в настоящее время весьма интенсивно ведутся в СССР, Нидерландах, Австралии, Великобритании и США, главным образом с целью изучения структуры галактического магнитного поля и распределения ионизированного межзвездного газа.

В последние годы наблюдения поляризации галактического радиоизлучения стали одним из основных методов исследования магнитного поля, ионизированного газа и космических электронов в межзвездном пространстве. "Дело в том, - рассказывает автор открытия, - что направление преимущественных колебаний электрического вектора в областях, где возникает излучение, перпендикулярно направлению силовых линий межзвездного магнитного поля, поэтому, снимая карты распределения поляризованного радиоизлучения по небосводу, можно получить информацию о структуре галактического магнитного поля. Далее, при распространении радиоволн в космическом пространстве их плоскости поляризации поворачиваются (эффект Фарадея). Величина фарадеевского вращения тем больше, чем выше концентрация ионизированного газа и чем меньше частота радиоволн. Это приводит к тому, что степень поляризации радиоизлучения уменьшается с понижением частоты. Определяя частотную зависимость степени и направления поляризации галактического радиоизлучения, можно получить данные о магнитном поле и среде в источниках радиоволн и в тех областях пространства, через которые проходит радиоизлучение. Наконец, без исследований поляризации нельзя получить точные данные о частотном спектре космического радиоизлучения, имеющие первостепенное значение для определения энергетического спектра релятивистских электронов и выяснения характера их пространственного распределения и движения в межзвездном пространстве".

В настоящее время исследования поляризации галактического радиоизлучения систематически проводятся во многих радиоастрономических обсерваториях мира. Эти исследования позволили значительно продвинуться вперед в понимании природы галактического радиоизлучения, в изучении строения Галактики, структуры ее магнитного поля, распределения ионизированного газа, энергетического спектрй космических электронов в межзвездном пространстве.

В научно-исследовательском радиофизическом институте при Горьковском государственном университете имени Н. И. Лобачевского разработан комплекс высокочувствительной аппаратуры для исследований спектра и распределения линейно поляризованного галактического радиоизлучения в диапазоне волн длиной 24-150 см. На восьми длинах волн получены новые данные о физических условиях в межзвездном пространстве. Планом работы института предусмотрено проведение дальнейших исследований поляризации галактического радиоизлучения с высокой точностью в широком диапазоне частот.

Поляризационные исследования небесной сферы, выполненные с высоким разрешением и чувствительностью в возможно более широком диапазоне длин волн, несомненно, дадут ценнейшую информацию о космическом пространстве.

Открытие В. А. Разина зарегистрировано под № 26 с приоритетом от июня 1956 г. Автору выдан диплом со следующей формулой открытия:

"Обнаружена частичная линейная поляризация распределенного нетеплового космического радиоизлучения, обусловленного движущимися в межзвездных магнитных полях релятивистскими электронами".

Радиолинии возбужденного водорода

В проблему познания окружающего нас космического пространства входят исследования физики атома водорода - самого распространенного химического элемента Вселенной, который в космических условиях обладает свойством излучать радиолинии.

Коллектив исследователей трех научных организаций - доктора физико-математических наук Р. Л. Сороченко и Э. В. Бородзич (Физический институт имени П. Н. Лебедева АН СССР), кандидаты физико-математических наук 3. В. Дравских и А. Ф. Дравских (Главная астрономическая обсерватория АН СССР) и доктор физико-математических наук Н. С. Кардашев (Государственный астрономический институт имени П. К. Штернберга) - открыл ранее неизвестное явление существования в радиоспектрах эмиссионных туманностей радиолиний водорода, обусловленных квантовыми переходами типа n->n-1 при n≅->100.

Авторы открытия установили, что в водороде, находящемся при сильном разрежении (а именно такие условия характерны для космического пространства), происходят переходы между высоковозбужденными (с уровнем возбуждения n≅->100) состояниями атома. При этом возникает излучение спектральных линий с частотами радиодиапазона - появляются радиолинии возбужденного водорода.

Доклады авторов открытия на XII съезде Международного астрономического союза 31 августа 1964 г. вызвали большой интерес зарубежных ученых. Более года спустя в США был повторен эксперимент авторов открытия и получено подтверждение существования излучения радиолиний водорода. В настоящее время подобные исследования проводятся во многих научных организациях разных стран. Астрономические программы, связанные с использованием радиолиний водорода, охватывают десятки космических объектов. На состоявшемся в августе 1967 г. XIII съезде Международного астрономического союза научным докладам по результатам исследований рекомбинационных радиолиний водорода было посвящено специальное заседание комиссии по радиоастрономии.

"С помощью радиолиний возбужденного водорода, - рассказывает один из авторов открытия, Р. Л. Сороченко, - можно получить данные не только об отдельных областях ионизированного водорода, но и о крупномасштабном его распределении в Галактике. По допплеров-скому сдвигу частоты радиолиний возбужденного водорода можно определить скорость движения излучающего водородного вещества и расстояние до него. На сегодняшний день это единственная возможность определить расстояние до удаленных или закрытых пылевой материей областей ионизированного водорода, в том числе находящихся за центром Галактики".

С помощью исследований радиолиний водорода получена исключительно ценная, во многом уникальная, информация как о микромире - физике водородного атома и его поведении при высоких уровнях возбуждения, так и о макромире - строении окружающего нас пространства.

Описанное открытие зарегистрировано под № 47 с приоритетом от 31 августа 1964 г. Оно сформулировано так:

"Теоретически предсказано и экспериментально обнаружено явление существования дискретных радиолиний, обусловленных квантовыми переходами типа n->n-1 между высоковозбужденными состояниями атома водорода".

Уже много лет советские ученые ведут исследования космоса с помощью искусственных спутников Земли. Хотя спутники серии "Космос" движутся по околоземным орбитам, именно благодаря им изучаются далекие объекты Вселенной, открываются пути к познанию общих закономерностей мироздания. Директор Крымской астрофизической обсерватории АН СССР академик А. Б. Северный рассказывает, что одна из задач, решаемых с помощью аппаратуры спутников серии "Космос", связана с наблюдением общего светового фона неба в ультрафиолетовой части спектра. Прежде всего было очень важно узнать, насколько расширятся возможности оптических наблюдений, если большие телескопы будут выноситься за пределы атмосферы. А для этого необходимо было тщательно измерить фон излучения земного неба в различных спектральных диапазонах. Измеряя этот фон в тех или иных участках неба, можно получить представление о характере звезд, образующих источники излучения.

Фон земного неба во многом зависит от состава светового потока, излучаемого далекими звездами и другими объектами Вселенной. Как известно, существует три основных типа звездных образований: красные холодные карликовые звезды, желтые звезды типа нашего Солнца и, наконец, голубые гигантские звезды. Скопление их в тех или иных районах Галактики в одних случаях делает фон неба более красным, в других - более голубым. Известно покраснение фона неба, вызываемое находящейся в межзвездной среде пылью, которая в основном концентрируется в плоскости нашей Галактики.

Есть еще один важный аспект этой проблемы, очень волнующий астрономов, - изучение не связанного со звездами, так называемого внегалактического фона. Предполагается, что он вызван излучением расположенного между галактиками разреженного газа. Возможно, в этом газе сосредоточена основная масса вещества Вселенной. В таком случае от его реальной плотности зависит и дальнейшая судьба самой Вселенной: будет ли она неограниченно расширяться, как наблюдается сейчас, или же, наоборот, процесс расширения сменится процессом сжатия.

Как уже говорилось, одна из теорий утверждает, что, если плотность межгалактического газа превысит 105 атомов на кубический сантиметр, Вселенная начнет сжиматься.