Добро
пожаловать на наш сайт!
ПОЗНАНИЕ
ПРОДОЛЖАЕТСЯ...
24.04.2019 21:25 дата обновления страницы
Мир небесных тел. ЗЕМЛЯ
Дата создания сайта:
08/12/2012
Дата создания
сайта: 08/12/2012 Дата обновления главной страницы:
24.04.2019 21:25
icq:
613603564
Новые
отрасли древней науки
Древнейшая из наук - астрономия переживает
вторую молодость. За последние 2-3 десятилетия объем наших знаний о
Вселенной по крайней мере удвоился. Во многом это связано с тем, что
сейчас появилась возможность исследовать, кроме видимого света, еще и
невидимое электромагнитное излучение небесных тел - от самого
коротковолнового (гамма- и рентгеновских лучей) до длинноволнового
(инфракрасных лучей и радиоволн). Пройдет немного времени, и ученые
смогут регистрировать не только электромагнитное, но и иное излучение.
Рентгеновские лучи, идущие из космоса, не
пропускаются нашей атмосферой, поэтому их "поймали" лишь совсем недавно.
Когда первые, еще очень несовершенные приемники-счетчики были подняты
ракетами за пределы атмосферы, удалось зарегистрировать рентгеновское
излучение Солнца.
Рентгеновские лучи, как и ультрафиолетовые, попадая в земную атмосферу,
разрушают электронные оболочки атомов, превращая атомы в ионы. Часть
атмосферы, содержащая много ионов,- ионосфера играет большую роль в
распространении радиоволн между различными пунктами Земли. Поэтому
изучение коротковолнового излучения
Солнца представляет большой практический интерес. К тому же эти лучи
несут много сведений о физических, процессах, происходящих на Солнце.
Рентгеновское излучение Солнца образуется в основном на высоте
нескольких десятков тысяч километров над его поверхностью, в солнечной
атмосфере - короне, которая над активными областями, где встречаются
пятна и факелы, нагрета особенно сильно - до температуры более миллиона
градусов.
Долгое время считалось, что, кроме Солнца, на небе нет доступных
наблюдению источников рентгеновских лучей. Поэтому неожиданным оказалось
открытие американских ученых. В 1963 г. с помощью ракеты, запущенной
ночью, когда излучение Солнца не могло приниматься, они обнаружили два
неизвестных источника: один сильный, в созвездии Скорпиона, другой, в
несколько раз слабее, в созвездии Тельца. В этих местах неба в то время
не было ни Луны, ни планет, поэтому ясно, что источники излучения
находятся за пределами Солнечной системы. (Заметим, кстати, что с
помощью советских искусственных спутников Луны ее слабое рентгеновское
излучение все же было обнаружено.)
Точные координаты -источников долго оставались неизвестными. Ведь лучи
принимаются специальными счетчиками, которые способны регистрировать
отдельные порции излучения - фотоны. Чтобы найти источник, счетчик
обычно помещают в конце металлического тубуса или системы параллельных
трубочек, второй конец которых остается открытым. Счетчик при этом может
ловить излучение только тех областей неба, куда "нацелены" трубочки.
Точность такого "наведения", конечно, невелика. Тем не менее удалось
установить, что источником рентгеновских лучей в созвездии Тельца
является Крабовидная туманность - остаток вспыхнувшей более 90 лет назад
Сверхновой звезды.
Как рождаются рентгеновские лучи? В центре туманности может находиться
маленькая, очень горячая нейтронная звезда (подробнее об этих звездах
см. ниже), испускающая рентгеновские лучи. Лучи может испускать не
сплошное тело, а облака очень горячего газа. Наконец, они могут быть
рождены большим количеством очень быстрых,
так называемых релятивистских электронов, двигающихся в магнитном
поле туманности. Давно известно, что Крабовидная туманность подобным
образом излучает радиоволны, но для образования рентгеновских волн
энергия электронов должна быть во много тысяч раз больше. Уточнить
природу источника можно, определив его угловой размер, и если источник
исчезающе мал, значит, это звезда, если же его размер сравним с размером
туманности, значит, рентгеновские лучи испускает газовая область.
Для оценки углового размера источника было использовано довольно редкое
событие : затмение Крабовидной туманности Луной. В 1964 г., когда Луна
начала загораживать от нас туманность, американские ученые, запустив
ракету с рентгеновскими счетчиками, стали следить, как уменьшается
интенсивность рентгеновского источника. Если бы источник имел маленький
размер, излучение прекратилось бы мгновенно, как только край Луны закрыл
источник от нас. В действительности источник <потухал> постепенно.
Оказалось, что его размер всего лишь впятеро меньше, чем вся туманность,
и находится он в ее центре. Отсюда следует, что рентгеновское излучение
образуется не в звезде, а в обширной области внутри туманности. Недавно,
однако, точечный рентгеновский источник в центре туманности все же был
найден. Анализ излучения рентгеновского источника приближает нас к
разгадке непонятных пока процессов в Крабовидной туманности.
На месте более "яркого" рентгеновского источника в созвездии Скорпиона
никаких туманностей нет. Может быть, в этом случае источником служит
какая-нибудь далекая звезда? Но даже если предположить, что она
находится от нас на таком же расстоянии, что и самая близкая к Солнцу
звезда, то получится, что она испускает поток рентгеновских лучей в сто
миллионов раз более мощный, чем Солнце! И тем не менее на месте
источника нашли именно звезду, голубую переменную звезду 13-й звездной
величины, на которую раньше никто не обращал внимания. Спектральный
анализ показал, что по всем характеристикам она очень похожа на Новые
звезды через годы после вспышки (напомним, что Новыми называются звезды,
внезапно вспыхивающие так, что их яркость
на короткое время возрастает примерно в десять тысяч раз). Но трудно
сказать, действительно ли найденная звезда вспыхивала как Новая.
Специально проведенные исследования показали, что некоторые звезды, о
которых мы точно знаем, что они вспыхивали как Новые, заметных потоков
рентгеновских лучей не излучают. Так что природа рентгеновской звездочки
остается пока неясной. Сейчас найдено еще несколько таких объектов.
Исследование рентгеновских источников (а их известно сейчас несколько
десятков) может привести к открытию совершенно нового класса небесных
тел. Некоторые из источников, может быть, окажутся звездами,
находящимися на очень поздней стадии своей жизни. Атомы, из которых они
состоят, притягивают друг друга, и поэтому звезды, эти газовые шары, все
время стремятся сжаться под действием собственной тяжести. Лишь большой
запас внутренней энергии, быстрое беспорядочное движение атомов
препятствуют этому сжатию. Но когда истощатся энергетические ресурсы
звезды, сжатие ее неизбежно. При этом если масса звезды не больше, чем у
Солнца, то, сжавшись, она превратится в так называемый белый карлике
диаметром несколько тысяч километров (размер небольшой планеты). Такие
звезды давно известны. Плотность вещества в некоторых из них в сотни
тысяч раз больше, чем плотность воды.
Но если звезда имеет массу раза в полтора-два большую, чем Солнце,
сжатие ее не остановится на стадии белого карлика. Огромная звезда
уменьшится до размера всего нескольких километров и перестанет сжиматься
только тогда, когда плотность вещества в ней будет близка к плотности
атомных ядер - 1014 г/см3. При такой плотности электроны начнут
взаимодействовать с протонами ядер, образуя нейтроны. Такая звезда
должна состоять в основном из нейтронов.
В отличие от белых карликов, нейтронные звезды в природе пока не
обнаружены: из-за крошечного размера их светимость чрезвычайно мала,
поэтому увидеть их можно только с очень небольшого расстояния. Расчеты
показывают, что в течение нескольких сотен лет после образования
нейтронные звезды должны иметь температуру в миллионы градусов и
излучать в основном рентгеновские волны. Поэтому вполне возможно, что
некоторые из известных рентгеновских источников окажутся нейтронными
звездами.
Предполагают, что некоторые объекты, лежащие за пределами нашей
Галактики, также испускают рентгеновские лучи. К числу таких объектов
могут относиться квазары, ядра некоторых галактик, большие массы
горячего межгалактического газа. Дальнейшие наблюдения помогут
проверить, так ли это.
Об источниках и механизме излучения рентгеновских волн мы еще очень мало
знаем - их изучение началось совсем недавно. Но, возникнув буквально за
последние годы, рентгеновская астрономия уже сейчас приносит чрезвычайно
ценную информацию о далеких, малоизученных или совсем ранее неизвестных
космических телах.
Не каждому известно, что планеты (в том числе и
Земля) излучают собственный свет, только невидимый, инфракрасный.
Инфракрасные лучи сильно поглощаются нашей атмосферой, и наблюдают их,
поднимая специальные приемники на воздушных шарах, ракетах или
спутниках. Но инфракрасные лучи некоторых длин волн все же доходят до
поверхности Земли, правда, заметно ослабленные. Такие лучи можно
наблюдать с помощью обычных телескопов, применяя специальные
фотопластинки, чувствительные к инфракрасному свету. Существуют и другие
приемники инфракрасного излучения, например электронно-оптический
преобразователь (сокращенно ЭОП). Этот прибор может сделать невидимые
инфракрасные лучи видимыми, увеличивая к тому же яркость изображения.
Фокусируя свет, собранный телескопом, на приемник инфракрасного
излучения, можно улавливать тепло, приходящее к нам от очень далеких тел
и даже от самых холодных планет. Наблюдения инфракрасного излучения
используются для измерения температуры планеты или участков ее
поверхности.
Если же исследовать спектр этого излучения, можно многое узнать об
атмосфере
планеты, о том, как она пропускает инфракрасные лучи. Углекислый газ,
пары воды и некоторые другие соединения поглощают инфракрасный свет
определенных длин волн. Если анализ спектра обнаруживает такое
поглощение, можно определить количество того или иного газа в атмосфере.
Так, наблюдения показали, например, что Меркурий окружен очень
разреженной атмосферой: в инфракрасной области спектра найдены слабые
следы поглощения света углекислым газом.
Представляют большой интерес наблюдения инфракрасного излучения звезд.
Эти наблюдения позволили уточнить количество энергии, излучаемой
звездами различных типов, что очень важно для изучения развития звезд.
Но самое интересное, пожалуй, это открытие целого класса <холодных>
звезд, которые испускают почти исключительно инфракрасный свет. Их
температура составляет 1-2 тысячи градусов, а для некоторых даже еще
меньше. При такой температуре они на обычных фотопластинках выглядят как
очень слабые звездочки, а иногда и совсем не видны.
В последние годы инфракрасные звезды привлекают к себе большое внимание.
Многие из них меняют свой блеск, но средняя их яркость, как и у обычных
переменных звезд, остается практически постоянной. Этот на первый взгляд
естественный факт озадачил ученых, из дальнейшего рассказа будет ясно
почему.
Теоретически можно доказать, что газовый шар (звезда) с температурой
менее 2000° обязательно должен быстро сжиматься. Поскольку звезды
рождаются как раз из сжимающегося газа, похоже, что инфракрасные звезды
- это формирующиеся обычные звезды. Когда кончится сжатие, их
температура возрастет в несколько раз, и инфракрасные звезды превратятся
в обычные, такие, скажем, как Солнце. В этом случае размеры инфракрасных
звезд должны быть очень велики, что действительно подтвердилось:
инфракрасные звезды в сотни раз больше Солнца. Поэтому они излучают
много энергии и видны с больших расстояний, несмотря на свою низкую
температуру.
Но вот проблема: сжимаясь, они должны очень быстро, в течение нескольких
лет, заметно менять свою яркость, а этого не наблюдается. К тому же в
нашей Галактике довольно много инфракрасных звезд. Если бы все они
быстро превращались в молодые нормальные звезды, то молодые звезды в
Галактике встречались бы гораздо чаще, чем на самом деле. Следовательно,
инфракрасные звезды живут сравнительно долго не сжимаясь.
А как же теория? Противоречия не будет, если предположить, что такие
звезды очень быстро вращаются вокруг оси. При этом центробежная сила
может остановить сжатие на той стадии, когда образующаяся звезда еще не
успела нагреться до большой температуры.
В последнее время предложено и обосновано несколько иное объяснение:
инфракрасные звезды - это образующиеся или только что сформировавшиеся
молодые звезды, окруженные газо-пылевой средой, из которой они
произошли. Плотный слой пыли поглощает почти весь видимый свет звезды,
но пропускает (или сам излучает) инфракрасный свет. Со временем звезда
может заставить вращаться окружающую ее среду, сферическое облако при
этом сплющится, превратится в тонкий диск, уплотнится и начнет
разбиваться на отдельные сгустки - образуются планеты. Если подтвердится
предположение, что инфракрасные звезды - рождающиеся планетные системы,
это будет величайшим открытием, доказывающим закономерность образования
планет вокруг звезд. А если нет? Ну что же, поиски ответа на вопрос, что
такое инфракрасные звезды, будут продолжаться, и, каков бы ни был этот
ответ, он существенно углубит наши знания о звездах.
Помимо электромагнитного, в природе существует также
нейтринное излучение, при котором энергию переносит элементарная частица
- нейтрино. Она не обладает электрическим зарядом и всегда находится в
движении, имея скорость, равную скорости света.
Сейчас известно несколько разновидностей нейтрино, но для всех
характерно одно удивительное свойство - они почти не взаимодействуют с
веществом. Для них не существует никаких преград: нейтрино свободно
проходит через земной шар, может пролететь, словно в пустоте, сквозь
миллионы массивных звезд, прежде чем столкнется с какой-нибудь частицей
и погибнет. Многие миллиарды миллиардов нейтрино каждую секунду
пронизывают Землю, а взаимодействуют с ее атомами лишь единицы. Поэтому
долгое время считали, что никогда не удастся зарегистрировать нейтрино.
Это все же удалось впервые сделать в 1956 г. в Лосаламосской научной
лаборатории (США). Мощнейший поток нейтрино, испускаемый ядерным
реактором, проходил через бак, наполненный водой. Приблизительно один
нейтрино из ста миллиардов миллиардов взаимодействовал с ядром
какого-либо атома, образуя нейтрон и позитрон, появление которых можно
было зарегистрировать. Так было доказано, что нейтрино действительно
существует, и его можно "поймать", если поток достаточно мощный.
Чем же нейтрино привлекает астрономов?
Чтобы ответить, посмотрим, откуда на Землю могут приходить эти
удивительные частицы.
Некоторые из них образуются при столкновениях быстрых протонов
космических лучей с атомами земной атмосферы и, реже, с атомами
межзвездного газа или пыли. Поток нейтрино, образующийся при этом,
сравнительно невелик: через каждый квадратный сантиметр поверхности
Земли одна такая частица пролетает раз в несколько минут. Зато нейтрино,
образующиеся таким путем, могут иметь очень большую энергию, и их легче
обнаружить.
Более мощный поток нейтрино приходит на Землю от Солнца. Как известно,
звезды светят потому, что в их недрах вещество разогрето до многих
миллионов градусов, При такой температуре идут ядерные реакции (на
Солнце и большинстве звезд - превращение водорода в гелий), в результате
которых выделяется много энергии. Часть этой энергии уходит от звезды в
виде света, а несколько процентов ее уносят нейтрино, которые,
образовавшись в центре, пролетают сквозь звезду и уходят в
бесконечность. Теоретические исследования показывают, что некоторые
звезды на определенной стадии развития могут излучать в виде нейтрино
значительную часть своей энергии. Наконец, на Землю могут приходить
нейтрино, образовавшиеся в ту далекую эпоху, когда колоссальные объемы
пространства были заполнены только плотным и горячим газом.
Нейтрино может помочь нам "увидеть" процессы, недоступные наблюдениям
обычными методами: ведь ни один вид электромагнитного излучения не
проходит так свободно, не изменяясь, через любые слои вещества. Свет,
приходящий к нам от Солнца, испускается его поверхностью - фотосферой.
Что происходит в недрах Солнца, увидеть нельзя, можно только
теоретически рассчитать температуру и плотность солнечного вещества на
любой глубине. Наблюдения солнечных нейтрино дали бы нам возможность
проверить расчеты, как бы заглянуть в недра Солнца.
А если бы удалось зарегистрировать нейтрино, родившееся в те далекие
времена, когда еще не было даже звезд, мы смогли бы определить среднюю
плотность материи во Вселенной и тем самым не только больше узнать о
физических условиях, существовавших миллиарды лет назад, но и
предсказать развитие всей Вселенной на далекое-далекое будущее (см. ст.
"Вселенная вчера, сегодня и завтра").
Как же "поймать" эти частицы?
Сейчас уже работает несколько установок для регистрации нейтрино.
Большинство из них использует свойство нейтрино изредка
взаимодействовать с ядрами атомов, образуя при этом изотопы новых
химических элементов и рождая новые элементарные частицы. Эти
<новорожденные> частицы получают очень большую скорость, и их нетрудно
зарегистрировать специальными счетчиками. Чтобы счетчики реагировали
только на частицы, рожденные именно нейтрино, а не космическими лучами,
влетающими в нашу атмосферу, установки для обнаружения нейтрино строят
глубоко под землей, которая служит надежным экраном, пропускающим извне
только нейтринное излучение. Установки, работающие по этому принципу,
уже сейчас регистрируют природные нейтрино. Большинство этих нейтрино
появляются при бомбардировке атмосферы космическими лучами.
Нейтрино, рожденные в недрах Солнца, пока не зарегистрированы. Их
энергия не очень велика, а чем меньше энергия, тем реже взаимодействуют
нейтрино с веществом.
Однако уже сейчас физики-экспериментаторы ставят своей задачей
обнаружить нейтрино от Солнца.
В 1968 г. опубликованы результаты эксперимента, который, по мнению
ученых, должен был привести к регистрации солнечных нейтрино. На большой
глубине под землей американские ученые поместили резервуар, содержащий
несколько сотен тонн жидкости - тетрахлорэтилена. Атомы хлора служили
как бы мишенями для нейтрино. При попадании в них быстрых частиц они
превращаются в атомы радиоактивного аргона, которые можно выделить и
зарегистрировать специальными счетчиками. Предполагалось, что солнечные
нейтрино будут превращать в аргон несколько атомов хлора в день. Однако
результат многодневного эксперимента был отрицательным. Оказалось, что
Солнце излучает значительно меньше нейтрино, чем ожидалось. Этот вывод
сам по себе очень важен, поскольку уже сейчас он может помочь уточнить
температуру в центре Солнца и типы ядерных реакций, которые там
происходят. Ученые надеются, что если увеличить количество жидкости
мишени и проводить опыт более продолжительное время, то космические
нейтрино все же будут пойманы.
Чтобы убедиться, что нейтрино прилетают действительно от Солнца,
эксперимент необходимо продолжать много месяцев. Вследствие того что
Земля вращается вокруг Солнца по эллипсу и расстояние от Солнца то
немного уменьшается, то увеличивается, поток нейтрино должен меняться в
течение года в пределах 7%.
Но есть проекты нейтринного телескопа, который сразу смог бы указывать
направление движения нейтрино. Принцип действия такого приемника
заключается в том, что он регистрирует отдельные быстрые электроны,
которые получают свою энергию при взаимодействии с нейтрино. Установка
будет собрана в Южной Африке на глубине более 3 км. Предполагается, что
за год с ее помощью можно будет зарегистрировать около 20 солнечных
нейтрино.
Если регистрация нейтринного излучения Солнца - дело ближайших лет, то
"поймать" космические нейтрино с небольшой
энергией, прилетающие издалека в Солнечную систему, удастся, вероятно,
еще не скоро. Пока неизвестно, как часто такие нейтрино пронизывают
земной шар, не помешают ли их обнаружению те нейтрино, которые рождаются
в атмосфере или при бета-распаде ядер некоторых атомов Земли. Есть
проект поместить приемник космического нейтрино на Луне, чтобы не
смешивать частицы, пришедшие издалека, с частицами, рожденными в
атмосфере космическими лучами.
Все существующие в природе планеты, звезды и галактики движутся в
безбрежном океане летящих по всем направлениям всепроникающих нейтрино.
И нельзя предугадать, какие неожиданные открытия будут сделаны, когда
станет возможно наблюдать эти частицы.
Огромный поток новых сведений о Вселенной привел к тому, что астрономия
сейчас развивается так быстро, как никогда ранее. И все же число проблем
и явлений, требующих своего объяснения, не уменьшается со временем, а
растет.
А.В. Засов
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
