Что такое космос с точки зрения астрофизика-теоретика? Рассказывает Виктор Амбарцумян
О тонкостях работы астрофизика, познающего тайны мироздания, выдающийся ученый Виктор Амбарцумян рассказывает в своей книге «Загадки Вселенной» (1987). Армянский музей Москвы, продолжая знакомство с ней, публикует главу «Лед и пламень космоса».
Фото: coollib.net
Виктор Амбарцумян
«Загадки Вселенной»
Лед и пламень космоса
Понятие «Космос» в значении «Вселенная» вошло в науку со времен Пифагора (2300 лет назад).
Но что такое космос с точки зрения астрофизика-теоретика или наблюдателя? Прежде всего, это лаборатория, в которой вещество испытывает всевозможные превращения как при невообразимо высоких температурах, порядка 107К и больше, — в звездных недрах, так и при чрезвычайно низких — в космическом пространстве.
Еще более велики различия в плотностях различных тел и сред, встречающихся во Вселенной. Плотность, скажем, межзвездной среды в нашей Галактике — порядка одного атома (или иона) на кубический сантиметр. А плотность пульсаров — звезд, большая часть вещества которых сжата в одно гигантское по массе ядро, в 1016 раз превосходит плотность воды. В этих резко отличающихся друг от друга условиях проявляются самые различные физические свойства вещества, что естественно привлекает внимание физиков.
Вот почему, чем дальше астрономы углубляются в тайны Вселенной, а физики в тайны микромира, тем пристальнее и заинтересованнее их взаимодействие, их творческое содружество, арена которого — и ближний, и дальний космос.
Чрезвычайно важно определить, насколько эти трансформации и свойства соответствуют нашим общим представлениям о материи и ее закономерностях. Это с одной стороны. А с другой — насколько полезны они и возможны для использования в нашей земной практике, в нашем дальнейшем освоении природы и ее богатств. Скажем, поверхностные слои Солнца имеют температуру, как вам хорошо известно, порядка 6 тыс. градусов. А в центральных областях она достигает нескольких миллионов; там, по нынешним нашим представлениям, действует, образно говоря, исполинский котел термоядерных реакций. И овладение этим процессом для нужд земной энергетики — это проблема, над которой работают многие творческие коллективы.
Спектральный анализ — ныне ведущий метод изучения звезд. По количеству, ширине, относительному взаимному положению линий спектра можно «прочесть», что же совершается в данный момент на поверхности звезды. У одних температура поверхности составляет всего 2–3 тыс. градусов и даже меньше; у других она достигает 20, 30 и даже 100 тыс. градусов, их спектр имеет совершенно необычный, несхожий с прочими вид. От температуры зависит как яркость поверхности объекта, так и характеристические особенности спектра. Ими определяется тип звезд.
Наконец, нельзя не сказать особо еще о двух типах звезд: о белых карликах и пульсарах. Многие из белых карликов были впервые открыты в Бюракане. Они знамениты тем, что плотность их вещества в десятки тысяч раз больше, чем у воды. В возможность такого явления еще в 20-х гг. нашего столетия многие просто отказывались поверить. В пульсарах же плотность оказалась еще большей — вся их масса представляет собой титанически спрессованное ядерное вещество.
Фото: nv.am
Поскольку в астрофизике спектральный метод исследования атомов находит широкое применение, то в молодости я интересовался также принципами квантовой механики, которая давала объяснение происхождению спектров атомов. В частности, меня заинтересовало, в какой степени по наблюдаемым спектрам атомов можно однозначно «пойти» обратно — к законам квантовой механики и основанным на ней представлениям о строении атома. Такой вопрос можно назвать «обратной» задачей по отношению к проблематике квантовой механики. Вскоре я понял, что решение этой задачи во всей ее широте выходит далеко за пределы моих возможностей. Тогда я поставил перед собой другую, «обратную» задачу, более простую: нельзя ли ответить на вопрос, в какой степени частоты колебаний струны зависят от диаметра или других ее параметров?
Но и эта математическая задача оказалась очень трудной для меня. Тогда я решил ограничиться еще более частной проблемой: можно ли утверждать, что система собственных частот, характерная для однородной струны, свойственна только ей и выделяет ее таким образом среди всех неоднородных струн? Мне удалось ответить на этот вопрос положительно. И хотя результат этот очень скромный, горжусь, что более 50 лет назад мне довелось впервые поставить совершенно новую математическую задачу (она послужила основой так называемого метода обратной задачи, используемого в теоретической физике), обратную известной проблеме Штурма — Луивилля, и дать ее строгое решение, правда для весьма, весьма частного случая.
Таким образом была открыта для исследования обширная область «обратных» задач довольно широкого значения, в которой стали работать многие математики. Когда астроном, зная орбиту небесного тела, вычисляет ее видимое положение на небесной сфере на каждый день года, то он решает «прямую» задачу небесной механики. Но вот Иоганн Кеплер еще до появления закона Ньютона и основанной на нем небесной механики поставил себе задачу: не зная форму орбиты, не зная параметров движения планеты, вывести их из наблюдений за видимыми перемещениями планет по небосводу. И вывел из них основные кинематические закономерности движения планет. Иными словами, он решил типичную «обратную» задачу. Кеплер справился с ней просто гениально! Выведенные закономерности мы называем в наших учебниках законом Кеплера.
Но и та задача, о которой шла речь выше, была для меня лишь подготовкой к очень крупной и важной астрономической проблеме: как найти метод определения закона распределения пространственных скоростей звезд из распределения одних лишь лучевых скоростей.
Дело в том, что пространственная скорость движения звезды по отношению к нам (наблюдателям) состоит всегда из двух слагаемых: из скорости приближения к нам (или удаления от нас) и скорости, перпендикулярной к направлению на звезду, которая вызывает изменения видимого положения звезды на небе, т. е. угловое перемещение изображения звезды. Происходящее за единицу времени (скажем, за год) угловое перемещение называется собственным движением звезды. Зная расстояние звезды, мы можем из собственного движения вывести в линейной мере составляющую скорость, перпендикулярную лучу зрения. Выраженная в линейной (а не в угловой) мере, эта составляющая называется тангенциальной составляющей (слагаемой) движения.
Виктор Амбарцумян в Австралии. 1963 год. Фото: ambartsumian.ru
Итак, мы будем полностью знать пространственную скорость звезды, если нами определены из наблюдений радиальная и тангенциальная составляющие. Точность определения радиальных скоростей звезд с прогрессом наблюдательной техники быстро возрастает. А сведения о расстояниях звезд, которые нужны, как мы видели, для перевода собственных движений в тангенциальные скорости, очень скудны и растут медленно. Поэтому Артур Эддингтон, известный английский астроном, в начале этого века поставил задачу: нельзя ли разработать метод получения распределения пространственных скоростей звезд, основываясь на статистике одних лишь радиальных скоростей и используя то, что мы имеем возможность наблюдать радиальные скорости звезд в различных участках неба, т. е. в различных направлениях? Пятьдесят лет назад (я тогда работал в Ленинградском университете заведующим кафедрой) удалось найти решение этой задачи. Это тоже «обратная» задача, но очень трудная. Я немедленно послал статью, содержащую это решение, Эддингтону, и она была опубликована в журнале Королевского астрономического общества в Лондоне.
Любопытен и поучителен здесь еще один аспект. Моя работа, как уже упоминалось, была опубликована в Англии. Спустя почти 40 лет в этой стране был изобретен очень эффективный и многообещающий прибор, а точнее, целая сложнейшая установка, которая без всякого хирургического вмешательства позволяет обследовать и увидеть строение глубинных областей человеческого мозга. Прямо-таки фантастика, иначе не назовешь. Специальной конструкции рентгеновский аппарат исследует по заданной программе голову пациента. Детальная информация прохождения через мозг рентгеновского излучения поступает в ЭВМ, обрабатывается, и на экране прибора, как на экране телевизора, появляются четко различимые «срезы» головного мозга пациента. И специалист имеет возможность «прочесть» данные и установить, где имеются патологические отклонения.
Удивительно здесь еще и то, что изобретатели этой установки (английский инженер Г. Хаунсфилд и американский математик А. Кормак за создание томографа были удостоены Нобелевской премии 1979 г. по медицине) — она называется томограф — понятия не имели о той моей работе, хотя она и была опубликована у них в стране. Тем не менее математическая модель, которую они применили для создания томографа, полностью совпадает с той, которую применил я в астрофизике для определения распределения пространственных скоростей звезд 50 лет назад. Парадокс? Ничуть, это просто лишнее свидетельство того, сколь эффективными для повседневных практических нужд часто оказываются разработки, методы и решения в области так называемых фундаментальных наук.
Вот еще два примера. Когда при анализе излучения солнечной хромосферы открыли спектральные линии неизвестного элемента и назвали этот элемент гелием («гелиос» в переводе с греческого означает «солнце»), мало кто мог предсказать то колоссальное будущее, которое ожидало этот подсказанный спектром элемент в развитии науки и техники.
Второй пример противоположен первому. До последнего времени в таблице Менделеева незаполненным — вследствие отсутствия на Земле элемента с химическими характеристиками, соответствующими этому участку таблицы, — оставалось место для элемента № 43. Недавно выяснилось, что столь долго пустовало оно не случайно: его ядро чрезвычайно неустойчиво. Этот элемент вообще отсутствует на Земле в естественных условиях. Ему дали название технеция. Он возникает в лабораторных условиях в небольших количествах, при ядерных реакциях. Можно понять изумление физиков, когда они узнали, что астрофизики обнаружили следы технеция во внешних слоях ряда нестационарных звезд.
Виктор Амбарцумян с коллегами в Кремле. 1960-е годы. Фото: ambartsumian.ru
Да, глубины космоса — уникальная и безбрежная лаборатория, где вещество и энергия трансформируются друг в друга под воздействием гигантских перепадов давлений и температур, где в бесчисленных комбинациях их элементарных составляющих «зашифрованы» все тайны происхождения и развития Солнечной системы, Галактики и самой Вселенной. Разгадку этих тайн таят в себе и космические лучи: ежесекундно через площадку в один квадратный метр на границе атмосферы и земной поверхности прорываются более 10 тыс. заряженных частиц, влетающих к нам из космоса почти со скоростью света. Частицы с такими скоростями называются релятивистскими, потоки их и есть космические лучи. Многие миллионы лет блуждают они по космическим безднам, прямо или косвенно обязанные своим рождением титаническим взрывам в атмосферах звезд нашей Галактики. Сегодня ясно, что генерация космических лучей есть явление универсальное — быстрые частицы обнаружены и в других галактиках, и в межзвездном пространстве, и в оболочках сверхновых звезд.
Вообще, я считаю, что если в минувшее столетие открытия физиков помогали астрономии объяснять многие процессы в космосе, то теперь уже астрономия стимулирует творческие исследования физиков. Ведь новые факты, раскрываемые астрофизикой, связаны со столь тонкими, глубокими свойствами вещества, что для их понимания требуется более быстрое развитие наших сведений об элементарных частицах, об электронно-ядерной плазме и сверхплотных состояниях материи.
Все это касается звезд, их жизненного цикла. Но не меньший интерес для наших земных дел имеет и изучение процессов, происходящих на планетах Солнечной системы, очень не похожих друг на друга. Ведь если мы на Венере имеем дело с высокими поверхностными температурами, то ничего подобного не наблюдается у планет-гигантов Сатурна, Урана и Нептуна. У Сатурна и Нептуна верхние слои атмосферы достаточно прохладны. У планет-гигантов имеется масса характернейших особенностей. Например, у них нет твердых внутренних поверхностей. По своему химическому составу все они очень близки, видимо, к тому протовеществу, из которого сформировалась Солнечная система. Их атмосферы — это первичные атмосферы, сохранившие свою элементную структуру примерно в том же виде, в каком она была около 5 млрд лет назад. Кстати говоря, она очень близка к химическому составу Солнца. В ней много водорода и гелия.
Особый интерес вызывает вулканическая активность, следы которой наблюдаются у тел Солнечной системы. Говоря об этом, мы имеем в виду, прежде всего, спутники больших планет, однако несомненные следы вулканической активности имеются также на Венере, Марсе. К сожалению, обнаружение этих следов у некоторых тел Солнечной системы затруднено в связи с тем, что внешний вид поверхностей планет подвергался в течение миллионов лет сильным изменениям из-за падения на них метеоритных тел. Поскольку это явление, как и вулканизм, ведет к образованию многочисленных кратеров, то для выделения чисто вулканических образований часто требуются более точные и тонкие наблюдения.
Необъятен космос, и необъятны качественные и количественные характеристики происходящих в нем событий и явлений. А это значит лишь одно для нашей науки: перспективы ее развития безграничны.
Источник: В.А. Амбарцумян. «Загадки Вселенной». — Москва : Издательство «Педагогика», 1987. — (Серия «Учёные — школьнику»).