Проект LISA
Этот совместный эксперимент НАСА и ЕКА Laser Interferometer Space Antenna находится на проектной стадии, старт планируется на 2020 год. Измерения будут проводиться лазерными интерферометрами при помощи космических аппаратов, расположенных в вершинах треугольника. Когда гравитационная волна исказит пространство-время между двумя зондами, можно будет измерить относительные сдвиги фазы лазерного луча.
Из-за крошечного размера нейтронные звезды очень слабо видны, даже в большие телескопы, но во многих случаях наблюдаются как источники рентгеновского излучения в тесных двойных системах звезд. По современным представлениям, большинство нейтронных звезд образуется при взрывах сверхновых. Наряду с черными дырами нейтронные звезды являются конечной стадией эволюции звезд большой массы. Чаще всего гравитационные волны испускают двойные звездные системы, часто встречающиеся в Метагалактике. С помощью космических гравитационных телескопов-интерферометров ученые надеются зарегистрировать волны тяготения, возникшие при поглощении черными дырами обыкновенных звезд.
Однако рекордсменами в испускании гравитационных волн должны быть системы из черных дыр. Массы таких систем могут превышать массы тех же нейтронных звезд в миллиарды раз. Особенно интересные эффекты возникают в случае быстро вращающихся черных дыр.
Мощнейшим источником колебаний пространства–времени могли бы быть множественные системы из сверхмассивных черных дыр, скапливающихся в ядрах сильно взаимодействующих галактик. Когда-нибудь и наш Млечный Путь столкнется с соседней туманностью Андромеды. Тогда центральные черные дыры образуют единую систему и начнут сближаться, расходуя энергию на гравитационное излучение.
Может быть, когда-нибудь астрофизики найдут способы фиксации коротких очень мощных всплесков гравитационных волн, возникающих и при вспышках сверхновых звезд.
Но самым интересным источником гравитационного излучения должны быть космологический фон реликтовых гравитационных волн. Космологические гравитационные волны испускаются в эпоху ранней Вселенной хаотически движущимися неоднородностями вещества. Это единственный вид излучения, способный донести до нас информацию о первых секундах существования Вселенной.
Разыскивая волны пространства – времени, астрофизики вынуждены постоянно бороться с множеством помех, вызванных тепловыми движениями, звуковыми и сейсмическими колебаниями. Поэтому гравитационные обсерватории, как правило, располагают в необычных, а иногда и экзотических местах: в глубоких заброшенных шахтах или наоборот – на горных вершинах и на ледниковом щите Антарктиды.
Существующие детекторы уже вплотную подошли к интересной для астрофизиков области параметров. Каков же все-таки смысл в поиске гравитационных волн, для чего их можно "использовать"? Можно представить, что если бы журналисты спросили в свое время у создателей квантовой теории, какая в будущем будет польза от квантовой механики, то вряд ли они предвосхитили открытие транзисторов и оптических квантовых генераторов-лазеров. Но прошли десятилетия и появилась прикладная квантовая электроника, квантовая оптика и квантовая радиофизика. Очень трудно предсказать конкретные приложения фундаментальной теории, но ее будущий вклад в технику и инженерную физику несомненен.
Глава 7. Эволюция галактик
Основным препятствием для решения проблемы возникновения крупномасштабной структуры, возникновения галактик, является незнание начальных условий.
По-видимому, единственной возможностью выяснить здесь истину является способ, аналогичный тому, к которому прибегли для решения проблемы первых секунд с начала расширения. Надо сделать разные предположения о начальных возмущениях, проанализировать их следствия и сравнить с наблюдениями.
И. Д. Новиков.
Эволюция Вселенной
Ясной безлунной ночью каждый может видеть Млечный Путь – светящуюся туманную полосу, протянувшуюся поперек неба. Обширнейшее поле галактических объектов Млечного пути содержит миллиарды звезд. Темная полоса, проходящая посередине Млечного Пути и разделяющая звезды, состоит из межзвездной пыли, поглощающей видимый свет. А первым, кто рассмотрел ее в телескоп и обнаружил, что она состоит из множества неярких звезд, был Галилей.
В середине XVIII века астрономы предположили, что большинство наблюдаемых звезд образуют единую дискообразную структуру. И полвека спустя эта гипотеза была подтверждена Уильямом Гершелем, составившим каталог огромного числа звезд и расстояний до них. К началу прошлого века общепринятым стало мнение, что эта звездная полоса – часть единственной во Вселенной галактики, которая "приютила" миллиарды звезд, включая и наше Солнце. Сейчас предполагается, что в видимой части Вселенной находится около полусотни миллиардов галактик.
Чем глубже копает археолог, тем более древние горизонты открываются перед ним; чем дальше смотрят астрономы, тем более юную Вселенную они видят. Счастье ученых в том, что свет от далеких объектов идет к нам очень долго – миллиарды лет. Желая узнать, как рождались галактики, они должны исследовать наиболее далекие. Много лет эта работа давала обескураживающие результаты: удаляясь в прошлое на миллиарды лет, ученые не обнаруживали ничего нового в облике галактик и в прошлом видели такие же звездные системы. Но вот группа астрономов, наблюдая мощные радиоисточники, с которыми, как правило, связаны крупные галактики, обнаружила далекие системы звезд в процессе формирования.
В таких галактиках них нет газа и пыли для формирования новых звезд, а старые звезды распределены более равномерно, придавая галактикам эллипсоидальную (яйцевидную) форму.
Богатство форм звездных систем может быть объяснено разнообразием условий, в каких они рождались. По современным взглядам, на ранней стадии развития Вселенная была заполнена разреженным газом, который распался затем из-за гравитационной неустойчивости на сгущения, а сгущения в последующем – на отдельные облака различной массы. Одни из облаков имели вращательный момент и центральное сгущение, из них впоследствии образовались спиральные галактики, а другие практически не вращались, они положили начало эллиптическим галактикам, облака же без значительного центрального сгущения, но все же обладавшие вращательным моментом, дали начало неправильным галактикам типа Магеллановых Облаков.
Размеры галактик простираются от карликовых с десятками миллионов звезд до массивных – с тысячами миллиардов звезд. Сферические или эллипсоидные галактики имеют красноватый цвет, создаваемый их состарившимися обитателями.
Весьма распространены спиральные (или дисковые) галактики. Их плоские диски погружены в разряженное слабосветящееся сферическое облако слабых старых звезд и газа – гало. На диске заметен спиральный узор из двух или нескольких закрученных в одну сторону рукавов, выходящих иногда из центра галактики. Эффектные спиральные рукава выделяются за счет сверкающих, горячих, юных голубых звезд.
Но как образуются спиральные рукава? На этот счет существуют различные взгляды. В последние десятилетия особенно популярны были теории спиральных волн плотности, бегущих по звездному диску как по поверхности воды.
Бывает, что рукавов больше и форма их не столь симметрична: они делятся на отдельные ветви, сливаются друг с другом и распадаются на части, подобно связке сосисок.
А порою диск галактики напоминает кофейную пенку, в рисунке которой с трудом угадываются обрывки спиральных рукавов.
Линзовидные галактики внешне гораздо менее привлекательны и фотогеничны. Существует и множество совершенно бесформенных клочковатых галактик, получивших название неправильных. Около половины вещества в них составляет межзвездный газ.
Полная энергия, которую испускает "нормальная" галактика, представляет сумму излучений от всех ее звезд. Но есть такие галактики, которые в радио-, инфракрасной, ультрафиолетовой и рентгеновской областях электромагнитного спектра испускают энергии больше, чем следует. Такие галактики называются "активными". В чем же источник этой дополнительной энергии? Ответом на этот вопрос стало открытие черных дыр – объектов, в которых материя сжата настолько плотно, что не выпускает за свои пределы никакого излучения.
Если черная дыра с массой от миллиона до миллиарда солнечных масс находится в центре галактики с большой плотностью вещества, это вещество "засасывается" дырой. При этом гравитационные силы настолько велики, что заставляют падающее вещество излучать, превращая галактику в активную. Именно это излучение и выдает ученым присутствие черных дыр.
До сих пор детально изучены только окрестности Солнца в радиусе около 5 тысяч световых лет при общем размере Галактики около 100 тысяч световых лет. Полной карты галактического диска пока также не существует. Давняя мечта астрономов, которая, вероятно, сбудется не скоро – взглянуть на Галактику снаружи, увидеть рисунок ее спирального диска, заглянуть в ядро, изучить все интересные объекты, скрытые за темными облаками. Поскольку нет надежды получить фото нашей звездной системы от коллег из туманности Андромеды, радиоастрономам приходится самим расшифровывать радиокарты и восстанавливать рисунок спирального узора Млечного Пути.