Страницы истории науки и техники

Кириллин Владимир Алексеевич

Заметим также, что еще в 1922 г. советский математик и геофизик Александр Александрович Фридман (1888–1925) нашел решение уравнений общей теории относительности для замкнутой нестационарно расширяющейся Вселенной. Вот что пишет но поводу работ Фридмана известный американский ученый С. Вайнберг: «В 1922 г. советским математиком Александром Фридманом было найдено общее однородное и изотропное решение первоначальных уравнений Эйнштейна. Именно эти фридмановские модели, основанные на исходных уравнениях поля Эйнштейна, а не модели Эйнштейна и де Ситтера обеспечили математический фундамент большинству современных космологических теорий.

Существуют два разных типа моделей Фридмана.

Если средняя плотность материи во Вселенной меньше некоторой критической величины или равна ей, то тогда Вселенная должна быть пространственно бесконечной. В этом случае современное расширение Вселенной будет продолжаться всегда.

В то же

время, если плотность материи во Вселенной больше той же критической величины, тогда гравитационное поле, порожденное материей, искривляет Вселенную, замыкая ее на себя; Вселенная в этом случае конечна, хотя и неограниченна, вроде поверхности сферы. (Это означает, что, если мы отправимся в путешествие по прямой линии [327] , мы не сможем добраться до какого-то угла Вселенной, а просто вернемся туда, откуда начали свой путь.) Гравитационные поля достаточно сильны для того, чтобы в конце концов остановить расширение Вселенной, так что рано или поздно она начнет снова сжиматься к состоянию бесконечно большой плотности» [328] .

327

Подразумевается движение по геодезической линии (длина которой между двумя точками равна кратчайшему расстоянию между ними) в искривленном пространстве. Это соответствует прямой линии в евклидовом пространстве. — Примеч. редактора русского перевода. Я. Б. Зельдовича.

328

Вийнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М., 1981, с. 38–40.

Один из главных выводов, к которому пришли астрономия и астрофизика, состоит в том, что Вселенная находится в состоянии непрерывной эволюции. Остановимся в первую очередь на эволюции звезд. В настоящее время общепризнано, что звезды образуются из газопылевой межзвездной среды, главным образом из водорода и гелия, в результате действия сил гравитации (так называемой гравитационной конденсации). Проследить эволюцию звезд в очень большой мерз помогло то обстоятельство, что можно наблюдать звезды практически в любой стадии их развития. Другими словами, во Вселенной существуют звезды всех «возрастов». Более того, образование новых звезд происходит и теперь.

Все более сжимаясь под действием гравитационных сил, звезда становится все более горячей, растет также давление внутри звезды. Когда температура достигает приблизительно 10 млн. К, внутри звезды начинается термоядерная реакция: ядра атомов водорода [329] , имеющие высокую энергию, преодолевают электрические силы отталкивания (не будем забывать, что ядра заряжены положительно), сталкиваются между собой, в результате чего происходит образование ядер гелия и выделение огромного количества тепла. Таким образом, термоядерная реакция является реакцией синтеза ядер водорода с образованием ядер гелия и, как уже сказано, выделением огромного количества тепла. 1 г. водорода, рассматриваемого как ядерное горючее, энергетически эквивалентен 10 т условного топлива (сокращенно т у. т. [330] )

329

Мы говорим о ядрах, а не об атомах водорода потому, что при такой высокой температуре атомы теряют электронную оболочку и газ превращается в плазму — смесь электронов и ядер атомов.

330

Условным топливом называется такое топливо, теплотворная способность 1 кг которого составляет 7 тыс. ккал.

Теперь для звезды начинается новая стадия эволюции. Гравитационные силы будут по-прежнему стремиться сжать звезду, но вследствие протекания термоядерной реакции давление внутри звезды будет расти и оказывать сопротивление силам гравитации. Настанет момент, когда менаду этими силами будет достигнуто равновесие. В этом состоянии звезда может существовать долгое время, излучая в пространство огромную энергию. Солнце, например, в глубинных слоях которого протекает термоядерная реакция, будет существовать в этом состоянии, по расчетам астрономов, около 13 млрд, лет, из которых истекли приблизительно 5 млрд.

Однако рано или поздно наступает такой момент, когда водород, находящийся в центральной области звезды, там где протекает термоядерная реакция, будет израсходован. Температура внутри звезды начнет уменьшаться, а вместе с ней будет снижаться давление, и оно уже но сможет противостоять гравитационным силам. Наступает новый этап эволюции звезды. Ее ядро, состоящее теперь в основном из гелия (продукта реакции), под действием сил гравитации начинает сжиматься, образуя плотную горячую область. Но термоядерная реакция будет продолжаться, только теперь уже, конечно, не в ядра звезды, а на ее периферии, где еще сохранился водород. В это время, как это следует из расчетов, размер звезды и ее светимость будут увеличиваться. Звезда превратится в так называемый красный гигант. Температура гелиевого ядра будет возрастать, и, когда она достигнет 100–150 млн. К, начнется новая ядерная реакция превращения гелия в углерод.

Дальнейшая эволюция звезды зависит от ее массы. Если масса звезды меньше 1,2 массы Солнца, то после того, как завершится термоядерная реакция в периферийных слоях звезды (весь водород «выгорит») и закончится ядерная реакция в ядре звезды (весь гелий превратится в углерод), внешние слои звезды отделятся и рассеются в пространстве, а оставшиеся внутренние слои, звезды, очень горячие и плотные, будут представлять собой так называемый белый карлик. Известный советский астроном и астрофизик И. С. Шкловский пишет следующее: «Таким образом, белые карлики как бы «вызревают» внутри звезд — красных гигантов и „появляются на свет“ после отделения наружных слоев гигантских звезд. В других случаях сбрасывание наружных слоев может происходить не путем образования планетарных туманностей, а путем постепенного истечения атомов. Так или иначе, белые карлики, в которых весь водород «выгорел» и ядер-пые реакции прекратились, по-видимому, представляют собой заключительный этап эволюции большинства звезд. Логическим выводом отсюда является признание генетической связи между самыми поздними этапами эволюции звезд и белыми карликами. Постепенно остывая, они все меньше и меньше излучают, переходя в невидимые черные карлики. Это мертвые, холодные звезды очень большой плотности, в миллионы раз плотнее воды. Их размеры меньше размеров земного шара, хотя массы сравнимы с солнечной. Процесс остывания белых карликов длится много сотен миллионов лет. Так кончает свое существование большинство звезд» [331] .

331

Шкловский И. С. Вселенная, жизнь, разум. 4-е изд. М., 1976, с. 53–54.

Если же масса звезды превышает 1,2 массы Солнца, то ее дальнейшая эволюция имеет другой характер. После прекращения термоядерной реакции в ядре звезды огромные гравитационные силы (тем большие, чем больше масса звезды) приводят к так называемому гравитационному коллапсу — катастрофически быстрому сжатию, в результате которого центральная область звезды становится сверхплотной нейтронной звездой (ее плотность может достигать 10¹⁵ г/см³, т. е. превышать плотность атомных ядер), а периферические сферы звезды сбрасываются, — и это явление может наблюдаться как огромная вспышка, именуемая вспышкой сверхновой звезды.

Если же под действием огромных гравитационных сил центральная область звезды будет сжата до величины гравитационного радиуса (для Солнца, например, гравитационный радиус равен всего лишь 3 км, а для Земли — только 0,9 см), то образуется так называемая черная дыра — сфера, в которой поле тяготения столь велико, что никакое излучение или частицы не могут выйти из этой сферы.

В 1967 г. были открыты пульсары — космические тела, являющиеся источниками радиоизлучения. Это излучение носит импульсный характер, причем импульсы повторяются через очень короткие промежутки времени: от долей секунды до нескольких секунд. Две причины обусловливают импульсный характер излучения пульсаров: во-первых, способностью излучать обладает не вся поверхность пульсара, а только ее активная область; во-вторых, быстрое вращение пульсара вокруг своей собственной оси. Пульсары относят к разряду нейтронных звезд.

В 1963 г. были открыты новые астрономические объекты, находящиеся вне пределов нашей Галактики и получившие название квазаров. По величине эффекта Доплера можно утверждать, что квазары удаляются от нашей Галактики с огромными скоростями, порядка 100–200 тыс. км/с. Из этого следует (напоминаем, что, чем больше скорость «удаления», тем больше расстояние), что квазары находятся от нас на огромном расстоянии — большем, чем другие наблюдаемые небесные объекты. Можно также сделать вывод, что квазары обладают чрезвычайно большой излучательной способностью, во много десятков раз большей по сравнению с целыми галактиками. Это следует из того, что, несмотря на огромное расстояние, оказывается возможным наблюдать квазары. По сумме всех характеристик квазаров предполагается, что они представляют собой ядра особо удаленных от нас галактик, в которых происходят поражающие своей мощностью процессы, происхождение которых еще недостаточно ясно.