Читать книгу - "Просто космос: Задачи о межпланетных путешествиях - Владимир Георгиевич Сурдин"

class="empty-line"/>

8.10. Суммарный блеск

В звездном скоплении 150 звезд 10-й звездной величины и одна звезда 5-й звездной величины.

Каков блеск скопления как целого?

8.11. На что способна сверхновая

В области звездообразования было 200 звезд с суммарной массой 100 M

и 300 M межзвездного газа. В результате взрыва сверхновой газ из этой области за короткое время был выметен.

Какова дальнейшая судьба этого скопления звезд?

8.12. Цвет звезд

Известно, что Солнце белого цвета, однако с Земли оно кажется желтым.

Каким будет цвет оранжевой звезды для наблюдателя, находящегося на поверхности планеты, схожей с Землей?

Глава 9

Об астрофизике

Вселенная – это лаборатория современного физика (и не только!)

Задача естественных наук – физики, химии, биологии – изучить окружающий мир в его максимально разнообразных формах. Возможности земных лабораторий ограниченные, а разнообразие Вселенной безгранично. Поэтому на наших глазах стремительно развиваются астрофизика, астрохимия и астробиология. Фундаментом для них служит астрономия.

К сожалению, в большинстве вузов нашей страны астрономия топчется на месте. Первым и пока единственным университетом, предложившим этот предмет для студентов всех специальностей, стал МГУ имени М. В. Ломоносова. С 2013 г. здесь организовано 150 межфакультетских курсов со свободной записью, и с самого начала «Основы астрономии» стали у студентов наиболее популярным из них. Разумеется, курс «Общая астрофизика» уже много лет читается на физическом факультете МГУ. С 2015 г. курс «Астрономия для физиков» есть на физическом факультете Новосибирского государственного университета, а с 2019 г. курс «Астрономия и астрофизика» – в Московском физико-техническом институте (МФТИ). Отдельные курсы читаются в Иркутске, Санкт-Петербурге, Ростове, то есть там, где учатся будущие профессиональные астрономы. Но таких профессионалов немного (астрономов во всем мире вообще очень мало), а знания астрономии, безусловно, полезны для географов, геологов, физиков. Именно большое значение астрономии для будущих физиков я хочу подчеркнуть. Тут важны оба элемента – и возраст (будущие, то есть начинающие обучение), и специальность (физика).

Студенты-физики – это вчерашние школьники, молодые люди с яркой фантазией, которая и привела их на физфак. Для многих из них программа первых курсов, перегруженная фундаментальными дисциплинами (особенно в области математики), становится неожиданным и тяжелым бременем. В этом смысле курс общей астрономии, наполненный описательной информацией и даже содержащий романтические элементы, становится отдушиной, расширяющей кругозор и показывающей перспективу будущей научной работы.

Что касается самой научной работы, то место астрономии в ней оказывается в последнее время все более значимым. В целом в фундаментальном естествознании сложилась сейчас любопытная ситуация. Построив Стандартную модель элементарных частиц, физики научились весьма точно рассчитывать взаимодействие между атомами, ядрами атомов и отдельными частицами. Но наблюдать эти частицы на самом базовом уровне (кварки, глюоны) физики не могут. Астрономы же, напротив, наблюдают многие явления, которым не могут дать адекватного объяснения. Таким образом, современная физика, изучая глубинное строение материи, многое понимает, но не видит, а современная астрономия многое видит, но не понимает. Это своеобразный вариант принципа дополнительности, стимулирующий обе науки.

Разумеется, «земные» лабораторные дисциплины, в числе которых физика, предполагают эксперимент в контролируемых условиях, что невозможно осуществить с небесными телами. Но эксперимент можно ставить не только в лаборатории: природа постоянно делает это без нашего участия. Нужно лишь научиться наблюдать. И если лабораторный эксперимент – это точность, то астрономические наблюдения – это диапазон. Рассмотрим некоторые направления.

Свойства вещества очень сильно зависят от его плотности: сравните воду в состоянии пара, жидкости и льда. Многие свойства атомов можно изучать только при крайне низких плотностях, когда каждый атом «сам по себе» и не взаимодействует с соседями. В лаборатории предельно низкие плотности называют сверхвысоким вакуумом; сегодня для нормальной лаборатории это 109 частиц в кубическом сантиметре. Предельно высокий вакуум сейчас достигнут в ускорительных каналах Большого адронного коллайдера – около 10–14 бар, что соответствует концентрации частиц 105 см–3. Это замечательное достижение, но и оно не позволяет исследовать запрещенные переходы в атомах, поскольку диаметр каналов ускорителя столь мал, что атомы часто сталкиваются со стенками каналов и теряют возбуждение без высвечивания. А ведь время жизни некоторых возбужденных состояний атомов достигает многих часов, суток и даже лет. Такие запрещенные переходы невозможно наблюдать в земной лаборатории. А насколько низкие плотности достижимы в «космической лаборатории»?

Во время солнечного затмения мы видим сияющую корону Солнца; концентрация частиц в ней 108–109 см–3. На Земле это сверхвысокий вакуум, а в космосе – весьма ощутимая среда. Удаляясь от Солнца, мы видим, как солнечная корона, превращаясь в поток солнечного ветра, становится все менее и менее плотной. У орбиты Земли его плотность снижается и концентрация частиц падает до 10 см–3. Примерно такую же плотность имеют облака межзвездного газа, а между ними межзвездное пространство разрежено еще сильнее – всего лишь одна частица в кубическом сантиметре, а то и меньше. Это в миллиард раз меньше плотности высокого лабораторного вакуума. Атомы в таких условиях могут долго оставаться в одиночестве, не взаимодействуя с другими атомами. При этом проявляются их свойства, недоступные изучению в лаборатории, – например, возбужденные состояния с большим временем жизни. Переходы из таких состояний в состояния с меньшей энергией «запрещены», то есть происходят крайне редко, поэтому соответствующие линии в спектре излучения тоже называют запрещенными. В лаборатории такой возбужденный атом обязательно столкнется с соседом и передаст ему энергию без излучения. А в разреженном космосе атом долго может летать без столкновения, пока не излучит запрещенную линию. Ведь стенок в «космической лаборатории» тоже нет. Поэтому именно в спектрах межзвездных облаков были обнаружены и изучены запрещенные переходы в атомах, что заметно продвинуло атомную физику.

Но межзвездная среда – это еще не предел разреженности. Межгалактический газ в скоплениях галактик имеет плотность, соответствующую концентрации частиц 10–4–10–2 см–3. В пространстве между скоплениями вещества еще меньше. А средняя концентрация атомов во Вселенной около 3 ∙ 10–7 см–3. Иными словами, один атом (водорода) обнаруживается лишь в трех кубометрах пространства. Вот это астрономы и называют сверхвысоким вакуумом: в миллион миллиардов раз разреженнее, чем в лучших земных лабораториях!

Теперь обратимся к высоким плотностям. Изучать вещество при сильном сжатии очень важно – хотя бы для того, чтобы понять, как оно ведет себя в недрах Земли. Из природных материалов высокой плотности мы знакомы со свинцом (11 г/см3), золотом (19 г/см3), осмием (23 г/см3). Максимальные плотности и давления, достигнутые в лабораториях на прессах с алмазными наковальнями, близки к тем, которые мы имеем в ядре Земли. До условий в