В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]

Настал момент собрать наблюдательные факты и попытаться представить себе, из чего же состоят короны галактик, в каком именно виде могла бы существовать в них «скрытая масса».

Если не входить в противоречие с наблюдательными данными о массе, светимости и цвете галактических корон, то можно сделать несколько предположений о их составе. Это мог бы быть ионизованный газ, нагретый до нескольких миллионов градусов и собранный, возможно, в отдельные облака. Или сравнительно легкие звезды, масса которых меньше 30 % от массы Солнца. Или карликовые скопления звезд, а может быть, даже карликовые галактики. Или, наконец, это могли бы быть так называемые умершие звезды — потухшие белые карлики, нейтронные звезды или даже «черные дыры». Данные о мягком рентгеновском излучении свидетельствуют, что в коронах спиральных галактик большого количества ионизованного газа, по-видимому, нет, а вот у эллиптических галактик массивные газовые короны вполне возможны. Что касается кандидатуры карликовых звезд, то здесь мог бы внести ясность поиск их в окрестностях нашего Солнца; чтобы карликовые звезды обеспечили расчетную «скрытую массу», их должно быть довольно много — примерно одна звезда на куб со стороной 15 св. лет. Эти звезды должны двигаться со скоростями более 100 км/с, и, по-видимому, они очень бедны тяжелыми элементами. Найти эти карликовые звезды будет не так-то просто. Во всяком случае, пока неясно, как их можно будет отличить от звезд слабой светимости, которые входят не в корону, а в само «тело» галактики.

«Скрытая масса», если существование ее будет доказано, должна заметно повлиять на наши представления об устройстве мира, об истории его развития и прогнозах на далекое будущее.

Видимая нами Вселенная, как установлено, расширяется, но этому расширению препятствуют силы взаимного притяжения ее «деталей», гравитационные силы. Противодействие тем сильнее, чем больше масса Вселенной, чем выше средняя плотность ее вещества. Если окажется, что плотность превышает 10^{– 29}— 10^{– 30} г/см³—это значение называют критическим, — то гравитационные силы рано или поздно остановят расширение Вселенной, а затем заставят ее сжиматься. Известная нам масса Вселенной дает среднюю плотность около 3 % от критической, а значит, перспективу безостановочного расширения. По некоторым имеющимся в литературе оценкам «скрытой массы», она повышает среднюю плотность вещества во Вселенной до 20 %, а по иным оценкам, даже делает ее больше критической.

Наше представление о далеком прошлом Вселенной, о ее первых шагах мало зависит от того, будет обнаружена «скрытая масса» или не будет: основные модели мира вначале ведут себя одинаково при любой массе. Но зато она должна сильно влиять на более поздние события, и прежде всего на ход образования галактик. И конечно же, от того, есть «скрытая масса» или нет, а если есть, то сколько ее, сильно зависит все то, что сейчас происходит во Вселенной.

Вот, оказывается, с какими проблемами связан поиск «скрытой массы». Возраст и происхождение галактик… Стабильность звездных систем… Будущее Вселенной, беспредельное ее расширение или сжатие, которое придет на смену наблюдаемому в наши дни разбеганию галактик… Насколько же окончательными можно считать нынешние данные о «скрытой массе»? Насколько они достоверны? И можно ли повысить точность взвешивания Вселенной? С этими вопросами мы обратились к доктору физико-математических наук Я.Э. Эйнасто.

— Сначала скажу о работах, уже выполненных. Еще несколько лет назад, анализируя сдвиг спектральных линий в оптическом и радиодиапазоне, наша группа исследовала скорости движения ветвей некоторых спиральных галактик. Анализ этих скоростей показал: в движении должны участвовать массы, во много раз большие тех, которые могут быть у видимой части галактик. Следующим объектом изучения стали очень распространенные во Вселенной пары галактик, вращающиеся относительно некоторого центра. В первый период этой работы мы проанализировали около 110 таких пар с самыми разными расстояниями между компонентами пары. Анализ скоростей вращения показал, что в таком вращении участвуют огромные невидимые массы, сосредоточенные в очень больших объемах. Слово «невидимые» здесь используется уже с учетом последних достижений фотографической техники: по нашим расчетам, «скрытая масса» должна быть значительно больше, чем могли бы содержать галактические слабо светящиеся короны, и занимает она значительно большие объемы. По предварительным оценкам, «скрытая масса» в двойных галактиках в 10 раз больше видимой.

Можно наметить немало конкретных работ, которые позволили бы уточнить полную массу Вселенной. В их числе и тщательное изучение наблюдательных данных, уже имеющихся в мировой литературе, и ряд новых специальных наблюдений с помощью совершенных чувствительных спектрографов. В нашей стране такие наблюдения можно было бы проводить на нескольких обсерваториях, в частности в Алма-Ате, в Бюракане, в Крыму. Мы тоже планируем наблюдательные эксперименты, надеясь главным образом на длинные зимние ночи, когда обычно хмурое эстонское небо становится прозрачным. Новые исследования, и прежде всего изучение движения галактик в больших скоплениях, могут дать очень интересные результаты. Так, например, есть основания думать, что в таких скоплениях количество «скрытой массы» в сравнении с видимой значительно больше, чем в двойных галактиках. Сложных галактических скоплений очень много, и поэтому вполне может быть, что плотность Вселенной весьма близка к критической или даже больше ее. Судя по всему, уже сейчас нет оснований сомневаться в существовании во Вселенной большой «скрытой массы», хочется верить, что вскоре удастся более или менее точно и, конечно, более уверенно ответить на вопрос «сколько?»

Похоже, что наступило время, когда астрофизики перестают говорить о «скрытой массе» в сослагательном наклонении, с применением частицы «бы». Не сразу, а точнее, не все сразу, но перестают. В этой связи уместно, как это, кстати, и было обещано, вспомнить еще об одной, третьей точке зрения на последние работы по взвешиванию Вселенной. В достаточно вольном пересказе эта точка зрения выглядит так: «Обнаружение «скрытой массы»? Но, помилуйте, здесь нет никакой сенсации!.. Если не изобретать по всякому поводу новую физику и не придумывать патологических моделей, то давно уже нужно было признать, что масса Вселенной значительно больше, чем это кажется с первого взгляда. Тот факт, что долгое время эту массу не находили, приводит лишь к одному выводу: нужно лучше искать. А если «скрытая масса» действительно обнаруживается, то это вполне закономерно. Это еще одно дополнение к огромному списку известных уже примеров того, как хорошие наблюдения рано или поздно подтверждают правильную теорию».

Когда эта книга готовилась к печати, пришло интереснейшее сообщение: группа советских физиков получила экспериментальные данные, позволяющие считать, что масса покоя элементарной частицы нейтрино не равна нулю, как это считалось раньше. Нейтрино во Вселенной очень много — их, в частности, должно быть в десятки раз больше, чем электронов. И вполне может оказаться, что именно нейтрино создают огромную скрытую массу Вселенной.

Пятьсот тысяч бит с Венеры

Советский космический аппарат „Венера-9“ открыл новую страницу в исследовании планет Солнечной системы, осуществив телевизионную передачу прямо с поверхности Венеры.

Когда мы называем эти эксперименты фантастическими, непостижимыми, то здесь скорее простая констатация факта, чем литературная гипербола. Вспомните: большая сравнительно машина, размером с автомобиль, быстро удаляясь от Земли, четыре месяца летит в безжизненном океане космоса, точно попадает в плывущую по своей орбите Венеру. И оттуда по линии связи длиной в 70 млн. км гонит на Землю радиограммы и зашифрованные в электрических сигналах картины, которые на самой планете рассматривает бесстрастное электронное око…

Представить себе все это трудно, не хватает воображения. Природа тысячелетиями строгала и шлифовала лучшее свое творение— человека, приспосабливая его к решению совсем иных задач. Песчинка на ладони, камень размером с кулак, на горизонте лес, два дня перехода до ближайшей реки — вот те масштабы, которые мы получили в наследство от своих предков, которыми привыкли мыслить. А тут на наш мозг обрушивается одно за другим: «…миллиард световых лет… записано в структуре белка… наносекунда… мягкая посадка на Венеру… линия связи длиной 70 млн. км… квантовый переход…» — не успеваешь отдать дань восхищения одному открытию или свершению, как нужно привыкать к новым словосочетаниям, и просто не хватает времени осмыслить их, задуматься, поинтересоваться подробностями. А ведь бывает, что несколько подробностей лучше всего другого помогают нам прорисовать новый сложный фрагмент в картине мира.

Автоматическая станция «Венера-9», большая сравнительно машина (масса 4936 кг), быстро удаляется от Земли (начальная скорость удаления 11 км/ с; двигаясь с такой скоростью, из Москвы в Ленинград можно добраться за 1 мин и за 3 мин в Ташкент). До этого был космодром, огромная ракета, бесконечные проверки и испытания, торжественность и напряженность старта, несколько минут активного полета, завершившегося выводом станции на близкую околоземную орбиту. И уже с этой орбиты после еще одного комплекса проверок, тщательного прицеливания и точного выбора момента — окончательный разгон последней ступени, решающий выстрел. Но не в Венеру, а совсем в другую сторону.

Почему?

Существует много разных маршрутов, по которым космический аппарат может попасть с Земли на Венеру (рис. 1–3 на цветной вклейке, примыкающей к с. 113). Естественней всего, казалось бы, просто упасть на планету (рис. 1). Для этого нужно нейтрализовать скорость V^{– >}_з, которую аппарат имеет, двигаясь вместе с Землей (орбитальная скорость Земли — 29,76 км/с), и одновременно сообщить ему скорость V^{– >}_с в направлении на Солнце. Тогда аппарат, преодолев земное притяжение и падая на Солнце, встретится с Венерой в месте, где ее орбита пересекается с прямолинейной (а потому кратчайшей) траекторией аппарата. В этом варианте время перелета может составлять всего 25 сут, протяженность маршрута — 42 млн. км. Однако же у такого кратчайшего маршрута есть свои недостатки, и по крайней мере с одним из них трудно не считаться — аппарату необходимо сообщить начальную скорость 31,8 км/с, а такие скорости ракетной технике пока недоступны.