Релятивістська астрофізика – нова гілка науки про небо

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Під релятивістською астрофізикою зазвичай розуміють гілку астрофізики, що вивчає явища, в яких істотну роль відіграють ефекти загальної теорії відносності — релятивістської теорії тяжіння. Дві проблеми складають зміст цієї галузі знань – проблема Всесвіту в цілому (космологія) і проблема надзвичайно компактних об’єктів (стиснених зірок, зоряних систем, газових хмар, ядер галактик), у яких поля тяжіння зростають настільки, що розганяють падаючі в них тіла до релятивістських швидкостей (швидкостей, близьких до світлової).

У космології необхідність виходу за рамки ньютонівської теорії тяжіння була усвідомлена ще до розробки А. Ейнштейном загальної теорії відносності у зв’язку з розглядом так званого гравітаційного парадоксу. Суть цього парадоксу полягала в тому, що ньютонівська теорія не дозволяла однозначно визначити поле тяжіння речовини, що необмежено тягнеться до нескінченності. Після створення загальної теорії відносності з’явилися передумови для розвитку сучасної космології. У 1922-1924 роках А. Фрідманом були побудовані релятивістські нестаціонарні космологічні моделі, засновані на загальній теорії відносності. Вони передбачали нестаціонарність Всесвіту (згодом підтверджену відкриттям розширення Всесвіту) і не містили гравітаційного парадоксу. Чудові роботи А. Фрідмана давно стали класичними.

В останні роки побудована теоретиками механічна картина рухів і сил у Всесвіті наповнилася новим конкретним фізичним змістом. Виявлено електромагнітне випромінювання, відповідне температурі 2,7 К. Існування цього реліктового випромінювання служить доказом «гарячої моделі» Всесвіту. Були проведені детальні розрахунки перетворень елементарних частинок і ядерних реакцій на ранній стадії космологічного розширення. Більш обгрунтованими і докладними стали гіпотези народження скупчень галактик, зірок і квазарів з гарячої плазми в ході її розширення.

На противагу космології, астрофізика (у вузькому сенсі цього слова — як наука про окремі небесні тіла, їх системи і газ між ними) донедавна була нерелятивістською. Для створення моделей звичайних зірок з масою, що не перевищує 100 сонячних (в тому стані, в якому ми спостерігаємо ці зірки), не потрібно теорії відносності. Ньютонівська теорія тяжіння разом з термодинамікою і вченням про властивості плазми і з ядерною фізикою повністю і точно описують світність, розміри і спектри зірок. Теорія будови зірок добре узгоджується зі спостереженнями. У міру витрачання ядерного пального зірка еволюціонує. Еволюція призводить до станів зірки, в яких необхідно враховувати можливість ядерних вибухів, теплову і гідродинамічну нестійкість, а також специфічні ефекти теорії відносності. Еволюція компактних зоряних систем, компактних газових хмар також веде до їх стиснення і необхідності обліку релятивістських ефектів.

Так поступово стало очевидно, що вся астрофізика вимагає створення релятивістської астрофізики як однієї зі своїх гілок.

Революція в астрономії

Астрономія переживає в даний час період швидкого розвитку. Відносно невеликий проміжок з кінця ХХ століття вмістив в себе відкриття квазарів, пульсарів, рентгенівських джерел, реліктового випромінювання, вибухів галактичних ядер і, ймовірно, першої чорної діри. У теоретичній астрофізиці важливі гіпотези і відкриття з’являються ще частіше.

Успіхи спостережної астрономії значною мірою пов’язані з новими методами досліджень – радіоастрономією, інфрачервоною, рентгенівською та гамма-астрономією. Багато експериментів стали можливі тільки завдяки установці приладів на ракетах і супутниках.

Частина згаданих відкриттів була передбачена заздалегідь, і це показує правильність фізичних теорій, застосовність фізичних законів, встановлених в лабораторних експериментах, до астрономічних об’єктів.

Послідовний розвиток астрофізичних теорій, заснованих на досягненнях сучасної фізики, іноді призводив до дивних і на перший погляд парадоксальних висновків про кардинальні моменти еволюції окремих небесних тіл і навколишнього нас Всесвіту. Таким було, наприклад, передбачення нейтронних зірок (у 30-х роках) або передбачення можливості «гарячого» стану матерії на початку розширення Всесвіту (у 40-х роках). Ототожнення пульсарів з нейтронними зірками (1968) і пояснення реліктового випромінювання теорією гарячого Всесвіту (1965), нарешті, інтерпретація одного з рентгенівських джерел чорною дірою (1972) — прекрасні приклади плідності теоретичної астрофізики.

Висновки і передбачення теоретичної фізики повинні розглядатися з повною серйозністю в астрономії – такий узагальнюючий підсумок всього розвитку астрономії і фізики за останні десятиліття.

Однак чи не повинні ми саме в астрофізиці очікувати виникнення нових фундаментальних фізичних теорій і пов’язаного з ним краху існуючих поглядів? Зрозуміло, в незвичайних умовах (наприклад, надвеликих густин і температур), ще не досліджених земною фізикою, можуть проявлятися нові, поки не відомі закони природи. Однак сучасна астрофізика оперує головним чином умовами, де застосовність надійно встановлених законів природи не викликає сумнівів.

Астрофізика зустрічається лише з незвичайною комбінацією цих умов. Ще раз підкреслимо, що, коли астрономія стикається з умовами, що виходять за рамки застосовності сучасної фізики (наприклад, при щільності, на початку космологічного розширення набагато перевищують щільність атомного ядра), можна очікувати прояву дії ще не відомих законів природи.

Автор: І. Д. Новіков, доктор фізико-математичних наук.