Юрий Ефремов "Будущее принадлежит астрофизике" - так называлась статья академика Льва Арцимовича в журнале "Природа", опубликованная в 1972 г., - статья, которой было суждено стать научным завещанием нашего замечательного физика. Конечно, астрономия и тогда и раньше опиралась на физическую теорию, и многие думали, что роль авангарда науки, которую астрономия играла во времена Ньютона и Лагранжа, навсегда отошла к физике. Однако в последние годы становится все более ясным, что дальнейшее развитие физики упирается в данные, которые можно получить только с помощью телескопов, всеволновых астрономических наблюдений.
Недавнее присуждение Нобелевских премий по физике за 2002 г. подчеркивает справедливость этого утверждения. Впервые с 1993 г. премия присуждена за достижения в астрофизических исследованиях.
После 13-летних усилий измерения полного потока нейтрино от Солнца подтвердили справедливость теории и звезд, и элементарных частиц. Вытекающее из этих измерений существование нейтринных осцилляций означает, что нейтрино имеет массу покоя, но очень небольшую, что важно для проблемы скрытой массы Вселенной. Рентгеновская астрономия принесла важные сведения о поздних стадиях эволюции звезд и новые аргументы в пользу существования самых таинственных объектов Вселенной - черных дыр. Эти достижения подводят нас к границе неведомого.
Черные дыры
Эти объекты лучше было бы называть коллапсарами. Согласно теории, после выгорания ядерного топлива в недрах массивных звезд они коллапсируют - неудержимо сжимаются под действием собственного тяготения.
Считается, что такова судьба всех звезд с массой, превышающей три-четыре массы Солнца после истощения источников их энергии - топлива для ядерных реакций. Важнейшим признаком черной дыры служит наличие вокруг нее горизонта событий - границы, которая пропускает внутрь дыры что угодно, и ничего - назад, даже свет. И вот в 2001 г. были опубликованы доказательства реального существования горизонта событий.
Наблюдения на рентгеновском телескопе "Чандра" показали, что у шести двойных звезд, компонентами которых являются нейтронные звезды, светимость в 100 раз выше, чем у других похожих систем, включающих, однако, судя по массам, черные дыры. Речь идет о светимости в спокойном состоянии, которая должна определяться скоростью выпадения на компактный объект вещества, притягиваемого им от соседней звезды в паре.
Выбирались объекты, в которых темп этого выпадения (аккреции) должен быть одинаков, так что пониженную рентгеновскую светимость черных дыр можно объяснить только тем, что падающий на них газ проваливается за горизонт событий. С помощью космического телескопа им. Хаббла удалось, кажется, непосредственно наблюдать в оптическом диапазоне и сам процесс исчезновения из нашего мира выпадающих на гипотетическую черную дыру Лебедь Х-1 горячих газовых сгустков.
Таким образом, существование черных дыр звездных масс становится почти доказанным. В нашей Галактике их сейчас известно около 20. Еще более веские признаки существования сверхмассивных черных дыр были найдены при изучении ядер примерно 80 галактик, включая нашу собственную систему Млечного Пути. Речь идет уже о миллионах и миллиардах масс Солнца. Эти работы будут когда-нибудь удостоены
Помимо далеких научно-фантастических перспектив, обнаружение сверхмассивных черных дыр в сердцевинах галактик очень важно для гипотез о происхождении этих звездных систем. Некоторые астрономы считают возможным, что галактики каким-то образом возникают вокруг уже существующих черных дыр. Но тогда необходимо объяснить возникновение этих первичных черных дыр.
Имеющиеся данные говорят скорее в пользу предположения, что черные дыры постепенно формируются в уже существующих галактиках. Возможно, что сначала образуются черные дыры в центрах массивных звездных скоплений, а у самых старых из них - шаровых скоплений - орбиты движения в галактике таковы, что с каждым оборотом они проходят все ближе и ближе к ее центру, пока не упадут на него.
Недавно черные дыры с массами в тысячи масс Солнца были действительно заподозрены в центрах двух плотных шаровых скоплений, М15 в нашей Галактике и G1 в галактике Андромеды - из тех же соображений, что и черные дыры в центрах галактик. Известно, что звезд с массами более 100-200 солнечных не существует, но в центрах многих шаровых скоплений плотность звезд очень высока и возможно слияние звездных "огарков" - черных дыр звездных масс и/или нейтронных звезд и белых карликов - в единую черную дыру.
Темная материя
Помимо исследований черных дыр, можно назвать еще две области наблюдательной астрофизики, уже нынешние достижения в которых должны привести к присуждению Нобелевских премий. Оказалось, что мы еще плохо знаем, чем же наполнена Вселенная┘
Как выясняется в последние годы, в звездах, еще не потухших и не провалившихся в черные дыры, заключено лишь около 1% массы Вселенной. И вообще барионов (к этим тяжелым элементарным частицам относятся, в частности, протоны и нейтроны) лишь 4% и большая их доля приходится на горячий газ, наблюдаемый в скоплениях галактик. А ведь еще недавно мы считали звезды самыми важными объектами астрономии! Скорости орбитального движения звезд и газа на окраинах галактик, а также скорости газовых облаков и самих галактик внутри их скоплений указывают на существование невидимого, но гравитирующего вещества, масса которого может составлять около 25-30% полной массы Вселенной.
На роль носителя этой "холодной темной материи" долго претендовали нейтрино, но теперь выясняется, что их вклад не превышает 5%. Разгадка природы темной материи, несомненно, принесет кому-нибудь Нобелевскую премию. Она может быть заключена в объектах, массы которых различаются на много порядков: от массивных черных дыр до слабо взаимодействующих элементарных частиц нового типа, которые еще предстоит открыть. Эти частицы, как и нейтрино, ищут физики в космосе - но с помощью приборов, расположенных под землей.
Признаки существования гравитирующей, но ненаблюдаемой массы были обнаружены еще в 30-х годах прошлого века, но высокие скорости галактик в скоплениях могли объясняться и быстрым распадом скоплений и, значит, молодостью составляющих их галактик. Это, однако противоречило оценкам возраста звезд. И теперь, когда наблюдения солнечных нейтрино полностью доказали правильность теории звездной эволюции, эта возможность окончательно закрывается. Попытки модификации теории гравитации также не приносят успеха. Эта великая проблема меркнет, однако, на фоне другой.
Темная энергия
Трудно поверить, что об остающихся 65-70% массы (лучше, впрочем, говорить о "плотности энергии") Вселенной нам неизвестно ничего, кроме ее парадоксального свойства - отрицательного давления, которое действует как антигравитация и вызывает ускоренное расширение Вселенной. Это открытие, основанное на наблюдениях блеска сверхновых звезд в далеких галактиках (он оказался меньше, чем ожидалось для данного расстояния), было опубликовано в 1998 г., но долго вызывало недоверие физиков.
Некоторые специалисты считают необходимым ввести новую сущность (квинтэссенцию), новое физическое поле, для которого эффективная гравитационная плотность отрицательна и которое, следовательно, способно создать антигравитацию, ведущую к ускорению расширения Вселенной. Однако многие космологи отмечают, что таким же свойством отрицательного давления обладает космический вакуум, который присутствует повсюду. Он фигурирует и в физике микромира, представляя собой наинизшее энергетическое состояние квантовых полей. (Заметим, что из этого наинизшего состояния никакой энергии извлечь нельзя по определению, так что многочисленные предложения такого рода бессмысленны.) Именно в нем происходят взаимодействия элементарных частиц; реальность физического вакуума - бесспорный экспериментальный факт, проявляющийся и в лабораторных условиях.
Результат оказался непредсказуемым. Ожидалось, что такая фундаментальная величина должна иметь какое-то выделенное значение - либо нулевое, либо же определяемое планковской плотностью. Однако зафиксированное в наблюдениях значение плотности энергии вакуума меньше планковского на 123 порядка - но отнюдь не нулевое!
Это ставит трудные проблемы перед физической теорией и объясняет недоверие физиков. Однако оспаривать астрономические результаты трудно, они проверяются новыми поисками и исследованиями максимально удаленных сверхновых звезд. А ведь еще недавно их поиски считались рутиной, на которую не стоит тратить время больших телескопов. Впрочем, эта удивительная история заслуживает отдельного рассказа.
