Космос. Прошлое, настоящее, будущее

Одна из гипотез, пытающихся объяснить темную материю, связывает ее с так называемыми слабовзаимодействующими массивными частицами (Weakly Interacting Massive Particles, WIMP). Это гипотетическое семейство массивных элементарных частиц, участвующих только в гравитационном и слабом ядерном взаимодействиях. Их присутствие во Вселенной (в частности, в гало галактик) могло бы объяснить парадокс скрытой массы. Никто еще не наблюдал эти частицы в лаборатории; пока это чисто теоретическое предположение. Но астрофизики считают их одними из наиболее вероятных претендентов на роль темной материи и упорно ищут. Их пытаются экспериментально обнаружить в космосе и на ускорителях, но пока надежных результатов нет.

Домашнее задание для астрофизика

У астрофизики немало и других нерешенных проблем. Они касаются и рождения Вселенной, и происхождения галактик, и эволюции звезд и планет, и физики черных дыр. Лишь недавно астрофизики научились регистрировать приходящие из космоса потоки нейтрино и гравитационные волны. Эти новые для нас носители информации многое сумеют рассказать о процессах, происходящих во Вселенной. Не так давно, изучая движение далеких галактик, астрономы заметили наличие нового типа взаимодействия – антигравитации. Еще недавно антигравитация была темой для фантастов, а теперь физики и астрономы работают над разгадкой ее носителя, пока условно называя его темной энергией.

Может показаться, что все усилия астрофизиков сосредоточены на невидимых, неощутимых, неуловимых сущностях, таких как темная материя, темная энергия, черные дыры, но это не так. Есть немало космических объектов, давно известных ученым и легко наблюдаемых, но до сих пор таящих в себе загадки. За примерами далеко ходить не надо.

Все мы видели солнечную корону – кто на фотографиях, а кто и «живьем» во время солнечного затмения. Корона – самый верхний слой солнечной атмосферы, очень разреженный и очень горячий. Ее температура – несколько миллионов кельвинов, а температура лежащей под ней фотосферы – всего несколько тысяч кельвинов. Парадоксальная ситуация; все равно, как если бы на холодной плите закипала вода в кастрюле. Источник солнечной энергии – термоядерные реакции – находится в недрах Солнца. Выделившееся там тепло постепенно просачивается наверх, к более холодным слоям, что естественно. Минимальной температуры вещество Солнца достигает в его фотосфере, которую мы воспринимаем как видимую поверхность Солнца. Над ней лежат разреженные слои – хромосфера и корона, казалось бы, лишенные источников энергии. Но именно в них чем выше, тем горячее. Что же их греет?

На этот счет есть разные предположения. Долгое время считалось, что корону греют звуковые волны. Действительно, под фотосферой Солнца бурлят конвективные потоки, производящие много шума. Звуковые волны движутся вверх, повышая амплитуду своих колебаний. Ведь волна переносит энергию за счет колебательного движения вещества. А поскольку вверх плотность атмосферы уменьшается, амплитуда колебаний должна возрастать (закон сохранения энергии). На некоторой высоте амплитуда колебаний плотности становится такой большой, что скорость движения вещества достигает скорости звука. Возникает ударная волна, в которой частицы вещества уже не движутся согласованно, а получают «пинок» от пришедшей к ним волны, что приводит к быстрому рассеиванию ее энергии в виде тепла. Однако расчеты показали, что энергии звука недостаточно для разогрева короны.

Эту идею пытались спасти, вспомнив, что магнитное поле, как и газ, тоже обладает упругостью и вдоль него тоже может распространяться волна деформации магнитных силовых линий. Но и идея магнитозвуковых волн тоже себя не оправдала. Сейчас одной из перспективных идей об источниках разогрева солнечной короны считается гипотеза «нановспышек», постоянно происходящих в нижних слоях хромосферы. Здесь приставка «нано» указывает лишь на то, что эти вспышки намного слабее, чем легко наблюдаемые грандиозные солнечные вспышки, вызывающие полярные сияния и магнитные бури на Земле. Но в каждой из нановспышек в среднем выделяется энергия, эквивалентная примерно 240 мегатоннам тротила, что соответствует 12 000 бомб, сброшенных на Хиросиму или Нагасаки. Однако есть и другие гипотезы о причинах высокой температуры солнечной короны. Чтобы ближе познакомиться с короной Солнца, к ней в ближайшее время будут посланы космические зонды. Это должно помочь астрофизикам разрешить загадку горячей оболочки Солнца.

В то время как Солнце и другие звезды доступны прямому исследованию, процесс зарождения звезд изучен весьма поверхностно. Он происходит в холодных и относительно плотных недрах межзвездных молекулярных облаков, куда астрофизики могут заглянуть только с помощью телескопов субмиллиметрового диапазона, которые стали создаваться лишь в последние годы. Именно сейчас начинается изучение звезд в их младенческом возрасте, на стадии протозвезды.