Занимательная астрофизика

Какие же физические процессы скрываются за всеми этими явлениями, какие события во Вселенной могут порождать гамма-фотоны? Одним из них может, служить столкновение ядерных частиц, при котором образуются так называемые нейтральные пи-мезоны (нейтральные пионы). Нейтральные пи-мезоны — недолговечные частицы — в среднем через 10^-16 с они распадаются на два гамма-фотона. Пионы рождаются также при аннигиляции электрона и позитрона и протона и антипротона.

Пионы, образующиеся в результате взаимодействия протонов и атомных ядер космических лучей с межзвездным газом, являются основным источником гамма-излучения в области энергий более 100 МэВ.

Еще один физический процесс, способный генерировать гамма-фотоны, — слияние протона с нейтроном, в результате которого образуется ядро дейтерия — тяжелого водорода.

Космическое гамма-излучение, подобно рентгеновскому, может возникать и благодаря уже знакомому нам обратному комптон-эффекту, и в результате тормозного излучения электронов. Наконец, излучение в гамма-диапазоне может генерировать и синхротронный механизм.

Все эти явления тесно связаны с различными космическими процессами, и поэтому их наблюдение и изучение может многое рассказать о физике Вселенной.

Взгляд в завтрашний день

До сих пор мы знакомились только с электромагнитными носителями космической информации. Однако, как уже было отмечено выше, вестниками космических процессов могут служить и корпускулярные излучения, потоки частиц.

Прежде всего это космические лучи — потоки заряженных частиц — ядер атомов различных химических элементов, пронизывающие космическое пространство и обладающие огромными кинетическими энергиями — от 10⁸ эВ и больше. Это в десятки тысяч раз больше, чем энергии теплового движения частиц в самых горячих объектах Вселенной.

Следовательно, своим возникновением космические лучи обязаны каким-то мощным физическим, процессам, изучение которых представляет для современной астрофизики особый интерес. Это могут быть, например, так называемые вспышки сверхновых звезд, а также активные физические процессы в ядрах звездных систем (галактик) и в квазарах.

Интересным носителем космической информации являются и элементарные частицы — нейтрино. Эти частицы рождаются при радиоактивном бета-распаде, когда ядро одного химического элемента испускает электрон и превращается в ядро другого химического элемента.

Нейтрино не имеет электрического заряда и чрезвычайно слабо взаимодействует с веществом. Точнее говоря, оно участвует только в так называемых слабых физических взаимодействиях, не вступая ни в 10¹² раз более сильные электромагнитные взаимодействия, ни в ядерные взаимодействия, которые еще в сотни раз мощнее. Именно за эти свойства нейтрино и заслужило свое наименование — его предложил знаменитый итальянский физик Энрико Ферми: по-итальянски «нейтрино» означает сразу «маленький» и «нейтральный».

Длина свободного пробега нейтрино в веществе колоссальна: она исчисляется миллионами миллиардов километров. Чтобы полностью заэкранироваться от частиц космических лучей самых высоких энергий, достаточно опуститься в глубь Земли на сотни метров, максимум на несколько километров. А для полной защиты от потока нейтрино нужно было бы расположить один за другим 10 млрд. земных шаров или поставить свинцовую плиту толщиной в несколько триллионов километров.

Нейтрино должны в большом количестве рождаться в ходе термоядерных реакций, являющихся источником энергии Солнца и звезд. Свободно пронизывая толщу звездного вещества, они вылетают в космическое пространство и несут ценнейшую информацию о физических процессах, протекающих в звездных недрах. В сущности, современная астрофизика не знает другого способа, который позволял бы получать прямые сведения об этих процессах.

Как считают теоретики, на последней стадии жизни массивных звезд, когда «умирающая» звезда катастрофически сжимается и превращается либо в нейтронную звезду, либо в черную дыру, могут происходить кратковременные нейтринные вспышки, наблюдение которых дало бы бесценную информацию о заключительных стадиях существования этих небесных тел.

Возможно также, что нейтрино высоких энергий могут рождаться в различных уголках Вселенной в результате каких-либо чрезвычайно мощных физических процессов. Надо ли говорить, какой огромный интерес представляли бы сведения о подобных явлениях.

Но, пожалуй, наиболее увлекательна перспектива зарегистрировать реликтовые нейтрино, родившиеся на самых ранних стадиях существования нашей Вселенной.

Разумеется, регистрация нейтрино — задача технически чрезвычайно сложная. Но пути к ее решению существуют, необходимая аппаратура разрабатывается, ее возможности растут, и можно не сомневаться, что нейтринная астрофизика уже в недалеком будущем значительно раздвинет рамки наших представлений о физике Вселенной.

Еще один весьма перспективный и многообещающий вестник Вселенной — гипотетические гравитационные волны, существование которых предсказывается общей теорией относительности А. Эйнштейна.