К.А. Постнов, А.В. Засов - Курс общей астрофизики, страница 3

Вселенная становится в среднем однородной и изотропной на характерных расстояниях ∼ 100 Мпк. Однородность на масштабах порядка ∆L означает, что средняя плотность вещества в ячейках с размером ∆L (иначе, в объеме ∆L3 )одинакова (с точностью до случайных флюктуаций) для любой вы-Глава 1. Введение14бранной наугад области. Изотропия означает отсутствие выделенных направлений в больших масштабах.Расстояния r до далеких галактик определяется по красномусмещению спектральных линий z = (λe −λo )/λe в их спектре (здесьλe − длина волны света, испущенного далеким космическим источником, λo − длина волны света, зарегистрированного земным наблюдателем) с использованием закона Хабблаv = H0 r,(1.3)где H0 = 72 ± 5 км/(с·Мпк) − современное значение постояннойХаббла, v(z) − скорость удаления галактики. В пределе малых скоростей (v c) z ≈ v/c.

Для близких галактик метод калибруетсяпо цефеидам. Для ∆λ/λ > 1 понятие расстояния теряет свою однозначность и зависит от предполагаемой космологической моделирасширения Вселенной.Если выражать расстояние через промежуток времени, потребовавшийся свету для его преодоления, то объекты с максимальным известным красным смещением (∆λ/λ ≈ 5 − 10) удалены нарасстояние 12–13 миллиардов световых лет.

Степень удаленностиот нас очень далеких объектов принято характеризовать их красными смещениями без перевода в единицы расстояний, поскольку перевод в парсеки или св. года зависит от принимаемой моделирасширения Вселенной. Но до достаточно больших расстояний в3–5 миллиардов св.

лет отношение можно считать выполняющимся условие z 1, и проблем с неоднозначностью определения физического расстояния не возникает. В расширяющейся ВселеннойХаббловский радиус (горизонт событий наблюдателя) определяется как произведение современного возраста Вселенной на скоростьсвета и равен ≈ 3500 Мпк.В астрофизике приходится иметь дело и с весьма малыми расстояниями. Это связано с тем, что основная информация об астрофизических источниках получается из измерения потока электромагнитного излучения от различных объектов (кроме электромагнитного излучения, в современной астрофизике изучается также1.1. Пространственно-временные масштабы в астрофизике15излучение нейтрино и гравитационных волн).

Электромагнитноеизлучение рождается на микроскопическом уровне при квантовыхпереходах в атомах (связанно-связанные переходы), при фотоэффекте (свободно-связанные переходы), при ускоренном движениизаряженных частиц в вакууме (тормозное, или свободно-свободноеизлучение) или в магнитном поле (циклотронное или, в случае релятивистских частиц, синхротронное излучение). Некоторые характерные размеры микрообъектов, известные из курса атомнойфизики, к которым мы иногда будем в дальнейшем обращаться,приведены в Приложении.1.1.2. Характерные временаПриведем примеры некоторых характерных времен, возникающих в различных астрофизических задачах.Время жизни атома в возбужденном состоянии ∼ 10−8 c.Сутки (период обращения Земли вокруг оси) 24 ч ∼ 105 c.Период обращения Земли вокруг Солнца 1 год π × 107 c.Период обращения Солнца вокруг центра Галактики 230 млн.лет.Характерное время жизни звезды типа Солнца η∆M c2 /L ∼1010 лет (здесь η ≈ 0.007 эффективность ядерных реакций превращения водорода в гелий в центре Солнца, ∆M ≈ 0.4M – доля массы Солнца, перерабатываемого из водорода в гелий,M = 2 · 1033 г и L ≈ 4 · 1033 [эрг/с] – масса и светимость (количество излучаемой энергии) Солнца.Современный возраст Вселенной (Хаббловский возраст) по порядку величины равен обратному значению постоянной ХабблаtH 1/H0 ≈ 1.4 · 1010 лет1.1.3.

Характерные значения массМассы, с которыми имеют дело в астрофизических проблемах,также различаются на много порядков.Массы основных элементарных частиц: me ≈ 10−27 г ≈ 511 кэВ– масса электрона, mp ≈ 5/3 × 10−24 г ≈ 1 ГэВ – масса протона.16Глава 1. ВведениеmP l = c/G 10−5 г ≈ 1019 ГэВ – планковская масса; максимально возможная масса элементарной частицы в рамках стандартной теории частиц.Характерная масса звезд: M ≈ 2·1033 г – масса Солнца (типичной звезды). Массы стационарных звезд лежат в пределах от ∼ 0.1до ∼ 100M .

Масса самых больших планет-гигантов типа Юпитеране превышает несколько тысячных долей M .Массы галактик: MM W ≈ 1011 M – совокупная масса светящихся звезд Млечного Пути (типичной галактики). Массы барионного вещества галактик (включая звезды, пыль и газ) лежат вшироких пределах от ∼ 106 − 107 M до 1012 M .

Кроме барионной составляющей, в полную массу галактик входит темная материя неизвестной природы, масса которой в несколько раз превышает массу видимого барионного вещества.Важным астрофизическим методом оценки массы гравитационно-связанных систем является использование теоремы вириала (см. Приложение), которая устанавливает зависимость междуусредненной по времени полной кинетической энергией и потенциальной энергией системы.

Например, по наблюдениям скоростей движений отдельных звезд (или галактик) в скоплении звезд(галактик) и наблюдаемым размерам скопления можно сделать вывод о полной массе (включая невидимую массу) этого скопления.Этот прием широко используется, например, при оценке масссверхмассивных черных дыр в ядрах активных галактик и квазаров. По ширинам эмиссионных линий в спектрах галактик определяют характерные скорости движения излучающего газа ∼ 1000 −2000 км/с, а размер области, в которой происходит движение,оценивают по запаздыванию переменности излучения в нетепловом континууме (который предположительно генерируется вблизи черной дыры) и в эмиссионных линиях водорода и других элементов, которые возникают при фотоионизации газа жесткимиквантами центрального континуума (т.н.

метод эхо-картирования).При характерных наблюдаемых временах запаздывания в десяткидней расстояние от центрального источника до переизлучающих1.1. Пространственно-временные масштабы в астрофизике17облаков оказывается порядка 1016 −1017 см, и таким образом массыцентральных источников 108 − 109 M , что также подтверждаетсядругими способами измерения их масс.1.1.4. Солнечные единицыОбычно при изучении звезд пользуются солнечными единицами массы, радиуса и светимости:масса Солнца M ≈ 2 · 1033 г;видимый радиус Солнца R ≈ 7 · 1011 см;болометрическая светимость Солнца (мощность излучения вовсем диапазоне электромагнитного спектра) L ≈ 4 · 1033 [эрг/с].Эти единицы удобны, однако, только когда мы рассматриваемнормальные (невырожденные) звезды, источником энергии которых являются ядерные реакции синтеза тяжелых элементов.

Когда речь заходит о компактных остатках звездной эволюции (белых карликах, нейтронных звездах или особенно черных дырах)для оценки характерных размеров часто используют гравитационный радиус тела, который зависит только от его полной массыRg = 2GM/c2 .Например, типичный радиус нейтронной звезды ∼ 10 − 20 км,что составляет в гравитационных радиусах RN S 3 − 4Rg . Другойпример: радиус последней устойчивой2 круговой орбиты пробнойчастицы вокруг невращающейся (шварцшильдовской) черной дыры, от которого зависит эффективность энерговыделения при падении (аккреции) газа на нейтронную звезду или черную дыру, равен 3Rg .2В том смысле, что бесконечно малое возмущение приводит к падению частицы в черную дыру.Глава 2.Излучение и поглощениеэлектромагнитных волнв средеОсновным источником информации о небесных телах остаетсяэлектромагнитное излучение.

С древнейших времен и до серединыХХ века астрономические наблюдения проводились исключительно в оптическом диапазоне электромагнитного спектра (длина вол° )). Радионаблюдения космических исны 4000–8000 aнгстрем (Aточников начались только после второй мировой войны во многом благодаря развитию радиотехники для целей связи и радиолокации.

Земная атмосфера не пропускает коротковолновое излучение, поэтому УФ, рентгеновское и гамма-излучение от небесных объектов стало изучаться лишь начиная с 1960-х гг., когда стали возможны запуски детекторов жесткого излучения в высокиеслои атмосферы (20 км и выше – баллонные эксперименты) и за еепределы на специализированных искусственных спутниках Земли(“УХУРУ”, 1972).Вещество в любом физическом состоянии излучает и поглощает электромагнитные волны. Более 99% видимого вещества в природе имеет температуру свыше 100 тысяч градусов. Это веществозвезд и горячего разреженного межзвездного и межгалактического газа.

При такой температуре газ полностью ионизован, то естьпредставляет собой плазму, состоящую из свободных электронов,ионов и ядер. Свойства такого вещества сравнительно простые, и2.1. Основные понятия19только при температуре < 104 K, когда электроны оказываютсясвязанными с ядрами, процесс взаимодействия частиц, как и процесс излучения и поглощения света, становится значительно сложнее.2.1. Основные понятияНекоторые часто встречающиеся элементарные физические процессы, ответственные за излучение и поглощение света атомами исвободными частицами, описаны в Приложении. Для количественного понимания процессов, происходящих в астрофизических источниках, нам понадобится знакомство с макроскопической теорией переноса электромагнитного излучения в среде, способной излучать и поглощать электромагнитные волны.Напомним основные понятия макроскопической теории излучения.2.1.1.