Этот курс посвящен ключевым проблемам современной астрофизики: рождению, эволюции и финальной стадии жизни звезд.
Некоторые из них, например, нейтронные звезды отличаются сверхвысокой плотностью вещества и сверхсильными магнитными полями — такие условия пока недостижимы для современных лабораторий. Как же ученые исследуют эти объекты?
В курсе вы познакомитесь с работой специалистов астрофизики высоких энергий и нейтринной астрономии и разберетесь, зачем люди изучают вспышки сверхновых, ускорение заряженных частиц на космических ударных волнах и высокоэнергитичные нейтрино.
А главы, посвященные теоретической и наблюдательной космологии, объяснят, как эта наука отвечает на вопросы о рождении Вселенной, динамике ее расширения и о формах материи ее заполняющих.
Из урока
Астрофизика высоких энергий
Раздел состоит из шести лекций. Астрофизика высоких энергий - это область науки на стыке физики, физики высоких энергий, астрономии и целого ряда других дисциплин включая астробиологию и множество близких по духу предметов. Астрофизика высоких энергий очень многогранны. Вот некоторые из задач, которые исследуются в этой области науки - это изучение фундаментальных законов природы, строения и эволюции Вселенной и др. Астрофизика высоких энергий дает уникальную возможность получить сведения о процессах в объектах в условиях совершенно недостижимых в земных лабораториях. Характерные энергии частиц, с которыми работает астрофизика высоких энергий, на порядки превосходят энергии, которые достижимы в земных коллайдерах, типа Большого адронного коллайдера.
Физик-теоретик, доктор физико-математических наук, академик РАН, лауреат Государственной премии 2008 года в области науки и технологий. Заведующий кафедрой "Космические исследования" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА] Мы
обсуждали с вами сверхновые как конечные стадии эволюции
массивных звезд и пришли к заключению, что, оказывается,
широкий класс сверхновых, которые возникают в результате коллапса
массивных звезд, оставляет после себя компактный источник.
Этими компактными остатками сверхновых являются нейтронные звезды — это
объекты чрезвычайно плотные с радиусами порядка 10 км,
и в которых вещество нейтронизовано и находится в очень компактном состоянии,
а также черные дыры — гравитационные объекты,
размеры которых сравнимы с гравитационным радиусом объекта.
Давайте чуть-чуть поговорим про эти источники и их наблюдаемые проявления.
Начнем с нейтронных звезд.
Нейтронные звезды, если они быстро
вращаются и обладают магнитным полем, формируют пульсары.
Пульсар — это быстро вращающаяся нейтронная звезда,
которая обладает магнитным полем.
Сочетание быстрого вращения и магнитного поля,
особенно если ось вращения не совпадает с осью магнитного диполя,
приводит к важному феномену образования пульсарной туманности.
Пульсарная туманность образуется в результате того,
что сильные электрические поля в окрестности звезды вырывают
и формируют пары электронов и позитронов, имеющих релятивистские энергии.
Эти частицы уходят от звезды и формируют ветер.
Этот ветер имеет скорости, очень близкие к скорости света.
Релятивистский ветер пульсара состоит в основном из электрон-позитронной плазмы,
в которую впечаталось магнитное поле, «вморожено» магнитное поле.
Вот этот вот феномен можно просто характеризовать на картинке,
которую вы сейчас видите, в результате некоторых индукционных процессов, то
есть формирование электромагнитных полей в окрестности быстровращающегося магнита.
Результатом эволюции такой системы является пульсарная туманность,
которая наблюдается в рентгеновском радио-,
гамма-диапазонах и является очень ярким объектом.
Вот мы здесь иллюстрируем это явление двумя примерами:
наблюдениями в рентгеновском диапазоне на приборе «Чандра»
Крабовидной туманности и туманности Велы.
Вы видите причудливые формы, например, туманность Велы похожа на лебедя,
Крабовидная туманность имеет форму тора, то есть вот эти все
причудливые объекты — они, на самом деле, чрезвычайно энергичны.
То есть это означает, что в них с очень высокой эффективностью
энергия вращения нейтронной звезды конвертируется в излучение
и эффективность конверсии может составлять десятки процентов.
Вот понять природу, как это происходит, чрезвычайно важно,
и это одна из сегодняшних задач астрофизики высоких энергий.
Другое проявление активности компактных источников — это магнетары и черные дыры.
Вот в Физико-техническом институте имени Иоффе исследованию этих
объектов посвящен целый ряд космических экспериментов.
Эти космические эксперименты начали
работать с 70-х годов прошлого века и до сих пор
чрезвычайно успешно функционируют на орбите.
Автором проектов, которые до сегодняшнего дня являются
проектами мирового уровня, был известный ученый Евгений Павлович Мазец.
Он создал уникальную аппаратуру «Конус»,
которая позволяет наблюдать гамма-излучение.
Эта аппаратура «Конус» стоит на многочисленных отечественных и зарубежных
космических аппаратах и позволила наблюдать ряд уникальных явлений,
к которым относятся гигантские вспышки космического гамма-излучения.
Эти вспышки бывают нескольких типов.
Здесь приведены примеры так называемых мягких гамма-репитеров, то есть это
повторяющиеся источники гамма-всплесков, которые формируются на нейтронной звезде.
Эти вспышки столь сильны, что аппаратура, которая их наблюдает,
испытывает трудности с измерением потока в максимуме блеска.
То есть фактически приборы, можно сказать, захлебываются,
столь большой поток излучения приходит к ним в максимуме блеска.
Так вот очень интересный результат был получен группой Физико-технического
института в 2007 году, когда оказалось, что излучение такого вот
повторяющегося мягкого гамма-источника удалось замерить в максимуме
блеска благодаря тому, что сигнал от этого источника отразился от Луны.
При этом он потерял некоторую часть интенсивности,
и его оказалось возможным зарегистрировать.
И поскольку теория позволяет рассчитать, какой сигнал падал на Луну,
для того чтобы мы наблюдали то, что мы наблюдали, это позволило впервые
определить интенсивность излучения около максимума блеска.
Это очень красивый и интересный результат иллюстрируется на слайде.
Другим очень важным наблюдаемым объектом являются гамма-всплески.
Гамма-всплески — это уникальное явление.
Оно было открыто в 70-х годах, когда первые гамма-приборы на орбите обнаружили,
что примерно один раз в сутки небо в гамма-лучах озаряется светом,
то есть интенсивность гамма-излучения очень сильно растет на короткие
промежутки времени, которые измеряются секундами и на самом деле долями секунды.
Так вот, природа этого явления, которое было открыто в 70-х годах,
оставалось загадкой порядка 30 лет.
Только через 30 лет стало ясно, что на самом деле вот физика этих
объектов связана с падением вещества и генерацией
релятивистских струй, то есть очень узких,
узко направленных потоков частиц, полей и излучения
в окрестности черных дыр с массами порядка звездной массы.
При этом выделяется огромная энергия.
Светимость гамма-всплесков составляет примерно 10⁵¹ эрг/с.
И вот здесь приведены некоторые иллюстративные кривые,
которые показывают, как энергия гамма-всплеска меняется...
светимость гамма-всплеска меняется во времени.
Физика гамма-всплесков является достаточно сложной и
сегодня является предметом многочисленных исследований,
но можно понять основные структурные элементы этого явления.
Оно заключается в том, что источником энергии все-таки,
по-видимому, является быстрая аккреция,
то есть быстрое падение вещества на черную дыру, сильное вращение черной дыры,
которое позволяет конвертировать энергию этого вращения в наблюдаемое излучение.
Вот мы видим, что радиус,
на котором происходит формирование мощности гамма-всплеска,
составляет маленькие размеры порядка сотен километров.
В области порядка ста километров формируется вот гигантская интенсивность,
гигантская светимость гамма-всплеска.
Это гравитационный коллапс черной дыры звездной массы.
В результате этого коллапса формируется очень узко направленная струя
релятивистских частиц и поля.
Эта струя имеет скорость частиц и поля, близкую к скорости света.
Отличие скорости движения частиц в этой струе от скорости света
часто составляет десятитысячные доли.
В дальнейшем эта струя из-за неоднородности,
которая в ней присутствует, диссипирует, то есть конвертирует энергию
движения в энергию частиц, ускоренных частиц, и в дальнейшем в излучение.
Это феномен гамма-всплеска.
Гамма-всплески являются самыми яркими источниками излучения.
Они связаны со сверхновыми.
Мы уже говорили, что сверхновые являются самыми яркими источниками,
гамма-всплески — это объект, генетически связанный со сверхновой.
Так, например, гамма-всплеск,
ассоциируемый с событием в 2009 году,
номер которого приведен на слайде, имел так называемое красное смещение больше 7.
Вот это вот красное смещение было оценено спектроскопическими методами,
оно больше 7.
Это означает, что событие произошло во время, которое составляет примерно
6 % сегодняшнего возраста Вселенной, то есть очень в ранние моменты времени.
Анализ таких источников позволяет уже сегодня и в дальнейшем позволит
еще больше получить информацию о веществе во Вселенной на очень ранних
временах и также позволяет проверить наше понимание фундаментальных законов физики,
потому что распространение фотонов разных энергий в среде и последующее их
детектирование несет информацию о фундаментальных законах.
[БЕЗ_ЗВУКА]
[БЕЗ_ЗВУКА]
Ознакомьтесь с нашим каталогом
Присоединяйтесь бесплатно и получайте персонализированные рекомендации, обновления и предложения.
Варшалович Дмитрий АлександровичФизик-теоретик, доктор физико-математических наук, академик РАН, лауреат Государственной премии 2008 года в области науки и технологий.
