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.
From the lesson
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]
[МУЗЫКА] Среди
других очень интересных свойств сверхновых и остатков сверхновых,
о которых мы с вами говорили, большой интерес представляет то,
что сверхновые и их остатки являются очень важными и
интересными ускорителями космических частиц.
На самом деле электромагнитные поля разной природы,
которые формируются в оболочках сверхновых звезд,
а также в окрестности компактных объектов, то есть пульсаров и черных дыр,
способны ускорять заряженные частицы космической природы до огромных энергий.
Это энергии десятки джоулей или, как более принято в астрофизике высоких энергий,
энергии, достигающие 10 в 21-й степени электронвольта.
Там принято мерить в электронвольтах.
Откуда мы это знаем?
Мы с вами знаем хорошо, что изменение энергии, то есть ускорение частицы в
электромагнитных процессах возможно при наличии электрических полей.
Электрические поля в плазме часто связаны с быстродвижущимися
элементами плазмы, в которых вморожено магнитное поле.
Вот быстродвижущееся магнитное поле создает за счет эффекта индукции
электрические поля, которые и ускоряют частицы.
Как мы наблюдаем это?
Вот на слайде, который вы сейчас видите,
изображено изображение остатка сверхновой 1006 года,
полученное при помощи рентгеновского телескопа Chandra.
Рентгеновский телескоп Chandra имеет уникально высокое угловое разрешение,
которое позволило увидеть, что на границе остатка
сверхновой (в данном случае это остаток сверхновой 1006 года), имеются полоски,
яркие полоски рентгеновского излучения с характерными свойствами,
типичными для так называемого синхротронного излучения.
Синхротронное излучение, как вы знаете из школьного курса, возникает
при ускоренном движении релятивистской заряженной частицы в магнитном поле.
Это обычно излучают электроны и позитроны, то есть легкие заряженные частицы.
Так вот, оказывается, что яркие края оболочек остатков сверхновых
показывают нам на наличие синхротронного излучения, то есть это означает, что в
них имеются ультрарелятивистские электроны с энергиями порядка десятков эрг.
Такие энергии достижимы и в земных лабораториях.
На самом деле вот здесь приведены несколько примеров известных
ускорителей частиц.
Это Стэнфордский линейный ускоритель,
это Большой адронный коллайдер, который как вы знаете,
ознаменовал целый ряд важных открытий в недавнем прошлом, включая бозон Хиггса.
Но в данном случае нас интересует тот факт, что Большой адронный коллайдер и
остаток сверхновой ускоряют частицы до примерно одних и тех же энергий,
но разными реализациями электромагнитных процессов.
Кроме остатков сверхновых, оболочечных остатков сверхновых,
сильными источниками ускоренных частиц являются гамма-всплески,
которые кроме ускорения частиц еще, по-видимому,
являются источниками нейтрино высоких энергий.
И в более широком контексте, кроме гамма-всплесков,
аналогичные физические процессы, по-видимому,
осуществляются и в окрестности черных дыр больших масс.
Мы знаем, что в центральных частях галактик
содержатся черные дыры, массы которых во много миллионов раз больше,
чем солнечные массы, чем массы обычных звезд.
Физические процессы, которые происходят в окрестности
вращающихся черных дыр, как звездных масс,
так и сверхмассивных, они имеют некоторые общие свойства.
Это общее свойство, одно из этих общих свойств — это формирование так называемых
джетов, то есть струй релятивистских частиц,
которые распространяются в обе стороны от вращающегося
диска вещества, падающего на черную дыру.
Вот физика процессов в случае падения вещества на черную дыру,
физика формирования магнитных полей, вращения черной дыры,
она чрезвычайно интересна и сейчас является предметом активного изучения.
Но по наблюдательным проявлениям мы видим, что в результате таких процессов
ускоряются частицы очень высоких энергий — ультрарелятивистские частицы,
и некоторые оценки показывают, что энергии этих частиц
действительно могут быть столь велики, что достигать джоулей.
Вот здесь показано несколько иллюстраций подобного рода явлений.
Одним из наиболее красивых проявлений является наблюдение галактики Центавр А.
Галактика Центавр А была открыта в радиодиапазоне,
где она ярко проявляет себя.
Но особо интересно увидеть изображение высокого разрешения в
рентгеновском диапазоне, полученное при помощи телескопа Chandra.
Здесь вы четко видите диск галактики, в котором доминируют пылевые компоненты,
и вы видите четко струю, которая имеет очень большие размеры,
и у нас есть основание считать, что частицы в струях сверхмассивных
черных дыр возможно ускоряются действительно до энергий порядка джоуля,
то есть до максимальных наблюдаемых энергий на Земле.
Сегодняшняя техника позволяет видеть не только изображение
глобальной Галактики,
но и проникать в самое сердце процессов около черной дыры.
Для этого используется радионаблюдение высокого
разрешения — интерферометрия с длинными базами.
Так вот интерферометрическими методами были получены изображения внутренней
части струи в окрестности черной дыры, которые вы видите на рисунке.
Особо важно то, что частицы, ускоренные в центральных
частях галактик, в оболочках сверхновых,
в других космических ускорителях, они приходят к нам на Землю,
и мы наблюдаем их в форме спектра космических лучей.
Вот на слайде мы видим спектр космических лучей,
которые наблюдаются на орбите Земли.
Спектр состоит из нескольких компонент,
эти компоненты связаны с различием процессов ускорения.
Частицы с энергиями до примерно 10 в 17-й электронвольта или несколько больше,
по-видимому, имеют галактическое происхождение.
То есть они, по-видимому, ускоряются в остатках сверхновых,
в оболочках сверхновых, которые мы с вами видели.
Частицы более высоких энергий, весьма вероятно, не были ускорены в нашей
Галактике, а были ускорены в экзотических объектах с сверхмассивными черными дырами,
возможно, с гамма-всплесками, имеют внегалактическое происхождение.
Однако этих частиц достаточно много, они уверенно наблюдаются.
И изучение их физики существенно как для понимания фундаментальных
процессов взаимодействия частиц при высоких энергиях, поскольку их энергии
превышают энергии, которые можно создать на земных ускорителях,
так и они несут информацию о интересных процессах,
которые происходят в самих ускорителях.
[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.
