Содержание.

Введение. 3

1. Краткая характеристика объектов Вселенной. 5

1.1.Звезды. 5

1.2.Галактики. 7

2. Удивительные объекты Вселенной – квазары. 9

2.1. Открытие квазаров. 9

2.2. Гипотезы природы квазаров. 12

3.Удивительные объекты Вселенной — пульсары. 16

3.1 Открытие пульсаров. 16

3.2. Строение пульсаров. 18

3.3. Механизм действия пульсаров. 19

Заключение. 21

Список литературы. 23

Введение.

     Величественное, прекрасное, загадочное, вечное… Оно пугает, завораживает, манит… Все это о нем – о звездном небе. Звездное небо всегда заставляло человечество задумываться над вечными философскими вопросами. Во все времена о нем создавали легенды. Со времен античности и по сей день оно, как и каждое событие, проявляющееся в нем, привлекает к себе повышенное внимание не только профессиональных ученых и любителей астрономии, но и вообще всех людей, для которых астрономия – одна из множества наук. Именно накопленный веками опыт, истоки которого лежат в простом человеческом любопытстве, позволяет нам сейчас с уверенностью говорить если не обо всех, то, по крайней мере, о многих объектах, процессах, событиях, происходящих в бескрайних просторах Вселенной.

     Понять  и постигнуть природу наблюдаемых  тел и явлений во Вселенной  люди хотели всегда. На тех данных, которыми они располагали в свое время, они строили картину мира, менявшуюся с течением времени, поскольку появлялись все новые и новые мысли, данные и факты о сущности наблюдаемых объектов и явлений. Но, что самое главное, благодаря этому появлялась возможность проверить правильность тех или иных идей, в том числе, с помощью других, смежных с астрономией, наук, в частности, физики. Нечасто изменение взглядов на мир и его строение выступало в форме простого уточнения: нередко это было своеобразной ломкой устоявшихся взглядов и стереотипов. Например, гелиоцентрическая модель мира Николая Коперника, «спустившая» Землю до простой планеты, чем вызвала яростную критику церкви, тем не менее, была колоссальным шагом вперёд и сокрушительным ударом по архаичным авторитетам.

     Но  даже в такие переломные моменты  астрономы всегда испытывали чувство  глубокого уважения к трудам предшественников и рассматривали их вклад как  серьезный и важный этап в общем движении к истине.

     Без преувеличения можно сказать, что  мы первое поколение людей, которое  знает, каково расстояние до самых отдаленных объектов видимой Вселенной, и какой они имеют возраст, но это совсем не означает, что будущим поколениям останется только уточнять имеющиеся не сегодняшний день знания о мегамире. Отнюдь. По мере увеличения количества наших знаний растет и число проблем, требующих решения, найти которое и предстоит нашим потомкам.

     Астрономия  и в наши дни продолжает основываться на наблюдениях, однако современные  астрономы уже почти не смотрят  в телескопы – их заменяют другие приемники излучения, информация от которых передается прямо в компьютер, что позволяет делать все новые  и новые открытия объектов и явлений, нередко невидимых человеческим глазом. Однако современные достижения, очевидно, далеко не предел, но даже имеющиеся на сегодняшний день знания – это колоссальный опыт, который нельзя недооценивать, поскольку именно он лежит в основе всех будущих открытий и, возможно, революционных потрясений в области астрономии.

     Итак, приоткроем завесу тайны и попробуем хотя бы немного разобраться в этом удивительном мире Вселенной.

1. Краткая характеристика объектов Вселенной.

      «Этот космос, один и  тот же для всех, не создал никто  из богов, никто из людей, но он всегда был, есть и будет вечно живой  огонь, мерно возгорающийся, мерно  угасающий»

Гераклит  Эфесский.

      «Вселенная» является самым общим понятием, характеризующим  весь окружающий нас материальный мир, иначе – «природа». Однако в более узком смысле Вселенная – это окружающий нас мегамир или  совокупность макроскопических тел и их систем астрономического масштаба. Макроскопические тела – это физические системы, состоящие из огромного количества частиц (атомов и молекул). Более конкретно, мегамир – это мировое пространство, небесные тела и их системы, космические газ, пыль, электромагнитные поля, космические элементарные частицы. Вселенную, рассматриваемую, как единое целое, подчиняющуюся общим законом, называют космосом (греч. κόσμος, «порядок», «красивое»). Считается, что впервые Вселенную как гармоничную, упорядоченную систему назвал космосом древнегреческий ученый Пифагор.¹

1.1.Звезды.

      За  сравнительно небольшой отрезок времени представления о звездах изменились кардинальным образом: из далеких светящихся точек на небе они превратились в предмет всестороннего исследования. Как бы отвечая Антуану де Сент – Экзюпери, упрекнувшему «жалкий род исследователей» в том, что звезда перестала быть для них живым светилом, американский физик Ричард Фейнман сказал: «Поэты утверждают, что наука лишает звезды красоты. Для нее звезды – просто газовые шары. Совсем не просто. Я тоже любуюсь звездами и чувствую их красоту. Вот только кто из нас видит больше?»²

      Так что же такое звезда с научной  точки зрения?

      Звезда – небесное тело, по своей природе похожа на Солнце, является массивным, самосветящимся плазменным шаром. Звезды образуются из газово-пылевой среды (в основном из водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. В них заключена основная масса светящегося вещества в природе.

      Звезды, как любое живое существо, рождаются, живут и умирают. Астрономы не в состоянии проследить жизнь хотя бы одной из них от начала до конца. Даже самые короткоживущие звезды существуют миллионы лет – дольше жизни не только одного человека, но и всего человечества. Зато они могут наблюдать за звездами, находящимися на разных стадиях развития – только что родившимися и умирающими.

      Звезда  начинает свою жизнь как разреженное  облако межзвёздного газа, сжимающееся  под действием собственного тяготения. При сжатии температура газа возрастает. Когда она достигает в ядре нескольких миллионов градусов, начинаются термоядерные реакции и сжатие за счет них прекращается. В этот момент силы гравитационного сжатия уравновешиваются силами, возникающими благодаря термоядерным реакциям. В таком состоянии звезда пребывает большую часть своей жизни, пока не закончатся запасы топлива в её ядре. Когда в центре звезды весь водород превратится в гелий, термоядерное горение водорода продолжается на периферии гелиевого ядра.

      В нашей Галактике – Млечном пути – более 100 миллиардов звёзд. На фотографиях неба, полученных крупными телескопами, видно огромное количество звёзд. Их так много, что им не только не дают имён, но и не пытаются сосчитать. Но самые яркие звезды имеют свои имена.

1.2.Галактики.

      Астрономы давно замечали далекие туманные объекты - эти туманности были замечены еще в XVII веке. О знаменитой туманности Андромеды – ближайшей к нам галактике – впервые упомянул современник Галилео Галилея Симон Мариус в 1612 году. Французский астроном Шарль Месье, известный своими открытиями комет, чтобы наблюдатели не путали кометы с туманностями, составил первый список туманностей, содержавший около ста объектов. Но лишь в 20-х годах нашего века удалось установить, что некоторые туманности – это гигантские звездные системы, находящиеся далеко за пределами нашей галактики – Млечного Пути³.

      Галактики – это большие звездные системы, в которых звезды связаны силами гравитационного взаимодействия. Самые  большие включаю в себя триллионы  звезд, самые маленькие – в  миллион раз меньше. Кроме обычных  звезд в галактиках также есть межзвездный газ, пыль, а также  достаточно «экзотические» объекты: белые  карлики, нейтронные звезды, черные дыры. Галактика, в которой мы живем, конечно  же, не исключение.

      Постепенно  астрономы выяснили, что эти звездные системы сильно отличаются по форме и размером друг от друга, и Хаббл составил знаменитую «камертонную диаграмму» - первую классификацию галактик, которая и по сегодняшний день широко используется в наблюдательной астрономии. Все галактики Хаббл разбил на три основных вида⁴:

      1. Эллиптические.

      Очень многие из ныне известных галактик имеют эллиптическую форму. У самых крупных эллиптических галактик поперечник сравним с диаметром нашей галактики, включая ее корону (примерно 105 парсек), а масса их достигает 1013 солнечных масс. Таких гигантских эллиптических галактик сравнительно немного, и гораздо более распространены так называемые карликовые эллиптические галактики, имеющие размеры в поперечнике «всего» 2000 парсек и содержащие несколько миллионов звезд (в нашей Галактике сотни миллиардов звезд, и она, поэтому, считается гигантской).

      2. Спиральные.

      Спиральные  галактики были открыты первыми. По внешнему виду они напоминают чечевицу или двояковыпуклую линзу. Это сильно сплюснутые системы гораздо большей яркости, чем широко распространенные карликовые эллиптические галактики. Основное различие между обычными спиральными галактиками и спиралями с перемычкой заключается в форме ядра этих систем. Обычные, или нормальные, спирали имеют ядро приблизительно сферической формы, но уряда спиральных галактик в области вытянутого ядра наблюдается перемычка.

      3. Неправильные.

      К ним относятся, например, два основных «компаньона» нашей Галактики – Магеллановы облака: Большое и Малое. Свое название они получили из-за особенностей их видимой формы. Некоторые неправильные галактики несут на себе отпечатки мощных взрывных процессов, другие имеют искаженную форму за счет взаимодействия с соседними близкими галактиками.

      3.1 Линзовидные.

      Линзовидные галактики так же, как и спиральные, сильно сплюснуты и напоминают чечевицу, но у них нет спиральной структуры.

      Большинство галактик образуют большие и малые скопления. Малые насчитывают десятки членов, большие – тысячи. Большое скопление в Волосах Вероники содержит примерно десять тысяч галактик, главным образом эллиптических. Размер этого огромного скопления около четырех мегапарсек. Скопления галактик, в свою очередь, входят в состав еще более крупных структурных образований, которые называются сверхскоплениями. Эти самые крупные структурные ячейки Вселенной имеют размеры до сотни мегапарсек и массы, превышающие 1015 масс Солнца.

      Именно  галактики являются ключевым элементом  в структуре наблюдаемой Вселенной, а проблемы образования галактик и структурирования мира – один из основных вопросов в современной космологии.

2. Удивительные объекты Вселенной – квазары.

      Квазар (англ. «quasar» – QUASi stellAR radio source, то есть похожий на звезду радиоисточник) – это класс внегалактических объектов, отличающихся очень высокой светимостью и настолько малым угловым размером, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от точечных источников – звезд. Квазар излучает столько энергии, сколько могли бы излучать десятки галактик, собранных вместе. И при этом квазары выглядят точечными звездообразными объектами, за что они и получили свое название: квазизвездные радиоисточники. Почему же такая энергия выделяется в маленьком объеме? Это основная и пока еще не до конца раскрытая тайна квазаров.

2.1. Открытие квазаров.

      История открытия квазаров также заслуживает  большого внимания. В первые годы развития положения обнаруженных источников на небе не были известны недостаточно точно. Иногда источник радиоизлучения совпадал с каким – нибудь необычным  оптическим объектом, в частности  с Крабовидной туманностью. Но даже в большинстве случаев на месте  даже ярких радиоисточников ничего примечательного на фотографиях  не было. Нужны были точные координаты радиоисточников, чтобы провести более тщательные оптические отождествления.

      Астрономы предложили оригинальный способ определения  координат некоторых радиоисточников. Иногда Луна, двигаясь по небу, проходит перед радиоисточником и закрывает  его. Поскольку положение Луны в  любой момент известно с большой  точностью, необходимо лишь зафиксировать  время, когда источник исчезает за лунным диском и когда он появляется вновь.

      В 1963 году Луна должна была пройти перед  ярким радиоисточником 3С 273 (квазар в созвездии Девы). Наблюдения этого  покрытия были организованы на Паркском радиотелескопе в Австралии и  потребовали весьма сложной подготовки. Башня Паркского телескопа недостаточно высока, так что зеркало нельзя наклонять к горизонту под  углом ниже 30 градусов, иначе оно  попросту упирается в землю. Но покрытие 3С 273 происходило ниже. С радиотелескопа пришлось снять несколько тонн металлических  конструкций, чтобы сделать наблюдения возможными. За несколько часов до покрытия источника Луной по местным  широковещательным радиостанциям  было передано сообщение с просьбой не включать никаких передатчиков. Дороги вблизи радиотелескопа патрулировались, чтобы не пропускать случайные автомобили.⁵

      Однако  эти меры оказались не напрасными.

      Так, в 1960 году астрономы T. Мэттьюз и A. Сендидж, работая на 5 – метровом телескопе, расположенном на горе Паломар в Калифорнии, обнаружили ничем не примечательную, еле заметную в любительский телескоп звездочку 13–й звездной величины, наблюдаемую в созвездии Девы. И именно из этой искры возгорелось пламя!

      Все началось с того, что в 1963 году Мартином Шмидтом было обнаружено, что этот объект (как упоминалось, по каталогу 3С 273) имеет очень большое красное смещение. Значит, расположен он чрезвычайно далеко от нас и очень ярок. Расчеты показали, что 3С 273 находится на расстоянии 620 мегапарсек, и удаляется со скоростью 44 тысячи км/с. Обычную звезду с такого расстояния не увидишь, а на большую звездную систему, типа галактики, квазар, будучи очень маленьким, был не похож.

      В том же 1963 году 3С 273 был отождествлен с мощным радиоисточником. Радиотелескопы тогда не были столь точны в  определении направления прихода  радиоволн, как сейчас, поэтому звездные координаты квазара 3С 273 были определены путем наблюдения его покрытия Луной  на обсерватории «Паркском» в Австралии. Таким образом, перед изумленными  взорами астрофизиков предстал совершенно необычный объект, ярко сверкавший в видимом и радиодиапазоне электромагнитных волн. На данный момент обнаружено уже  более 20 тысяч таких звездоподобных объектов, часть из которых хорошо видна также в рентгеновском  и радиодиапазоне.

      Московские  астрономы А. Шаров и Ю. Ефремов  решили выяснить, как менялась светимость 3С 273 в прошлом. Они нашли 73 фотографии этого объекта, самая ранняя из которых  датировалась 1896 годом. Оказалось, что  объект 3С 273 несколько раз менял  свою яркость почти в 2 раза, а  иногда, например в период с 1927 по 1929 год в 3–4 раза.

      Надо  сказать, что феномен переменной яркости был обнаружен еще  раньше. Так, исследования, проведенные  в Пулковской обсерватории в 1956-м, показали, что ядро галактики NGC 5548 достаточно сильно изменяет со временем свою яркость⁶.

      Теперь  специалисты понимают всю важность этого наблюдения, но несколько десятилетий  назад ученые были убеждены, что  излучение от ядер галактик в оптическом диапазоне обеспечивается исключительно  миллиардами находящихся там звезд, и даже если несколько тысяч из них по каким-то причинам погаснут, то с Земли этого заметно не будет. Значит, рассуждали ученые, большинство звезд в ядре галактики должны «мигать» синхронно! Хотя, конечно, управлять подобным оркестром не под силу ни одному дирижеру. Таким образом, именно из-за своей абсолютной непонятности это открытие и не привлекло к себе особого внимания.

      Дальнейшие  наблюдения показали, что изменение  интенсивности излучения с периодом несколько месяцев — для квазаров явление обычное, и размер области  излучения не превосходит расстояния, которое проходит свет за эти самые  несколько месяцев. А для того, чтобы изменения во всех точках области происходили синхронно, нужно, чтобы информация о начинающемся изменении успела дойти до всех точек. Понятно, что материя квазара излучает свет не по команде, а в силу происходящих на нем процессов, но факт синхронности, то есть одновременности, изменения условий и величины излучения указывает на компактность данного квазизвездного объекта. Поперечник большинства квазаров, по-видимому, не превышает одного светового года, что в 100 тысяч раз меньше размеров галактики, а светят они при этом порой как целая сотня галактик.

      Один  квазар светится сильнее, чем вся  наша Галактика, примерно в 10000 раз. Энергии  среднего, ничем не примечательного, квазара хватило бы на то, чтобы  снабжать всю Землю электроэнергией  в течение нескольких миллиардов лет. А некоторые из квазаров излучают энергии в 60 тысяч раз больше.

2.2. Гипотезы природы квазаров.

      Квазары – самые далекие из тех космических  объектов, которые можно наблюдать  с Земли. По причине невероятной  светимости, их можно наблюдать на расстоянии в 10 миллиардов лет. Самая удивительная особенность этих объектов в том, что они небольшие по размеру, но выделяют поистине чудовищную энергию во всех областях спектра электромагнитных волн, особенно в инфракрасной области.

      По  своим свойствам эти псевдозвездные радиоисточники похожи на активные ядра галактик. Многие астрофизики считают, что светимость этих объектов поддерживается не термоядерным путем. Энергия квазаров – это гравитационная энергия, которая выделяется за счет катастрофического сжатия, происходящего в ядре галактики.

      Гипотез и предположений относительно природы этих объектов существует множество.

      На сегодняшний день наиболее распространена точка зрения, согласно которой квазар — это сверхмассивная черная дыра, втягивающая в себя окружающее вещество (аккреция вещества). По мере приближения к черной дыре заряженные частицы разгоняются, сталкиваются, и это приводит к сильному излучению света. Если черная дыра при этом имеет мощное магнитное поле, то оно дополнительно закручивает падающие частицы и собирает их в тонкие пучки, джеты, разлетающиеся от полюсов.

      Под действием мощных гравитационных сил, создаваемых черной дырой, вещество устремляется к центру, но движется при этом не по радиусу, а по сужающимся окружностям — спиралям. При этом закон сохранения момента импульса заставляет вращающиеся частицы  двигаться все быстрее по мере приближения к центру черной дыры, одновременно собирая их в аккреционный диск, так что вся «конструкция»  квазара чем-то напоминает Сатурн с  его кольцами. В аккреционном диске  скорости частиц очень велики, и  их столкновения порождают не только энергичные фотоны (рентгеновское излучение), но и другие длины волн электромагнитного  излучения. При столкновениях энергия  частиц и скорость кругового движения уменьшаются, они потихоньку приближаются к черной дыре и поглощаются ею. Другая часть заряженных частиц направляется магнитным полем к полюсам  черной дыры и вылетает оттуда с  огромной скоростью. Так образуются наблюдаемые учеными джеты, длина которых достигает 1 миллион световых лет. Частицы в джете сталкиваются с межзвездным газом, излучая радиоволны.

      В центре аккреционного диска температура  относительно невысокая, она достигает 100 000К. Эта область излучает рентгеновские  лучи. Чуть дальше от центра температура  еще немного ниже — примерно 50 000К, там излучается ультрафиолет. С  приближением же к границе аккреционного  диска температура падает и в  этой области происходит излучение  электромагнитных волн все большей  длины, вплоть до инфракрасного диапазона.

      Не  надо забывать и о том, что свет от далеких квазаров приходит к нам  сильно «покрасневшим». Для количественного  определения степени покраснения  астрономы используют букву z. Именно выражение z+1 показывает, во сколько  раз увеличилась длина волны  электромагнитного излучения, долетевшего  от источника (квазара) до Земли. Так, если появляется сообщение, что обнаружен  квазар с z = 4, то это означает, что его ультрафиолетовое излучение с длиной волны 300 нанометров превращается в инфракрасное излучение с длиной волны 1 500 нанометров. Кстати, для исследователей на Земле это большая удача, ведь ультрафиолетовая часть спектра поглощается атмосферой, и эти линии никогда бы не наблюдались. Здесь же длина волны за счет красного смещения увеличилась, как будто специально для того, чтобы пройти сквозь земную атмосферу и быть зарегистрированной в приборах.

      По  другим версиям, квазары – это  молодые галактики, процесс появления  на свет которых мы наблюдаем.

      Некоторые из ученых предполагают, что, да, квазар – это молодая галактика, но которую  пожирает черная дыра⁷.

      Впрочем, существует и промежуточный, хотя, вернее было бы сказать, «объединенный» вариант гипотезы, согласно которому квазар — это черная дыра, поглощающая вещество формирующейся галактики. Так или иначе, но предположение о сверхмассивной черной дыре в центре галактики оказалось плодотворным и способным объяснить многие свойства квазаров.

      Так, например, масса черной дыры, находящейся  в центре типичной галактики, составляет 106 – 1010 солнечных масс и, следовательно, ее гравитационный радиус варьируется в пределах 3×106–3×1010 км, что согласуется с предыдущей оценкой размеров квазаров.

      Новейшие  данные также подтверждают компактность тех областей, из которых исходит  свечение. Например, 5-летние наблюдения позволили определить орбиты шести  звезд, вращающихся около похожего центра излучения, находящегося в нашей  галактике. Одна из них недавно пролетела  от черной дыры на расстоянии, составляющем всего 8 световых часов, двигаясь со скоростью 9 000 км/с⁸.

      Как бы там ни было, астрофизики очень  тесно связывают существование  квазаров и судьбу галактик.

      Столь мощные источники лучистой энергии, как квазары, — опасные соседи, поэтому нам, землянам, остается только порадоваться тому обстоятельству, что в нашей Галактике и в ближайшем скоплении галактик они отсутствуют и, что ближайший из них – ЗС 273 – находится на расстоянии 2 миллиардов световых лет. Их обнаруживают, в основном, на самом краю видимой части нашей Вселенной, в тысячах мегапарсек от Земли. Но тут волей-неволей возникает естественный вопрос — а не противоречит ли это наблюдение распространенному мнению об однородности Вселенной? Как получилось, что в одних галактиках квазары существуют, а в других нет? Для того, чтобы ответить на эти вопросы, необходимо вспомнить, что свет от наблюдаемых нами квазаров летел миллиарды лет. А это означает, что взору землян квазары предстают в «первозданном» виде, такими, какими они были миллиарды лет назад, и сегодня они, скорее всего, уже утратили свою былую силу. Следовательно, те галактики, которые расположены недалеко от квазаров, «видят» гораздо более слабые источники света. Но тогда, если Вселенная однородна, то же самое должно относиться и к нашей Галактике! И тут остается повнимательнее присмотреться к ближайшим к нам космическим структурам, в попытке отыскать объекты, напоминающие остывшие квазары, эдакие квазары – призраки. Оказывается, такие объекты действительно существуют. Квазары, являющиеся одними из самых древних образований, родились почти одновременно со Вселенной, то есть примерно 13 миллиардов лет назад. Причем они не только крайне отдалены от нашей Галактики — согласно закону расширения Хаббла (чем дальше от нас объект, тем быстрее он удаляется), расстояние между нами продолжает неуклонно увеличиваться. Так вот, наиболее далекие квазары «убегают» от нас со скоростью всего на 5 процентов меньшей скорости света.

      Открытие  квазаров в 1963 году оказало существенное влияние на космологию, на разработку теорий о возникновении Вселенной. Квазары – одна из самых больших загадок, которые природа поставила перед человеком. И, если решение этой загадки будет найдено, – быть может, человек познает, к тому же, новые способы превращения материи и добычи энергии.

3.Удивительные объекты Вселенной — пульсары.

3.1 Открытие пульсаров.

      Пульсар — это астрономический объект, испускающий мощные, строго периодические  импульсы электромагнитного излучения  в основном в радиодиапазоне.

      История открытия пульсаров весьма интересна. В середине 60-х годов ХХ века радиоастрономы при помощи нового радиотелескопа решили провести первый полный обзор северного полушария неба по выявлению мерцающих радиоисточников, для чего была сооружена специальная антенная решетка из параллельных рядов медной проволоки. Работу по анализу наблюдений поручили аспиранту Кембриджского университета Джоселин Белл, научным руководителем которой и организатором всего мероприятия был английский физик, астроном Энтони Хьюиш.

      Мерцания  на околосолнечной системе наблюдаются  только в дневное время суток, когда радиоисточник находится  на угловом расстоянии 30 — 60 градусов от Солнца. Но Джоселин решила не выключать  самописец, регистрирующий радиоизлучение, и ночью. День за днем она аккуратно просматривала записи, фиксируя мерцающие радиоисточники. И однажды она нашла быстропеременный источник – «помеху», которая наблюдалась глубокой ночью, когда мерцающих источников не должно было быть. Вскоре она обнаружила, что «помеха» повторяется через 23 часа 56 минут – одни звездные сутки, сделав закономерный вывод, что источник находится за пределами Солнечной системы.

      Хьюиш, Белл и другие члены сделали специальную  запись «помехи» с повышенной скоростью  самописца. Они увидели, что странный сигнал представляет собой короткие импульсы, точность повторения которых  просто феноменальна. Результаты наблюдений были засекречены на полгода, что было связано как с предположением искусственности строго периодических импульсов радиоизлучения. Но впоследствии проверка показала, что всплески приходят из одной и той же точки неба каждый раз, как радиотелескоп наводится на нее. Значит, всплески имеют неземное происхождение. Это – новое астрономическое явление, какой – то новый объект неистощимой на выдумки природы.