В лаборатории космоса

Температуры в сотни миллионов градусов, скопле­ния вещества, в миллиарды миллиардов раз превосхо­дящие массу Солнца, невообразимые плотности, когда в ничтожном объеме помещаются миллиарды топи веще­ства, колоссальные, ни с чем не сравнимые энергии, ди­ковинные превращения вещества и излучения — все это мы можем встретить в бесконечных просторах Все­ленной.

Лаборатория — одно из самых распространенных по­нятий, связанных с научными исследованиями. Физиче­ские, химические, биологические лаборатории — святая святых пауки. Здесь ученые — исследователи — осуще­ствляют разнообразнейшие наблюдения, ставят хитро­умные эксперименты, раскрывают законы природы, про­никают в тайны мироздания. Но в последнее время на­ряду с этим научные исследования все чаще и чаще совершаются еще в одной лаборатории, лаборатории, созданной самой природой — лаборатории Вселенной.

Вселенная —— это совокупность бесконечно разнооб­разных процессов, состояний вещества, превращений ма­терии, источников энергии. В этой лаборатории чело­век получает возможность исследовать неизвестные яв­ления, изучать объекты, которые нельзя искусственным путем воспроизвести в земных условиях. И хотя про­никновение в лабораторию Вселенной, по существу, только начинается, космос уже принес пауке множество ценнейших сведений, которые значительно расширили наши представления о строении материи и, в частно­сти, о различных состояниях вещество,

Еще сравнительно недавно все наши представления о физических явлениях покоились на трех основных со­стояниях вещества: твердом, жидком и газообразном. Трудно было даже представить себе, что наряду с эти­ми «традиционными» состояниями возможно, какое-либо еще — неизвестное. Однако исследование космических явлений показало, что подобные состояния действитель­но существуют.

Первым было обнаружено четвертое состояние — плазма. Плазма — это газ, атомы которого потеряли часть своих электронов и превратились в заряженные атомы — ионы. Смесь ионов и электронов и есть плазма.

Как выяснилось, плазма — необычайно распростра­ненное в природе состояние. В состоянии плазмы нахо­дится вещество Солнца и звезд, верхних слоев земной атмосферы, радиационных поясов Земли и космических туманностей. Наконец, плазма заполняет межпланетное пространство.

Обнаружив плазму в просторах космоса, человек на­учился сам создавать подобное состояние и уже нашел ему немало практических применений. Можно упомя­нуть, например, о плазменных горелках, о плазменной сварке, о магнитогидродинамических генераторах элек­трического тока (МГД-генераторы). Наконец, плазма будет, видимо, играть главную роль в будущих термо­ядерных реакторах.

Пятое состояние вещества, нейтронное, было пред­сказано около тридцати лет назад известным советским физиком Л. Д. Ландау. На основе теоретических рас­четов Ландау пришел к выводу, что при очень больших давлениях, способных вдавить электроны внутрь прото­нов— ядер атомов водорода, может возникнуть еще одно сверхплотное, нейтронное, состояние вещества.

В одной из предыдущих глав мы уже говорили о том, что недавно благодаря успехам рентгеновской аст­рономии были обнаружены космические объекты (один из них расположен в созвездии Скорпиона), которые мно­гие астрономы склонны считать нейтронными звездами.

Еще одно чрезвычайно интересное состояние мате­рии — так называемое дозвездное или незвездное вещест­во, гипотеза о существовании которого была высказана В. А. Амбарцумяном, В отличие от плазмы, кото­рую удается получать в земных условиях, дозвездное вещество никто никогда непосредственно не наблюдал. Но теоретические соображения па этот счет основаны на вполне реальных фактах.

В 1945—1946 гг. академиком Лмбарцумяпом и его сотрудниками были открыты особые неустойчивые звезд­ные группы, названные звездными ассоциациями. На­блюдения показали, что звезды в ассоциациях как бы разбегаются во все стороны от некоторого общего цент­ра. Это наводило па мысль, что в прошлом вещество ассоциаций было сосредоточено в сравнительно неболь­шом объеме. Лмбарцумян высказал смелую мысль о том, что новые звезды рождаются 1! результате распада па части сверхплотного дозвездного тела—протозвезды. Это не простое механическое деление: дозвездное, или незвездное, вещество имеет особые свойства, которыми звезды не обладают. Так, например, отличительной особенностью звезд является непрерывное излучение боль­ших количеств энергии, а дозвездные тела хотя и «начи­нены» энергией, почему-то ее не излучают… Образно творя, незвездное вещество — это своеобразный аккуму­лятор, созданный природой. Обладая колоссальными за­пасами энергии, протозвезды способны длительное вре­мя пребывать в устойчивом состоянии.

В последние годы физики обнаружили существова­ние особых ядерных частиц — гиперонов, образующихся при таких взаимодействиях нейтронов с другими ядер­ными частицами, в результате которых они оказываются как бы впрессованными друг в друга. В обычных условиях гипероны неустойчивы — не успев появиться на свет, они почти сразу же распадаются. Вся их жизнь исчис­ляется триллионными долями секунды. Однако, как по­казали В. А. Амбарцумян и Г. С. Саакян, внутри звезд возможны такие состояния материн, при которых гпперонное вещество длительное время будет находиться в устойчивом состоянии. Плотность вещества гпперонных звезд в десятки миллионов раз выше, чем у нейтронных. Солнце, доведенное до такой степени уплотнения, превратилось бы в шарик меньше километра попереч­ником.

Согласно выводам Амбарцумяна и Саакяна гпнеронные звезды при определенных условиях могут распа­даться па отдельные «куски», которые превращаются затем в обычные звезды. В свете этих исследований пред­ставляется вполне вероятным, что дозвездная материя и есть не что иное, как гиперонное вещество.

Многочисленные наблюдения галактических скопле­нии показали, что и в мире галактик также существуют неустойчивые скопления, которые находятся в состоя­нии быстрого расширения и распада. Не значит ли это, что и галактики рождаются в результате «деления» ги­гантского сгустка дозвездной  материи?

Вели сопоставить эти выводы с полученными за по­следние годы данными о генерации новых космических тел из вещества галактических ядер, т. е. плотных об­разований, расположенных в центральной части неко­торых галактик, то создается впечатление, что в ядрах галактик должна содержаться дозвездная материя. По­добный вывод подтверждается и таким недавно обна­руженным фактом. С помощью радиоастрономических наблюдений было установлено, что из ядра пашей соб­ственной Галактики выбрасывается водород. Г.го еже­годное истечение составляет приблизительно одну мас­су Солнца. Это значит, что время существования Галактики из материи, исторгнутой ядром, могли обра­зоваться миллиарды звезд. Но если такое количество вещества помещалось в сравнительно небольшом ядре, то это значит, что оно должно было находиться там, а сверхплотном состоянии.

Можно ожидать, что со временем будут найдены эф­фективные способы исследования необычных физических процессов, происходящих в ядрах галактик и протозвездах. Это позволит изучить закономерности строения и поведения незвездной материи.

Представление еще об одном состоянии вещества возникло в связи с попыткой объяснить причины чудо­вищных космических катастроф — вспышек сверхновых звезд. Во время такой вспышки звезда раздувается,

прасывает слою газовую оболочку и в течение несколь н.ч суток выделяет столько же энергии, как несколько миллиардов  солнц.

Какие физические процессы способны приводить к иделспию столь грандиозных количеств энергии? Может быть, это хорошо знакомые нам термоядерные реакции, подобные тем, которые протекают в недрах Солнца? По нет, неопровержимые расчеты показывают, что количество энергии, выделяющееся при вспышках сверхновых, никакие термоядерные реакции не смогли бы •обеспечить».

В попытках создать стройную теорию загадочных срывов не было недостатка. Но увы, все они малоубсдительны. Не так давно появилась еще одна гипотеза. Ее выдвинул известный советский физик профессор «[. А. Франк-Камепецкнй. В основе этой гипотезы лежит представление о новом состоянии вещества —«эинплазме».

Что же такое «эгшплазма»? Это название было предложено ученым для смеси частиц и так называемых античастиц». Как известно, частицы и античастицы то «заклятые враги», которые неспособны мирно «ужи­ваться» друг с другом. Стоит только античастицам прийти в соприкосновение с обычными частицами, как про-1СХОДНТ так называемая аннигиляция — и те и другие сейчас же превращаются в электромагнитное излучение.

По может ли в таком случае существовать эпнилаз-1.1 —- устойчивая смесь частиц и античастиц? Как показывают расчеты Франк-Камепецкого, при определенных ’71’ОВИЯХ это возможно.

Подсчитано, что при аннигиляции частицы и античастицы выделяется огромное количество энергии. Но точно такое же количество необходимо затратить для IX образования. Энергия эта во много раз превосходит енергию термоядерных реакций. Поэтому если для поддержания в устойчивом состоянии обычной водородной плазмы достаточна температура порядка десятков и со­си миллионов градусов, то для образования и поддержания в устойчивом состоянии эпиплазмы необходима «онстнне чудовищная температура — в десятки миллиар­дов градусов.

Но где же в природе могут существовать подобные температуры? По мнению Фрапк-Каменецкого, они как раз и реализуются в недрах некоторых сверхновых звезд.

Теория эволюции звезд говорит о том, что звезда, теряя энергию на излучение, постепенно сжимается, и если первоначальная масса звезды достаточно велика, то подобное сжатие может привести к тому, что в цент­ральном ядре вещество окажется в состоянии весьма высокой плотности. Как показали вычисления, при этом в ядре могут возникать пары частиц и античастиц. В конце концов, вся энергия сжатия уходит па образо­вание эпиплазмы, которая накапливается в ядре в зна­чительном количестве. В таком состоянии эпиплазма может длительное время находиться в равновесии. Но все же тело, содержащее эпиплазму, не может быть до­статочно устойчивым. Оно напоминает собой бомбу за­медленного действия. Стоит в недрах звезды появиться хотя бы небольшому местному разрежению, как начи­нается аннигиляция. Возникает «роковой» импульс, ко­торый в конечном счете приводит к взрыву всей звезды. Освободившаяся при этом энергия переходит в энергию «жестких», т. е. весьма коротковолновых невидимых электромагнитных излучений и энергию разлета ве­щества.

Интересно отметить, что этот теоретический вывод профессора Франк-Камепецкого находит хорошее под­тверждение в астрономических наблюдениях. При вспышках сверхновых некоторых типов действительно отмечается весьма большая энергия разлета вещества и весьма незначительное испускание видимого света.

Расчеты показывают, что вещество, выброшенное в момент- вспышки сверхновой, должно содержать значи­тельное количество эпиплазмы. Известно, что после вспышки разлетевшаяся оболочка звезды быстро рас­ширяется. Видимо, этому расширению как раз и способ­ствует выброшенная в момент взрыва эпиплазма, в ко­торой продолжается процесс медленной аннигиляции с выделением энергии. Действительно, в последнее время в непосредственной близости от тех мест, где происхо­дили вспышки сверхновых, были обнаружены источники жесткого ультрафиолетового излучения.

Для более детальной проверки гипотезы Фрапк-Ка-менецкого потребуется разработать специальную мето­дику регистрации жестких электромагнитных излучений и с ее помощью выяснить наличие подобных излучений при вспышках сверхновых.

Имеет ли изучение новых физических состояний ве­щества во Вселенной какое-либо практическое зна­чение?

Имеет, и немаловажное. Дело не только в том, что оно вооружает нас новыми знаниями о строении мате­рии и космических процессах. Одной из самых важных задач, которая стоит перед человечеством, является овладение новыми источниками энергии. Ведь обычные энергетические ресурсы нашей планеты ограничены, а развитие общества и прогресс техники требуют все боль­ших энергетических затрат. И речь идет не только о том, чтобы шире использовать такие источники, как энергия ветра, Солнца, приливов и внутреннее тепло Земли, но и об изучении некоторых космических процессов, которые затем человек мог повторить в искусственных условиях и направить выделяющуюся энергию на полезные цели.

Вот с этой-то точки зрения и представляют огром­ный интерес новые состояния вещества. Ведь выделение энергии как раз и происходит в тех случаях, когда веще­ство переходит из одного состояния в другое или пре­вращается в другие формы материи.

Значит, новые состояния вещества — это новые ис­точники энергии.