Фундаментальная проблема астрофизики

Введение

В. В. Радзиевский, Н. И. Перов

В современной астрофизике можно обозначить три фундаментальные проблемы: космология (рождение и эволюция Вселенной в целом); ядра галактик (физическое строение и процессы, происходящие в них); проблема поиска внеземных цивилизаций и связи с ними. Остановимся на последней проблеме, довольно неожиданно отнесенной к астрофизике академиком В.Л.Гинзбургом. (В среде специалистов утвердилось авторитетное мнение астрофизика из Специальной астрофизической обсерватории В.Ф.Шварцмана, который отнес эту проблему к культуре человечества в целом. Заметим, что, по мнению О.Шпенглера (1880-1939), цивилизация - производная от культуры, но единой общечеловеческой культуры нет и быть не может. Он выделяет следующие культуры: египетскую, индийскую, вавилонскую, китайскую, греко-римскую, византийско-арабскую, западноевропейскую и культуру майя. О.Шпенглер предсказывал рождение русско-сибирской культуры, а в XIX веке, по его мнению, начался "закат" западной культуры).

Научная постановка проблемы поиска внеземных цивилизаций относится к 60-м годам двадцатого столетия (США), причем вначале исследователи были полны оптимизма, который за четыре десятилетия заметно убавился. Свидетельство тому - эволюция названий данной проблемы. Если первое название CETI (Communication with Extraterrestrial Intelligence) - полное эйфории - отражало надежду на быстрое получение радиосигналов от внеземных цивилизаций, то следующее - SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) позволяло надеяться только на обнаружение внеземного разума, но не на связь с ним. В 1997 году пессимизм, обусловленный великим молчанием Вселенной [3], сменился осторожным оптимизмом, поскольку были отождествлены более 80 сложных органических молекул (состоящих из 2-13 атомов) в межзвездной среде нашей Галактики; открыты первые два десятка планет вблизи других звезд; а также изучены 12 марсианских метеоритов. Один из них (ALH 84001) содержит образования размерами 0.1 мкм (на два порядка меньше размеров земных бактерий), похожие на окаменевшие земные организмы. Этот метеорит был выброшен с поверхности Марса из области "древних" каналов (когда на Марсе была вода), от удара астероида размером 10 км, около 16 млн лет назад.

Хотя понятие "жизнь" является чрезвычайно сложным для определения, но в рамках программы SETI "разумная жизнь" - это способность создавать и использовать большие радиотелескопы и радиопередатчики.

1. Изучение граничных условий, необходимых для существования жизни

Исследование биологических процессов на Земле привело к неожиданным результатам, которые касаются интервала значений внешних параметров среды. Так, например, некоторые виды бактерий выживают в среде с температурой до +150ºС, а отдельные споры переносят "космический холод" - температуру - 140ºС. Экстремальные значения давления составляют тысячи и десятки тысяч атмосфер, внешняя среда может быть и щелочной и кислотной. Но основное свойство всех живых земных существ - самоорганизующихся систем - потребность в воде.

Для возникновения и эволюции на планете земного типа амино-нуклеино кислотной формы жизни и ее перехода к многоклеточным организмам необходимы очень узкие интервалы многих физических характеристик планеты, к которым относятся: нахождение планеты вблизи звезды позднего спектрального класса (температура 4000ºС-7000ºС); большая полуось и эксцентриситет орбиты планеты; период вращения; наклон экватора к плоскости орбиты; наличие открытых водоемов и водяного пара в атмосфере; вулканы и тектоника плит, атмосфера планеты, масса планеты, спутник планеты, связь "энергетика-масса-пища-размеры животных".

По одной из гипотез, возникновение Земли и жизни на ней не были заметно разнесены во времени - жизнь, по-видимому, возникла из неживой природы (путем многочисленных химических реакций, имевших высокую вероятность в условиях ранней Земли) в первые 700 млн лет существования Земли. Столкновения небесных тел могли приводить к ликвидации условий, необходимых для возникновения жизни и ее развития. Это подтверждают исследования обнаруженных ударных кратеров на Земле, Луне, Марсе, астероидах и спутниках планет Солнечной системы. Возможно, первый живой организм не выдержал жестких условий существования на первобытной Земле и не оставил потомства. Жизнь могла неоднократно возникать и угасать. Но при слишком интенсивном вымирании организмы могли оставаться мелкими (даже одноклеточными), чтобы быстрее воспроизводиться, и прогресса в приспособлении к новым условиям не происходило. При слишком слабых воздействиях ряд хорошо приспособленных организмов мог полностью оккупировать планету, подавляя развитие новых биологических форм (многоклеточных). Вероятно, промежуточный уровень космических воздействий на Землю и позволил появиться развитой и разумной жизни на Земле.

Если на начальном этапе становления программы SETI полагали, что разумная жизнь во Вселенной должна быть распространенной на планетах типа Земли, а представители цивилизации должны быть подобны землянам, то позднее распространилось мнение о том, что возможный гуманоидный внешний облик и человекоподобная психология внеземных разумных существ противоречат современным теориям биологии, и в первую очередь эволюционному учению. Появление сходных черт в результате взаимодействия видов с окружающей средой возможно только при наличии общих предков и общих внешних условий. Поскольку внеземная разумная жизнь не имеет с человеком ничего общего, если исключить этап образования в недрах звезд нескольких десятков химических элементов (из которых состоят земляне и "инопланетяне"), вряд ли ее представители будут похожи на человека.

Впрочем, программа SETI не ведет поиск внеземных вариантов человека, а занимается только поисками разума человеческого типа. (В 1998 году в институте психологии РАН и Государственном астрономическом институте им.П.К.Штернберга МГУ состоялись горячие дебаты по поводу "Космического Субъекта" и его возможной связи с загадочным быстрым барстером в шаровом скоплении "Лиллер-1", к которому привлекают внимание известный астроном Ю.Н.Ефремов и специалист по математическому моделированию сознания В.А. Лефевр. Согласно вариантам моделей В.А. Лефевра, носитель сознания "Космический Субъект" может быть и "разумным плазмоидом", а рентгеновский источник в шаровом скоплении - либо связан с деятельность самого Космического Субъекта, либо является его специализированной "машиной").

2. Поиски следов жизни на планетах, естественных спутниках планет, астероидах и кометах солнечной системы

С 80-х годов XX столетия разрабатывается гипотеза об искусственных космических объектах (ИКО). В соответствии с этой гипотезой технологически высокоразвитая цивилизация проводила долгосрочную программу галактических исследований с помощью таких ИКО, включая Солнечную систему, поэтому пояс астероидов с его почти полумиллионным количеством объектов диаметром выше 1 км (на 28 мая 2001 года уже было известно 123284 астероида) является возможным районом существования колонии внеземной цивилизации, использующей его богатые сырьевые ресурсы. Конкретно выделяют астероиды: 216 (Клеопатра), 624 (Гектор), имеющие необычную гантелевидную форму, а также - 532 (Геркулина) и 9 (Метис), с, вероятно, крохотными спутниками.(На сентябрь 2001 года в Солнечной системе открыто 14 двойных астероидов [7]).

Также выделяют орбиты - геоцентрические, селеноцентрические, соответствующие либрационные орбиты, при движении по которым подобные искусственные космические объекты можно считать неподвижными (во вращающихся системах координат), таких как: Солнце-Земля, Земля-Луна, Плутон-Харон.

Подходящими космическим телами для внеземной жизни также считаются спутники Юпитера - Европа, Ганимед, Каллисто и некоторые спутники других планет-гигантов, где возможна жизнь на уровне бактерий под поверхностью этих тел. Не случайно, что уже сегодня приходится решать проблему космического карантина космических аппаратов, вернувшихся из полетов к небесным телам с образцами космического вещества.

Самыми заметными объектами для обнаружения были бы самовоспроизводящиеся зонды, а также последствия их деятельности на поверхности планет и в космическом пространстве. Несмотря на экзотический характер предложенных гипотез, следует иметь в виду, что в 99.999% объема Солнечной системы могут существовать искусственные космические объекты слабого блеска, с диаметром в несколько десятков метров (звездная величина которых +24m), недоступные обнаружению с помощью современных телескопов. Если же искусственный космический объект расположен где-то на поверхности планет, то предстоит исследовать 99.99% соответствующей площади (Космический аппарат "Магеллан" в 1990-х годах провел исследования Венеры с разрешением 100 м). Марсоход "Соджорнер" в 1997 году выполнил программу, связанную с поиском жизни на Марсе, и сейчас результаты экспедиции к Марсу находятся в стадии обработки. Из космических аппаратов, ведущих (или которые будут вести) поиски жизни в Солнечной системе, выделим "Галилео", исследующий юпитерианский мир, "Кассини", изучающий спутниковую систему Сатурна, "Гюйгенс", предназначенный для изучения Титана (спутника Сатурна), "Розетту", с помощью которой планируется доставить на Землю кометное вещество (на август 1999 года было каталогизировано 1036 комет Солнечной системы).

Замечание. Все тела Солнечной системы (естественные и искусственные; открытые и неизвестные) находятся под юрисдикцией ООН.

3. Поиски внесолнечных планет и исследование их атмосфер

Во времена Дж.Х.Джинса (1877-1946), известного английского астрофизика, в астрономии и космогонии господствовало представление о том, что планетные системы во Вселенной - величайшая редкость, поскольку считалось, что они образуются в результате катастрофических сближений пар звезд, а такие звездные столкновения характеризуются чрезвычайно малой вероятностью (величина межзвездных расстояний огромна по сравнению с размерами звезд). Не случайно астрофизик И.С.Шкловский (МГУ) поставил проблему поиска планет около звезд первой в цепи грядущих фундаментальных проблем в одном ряду с такой грандиозной проблемой астрофизики, как сингулярность Вселенной [4].

В настоящее время при открытии внесолнечных планет используются методы, основанные на следующих астрофизических принципах: а) выделение отраженного планетой части потока световой энергии звезды (минимальное значение потоков энергии от планеты и звезды равно 2.5·10-9); б) учет возмущений от гравитационного поля планеты в движении звезды (учитываются изменения - радиальной скорости звезды (3 м./с), ее положения на небесной сфере (0.0001"), времени прихода сигнала (0.000001 с)); в) прохождение планеты по диску звезды (при этом плоскость орбиты планеты должна приблизительно совпадать с направлением луча зрения наблюдателя, время прохождения зависит от орбитального периода планеты и радиуса звезды, а из-за различных "шумов" с Земли можно обнаружить планеты типа Юпитера и из космоса - планеты типа Земли); г) гравитационное линзирование, основанное на известном эффекте общей теории относительности А.Эйнштейна, при этом возрастает видимая светимость звезд, расположенных за невидимыми планетами (до 100 раз при расстояниях, сравнимых с расстоянием до центра Галактики, - несколько тысяч световых лет), но соответствующий метод применим для детектирования только очень далеких планет. Тем не менее, астрономы показали с помощью этого метода, что 25% звезд имеют компаньонов с массами Юпитера, расположенных на расстояниях от этих звезд больше 3 астрономических единиц.

По состоянию на 2001 год уже открыты планеты вблизи звезд: ρ1 Рака, 47 Большой Медведицы, Лаланда 21185, τ Волопаса, 70 Девы, HD 114762, ρ Ρеверной Короны, 16 Лебедя, ν Андромеды, 51 Пегаса (у этой звезды в 1995 году швейцарские астрономы обнаружили первую внесолнечную планету), четыре планетоподобные образования обнаружены вблизи пульсаров PSR 1257+12 и PSR 1620-26; Gliese 876, 14 Геркулеса, HD 187123, HD 210277, Gliese 86, HD 168443, HD 195019, HD 75289, Taurus Molecular Ring и др. (Открытые планетные системы распределены на небе таким образом, что все они имеют склонения -27º< δ<+51º, за исключением Gliese 86 (δ=-51º) и HD 75289 (δ=-42º), следовательно, в средней полосе России почти все они могут быть выше плоскости горизонта и наблюдаемыми). Массы и периоды обращений этих планет вокруг "своих" звезд оказались сравнимыми с массами и периодами обращений вокруг Солнца планет Солнечной системы. Планеты у звезд 16 Лебедя и 47 Большой Медведицы находятся "в поясе жизни" - на определенных расстояниях от звезд температура является благоприятной для развития жизни по типу земной. Уже сделано предположение, что и расстояния вновь открытых планет от своих звезд подчиняются правилу Тициуса-Боде, открытому более 200 лет назад для планет Солнечной системы. Понятно, что вследствие скудной статистики это не более чем догадка.

Пытливому читателю, имеющему доступ в INTERNET, вероятно, будет интересно самому отслеживать открываемые внесолнечные планеты, например, по адресам постоянно обновляющихся каталогов внесолнечных систем:

http://www.priceton.edu/~wllman/planetary_systems/

http://www.obspm.fr/planets

(На 5 декабря 2001 года в каталоги были занесены 66 звезд с обнаруженными около них 74 планетами, причем только у 7 звезд обнаружено по 2-3 планеты. Массы планет в каталогах не превосходят 13 масс Юпитера. Необходимо иметь в виду, что в настоящее время отсутствуют четкие критерии разделения планетоподобных объектов на планеты, планеты-гиганты и "коричневые" (или "инфракрасные") карлики [1,5]. Результаты статистической обработки каталогов приведены в статье [1]).

В рамках программы прямого обнаружения внесолнечных планет предстоит решить еще ряд наблюдательных задач, таких как обнаружение диффузной материи в окрестностях соседних звезд; получение прямых изображений протопланетных дисков вблизи этих звезд; обнаружение спутников и коричневых карликов - "субзвезд"; обнаружение планет типа Земля (пока обнаружены планеты типа Юпитер); спектроскопическое обнаружение и определение общих характеристик планетных атмосфер и океанов; обнаружение неравновесности атмосфер планет, связанной с действием биологических факторов в них; выявление эффектов, сопутствующих разумной жизни.

Некоторые задачи этой программы решаются с помощью Космического телескопа им. Э.Хаббла, который находится на высоте 600 км. Каждые три года, как и было предусмотрено в проекте, астронавты - экипажи "Спейс Шаттлов" - производят непосредственно на орбите обновление его оборудования и профилактические работы (Первый полет к телескопу состоялся в 1993 году, второй - в феврале 1997 года, а третья миссия к "Хабблу" - в декабре 1999 года). Спектрометр, с помощью которого анализируются инфракрасные изображения небесных тел в диапазоне длин волн от 0.8 мкм до 2.5 мкм, предназначены, в частности, для поиска протопланетных дисков вокруг молодых звезд.

В 2005 году предполагается изготовить интерферометр "Террестриал Планет Файндер", разрабатываемый в штате Аризона (США), главная задача которого - поиск внесолнечных планет, перспективных с точки зрения возникновения жизни. Закрывая свет центральной звезды и пропуская только излучение планет (если они существуют), ученые планируют определить химический состав атмосфер планет, исследуя их излучение в молекулярных полосах углекислого газа, озона и воды. Наличие всех трех соединений явится сильным доказательством в пользу существования микроорганизмов. В ходе выполнения программы предполагается исследовать 1000 звезд на расстояниях, не превышающих 1000 парсеков.

Полет космического аппарата (КА) "SIM" (NASA) посвящен поиску внесолнечных планет с массами Сатурна и Земли, расположенных, соответственно, на расстояниях 15 пк и 5 пк.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: шпоры по педагогике, сочинение.





1  2  3 | Следующая страница реферата