Черные дыры и квазары
Нейтронная звезда с массой более трёх масс Солнца не вечна. Она довольно быстро остынет и превратится в чёрную дыру.Как известно, масса искривляет окружающее пространство-время. Огромные компактные массы способны искривить его настолько, что оно замкнётся само на себя, образовав пространственно-временной пузырь, собственную замкнутую Вселенную внутри нашей Вселенной.Чёрная дыра поглощает вещество извне, но ничего не выпускает изнутри.Менее всего обоснована гипотеза перехода массивной нейтронной звезды в чёрную дыру. Как отличить невидимую чёрную дыру от невидимой же нейтронной звезды? Если масса объекта составляет 2-3 солнечных массы, то это почти наверняка не чёрная дыра. Наиболее вероятный кандидат в чёрные дыры – звезда Лебедь-Х имеет массу, более чем в 5 раз превышающую солнечную.В 60-е годы был совершенно неожиданно открыт новый класс космических объектов – рентгеновские пульсары – рентгеновские источники, которые «мигают» с очень постоянной частотой от секунд до сотых долей секунды. Оказалось, что излучение в рентгеновском диапазоне это особенность компактных объектов – нейтронных звёзд и чёрных дыр. Правда, не все компактные объекты дают рентгеновское излучение, а только те, которые входят в состав двойных звёзд или находятся в плотных облаках межзвёздного газа и пыли – рентгеновские кванты испускает вещество, падающее на поверхность нейтронной звезды или в чёрную дыру (у которой нет поверхности). Ещё более неожиданным было открытие квазаров. Когда в 30-е годы – время бурного развития коротковолновой радиосвязи, встала проблема защиты передачи от помех, инженерам удалось грубо определить стабильные источники помех. В частности, ими оказались определённые участки звёздного неба. Астрофизики не могли принять это всерьёз, и вот по какой причине: получалось, что радиоизлучение от неведомых космических объектов было в тысячи раз сильнее, чем радиоизлучение Солнца. Самые крупные космические тела – звёзды. Самая близкая к Земле звезда находится в четырёх световых годах от нас, а Солнце – на расстоянии 8 световых минут. Энергия электромагнитных колебаний убывает пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, будь радиоисточник даже ближайшей звездой, он должен излучать приблизительно в сто триллионов раз интенсивнее, чем Солнце. Когда в начале 50-х годов появились первые радиотелескопы, источники радиоизлучения удалось картировать точнее. Несколько удалённых радиотелескопов можно соединить в единую сеть и получить разрешение не менее (или более) детальное, чем у лучшего светового телескопа. С развитием техники наблюдений космические радиооблака стягивались в точки, и, наконец, их стало возможно привязать к светящимся объектам. Спектр этих объектов оказался совершенно необычным: привычные линии водорода были смещены в красную область почти на треть. Это означало, что радиоисточники находились не просто далеко, а исключительно далеко, на расстоянии миллиардов световых лет от Земли. Оптические снимки ближайших из них показали вытянутые структуры, которые первоначально были названы радиогалактиками. Теперь мы знаем, что это воронки газа и космической пыли, падающие на сравнительно малый объект – не больше нашей солнечной системы. Длина этих газопылевых рукавов порядка сотни тысяч световых лет. Газовые вихри, разогреваясь, излучают в радиодиапазоне. Центральное массивное тело получило название квазар. Квазар – это не звезда, не галактика. Наиболее распространённая гипотеза – квазар это огромная чёрная дыра, возникшая на месте ядра галактики, звёзды ядра провалились в эту дыру. Не все квазары являются активными радиоисточниками, некоторые почти молчат в радиодиапазоне. Однако в любом случае квазары являются самыми мощными источниками энергии во Вселенной. Притягивая и разгоняя звёзды и газ, они заставляют их генерировать электромагнитные волны в самых разных диапазонах. Чёрные дыры, не обязательно такие массивные, как квазары, находятся в центре многих, если не всех, галактик. Предположительно, чёрная дыра массой порядка миллиона солнечных, есть и в центре нашей галактики - Млечного пути. Центральные части галактического диска закрыты таким количеством космической пыли, что надёжно проверить эту гипотезу пока не удаётся.
Галактики, скопления галактик и крупномасштабная структура Вселенной
Не так давно словом "галактика" обозначалась крупная звёздная система. Помимо звёзд в ней существует межзвёздный газ и космическая пыль. Галактики различались по форме – делились на спиральные, шаровые, эллиптические и прочие.В настоящее время представления о галактиках решительно меняются. Звёзды, газ и пыль – то, что далее будем называть «видимое вещество» – составляют незначительную долю от общей массы галактики. Основным в ней является «тёмное вещество». «Тёмное вещество» существует, но мы не знаем, что это такое.Ограничимся обзором наиболее изученных галактик вроде той, в которой обитаем мы, а именно - спиральных. Спиральные галактики обычно имеют два рукава – изогнутые зоны наибольшего скопления звёзд.Если смотреть на спираль в профиль, то она предстанет в виде полоски с шаровидным утолщением в центре – балджем. Понятия «балдж» и «ядро галактики» во многом совпадают. В центре балджа находится чёрная дыра порядка сотни тысяч солнечных масс и более. Масса чёрной дыры связана с размерами балджа. И, наконец, галактику окружает сферическое гало из звёздных скоплениий более низкого порядка.По самой оси балджа расположены молодые горячие звёзды. Газ и пыль здесь неоднородны, образуют значительные скопления, особенно плотные в рукавах. В этих скоплениях приблизительно одновременно возникает множество звёзд. Процессы образования новых звёзд продолжаются здесь до сих пор.Межзвёздный газ охлаждается за счёт излучения и смещается к центру галактики, где излучение чёрной дыры балджа (точнее, вещества, падающего на чёрную дыру) вновь его нагревает. Галактический газ образует холодные струи, направленные к «нагревателю» - центру галактики и горячие струи, уходящие к периферии. Эллиптические галактики, в отличие от спиральных, представляют из себя один огромный балдж.Соответственно этому, чёрная дыра в его центре в тысячи раз массивней тех, что находятся в центрах спиральных галактик. Вещество – газ и пыль, падая на чёрную дыру, порождают излучение в самых разных диапазонах. Считается, что квазары - это светящиеся диски газа, засасыва-емого массивной чёрной дырой ядра галактики. Жизнь ядра галактики может быть очень активной, иногда оно взрывается с выделением энергии, в миллионы раз превышающей энергию вспышек сверхновых. В пересечённых спиральных галактиках падающее на центральную чёрную дыру вещество образует эллиптическую воронку – «бар»; рукава галактики выходят не из балджа, а из бара.В спиралях формируются отдельные плотные скопления звёзд, хорошо заметные на фотографиях ближних галактик, а также скопления газа и пыли. В целом приходится признавать, что видимое вещество в галактиках распределено крайне неодно-родно.Галактика значительно шире узкого диска ярких звёзд. Старые красные звёзды образуют слабо светящуюся «шубу» кнаружи от яркого диска, образованного более молодыми звёздами. Она получила название "толстый диск".Крупные галактики часто имеют мелкие галактики-спутники. Таковыми для нашей Галактики являются Большое и Малое Магеллановы облака. Галактики образуют скопления. В Местном скоплении галактик нашим ближайшим соседом является Туманность Андромеды.В целом скопления галактик образуют ячеистую структуру. Внутри ячеек пространство практически пусто.Галактики, как и звёзды, имеют свою историю, изучение которой только начинается. Считается, что первичные галактики, сформировавшиеся в первые сотни миллионов лет после Большого Взрыва, были карликовыми. В настоящее время, когда телескопы и другие астрофизические приборы стало возможным вывести в космос, астрономы впервые смогли увидеть очень далёкие галактики, свет от которых пришёл к нам более чем за 10 млрд. лет, то есть звёздное население очень ранней Вселенной. В 2004 г. благодаря новому оборудованию на телескопе «Хаббл» были получены снимки объектов в момент, соответствующий приблизительно 0,5 млрд. лет после Большого Взрыва. Первая из «древних» галактик, которую удалось сфотографировать таким образом, в 200 раз меньше нашей нынешней.
Строение земной коры. Астеносфера, мантия, ядро
Во-первых, земная кора принципиально неоднородной. Тонкая океаническая кора двуслойна, состоит из поверхностного чехла осадочных пород, накрывающих базальты, тогда как толстая материковая кора трёхслойна – под осадочными породами находится мощный слой гранитов, подстилаемый базальтами. Базальты несколько тяжелее гранитов, поэтому их "естественное место" - под гранитами. Вещество, из которого образовалась Земля, по-видимому, первоначально было относительно однородным. В дальнейшем более тяжёлые элементы мигрировали вниз, более лёгкие – наверх. Этот процесс продолжается сейчас и будет протекать ещё не менее миллиарда лет.Под корой находится слой глубинного вещества, нагретого до температуры свыше 1 000°С и находящегося в состоянии, близком к плавлению – астеносфера. Своей механической и фазовой неустойчивостью астеносфера отличается от более прочной, но пронизанной разломами мантии, лежащей под астеносферой. Зона перехода астеносферы в литосферу называется зоной Мохоровичича («зона Мохо», ударение на второе "о"). Она прослеживается на глубине 15 – 20 км под океанами и 40-80 км – под материками.Но есть места, где океаническая кора исключительно тонка и гоячая астеносфера выходит к самой её поверхности, формируя серединно-океаническиехребты. Оказалось, что Землю опоясывает непрерывная цепь горных хребтов, протянувшаяся на 80 тыс. км, что вдвое превышает длину экватора. У края континентов, могут формироваться глубоководные желоба, где, наоборот, океаническая кора может уходить глубоко вниз.???Основная идея «раннего мобилизма» была следующей – горячая астеносфера в зоне серединно-океанических хребтов изливается наружу, выплавляя новую океаническую кору. Океанические базальты медленно движутся от места своего образования к материкам, где ломаются и косо погружаются на глубины порядка сотен километров, где вновь расплавляются и смешиваются с веществом мантии. Будем считать, что базальты – исходные породы, которые возникают из вещества астеносферы. В тех местах, где океаническая плита коробится и частично плавится, более лёгкие компоненты базальтов превращаются в гранит и формируют новые участки материковой коры.Что касается дрейфа океанической коры, то здесь все доказательства налицо. Во-первых, в зонах разломов океанического дна, сопровождающих серединно-океанические хребты, происходит излияние расплавленного вещества сопровождаемое выбросом в воду большого количества сероводорода, и, как следствие, окрашивающего воду в чёрный цвет. Эти места получили название «чёрных курильщиков».Во-вторых, осадочный слой у серединно-океанических хребтов очень тонок и молод. Чем дальше к материкам, тем он, как правило, толще и старше и почти никогда не бывает древнее 200 млн. лет.В-третьих, намагниченность пород базальтового слоя показывает полное сходство с теорией. Дело в том, что металлические руды намагничены так, как были сориентированы магнитные силовые линии Земли в момент их кристаллизации. Но магнитные полюса медленно перемещаются, а также с периодом порядка миллиона лет меняют своё направление на противоположное. Если образование новых базальтов происходило постоянно, то самые молодые должны быть намагничены «на полюс», те, что дальше от оси хребта – противоположным образом, те, что еще дальше – по современным им направлениям полюсов.В-четвёртых, в местах предполагаемого подползания океанической плиты под материковую с нёё должен соскребаться верхний слой, происходить нагрев и расплавление базальтов. Если посмотреть на карту Тихого океана, легко заметить цепочки вулканических островов, формирующих Огненный пояс.В-пятых, в настоящее время методами спутниковой навигации доказано движение континентальных плит со скоростями несколько сантиметров в год.Движется не только океаническая кора. Материки тоже могут раскалываться. Зона разлома и в море, и на суше называется рифтом, а засыпаемый осадками провал - грабеном (хотя не все делают различие между этими терминами. Рифт - это огромная, обычно прямолинейная трещина, простирающаяся на сотни километров. Собственно зона расширения, не ров, а начальная точка расхождения плит, носит название зоны спрединга (spread - англ. растяжение, расширение). Классический пример рифтогенеза – наблюдающийся в настоящее время раскол африканского материка.Долгое время одним из самых употребимых слов в общей геологии были термины "платформа" и "геосинклиналь". Платформа - это тектонические косная часть коры, нечто лишённое или почти лишённое изменчивости. Геосинклинальные зоны по краям платформ, наоборот, коробятся, вздымаются, опускаются, трескаются - находятся в непрерывном движении. Откуда берётся чудовищная сила, разрывающая на части Африку или дно Атлантического океана? Ясно, что недра Земли горячие, но что их нагревает? Современная геофизика рассматривает вопрос о дифференциации вещества как основном источнике энергии. Земля образовалась около 4,6 млрд. лет назад из относительно однородного вещества, вобрав в себя огромное количество метеоритных тел. Далее тяжёлые элементы медленно опускались вниз, к центру планеты, а лёгкие всплывали наверх. Эти процессы протекали и протекают поныне с выделением тепловой энергии, которая приводит к разогреву недр. Будем считать, что через 2 миллиарда лет после образования Земли внутри неё оформилось тяжёлое ядро, предположительно состоящее из железа. Приблизительно к этому времени на поверхности Земли появились лёгкие блоки, содержащие больше кремния и алюминия, но меньше магния, чем подстилающая их мантия. Они послужили ядрами формирования будущих континентов. Период ускоренного роста материковых плит заканчивается около полутора миллиардов лет назад. К настоящему времени сравнительно надёжно установлено, что внутри Земли имеется тяжёлое твёрдое ядро. Его окружает слой жидкого вещества нижней мантии. Средняя и верхняя мантия в целом являются твёрдыми, хотя в них могут двигаться струи более горячего вещества. Предполагается, что мантия приблизительно однородна по своему химическому составу, хотя наверняка разные её слои различаются по структуре.