Собственное значение астрофизики определяется тем, что в настоящее время основное внимание в релятивистской космологии переносится на физику Вселенной — состояние вещества и физические процессы, идущие на разных, включая наиболее ранние, стадиях расширения Вселенной.
Один из основных методов астрофизики — спектральный анализ. Если пропустить луч белого солнечного света через узкую щель, а затем сквозь стеклянную трехгранную призму, то он распадается на составляющие цвета и на экране появится радужная цветовая полоска с постепенным переходом от красного к фиолетовому — непрерывный спектр. Красный конец спектра образован лучами, наименее отклоняющимися при прохождении через призму, фиолетовый — наиболее отклоняющимися. Каждому химическому элементу соответствуют вполне определенные спектральные линии, что и позволяет использовать данный метод для изучения веществ.
К сожалению, коротковолновые излучения — ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи — не проходят сквозь атмосферу Земли, и здесь на помощь астрономам приходит наука, которая до недавнего времени рассматривалась прежде всего как техническая — космонавтика (от греч. «kosmo» — порядок и «nautiké» — искусство кораблевождения), обеспечивающая освоение космоса для нужд человечества с использованием летательных аппаратов.
Космонавтика изучает проблемы: теории космических полетов — расчеты траекторий и т. д.; научно-технические — конструирование космических ракет, двигателей, бортовых систем управления, пусковых сооружений, автоматических станций и пилотируемых кораблей, научных приборов, наземных систем управления полетами, служб траекторных измерений, телеметрии, организации и снабжения орбитальных станций и др.; медико-биологические — создание бортовых систем жизнеобеспечения, компенсация неблагоприятных явлений в человеческом организме, связанных с перегрузкой, невесомостью, радиацией и др.
История космонавтики начинается с теоретических расчетов выхода человека в неземное пространство, которые дал К.Э. Циолковский в труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903). Работы в области ракетной техники начаты в СССР в 1921 г. Первые запуски ракет на жидком топливе осуществлены в США в 1926 г.
Основными вехами в истории космонавтики стали запуск первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957 г., первый полет человека в космос 12 апреля 1961 г., лунная экспедиция в 1969 г., создание орбитальных пилотируемых станций на околоземной орбите, запуск космического корабля многоразового использования.
Работы велись параллельно в СССР и США, но в последние годы наметилось объединение усилий в области исследования космического пространства. В 1995 г. осуществлен совместный проект «Мир»-«Шаттл», в котором американские корабли «Шаттл» использовались для доставки космонавтов на российскую орбитальную станцию «Мир».
Возможность изучать на орбитальных станциях космическое излучение, задерживаемое атмосферой Земли, способствует существенному прогрессу в области астрофизики. Особенно много данных получено от находящегося на орбите космического телескопа «Хаббл».
Современным наблюдениям доступен объем мира с радиусом 10 млрд. световых лет. Так как возраст Вселенной 13,7 млрд. лет, а световой луч идет к Земле со скоростью света, то «глядя на самые далекие из доступных наблюдениям источники света — гигантские галактики и квазары, мы видим, таким образом, Вселенную, какой она была около десяти миллиардов лет назад»[46].
Поэт спрашивал: «Послушайте! Ведь, если звезды зажигают, значит, это кому-нибудь нужно?». Мы знаем, что Солнце дает необходимую для нашего существования энергию. Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, — самый простой «кирпичик», из которого в недрах звезд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы. Причем оказывается, что звезды совершенно неслучайно имеют различную величину. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах.
Наше Солнце, как обычная звезда, производит только гелий из водорода, очень массивные звезды производят углерод — главный «кирпичик» живого вещества. Вот для чего нужны звезды. Земля производит все необходимые вещества для поддержания жизни человека. А для чего существует человек? На этот вопрос не может ответить наука, но она может заставить нас еще раз задуматься над ним. Если «зажигание» звезд кому-то нужно, то может и человек кому-то нужен? Научные данные помогают нам сформулировать представление о нашем предназначении, о смысле нашей жизни. Обращаться при ответе на эти вопросы к эволюции Вселенной — значит мыслить космически. Естествознание учит мыслить космически, не отрываясь от реальности нашего бытия.
Существуют две основные концепции происхождения небесных тел. Первая основывается на небулярной модели образования Солнечной системы, выдвинутой в XVIII в. французским физиком и математиком П. Лапласом и развитой немецким философом И. Кантом. В соответствии с нею звезды и планеты образовались из рассеянного диффузного вещества (космической пыли) путем постепенного сжатия первоначальной туманности под действием сил гравитации.
Принятие модели Большого взрыва и расширяющейся Вселенной существенным образом повлияло на модели образования небесных тел. Сейчас общепринято, что звезды происходят из «мини-островов», о которых говорилось в разделе «Эволюция и строение галактик». Как только водородное облако становится звездой, выходящее из него излучение начинает противодействовать сжатию. «В процессе взаимодействия между веществом и излучением устанавливается равновесие; давление направленного наружу излучения точно уравновешивается давлением гравитации, создаваемой веществом. Это состояние чрезвычайно устойчиво и дальнейшее сжатие звезды предотвращено до тех пор, пока в ее центре производится достаточное количество излучения. Размер звезд остается постоянным, пока происходит слияние водорода в гелий. Это равновесие объясняет, почему Солнце настолько устойчиво и не свертывается в себя или не взрывается»[47].
При разработке модели расширяющейся Вселенной ученые встретились с несколькими трудностями обоснования, которые способствовали прогрессу астрономии. Разлетаясь после Большого взрыва из точки с бесконечно большой плотностью, сгустки вещества должны слегка притормаживать друг друга силами взаимного притяжения, и скорость их должна падать. Но для торможения не хватает всей массы Вселенной. Из этого возражения родилась в 1939 г. гипотеза о наличии во Вселенной невидимых «черных дыр», которые хранят 9/10 массы Вселенной (т. е. столько, сколько недостает). Дж. Уилер назвал их «черными дырами», потому что они не излучают свет, а любой объект, приблизившийся к ним на слишком малое расстояние, никогда не возвращается назад.
Что представляют собой «черные дыры»? Если некоторая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для данной массы, то под действием собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Быстрое гравитационное сжатие называется гравитационным коллапсом. В результате сжатия растет концентрация массы и наступает момент, когда сила тяготения на поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо развить скорость большую, чем скорость света, что невозможно по теории относительности. Поэтому «черная дыра» ничего не выпускает наружу и не отражает и, стало быть, ее невозможно обнаружить. Границей «черной дыры» является горизонт события, находясь на котором можно еще не быть поглощенным ею. В «черной дыре» пространство искривляется, а время замедляется. Различают три возможных типа «черных дыр»: 1) образующиеся на поздних стадиях эволюции массивных звезд; 2) сверхмассивные «черные дыры» в ядрах галактик; 3) первичные «черные дыры», образовавшиеся на ранних стадиях развития Вселенной. Поскольку теоретически Вселенная может порождать другие Вселенные из своих «черных дыр», появилась гипотеза множественности Вселенных (мультимира), которую в настоящее время невозможно эмпирически подтвердить или опровергнуть. Существует и гипотеза испарения «черных дыр», в результате которого она исчезает. Сами «черные дыры» еще не обнаружены, хотя астрономы ведут наблюдения над «кандидатами» в «черные дыры».
Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию — звезды, и не испускающие — планеты, кометы, метеориты, космическая пыль. Промежуточное между звездой и планетой тело — коричневый карлик. В его недрах нет термоядерных реакций из-за низкой температуры, но он светится за счет гравитационного сжатия (интервал масс 0,01-0,008 массы Солнца). В 1995 г. у одной из звезд удалось открыть планету, вращающуюся вокруг нее. В настоящее время считается, что планетные системы существуют вокруг нескольких миллиардов звезд.
Энергия звезд генерируется в их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятки миллионов градусов, что сопровождается выделением особых частиц огромной проницающей способности — нейтрино. Звезды — это «фабрики» по производству химических элементов и источники света и жизни. Большинство звезд состоит из водорода и гелия, и в их недрах происходит термоядерная реакция превращения водорода в гелий, которая имела место и в течение Большого взрыва. Большие массивные звезды производят непрерывную цепочку термоядерных реакций превращения водорода в гелий, гелия в углерод, углерода в кислород и так далее вплоть до элементов группы железа. Этот процесс происходил в недрах звезд миллиарды лет после Большого взрыва, в течение которого могли быть произведены только водород и гелий. Более тяжелые, чем водород и гелий, элементы синтезируются и при вспышках сверхновых звезд.
Звезды движутся вокруг центра галактики по сложным орбитам. Могут быть зв