Rambler's Top100Astronet    
  po tekstam   po klyuchevym slovam   v glossarii   po saitam   perevod   po katalogu
 

"Effekty" Zel'dovicha, zapechatlennye na nashem nebe "Effekty" Zel'dovicha, zapechatlennye na nashem nebe
27.04.2016 8:37 | R. A. Syunyaev, S. A. Grebenev

VESTNIK ROSSI'SKO' AKADEMII NAUK, 2015, tom 85, No 7, s. 643-656 (rasshirennaya versiya)

Yakov Borisovich Zel'dovich (1914-1987) – odin iz naibolee rezul'tativnyh fizikov, fiziko-himikov, astrofizikov, kosmologov XX stoletiya, akademik AN SSSR, trizhdy Geroi Socialisticheskogo Truda, odin iz sozdatelei raketno-yadernogo shita SSSR i Rossii. On rodilsya 8 marta 1914 g. v Minske. Zakonchil aspiranturu Instituta himicheskoi fiziki AN SSSR v Leningrade, v 1931 g. stal sotrudnikom etogo instituta. S 1941 po 1943 gg. vmeste s institutom byl v evakuacii v Kazani, s 1946 g. stal zaveduyushim ego teoreticheskim otdelom i odnovremenno professorom Moskovskogo mehanicheskogo instituta (vposledstvii – Moskovskii inzhenerno-fizicheskii institut). V 1946 g. (v 32 goda) izbran chlenom-korrespondentom AN SSSR. S 1948 po 1964 gg. rabotal v Arzamase-16 (Sarov) nad sozdaniem yadernogo i termoyadernogo oruzhiya. S 1964 po 1983 gg. on – zaveduyushii otdelom teoreticheskoi astrofiziki v Institute prikladnoi matematiki AN SSSR, v 1974-1987 gg. – zaveduyushii otdelom teoreticheskoi astrofiziki, zatem - konsul'tant direkcii v Institute kosmicheskih issledovanii AN SSSR, s 1966 g. – professor Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta im. M.V. Lomonosova (MGU). S 1983 g. – zaveduyushii teoreticheskim otdelom Instituta fizicheskih problem AN SSSR i otdelom relyativistskoi astrofiziki Gosudarstvennogo astronomicheskogo instituta im. P.K. Shternberga pri MGU. Avtor bolee 500 nauchnyh statei i 29 uchebnikov i monografii. Nagrazhden Leninskoi i chetyr'mya Gosudarstvennymi (Stalinskimi) premiyami za raboty po oboronnoi tematike, mezhdunarodnymi medalyami im. N. Mansona i B. L'yuisa – za raboty po gazodinamike vzryva i udarnym volnam, Zolotoi medal'yu AN SSSR im. I.V. Kurchatova – za predskazanie svoistv ul'traholodnyh neitronov i ih obnaruzhenie. Za raboty v oblasti kosmologii i relyativistskoi astrofiziki on nagrazhden Zolotoi medal'yu im. K. Bryus Tihookeanskogo astronomicheskogo obshestva, Zolotoi medal'yu Korolevskogo astronomicheskogo obshestva, medal'yu im. P. Diraka Mezhdunarodnogo centra teoreticheskoi fiziki im. A. Salama, Premiei RAN im. A.A. Fridmana po gravitacii i kosmologii. Byl izbran inostrannym chlenom Korolevskogo obshestva (London), Nacional'noi akademii nauk SShA, Akademii nauk "Leopol'dina" (Germaniya) i mnogih drugih akademii nauk i nauchnyh obshestv. K chislu vazhneishih dostizhenii Ya.B. Zel'dovicha sleduet otnesti sozdannuyu im zamechatel'nuyu shkolu teoreticheskoi relyativistskoi astrofiziki i kosmologii, v kotoruyu vhodyat po men'shei mere poltora desyatka nyne vsemirno izvestnyh uchenyh, prodolzhivshih ego delo v etoi bystro razvivayusheisya oblasti nauki.

Yakov Borisovich Zel'dovich, stoletie so dnya rozhdeniya kotorogo nedavno otmetili po vsemu miru, vnes osnovopolagayushii vklad ne tol'ko v sozdanie yadernogo shita nashei strany, chto horosho izvestno, – on ostavil yarkii sled vo mnogih oblastyah fundamental'noi fiziki. Nachinal kak specialist v oblasti himicheskoi fiziki (adsorbciya i kataliz na neodnorodnyh poverhnostyah). Predlozhennyi im vysokotemperaturnyi mehanizm okisleniya azota nosit ego imya i shiroko izvesten ekologam, v chastnosti, on vazhen dlya ob'yasneniya prirody kislotnyh dozhdei. Zatem YaB (kak zvali ego druz'ya i ucheniki) pereshel k gidrodinamike i fizike udarnyh voln (udarnye volny razrezheniya, struktura fronta udarnoi volny, bystryi udar po poverhnosti), teorii goreniya i vzryva (predel detonacii, podzheg nakalennoi poverhnost'yu, teplovoe rasprostranenie plameni) i v itoge zalozhil osnovy vnutrennei ballistiki raketnyh porohovyh dvigatelei. Po vozvrashenii iz Arzamasa-16 v 1964 g. YaB zanyalsya yadernoi fizikoi nizkih energii (uderzhanie ul'traholodnyh neitronov, obrazovanie i raspad sverhtyazhelogo geliya 8He) i teoriei elementarnyh chastic (ponyatie leptonnogo zaryada, beta-raspad zaryazhennyh pionov i – sovmestno s S.S. Gershteinom – sohranenie vektornogo toka pri slabyh vzaimodeistviyah), on vnes vesomyi vklad vo vse eti oblasti issledovanii.

Poslednyuyu chetvert' veka svoei zhizni YaB posvyatil relyativistskoi astrofizike i kosmologii, poluchiv zamechatel'nye rezul'taty. Udivitel'no, proshlo uzhe 28 let, kak ego net s nami, no prakticheski na kazhdoi konferencii po kosmologii zvuchat izvestnye vsem slovosochetaniya: "priblizhenie Zel'dovicha", "spektr Zel'dovicha-Garrisona", "effekt Syunyaeva-Zel'dovicha". Effekty, svyazannye s imenem Zel'dovicha, budut nablyudat'sya na nebe v techenie mnogih milliardov let. Zdes' my hoteli by rasskazat' o nekotoryh naibolee izvestnyh takih effektah, proyavleniya kotoryh seichas intensivno izuchayutsya. Predskazaniya i metody, predlozhennye YaB, pozvolyayut otkryvat' na nebe s pomosh'yu specializirovannyh radioteleskopov, ustanovlennyh po vsemu miru, novye interesneishie ob'ekty, effektivno modelirovat' (vosproizvodit') evolyuciyu Vselennoi, ispol'zuya moshnye superkomp'yutery, izuchat' i poznavat' svoistva Vselennoi kak celogo.

K stoletiyu vydayushegosya uchenogo byli priurocheny neskol'ko znamenatel'nyh sobytii. V Moskve mezhdu Leninskim prospektom i ulicei Kosygina, na kotoroi on zhil, poyavilas' ulica akademika Ya.B. Zel'dovicha. Rossiiskaya akademiya nauk uchredila Zolotuyu medal' im. Ya.B. Zel'dovicha, prisuzhdaemuyu za vydayushiesya raboty v oblasti fiziki i astronomii. V Moskve i Tallinne v ego chest' proshli dve krupnye mezhdunarodnye konferencii po astrofizike vysokih energii i kosmologii, na kotoryh shiroko obsuzhdalis' opisannye nizhe effekty.

KRUPNOMASShTABNAYa STRUKTURA VSELENNO'. PRIBLIZhENIE I "BLINY ZEL'DOVIChA"

Vychislitel'naya kosmologiya prevratilas' v vazhneishii metod nauchnyh issledovanii lish' v poslednie 20-25 let. Etomu sposobstvovalo poyavlenie superkomp'yuterov s bol'shim ob'emom pamyati bystrogo dostupa, sovremennyh metodov otobrazheniya dannyh, novyh metodov komp'yuternogo modelirovaniya. Stalo real'nym proschitat' traektorii i zapomnit' polozhenie ogromnogo chisla gravitacionno vzaimodeistvuyushih chastic.


Ris. 1. Rezul'tat modelirovaniya krupnomasshtabnoi struktury Vselennoi v ramkah standartnoi kosmologii, bolee 1010 chastic (Millennium Simulation, In-t astrofiziki Obshestva im. Maksa Planka). Risunok demonstriruet tonkii srez (tolshinoi 16 Mpk) rasschitannoi "Vselennoi". Otchetlivo vidna "kosmicheskaya pautina", voznikshaya v rezul'tate rosta adiabaticheskih vozmushenii plotnosti. V uzlah "pautiny" nahodyatsya massivnye skopleniya galaktik. Bar zadaet masshtab 125 Mpk.

V 1970 g. YaB vvel tak nazyvaemoe "priblizhenie Zel'dovicha", uchityvayushee v prostoi i elegantnoi matematicheskoi forme osnovnye detali dinamiki nevzaimodeistvuyushih chastic v hode rosta vozmushenii plotnosti i skorosti veshestva v rasshiryayusheisya Vselennoi [12]. Eti fakticheski matematicheskie stat'i nabrali bolee 1500 ssylok v astrofizicheskoi literature. Poluchennoe v nih reshenie predskazyvalo sushestvovanie na nebe ploskih struktur ("blinov Zel'dovicha") i filamentov, ono vpervye prodemonstrirovalo, kakoi yavlyaetsya struktura Vselennoi. Vposledstvii eta nyne nablyudaemaya struktura byla nazvana "kosmicheskoi pautinoi" (ris. 1). Astrofizicheskie aspekty processa obrazovaniya struktury Vselennoi v "priblizhenii Zel'dovicha" – obrazovanie udarnyh voln, ohlazhdenie szhatogo veshestva i ego kondensaciya - rassmotreny v stat'e [3]. V konce proshlogo – nachale nyneshnego veka gigantskie pustye oblasti vo Vselennoi, okruzhennye sgusheniyami galaktik, byli obnaruzheny pri vypolnenii glubokih obzorov neba.

Burno razvivayushiesya vychislitel'nye metody pozvolyayut vse dal'she uhodit' v oblast' nelineinosti, vplot' do obrazovaniya galaktik, skoplenii i sverhskoplenii galaktik, a takzhe gromadnyh pustyh oblastei mezhdu nimi. Kazalos' by, vremya "priblizheniya Zel'dovicha" kanulo v Letu, no neozhidanno vyyasnilos', chto detal'nye raschety na kvazilineinoi stadii rosta vozmushenii pri bol'shih krasnyh smesheniyah privodyat k kartine, prakticheski identichnoi toi, kotoruyu predskazyvalo "priblizhenie Zel'dovicha". Segodnya vo vsem mire specialisty nachinayut raschety na superkomp'yuterah so struktury rannei Vselennoi, poluchennoi v priblizhenii Zel'dovicha, i zatem prodolzhayut ih v gluboko nelineinuyu oblast'. Takoi podhod pozvolyaet zametno sokratit' trebuemoe vychislitel'noe vremya na krupneishih v mire superkomp'yuterah, ispol'zuemyh dlya rascheta evolyucii krupnomasshtabnoi struktury Vselennoi pri dominiruyushei roli temnogo veshestva. Na nedavnem simpoziume Mezhdunarodnogo astronomicheskogo soyuza v Tallinne "Vselennaya Zel'dovicha: genezis i rost kosmicheskoi pautiny" professor Adi Nusser iz Tehniona (Haifa) nashel zamechatel'no tochnye slova, vyrazivshie otnoshenie 180 uchastnikov simpoziuma iz mnogih vedushih stran mira k vkladu YaB v chislennuyu i nablyudatel'nuyu kosmologiyu: "Udivitel'no prostoe priblizhenie Zel'dovicha yavlyaetsya osnovoi dlya znachitel'noi chasti nashego ponimaniya dinamiki obrazovaniya struktury Vselennoi, a takzhe dlya razvitiya metodov analiza dannyh".

KOSMOLOGIChESKAYa REKOMBINACIYa VODORODA, POVERHNOST' POSLEDNEGO RASSEYaNIYa, ChERNOTEL'NAYa FOTOSFERA VSELENNO'

Vse astrofiziki, zanimayushiesya istoriei rasshireniya Vselennoi, priznayut v kachestve vazhneishih sleduyushie etapy ee razvitiya: inflyacionnaya stadiya, stadiya annigilyacii elektronov i pozitronov, stadiya uhoda neitrino iz termodinamicheskogo ravnovesiya s drugimi chasticami, stadii yadernogo sinteza geliya, deiteriya, geliya-3, litiya. V poslednie 15 let populyarnym stal termin "poverhnost' poslednego rasseyaniya", svyazannyi so stadiei rekombinacii vodoroda vo Vselennoi. Mestopolozhenie etoi poverhnosti i ee "razmytost'" (effektivnaya tolshina) byli vpervye naideny v rabote Zel'dovicha [4]. Obsheprinyatoe seichas nazvanie poverhnosti, stol' udachno otrazhayushee ee smysl, bylo vvedeno v obihod zametno pozdnee.

V 1968 g. YaB s soavtorami pokazali, chto hod rekombinacii vo Vselennoi otnyud' ne opisyvaetsya prostoi formuloi Saha [5]. Rekombinaciya okazyvaetsya sil'no zatyanutoi iz-za trudnosti s vyhodom Lα-fotonov iz rezonansa. V rabote [5] byla vyyavlena vazhnaya rol' dvuhfotonnogo raspada urovnya 2s v atome vodoroda v umen'shenii naselennosti vozbuzhdennyh urovnei vodoroda i opredelenii tempa kosmologicheskoi rekombinacii. Napomnim, chto veroyatnost' raspada urovnya 2p v atome vodoroda na 8 poryadkov velichiny prevyshaet veroyatnost' raspada urovnya 2s (sootvetstvenno 8.22 s-1 i 109 s-1). Imenno tochnyi raschet processa rekombinacii pozvolil avtoram stat'i [4] v 1970 g. naiti polozhenie poverhnosti poslednego rasseyaniya - sootvetstvuyushee ei krasnoe smeshenie zr ~ 1100, vozrast Vselennoi v to vremya sostavlyal vsego 380 000 let (ris. 2).


Ris. 2. Otlichie real'noi istorii rekombinacii vodoroda ot opisyvaemoi klassicheskoi formuloi Saha [6]. Rekombinaciya sil'no zaderzhana iz-za "uzkogo gorlyshka", svyazannogo s trudnost'yu vyhoda fotonov iz rezonansa Lα i nizkoi effektivnost'yu dvuhfotonnogo perehoda 2s-1s v atome vodoroda.


Ris. 3. Iskazheniya v spektre reliktovogo izlucheniya (CMB) svyazannye s rekombinaciei vodoroda i geliya v rannei Vselennoi [7]. Linii vodoroda, geliya i odnokratno ionizovannogo geliya smesheny kosmologicheskim krasnym smesheniem v ~1400 raz v millimetrovyi i radiodiapazon. Nizhnyaya krivaya pokazyvaet izluchenie vodoroda, verhnyaya – summarnoe izluchenie vodoroda i geliya (obe rekombinacii). Strelkami pokazany: 1 – perehody mezhdu vysokovozbuzhdennymi urovnyami, 2 i 3 – izmeneniya v forme linii i ih polozhenii iz-za prisutstviya geliya vo Vselennoi, 4 – fotony, ispushennye pri z ~1400, 5 – osobennosti, svyazannye s prisutstviem geliya.

Do rekombinacii, pri krasnyh smesheniyah z > zr, svobodnyi probeg fotonov byl mnogo men'she tekushego gorizonta Vselennoi. Tak kak osnovnym processom, opredelyayushim probeg, bylo tomsonovskoe rasseyanie na svobodnyh elektronah, fotony ne mogli dvigat'sya pryamo, a ispytyvali mnogokratnye rasseyaniya – diffundirovali. Posle rekombinacii vodoroda plazma stala elektroneitral'noi, plotnost' elektronov rezko upala, fotony nachali rasprostranyat'sya po vse bolee prosvetlyayusheisya Vselennoi, ne vstrechaya na svoem puti svobodnyh elektronov. Podavlyayushee bol'shinstvo nablyudaemyh fotonov prihodyat k nam bez edinogo rasseyaniya s momenta rekombinacii, pri etom oni nesut informaciyu o malyh neodnorodnostyah v raspredelenii plotnosti i skorosti elektronov v zone poverhnosti poslednego rasseyaniya. Dannye sputnikov WMAP i Planck podtverdili, chto krasnoe smeshenie zr, na kotorom nahoditsya poverhnost' poslednego rasseyaniya, i ee razmytost' (effektivnaya tolshina) soglasuyutsya s predskazaniyami stat'i [4] s tochnost'yu do neskol'kih procentov.

Odnim iz vazhnyh vyvodov teorii kosmologicheskoi rekombinacii yavlyaetsya predskazanie prisutstviya v spektre reliktovogo izlucheniya emissionnyh linii atomov vodoroda i geliya, sdvinutyh kosmologicheskim krasnym smesheniem v ~1400 raz v diapazon radio- i millimetrovyh dlin voln [7] (ris. 3).

Naryadu s poverhnost'yu poslednego rasseyaniya drugoi zamechatel'noi poverhnost'yu yavlyaetsya "chernotel'naya fotosfera Vselennoi". Nasha Vselennaya udivitel'na – srednyaya plotnost' privychnogo nam barionnogo veshestva v nei ochen' mala. Srednyaya plotnost' elektronov i protonov do obrazovaniya zvezd i galaktik byla blizka k ~10-7 (1+z)3 sm-3, togda kak plotnost' fotonov reliktovogo izlucheniya vo Vselennoi dostigaet ~ 400 (1+z)3 sm-3. Otnoshenie chisla fotonov k chislu elektronov sostavlyaet ~ 2 × 109, ne zavisit ot krasnogo smesheniya z i harakterizuet udel'nuyu entropiyu Vselennoi, to est' nasha Vselennaya radiacionno-dominirovannaya. Pri krasnyh smesheniyah do rekombinacii z > zr ~ 103 plotnost' energii izlucheniya prevyshaet plotnost' energii ρBc2 v masse pokoya dlya barionov, a pri z > 104 plotnost' energii izlucheniya prevyshaet i plotnost' energii v masse pokoya ρDc2 temnogo veshestva.

Posle otkrytiya reliktovogo izlucheniya, a eto proizoshlo 50 let nazad, potrebovalos' eshe 20 let, chtoby pokazat', chto ono deistvitel'no izotropno (otkloneniya ot izotropii ne prevyshayut 10-4), a ego spektr udivitel'no blizok k spektru chernotel'nogo izlucheniya. Dostatochno dolgo v literature mussirovalsya vopros o vozmozhnyh otkloneniyah spektra na malyh (hν << 3kTr) i bol'shih (hν >>