1 Основные определения и понятия
Наш с вами загадочный мир состоит из частиц, будь то молекулы или атомы. Вплоть до 20 века люди не могли себе представить всё многообразие видов частиц на земле. Частицы, казалось бы неделимые, имели более сложное строение. На сегодняшний день можно выделить три порядка элементарных и три порядка составных частиц, представленных в таблицах 1.1 и 1.2.
Таблица 1.1 – Элементарные частицы
Фермионы
|
Кварки, Верхний, Нижний, Странный, Очарованный, Прелестный, Истинный
|
Лептоны
|
Электрон, Позитрон, Мюон, Тау-лептон, Нейтрино
|
Калибровочные бозоны
|
Фотоны, W- и Z-бозоны, Глюоны
|
До сих пор не обнаружены
|
Хиггсовский бозон, Гравитон, Другие гипотетические частицы
|
Таблица 1.2 – Составные частицы
Адроны
|
Барионы, Мезоны
|
Барионы
|
Нуклоны (Протон, Нейтрон), Гипероны, Экзотические барионы, Пентакварки
|
Мезоны
|
Пионы, Каоны, Кварконий, Экзотические мезоны, Атомные ядра, Атомы (Периодическая система элементов), Молекулы
|
Предлагаю сначала ознакомиться с некоторыми объектами наших исследований:
Фотон (от др. греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, переносчик электромагнитного взаимодействия, квант электромагнитного поля. Фотоны обозначаются буквой γ, поэтому их часто называют гамма-квантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практически синонимичны.
Вселенная — обычно определяется как совокупность всего, что существует физически. Это совокупность пространства и времени, всех форм материи, физических законов и констант, которые управляют ими. Однако термин Вселенная может трактоваться и иначе, как космос, мир или природа.[3]
Реликтовое излучение (или космическое микроволновое фоновое излучение от англ. cosmic microwave background radiation)— космическое электромагнитное излучение с высокой степенью изотропности и со спектром, характерным для абсолютно чёрного тела
Рисунок 1.1 - Снимок реликтового излучения
Красное смещение— сдвиг спектральных линий химических элементов в красную (длинноволновую) сторону. Это явление может происходить из-за эффекта Доплера, или эффектов ОТО: гравитационного и космологического красного смещения. Красное смещение может также являться следствием сразу нескольких из указанных выше причин. Сдвиг спектральных линий в фиолетовую (коротковолновую) сторону называется фиолетовым смещением. Каждый химический элемент поглощает или излучает электромагнитные волны на строго определённых частотах. Поэтому каждый химический элемент образует в спектре неповторимую картину из линий, используемую в спектральном анализе. В результате эффекта Доплера и/или эффектов ОТО, частота излучения от удалённых объектов, например, звёзд, может изменяться (понижаться или повышаться), а линии соответственно будут смещаться в красную (длинноволновую) или синюю (коротковолновую) часть спектра, сохраняя, однако, своё неповторимое относительное расположение. Смещение линий в красную сторону (обусловленное удалением объекта) и называется "красным смещением".
Рисунок 1.2 – Схема механизма красного смещения
Предел Чандрасекара — верхний предел массы, при котором звезда может существовать как белый карлик. Если масса звезды превышает этот предел, то она становится нейтронной звездой. Существование предела было доказано индийским астрофизиком Субраманьяном Чандрасекаром. В качестве значения обычно берется 1,4 солнечных массы. Строго говоря, предел Чандрасекара — это верхний предел массы холодного невращающегося белого карлика, определяемый условием равенства сил давления вырожденного электронного газа и гравитации. Значение предела обычно обозначается символом  .
Постоянная Хаббла — коэффициент, входящий в закон Хаббла, который связывает расстояние до внегалактического объекта (галактики, квазара) со скоростью его удаления. Имеет размерность, обратную времени (с-1), но выражается обычно в км/с на мегапарсек. Наиболее надёжная оценка на 2008 год составляет (70,1±1,3) (км/с)/Мпк. В моделях расширяющейся Вселенной постоянная Хаббла изменяется со временем, но термин «постоянная» оправдан тем, что в каждый данный момент времени во всех точках Вселенной постоянная Хаббла одинакова. Величина, обратная постоянной Хаббла, имеет смысл характерного времени расширения Вселенной на текущий момент.
Лептон (греч. λεπτός — лёгкий) — фундаментальная частица с полуцелым спином, не участвующая в сильном взаимодействии. Название «лептон» было предложено Л. Розенфельдом в 1948 году и отражало тот факт, что все известные в то время лептоны были значительно легче тяжёлых частиц, входящих в класс барионов (греч. βαρύς — тяжёлый). Сейчас этимология термина уже не вполне согласуется с действительным положением дел, так как открытый в 1977 тау-лептон примерно в два раза тяжелее самых лёгких барионов (протона и нейтрона).
Существует три поколения лептонов:
-первое поколение: электрон, электронное нейтрино
-второе поколение: мюон, мюонное нейтрино
-третье поколение: тау-лептон, тау-нейтрино
(плюс соответствующие античастицы).
Нейтрино — стабильные нейтральные лептоны с полуцелым спином, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Нейтрино малой энергии чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом: так нейтрино с энергией порядка 3-10 МэВ имеют в воде длину свободного пробега ~ 1018 м (~ 100 св. лет). Также известно, что без видимых последствий каждую секунду через тело каждого человека на Земле проходит ~ 1014 нейтрино, испущенных Солнцем. В то же время, нейтрино высоких энергий успешно обнаруживаются по их взаимодействию с мишенями.
Позитрон (от англ. positive — положительный и «-трон» — часть названия электрона) — античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электрический заряд +1, спин 1/2, лептонный заряд −1 и массу, равную массе электрона. При аннигиляции позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже — трёх и более) гамма - квантов.
Адрон (от др. греч. ἁδρός — сильный, тяжёлый; термин предложен советским физиком Л. Б. Окунем) — класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию и не являющихся истинно элементарными. Адроны делятся на две основные группы в соответствии с их кварковым составом:
-мезоны — состоят из одного кварка и одного антикварка,
-барионы — состоят из трёх кварков трёх цветов, образуя так называемую бесцветную --комбинацию.
Именно из барионов построена подавляющая часть наблюдаемого нами вещества — это нуклоны, составляющие ядро атома и представленные протоном и нейтроном. К барионам относятся также многочисленные гипероны — более тяжёлые и нестабильные частицы, получаемые на ускорителях элементарных частиц. К мезонам относятся пионы (π - мезоны) и каоны (K-мезоны) и многие более тяжёлые мезоны. В последнее время были обнаружены так называемые экзотические адроны, которые также являются сильновзаимодействующими частицами, но которые не укладываются в рамки кварк - антикварковой или трёхкварковой классификации адронов. Некоторые адроны пока только подозреваются в экзотичности. Экзотические адроны делятся на:
-экзотические барионы, в частности пентакварки, минимальный кварковый состав которых 4 кварка и 1 антикварк.
-экзотические мезоны, (адронные молекулы, глюболы и гибридные мезоны).
Квазар (англ. quasar — сокращение от QUASi stellAR radio source — «квази звёздный радиоисточник») — класс внегалактических объектов, отличающихся очень высокой светимостью и настолько малым угловым размером, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» — звёзд. Впервые квазары обнаружили в 1960 году как радиоисточники, совпадающие в оптическом диапазоне со слабыми звездообразными объектами. В 1963 году голландский астроном Мартин Шмидт доказал, что линии в их спектрах сильно смещены в красную сторону. Принимая, что это красное смещение вызвано эффектом Допплера, возникшего в результате удаления квазаров, до них определили расстояние по закону Хаббла. Очень сложно определить точное число обнаруженных на сегодняшний день квазаров. Это объясняется, с одной стороны, постоянным открытием новых квазаров, а с другой — некоторой размытостью границы между квазарами и другими типами активных галактик. В 2005 году группа астрономов использовала в своём исследовании данные о 195 000 квазаров. Ближайший и наиболее яркий квазар (3C 273) имеет блеск около 13m и красное смещение z = 0,158 (что соответствует расстоянию около 2 мл
Анализ и систематизация
Самые далёкие квазары, благодаря своей гигантской светимости, превосходящей в сотни раз светимость нормальных галактик, видны на расстоянии более 10 млрд световых лет. Нерегулярная переменность блеска квазаров на временных масштабах менее суток указывает на то, что область генерации их излучения имеет малый размер, сравнимый с размером Солнечной системы. Последние наблюдения показали, что большинство квазаров находятся вблизи центров огромных эллиптических галактик. Квазары сравнивают с маяками Вселенной. Они видны с огромных расстояний (до красного смещения z=6,4), по ним исследуют структуру и эволюцию Вселенной, определяют распределение вещества на луче зрения: сильные спектральные линии поглощения водорода разворачиваются в лес линий по красному смещению поглощающих облаков. Предположительно квазары представляют собой сверхмассивные чёрные дыры, на которые падает вещество.
Рисунок 1.3 – Квазар
Нейтронная звезда́ — астрономическое тело, один из конечных продуктов эволюции звёзд, состоит из нейтронной сердцевины и тонкой коры вырожденного вещества с преобладанием ядер железа и никеля.
Нейтронные звёзды имеют очень малый размер — 20—30 км в диаметре, поэтому средняя плотность вещества такой звезды в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8×1017 кг/м³). Массы большинства известных нейтронных звёзд близки к 1,4 массы Солнца, что равно значению предела Чандрасекара. Силы тяготения в нейтронных звёздах уравновешиваются давлением вырожденного нейтронного газа, максимальное значение массы нейтронной звезды задаётся пределом Оппенгеймера — Волкова, численное значение которого зависит от (пока ещё плохо известного) уравнения состояния вещества в ядре звезды. Магнитное поле на поверхности нейтронных звёзд достигает значения 1012—1013 Гс (для сравнения — у Земли около 1 Гс), именно процессы в магнитосферах нейтронных звёзд ответственны за радиоизлучение пульсаров. Нейтронные звёзды — одни из немногих астрономических объектов, которые были теоретически предсказаны до открытия наблюдателями. Ещё в 1933 году В. Бааде и Ф. Цвикки высказали предположение, что в результате взрыва сверхновой образуется нейтронная звезда. Но первое общепризнанное наблюдение нейтронной звезды состоялось только в 1968, с открытием пульсаров.[3]
Рисунок 1.4 – Строение нейтронной звезды
Пульсар— космический источник радио-, оптического, рентгеновского, гамма- излучений, приходящих на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков (импульсов). Пульсары были открыты в июне 1967 г. Джоселин Белл, аспиранткой Э. Хьюиша на меридианном радиотелескопе Маллардской радиоастрономической обсерватории Кембриджского университета на длине волны 3,5 м (85,7 МГц). За этот выдающийся результат Хьюиш получил в 1974 году Нобелевскую премию. Результаты наблюдений были засекречены на полгода. Это было связано с предположением искусственности строго периодических импульсов радиоизлучения. Пульсар, точнее радиопульсар, представляет собой нейтронную звезду. Она испускает узконаправленные потоки радиоизлучения. В результате вращения нейтронной звезды поток попадает в поле зрения внешнего наблюдателя через равные промежутки времени — так образуются импульсы пульсара. На 2008 год уже известно около 1790 радиопульсаров (по данным каталога ATNF). Ближайшие из них расположены на расстоянии около 0.12 кпк (около 390 световых лет) от Солнца. Несколько позже были открыты источники периодического рентгеновского излучения, названные рентгеновскими пульсарами. Как и радио, рентгеновские пульсары являются сильно замагниченными нейтронными звёздами. В отличие от радиопульсаров, расходующих собственную энергию вращения на излучение, рентгеновские пульсары излучают за счёт аккреции вещества звезды-соседа, заполнившего свою полость Роша. Как следствие, масса пульсара медленно растёт, увеличивается его момент инерции и частота вращения, в то время как радиопульсары со временем, наоборот, замедляются.
Рисунок 1.5 – Пульсар, схематическое изображение
.
Рисунок 1.6 – Изображение Крабовидной туманности в условных цветах (синий — рентгеновский, красный — оптический диапазон). В центре туманности — пульса.
Магнитар (реже магнетар)— нейтронная звезда, обладающая исключительно сильным магнитным полем (до 1011 Тл). Теоретически существование магнитаров было предсказано в 1992 г., а первое свидетельство их реального существования получено в 1998 г. при наблюдении мощной вспышки гамма - и рентгеновского излучения от источника SGR 1900+14 в созвездии Орла. Время жизни магнитаров мало, оно составляет около 10000 лет
Рисунок 1.7 - Магнитар, в представлениях художника
Кротовая нора, также «кротовина» или «червоточина» (последнее является дословным переводом англ. wormhole) — гипотетическая топологическая особенность пространства-времени, представляющая собой в каждый момент времени «туннель» в пространстве. Область вблизи самого узкого участка кротовины называется «горловиной». Кротовые норы делятся на «внутри-мировые» (англ. intra-universe) и «меж-мировые» (англ. inter-universe) в зависимости от того, можно ли соединить её входы кривой, не пересекающей горловину (на рисунке изображена внутри-мировая кротовая нора). Различают также проходимые (англ. traversable) и непроходимые кротовины. К последним относятся те туннели, которые коллапсируют слишком быстро для того, чтобы наблюдатель или сигнал (имеющие скорость не выше световой) успели добраться от одного входа до другого. Классический пример непроходимой кротовины — пространство Шварцшильда, а проходимой — кротовины Морриса-Торна.
Для существования проходимой кротовой норы необходимо, чтобы она была заполнена экзотической материей (англ.), создающей сильное гравитационное отталкивание и препятствующей схлопыванию норы. Проходимая внутри-мировая кротовая нора даёт гипотетическую возможность путешествий во времени, если, например, один из её входов движется относительно другого, или если он находится в сильном гравитационном поле, где течение времени замедляется.
Рисунок 1.8 – Компьютерное изображение кротовой норы
|
