Когда и как возникла Вселенная? Или она существовала вечно? Этот вопрос испокон веков беспокоил человечество. Но ответ на него до относительно недавнего времени пытались найти только религиозные пророки и философы, и лишь в ХХ веке, после создания общей теории относительности и квантовой теории, это стало предметом науки — космологии. Все мы наслышаны о теории Большого взрыва, есть даже известный американский сериал с таким названием, но мало кто представляет себе, что стоит за этими словами и куда и как развивается эта теория.

Чтобы обсудить эти вопросы, мы встретились с одним из самых известных в мире астрофизиков, значительная часть научных работ которого посвящена эволюции звезд, доктором физико-математических наук, профессором, главным научным сотрудником отдела прикладной и теоретической астрономии и радиоинтерферометрии Института космических исследований (ИКИ) РАН Геннадием Бисноватым-Коганом.

— Значительная часть ваших работ посвящена звездной эволюции. В чем суть этой эволюции и в чем суть ваших работ?

— Звездная эволюция — это очень большой раздел астрофизики. Когда-то считалось, что почти все вещество во Вселенной состоит из звезд. Сейчас появилась еще темная материя, межгалактический газ, так что на долю звезд остается не более двух-трех процентов плотности Вселенной. Тем не менее все, что мы видим простым глазом из космоса, — это все от звезд. Долгое время ученые искали ответ на основной вопрос: откуда они черпают энергию? Ответ на него был получен в конце 1930-х годов, когда открыли термоядерную реакцию. Оказалось, что это результат термоядерной реакции, протекающей на звездах. Поэтому эволюция звезд — это процесс выгорания со временем вещества, из которого состоят звезды, — выгорание водорода в центральных областях звезды. Звезды очень отличаются друг от друга. Но то, что у них после рождения горит водород, — это универсально. А вот то, что получается потом, сильно различается. Вначале образуется гелий, а потом происходят всякие расширения, и возникают красные гиганты, голубые гиганты*.

В общем, это очень разветвленная область науки, основанная на огромном количестве наблюдений. Но то, чем я занимался, — это последняя стадия эволюции звезд. Это то, во что превращается звезда после того, как у нее вообще кончается ядерное горючее. Оно может закончиться по двум причинам. Во-первых, потому что она приходит в такое состояние, когда температура уже не растет и горение прекращается. В результате получается так называемый белый карлик. Это происходит при эволюции звезд небольшой массы, меньше восьми масс Солнца, А если горение идет дальше, то в происходящих реакциях синтезируются различные элементы, вплоть до железа. После этого звезда теряет устойчивость, поскольку тепло больше не выделяется, но продолжается потеря энергии на излучение и замедляется рост давления при сжатии.

Начинается гравитационный коллапс и образование нейтронных звезд, которое может сопровождаться вспышкой сверхновой звезды. Я занимался примерно этим кругом вопросов, в том числе механизмами взрыва сверхновых. Вместе с Яковом Марковичем Кажданом в 1966 году мы приближенно рассчитали свойства предсверхновых звезд, которые теряют устойчивость из-за диссоциации железа при массах, не превышающих примерно 100 солнечных. Для звезд большей массы устойчивость теряется из-за рождения электронно-позитронных пар, а у (гипотетических) сверхмассивных звезд с массами, превышающими несколько тысяч солнечных, причины потери устойчивости и перехода к коллапсу определяют эффекты общей теории относительности.

После открытия пульсаров* в 1967 году стало ясно, что нейтронные звезды быстро вращаются и обладают огромным магнитным полем — примерно 1012 Гаусс. И именно тогда я предложил в качестве модели взрыва сверхновой магниторотационный механизм, когда большая вращательная энергия образовавшейся при коллапсе нейтронной звезды с помощью магнитного поля трансформируется в энергию взрыва. Механизм магниторотационного взрыва состоит в следующем: неоднородный коллапс железного ядра приводит к дифференциальному вращению вещества образующейся нейтронной звезды. Радиальная компонента полоидального магнитного поля при этом закручивается с образованием тороидальной компоненты, и напряженность магнитного поля при этом быстро растет.

Рост магнитного давления приводит к возмущениям и отклонению от равновесия. Когда магнитное давление приблизится к давлению вещества, волна возмущения превращается в ударную при движении по спадающей наружу плотности. При выходе на поверхность звезды ее температура сильно возрастает, что объясняет наблюдаемую вспышку. При этом вещество ударной волны разлетается, и в итоге образуется остаток сверхновой с нейтронной звездой в центре. Наиболее известной из таких остатков является Крабовидная туманность с молодым пульсаром в центре, вращающимся с периодом 33 миллисекунды и продолжающим подпитывать энергией саму туманность благодаря магнитной связи. Взрыв сверхновой, в результате которого образовалась Крабовидная туманность, произошел около тысячи лет назад и описан в китайских хрониках.

Вначале на мою работу не очень обратили внимание, но, когда еще в 1969 году я рассказал об этой идее моему руководителю и учителю академику Якову Борисовичу Зельдовичу, он сказал: «Немедленно отправляйте в печать». Работа была опубликована и стала популярной.

По мере того как большие усилия теоретиков в различных странах так и не привели к успеху нейтринной модели* взрыва сверхновой, идея магниторотационного механизма постепенно стала популярной, и в настоящее время численные расчеты по этой модели ведутся различными группами в США, Европе и Японии. Расчеты ведутся для различных параметров вращения и магнитного поля, в двух- и трехмерных постановках, и в большинстве из них получается необходимое выделение энергии для объяснения наблюдаемого взрыва.

Первые расчеты магниторотационной (МРОТ) модели в одномерном приближении были сделаны в 1976 году совместно с математиками ИПМ, которые подтвердили мое предположение об эффективности трансформации энергии вращения в энергию взрыва посредством магнитного поля.

В результате коллапса, как правило, происходит формирование нейтронной звезды*. При коллапсе более массивных ядер должна образоваться черная дыра*.

Под руководством профессора Николая Васильевича Арделяна, который еще студентом участвовал в наших расчетах одномерной модели, была создана оригинальная двумерная программа для расчетов магнитно-гидродинамических процессов с учетом гравитации. Двумерные расчеты МРОТ-модели были выполнены впервые с помощью данной программы и при учете основных физических процессов при МРОТ взрыве.

Сейчас мы закончили работу в 2D-постановке, где рассмотрели различные варианты отсутствия зеркальной симметрии магнитного поля, когда выброс в одну сторону получается больше, чем в другую. Тогда в результате реактивного действия происходит ускорение нейтронной звезды, и она начинает двигаться со скоростью вплоть до нескольких сот километров в секунду, которые обнаруживаются в наблюдениях пульсаров. Реже наблюдаются пульсары, летящие со скоростями более 1000 километров в секунду.

В 1993 году в качестве объяснения появления таких объектов я предложил возникновение анизотропии нейтринного потока при нарушении зеркальной симметрии магнитного поля. При этом возможно передать звезде больший реактивный импульс ввиду огромной энергии, уносимой нейтрино, которая может достигать 20 процентов энергии покоя нейтронной звезды — пульсара*.

— Это даже трудно вообразить. Но это как-то влияет на процессы в целом, на эволюцию Вселенной?

— Это все происходит в нашей и других галактиках, но связь этих явлений с глобальными процессами во Вселенной не очевидна.

— А какие проблемы вы сейчас считаете самыми острыми в той области, которой вы занимаетесь?

— Если говорить о проблемах, которые интересуют все человечество, то это проблемы происхождения жизни, происхождения планет, которых открыто уже несколько тысяч. И это одно из самых главных направлений, которые существуют сейчас в астрофизике и в астрономии, — изучение экзопланет*.

Они открыты у тысяч других звезд. И на некоторых из них, может быть, есть жизнь. Так что это весьма животрепещущая проблема. А интерес, который был к дальнему космосу, к полетам на звезды, падает, потому что все это невозможно осуществить. Поэтому все интересы приближаются и приближаются к Земле. И сейчас самое актуальное — это освоение Луны и полет человека к Марсу.

Если говорить о космологии, то основные вопросы я назвал — это ранняя Вселенная, инфляция*, бариогенезис*, темная энергия, темная материя. Никто не знает точно, что такое темная энергия, а темная материя еще более непонятная вещь.

Это также, возможно, какие-то очень массивные частицы, существование которых следует из суперсимметричных* теорий, 100 ГэВ-ные.

Поиск этих частиц ничего не дал. Они, казалось бы, должны были распадаться и давать жесткое излучение, но его не обнаружили. Одновременно возникла идея, что темная материя — это очень маленькие частицы. Маленькие, холодные частицы. То, что они холодные, выяснено путем сопоставления численных расчетов с наблюдениями.

Это очень маленькие частицы, с ничтожной массой. Они псевдоскалярные, и их существование было предсказано давно.

Инфляция и симметрия во Вселенной

— А инфляция Вселенной, о которой вы уже упомянули, какой период времени занимает?

— Инфляция длится что-то около 10−30 секунды. Это очень, очень маленькая величина. Но за это время должен раздуться пузырь размером больше нашего горизонта. И это пузырь, в котором мы живем.

— Это связано как-то с возникновением темной материи и темной энергии?

— Темная материя и темная энергия — это то, что нас окружает здесь. А возникли они, видимо, давно. Хотя их возникновение — вопрос тоже достаточно темный. Но это даже не миллисекунды, а ближе к 10−20 секунды, это ранняя Вселенная. После того как расширение перешло на Фридмановскую стадию расширения*, действуют законы, которые нам уже известны. Проблема в том, что мы еще недостаточно хорошо знаем, с какими параметрами мы вышли на эту стадию расширения.

У конкретных деталей этого перехода есть много вариантов. Важный и плохо понятный вопрос — каким рождается вещество, возникшее в результате инфляции. Это темная энергия, или барионное вещество, зарядово симметричное, или зарядово несимметричное вещество? Сейчас принимается, что на ранних стадиях вещество зарядово симметрично.

— А что значит в данном случае симметричное?

— Это означает, что число электронов равно числу позитронов, число антипротонов и протонов одинаково. То есть барионный заряд равен нулю. Считается, что был такой период, который называется бариогенезис, когда происходило рождение барионного заряда. Барионный заряд становился ненулевым. Первую такую модель придумал Андрей Дмитриевич Сахаров еще в 1965 году, и он сформулировал три обязательных условия этого. Первое — это нарушение CP-симметрии*

— А что это такое?

— Есть три симметрии: пространственная симметрия, временная и зарядовая. Считается, что произведение этих трех симметрий не нарушается. Но каждая в отдельности симметрия может нарушаться. Сначала открыли нарушение P-симметрии. Она нарушается в слабом взаимодействии. А потом экспериментально нашли CP нарушение.

— Это чего нарушение?

— Нарушение CP-симметрии было открыто в 1964 году в распадах нейтральных каонов*.

Нарушение СР-симметрии имеет важное значение для объяснения преобладания материи над антиматерией во Вселенной. Еще одно важное следствие этого — возможная нестабильность протона. И поэтому, когда появилась эта теория, стали интенсивно искать следы распада протона. При этом протон должен, согласно теории, распадаться на нейтральный пион и позитрон. Гипотеза о распаде протона была впервые сформулирована Андреем Сахаровым в 1967 году. Но, к сожалению, следов такого распада не нашли до сих пор.

Другой важный вопрос, который до сих пор обсуждается: была ли инфляция? Некоторые космологи и физики настроены к ней скептически.

Замечу, что развитие науки невозможно без некоторого скептицизма, свято верить можно только в религии.

— То есть это не соответствует предсказаниям теории?

— Теория ничего не предсказывает. Просто есть наблюдение, а теория должна объяснить эти наблюдения. Предсказывает та теория, законы которой точно известны. Например, если использовать закон Ньютона, можно предсказать, что брошенный камень упадет. Но все теории постепенно набирают наполнение: та же ньютоновская теория объясняет, например, еще и движение планет. Были, конечно, некоторые противоречия, но Эйнштейн придумал общую теорию относительности, которая разрешила их. Хотя существует масса людей, которые работают над модификациями общей теории относительности, до сих пор нет ни одного эксперимента, который бы ей противоречил.

— А почему тогда они занимаются этой модификацией?

— Дело в том, что общая теория относительности — это классическая теория. Как мы знаем, все в итоге, когда уменьшается, становится квантовым, ведь Вселенная родилась из точки в результате Большого взрыва. Но теории квантовой гравитации еще нет. Она не создана ввиду наличия непреодолимых до сих пор трудностей. Используя модификацию ОТО некоторые теоретики надеются, что в ней появится возможность построить такую теорию. Есть и другие причины. Некоторые не могут поверить в существование черных дыр, сингулярности, другие не верят в существование темной энергии, темной материи. Они конструируют такую теорию, где не нужно было бы прибегать к этим «неприятным» понятиям для объяснения имеющихся наблюдений. Мой учитель Яков Борисович Зельдович считал, что поиск новой теории оправдан только тогда, когда имеются наблюдательные противоречия со старой теорией (принцип бритвы Оккама). К настоящему времени не найдено ни одного противоречия ОТО с наблюдениями, все совпадают с выводами этой теории. Так что поправки к классической ОТО меня не интересуют.

— Эйнштейн в конце жизни искал единую теорию всего… Это не то?

— Нет. Это не единая теория. Это связано с квантованием гравитации, представляющим собой серьезную проблему, которую общая теория относительности не позволяет решить. В макроскопическом мире ни одного противоречия общей теории относительности не найдено, все измерения в Солнечной системе, наблюдения двойных пульсаров, и черных дыр полностью согласуются с общей теорией относительности.

* Красный гигант — это конечный этап эволюции звезды. Звезда становится красным гигантом, когда в ее центре весь водород превращается в гелий, а термоядерное горение водорода продолжается на периферии гелиевого ядра.

Голубые гиганты — это молодые очень горячие и яркие звезды с температурой поверхности 20 000‒50 000 °C.

* Согласно доминирующей астрофизической модели, пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звезды с магнитным полем, которое наклонено к оси вращения, что вызывает модуляцию приходящего на Землю излучения.

* Нейтринная модель взрыва сверхновой предполагает, что ключевую роль в этом процессе играют нейтрино — неуловимые частицы, практически не взаимодействующие с материей.

Когда запасы водородного топлива истощаются, звезда начинает угасать. Под действием собственной гравитации она сжимается, ее ядро уплотняется, превращаясь в нейтронную звезду или даже в черную дыру. В этот момент высвобождается колоссальное количество энергии, преимущественно в форме нейтрино.

Нейтрино устремляются наружу, образуя «нейтринный ветер» — мощный поток частиц, уносящих с собой львиную долю энергии взрыва. Хотя каждое нейтрино взаимодействует с веществом крайне слабо, их общее число настолько велико, что они способны передать внешним слоям звезды колоссальный импульс.

* Нейтронная звезда — космическое тело, являющееся одним из возможных результатов эволюции звезд. Состоит в основном из нейтронной сердцевины, покрытой сравнительно тонкой (около 1 км) корой вещества в виде тяжелых атомных ядер и электронов.

* Черные дыры — общее название сколлапсировавших объектов, не имеющих материальной поверхности; их границей является горизонт событий.

* Пульсарами называют нейтронные звёзды за их внешний вид, потому что излучение от них мы принимаем в виде импульсов.

*Экзопланета (от др.-греч. ἔξω, exō — «вне», «снаружи»), или внесолнечная планета, — планета, находящаяся за пределами Солнечной системы.

* Инфляционная модель Вселенной — космологическая модель, предполагающая, что на самом раннем этапе эволюции Вселенной, когда ее возраст составлял от 10–43 с до 10–37 с, Вселенная претерпела колоссальное расширение, которое привело к экспоненциальному росту всех пространственных масштабов. Термин «инфляция» в космологии обозначает быстрый рост масштабов, при котором скорость роста пропорциональна значению самого масштаба. Этот термин очень точно описывает характер расширения ранней Вселенной.

Расширение Вселенной было твердо установлено уже в середине XX века, однако причины, приведшие к нему, оставались неизвестными. Стандартная космологическая модель Фридмана не могла ответить на вопрос о физических причинах расширения Вселенной. Найти ответ удалось лишь в конце XX века, применив к описанию ранней Вселенной новейшие результаты физики элементарных частиц. Еще до возникновения термина «Инфляционная модель Вселенной» основные свойства этой модели были исследованы российскими физиками В. А. Рубаковым и А. А. Старобинским.

* Бариогенезис — состояние Вселенной на промежутке времени 10−35‒10−32 секунд с момента Большого взрыва, во время которого происходило объединение кварков и глюонов в адроны (в том числе в барионы), а также название самого процесса такого объединения.

* Суперсимметрия — симметрия между бозонами и фермионами, обладающими соответственно целым и полуцелым спином и подчиняющимися разным статистическим распределениям. Составляющие основу материи кварки и лептоны являются фермионами (спин 1/2), а переносчики взаимодействий — фотоны, глюоны и слабые векторные бозоны — являются бозонами (спин 1); к бозонам относятся также бозон Хиггса (спин 0) и гравитон.

* Космологическая модель Фридмана — теоретическая модель, описывающая глобальную эволюцию Вселенной на основе решения уравнений общей теории относительности для случая однородного и изотропного распределения плотности, температуры и давления вещества. Суть этой теории заключается в том, что Вселенная с такими свойствами должна либо расширяться, либо сжиматься и должна иметь начало. Модель Фридмана получила первое наблюдательное подтверждение в 1929 году, когда на основе измеренных расстояний до галактик и их красных смещений было открыто расширение Вселенной.

* CP-симметрия — это симметрия, которая сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействии, но нарушается в слабом взаимодействии. Она означает, что законы физики не меняются, если зеркально отразить систему и поменять все частицы на античастицы.

Термин С-симметрия является сокращением фразы «симметрия зарядового сопряжения» и используется при обсуждении симметрии физических законов при зарядовом сопряжении. Другими важными дискретными симметриями являются P-симметрия (четность) и T-симметрия (обращение времени вспять).

Эти дискретные симметрии, C, P и T, являются симметриями уравнений, описывающих известные фундаментальные силы природы: электромагнетизм, гравитацию, сильное и слабое взаимодействия.

* Каон — мезон, содержащий один странный антикварк и один u- или d-кварк (антикаоны, напротив, содержат один странный кварк и один u- или d-антикварк).