"Эффекты" Зельдовича, запечатлённые на нашем небе27.04.2016 7:37 | Р. А. Сюняев, С. А. Гребенев
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 85, No 7, с. 643-656 (расширенная версия)
 |
Яков Борисович Зельдович (1914-1987) – один из наиболее результативных физиков, физико-химиков, астрофизиков, космологов XX столетия, академик АН СССР, трижды Герой Социалистического Труда, один из создателей ракетно-ядерного щита СССР и России. Он родился 8 марта 1914 г. в Минске. Закончил аспирантуру Института химической физики АН СССР в Ленинграде, в 1931 г. стал сотрудником этого института. С 1941 по 1943 гг. вместе с институтом был в эвакуации в Казани, с 1946 г. стал заведующим его теоретическим отделом и одновременно профессором Московского механического института (впоследствии – Московский инженерно-физический институт). В 1946 г. (в 32 года) избран членом-корреспондентом АН СССР. С 1948 по 1964 гг. работал в Арзамасе-16 (Саров) над созданием ядерного и термоядерного оружия. С 1964 по 1983 гг. он – заведующий отделом теоретической астрофизики в Институте прикладной математики АН СССР, в 1974-1987 гг. – заведующий отделом теоретической астрофизики, затем - консультант дирекции в Институте космических исследований АН СССР, с 1966 г. – профессор Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (МГУ). С 1983 г. – заведующий теоретическим отделом Института физических проблем АН СССР и отделом релятивистской астрофизики Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга при МГУ. Автор более 500 научных статей и 29 учебников и монографий. Награждён Ленинской и четырьмя Государственными (Сталинскими) премиями за работы по оборонной тематике, международными медалями им. Н. Мансона и Б. Льюиса – за работы по газодинамике взрыва и ударным волнам, Золотой медалью АН СССР им. И.В. Курчатова – за предсказание свойств ультрахолодных нейтронов и их обнаружение. За работы в области космологии и релятивистской астрофизики он награждён Золотой медалью им. К. Брюс Тихоокеанского астрономического общества, Золотой медалью Королевского астрономического общества, медалью им. П. Дирака Международного центра теоретической физики им. А. Салама, Премией РАН им. А.А. Фридмана по гравитации и космологии. Был избран иностранным членом Королевского общества (Лондон), Национальной академии наук США, Академии наук "Леопольдина" (Германия) и многих других академий наук и научных обществ. К числу важнейших достижений Я.Б. Зельдовича следует отнести созданную им замечательную школу теоретической релятивистской астрофизики и космологии, в которую входят по меньшей мере полтора десятка ныне всемирно известных учёных, продолживших его дело в этой быстро развивающейся области науки.
Яков Борисович Зельдович, столетие со дня рождения которого недавно отметили по всему миру, внёс основополагающий вклад не только в создание ядерного щита нашей страны, что хорошо известно, – он оставил яркий след во многих областях фундаментальной физики. Начинал как специалист в области химической физики (адсорбция и катализ на неоднородных поверхностях). Предложенный им высокотемпературный механизм окисления азота носит его имя и широко известен экологам, в частности, он важен для объяснения природы кислотных дождей. Затем ЯБ (как звали его друзья и ученики) перешёл к гидродинамике и физике ударных волн (ударные волны разрежения, структура фронта ударной волны, быстрый удар по поверхности), теории горения и взрыва (предел детонации, поджёг накалённой поверхностью, тепловое распространение пламени) и в итоге заложил основы внутренней баллистики ракетных пороховых двигателей. По возвращении из Арзамаса-16 в 1964 г. ЯБ занялся ядерной физикой низких энергий (удержание ультрахолодных нейтронов, образование и распад сверхтяжёлого гелия 8He) и теорией элементарных частиц (понятие лептонного заряда, бета-распад заряженных пионов и – совместно с С.С. Герштейном – сохранение векторного тока при слабых взаимодействиях), он внёс весомый вклад во все эти области исследований.
Последнюю четверть века своей жизни ЯБ посвятил релятивистской астрофизике и космологии, получив замечательные результаты. Удивительно, прошло уже 28 лет, как его нет с нами, но практически на каждой конференции по космологии звучат известные всем словосочетания: "приближение Зельдовича", "спектр Зельдовича-Гаррисона", "эффект Сюняева-Зельдовича". Эффекты, связанные с именем Зельдовича, будут наблюдаться на небе в течение многих миллиардов лет. Здесь мы хотели бы рассказать о некоторых наиболее известных таких эффектах, проявления которых сейчас интенсивно изучаются. Предсказания и методы, предложенные ЯБ, позволяют открывать на небе с помощью специализированных радиотелескопов, установленных по всему миру, новые интереснейшие объекты, эффективно моделировать (воспроизводить) эволюцию Вселенной, используя мощные суперкомпьютеры, изучать и познавать свойства Вселенной как целого.
К столетию выдающегося учёного были приурочены несколько знаменательных событий. В Москве между Ленинским проспектом и улицей Косыгина, на которой он жил, появилась улица академика Я.Б. Зельдовича. Российская академия наук учредила Золотую медаль им. Я.Б. Зельдовича, присуждаемую за выдающиеся работы в области физики и астрономии. В Москве и Таллинне в его честь прошли две крупные международные конференции по астрофизике высоких энергий и космологии, на которых широко обсуждались описанные ниже эффекты.
КРУПНОМАСШТАБНАЯ СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ. ПРИБЛИЖЕНИЕ И "БЛИНЫ ЗЕЛЬДОВИЧА"
Вычислительная космология превратилась в важнейший метод научных исследований лишь в последние 20-25 лет. Этому способствовало появление суперкомпьютеров с большим объёмом памяти быстрого доступа, современных методов отображения данных, новых методов компьютерного моделирования. Стало реальным просчитать траектории и запомнить положение огромного числа гравитационно взаимодействующих частиц.
В 1970 г. ЯБ ввёл так называемое "приближение Зельдовича", учитывающее в простой и элегантной математической форме основные детали динамики невзаимодействующих частиц в ходе роста возмущений плотности и скорости вещества в расширяющейся Вселенной [1, 2]. Эти фактически математические статьи набрали более 1500 ссылок в астрофизической литературе. Полученное в них решение предсказывало существование на небе плоских структур ("блинов Зельдовича") и филаментов, оно впервые продемонстрировало, какой является структура Вселенной. Впоследствии эта ныне наблюдаемая структура была названа "космической паутиной" (рис. 1). Астрофизические аспекты процесса образования структуры Вселенной в "приближении Зельдовича" – образование ударных волн, охлаждение сжатого вещества и его конденсация - рассмотрены в статье [3]. В конце прошлого – начале нынешнего века гигантские пустые области во Вселенной, окружённые сгущениями галактик, были обнаружены при выполнении глубоких обзоров неба.
Бурно развивающиеся вычислительные методы позволяют всё дальше уходить в область нелинейности, вплоть до образования галактик, скоплений и сверхскоплений галактик, а также громадных пустых областей между ними. Казалось бы, время "приближения Зельдовича" кануло в Лету, но неожиданно выяснилось, что детальные расчёты на квазилинейной стадии роста возмущений при больших красных смещениях приводят к картине, практически идентичной той, которую предсказывало "приближение Зельдовича". Сегодня во всём мире специалисты начинают расчёты на суперкомпьютерах со структуры ранней Вселенной, полученной в приближении Зельдовича, и затем продолжают их в глубоко нелинейную область. Такой подход позволяет заметно сократить требуемое вычислительное время на крупнейших в мире суперкомпьютерах, используемых для расчёта эволюции крупномасштабной структуры Вселенной при доминирующей роли тёмного вещества. На недавнем симпозиуме Международного астрономического союза в Таллинне "Вселенная Зельдовича: генезис и рост космической паутины" профессор Ади Нуссер из Техниона (Хайфа) нашёл замечательно точные слова, выразившие отношение 180 участников симпозиума из многих ведущих стран мира к вкладу ЯБ в численную и наблюдательную космологию: "Удивительно простое приближение Зельдовича является основой для значительной части нашего понимания динамики образования структуры Вселенной, а также для развития методов анализа данных".
КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ ВОДОРОДА, ПОВЕРХНОСТЬ ПОСЛЕДНЕГО РАССЕЯНИЯ, ЧЕРНОТЕЛЬНАЯ ФОТОСФЕРА ВСЕЛЕННОЙ
Все астрофизики, занимающиеся историей расширения Вселенной, признают в качестве важнейших следующие этапы её развития: инфляционная стадия, стадия аннигиляции электронов и позитронов, стадия ухода нейтрино из термодинамического равновесия с другими частицами, стадии ядерного синтеза гелия, дейтерия, гелия-3, лития. В последние 15 лет популярным стал термин "поверхность последнего рассеяния", связанный со стадией рекомбинации водорода во Вселенной. Местоположение этой поверхности и ее "размытость" (эффективная толщина) были впервые найдены в работе Зельдовича [4]. Общепринятое сейчас название поверхности, столь удачно отражающее её смысл, было введено в обиход заметно позднее.
В 1968 г. ЯБ с соавторами показали, что ход рекомбинации во Вселенной отнюдь не описывается простой формулой Саха [5]. Рекомбинация оказывается сильно затянутой из-за трудности с выходом Lα-фотонов из резонанса. В работе [5] была выявлена важная роль двухфотонного распада уровня 2s в атоме водорода в уменьшении населённости возбуждённых уровней водорода и определении темпа космологической рекомбинации. Напомним, что вероятность распада уровня 2p в атоме водорода на 8 порядков величины превышает вероятность распада уровня 2s (соответственно 8.22 с-1 и 109 с-1). Именно точный расчёт процесса рекомбинации позволил авторам статьи [4] в 1970 г. найти положение поверхности последнего рассеяния - соответствующее ей красное смещение zr ~ 1100, возраст Вселенной в то время составлял всего 380 000 лет (рис. 2).
Рис. 2. Отличие реальной истории рекомбинации водорода от описываемой классической формулой Саха [6]. Рекомбинация сильно задержана из-за "узкого горлышка", связанного с трудностью выхода фотонов из резонанса Lα и низкой эффективностью двухфотонного перехода 2s-1s в атоме водорода.
Рис. 3. Искажения в спектре реликтового излучения (CMB) связанные с рекомбинацией водорода и гелия в ранней Вселенной [7]. Линии водорода, гелия и однократно ионизованного гелия смещены космологическим красным смещением в ~1400 раз в миллиметровый и радиодиапазон. Нижняя кривая показывает излучение водорода, верхняя – суммарное излучение водорода и гелия (обе рекомбинации). Стрелками показаны: 1 – переходы между высоковозбужденными уровнями, 2 и 3 – изменения в форме линий и их положении из-за присутствия гелия во Вселенной, 4 – фотоны, испущенные при z ~1400, 5 – особенности, связанные с присутствием гелия.
До рекомбинации, при красных смещениях z > zr, свободный пробег фотонов был много меньше текущего горизонта Вселенной. Так как основным процессом, определяющим пробег, было томсоновское рассеяние на свободных электронах, фотоны не могли двигаться прямо, а испытывали многократные рассеяния – диффундировали. После рекомбинации водорода плазма стала электронейтральной, плотность электронов резко упала, фотоны начали распространяться по всё более просветляющейся Вселенной, не встречая на своём пути свободных электронов. Подавляющее большинство наблюдаемых фотонов приходят к нам без единого рассеяния с момента рекомбинации, при этом они несут информацию о малых неоднородностях в распределении плотности и скорости электронов в зоне поверхности последнего рассеяния. Данные спутников WMAP и Planck подтвердили, что красное смещение zr, на котором находится поверхность последнего рассеяния, и её размытость (эффективная толщина) согласуются с предсказаниями статьи [4] с точностью до нескольких процентов.
Одним из важных выводов теории космологической рекомбинации является предсказание присутствия в спектре реликтового излучения эмиссионных линий атомов водорода и гелия, сдвинутых космологическим красным смещением в ~1400 раз в диапазон радио- и миллиметровых длин волн [7] (рис. 3).
Наряду с поверхностью последнего рассеяния другой замечательной поверхностью является "чернотельная фотосфера Вселенной". Наша Вселенная удивительна – средняя плотность привычного нам барионного вещества в ней очень мала. Средняя плотность электронов и протонов до образования звёзд и галактик была близка к ~10-7 (1+z)3 см-3, тогда как плотность фотонов реликтового излучения во Вселенной достигает ~ 400 (1+z)3 см-3. Отношение числа фотонов к числу электронов составляет ~ 2 × 109, не зависит от красного смещения z и характеризует удельную энтропию Вселенной, то есть наша Вселенная радиационно-доминированная. При красных смещениях до рекомбинации z > zr ~ 103 плотность энергии излучения превышает плотность энергии ρBc2 в массе покоя для барионов, а при z > 104 плотность энергии излучения превышает и плотность энергии в массе покоя ρDc2 тёмного вещества.
После открытия реликтового излучения, а это произошло 50 лет назад, потребовалось ещё 20 лет, чтобы показать, что оно действительно изотропно (отклонения от изотропии не превышают 10-4), а его спектр удивительно близок к спектру чернотельного излучения. Достаточно долго в литературе муссировался вопрос о возможных отклонениях спектра на малых (hν << 3kTr) и больших (hν >>