1.3. Космонавтика

Ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма – лучи – не проходят сквозь атмосферу Земли, и здесь на помощь астрономам приходит наука – космонавтика (от греч. «наутике» - искусство кораблевождения). Космонавтика обеспечивает 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 полетами, служб 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 (1857 - 1935) в труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903 г.). Работы в области ракетной техники начаты в СССР в 1921 году. Первые запуски ракет на жидком топливе осуществлены в США в 1926 году.

Основными вехами в истории космонавтики стали запуск первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957 года, первый полет Ю.А. Гагарина в космос 12 апреля 1961 года, лунная экспедиция в 1969 году, создание орбитальных пилотируемых станций на околоземной орбите, запуск космического корабля многоразового использования. Возможность изучать на орбитальных станциях космическое излучение, которое задерживается атмосферой Земли, способствует существенному прогрессу в области астрофизики.

Космические скорости – скорости, употребляемые в астрономии и динамике космических полетов. Различают три типа скоростей:

Первая космическая скорость – скорость, которую необходимо придать объекту, чтобы он стал искусственным спутником Земли (около 7,9 км/с);

Вторая космическая скорость – скорость, которую необходимо сообщить телу, чтобы оно могло преодолеть земное притяжение, но не вышло из пределов Солнечной системы (около 11,2 км/с);

Третья космическая скорость, при которой тело покидает Солнечную систему – около 16 км/с.

Глава 2 структура метагалактики

Мегамир имеет системную организацию в форме планет, планетарных систем, звезд и звездных систем – галактик, системы галактик – Метагалактики. Наша Вселенная насчитывает 100000 млн. галактик, каждая из них состоит из миллиардов звезд. Галактики расположены неравномерно. Вселенная имеет ячеистое строение, напоминающее «паутинную сетку».

Звезды и галактики неравномерно распределены в пространстве. Почему? Что заставило их собраться вместе? Причиной всего этого могут быть тонкие струны с большой концентрацией энергии, образовавшиеся при рождении Вселенной. По мере того, как Вселенная расширялась и охлаждалась после Большого взрыва, вакуум испытывал ряд фазовых переходов. (Наиболее широко известны фазовые переходы в воде при охлаждении, когда она переходит из пара в жидкость и, наконец, в лед). Фазовые переходы можно описывать также в терминах нарушения симметрии: они часто переводят симметричные состояния в несимметричные. Например, кристалл – в известном смысле менее симметричное состояние по сравнению с жидкостью, поскольку жидкость «выглядит одинаковой» во всех направлениях, а в кристаллической решетке различные направления не эквивалентны.

Никто не знает точно, сколько фазовых переходов произошло в «молодом» вакууме. Однако все они должны были протекать в течение первой секунды от начала расширения Вселенной. Так же, как и фазовые переходы в обычных средах, космологические фазовые переходы приводят к образованию дефектов. Внутри дефектов симметрия не нарушена, и ранний, более молодой вакуум оставался в них, как в ловушках. Различные теории элементарных частиц предполагают разные виды дефектов. Согласно одним теориям, дефекты должны существовать в виде поверхностей, в других – предсказываются линии и точки. Эти типы дефектов называют соответственно стенками доменов, струнами и монополями. Таким образом, космические струны являются всего лишь одним из трех возможных типов «разрывов» в свойствах вакуума.

В соответствии с эйнштейновским соотношением между массой и энергией, высокоэнергетический вакуум должен обладать огромной массой. Поэтому – то дефекты в его структуре должны оказывать чрезвычайно сильное влияние на эволюцию Вселенной. В частности, именно он может быть источником энергии, провоцирующим скопление вещества в галактиках и звездных системах.

Многие богатые скопления галактик содержат значительные количества горячего ионизированного газа с температурой (10⁷ – 10 ⁸) К, являющегося источником мощного рентгеновского излучения. Масса такого газа в ряде скоплений равна суммарной массе галактик.

Иерархия космических структур обрывается на скоплениях и сверхскоплениях. В различных областях Метагалактики, имеющих размер 100 – 300 Мпк и более, содержащих много галактик и скоплений, средняя плотность видимого вещества галактик оказывается одинаковой и составляет около 3 ∙ 10^-34г/см³. С учетом скрытых масс эта величина возрастает почти втрое.

Тем не менее Метагалактику можно считать однородной. Конечно, в масштабах Солнечной системы или Галактики вещество распределено неравномерно, но в масштабах сверхскоплений галактик распределение сравнительно равномерное. В крупномасштабной структуре Вселенной не существует каких-либо особых, чем – то выделяющихся мест или направлений, поэтому в больших масштабах Вселенной можно считать ее не только однородной, но и изотропной. Это одно из фундаментальных свойств Вселенной. Другим ее фундаментальным свойством является нестационарность, разбегание галактик. Первое определение лучевой скорости галактики было успешно выполнено В. Слайфером (1875 - 1969) в обсерватории Ловелла. Она варьировала от 50 до 300 км/с. В последующем были обнаружены скорости удаления галактик в 600 км/с. Причины разных скоростей объясняет закон Хаббла, который гласит: чем дальше от нас находятся галактики, тем с большей скоростью они убегают..

Разбегание галактик свидетельствует в пользу расширения Вселенной. Критическое значение величины средней плотности вещества в Метагалактике зависит от постоянной Хаббла. При ее величине в 75 км/ (с ∙ Мпк) критическая плотность вещества во Вселенной близка к 10^-29 г/см³. Без учета скрытой массы наблюдаемая плотность значительно меньше критической (3 ∙ 10^-31).

Бесконечное расширение Вселенной возможно при наличии плотности меньше критической. Если же значение плотности выше критического, вселенная неизбежно будет в будущем сжиматься за счет влияния гравитационных сил. Обычного вещества, который вносит вклад в среднюю плотность Вселенной, менее 5 %, это, в основном, звезды в галактиках.

Исследователями установлено, что помимо видимой массы (обычного вещества) в Метагалактике присутствует скрытая (невидимая) масса – «темное вещество» (рис.17). Эта скрытая масса взаимодействует с обычным веществом только гравитационно и удерживает от распада периферийные части галактик. Темное вещество во Вселенной распределено неоднородно. В качестве невидимых тяготеющих объектов предполагаются черные дыры и звезды малой массы, темные планеты типа Юпитера и нейтронные звезды, известные невидимки – нейтрино и гипотетические субатомные частицы с экзотическими свойствами – фотино и бозоны Хиггса, вимпсы и аксионы.

Если темное вещество состоит из компактных звездных объектов, то они могут быть обнаружены по эффекту гравитационного возмущения (фокусировки), т.е. будут действовать как гравитационные линзы, отклоняя и усиливая свет далеких звезд или галактик.

Выяснение природы темного вещества во Вселенной позволит совершенно по – новому построить наши представления об эволюции вещества и структуры Вселенной. Тогда возможен ответ на вопрос, бесконечно ли расширение нашей Метагалактики или это расширение закончится сжатием и все повторится сначала по модели Большого взрыва (приложение 9).Вклад «темной энергии» в среднюю плотность Вселенной более 70%.