Круг научных интересов Амбарцумяна необычайно широк: физика газовых туманностей, динамика и статистическая механика звездных систем, теория рассеяния света, природа и структура межзвездной материи, теория звездных ассоциаций, эволюции звезд и звездных систем, физика нестационарных звезд и звездная статистика, теория сверхплотных барионных звезд, нестационарные явления в галактиках и т. д.
В каждый из этих разделов науки ученый вместе со своими учениками внес важный и существенный вклад, очень часто результаты принципиального значения, которые значительно расширили и углубили наши представления о космических образованиях и явлениях, протекающих в них. Его научный вклад не ограничивается только фундаментальными исследованиями в различных областях астрономии. Новые важные результаты, полученные им главным образом в ленинградский период его научной деятельности, относятся и к теоретической физике, теории дифференциальных уравнений и к другим областям науки. В последние десятилетия им внесен значительный вклад в философию и методологию естествознания.
«Характерной чертой научного творчества В. А. Амбарцумяна, — по словам академика В. В. Соболева, — является сосредоточенная работа в течение нескольких лет над одной какой-либо проблемой без отвлечения внимания на другие вопросы. Когда проблема «проясняется» и вырисовываются основы теории, В. А. Амбарцумян, оставляя доработку и развитие теории своим последователям, переходит к новой проблеме».
Имея в виду популярный характер и ограниченный объем настоящей книжки, мы не остановимся на всех исследованиях Амбарцумяна, а попытаемся дать краткий очерк лишь важнейших результатов его научных исследований по точным наукам, придерживаясь хронологического порядка.
Физика газовых туманностей.
Большая серия работ Амбарцумяна посвящена вопросам физики газовых туманностей, многочисленные представители которых, в виде планетарных и диффузных туманностей, наблюда-ются в нашей Галактике.
Свечение газовых туманностей индуцируется соседними с ними горячими (температура у поверхности около 20000 градусов или выше) звездами. Причем, поглощая невидимое с Земли ультрафиолетовое излучение этих звезд, газовые туманности излучают его энергию в видимой части спектра. Амбарцумян впервые предложил математическую трактовку физических процессов, протекающих в газовых туманностях при переработке (флуоресценции) ультрафиолетового излучения горячих звезд. С этой целью он разработал метод исследования переноса излучения в газовых туманностях, который основывается на раздельном рассмотрении энергии излучения в непрерывном спектре и в линиях. Этот новый метод, получивший название метода разделения полей, позволил создать теорию лучистого равновесия планетарных туманностей. Разработанные в этой теории идеи являются основой современной теории газовых туманностей.
Амбарцумян раскрыл огромную роль ультрафиолетового излучения в газовых туманностях и влияния светового давления в неподвижных газовых оболочках звезд. Он доказал, что планетарные туманности, имеющие правильную форму, с центральной очень горячей звездой, в настоящее время расширяются и очень быстро должны рассеяться. Из факта расширения планетарных туманностей был получен важный вывод о том, что эти туманности являются очень молодыми образованиями, возникшими вследствие выброса материи из центральных звезд. Затем была разработана теория расширения планетарных туманностей под влиянием светового давления в поле тяготения ядра—центральной звезды.
В спектрах планетарных туманностей бросаются в глаза две очень яркие линии, которые никогда не наблюдались в спектрах земных источников света. Долгое время наличие этих линий в спектрах планетарных туманностей представляло научную загадку. Для ее объяснения предполагалось, что в планетарных туманностях существует неизвестный на Земле новый химический элемент — небулий , который излучает указанные линии. В 1927 г. американскому астроному Айра Боуэну удалось объяснить природу линий небулия. Он показал, что в условиях чрезвычайно низкой плотности материи и излучения, существующих в газовых туманностях (эти условия практически недостижимы на Земле), происходит накопление дважды ионизованных, то есть лишенных двух внешних электронов, атомов кислорода, в так называемых метастабильных состояниях. Вероятность перехода из этих состояний (уровней) на более низкие уровни ничтожно мала. Поэтому на Земле такие переходы, как говорят, «запрещены», и соответствующие им спектральные линии не наблюдаются. В газовых туманностях подобные переходы из-за большого накопления атомов в метастабильных состояниях совершаются очень часто. Именно переходы атомов дважды ионизованного кислорода из метастабильных уровней в нормальные и приводит к излучению линий небулия. Это объяснение Боуэна было лишь качественным, и требовалось разработать общую количественную теорию образования подобных «запрещенных» линий в спектрах космических объектов. Первый шаг в этом направлении сделал норвежский ученый Росселанд. Однако разработанная им теория была частной и неприменима к наиболее важным случаям излучения «запрещенных» линий в спектрах газовых туманностей. Амбарцумян создал общую теорию возбуждения атомов, находящихся в метастабильных состояниях, и образования «запрещенных» линий, которая нашла широкие применения в астрофизике. В частности, на основе этой теории он предсказал существование в спектрах нестационарных звезд типа Вольфа-Райе «запрещенной» линии гелии, которая в последующем была действительно обнаружена.
Амбарцумян разработал специальные методы для определения температур ядер планетарных туманностей и звезд, окруженных газовыми оболочками. Такие газовые оболочки формируются, например, во время вспышек Новых и Сверхновых звезд, вследствие выброса ими в это время газовой материи или в результате непрерывного истечения газовой материи из некоторых нестационарных звезд, например, звезд типа Вольфа-Райе. Им были заложены основы теории возбуждения и ионизации атомов в газовых оболочках небольших размеров.
Амбарцумян совместно с Н. А. Козыревым предложил методы определения масс газовых
оболочек звезд. В результате применения этих методов было показано, в частности, что при вспышке Новая звезда выбрасывает массу, равную стотысячной массе Солнца, а Сверхновая звезда гораздо больше — массу, равную массе Солнца. Аналогичные оценки масс, выброшенных звездами газовых оболочек, имеют важное значение для выяснения темпов эволюции этих звезд.
Наконец, Амбарцумяну принадлежит единственный метод определения масс газовых туманностей по их светимости.
Динамика и статистическая механика звездных систем.
Принципиальное значение имеют исследования Амбарцумяна, посвященные вопросам динамики звездных систем. Выдвинутые в них идеи сыграли важную роль в раскрытии природы процесса звездообразования в Галактике.
Сущность новых идей ученого, относящихся к звездной динамике, сводится к следующему. Внутри звездной системы каждая звезда при своем движении подвергается влиянию сил двух родов: 1) совместной силы притяжения всех остальных звезд системы (регулярная сила) и 2) силы возмущения, возникающей вследствие близких прохождений звезд (иррегулярная сила).
Промежуток времени, в течение которого влияние иррегулярных сил в данной звездной системе равняется влиянию регулярных сил, называется временем релаксации системы. Для нашей звездной системы — Галактики — время релаксации, по подсчетам Амбарцумяна, составляет около десяти миллионов миллиардов лет. Это означает, что в Галактике влияние иррегулярных сил ничтожно мало вследствие крайне редких близких прохождений звезд. Поэтому во многих задачах звездной динамики Галактику можно рассматривать как систему, внутри которой звезды движутся под влиянием только регулярных сил.
Однако в реальных звездных системах не всегда можно пренебречь влиянием иррегулярных сил. У некоторых из них (кратные звезды, звездные скопления) иррегулярные силы могут играть существенную роль. С другой стороны, в звездных системах звезды взаимодействуют по закону всемирного тяготения Ньютона. Из-за указанных двух особенностей (редкие близкие прохождения и гравитационное взаимодействие) реальных звездных систем многие обычные методы статистической физики к ним непосредственно не применимы.
Амбарцумян разработал основы новой физической статистики, учитывающей эти особенности реальных звездных систем, так называемой статистической механики звездных систем.
Применением оригинальных методов статистической механики звездных систем к двойным звездам и звездным скоплениям ученый получил результаты первостепенной важности, среди которых следует отметить оценки возрастов звездных систем, в частности оценку возраста современного состояния Галактики.
Рассмотрим этот вопрос подробнее.
При своих движениях внутри звездного скопления звезды, составляющие системы, часто приближаются или удаляются друг от друга. Это приводит к перераспределению скоростей звезд скопления. В результате некоторые звезды скопления приобретают скорости, достаточные для преодоления поля притяжения системы, и удаляются от нее. Этот процесс, периодически повторяясь, обусловливает постепенный распад скопления. Причем из звездного скопления выбрасываются в первую очередь звезды-карлики, обладающие небольшими массами. Вычисления показывают, что при наблюдаемых в галактических звездных скоплениях плотностях звезд время, необходимое для полураспада скоплений, не превышает десяти миллиардов лет. Наблюдательные данные о наличии карликовых звезд и об общем количестве звезд в звездных скоплениях свидетельствуют о том, что многие скопления Галактики еще не успели распасться наполовину. Этот важный наблюдательный факт дал Амбарцумяну основание заключить, что продолжительность современного состояния Галактики, то есть ее возраст, не превышает десяти миллиардов лет.
Этот результат был подтвержден статистическими исследованиями двойных звезд.
Одиночная звезда при близком прохождении мимо двойной звезды вызывает изменения элементов орбиты последней. Случайный характер близких прохождений приводит со временем к равновесному распределению элементов орбит двойных звезд. Время, требуемое для установления такого равновесного распределения в Галактике, равно около десяти миллиардов лет. Между тем наблюдения двойных звезд свидетельствуют, что равновесное распределение элементов их орбит в Галактике еще не установлено, что можно рассматривать как подтверждение вышеприведенной оценки возраста Галактики.
Наконец, при близких прохождениях звезд происходят процессы как образования, так и распада двойных звезд. Со временем между этими двумя противоположными процессами должно установиться равновесное состояние (диссоциативное равновесие), когда за определенный промежуток времени число распадающихся пар двойных звезд равно, в среднем, числу образовав-шихся пар. В случае широких пар в Галактике для установления диссоциативного равновесия необходимо около десяти миллиардов лет. Как было показано Амбарцумяном, процент широких пар по отношению к одиночным звездам, ожидаемый при диссоциативном равновесии, в Галактике в несколько десятков миллионов раз меньше наблюдаемого процента. Это означает, что в Галактике еще не установлено диссоциативное равновесие между процессами образования и распада широких пар. Этот наблюдательный факт также свидетельствует в пользу указанной выше оценки возраста Галактики.
Исследования Амбарцумяна опровергли безоговорочно господствовавшее в науке представление, основанное на работе известного английского ученого Джемса Джинса по статистике двойных звезд о том, что возраст Галактики определяется так называемой «долгой шкалой времени» — около десяти тысяч миллиардов лет. Было показано, что «долгая шкала времени» — результат неправильной интерпретации наблюдательных данных об элементах орбит двойных звезд. На самом деле, для возраста Галактики они указывают на «короткую шкалу времени» — около десяти миллиардов лет, что в тысячи раз короче «долгой шкалы». Оценка возраста Галактики, данная Амбарцумяном, получила всеобщее признание.
Большое научное значение имеет разработанная Амбарцумяном общая теория вывода распределения пространственных скоростей звезд с помощью наблюдаемого распределения их радиальных скоростей.
Для проблемы возникновения и эволюции звезд принципиальное значение имеет результат, полученный ученым на основе изучения переменных звезд типа RR Лиры, показывающих кратковременные периодические колебания блеска. Он показал, что промежутки времени, требуемые для существенных изменений в пространственном распределении или в распределении пространственных скоростей звезд определенного типа, во много раз превышают продолжительность жизни этих звезд. Из этого результата непосредственно следует, что наблюдаемые распределения указанных величин в течение жизни звезд данного типа практически не меняются. Поэтому звезды, представляющие различные стадии эволюции данного типа, должны обладать сходными распределениями как в пространстве, так и по скоростям (иметь одинаковые пространственно-кинематические характеристики).
Принцип инвариантности и теория рассеяния света.
Удивительное умение Амбарцумяна найти наиболее простые решения сложнейших физических проблем особенно ярко проявилось при создании им новой теории рассеяния света в мутной среде.
Проблема многократного рассеяния света имеет долгую историю. Этой проблемой занимались многие ученые, в том числе очень крупные. В их исследованиях задача рассеяния света обычно приводилась к интегральному уравнению очень сложной формы, решение которого получается лишь в приближенном, притом очень длинном виде.
Для решения проблемы рассеяния света Амбарцумян сформулировал следующий новый и очень плодотворный принцип — принцип инвариантности: отражательная способность среды, состоящей из плоско-параллельных слоев и бесконечно большой оптической толщины, не должна измениться, если со стороны ее границы добавить к ней плоский слой конечной оптической толщины, обладающий теми же оптическими свойствами.
Применением этого исключительно простого принципа Амбарцумян привел задачу рассеяния света в мутной среде к системе уравнений очень простого вида: так называемых функциональных уравнений. Таким образом, с помощью принципа инвариантности ему удалось получить точное решение задачи о многократном рассеянии света.
Это стало возможным благодаря тому, что при применении принципа инвариантности для получения соотношения между падающим и отраженным пучками света на границе среды достаточно знать только свойства рассеивающей среды, в то время как при классической постановке задачи рассеяния света требуется знание всех изменений, происходящих с пучком света во всех точках среды. Эти уравнения в настоящее время носят имя Амбарцумяна.
Принцип инвариантности явился исключительно мощным средством при решении различных задач, связанных с изучением атмосфер планет, звезд и Солнца. Решение части из них было получено самим Амбарцумяном.
Принцип инвариантности стал исходным при решении вопросов, связанных с многократным рассеянием электромагнитного излучения вообще. Этот принцип нашел многочисленные применения не только в астрофизике, но и в самых различных областях теоретической и экспериментальной физики, геофизики, радиофизики и даже в диагностике болезней.
Позже, после многолетнего перерыва, Амбарцумян снова вернулся к проблеме рассеяния света и внес существенное дополнение к применениям принципа инвариантности. Он нашел путь, который дал возможность использовать этот принцип в нелинейной теории рассеяния света. Нелинейные задачи рассеяния возникают, когда не только рассеивающая среда влияет на свет, но и сам свет оказывает заметное влияние на среду в смысле изменений ее оптических свойств. Из полученных им новых результатов значительный интерес представляет теоретическое предсказание явления просветления среды под влиянием падающего на нее излучения.
В заключение этого раздела отметим, что в работе, посвященной исследованию интегрального уравнения лучистого равновесия в звездных атмосферах, ученый раскрыл некоторые интересные особенности этого уравнения, которые не встречаются в математической физике и имеют не только научное, но и практическое значение для решения таких уравнений.
Природа межзвездной материи и теория флуктуации.
После открытия явления поглощения света в межзвездном пространстве Галактики возникла необходимость изучения свойств межзвездной поглощающей материи. Поглощение света звезд и туманностей межзвездной материей вносит значительные изменения в их яркости, искажает их расстояния и, следовательно, распределения в пространстве. Это сильно осложняет исследование строения Галактики.
Амбарцумян внес важный вклад в изучение межзвездной материи, в определение ее строения и оптических свойств. Он показал, что поглощение света в Галактике невозможно объяснить присутствием газовой материи в межзвездной среде и причиной этого явления следует считать межзвездную пылевую материю.
Ученый (совместно со своим учеником Ш. Г. Горделадзе) в широко известном исследовании раскрыл природу наблюдаемой связи светлых пылевых туманностей в Галактике с освещающими их звездами. Простым и остроумным методом было показано, что эта связь в большинстве случаев случайная. Иначе говоря, как светлые наблюдаются лишь те пылевые туманности, около и внутри которых при случайных встречах оказались звезды достаточно высокой светимости. Это означало, что пылевые туманности, в соседстве с которыми не имеется звезд высокой светимости, не освещаются и должны быть темными. Следовательно, необходимо было допустить, что светлые и темные пылевые туманности являются одинаковой природы образованиями. Расчеты показали, что в Галактике звезды высокой светимости освещают лишь ничтожную долю (1/2000) всех пылевых туманностей. Иначе говоря, число неосве-щаемых, темных пылевых туманностей в нашей звездной системе должно быть в 2000 раз больше, чем число светлых пылевых туманностей. Из факта такого обилия темных пылевых туманностей был получен принципиально важный вывод о том, что поглощение света в межзвездном пространстве Галактики вызывается не непрерывной пылевой средой, а в основном отдельными темными пылевыми туманностями — поглощающими облаками. Тем самым было установлено, что межзвездная поглощающая среда состоит из отдельных поглощающих облаков, то есть имеет клочковатую структуру.
Поглощающие облака больших размеров, обладающие большой поглощательной способностью, непосредственно наблюдаются в виде темных облаков и могут быть исследованы с помощью вызываемого ими поглощения света расположенных за ними звезд. Однако наблюдение, следовательно и исследование небольших облаков, обладающих незначительной поглощательной способностью, практически исключается, в то время как они составляют подавляющее большинство всех поглощающих облаков.
Мощным средством исследования совокупности межзвездных поглощающих облаков малых размеров явилась разработанная Амбарцумяном теория флуктуации. Поглощающие облака в межзвездном пространстве сконцентрированы в довольно узком слое вокруг плоскости симметрии Галактики. Из-за вызываемого ими поглощения света возникают определенные отклонения в наблюдаемом распределении яркости Млечного Пути на небе, а также чисел внегалактических туманностей, по сравнению с равномерным распределением.
Иначе говоря, если при отсутствии межзвездного поглощения, например, яркость Млечного Пути в соседних областях неба должна была отличаться немного (она должна была изменяться плавно), то наличие межзвездных поглощающих облаков приводит к тому, что при переходе от одной области к соседней на небе наблюдаются скачкообразные изменения этой яркости. Характер и величина наблюдаемых отклонений полностью определяются поглощательными свойствами межзвездных облаков и их числом на пути луча света. Исследование наблюдаемых отклонений с помощью теории флуктуации позволило определить важные характеристики (средняя поглощательная способность, средние размеры и т. д.) межзвездных поглощающих облаков. Следует добавить, что в теории флуктуации Амбарцумян учел различия в наблюдаемых распределениях рассматриваемых величин по сравнению с равномерным распределением, которые являются следствием существования физических групп звезд и галактик, а также наличия рассеяния света в межзвездном пространстве.
В настоящее время выводы о клочковатой структуре межзвездной поглощающей среды Галактики и о природе и свойствах поглощающих облаков твердо вошли в науку.
Интересно отметить, что при рассмотрении случайных отклонений наблюдаемых величин, соответствующих двум соседним направлениям в Галактике, от их среднего значения Амбарцумян столкнулся с математической задачей, требующей некоторого обобщения закона распределения случайных величин Пуассона для случая, когда случайные величины не полностью независимы друг от друга.
Звездные ассоциации и эволюция звезд.
На всех этапах научной деятельности Амбарцумян уделял большое внимание вопросам происхождения и развития звезд и звездных систем.
В исследованиях, посвященных изучению планетарных туманностей, нестационарных звезд и, наконец, статистической механике звездных систем, ученый нашел первые признаки изменений, происходящих в состояниях звезд и звездных систем. Последующие исследования в этом направлении в 1947 г. привели Амбарцумяна к открытию звездных систем нового типа — звездных ассоциаций, очагов звездообразования в Галактике.
Исходной для открытия звездных ассоциаций явилась наблюдаемая тенденция горячих гигантских и сверхгигантских звезд (звезды спектральных классов О и В) и карликовых звезд, показывающих неправильные изменения блеска с эмиссионными линиями в спектрах (переменные звезды типа Т Тельца), к скучиванию на небе. Исследование их пространственного распределения показало, что образуемые ими группировки занимают в пространстве ограниченные объемы, то есть они являются физическими системами. Эти системы и получили название звездных ассоциаций.
Звездные ассоциации, характерное звездное население которых составляют эти звезды одинаковых физических характеристик, в отличие от ранее известных звездных систем — звездных скоплений, которые из-за большой звездной плотности на фотографиях звездного неба бросаются в глаза, непосредственно не наблюдаются. Средняя плотность звезд в звездных ассоциациях меньше, чем в общем звездном поле Галактики, и они теряются на фоне поля звезд. Однако звездные ассоциации выделяются высокой парциальной плотностью звезд указанных выше физических типов.
По характерному звездному населению в Галактике известны два типа звездных ассоциаций: горячих звезд (О-ассоциации) и звезд типа Т Тельца (Т-ассоциации), причем все ближайшие О-ассоциации содержат в себе звезды типа Т Тельца, то есть являются одновременно Т-ассоциациями (О + Т-ассоциации), в то время как имеется большое число только Т-ассоциаций.
Анализ сил, действующих в звездных ассоциациях, привел Амбарцумяна к следующему принципиальному результату: звездные ассоциации являются динамически крайне неустойчивыми системами звезд, вследствие чего они в настоящее время расширяются и должны неизбежно распасться за время порядка десятков миллионов лет. Тот факт, что современные звездные ассоциации еще не успели распасться, свидетельствует о том, что их возраст меньше этого времени — десятков миллионов лет.
С другой стороны, согласно «короткой шкале времени», возраст Галактики в тысячу раз больше. Отсюда следует, что звездные ассоциации в Галактике являются молодыми образованиями. Вместе с тем, кратные системы звезд, в частности звездные ассоциации, не могли бы формироваться из ранее существовавших звезд при их близких прохождениях. Мы уже видели, что формирование таким путем даже совокупности двойных звезд в Галактике исключается. Следует поэтому считать, что звезды, образующие ассоциации, связаны друг с другом со времени их возникновения, то есть также являются молодыми.
О молодости звездных ассоциаций и составляющих эти системы звезд свидетельствует и ряд других наблюдательных данных. Отметим некоторые из них. Из поверхностных слоев многих звезд, входящих в состав звездных ассоциаций (звезды типов Вольфа-Райе, Р Лебедя, звезды с эмиссионными линиями в спектрах), происходит непрерывное, притом довольно интенсивное истечение газовой материи, которое не может продолжаться долго — не более десятков миллионов лет. Этот факт показывает, что указанные звезды действительно находятся в стадии становления и пока не успели достичь равновесного состояния. В пользу молодости говорит и обилие в звездных ассоциациях динамически крайне неустойчивых кратных звезд (звезды типа Трапеции и звездные цепочки). Возраст этих кратных звезд, по расчетам Амбарцумяна, не превышает нескольких миллионов лет.
Новым словом в звездной динамике, и вообще в астрономии, была идея Амбарцумяна о кратных системах типа Трапеции. Эти системы состоят исключительно из очень молодых звезд и динамически крайне неустойчивы. Вследствие этого они очень быстро распадаются, значительно быстрее их материнских звездных ассоциаций.
Таким образом, на основе наблюдательных данных самого разнообразного характера Амбарцумян показал, что звездные ассоциации (и звезды, входящие в их состав) возникли сравнительно недавно. Впервые в истории науки было установлено, что процесс звездообразования в Галактике, начавшийся несколько миллиардов лет назад, продолжается и в современной стадии ее развития.
Этот вывод имел принципиальное значение и полностью опровергал господствовавшее до этого в науке представление о том, что все звезды в Галактике образовались одновременно, несколько миллиардов лет назад.
Из наблюдательного факта обилия в звездных ассоциациях динамически неустойчивых, кратных звезд и звездных цепочек был получен другой фундаментальный результат: звезды, составляющие физическую систему, имеют общее происхождение, звезды рождаются группами.
Это новое представление о совместном возникновении составляющих кратных звезд имеет важное значение и для проблемы возникновения Солнечной системы. Дело в том, что нет никаких оснований допускать, что процесс образования планетных систем, в частности нашей Солнечной системы, существенно отличается от процесса образования кратных звезд.
За время, прошедшее после открытия звездных ассоциаций, в обсерваториях мира были получены многочисленные данные, полностью подтверждающие принципиально новые выводы о физической природе звездных ассоциаций, в частности об их динамической неустойчивости (расширение и последующий распад), о продолжающемся в наше время процессе звездообразования и о групповом возникновении звезд в Галактике.
Открытие и исследование звездных ассоциации, этих очагов звездообразования в Галактике, где звезды формируются группами, сыграли решающую роль в коренном изменении наших представлений о процессе образования звезд и звездных систем. Они стимулировали бурный поток исследований в этой области науки.
Звездные ассоциации явились мощным оружием в руках исследователей в изучении закономерностей происхождения и развития звезд и звездных систем.
Вместе с этим исследование звездных ассоциаций привело к новому наблюдательному подходу к проблеме возникновения и развития звезд и звездных систем, к новым представлениям о природе дозвездной материи, об источниках энергии звезд и т. д.
Новая гипотеза о протозвездах. Теоретическое исследование возможных сверхплотных конфигураций материи.
Вытекающие из представления о динамической неустойчивости звездных ассоциаций явления их расширения и последующего распада, наблюдательные данные о природе и строении этих недавно возникших звездных систем дали основания Амбарцумяну выдвинуть новую гипотезу о дозвездной материи.
Согласно этой новой гипотезе о протозвездах, возникновение и развитие звезд и звездных систем протекает не путем перехода материи из диффузного (рассеянного) состояния в более плотные, как предполагает классическая гипотеза о конденсации диффузной материи в звезды, а наоборот, эволюция космической материи соответствует ее переходам из более плотных состояний к менее плотным. Иначе говоря, в новой гипотезе исходным состоянием материи является сверхплотное состояние, и поэтому эту гипотезу можно назвать гипотезой сверхплотных протозвезд.
За исходными сверхплотным и плотным состояниями космической материи в процессе эволюции следуют состояния менее плотные, что соответствует наблюдаемым формам существования космической материи (звезды, туманности, планеты и т. д.).
Долгое время считалось, что самыми плотными космическими образованиями являются звезды — белые карлики, средняя плотность материи которых составляет от нескольких до нескольких десятков тонн в кубическом сантиметре. Такую высокую плотность можно объяснить, если допустить, что материя белых карликов состоит из отдельных ядер и свободных электронов, расположенных друг к другу очень близко. Между тем в земных условиях ядра и электроны обычно входят в состав атомов, где расстояния между электронами и ядрами, следовательно размеры атомов, во много раз больше, чем размеры самих ядер и электронов. По этой причине на Земле количество ядер и электронов, составляющих атомы в единице объема, то есть плотность материи, существенно небольшое.
Однако теоретическое исследование показало, что в принципе возможны более плотные формы существования космической материи, которые должны состоять большей частью из нейтронов — нейтронные звезды. Предполагается, что такими нейтронными звездами являются открытые в 1968 г. пульсары — источники радиоизлучения, обладающие весьма быстрой и строго периодической переменностью.
В связи с гипотезой сверхплотных протозвезд Амбарцумян (совместно с Г. С. Саакяном) рассмотрел принципиальную возможность существования в природе еще более плотных форм материи. Было показано, что в тех случаях, когда плотность газа, состоящего из элементарных частиц, гораздо больше, чем плотность нейтронных звезд (около миллиарда тонн в кубическом сантиметре), в этом газе должно начаться возникновение гиперонов — более тяжелых элементарных частиц. При дальнейшем возрастании плотности газа число возникающих гиперонов постепенно превышает общее число нейтронов и протонов в газе. Знаменателен вывод теории о том, что крайне неустойчивые в земных условиях гипероны (средняя продолжительность их жизни на Земле равна одной десятимиллиардной доли секунды) при таких плотностях газа становятся устойчивыми. Согласно этой новой теории о равновесных конфигурациях сверхплотной материи, начиная с определенного значения массы, сверхплотная звезда должна состоять в основном из гиперонов.
В этих исследованиях получен также весьма важный вывод о том, что равновесные сверхплотные конфигурации материи обладают огромными запасами внутренней энергии, необходимой для объяснения явлений физической и динамической неустойчивости, наблюдаемых, как показало исследование звездных acсоциаций, в недавно возникших молодых звездах и звездных системах.
Однако с точки зрения гипотезы сверхплотных протозвезд Амбарцумяна в этих исследованиях по теоретическому изучению возможных сверхплотных форм существования космической материи наиболее важным результатом, имеющим принципиальное значение, является установление возможности существования сверхплотной материи, обладающей плотностью, равной и больше плотности атомных ядер.
Физика молодых звезд и источники звездной энергии.
Среди исследований Амбарцумяна по изучению природы и лучеиспускания молодых звезд, входящих в состав звездных ассоциаций, большой интерес представляют исследования, посвященные необычному избыточному излучению, наблюдаемому у звезд типа Т Тельца и примыкающих к ним объектов — так называемой непрерывной эмиссии. Этот интерес обусловлен прежде всего полученными в них новыми и принципиально важными выводами об источниках энергии звезд. Они весьма интересны также тем, что содержат некоторые косвенные свидетельства о существовании в недрах молодых звезд заметного количества сверхплотной материи, что может рассматриваться в пользу гипотезы сверхплотных протозвезд. С рассматриваемой точки зрения особого внимания заслуживают звезды типа Т Тельца и родственные с ними объекты, составляющие характерное население звездных ассоциаций или сравнительно молодых скоплений. Амбарцумян установил, что иррегулярные изменения блеска этих звезд обусловлены не изменениями их температуры или размеров, а вызываются источниками дополнительной энергии, появляющимися время от времени в поверхностных слоях звезды.
Согласно принятому в настоящее время в науке представлению, источником энергии звезд являются термоядерные реакции, протекающие в их центральных областях. Во время этих реакций, происходящих при температуре среды в десятки миллионов градусов, из водородных ядер (протонов) образуются гелиевые ядра (альфа-частицы), из четырех протонов одна альфа-частица с выделением колоссального количества энергии. Освобожденная в результате термоядерных реакций энергия в виде излучения выходит затем из поверхностных слоев (фотосферы) звезды.
Наблюдаемые в поверхностных слоях звезд типа Т Тельца и родственных с ними вспыхивающих звезд случаи непосредственного, причем иногда весьма кратковременного (порядка минуты), освобождения огромных количеств энергии невозможно объяснить термоядерными реакциями. Дело в том, что температура среды в поверхностных слоях звезд недостаточна для протекания термоядерных реакций. Для объяснения этого загадочного явления Амбарцумян допустил, что освобождающаяся в указанных случаях энергия выносится из внутренних слоев звезды вместе с материей-носителем этой энергии. Так как такие резкие изменения блеска (мощности излучения) наблюдаются только у звезд типа Т Тельца и родственных с ними звезд, то есть у очень молодых звезд, то следует, по-видимому, считать, что это связано с наличием внутри звезды определенных количеств материи, находящейся в дозвездном состоянии. Следовательно, представляется весьма правдоподобным допущение, что наличие в общем излучении указанных нестационарных звезд непрерывной эмиссии необычной природы является непосредственным следствием выхода в поверхностные слои звезды и распада дозвездной материи — перехода материи из дозвездного состояния в звездное.
Наблюдения показывают, что процессы непосредственного выделения внутренней энергии в поверхностных слоях звезд сопровождаются возникновением новых атомных ядер, иногда весьма неустойчивых. Об этом свидетельствует, в частности, обилие неустойчивых ядер в атмосферах ряда нестационарных звезд. В пользу необычной природы непрерывной эмиссии серьезные наблюдательные свидетельства были получены в Бюракане и за рубежом (Мексика, США и ФРГ).
Проблема непрерывной эмиссии в настоящее время еще далека от своего полного решения. Однако, несомненно, что изучение явления непосредственного выделения внутризвездной энергии, протекающего в физических условиях, недостижимых на Земле, имеет исключительно большое научное значение не только для проблемы источников звездной энергии, но и для ядерной физики вообще.
Физика и эволюция вспыхивающих звезд.
Особенности излучения вспыхивающих звезд, прежде всего появления непрерывной эмиссии в излучении этих звезд во время вспышек их блеска, дали основание Амбарцумяну еще в 1953 г. заключить, что вспыхивающие звезды по своей физической природе примыкают к звездам типа Т Тельца. Открытие вспыхивающих звезд в звездных системах — ассоциациях и сравнительно молодых звездных скоплениях мексиканским астрономом Гильермо Аро явилось веским аргументом в пользу этого вывода и указывало на эволюционное значение вспыхивающих звезд.
В 1968 г. Амбарцумяну удалось показать, что вспыхивающие звезды действительно представляют собой одну из наиболее ранних стадий эволюции карликовых звезд. Он разработал оригинальный статистический метод оценки полного числа вспыхивающих звезд в физической системе на основе наблюдательных данных об уже известных в этой системе вспыхивающих звездах. Применением этого метода ученый установил, что в сравнительно молодом звездном скоплении Плеяды (возраст около 70 миллионов лет) должны быть, по крайней мере, несколько сотен вспыхивающих звезд. Далее, используя известную суммарную массу скопления, а также массу входящих в скопление ярких, невспыхивающих звезд, он определил массу остальных звезд скопления. Оказалось, что эта последняя масса практически совпадает с оценкой массы всех предполагаемых вспыхивающих звезд, полученной ученым. Так было показано, что все звезды низкой светимости скопления должны быть вспыхивающими.
Имея в виду, что эти звезды составляют физическую систему — скопление, их совместное образование не вызывает сомнения. Следовательно, следует считать, что способность показывать вспышки является характерной особенностью звезд в этой стадии эволюции, а сама стадия — закономерной стадией в жизни карликовых звезд. Таким образом, было установлено, что стадия вспыхивающей звезды, когда звезда обладает способностью показывать время от времени вспышки, является эволюционной стадией, одной из наиболее ранних в эволюции звезд, через которую проходят все карликовые звезды.
Этот важный для изучения эволюции звезд вывод положил начало регулярным и планомерным фотографическим наблюдениям вспыхивающих звезд в звездных ассоциациях и скоплениях. Наблюдения, выполненные главным образом в обсерваториях Азяго (Италия), Будапештской, Бюраканской и Тонантцинтла (Мексика), привели к полному его подтверждению и дали ценные сведения об этой ранней стадии эволюции звезд.
Амбарцумян на основе этих наблюдений рассмотрел вопрос о генетической связи между двумя ранними стадиями эволюции звезд—типа Т Тельца и вспыхивающей звезды — и показал, что стадия вспыхивающей звезды следует за стадией типа Т Тельца, начинаясь еще до окончания последней. В этот период жизни звезды стадии типа Т Тельца и вспыхивающей звезды взаимно перекрываются, и звезды типа Т Тельца наряду с непрерывными и неправильными изменениями блеска показывают и изменения типа вспышек.
Среди исследований Амбарцумяна, посвященных вспыхивающим звездам в системах, своей оригинальностью выделяется работа по выводу функции распределения средних частот вспышек в данной системе на основе наблюдений звездных вспышек в ней. В этой работе задача определения указанной функции сводится к решению обратной задачи с помощью хронологии открытия вспыхивающих звезд (первых вспышек) и хронологии подтверждения их вспышечной природы (наблюдения вторых вспышек). Новый метод был применен ученым к совокупности вспыхивающих звезд в скоплении Плеяды. Полученная функция распределения средних частот вспышек удовлетворительно представляет наблюдения этой наиболее изученной системы вспыхивающих звезд и еще раз подтверждает их обилие в скоплении.
Следует отметить также, что, исходя из гипотезы протозвезд и представления о выносе в поверхностные слои молодых звезд сгустков дозвездной материи — носителя внутризвездной энергии, Амбарцумян предсказал существование «быстрых» и «медленных» вспышек, обладающих различными свойствами, которые затем были открыты, и дал объяснение удивительному явлению фуора.
Звездная статистика.
Ряд статистических исследований Амбарцумяна посвящен определению формы Галактики, распределению в ней звезд и межзвездной материи.
Впервые им (совместно с Г. А. Шайном) было показано, что реальное число белых карликов в Галактике должно быть очень большим. Наблюдаемое число белых карликов ограничивается их низкой светимостью, вследствие чего они наблюдаются только в окрестностях Солнца. Ими был также предложен метод для обнаружения сравнительно далеких белых карликов.
На основе исследования поверхностных яркостей О-ассоциаций Амбарцумян показал, что они являются характерной особенностью строения внешних областей нашей Галактики. Эта особенность общая для всех спиральных галактик с развитыми спиральными рукавами. Следовательно, обилие О-ассоциаций в Галактике свидетельствует о том, что она спиральная, с хорошо развитыми спиральными рукавами.
В другом исследовании ученого было показано, что при наблюдении извне окрестность Солнца оказалась бы на краю наблюдаемой части Галактики. Более далекие от ее центра части не могли бы наблюдаться из-за их низкой поверхностной яркости. Этот результат имеет важное значение для определения реальных размеров других галактик.
Подсчеты звезд разного блеска дали основание Амбарцумяну заключить, что в Галактике звезды в среднем сконцентрированы вокруг плоскости симметрии системы сильнее, чем межзвездная газо-пылевая материя.
Особый интерес представляют результаты статистического анализа вопроса о существовании реальных кратных звезд типа Трапеции и звездных цепочек. Было установлено, что наблюдаемые в звездных ассоциациях кратные звезды и звездные цепочки гигантских и сверхгигантских горячих звезд большей частью являются, действительно молодыми, динамически неустойчивыми физическими системами звезд, в то время как наблюдаемые аналогичной конфигурации кратные системы, состоящие из более холодных звезд, не входящих в состав звездных ассоциаций, являются, почти без исключения, ложными трапециями, образовавшимися в результате случайного благоприятного проектирования звезд на небесной сфере.
К звездной статистике относятся и многие другие исследования Амбарцумяна, которые рассматриваются в других разделах.
Галактики и их системы. Активность ядер галактик.
Логическим продолжением исследований нестационарных явлений в звездах и их системах явились исследования нестационарных явлений в галактиках и их системах, явлений гораздо более мощных по масштабам и более необычных по своей природе.
Исходным для этих исследований было допущение, полностью оправдавшее себя, о том, что в мире галактик в явлениях нестационарности проявления неизвестных состояний материи, связанных с процессом образования новых структурных составляющих, должны быть более мощными и продолжительными, чем имеет место в мире звезд.
Было показано, что наиболее характерной особенностью пространственного распределения галактик является их тенденция встречаться физическими группами — кратными галактиками, скоплениями галактик и т. д. Оказалось, например, что относительное число кратных систем среди галактик больше, чем в случае звезд.
Исследования Амбарцумяна раскрыли одну примечательную особенность распределения галактик: системы галактик в большинстве случаев являются динамически неустойчивыми, распадающимися. Об этом свидетельствуют такие наблюдательные факты, как обилие среди кратных галактик систем типа Трапеции и очень большие внутренние движения в некоторых системах галактик. Имеются серьезные основания допустить, что некоторые кратные галактики и скопления галактик в настоящее время распадаются вследствие того, что часть составляющих галактик этих систем обладает пространственными скоростями, достаточными для преодоления сил притяжения и удаления из соответствующих систем галактик.
Эти наблюдательные факты послужили основой для важного вывода Амбарцумяна о том, что в мире галактик в настоящее время происходят явления динамической нестационарности больших масштабов, связанные с образованием новых галактик. Иначе говоря, в мире галактик процессы происхождения и развития новых систем в настоящее время продолжаются. Веские свидетельства в пользу этого вывода были получены на основе исследований проявлений физической нестационарности во многих галактиках.
Толчком для исследований по изучению, различных проявлении физической нестационарности галактик послужило открытие американскими астрономами Вальтером Бааде и Рудольфом Минковским радиогалактик — галактик, обладающих необычно мощным радиоизлучением, порядка мощности их оптического излучения.
Амбарцумян на основе глубокого анализа всех фактических данных о радиогалактиках показал, что это явление обусловлено не внешними причинами (столкновением галактик), как считали авторы открытия радиогалактик, а физической нестационарностью соответствующих галактик.
Теоретическое исследование многочисленных наблюдаемых проявлении физической нестационарности различного рода в галактиках привело ученого к фундаментальному выводу о том, что в процессах возникновения и развития галактик огромна роль их центральных, небольших по размерам сгущений — ядер галактик. Он обосновал принципиально новое представление о том, что все наблюдаемые проявления нестационарности галактик являются следствием активности ядер галактик. Далее он установил, что различным степеням активности ядер галактик соответствуют различные по форме и мощности проявления в структуре и излучении галактик.
Большой научный интерес представляют в первую очередь те формы проявления активности ядер галактик, которые связаны с освобождением колоссальных количеств энергии. К таким формам активности ядер относятся радиовспышки, взрывы, сопровождаемые извержениями больших газовых масс, выбросы мощных струй материи и целых галактик-спутников, так называемых компактных галактик. Формами проявления мощнейшего энерговыделения ядрами галактик являются также наблюдаемые вокруг галактик сильно радиоизлучающие газовые облака и необычно интенсивное ультрафиолетовое излучение галактик.
Разработанные Амбарцумяном представления об активности ядер галактик и динамической неустойчивости физических систем галактик позволили понять необъяснимые до этого явления и предсказать совершенно новые явления. В частности, большой научный интерес представляет объяснение радиогалактик как определенной стадии эволюции галактик.
Для разработки идеи об активности ядер галактик важное значение имело открытие в Бюракане голубых извержений и спутников (голубых гигантов) эллиптических галактик. Необычно голубой цвет этих образований трудно объяснить даже при допущении, что они состоят целиком из горячих (голубых) звезд. Поэтому наблюдаемые голубые образования — выбросы из ядер галактик, по-видимому, следует рассматривать как свидетельство существования в ядрах галактик пока неизвестных состояний материи.
Теоретическое рассмотрение Амбарцумяном наблюдательных данных об известных проявлениях активности ядер галактик дало серьезные основания допустить, что активность ядер вызывается не звездами и не диффузной материей, содержащимися в них. Они не в состоянии объяснить, по крайнем мере, такие наблюдаемые формы активности ядер, которые связаны с выделением колоссальных количеств энергии и извержениями необычно больших масс материи. Следовательно, приходится считать, что в соответствующих ядрах имеются тела неизвестной в настоящее время природы, которые содержат очень большие запасы материи и обладают огромном энергией. Иначе говоря, следует считать, что в ядрах галактик физические состояния материи крайне необычны и сильно отличаются от состояний, наблюдаемых в других частях Вселенной. В частности, в некоторых телах, содержащихся в ядрах галактик, плотность материи должна быть чрезвычайно высокой. Только в этом случае ядра могут обеспечить непрерывное истечение материи или выбросы и извержения больших масс из ядер — явлений, обнаруженных наблюдениями в некоторых галактиках. Эти соображения и послужили основой для разработки нового важного представления о том, что ядра галактик являются источниками огромных количеств материи и энергии, которые затем дают начало образованию вокруг них галактик или систем галактик и снабжают их энергиями наблюдаемых нестационарных движений. Амбарцумян показал, что результаты изучения нестационарных систем галактик и различных форм проявления активности ядер отдельных галактик представляют огромный научный интерес не только для вскрытия закономерностей происхождения звезд и звездных систем различных масштабов, но и для обнаружения и исследования неизвестных пока состояний материи, в том числе дозвездных. Причем полученные ученым результаты в этой области находятся в полном согласии с уже упомянутым ранее представлением теории звездных ассоциаций о том, что развитие материи в Галактике имеет определенную направленность от более плотных состояний к менее плотным.
Наблюдения последних десятилетий, выполненные крупнейшими телескопами мира, полностью подтверждают выводы Амбарцумяна о необычных особенностях ядер галактик и их решающей роли в возникновении и эволюции галактик и их систем. Особо следует отметить в этой связи открытие квазаров — галактик, обладающих ядрами чрезвычайно высокой активности, и обнаружение последствий мощных взрывов и извержений из ядер некоторых активных галактик.
Для проблемы происхождения и эволюции галактик важное значение имели также работы по открытию и исследованию галактик с необычно сильным ультрафиолетовым излучением — галактик с очень активными ядрами и так называемых компактных групп компактных галактик, выполненные под руководством Амбарцумяна.