Материал: Шахбазян Ю. АМБАРЦУМЯН. Этапы жизни и научные концепции

Глава восьмая

ЗВЕЗДНАЯ ДИНАМИКА И ВОЗРАСТ ГАЛАКТИКИ

Статистико-механические методы изучения звездных систем

В научных трудах раннего периода В. А. Амбарцумяна особое место заняли работы по звездной астрономии, в частности, по динамике звездных систем. Амбарцумян постоянно и упорно искал закономерности, проливающие свет на катастрофические явления в туманностях, звездах, звездных агрегатах, во внегалактических объектах — галактиках, квазарах и квазизвездных объектах, находящихся в состоянии неустойчивости. Он считал, что суть физических процессов в звездах и галактиках наилучшим образом выявляется в экстремальные, поворотные, быть может, даже в катастрофические моменты их жизнедеятельности. Но общепонятный физический смысл нестационарности небесных тел нужно было сформулировать в строго математических терминах. Амбарцумян, прежде всего, пишет руководство — «Статистико-механические методы изучения звездных систем». К сожалению, рукопись осталась неопубликованной, но на ее основе в 1930-х годах он читал в Ленинградском университете лекции по звездной динамике. Она послужила основой многочисленных трудов для него и других астрономов, его коллег и учеников.

Первым неоспоримым успехом приложения разработанной Амбарцумяном статистической механики звездных систем явилось получение в 1936 году очень важной формулы для потенциальной энергии самогравитирующей сферической системы. Соответствующая статья была опубликована, однако осталась незамеченной, и в 1954 году эту формулу независимо вывел Шварцшильд, которому она была приписана в «Пулковском курсе астрофизики и звездной астрономии». Из этой формулы непосредственно следует знаменитая формула Кинга для гравитационного потенциала.

Затем последовало решение вопроса о рассеянии открытых звездных скоплений в Галактике.

В 1930-х годах С. Росселанд1 исследовал рассеяние звездных скоплений Галактики. Он, естественно, заметил, что когда дисперсии скоростей звезд скопления и поля сравниваются, то скопление «расплывается». Он оценил характерное время такого процесса, которое можно считать верхним пределом возраста скоплений. Оказалось, что для рассеянных звездных скоплений возраст не превосходит 1010 лет. В 1934 году Б. Бок2 обратил внимание на значительную роль приливных сил в эволюции звездных скоплений, однако при математическом анализе своих упрощенных моделей он сделал несколько ошибок, исправление которых, как показал Л. П. Осипков3, не повлияли на выводы качественного характера.

Редактируя русский перевод книги Росселанда, Амбарцумян заметил, что существует механизм разрушения плотных звездных скоплений более эффективный, чем рассмотренный Росселандом, — это испарение, точнее самоиспарение, или диссипация звезд, вследствие их сближения друг с другом. Члены звездного скопления, двигаясь, иногда сближаются друг с другом и обмениваются при этом энергиями. В результате таких обменов отдельные звезды приобретают столь большие кинетические энергии, что безвозвратно покидают скопление. Таким образом, Амбарцумяном было установлено, что причиной диссипации является взаимодействие звезд при сближениях, когда энергия некоторых звезд становится выше, чем энергия отрыва. Это объясняется тем, что из-за отсутствия потенциального барьера на границе звездных систем, некоторые из звезд приобретают в результате взаимодействия между собой скорости, превышающие параболическую скорость, и улетают из системы. С течением времени так должно испариться все скопление.

Отсюда следовало, что открытые звездные скопления, являющиеся существенными составными образованиями в Галактике, не могут существовать больше 109—1010 лет.

1 Росселанд Свен (1894—1985) — норвежский астроном, президент Аеадемии наук Норвегии. Труды по внутреннему строению звезд, переносу излучения и др.

2 Бок Барт Джон (1906—1983) — американский астроном голландского происхождения. Впервые описал небольшие, темные, почти сферические туманности, сильно поглощающие свет — глобулы Бока, связанные с начальной стадией формирования звезд.

3 Леонидом Петровичем Осипковым (СПбГУ, кафедра космических технологий и прикладной астродинамики) написан прекрасный обзор работ В. А. Амбарцумяна: «Статистическая механика звездных систем: от Амбарцумяна и далее» (Астрофизика. 2008. Т. 51. Вып. 4. С. 505—522).

Таким образом, стало ясно и то, что скопления не возникают из независимых друг от друга звезд общего звездного поля Галактики, а наоборот, разрушаясь, как бы становятся источником, питающим это общее поле. Стало ясно, что звезды каждого скопления возникли совместно и имеют общее происхождение.

Сложность проблемы и заслуга Амбарцумяна заключается в том, что он сумел точно оценить время испарения членов звездной системы и сравнить его со временем ее релаксации, достижения статистического равновесия.

Надо заметить, что этот механизм разрушения был известен Пуанкаре и Эддингтону, но до Амбарцумяна никто не пытался оценить время такого разрушения.

Полемика с Джеймсом Джинсом

Далее Амбарцумяну удалось уточнить возраст нашей Галактики.

Чтобы определить возраст нашей Галактики, необходимо было точно выяснить, насколько «успокоилась» наша гигантская звездная система после ее образования, в какой степени наступило статистическое равновесие в динамике двойных звезд.

В эти годы господствовала идея «длинной» шкалы галактической эволюции, наиболее авторитетными приверженцами которой были Дж. Джинс1 и А. Эддингтон. Согласно Джинсу, все звезды Галактики образовались более или менее одновременно 1012—1013лет назад. За это время звезды успели в достаточной степени провзаимодействовать между собой, что привело к их равномерному распределению по кинетической энергии. По Джинсу «длинная» шкала подтверждалась статистическим анализом орбит в двойных системах, указывающим на существование диссоциативного равновесия между процессами образования и разрушения двойных звезд в Галактике — статистического закона равновесия Больцмана2.

Джинс утверждал, что распределение эксцентриситетов орбит двойных звезд является доказательством правильности долгой шкалы времени эволюции.

1 Джинс Джеймс Хопвуд (1877—1946) — английский астроном и физик, создатель одной из теорий происхождения Солнечной системы. Труды в области изучения звездной динамики, образования и эволюции звезд, системы двойных звезд и спиральных галактик.

2 Больцман Людвиг Эдуард (1844—1906) — австрийский физиктеоретик. Автор основ статистической физики и т. д.

На самом деле, как показал Амбарцумян, это утверждение оказалось ошибочным. Проанализировав статистику двойных звезд Джинса, Амбарцумян показал, что «долгая шкала времени» — результат неправильной интерпретации наблюдательных данных об элементах орбит двойных звезд.

Амбарцумян выполнил корректный статистический анализ с использованием богатых и полных данных каталога Эйткена визуально двойных звезд. Он отказался от статистически равновесного закона распределения Больцмана, который давал сильное расхождение с наблюденным законом. Амбарцумян показал, и это самое главное, что равновесное состояние в двойных звездах нашей Галактики еще не наступило!

Врезультате получилось убедительное доказательство другой, «короткой шкалы времени эволюции». Она оказалась равной 1010 лет, то есть в тысячу раз короче «длинной шкалы». Таким образом, выяснилось, что наша Галактика в тысячу раз моложе, чем думали современники Амбарцумяна.

Начавшаяся кратковременная полемика между Джинсом

иАмбарцумяном вскоре завершилась в пользу Амбарцумяна.

Впоследних из современных работ, проведенных с использованием других методов и большого количества статистического наблюдательного материала, определена величина возраста Галактики: (1,3—1,4)1010 лет. Совсем недавно, с помощью крупнейшего телескопа (VLT) в Чили получен последний результат возраста Галактики : 1,36·1010 ± 800·106 лет.

Таким образом, на основе изучения нестационарных процессов и темпов установления равновесного распределения элементов орбит двойных звезд, была доказана справедливость короткой шкалы звездной эволюции. Этот результат вызывает восхищение теорией звездной динамики, разработанной Амбарцумяном 60 лет тому назад.

Следующим, еще более существенным шагом использования этой теории, явилось исследование устойчивости или нестабильности больших звездных систем. Был получен важнейший вывод, что рассеянные скопления не далеко продвинулись по эволюционному пути и являются молодыми объектами. Это обстоятельство в дальнейшем дало Амбарцумяну возможность, в частности, обнаружить новый класс звездных скоплений — звездных ассоциаций.

Спустя почти 60 лет, в 1995 году, коллеги в России присудили В. А. Амбарцумяну — гражданину другого государства, Армении — Государственную премию России по науке за выдающийся труд Виктора Амазасповича 1936 года «Статистические методы изучения звездных систем», выдержавший строгое испытание временем. Нетрудно представить себе степень благодарности ученого русским коллегам.

Глава девятая

ПРИНЦИП ИНВАРИАНТНОСТИ

Начало Великой Отечественной войны

Амбарцумяну было уже тридцать лет, перед ним открылись широкие возможности для исследований. Но приближалась война, и требовалось, чтобы ученые больше работали над теми проблемами, которые могли иметь оборонное значение. Виктор Амазаспович приступил к углубленному изучению проблемы переноса излучения в мутной среде.

Кроме заведования кафедрой астрофизики, в 1939 году Амбарцумян назначается директором Астрономической обсерватории университета. В 1940 году он вступает в ряды Коммунистической партии Советского Союза. В начале 1941 года становится проректором Ленинградского университета по научной работе.

Виктор Амазаспович внимательно следил за тем, что происходило в Европе: в 1940—1941годах шла война между Англией и Германией, а Франция уже покорилась Германии. В январе 1941-го уже ждали возможного нападения на Советский Союз. В передаче «Би-Би-Си» (Амбарцумян регулярно слушал эти радиотрансляции) вечером 21 июня англичане передали, что Германия вот-вот нападет на СССР.

В 7 часов утра 21 июня Амбарцумян уже был в университете и делал необходимые распоряжения, заменяя ректора, бывшего в командировке. 22 и 23 июня Амбарцумян не выходил из ректората, выполняя до возвращения ректора все необходимые дела.

Но в его кармане был военный билет, который обязывал его в первый же день мобилизации явиться в военкомат. Этим днем было объявлено 24 июня. Амбарцумяна мобилизовали и утром 25 июня отправили рядовым на военный аэродром в

Витрино Ленинградской области. Обязанности ректора стал выполнять второй проректор Комаров, который был гораздо старше Амбарцумяна и не подлежал призыву.

Амбарцумян начал службу в армии, но через несколько дней выяснилось, что члены и члены-корреспонденты Академии наук СССР должны выполнять военные обязанности в соответствии с решениями более высоких инстанций. Использование их в качестве рядовых не соответствовало принятому порядку. Поэтому в начале июля Амбарцумяна отозвали из армии и дали очень ответственное поручение. Он должен был, оставаясь проректором университета по научной части, выбрать из профессорско-преподавательского состава ту часть сотрудников, которая была в состоянии интенсивно выполнять научные исследования, составить из них филиал университета и вместе с лабораторным оборудованием отправить филиал в глубокий тыл для выполнения работ оборонного значения.

Филиал Ленинградского университета в Елабуге

Амбарцумян сразу же приступил к делу. Была выбрана группа научных работников, которые вошли в новое подразделение — филиал ЛГУ, подготовлено соответствующее оборудование, и в середине июля все уже было готово к эвакуации. Личный состав состоял примерно, из 60—70 сотрудников и их семей. Оборудование разместили в товарных вагонах. Амбарцумян с семьей выехали из Ленинграда 17 июля, также расположившись в товарном вагоне. Вместе с ним были жена, которая ждала ребенка, трое малолетних детей, отец, мать и сестра с маленьким сыном.

Так началась эвакуация, которая, согласно плану, должна была закончиться в Казани. Поезд подолгу стоял на остановках, и потребовалось еще четыре дня для того, чтобы достичь цели — станции Казань. Согласно плану эвакуации, разработанному еще до войны, в Казани филиал ЛГУ должны были поместить в здании Авиационного института. Однако составители планов не предусмотрели эвакуацию московских учреждений. Выяснилось, что в Казанском авиационном институте уже начали работать несколько московских учреждений, включая ЦАГИ1. Казанский авиационный институт уже не мог вместить филиал ЛГУ, и вопрос его размещения могли решить только в Москве. Тогда Амбарцумян решил по-

1Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора

Н.Е. Жуковского.