ЭТЮДЫ ОБ УЧЁНЫХ
Б01: 10.7868/80869587315070075
"ЭФФЕКТЫ" ЗЕЛЬДОВИЧА, ЗАПЕЧАТЛЁННЫЕ НА НАШЕМ НЕБЕ
К 100-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ АКАДЕМИКА Я.Б. ЗЕЛЬДОВИЧА
Яков Борисович Зельдович (1914-1987) — один из наиболее результативных физиков, физикохимиков, 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. С1941 по 1943 г. 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 г. работал в Арзамасе-16 (Саров) над созданием ядерного и термоядерного оружия. С1964по 1983 г. он — заведующий отделом теоретической астрофизики в Институте прикладной математики АН СССР, в 1974—1987гг. — заведующий отделом теоретической астрофизики, затем — консультант дирекции в Институте космических исследований АН СССР, с 1966 г. — профессор Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. 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 500научных статей и 29учебников 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 им. А.А. Фридмана РАН по гравитации и космологии. Был избран иностранным членом Лондонского королевского общества, Национальной академии наук США, Германской академии естествоиспытателей "Леопольдина" 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.
643
5*
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, поджог 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 8Не) 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 27 лет, как его нет с нами, но практически на каждой конференции по космологии звучат известные всем словосочетания: "приближение Зельдовича", "спектр Зельдови-ча—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 утвердила Золотую медаль им. Я.Б. Зельдовича, присуждаемую за выдающиеся работы в области физики и астрономии. В Москве и Таллине в его честь прошли две круп-
ные 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. 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 (рис. 1).
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 рас-
Рис. 1. Результат моделирования крупномасштабной структуры Вселенной в рамках стандартной космологии, более 1010 частиц (Millennium Simulation, Институт астрофизики Общества им. Макса Планка). Рисунок демонстрирует тонкий срез (толщиной 16 Мпк) рассчитанной "Вселенной". Отчётливо видна "космическая паутина", возникшая в результате роста адиабатических возмущений плотности. В узлах "паутины" находятся массивные скопления галактик. Бар задаёт масштаб 125 Мпк
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 La и низкой эффективностью двухфо-тонного перехода 25—15 в атоме водорода
чёта эволюции крупномасштабной структуры Вселенной при доминирующей роли тёмного вещества. На недавнем симпозиуме Международного астрономического союза в Таллине "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 её "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 Ха-фотонов из резонанса
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.