ИСКУССТВЕННАЯ ВСЕЛЕННАЯ
В.М.Липунов
Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова
``ARTIFICIAL UNIVERSE "
V.M.LIPUNOV
Basing on the present notions of normal and relativistic stars evolution in binary systems, population synthesis of the Universe can be carried out. This artificially created Metagalaxy contains, among well known and clearly understood astrophysical processes and objects, phenomena, not founded yet but highly significant for all modern science. Specially constructed computer programme in Moscow State University -- Scenario Machine -- allows to predict number and main physical characteristics of relativistic binary systems, discovery of which in forthcoming years will lead to two fundamental results: gravitational waves detection and confirmation of black holes existence.
Опираясь на современные представления об эволюции обычных и релятивистких звезд в двойных системах, можно осуществить популяционный синтез Вселенной. В такой искусственно созданной Метагалактике, наряду с известными и хорошо изученными астрофизическими процессами и объектами, пристутвуют, еще пока не открытые, но крайне важные для всего естествознания явления. Специально созданная в МГУ компьютерная программа -- Машина Сценариев -- позволяет предсказать численность и основные физические характеристики релятивстских двойных систем, обнаружение которых в ближайшие годы приведет к двум фундаментальным результатам: открытию гравитационных волн и доказательству существования черных дыр.
Одним из важнейших достижений естествознания XX века является
открытие ядерной эволюции вещества. Поскольку почти все светящееся
вещество Вселенной сосредоточено в звездах, то речь идет
в первую очередь о звездной эволюции. Нормальные звезды, ближайшие из
которых видны на ночном небосклоне, светят благодаря термоядерному
синтезу, протекающему в их недрах, и следовательно, продолжительность
их жизни определяется и ограничивается запасами водорода, гелия и
более тяжелых элементов вплоть до железа. Звезды не вечны, -- они
рождаются, живут и умирают, и умирают тем быстрее, чем больше их
начальная масса. Жизнь звезды малой
или средней массы (до десяти солнечных масс) завершается сжатием в
компактное, размером с планету типа нашей, плотное образование -- белый
карлик. Гравитационное поле массивных звезд делает смерть звезды
катастрофичеcки быстрым явлением, сопровождающимся коллапсом
центральной ее части в одно гигантское атомное ядро (нейтронную
звезду), удерживаемое
силами гравитации, которое было впервые
предсказано в 1932 году Л.Д.Ландау и открытое в 1968 г.
английскими радиоастрономами,
удостоенными Нобелевской премии.
Основная, наружная часть "умирающей" звезды сбрасывается в
межзвездное пространство в виде раскаленного гигантского газового облака,
несколько раз наблюдавшегося в уходящем тысячелетии как вспышка
сверхновой звезды. Наконец, если масса звезды выше некоторого
критического значения, то меняются уже не только свойства материи, но
и само пространство-время: даже ядерные силы не способны противостоять
гигантской силе гравитации, и образуется черная дыра (ЧД) -- объект,
размер которого равен так называемому гравитационному радиусу 
:
где M -- масса черной дыры, выраженная в единицах масс Солнца:
Большинство звезд входит в состав двойных систем, и за счет гравитационных сил могут обмениваться друг с другом массой, делая возможным невозможное: те из них, которые, будучи одиночными, могли произвести лишь белые карлики, теперь в двойной системе могут рождать НЗ и даже ЧД! Этим объясняется один из краеугольных парадоксов классической астрономии -- парадокс Алголя, открытый советскими исследователями А.Г.Масевич и П.П.Паренаго еще в сороковые годы, состоящий в том, что иногда менее массивная звезда в двойных системах опережает в эволюции свою массивную соседку.
Картина эволюции двойных звезд неизмеримо сложнее и до конца еще не выяснена, поэтому приходится говорить не о законах их эволюции, а об эволюционных сценариях -- последовательности эволюционных стадий, проходимых звездами в зависимости от начальных параметров: масс, большой полуоси двойной системы, магнитных полей и т.д.
К середине 60-х годов стало ясно, что компактные релятивистские звезды могут быть мощными источниками энергии: либо за счет высвечивания энергии захватываемого гравитационными силами окружающего вещества (механизм аккреции, предложенный независимо Я.Б.Зельдовичем и Э.Солпитером в 1964 году), либо за счет высвечивания их вращательной энергии, накопленной в процессе коллапса, посредством мощных электромагнитных полей (эти идеи были разработаны Ф.Хойлом и В.Фаулером в 1963 г., Н.С.Кардашевым в 1964 г., Ф.Пачини в 1968 г.). Более того, как впервые показал советский астрофизик В.Ф.Шварцман в 1970 г., сущестует другой тип звездной эволюции -- эволюция замагниченной компактной звезды, в ходе которой вращательный и аккреционный механизмы могут сменять друг друга.
Все эти теоретические гипотезы высказывались на фоне невиданного революционного процесса в астрономии -- открытия рентгеновских звезд, пульсаров, квазаров, вспыхивающих рентгеновских источников (барстеров), гамма-всплесков. Были открыты тысячи новых источников и десятки качественно новых астрономических явлений. К началу восьмидесятых годов возникла настоятельная необходимость в создании единого эволюционного подхода к столь разнообразным явлениям. Так как жизненные пути звезд, в особенности двойных, -- это сложное, ветвистое эволюционное дерево, то для анализа всех связей, для понимания того, почему Вселенная в разных диапазонах электромагнитных волн выглядит столь непохоже, необходимо создание специальной компьютерной программы -- Машины Сценариев, в которой заложены все известные в настоящее время законы звездной эволюции. Идея Машины Сценариев и первая реализация, описывающая эволюцию массивных звезд, была осуществлена в Государственном астрономическом институте им. П.К.Штернберга в начале 1980-х годов В.Корниловым и В.Липуновым. Конечно, эта идея появилась не на пустом месте. Популяционный синтез, синтез различных типов звезд на основе эволюционных представлений производился в семидесятые годы для объяснения цвета Галактики, который определяется самыми яркими и, следовательно, самыми молодыми звездами и содержит в себе информацию о скорости рождения звезд в минувшую эпоху. При этом предполагалось, что все звезды -- одиночные, и можно было ограничиться простым численным интегрированием.
Мы использовали прямой метод статистического моделирования (метод Монте-Карло), в котором начальные параметры звезд (массы, большие полуоси орбит, магнитные поля и т.д.) выбирались случайным образом в соответствии с принятыми модельными распределениями. Расчет велся следующим образом: в некоторый случайный момент компьютерного галактического времени рождалась двойная звезда с массами, соответствующими экспериментально открытому закону Солпитера. Далее включался блок законов, описывающий ядерную эволюцию и процессы обмена масс звездами. После рождения компактной звезды подключался блок, рассчитывающий эволюцию замагниченных вращающихся компактных звезд. Когда наступало компьютерное "настоящее", двойная звезда со всеми своими физическими характеристками изымалась и записывалась в память. Просчитав несколько десятков тысяч звезд и отнормировав полученные результаты на истинное число звезд в Галактике (около 100 миллиардов), мы получали Искусственную Галактику (см. Рис. 1).
Figure 1.: Принцип работы Машины Сценариев.
Благодаря уже первому и второму варианту Машины Сценариев, мы смогли рассчитать подробную эволюцию как массивных, так и маломассивных звезд и предсказали более 100 (!) новых типов двойных звезд с компактными компонентами, некоторые из которых были открыты совсем недавно. Одно из наиболее важных предсказаний было подтверждено в 1993 году, когда австралийские радиоастрономы открыли радиопульсар, вращающийся по сильно вытянутой орбите вокруг массивной голубой звезды. Существование такого симбиоза не только подтверждает современные представления об эволюции релятивистских звезд в двойных системах, но и дает возможность изучать свойства околозвездной плазмы, поскольку пульсар, подобно рентгеновскому аппарату, просвечивает околозвездное пространство, позволяя диагностировать его физические параметры.
Тем не менее, первая Машина Сценариев была сильно ограничена скудными вычислительными возможностями тогдашней компьютерной техники. Ведь эволюция двойной звезды, в особенности, содержащей компактный компонент, представляет собой сложную траекторию в многомерном пространстве-времени: в первом приближении -- это пространство восьми измерений (массы звезд, расстояния между ними, эксцентриситеты орбит, скорости вращения релятивистских звезд, магнитныя поля, скорости изменения масс и, наконец, само время). Отсюда, например, ясно, что оценить число и физические параметры тех или иных типов двойных систем с помощью простых аналитических оценок совершенно невозможно. Но также ясно, что для получения более или менее надежных результатов нужно заполнить восьмимерное пространство огромным количеством отдельных треков, что потребовало более высокоскоростных компьютеров и больших обьемов памяти. Сейчас в одном численном эксперименте удается "прогонять по жизненному пути" миллионны двойных звезд!
Ниже мы попытаемся рассказать о наиболее интересных результатах наших расчетов, которые в большинстве своем уникальны, так как до сих пор больше ни у кого нет Машины Сценариев, способной просчитывать одновременно как эволюцию нормальных, так и релятивистских звезд.