ОТ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА

Последние десятилетия ознаменовались бурным развитием астрофизики, обусловленным тем, что к традиционному оптическому диапазону добавились радио-, инфракрасный, ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-диапазоны спектра. Значительно усовершенствовались методы регистрации потока заряженных высокоэнергичных частиц — космических лучей. Это привело к открытию новых классов галактических и внегалактических объектов: квазаров, пульсаров, радиогалактик, источников рентгеновских и гамма-всплесков. В радио диапазоне было открыто реликтовое излучение, сохранившееся от ранних стадий эволюции Вселенной. Все эти наблюдения не только значительно расширили, но и изменили многие ранее существовавшие представления об окружающем нас мире, что привело к созданию новой области астрономии — астрофизике высоких энергий.

Поскольку это быстроразвивающаяся наука, поток информации в ней велик. Вместе с тем монографий, посвященных отдельным ее направлениям, пока написано мало. Предлагаемая вниманию советского читателя книга королевского астронома Шотландии Малькольма Лонгейра является первым вводным курсом в астрофизику высоких энергий. В ее основе лежит курс лекций, прочитанный Лонгейром студентам Кембриджского университета. Благодаря сильному астрономическому уклону книга будет полезна астрофизикам и физикам, приступающим к астрономическим исследованиям. Для астрономов представит интерес описание элементарных процессов взаимодействия вещества и излучения в разреженном астрофизическом газе (или плазме), а также процессов торможения и излучения релятивистских частиц в газе и магнитных полях галактик и остатков вспышек сверхновых. С другой стороны, экскурсия по Галактике и за ее пределы будет полезна любому физику, интересующемуся астрономией.

Астрофизика высоких энергий — наука наблюдательная, требующая создания новых инструментов, телескопов, приемников излучения. Поэтому в книге приведено краткое четкое и ясное описание приборов, позволяющих исследовать Вселенную в широчайшем диапазоне длин волн от радио- до жестких гамма-лучей. В книге рассмотрены космические эксперименты, осуществленные за последнее десятилетие, благодаря которым сложились либо подтвердились уже существовавшие представления о нашей Галактике и внегалактических объектах. Многим астрономам в их работе необходимы результаты, полученные на орбитальных обсерваториях. В книге приводятся их описание и основные характеристики.

Само понятие «астрофизика высоких энергий» постепенно расширяется. На начальном этапе оно означало разнообразные проявления космических лучей. Сегодня рентгеновскую и гамма-астрономию также относят к астрофизике высоких энергий. Тем не менее значительное место в книге отводится изложению астрофизики космических лучей. Читатель найдет данные о космических лучах, влиянии на них

солнечного ветра, диффузии и удержании в Галактике и обсуждение процессов генерации и ускорения космических лучей.

Проф. Лонгейр любезно представил список исправлений и написал предисловие специально для русского издания, за что издательство и редактор приносят ему искреннюю благодарность.

Книга будет полезна начинающим астрономам и физикам, а также специалистам, активно работающим в этой области науки.

17 ноября 1983 г. Р. А. Сюняев

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Для меня большая честь, что вскоре после издания моей книги «Астрофизика высоких энергий» на английском языке она выходит в русском переводе. Поскольку советским студентам-физикам и астрономам книга может показаться несколько необычной, изложу те принципы, которыми я руководствовался при ее написании.

Эта книга предназначена для студентов последнего года обучения, специализирующихся по астрономии, физике и математике. Курс лекций, на котором она основана, читался студентам последнего года обучения на физическом факультете (Ка-вендишской лаборатории) Кембриджского университета. Эти студенты (большинство из них в возрасте от 20 до 22 лет) третий год готовились к получению первой университетской степени. Они изучили основы физики и математики, но еще не обладали глубокими знаниями теоретической физики или каких-либо специальных разделов физики.

В то время я был преподавателем физики и теоретической физики, а также сотрудником Муллардовской радиоастрономической обсерватории, которая была и остается одним из основных отделов Кавендишской лаборатории. Это значит, что я читал лекции группе очень сильных студентов, получивших фундаментальную подготовку по физике и математике, но мало знакомых с астрономией. Цель курса состояла в том, чтобы подчеркнуть органическую связь современной астрономии и астрофизики с физикой. Таким образом, я использовал этот курс, чтобы углубить понимание студентами физики и теоретической физики и в то же время познакомить их с как можно большим числом важных представлений современной астрономии и астрофизики высоких энергий. В подготовленном мною курсе основное внимание уделялось частицам высоких энергий, методам наблюдений космических лучей в верхних слоях атмосферы, в Галактике и в удаленных объектах, таких, как квазары и радиогалактики, интерпретации имеющихся данных, изучению среды, в которой распространяются космические лучи, и если удастся, выяснению того, где и как они были первоначально ускорены. Если я и совершил ошибку, перегрузив изложение физикой, то только потому, что хотел убедить студентов (и коллег из Кавендишской лаборатории) в том, что диапазон физических явлений, с которыми сталкивается современная астрономия, весьма широк. Мне кажется, студентам понравился такой подход, и я старался сохранить его в книге.

Один очень важный результат этого подхода состоит в том, что для объяснения физической сущности явлений я использовал самые простые аргументы, какие только мог придумать. Так, я предпочел получать результаты исходя из физических соображений с точностью, скажем, 25%, вместо того, чтобы приводить значительно более громоздкие математические выводы, которые, хотя и дают ответ с большой точностью, но мало поучительны с точки зрения физики. В книге обсуждается множество физических процессов, каждый из которых мог бы стать темой отдельного курса. Ссылки на более подробные работы я привел в конце книги. Такой физический подход всегда был ключевым принципом обучения физике в Кавендишской лаборатории: углубляйте свои представления о том, как действуют основные законы Физики, и вам удастся разобраться в большинстве физических проблем.

Мне нравилось читатц этот курс, в котором можно было вести студентов от основных физических принципов к некоторым важнейшим нерешенным проблемам современной астрономии. Надеюсь, мои советские друзья получат такое же удовольствие от этих лекций.

Я благодарен переводчикам Ю. Любарскому и Н. Ямбуренко за их большой и нелегкий труд и редактору перевода, моему старому другу Р. Сюняеву. В 1968 - 1969 гг. после получения докторской степени я стажировался в Москве, куда был направлен Королевским обществом по программе международного обмена. Тогда и во время последующих моих приездов в Советский Союз мы много работали над широким кругом задач астрофизики высоких энергий и космологии, что в немалой степени способствовало моему образованию как астрофизика. Частью приобретенных знаний я попытался поделиться в этой книге. Среди моих друзей и коллег в Советском Союзе я должен упомянуть двух выдающихся ученых, чьи советы и поддержка были особенно ценны для меня. Это академики В. Л. Гинзбург и Я. Б. Зельдович. Их влияние должно сильно чувствоваться в этой книге. Я в большом долгу перед ними.

Эдинбург, 24 января 1984 г.

ОТ АВТОРА

Дорогой читатель!

В основе этой книги лежит курс лекций для студентов старших курсов, прочитанный мною в Кембридже три раза в период с 1973 по 1977 г. Выбирая общий уровень изложения, я принял для себя, что вы уже завершаете изучение курса физики в университетском объеме и, следовательно, имеете представление о тех основных вещах, которые должен знать каждый физик.

Сложность преподавания подобных курсов физики для выпускников состоит в том, что в них предлагается для усвоения очень большой объем материала, поэтому трудно изложить какую-либо задачу, стоящую на переднем крае текущих исследований, на уровне, присущем практике научного исследования. Это означает, что у большинства из нас имеются два подхода к физике. Одного мы придерживаемся, обучая студентов, другой используем, когда проводим серьезные исследования, и нам важно получить правильный ответ. Я считаю, что одна из самых больших проблем в методике преподавания физики состоит как раз в том, что на первый взгляд этот предмет кажется несколько консервативным и даже закостенелым, хотя на самом деле нас привлекает в физике именно то, что это в высшей степени захватывающая, дающая пищу для ума, бурно развивающаяся наука. В астрофизике, например, мы сейчас бьемся над решением задач, лежащих на самом рубеже нашего понимания Вселенной. Настоящий курс был задуман таким, чтобы он перенес студентов на самый передний край современных исследований, ведущихся во всем диапазоне астрофизики высоких энергий.

Итак, я предполагаю, что вы знакомы с основным. курсом физики, но еще не имеете опыта применения своих знаний на практике. Поэтому вам придется тщательно обдумать многие приятия, кроко известные из общего курса физики. Я также исхожу из того, что вы не знакомы ни с астрономией, ни с астрофизикой и основные элементы этих предметов должны вводиться в ходе изложения. С этим связана особенность построения книги: физические процессы и астрономические понятия вводятся параллельно развитию основной темы, связанной с тем, как мы получаем информацию о космических лучах, как они достигают Земли и откуда приходят. Материал данного курса — это своего рода набор блоков, из которых можно построить самые разнообразные курсы путем их перегруппировки.

Совершенно намеренно я избегал формальной подачи материала и стремился сохранить непринужденность живого общения. Я включил в курс много такого, о чем в «серьезных» монографиях не смеют упоминать: экономические и политические аспекты астрофизики высоких энергий, психология астрофизиков и физиков на переднем крае исследований и мое собственное мнение по поводу многих вещей. О последнем я буду всегда ясно предупреждать.

И наконец, в своей трактовке рассматриваемых задач я не пытался быть исчерпывающим. Моя главная цель — очертить круг важных вопросов и искать ответы

на них. Было бы неверно в курсе такого плана излишне вдаваться в детали в ущерб освещению важных проблем, которые до сих пор остаются нерешенными.

Я попытался осовременить отдельные темы, но в своей основе книга представляет собой мой окончательный и «бесповоротный» вариант курса.

Желаю удачи, Малькольм Лонгейр

ВЫРАЖЕНИЕ ПРИЗНАТЕЛЬНОСТИ

Я благодарен издательству "Кембридж Юниверсити Пресс" и д-ру С. Миттону за предложение издать мой курс лекций по астрофизике высоких энергий в виде отдельной книги. Я также глубоко признателен "Кембридж Юниверсити Пресс" за то терпение, которое они проявили, ожидая рукопись книги «Вещество во Вселенной», написанной мною совместно с Р. А. Сюняевым. Некоторые части этой книги вошли в настоящую книгу и я чрезвычайно признателен Сюняеву за нашу совместную работу.

Работа по подготовке книги началась в апреле 1980 г., когда я находился в астрономической обсерватории Арчетри Флорентийского университета в качестве профессора-гостя. Я горячо благодарю профессора Пачинива его щедрое гостеприимство во время этого визита. Остальная часть текста была написана главным образом на борту авиалайнеров во время продолжительных перелетов, совершенных в последующие четыре месяца.

Трудно найти слова, которыми я мог бы выразить, сколь многим я обязан моей жене Деборе и детям Марку и Саре за их любовь и привязанность.

Эдинбург

2 февраля 1981 г. Малькольм Лонгейр