PROBLEMY DOTYCZĄCE STRUKTURY OBSZARU AKTYWNEGO W KORONIE SŁONECZNEJ

W cz. I pracy dotyczącej struktury obszaru aktywnego w koronie słonecznej omó­ wione były modele pętli rentgenowskich, w których temperatura i gęstość elektro­

nowa zmieniały się wzdłuż pętli, przy czym była ona symetryczna względem wierz­

chołka. Pętle takie pozostawały w równowadze hydrostatycznej (p = const) w dłu­ gim okresie czasu. W cz. II pracy przedstawiony został model G l e n c r o s s a (1979) pętli, w której warunki nie były symetryczne względem wierzchołka - w jed­ nej części pętli materia pozostawała w temperaturach i gęstościach koronalnych i podnosiła się ku górze, natomiast w drugiej ustalony był przepływ ku dołowi ma­ terii o temperaturach 10^-106 K.

Wielu autorów (F o u k a 1 1976; H o o d i P r i e s t 1980) proponowa­

ło modele pętli o symetrii cylindrycznej, przy czym temperatura w rdzeniu takiej pętli byłaby najniższa (104-10'> K) i wzrastałaby na zewnątrz pętli osiągając war­ tości (2-3)*10ć K. Gdy się przyjmie, że obszar aktywny składa się z pętli o po­ przecznym gradiencie temperatury i gęstości, wówczas nie potrzeba wprowadzać po­ działu na pętle rentgenowskie i ultrafioletowe, gdyż odpowiednie części tych pę­ tli mogłyby wyjaśniać obserwacje w EUV oraz w promieniowaniu X. Testem pozwalają­ cym stwierdzić, jaka jest struktura poszczególnych pętli w obszarze aktywnym by­ łyby wysokorozdzielcze (<1") obserwacje w promieniowaniu rentgenowskim i ultra­ fioletowym. Niemniej jednak obserwacje z rozdzielczością przestrzenną 2 " ( C h u n g - - C h i e h C h e n g i in. 1980; patrz rys. 3 w tym artykule), wykluczają hi­ potezę o cylindrycznie symetrycznych pętlach obszaru aktywnego w koronie - pętle chłodne (EUV) i gorące (X) istnieją na obrazach obszaru niezależnie i nie ma mię­ dzy nimi takiej przestrzennej zależności, jaka powinna wystąpić w przypadku, gdy­ by posiadały one chłodny rdzeń otoczony przez gorącą powłokę.

Wydaje się, że potwierdzeniem hipotezy o tym, iż obszar aktywny składa się z istniejących niezależnie od siebie w danej chwili pętli rentgenowskich i ultrafio­ letowych, by łaby bardzo dobra zgodność między parametrami fizycznymi pętli obserwo­ wanych w promieniowaniu X (L, p oraz T),a teoretycznymi oszacowaniami tych para­ metrów (rys. 5 w cz. I). Należałoby jednak zaznaczyć, że jak oszacował H a s a n (1980), pętla nie posiadająca poprzecznego gradientu temperatury i gęstości jest mało stabilna magnetohydrodynamicznie (kink effect). Niemniej jednak istnieją in­ ne mechanizmy (tip. obecność w pętli pól niepotencjalnych), które sprawiają, że pę­ tla bez symetrii cylindrycznej może być stabilna magnetohydrodynamicznie.

Struktura obszaru aktywnego 129 Dotychczas nie ma kompleksowego modelu pętli składającej się ze współosiowych cylindrów o zmieniającej się temperaturze i gęstości, który mógłby wyjaśniać ob­ serwacje obszaru aktywnego wykonane w promieniowaniu X oraz EUV. Ponadto zapropo­ nowane mechanizmy powstania takich pętli ( H o o d i P r i e s t 1979; 1980) są dość trudne do przyjęcia. Uwzględniając ponadto fakt, że obserwacje z dużą roz­ dzielczością przestrzenną (2") nie potwierdzają takiego modelu pętli, wydaje się, iż bardziej prawdopodobny obraz obszaru aktywnego jest taki: istnieją w nim za­ równo pętle ultrafioletowe, jak i rentgenowskie.

Innym, niemniej ważnym problemem, który pozostaje do rozwiązania jest nagrze­ wanie pętli. Gdy się rozpatrzy mechanizm grzania korony przez fale generowane w górnej części warstwy konwekcyjnej na Słońcu, to okazuje się, że jedynie 1%' ener­ gii powstałej w wyniku dyssypacji tych fal w chromosferze może grzać koronę.Uwzglę­ dnienie fal akustycznych również nie wystarcza do zbilansowania strat koronalnych ( v a n T e n d 1980). Natomiast w przypadku nagrzewania przez prądy (currents) okazuje się, że dyssypacja Joule>a tych prądów jest w warunkach, jakie się przyj­ muje dla korony, bardzo nieefektywna. Stąd można sądzić, że nagrzewanie korony, a w tym także i pętli, jest nadal problemem otwartym. Należy jednak podkreślić, że możliwość istnienia prądów w koronie,które sprawiłyby, że pole magnetyczne nie byłoby polem potencjalnym, sprzyjałaby stabilności magnetohydrodynamicznej pę­ tli rentgenowskich (H a s a n 1980). Gdyby się więc udało stwierdzić obserwa­ cyjnie (np. obserwacje radiowe w połączeniu z obserwacjami X oraz EUV, jak dysku­ towano w jednym z poprzednich rozdziałów) obecność prądów w obszarze aktywnym w koronie, można by wykluczyć zarówno możliwość występowania w obszarze pętli z po­ przecznym gradientem temperatury i gęstości, jak również znaleźć dodatkowe,oprócz fali MHD i akustycznych, źródło grzania korony. Nie jest wykluczone,że takie po­ la niepotencjalne mogłyby również wyjaśniać wiele obserwacji radiowych (A 1 i s- s a n d r a k i s i in. 1980).

7. PODSUMOWANIE

Wydaje się, że obserwacje z dużą rozdzielczością przestrzenną ( 1") oraz z do­ brą rozdzielczością czasową (1 min) wykonane jednocześnie w promieniowaniu rent­ genowskim i ultrafioletowym mogłyby pomóc w rozwiązaniu problemu struktury obsza­ ru aktywnego. Obserwacje takie pozwoliłyby znaleźć, czy istnieje i jaki jest zwią­ zek między pętlami EUV oraz X, a więc rozstrzygnąć, jaki jest mechanizm powsta­ wania pętli ultrafioletowych, a zwłaszcza czy niektóre z nich nie mogłyby być po­ zostałościami po pętlach rentgenowskich, które stały się niestabilne termicznie. Ponadto obserwacje takie oprócz morfologii obszaru aktywnego pozwoliłyby również badać czasy zmian poszczególnych struktur w obszarze. Na podstawie jednocześnie

130 G. Bromboszcz

wykonanych obserwacji radiowych w kilku długościach fali byłoby można określić

przebieg zmian pola magnetycznego z wysokością w obszarze aktywnym, a także można by nimi stestować wyniki dotyczące struktury obszaru uzyskane na podstawie anali­ zy danych EUV i w promieniowaniu X.

Chciałabym jednak podkreślić, że każdy obszar aktywny należy traktować indy­ widualnie i warunki fizyczne w nim panujące określają, jaki będzie jego obraz w promieniowaniu rentgenowskim, ultrafioletowym oraz radiowym. Należy także zwrócić uwagę na problem tzw. „przywiązania" obrazów uzyskanych w obserwacjach w różnych długościach fali. Obserwacje te są wykonane często za pomocą różnych instrumentów, w różnych momentach czasu i stąd, dla poprawnej analizy tych obserwacji, dokład­ ność „przywiązania" obrazów nie może być gorsza aniżeli 1-2".

LITERATURA

A l i s s a n d r a k i s C.E., K u n d u M.R., L a n t o s P., 1980, Astron.

Astrophys., 82, 30.

B r u n e r Jr. E.C., 1976, Astrophys. J. Letters, 210, L97.

C h u n g-C h i e h C h e n g , S m i t h Jr.J.B., T a n d b e r g-H a n s-

s e n E., 1980, Solar Phys., 67, 259.

F e l , l i H., P o 1 e t t o G . , T o f a n i G., 1977, Solar Phys., 31, 65. F o u k a 1 P.V., 1975, Solar Phys., 43,327.

F o u k a 1 P.V., 1976, Astrophys. J., 210, 575.

G l e n c r o s s W.M., 1980, Astron. Astrophys., 83, 65. H a s a n S.S., 1980, Solar Phys., 67, 267.

H o o d A.W., P r i e s t E.R., 1979, Astron. Astrophys., 77, 233. H o o d A.W., P r i e s t E.R., 1980, Astron. Astrophys., 87, 126. K a k i n u m a T . , S w a r u p G., 1962, Astrophys. J., 136, 975. L e v i n R.H., W i t h b r o e G.L., 1977, Solar Phys., 51, 83. S h e e l e y Jr. N.R., 1980, Solar Phys., 66, 79.

V a n T e n d W., 1980, Solar Phys., 66, 29. W i t h b r o e G.L., 1975, Solar Phys., 45, 301.

Z h e l e z n y a k o v V.V., 1962, Astron. Zh., 39, 5 (English transl. in So­

Postępy Astronomii Tom XXXIII (1985). Zeszyt 3-4

CZASOPRZESTRZEŃ, OGÓLNA TEORIA WZGLĘDNOŚCI I NAJPROSTSZE MODELE KOSMOLOGICZNE FRIEDMANA

Część I

M A R I U S Z P. D Ą B R O W S K I Instytut Astronomiczny Uniwersytetu Wrocławskiego

IIPOCTPAHCTBO-BPEMH, OEIHAfl TEOPHH OTHOCHTEJŁHOCTH H nPOCTEMHE KOCMOJIOrKHECKHE MO^EJIH $PH£MAHA

Hacib I

M. n . J l O M O p O B C K H

C o f l e p * a H H e

K o p o T K O n p e ^ C T a B j j e H O h c c t o p h w p o a w e H H H T e p M H H a n p o c x p a H C T B a - - B p e M e H H . M h T o x e $op uajiH 3»t oOmeił T e o p n u o t h o c h t s x b h o c t h*

THE SPACE-TIME , GENERAL THEORY OF RELATIVITY AND THE SIMPLEST COSMOLOGICAL FRIEDMAN'S MODELS

S u m m a r y

The origin of the notion of spacetime is presented from the historical per­

spective. Mathematical formalism of the General Theory of Relativity is briefly described.

1. WSTĘP

Pojęcia, którymi posługuje się każdy współczesny naukowiec nie od razu ukon­ stytuowały się w umysłach ludzkich przyjmując ściśle określone dzisiaj znaczenie. Tak też było z pojęciem czasoprzestrzeni, a wcześniej przestrzeni i czasu.

132 M.P. Dąbrowski

żytni Grecy za pomocą intuicji próbowali definiować pojęcia zbliżone swym znacze­ niem do pojęć nam współczesnych, ale dużo wieków upłynęło do czasu ich ścisłego sprecyzowania ( W h i t t a k e r 1965; H e l l e r 1981, 1982; T o r r e t t i 1983).

Platon używał terminu „chora" na określenie przestrzeni i rozumiał „chora" ja­ ko substrat, który pozostaje po usunięciu wszystkich innych cech ciał material­ nych (np. ciężaru, smaku itd.). Ponadto, co ciekawsze i co spotkało się z pełną akceptacją filozofów przyrody tamtych czasów zajmujących się geometrią,przedmioty materialne miały być utworzone z „chora". W języku geometrii można by to było określić, iż figury są utworzone z punktów, którym można przypisać byt „chora".

Arystoteles zwrócił uwagę na inny aspekt problemu, definiując pojęcie „miej­ sca", które może być zajmowane wymiennie przez różne przedmioty materialne.„Miej­ scu" można przypisać swoisty byt o bliżej nieokreślonych własnościach. Z innych stwierdzeń Arystotelesa warte podkreślenia jest zwrócenie uwagi na względność ta­ kich pojęć jak ciało otaczające oraz ciało otaczane.

Kartezjusz nawiązał w erze nowożytnej do P l a t o n a uznając za scholasty­ kami, że istotą materii jest jej rozciągłość, która jest mierzalna. Ta ostatnia cecha sprawia, że rzeczywistość ma charakter matematyczny. Ponieważ zaś, zdaniem Kartezjusza, rozciągłość do ciała materialnego ma się tak jak atrybut do substan­ cji, który ze swej definicji nie może bez tej substancji istnieć, zatem nie istnie­ je rozciągłość bez materii. Ten wniosek ma kolosalne następstwo, z którego wynika, że nie może istnieć próżnia. Wobec tego rozciągłość (mówiąc naszym językiem - prze­ strzeń) nie może istnieć bez materii, z którą w pewnym sensie musi być identyfi­ kowana .

Niektórzy myśliciele, tacy jak np. H. More, przestrzeni przypisywali byt du­ chowy. Dla odmiany Newton inspirowany przez Gassendiego uznał, że ciała umiesz­ czone są w nieruchomym pojemniku o nieograniczonej rozciągłości istniejącym ponad­ to niezależnie od naszego postrzegania. Ten pojemnik jest sceną dla wszystkiego co wydarza się w świecie fizycznym, opisywanym przez sformułowane przez Newtona po raz pierwszy równania ruchu.

Najbardziej skrajny punkt widzenia przedstawił Kant - mianowicie zaprzeczył on obiektywności przestrzeni jako bytu, uznając ją tylko za cechę świadomości ludz­ kiej. Nasze poznanie zostało przez to potraktowane jako składające się z dwóch części: pierwszą jest rzeczywistość „rzeczy samych w sobie", a drugą stanowią wy­ mogi naszego myślenia. Takie potraktowanie problemu na polu nauk eksperymentalnych jest nie do przyjęcia z wielu powodów, o których nie będziemy tu szczegółowo wspo­ minać, odwołując się jedynie do tzw. brzytwy Ockhama „entia non sunt multipli- canda sine necessitate" („bytów nie należy mnożyć nad potrzeby").

Wróćmy do poglądów Kartezjusza. Uważał on, że najlepszym sposobem opisywania • zjawisk w przyrodzie jest sposób, który możemy nazwać geometryzacją.Polega on na

Ogólna teoria względności 133 przekonaniu, że najlepszym aparatem matematycznym dla świata zjawisk fizycznych jest geometria. Jednym z przejawów takiego punktu widzenia u Kartezjusza jest stwo­ rzenie geometrii analitycznej, która w jego rozumieniu wiązała się ściśle z tzw. mechanicyzmem. Przy okazji warto wspomnieć tutaj kilka słów o geometrii .

Największe dzieło nauki starożytnej, „Elementy" Euklidesa, stanowiło funda­ ment geometrii nazywanej przez nas euklidesową i zawierało szereg definicji,aksjo­ matów i postulatów potrzebnych do jej skonstruowania. Jednym z głównych problemów tego dzieła była niespójność tzw. piątego postulatu z pozostałymi. Próbowano po­ stulat ten wyprowadzić z innych, ale żadnemu uczonemu nie udało się to w pełni.

Między innymi Saccheri w 1733 r. próbował sprowadzić piąty postulat do sprze­ czności. W efekcie udowodnił, że istnieją trzy rodzaje geometrii zależnie od te­ go, jaka jest suma kątów w trójkącie. Saccheri nie posunął się jednak dalej w swych rozważaniach, uważając udowodnione fakty za wystarczający dowód sprzeczności.Do­ piero w XIX w. Bolyai, tobaczewski oraz Riemann dokonali doniosłego przeformuło- wania piątego postulatu, odkrywając nowy typ geometrii zwanej hiperboliczną (Bo­ lyai, Łobaczewski) oraz eliptyczną. W zwykłej euklidesowej przestrzeni przez dany punkt nie leżący na danej prostej można poprowadzić tylko jedną prostą równoległą. W przestrzeni hiperbolicznej przy tych samych założeniach da się poprowadzić tych prostych nieskończenie wiele,natomiast w przestrzeni eliptycznej nie da się po­ prowadzić żadnej prostej, która nie przecinałaby się z daną.

Na zakończenie należy wspomnieć także o pewnych intuicjach związanych z poję­ ciem czasu. Z tym starożytni mieli także problemy, chociażby uwidaczniające się w paradoksach Zenona. Leibniz uważał, że czas jest porządkiem następstw podobnie jak przestrzeń jest porządkiem współistnień. Kant, podobnie jak przestrzeni, od­ mawiał również czasowi bytu obiektywnego uważając go za cechę świadomości ludzkiej.

Na tym tle powstała koncepcja, która spełniła wiele zamierzeń i oczekiwań jed­ nych, a zadziwiła innych badaczy.