Астрономам приходится иметь дело с самыми
огромными, самыми массивными и самыми далекими телами, существующими в
природе. Поэтому они привыкли к гигантским масштабам и огромным числам.
Нам трудно наглядно представить себе расстояния даже до близких небесных
тел. Самая близкая к нам звезда - Солнце - удалена от нас примерно на
150 млн. км. Чтобы досчитать до 150 млн., произнося каждую секунду по
числу, потребовалось бы около пяти лет. Однако расстояние до Солнца
ничтожно в сравнении с расстояниями между звездами. Ближайшая к нам
звезда находится почти в 260 тысяч раз дальше Солнца. Но и эти числа со
многими нулями приходится считать маленькими, когда речь идет о
расстояниях между гигантскими скоплениями звезд - галактиками.
Галактики так далеки от нас, что, за исключением немногих самых близких,
их нельзя рассмотреть ни в какие телескопы. Изучают их, как правило, с
помощью астрономической фотографии или электронных приемников. По
фотографиям определяют яркость галактик, их размеры, форму, структуру,
положение на небе. Посмотрите, как разнообразны галактики (рис. 2-9).
Рис. 1. Центральная часть скопления галактик в
созвездии Геркулеса (негатив).
По внешнему виду их можно грубо разделить на три типа:
эллиптические (они видны как овальные светлые пятна), спиральные (в них
заметны спиральные ветви) и неправильные, похожие на бесформенные
облачка.
Рис 2. Туманность Андромеды - ближайшая к нам
спиральная галактика
Почему галактики так не похожи друг на друга?
Исследования показали, что их форма зависит от звездного состава, от
возраста, от интенсивности образования в них звезд.
Спиральные ветви галактик состоят в основном из молодых, очень ярких
звезд и облаков газа. Облака светятся под действием ультрафиолетовых
лучей, испускаемых этими звездами.
Рис 3. Спиральная галактика с перемычкой
Из газовых облаков, медленно сжимающихся под действием
собственных сил тяготения, образуются новые поколения звезд. Но в
составе спиральных галактик немало и старых, уже неярких звезд. В
эллиптических галактиках газа уже почти нет, звездообразование в них
давно закончилось, поэтому составляют их преимущественно старые звезды,
которым несколько миллиардов лет. Звезды с возрастом становятся более
красными, в связи с чем эллиптические галактики краснее спиральных.
Неправильные галактики, наоборот, часто очень голубые, так как молодых
звезд в них даже больше, чем в спиральных. Больше в них и межзвездного
газа, из которого продолжается образование звезд.
Рис 4. Спиральная галактика
Существуют галактики с очень странными и причудливыми
формами (так называемые пекулярные галактики), их часто трудно отнести к
какому-нибудь типу. Вот, например, галактика (рис. 8), у которой
эллиптическое тело обвито полосами светлой материи и темными прожилками
пыли. Никто пока не может объяснить, как такие детали образовались.
Галактики бывают парными, и тесное соседство нередко сказывается на их
внешнем виде; между галактиками образуются "перемычки" из звезд или
далеко в сторону отходят светящиеся длинные "хвосты", часто удивительно
прямые (рис. 9).
Не ясно, давно ли образовались эти придатки, какова их природа, почему
они не падают на галактику. Большую роль в их появлении играют,
безусловно, магнитные поля, проходящие через галактики, и окружающая
газовая среда.
Существование столь не похожих друг на друга галактик вызвано тем, что
они образовывались в разных условиях. Большинство исследователей
считает, что галактики сконденсировались из громадных облаков газа,
преимущественно водорода, некогда заполнявшего все мировое пространство.
Эти облака - протогалактики - отличались друг от друга массой,
размерами, скоростью вращения вокруг оси, силой внутреннего магнитного
поля. От этих физических характеристик очень сильно зависит, как быстро
и в каких местах облако начнет дробиться на меньшие облачка, образуя
звезды, а значит, какой вид будет иметь галактика.
Астрономы научились исследовать движение галактик, хотя это далеко не
простая задача. Из-за огромных расстояний мы видим все космические
процессы как бы замедленными киносъемкой. Даже если мы наблюдаем взрыв в
галактике, где массы газа движутся со скоростью тысяч километров в
секунду, наши далекие потомки и через тысячи лет будут видеть ту же
картину, что и мы, словно газ и не сдвинулся с места.
О движении галактик узнают, исследуя их спектр. Спектр галактики
выглядит как узкая светлая полоска, перерезанная темными линиями
поглощения, принадлежащими различным химическим элементам.
В физике давно известен так называемый эффект Доплера (см. стр. 14).
Измеряя длины волн спектральных линий в спектре галактик, ученые узнают
о том, как галактики движутся.
Рис 5. Спиральная галактика. Темная полоса
говорит о большой концентрации пыли в галактике
Если получить спектр отдельных частей галактики, можно
определить скорость вращения звезд вокруг центра. Оказалось, что за свою
жизнь каждая галактика успела сделать несколько десятков оборотов. Зная
размеры галактики и скорость ее вращения, нетрудно, опираясь на закон
всемирного тяготения, "взвесить" галактику, вычислить ее массу.
Но сначала необходимо решить еще одну задачу: определить расстояние до
галактики. Для этого применяют несколько способов. Можно сравнить
видимый блеск отдельных звезд исследуемой галактики и таких же звезд, но
близких к нам, входящих в нашу Галактику, расстояния до которых
известны. Если же отдельные звезды неразличимы, можно оценить расстояние
по видимой яркости или видимому размеру галактики в целом. Но это очень
грубый метод, и, применяя его, можно ошибиться в несколько раз.
Рис 6. Эллиптическая галактика
Есть способ, который позволяет, получив спектр далекой
галактики, узнать расстояние значительно точнее. Дело в том, что мы
живем в эпоху, когда происходит так называемое расширение Вселенной (см.
ст. "Вселенная вчера, сегодня и завтра"): галактики удаляются от нас и
друг от друга. Это можно
Рис. 7. Неправильная галактика - Большое
Магелланово Облако.
доказать по сдвигу линий поглощения их спектров.
Величина красного смещения тем больше, чем больше скорость удаления. И
из теории (которая, между прочим, предсказала удаление галактик друг от
друга до того, как это показали наблюдения), и из астрономических
наблюдений далеких галактик следует, что величина красного смещения (или
скорости удаления галактик) пропорциональна расстояниям до них.
Например, если одна галактика удаляется от нас со скоростью 2000 км/сек,
а другая - 6000 км/сек, то вторая должна находиться в три раза дальше
первой.
Ученые установили, что для вычисления расстояния до галактики в
мегапарсеках (1 мегапарсек - около 3 млн. световых лет) надо величину
скорости в километрах в секунду разделить приблизительно на сто.
Например, расстояния до галактик, о которых шла речь, равны 20 и 60
мегапарсекам.
Рис. 8. Пекулярная галактика необычной формы.
...Многие процессы, происходящие в галактиках, пока
еще не объяснены, непонятны.
Рис 9. Взаимодействующие галактики
Много неясного связано с образованием галактик и звезд в
них, с происхождением и устойчивостью спиральных ветвей, с внутренними
движениями звезд и газа, со взаимодействием галактик между собой и с
окружающей средой.
На Землю из космоса беспрестанно приходят
радиосигналы, но столь слабые, что для их обнаружения пришлось создать
специальные приборы - радиотелескопы с огромными антеннами и мощными
усилителями. Их поистине фантастическая чувствительность позволяет
уверенно улавливать радиоизлучение, приходящее не только из нашей, но и
из других галактик. Чтобы перевернуть страницу этой книги, вряд ли надо
затратить больше энергии, чем энергия радиоволн, принятая из
межгалактического пространства всеми радиотелескопами мира, вместе
взятыми, за всю историю существования радиоастрономии.
Мы привыкли к тому, что радиоволны обычно рождает сложная аппаратура.
Но, оказывается, любое тело - естественная радиостанция. Чем выше
температура тела, чем больше его размер, тем сильнее поток его
радиоволн.
Радиоастрономы принимают тепловое радиоизлучение даже от далеких и
холодных планет, таких, как Уран или Нептун (см. ст. "Космические
станции и радиоволны - о наших небесных соседях"). Наша Земля также
излучает радиоволны, хотя при наблюдении ее с других планет сильнее
оказался бы поток не естественных радиоволн, а приходящих от
радиостанций. Самый "яркий" источник радиоволн в Солнечной системе,
конечно, Солнце, особенно внешняя часть его атмосферы - корона, нагретая
до миллиона градусов. Другие звезды также излучают радиоволны, но
расстояния до них так велики, что мы не в состоянии уловить
радиоизлучение даже самой близкой звезды (лишь недавно найдено несколько
необычных звезд, радиоизлучение которых можно зарегистрировать). В нашей
Галактике есть более мощные естественные радиостанции, чем звезды.
Например, облака разреженного межзвездного газа, сильно нагретые
горячими звездами, - источники теплового радиоизлучения, которое мы
можем принимать даже с расстояния в несколько тысяч световых лет.
Как показали наблюдения, радиоволны рождаются не только в облаках газа,
но и между ними. Образно говоря, в радиолучах "светится" вся Галактика,
и особенно ярко- ее экваториальная область.
Исследования показали, что ни в звездах, ни в межзвездном газе такое
радиоизлучение образоваться не может. Своим существованием оно обязано
космическим лучам - движению очень быстрых заряженных частиц -
электронов и протонов, неисчислимые количества которых движутся в нашей
Галактике во всех направлениях. Многие из них имеют такие большие
скорости, какие не удается получить в мощнейших ускорителях элементарных
частиц.
Откуда они берутся? Как разгоняются до скорости, практически равной
скорости света? Это, пожалуй, главный вопрос современной астрофизики, и
окончательного ответа на него не получено. Астрофизики все больше
склоняются к тому, что значительная часть космических лучей
выбрасывается из ядер некоторых галактик - маленьких светящихся
образований еще не разгаданной природы.
Значительная часть космических лучей образуется при катастрофических
взрывах Сверхновых звезд, происходящих в галактиках в среднем раз в сто
лет. Вспышка Сверхновой бывает такой сильной, что в момент максимума
блеска звезда может соперничать по яркости с миллиардами обычных звезд!
Взрывы Сверхновых не проходят бесследно. Тысячи лет после вспышки на
месте взорвавшейся звезды можно наблюдать расширяющуюся газовую
туманность. Известно около десятка таких туманностей - следов давних
катастроф. С тех пор как был изобретен телескоп, в нашей Галактике никто
не видел взрыв Сверхновой, но наблюдения за их остатками показывают, что
сотни лет они продолжают "вырабатывать" космические лучи и служить
мощнейшими радиостанциями в галактиках.
В настоящее время зарегистрировано радиоизлучение около сотни ближайших
к нам галактик. Их радиоизображения не похожи друг на друга. У некоторых
только центральная часть испускает радиоволны, у других радиоизлучение
приходит из области даже большей, чем сама галактика.
Обычно на излучение радиоволн галактики тратят в десятки миллионов раз
меньше энергии, чем на излучение видимого света. Но ситуация меняется,
когда происходят взрывы в центрах галактик.
На всем небе обнаружено много сотен точек или
маленьких областей, от которых приходят к нам радиоволны. Чтобы узнать,
какие тела их испускают, с помощью крупных телескопов фотографируют
область неба, где зафиксирован тот или иной радиоисточник. Неожиданно
оказалось, что на месте многих из них находятся далекие галактики. Их
назвали радиогалактиками. Часто внешне ничем не отличаясь от нормальных
галактик, радиогалактики излучают в миллионы и десятки миллионов раз
более мощные потоки радиоволн. Как правило, радиогалактики -
эллиптические и имеют очень большую массу, нередко у них есть
какая-нибудь особенность во внешнем виде, многие из них - двойные. Из-за
этого сначала считали, что радиогалактики - сталкивающиеся галактики. Но
теперь известно немало одиночных радиогалактик. Источник их энергии
радиоизлучения - центральное ядро.
На рисунке 10 - одна и та же радиогалактика, расположенная в большом
скоплении галактик в созвездии Девы.
Рис. 10. Радиогалактика Дева А. Фотографии
получены с различной экспозицией.
Рис. 11. Радиогалактика Центавр А.
Расстояние до нее - около 30 млн. световых лет.
Нижняя фотография сделана с большой экспозицией, так что яркая
центральная часть эллиптической галактики оказалась передержанной. На
верхней, полученной с меньшей экспозицией, видна лишь центральная ее
часть. Хорошо заметно, что из центра выходит клочковатый выброс. На
цветной фотографии он был бы голубым. Радиоизлучение приходит к нам из
довольно обширной области, включающей всю видимую на фотографии часть
галактики, но на коротких, сантиметровых волнах самую значительную часть
радиоизлучения дает "выброс". Это излучение, как оказалось, содержит
электромагнитные колебания всех частот: от радиоволн до видимого света.
Другой пример - радиогалактика, которую связывают с радиоисточником
Центавр А. Эта эллиптическая галактика имеет одну редкую особенность:
большое количество межзвездной пыли в виде широкой темной полосы (рис.
11). Интересно, что радиоизлучение приходит в основном не от самой
галактики, а от двух гигантских областей, симметрично расположенных
относительно нее, объем которых во много десятков раз больше, чем объем
галактики.
Двойным оказался и радиоисточник Лебедь А, один из самых "ярких" на
небе. Он связан с двойной радиогалактикой, котораярасположена так далеко, что ее форму трудно определить
даже по фотографии, полученной с помощью пятиметрового телескопа.
Расстояние до нее - около полумиллиарда световых лет. Лебедь А в
радиодиапазоне излучает в несколько раз больше энергии, чем в виде
обычного света. Столь мощные радиогалактики встречаются редко, и нам,
можно сказать, повезло, что такой уникальный объект не расположен от нас
значительно дальше.
Радиоизлучение подобных объектов может улавливаться и с таких
расстояний, когда радиогалактику уже нельзя сфотографировать никакими
инструментами. Не удивительно, что астрономам известно немало
радиоисточников, которые не отождествляются ни с какими объектами.
Радиогалактики типа Центавр А или Лебедь А выбрасывают в окружающее
пространство огромные облака быстрых частиц, хаотически двигающихся в
магнитном поле и излучающих радиоволны в течение долгого времени. Со
временем интенсивность их радиоизлучения уменьшается, и радиогалактики
становятся уже ничем не отличимыми от обычных галактик. Может быть,
некоторые обычные галактики на определенной стадии развития могут стать
радиогалактиками? Есть основания считать, что и наша Галактика и
туманность Андромеды в прошлом излучали радиоволны значительно
интенсивнее, чем сейчас.
В центре радиогалактик, в их ядрах, идут активные взрывные процессы, при
которых выделяется колоссальная энергия. Миллион звезд, таких, как
Солнце, вместе взятых, за всю свою долгую жизнь не излучат в виде света
и одного процента той энергии, которая выделяется при взрыве ядра
обычной радиогалактики. Почему происходит взрыв? Где была заключена до
взрыва освободившаяся энергия? Эти вопросы остаются пока без ответа.
Было предположение, что причина взрыва - близкое расположение звезд
возле центра галактики. И вспышка одной Сверхновой может повлечь за
собой взрыв большого количества звезд. Но оказалось, что, вероятнее
всего, взрывается само ядро галактики.
Что выводит его из устойчивого состояния? Возможно, межзвездный и
межгалактический газ, оседающий на центр галактики. Не случайно
радиогалактики имеют большую массу и создают вокруг себя сравнительно
сильное гравитационное поле. В нормальных галактиках из ядер также
выбрасываются газ и космические лучи, но в небольших количествах. В
радиогалактиках активность ядра несравненно выше. Почему? Это будет
ясно, когда мы больше узнаем о ядрах галактик.
Крупнейшее событие в астрономии за последние годы -
это, наверное, открытие совершенно неизвестного ранее класса
внегалактических объектов - квазаров.
В 1963 г. было обнаружено, что положение некоторых радиоисточников очень
маленького углового размера совпадает с положением отдельных слабых
звезд. Но известно, что обычные звезды - слишком маломощные
радиоисточники, чтобы их радиоизлучение можно было обнаружить. Поэтому
открытые объекты сразу привлекли к себе пристальное внимание. Неожиданно
оказалось, что спектр этих радиозвезд содержит много ярких линий
излучения (в отличие от темных линий поглощения, типичных для нормальных
звезд), которые не поддаются расшифровке: было неясно, каким химическим
элементам принадлежат спектральные линии. С такой ситуацией астрономы
сталкивались, пожалуй, впервые. Наконец работающий в США голландский
астроном М. Шмидт нашел ключ к разгадке странного спектра. Оказалось,
что спектральные линии принадлежат хорошо знакомым химическим элементам,
только эти линии сдвинуты в сторону красной части спектра очень сильно,
имеют большое красное смещение.
Величиной красного смещения обычно называют число, показывающее, как
относится изменение длины волны любой линии в спектре к первоначальной
длине волны этой линии. Это число обычно бывает много меньше единицы.
Для звезд нашей Галактики оно не выше 0,001, а для большинства
исследовавшихся галактик оно составляет 0,003-0,1. Самые далекие
галактики, которые можно исследовать с помощью крупнейших телескопов,
имеют красное смещение 0,2-0,5. Красное смещение двух самых ярких
радиозвезд оказалось близким к красному смещению далеких галактик -0,16
и 0,37.
Это говорит о том, что если их красное смещение, как и у галактик,
вызвано расширением Вселенной, то обнаруженные объекты лежат очень
далеко. Они не похожи на галактики. Эти объекты выглядят маленькими
точками, как звезды, внешне отличаясь от большинства из них разве только
голубым цветом (на рисунках их положение отмечено черточками). Они
получили название квазизвездные (т. е. похожие на звезды)
радиоисточники, или, сокращенно, квазары.
Поскольку квазары видны с колоссальных расстояний, они должны излучать
света в сотни раз больше, чем нормальные галактики, а их радиоизлучение
по мощности примерно такое же, как у мощнейших радиогалактик.
Самый близкий квазар (он известен под номером ЗС 273)
находится на расстоянии около 1,5 млрд. световых лет от нас, и тем не
менее его можно наблюдать даже в небольшой телескоп, в который можно
увидеть лишь несколько ближайших галактик. Рядом с этим квазаром на
фотографиях заметно направленное на него маленькое вытянутое облачко,
очень напоминающее выброс из ядра радиогалактики Дева А. Оно также
является источником радиоизлучения. Сами квазары по многим
характеристикам очень похожи на ядра галактик, находящиеся в
возбужденном состоянии, выбрасывающие газ и быстрые частицы.
Таким образом, нащупывается нить, связывающая квазары с уже знакомыми
нам объектами. Не исключена возможность, что квазары - это ядра
галактик, которые светятся слишком слабо, чтобы мы могли их видеть.
Рис. 12. Фотографии квазаров на фоне обычных
звезд (отмечены черточками).
Размер квазаров удивительно мал (разумеется, по
галактическим масштабам), и доказательством этого служит тот факт, что
некоторые из них довольно быстро и беспорядочно меняют свой блеск.
Например, яркость квазара ЗС 273 иногда заметно изменяется в
течение нескольких недель или даже дней. Из этого следует вывод, что его
размер не может превышать нескольких световых дней, иначе он целиком,
как единый объект, не мог бы так быстро менять свою яркость. Это
рассуждение может относиться не ко всему квазару, а к тем его областям,
которые дают основной вклад в излучение.
Существование небольшого, но очень массивного газового шара, каким, по
некоторым данным, является ядро квазара, объяснить не так-то просто.
Можно строго доказать, что обычный газовый шар с массой даже в несколько
сотен масс Солнца неотвратимо начнет безудержно и быстро сжиматься под
действием собственной тяжести, пока не достигнет такого размера, при
котором прекратится всякое излучение света; произойдёт, как говорят,
гравитационный коллапс. Но ведь квазары существуют, и причем довольно
долго, наверняка более ста лет. Удалось разыскать фотографии неба,
сделанные еще в прошлом веке, где среди звезд оказался запечатленным
квазар 3C273; его яркость с тех пор существенно не
изменилась. Специалисты считают, что причину
устойчивости квазара следует искать в его быстром вращении или в бурных
хаотических движениях его вещества. Пока такие движения не затихнут (а
для этого требуется немало времени), квазар не начнет своего
катастрофически быстрого сжатия.
Существуют и иные предположения. Некоторые исследователи считают,
например, что квазары хотя и находятся за пределами нашей Галактики, но
расстояние до них во много раз меньше, чем это следует из красного
смещения. Иными словами, их красное смещение в основном вызвано не
расширением Вселенной, как у галактик, а иными причинами. При этом масса
и светимость квазаров может и не быть очень большой. Например, квазары
могут быть маленькими по размеру газовыми сгустками, летящими с
околосветовой скоростью, выброшенными когда-то нашей или какой-либо
соседней галактикой.
Можно предположить и другое: квазары отнюдь не имеют очень больших
скоростей, а красное смещение вызвано движением света в сильном
гравитационном поле. Красное смещение возникает оттого, что лучи света,
вырываясь из сильного гравитационного поля, создаваемого очень плотными
телами, теряют часть своей энергии и, следовательно, увеличивают длину
волны. Однако гипотезы, основанные на этих предположениях, пока не могут
объяснить всей совокупности известных данных и, пожалуй, делают природу
квазаров еще более непонятной. Поэтому большинство ученых продолжает
считать квазары самыми далекими объектами.
Сейчас известно более сотни квазаров. Самые далекие из них имеют такое
большое красное смещение, что испускаемые квазаром невидимые
ультрафиолетовые лучи становятся видимыми, попадают в видимую часть
спектра.
Поиски квазаров привели к открытию родственных им объектов. На
фотографиях они также почти не отличимы от звезд, имеют голубой цвет и
смещенные в красную сторону спектральные линии. Но, в отличие от
квазаров, они почти не излучают радиоволн, что сильно затрудняет их
обнаружение. Открытые объекты получили название квазизвездных галактик
(сокращенно - к в а з а г и). Пока их нашли немного, но это вызвано лишь
трудностями обнаружения: некоторые звезды нашей Галактики такие же
голубые, как квазаги или квазары, и только спектральный анализ может
показать, звезда это или внегалактический объект. Во Вселенной квазаги
распространены даже больше, чем квазары. Вероятнее всего, квазары и
квазаги - это одинаковые объекты, только на разных стадиях развития.
Еще не разобравшись в природе этих далеких объектов, ученые начали
использовать их наблюдения для решения ряда проблем. Например, лучи
света, испущенные квазарами и квазагами, проходят огромные расстояния
между галактиками сквозь очень разреженный газ. Анализ принятого света
может помочь уточнить плотность газа в межгалактическом пространстве. Но
особенно привлекает то, что лучи, приходящие к нам от этих объектов, как
бы гонцы далекого прошлого: ведь чем дальше объект, чем больше его
красное смещение, тем раньше был испущен принятый нами сегодня свет. Мы
видим эти далекие тела такими, какими они были миллиарды лет назад, а к
настоящему времени они, без сомнения, неузнаваемо изменились. Наблюдая
за далекими объектами, мы как бы заглядываем в прошлое Вселенной.
Получив возможность узнать, как расширялась Вселенная миллиарды лет
назад, ученые изучают, какими свойствами обладает окружающее нас
пространство и как эти свойства меняются со временем. Наблюдения
приводят к выводу, например, что миллиарды лет назад квазары встречались
во Вселенной во много раз чаще, чем теперь.
Также сравнительно недавно стала известна одна очень любопытная деталь:
есть несколько квазаров (они находятся в различных областях неба), у
которых в спектре наряду со светлыми линиями излучения присутствуют
темные линии поглощения. Красное смещение линий излучения у всех этих
квазаров различное, но смещение линий поглощения практически одно и то
же - оно составляет около 2,0! Да и число квазаров с таким смещением
линий излучения оказалось тоже подозрительно велико. Одни считают, что
такое совпадение вызвано некоторыми особенностями расширения Вселенной,
другие видят в этом подтверждение того, что красное смещение квазаров -
результат их внутренних свойств.
Уже сейчас вы можете скачать новые
варианты ЕГЭ 2016. Этот материал крайне необходим для качественной и
плодотворной подготовки к данному экзамену.
Изучение квазаров и квазагов происходит бурными темпами. Оно помогает
нам узнать, как Вселенная постепенно меняет свой облик. Было такое
время, когда вообще не существовало ни звезд, ни галактик, ни квазаров и
материя находилась в иных, может быть, даже в неизвестных сейчас формах.
Но природа всегда была и останется познаваемой, и исследование галактик,
в которых содержится почти вся плотная материя Вселенной, и загадочных
квазизвездных объектов - квазаров и квазагов - помогает нам понять, как
устроена Вселенная и как она развивается.
А.В. Засов
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
