Дмитрий Вибе, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института астрономии РАН
Но есть такие люди — они прекрасно слышат, Как звезда с звездою говорит.
Ю. Ким
Вид ночного неба, усыпанного звездами, с давних пор вселяет в душу человека благоговение и восторг. Потому даже при некотором снижении общего интереса к науке астрономические новости иногда просачиваются в средства массовой информации, чтобы встряхнуть воображение читателя (или слушателя) сообщением о таинственном квазаре на самой окраине Вселенной, о взорвавшейся звезде или о черной дыре, затаившейся в недрах далекой галактики. Вполне естественно, что рано или поздно у заинтересованного человека возникает законный вопрос: «Да полно, уж не водят ли они меня за нос?» Действительно, по астрономии написано множество книг, снимаются научно-популярные фильмы, проводятся конференции, постоянно растут тиражи и объемы профессиональных астрономических журналов, и всё это — продукт простого разглядывания неба?
Возьмем, к примеру, физику, химию или биологию. Там всё понятно. Предмет исследования этих наук можно «потрогать» — если не непосредственно подержать в руках, то, по крайней мере, подвергнуть всестороннему исследованию в экспериментальных установках. Но как могут астрономы с такою же уверенностью утверждать, например: «В двойной системе, удаленной от нас на 6 тыс. световых лет, вещество срывается с красной звезды, закручивается в тонкий диск и накапливается на поверхности белого карлика», предъявляя в качестве доказательства снимок, на котором не видны ни красная звезда, ни карлик, ни тем более диск, а наличествует лишь яркая точка в окружении еще нескольких таких же, разве что не столь ярких? Эта уверенность — не следствие завышенной самооценки. Она проистекает из умения связать мириады разрозненных наблюдательных фактов в единую, взаимосвязанную, внутренне непротиворечивую картину Мироздания, при этом успешно предсказывая открытие новых явлений.
Основу основ наших познаний о Вселенной составляет убежденность в том, что вся она (или, по крайней мере, вся ее видимая часть) управляется теми же физическими законами, что открыты нами на Земле. Это представление возникло не на пустом месте. Нельзя даже сказать, что физические законы сначала открывались на Земле, а потом находили подтверждение в Космосе. Физики никогда не рассматривали нашу планету в отрыве от остальной Вселенной. Закон всемирного тяготения был выведен Ньютоном по наблюдениям Луны, а первым его «триумфом» стал расчет орбиты кометы Галлея. Гелий был обнаружен сначала на Солнце и лишь потом на Земле.
От радиоволн до гамма-лучей
Представление о единстве физических законов позволяет сделать очень важное допущение. Пусть мы не можем, например, проникнуть в недра звезды или в ядро галактики, чтобы непосредственно увидеть происходящие там процессы. Но мы можем логически вывести эти процессы, наблюдая производимый ими результат. Результатом этим в подавляющем большинстве случаев оказывается свет, точнее электромагнитное излучение в очень широком диапазоне частот, которое мы непосредственно и регистрируем. Всё остальное — помимо излучения — представляет собою продукт теоретической интерпретации наблюдений, суть которой заключена для астрономов в простой формуле «О – С», то есть «наблюдаемое» (observed) минус «вычисленное» (computed). Чтобы понять природу какого-либо объекта, нужно построить его модель, то есть физико-математическое описание происходящих в нём процессов, а затем с помощью этой модели вычислить, какое излучение должно рождаться в этом объекте. Дальше остается сравнить предсказания модели с результатами наблюдений и, если сравнение оказалось не вполне убедительным, то либо изменить параметры имеющейся модели, либо придумать новую, более удачную.
Сравнивать есть с чем, ибо свет несет в себе колоссальный объем информации. Даже беглого взгляда на звезды достаточно, чтобы заметить — они различаются по цвету. Это уже очень важная информация, так как цвет зависит от температуры. Иными словами, просто посмотрев на звёзды невооруженным взглядом и предположив, что на них действуют известные нам законы излучения (скажем, закон смещения Вина), мы уже можем сказать, что поверхности звезд имеют различную температуру — от двух-трех тысяч градусов (красные звезды) до десятков тысяч градусов (белые и голубые звезды).
Цвет и температура
Самым простым видом излучения является тепловое — то есть излучение, связанное с температурой тела. Тепловое излучение греет замерзшие ладони усталого путника, разведшего на обочине дороги небольшой костерок; тепловым излучением освещают наши жилища лампочки накаливания; именно тепловое излучение миллиарды лет несет на Землю солнечную энергию. Формально нагретое тело излучает во всём диапазоне длин волн (или частот), но есть определенная длина волны, на которую приходится максимум излучаемой энергии. Для источника излучения с максимально простыми свойствами, который в физике называется абсолютно черным телом, эта длина волны обратно пропорциональна температуре: λ = 0,29 / T, где длина волны выражена в сантиметрах, а температура — в Кельвинах. Это соотношение называют законом смещения Вина. Зрительно именно эта длина волны (разумеется, в сочетании с кривой спектральной чувствительности глаза) определяет видимый цвет нагретого тела. В спектрах звезд распределение энергии излучения по длинам волн несколько отличается от «чернотельного», однако связь между «цветом» и температурой сохраняется. Слово «цвет» здесь взято в кавычки, поскольку вместо субъективного описания (красный, желтый, голубой и пр.) в астрономии используются менее живописные, но куда более четкие численные характеристики — так называемые показатели цвета.
Конечно, в реальности всё сложнее, поскольку излучение тела не всегда связано с тем, что оно имеет определенную температуру. Иными словами, оно может иметь и нетепловую природу, как, например, синхротронное или мазерное. Однако это можно легко установить, определив не только «цвет», то есть частоту, на которую приходится максимум излучения, но и всю форму спектра, то есть распределение излучаемой энергии по частотам. Современная аппаратура позволяет регистрировать излучение в огромном частотном диапазоне — от гамма- до радиоволн.
Хотя общая форма спектра звезды или другого объекта уже говорит о многом (например, о природе излучения — тепловое оно или нет и если тепловое, то какой температуре соответствует), в спектре есть и значительно более емкий носитель информации — линии. При определенных условиях вещество излучает (если оно излучает само) или поглощает (если его освещает другой источник) свет лишь на определенных частотах. Конкретный набор частот зависит от индивидуального распределения энергетических уровней атомов, ионов или молекул вещества, а это означает, что по наличию той или иной спектральной линии можно сделать вывод, что в излучающем или поглощающем веществе присутствуют эти атомы и молекулы. По интенсивности линии, по ее форме, поляризации, а также по отношению интенсивностей разных линий одного и того же атома или молекулы можно определить содержание данного элемента в атмосфере звезды, степень ионизации, плотность вещества, его температуру, напряженность магнитного поля, ускорение силы тяжести... Если вещество движется, его спектр, в том числе линии, сдвигается как целое из-за эффекта Доплера: в синюю сторону спектра, если вещество приближается к нам, в красную — если вещество удаляется. Это означает, что по смещению линий относительно «лабораторного положения» мы можем делать выводы, например, о движении как звезды в целом, если смещается весь спектр, так и отдельных слоев ее атмосферы, если линии, образующиеся на различных глубинах, смещаются по-разному.
Первую карту солнечного спектра построил в начале XIX века знаменитый оптик Йозеф Фраунгофер. Наиболее заметным темным линиям в спектре Солнца он присвоил буквенные обозначения, некоторые из которых применяются астрономами до сих пор (верхний рисунок). Во второй половине XIX века выяснилось, что положение линий поглощения (темных) в спектре Солнца совпадает с положением линий излучения (светлых) в лабораторных спектрах различных химических элементов. Из сравнения приведенных здесь спектров видно, что фраунгоферовы линии h, G', F и C принадлежат водороду, а двойная линия D — натрию. Рис. с сайта optics.ifmo.ru
В спектре звезды, подобной Солнцу, количество спектральных линий (в данном случае, линий поглощения) измеряется многими тысячами, поэтому можно без преувеличения сказать, что о звездных атмосферах (где находится вещество, которое проявляет себя в виде линий) мы знаем почти всё. Почти — потому что сама теория образования спектров неидеальна, хотя и продолжает непрерывно совершенствоваться. В любом случае, излучение звезд несет в себе огромное количество информации, которую нужно только уметь расшифровать. Недаром в популярных текстах спектры любят сравнивать с отпечатками пальцев.
Гори, гори, моя звезда
Но атмосфера — лишь небольшая доля вещества звезды. Что мы можем сказать о ее недрах? Ведь заглянуть туда можно только теоретически — вооружившись физическими законами. (Впрочем, сейчас астрономы активно осваивают методы сейсмологии, по «дрожанию» спектральных линий изучая особенности распространения звуковых волн в недрах звезд и так восстанавливая их внутреннее строение.) Зная температуру и плотность на поверхности звезды (например, Солнца), а также предположив, что ее собственная гравитация уравновешивается тепловым и световым давлением (иначе бы звезда расширялась или сжималась), можно просчитать изменение температуры и плотности с глубиной, добравшись до самого центра светила, и заодно попытаться ответить на вопрос, что именно заставляет Солнце и другие звезды светиться.
Изучение истории Земли показало, что энерговыделение Солнца на протяжении нескольких миллиардов лет оставалось почти неизменным. Это означает, что предполагаемый источник солнечной (звездной) энергии должен быть очень «долгоиграющим». В настоящее время известен только один подходящий вариант — это цепочка термоядерных реакций, начинающаяся реакцией превращения водорода в гелий. Предположив, что именно она составляет основу звездной энергетики, можно построить теоретические модели эволюции звезд различных масс — эволюционные треки, которые позволяют описать изменение внешних параметров звезды (ее светимости и поверхностной температуры) в зависимости от процессов, происходящих в ее недрах. Конечно, мы лишены возможности наблюдать за звездой на протяжении всей ее жизни. Зато в звездных скоплениях мы можем наблюдать, как выглядят звёзды различных масс, но примерно одного возраста.
Расстояния и возрасты
Определение расстояний в астрономии — это, как правило, многоступенчатая процедура, поэтому систему астрономических «эталонов длины» иногда образно называют «лестницей расстояний». В ее основе лежат определения расстояний в Солнечной системе, точность которых благодаря радиолокационным методам в ряде случаев достигла уже миллиметровых значений. Из этих измерений выводится величина главного астрономического эталона длины, который без особых изысков так и называется — «астрономическая единица». Одна астрономическая единица представляет собою среднее расстояние от Земли до Солнца и равна примерно 149,6 млн км.
Следующая ступенька «лестницы расстояний» — метод тригонометрических параллаксов. Орбитальное движение Земли приводит к тому, что в течение года мы оказываемся то по одну сторону Солнца, то по другую и в результате смотрим на звезды под немного разными углами. На земном небосводе это выглядит как колебания звезды вокруг некоторого среднего положения — так называемый годичный параллакс. Чем дальше звезда, тем меньше размах этих колебаний. Определив, насколько сильно меняется видимое положение звезды из-за годичного движения, можно определить расстояние до нее с помощью обычных геометрических формул. Иными словами, расстояние, определенное по параллаксу, не отягощено никакими дополнительными предположениями, а его точность ограничена только точностью измерения параллактического угла.
С методом параллаксов связана еще одна единица измерения астрономических расстояний: парсек. Один парсек — это расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом в одну секунду. Беда в том, что даже для ближайших звезд параллактический угол очень мал. Например, для α Центавра он равен всего лишь трем четвертям угловой секунды. Поэтому с помощью даже самых современных угломерных инструментов удается определить расстояния до звезд, удаленных от нас не более чем на несколько сотен парсек. Для сравнения, расстояние до центра Галактики равно 8–10 тыс. парсек.
На следующей ступеньке лестницы находятся «фотометрические» расстояния, то есть расстояния, основанные на измерении количества света, поступающего от источника излучения. Чем дальше от нас он находится, тем тусклее становится. Поэтому, если нам каким-то образом удастся определить его истинную яркость, то мы, сравнив ее с видимой яркостью, оценим расстояние до объекта. На относительно небольших расстояниях вне конкуренции с начала XX века остаются цефеиды — особый род переменных звезд, у которых истинная яркость связана простым соотношением с их периодом. На более значительных расстояниях в качестве «стандартных свечей» применяются сверхновые типа Ia. Наблюдения свидетельствуют, что в максимуме блеска их истинная яркость всегда примерно одна и та же.
Наконец, на самых больших удалениях единственным указанием на расстояние до объекта служит пока закон Хаббла — обнаруженная американским астрономом прямая пропорциональность между расстоянием и смещением линий в красную область спектра.
Важно отметить, что вне Солнечной системы единственным прямым методом определения расстояний является метод параллаксов. Все остальные методы в той или иной степени опираются на различные предположения.
С возрастами ситуация гораздо менее определенная. Настолько менее, что не всегда бывает понятно даже, что именно называть возрастом. В пределах Солнечной системы помимо обычных геологических методов для оценки возраста поверхностей небесных тел используется, например, степень их покрытия метеоритными кратерами (при условии, что известна средняя частота падения метеоритов). Цвет поверхности астероидов постепенно меняется под воздействием космических лучей (это явление называется «космической эрозией»), поэтому ее возраст можно примерно оценить по цвету.
Возраст остывающих космических объектов, лишенных источников энергии, — коричневых и белых карликов — оценивают по их температуре. Оценки возрастов пульсаров опираются на скорости замедления их периодов. Примерно определить возраст разлетающейся оболочки сверхновой можно, если удается измерить ее размер и скорость расширения.
С возрастами звезд дело обстоит получше. Правда, большую часть времени жизни звезды она проводит на стадии центрального горения водорода, когда внешне с ней происходит очень мало изменений. Поэтому, глядя, например, на звезду, подобную Солнцу, трудно сказать, образовалась она 1 млрд лет назад или 5 млрд лет назад. Ситуация упрощается, если нам удается наблюдать группу звезд примерно одного возраста, но различных масс.
Такую возможность нам предоставляют звездные скопления. (Звезды в них, конечно, образуются не совсем одновременно, но в большинстве случаев разброс возрастов отдельных звезд меньше среднего возраста скопления.) Теория звездной эволюции предсказывает, что звезды различных масс эволюционируют по-разному — чем массивнее звезда, тем быстрее она заканчивает свой «звездный путь». Поэтому чем старше скопление, тем ниже опускается планка максимальной массы населяющих его звезд. Например, в очень молодом звездном скоплении Arches (Арки), расположенном вблизи центра Галактики, есть звезды с массой в десятки солнечных масс. Такие звезды живут не более нескольких миллионов лет, стало быть, именно таков максимальный возраст этого скопления. А вот в шаровых скоплениях наиболее тяжелые звезды имеют массу не более 2 масс Солнца. Это говорит о том, что возрасты шаровых скоплений измеряются миллиардами лет.
Теоретические модели звездной эволюции предсказывают, что звезды разных масс выстраивают свою жизнь по-разному: массивные звезды быстро сжигают отведенные им большие запасы топлива, живя ярко, но недолго. Звезды малых масс, напротив, расходуют себя очень экономно, растягивая свое скромное количество водорода на миллиарды лет. Иными словами, теория предсказывает, что чем старше звездное скопление, тем меньше будет в нём массивных звезд. Именно такую картину дают нам наблюдения. В молодых звездных скоплениях (с возрастами порядка нескольких миллионов лет) попадаются иногда звезды с массами в несколько десятков масс Солнца; в скоплениях среднего возраста (десятки и сотни миллионов лет) верхняя граница масс звезд опускается до десятка масс Солнца; наконец, в самых старых скоплениях мы практически не видим звезд массивнее Солнца.
Конечно, на это можно возразить, что мы используем для подтверждения теории звездной эволюции возрасты звездных скоплений, определенные с помощью этой самой теории. Но правильность определения возрастов скоплений подтверждается и другими фактами. Например, скопления, которые с точки зрения теории звездной эволюции кажутся самыми молодыми, практически всегда окружены остатками молекулярного облака, из которого они образовались. Самые же старые скопления — шаровые — стары не только с точки зрения теории звездной эволюции, они еще и очень бедны тяжелыми элементами (по сравнению с тем же Солнцем), что вполне согласуется с их почтенным возрастом. В ту далекую эпоху, когда они родились, тяжелые элементы в Галактике еще не успели синтезироваться в больших количествах.
Правда, синтез тяжелых элементов — это тоже предсказание теории звездной эволюции! Но и оно подтверждается независимыми наблюдениями: с помощью спектроскопии мы накопили множество данных о химическом составе звезд, и теория звездной эволюции прекрасно объясняет эти данные не только с позиции содержания конкретных элементов, но и с позиции их изотопного состава.
В общем и целом можно, наверное, закончить разговор о теории звездной эволюции так. В ней вряд ли можно найти какое-то одно конкретное предсказание, которое подтверждало бы какой-то один аспект теории. Скорее, мы имеем в своем распоряжении сложную теоретическую картину жизни звезд различных масс и химического состава, начиная от ранних эволюционных стадий, когда термоядерные реакции в звезде только загорелись, до последних этапов эволюции, когда массивные звезды взрываются как сверхновые, а маломассивные сбрасывают оболочки, оголяя компактные горячие ядра. Она позволила сделать неисчислимые теоретические предсказания, которые находятся в прекрасном согласии с весьма сложной наблюдательной картиной, заключающей в себе данные о температурах, массах, светимостях, химическом составе, пространственном распределении миллиардов звезд самых различных типов — от ярких голубых гигантов до белых карликов.
Рождение звезд и планет
Теория звездной эволюции достигла таких впечатляющих высот не без причины. Звезды ярки, компактны, многочисленны, поэтому их легко наблюдать. К сожалению, далеко не во всём Вселенная делится информацией столь же охотно. Картина Мироздания становится существенно более расплывчатой и фрагментарной, когда мы переходим, например, от звезд к межзвездной среде — газу и пыли, заполняющим большую часть пространства в дисковых галактиках, подобных Млечному Пути. Излучение межзвездного вещества очень слабо, потому что вещество это либо очень разрежено, либо очень холодно. Наблюдать его гораздо сложнее, чем излучение звезд, но, тем не менее, оно тоже очень информативно. Просто инструменты, позволяющие в деталях исследовать межзвездную среду, появились в распоряжении астрономов лишь недавно, буквально в последние 10-20 лет, поэтому неудивительно, что в этой области остается пока много «белых пятен».
Одно из самых значительных «пятен» связано, как ни странно, тоже со звездами — мы до сих пор толком не знаем, откуда они берутся. Точнее сказать, у нас есть общее представление о звездообразовании, но далеко не такое ясное, как о последующей эволюции звезд. Можно с уверенностью говорить о том, что звезды образуются в молекулярных облаках в результате сжатия газо-пылевых конденсаций. Из наблюдений мы знаем, что, во-первых, молодые звезды всегда находятся в молекулярном газе, а во-вторых, рядом с уже «готовыми» молодыми звездами в молекулярных облаках наблюдаются и так называемые дозвездные ядра — плотные газо-пылевые сгустки, спектры которых явно указывают на то, что эти сгустки сжимаются. Однако мы не можем пока сказать, как появляются эти сгустки и почему они начинают сжиматься. Точнее, есть две основные версии звездообразования. Согласно одной из них, молекулярные облака удерживаются от сжатия магнитным полем (магнитное поле в молекулярных облаках действительно имеется), а дозвездные ядра появляются там, где поддержка магнитного поля по каким-то причинам ослабевает. Согласно другой версии, движущей силой звездообразования является наблюдаемая в облаках турбулентность: дозвездные ядра образуются там, где случайно сталкиваются хаотические потоки вещества. Однако объем наблюдательных данных пока слишком мал, чтобы можно было с уверенностью отдать предпочтение одному из этих механизмов (или предложить третий, четвертый...).
Немногим лучше обстоят дела с теорией образования планет: по современным представлениям, они образуются в газо-пылевых дисках у молодых звезд. Опять же, напрямую образование планет в них никто не видел, но сами эти диски наблюдаются во множестве. Благодаря этому получены косвенные свидетельства того, что пылинки в молодых дисках на определенном эволюционном этапе начинают слипаться, постепенно увеличиваясь в размерах, — на этой стадии у дисков меняется форма спектра в инфракрасном диапазоне. В некоторых «протопланетных» дисках обнаружены аномальные структурные детали — изгибы и «дырки», — которые могут быть вызваны тяготением уже образовавшихся в них планет.
Одна из самых горячих астрономических тем сегодня — внесолнечные планеты, первая из которых была открыта в 1995 году. Основной метод их обнаружения — метод лучевых скоростей — основан на эффекте Доплера: планета своим тяготением заставляет звезду описывать небольшой эллипс вокруг центра масс системы. Если орбита планеты не строго перпендикулярна лучу зрения, половину ее периода звезда приближается к наблюдателю, половину периода — удаляется от него. В результате линии в спектре звезды немного «съезжают» то вправо, то влево от среднего положения. Строго говоря, такие колебания говорят о наличии спутника, но не позволяют уверенно утверждать, что это именно планета, а не коричневый карлик или очень маломассивная звезда (если бы это была «нормальная» звезда, ее просто было бы видно). Над подобными наблюдениями тяготеет «проклятие синуса i», где i — угол между плоскостью орбиты планеты и плоскостью небосвода. По размаху колебаний спектральных линий определяется не масса, а ее произведение на sin i. Смысл этого умножения прост: если орбита лежит точно в плоскости небосвода, никаких колебаний в спектре мы не увидим, даже если спутник звезды очень массивен. Поэтому в адрес метода лучевых скоростей до сих пор высказываются сомнения. Во-первых, обнаруженное с его помощью тело может и не быть планетой, во-вторых, колебания лучевых скоростей, вообще говоря, могут быть связаны и с движениями в атмосфере звезды...
В подавляющем большинстве случаев доказательством существования планеты являются только регулярные колебания лучевой скорости «родительской» звезды. В нескольких случаях к ним добавляются регулярные и синхронизованные с колебаниями лучевой скорости падения яркости звезды — затмения. Лишь в паре неподтвержденных случаев планету удалось наблюдать в виде светящейся точки рядом со звездой. Поэтому имейте в виду — если в астрономической новости вам попалось красочное изображение планеты у другой звезды, это всегда фантазия художника... (На рис. изображен газовый гигант (большой голубой вверху картинки), вращающийся вокруг белого карлика и миллисекундного пульсара B1620-26 (две яркие точки внизу картинки) в шаровом скоплении M4. Астрономы предполагают, что это планета, поскольку ее масса слишком мала для звезды или коричневого карлика.) Graphic: NASA and G.Bacon (STScI)
Другое дело, если плоскость орбиты планеты почти перпендикулярна плоскости небосвода, то есть почти параллельна лучу зрения. В этом случае мы можем рассчитывать увидеть затмения звезды планетой. И, начиная с 1999 года, такие затмения действительно наблюдаются! Пока, правда, известно лишь несколько примеров внесолнечных планет, параметры которых удалось одновременно определить и по затмениям, и по методу лучевых скоростей. Затмения в этих системах происходят именно тогда, когда их предсказывает метод лучевых скоростей, вселяя надежду на то, что в большинстве случаев «планетные» колебания линий в спектрах звезд действительно связаны с планетами.
Кстати, поскольку в такой затменной системе угол i примерно равен 90°, а sin i, соответственно, близок к единице, то определенная по методу лучевых скоростей минимальная масса планеты близка к ее истинной массе. Поэтому в данном случае можно уверенно отличить планету от коричневого карлика.
Увидеть невидимое
Говоря о невидимом, нельзя, конечно, не сказать о наиболее интригующих астрономических объектах. Понятие о черных дырах — объектах с настолько мощной гравитацией, что оторваться от них не может даже свет, — появилось в науке еще в XVIII веке благодаря англичанину Джону Мичеллу и французу Пьеру Лапласу. В начале XX века немецкий ученый Карл Шварцшильд придал этой идее математическую обоснованность, выведя черные дыры как следствие из общей теории относительности. Иными словами, черные дыры были предсказаны теоретически задолго до того, как можно было помыслить о том, чтобы найти свидетельства их реального существования в природе. Да и как можно говорить об открытии объектов, увидеть которые невозможно не просто из-за временного несовершенства аппаратуры, а по определению? Вполне естественно, что основным аргументом в пользу того, чтобы назвать некий массивный объект черной дырой, стала его невидимость. Первым кандидатом в черные дыры в начале 1970-х годов оказался невидимый компаньон двойной системы Лебедь X-1. Он имеет массу более 5 масс Солнца, но все попытки обнаружить его собственное излучение успехом не увенчались. О его наличии говорит лишь гравитационное воздействие, которое он оказывает на вещество видимого компонента. Как выясняется, очень сложно придумать другую физическую сущность, которая обладала бы столь большой массой и оставалась при этом невидимой.
Еще более убедительное доказательство реальности черных дыр получено в последние годы для ядра нашей Галактики. Причем оно вытекает не из каких-то сложных теорий, нет, а из обычной небесной механики, описывающей движение спутника вокруг главного тела. На протяжении последнего десятилетия ученые отслеживают движение нескольких звезд в ближайших окрестностях геометрического центра Галактики. Орбита одной из этих звезд прорисована почти полностью — она обращается вокруг центра по вытянутому эллипсу так, словно находится в поле тяготения объекта с массой в несколько миллионов солнечных масс. Радиус объекта не превышает нескольких десятков астрономических единиц — таков размер орбиты этой звезды. Естественно, любой тяготеющий объект может быть только меньше орбиты своего спутника. Представьте себе: миллионы солнечных масс вещества упакованы в размер Солнечной системы и остаются при этом невидимыми! Здесь нужно вспомнить еще об одном великом научном принципе — так называемой бритве Оккама: не нужно множить сущности без необходимости, из всех объяснений отдавая предпочтение самому простому. Черная дыра, какою бы экзотикой она ни казалась, на сегодняшний день остается наиболее простым решением этой загадки. Хотя это, конечно, не гарантирует, что в будущем не будет найдено еще более простое решение.
Орбиты звезд в ядре нашей Галактики. Длина двухконечной стрелки в верхнем правом углу примерно равна 1600 астрономическим единицам. Эта карта построена Андреа Гез и ее коллегами из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе по данным многолетних наблюдений на Телескопе им. Кека). Звездочкой отмечено место, где должно находиться тело, тяготение которого заставляет звезды двигаться по этим траекториям. Законы небесной механики позволяют определить, что масса этого тела составляет несколько миллионов солнечных масс. Особенно интересны орбиты звезд S0-2 и S0-16, которые подходят к невидимому телу на расстояние всего в несколько десятков астрономических единиц, накладывая тем самым очень серьезное ограничение на его размер. Рис. с сайта www.astro.ucla.edu
В принципе, сказанное относится и к квазарам — необычайно ярким и очень компактным источникам излучения, невероятно высокую светимость которых объясняют выделением энергии при аккреции (падении) вещества на черную дыру. Материя не падает непосредственно на дыру, а закручивается вокруг нее, образуя тонкий аккреционный диск. Это связано с тем, что во вращающейся системе гравитация (центрального объекта или всей системы целиком) в направлении, перпендикулярном оси вращения, уравновешивается центробежной силой, поэтому сжатие происходит только параллельно оси вращения, «сплющивая» систему в плоский блин.
Движение газа в диске описывается законами Кеплера (поэтому такие диски называют иногда «кеплеровскими»). Хотя имя Кеплера обычно связывают с догадкой о том, что планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца по эллипсам, однако законы Кеплера в равной степени применимы и к движению по окружности (которая представляет собою частный случай эллипса).
Одно из проявлений законов Кеплера применительно к дискам состоит в том, что слои на различных расстояниях от центра движутся с различными скоростями и в результате «трутся» друг о друга, преобразуя кинетическую энергию орбитального движения в тепловую энергию и далее в энергию излучения. Это объяснение может оказаться не единственным, но на сегодняшний день оно является самым простым. В конце концов, если отвлечься от масштабов явления, источником разогрева (и свечения) вещества в аккреционной модели является трение — куда уж проще? Чудовищная энергетика квазаров требует, чтобы объект, на который «падает» вещество, был очень массивным и геометрически маленьким (чем меньше внутренний радиус диска, тем больше в нём выделяется энергии). В ядре активной галактики NGC 4258 «кеплеровский» диск удалось наблюдать непосредственно, то есть не просто разглядеть очень плоскую газовую структуру, а измерить скорость движения вещества в ней и продемонстрировать, что это именно диск, вращающийся «по Кеплеру». Квазары располагаются в центрах галактик, то есть именно там, где в нашей и других галактиках обнаружены объекты, очень похожие на черные дыры... Логично предположить, что массивные компактные объекты в квазарах также представляют собою черные дыры.
Еще один космический невидимка — темная материя, то есть материя, проявляющая себя в гравитации, но не в излучении. Идею о ее существовании высказал астроном Фриц Цвикки. Он обратил внимание на то, что скорости движения галактик в скоплениях слишком велики, чтобы их можно было объяснить тяготением только видимого вещества. В скоплениях галактик должно быть что-то еще, невидимое, но обладающее гравитационным полем. Позже подобные аномалии обнаружились и в движении звезд внутри галактик. Гипотезу о темном веществе критикуют на том основании, что она, вроде бы, нарушает всё то же правило Оккама: обнаружив неясности в движениях звезд и галактик, астрономы не стали объяснять их с позиций существующих теорий, а сразу же ввели новую сущность — темное вещество. Но критика эта, на мой взгляд, несправедлива. Во-первых, «темное вещество» само по себе сущностью не является. Это просто констатация факта, что движение звезд в галактиках и галактик в скоплениях не описывается только тяготением видимого вещества. Во-вторых, объяснить это тяготение имеющимися сущностями оказывается не так-то легко.
Вообще, на роль темного вещества годятся любые массивные невидимые (с помощью современных средств наблюдения) объекты. Скажем, за темную материю вполне могли бы сойти заполняющие пространство коричневые карлики или так называемые «черные» карлики, то есть остывшие, холодные и потому невидимые белые карлики. Однако у этих объектов есть крупный недостаток: их можно привлечь для описания темной материи, но не удается безболезненно вписать в современную картину Мироздания. Белый карлик — это не только несколько десятых солнечной массы невидимого вещества, но еще и изрядное количество углерода и азота, синтезированных звездой — предшественницей этого белого карлика. Если мы предположим, что пространство заполнено остывшими белыми карликами, мы ответим на вопрос о природе темной материи, но вынуждены будем заняться нелегкими поисками ответа на другой вопрос — куда девались выброшенные этими карликами атомы С и N, которые должны были проявиться в химическом составе звезд следующих поколений? Кроме того, и у белых, и у коричневых карликов есть еще один общий недостаток: они не образуются сами по себе. Вместе с ними должны были в изрядных количествах образовываться и более массивные звезды. Эти звезды, взорвавшись в конце своего жизненного пути как сверхновые, просто разметали бы галактику по окружающему пространству. Вот так и получается, что неизвестные науке элементарные частицы оказываются не экзотическим, а наиболее легко объяснимым кандидатом на роль темной материи. Впрочем, попытки объяснить аномальное движение звезд невидимыми «обычными» объектами продолжаются.
«Материальность» темной материи также оспаривается. Сейчас публикуется довольно много работ по теории МОНД — модифицированной ньютоновской динамике. Согласно ей, при движениях с очень малыми ускорениями в формулы для ньютоновского тяготения нужно вводить поправки. Неучет этих поправок и приводит к тому, что возникает иллюзия дополнительной массы.
Потрогать руками
Утверждение, что астрономы не могут потрогать изучаемые ими объекты, не всегда справедливо. По крайней мере, в пределах Солнечной системы кое-что мы можем не только в подробностях сфотографировать, но и «потрогать» (хотя бы посредством автоматов). Неудивительно поэтому, что ее устройство известно нам довольно неплохо. Вряд ли кто-то будет оспаривать тот факт, что Земля вращается вокруг Солнца и что вместе с ней вокруг Солнца вращается еще великое множество разнообразных тел. Мы понимаем силы, под воздействием которых движутся эти тела, и умеем предсказывать их движение. Собственно, именно изучение движения небесных тел привело к появлению самого точного раздела астрономии — небесной механики.
Вспомним хотя бы историю открытия первого астероида — Цереры. Итальянский астроном Дж. Пиацци открыл ее в первую ночь XIX столетия и тут же потерял. Однако знание траектории, по которой должна двигаться Церера (если верны наши представления об устройстве Солнечной системы), позволило немецкому математику К. Гауссу предсказать ее положение на будущие даты, и через год после открытия Церера была найдена вновь, и именно там, где ей надлежало быть.
Тут можно вспомнить еще хрестоматийную историю об открытии Нептуна «на кончике пера», но гораздо лучшим доказательством понимания небесно-механического устройства Солнечной системы является его практическое использование. Сейчас редкий полет межпланетного космического аппарата обходится без так называемого гравитационного маневра — траекторию полета прокладывают таким хитрым образом, чтобы на разных ее участках аппарат ускорялся притяжением больших планет. Благодаря этому удается экономить немало топлива.
Говоря коротко, мы очень хорошо (хотя и не идеально) разбираемся в движении тел Солнечной системы. Хуже обстоит дело с пониманием их индивидуальной природы. За примерами не нужно далеко ходить. Марсианские каналы — какая это была замечательная иллюзия! Астрономы-наблюдатели рисовали карты марсианской мелиорационной сети, астроботаники выдвигали смелые гипотезы о жизненном цикле марсианских растений, вдохновленные ими фантасты рисовали картины контакта с марсианами (почему-то одна другой страшнее)... Первые же снимки Красной планеты, полученные космическими аппаратами, развеяли эти фантазии даже не в пыль — в дым. Добро бы еще каналы оказались чем-то не тем, за что их принимали. Нет, они просто отсутствовали! Навязчивое желание увидеть на Марсе что-то «эдакое» сыграло с наблюдателями злую шутку. При близком рассмотрении Красная планета оказалась совершенно мертвой.
Сейчас наше представление о Марсе кардинально отличается от того, что имело место всего каких-нибудь 50 лет назад. К Марсу слетало множество зондов, на нём побывали спускаемые аппараты, в том числе марсоходы, проехавшие по его поверхности значительное количество километров. Построены подробнейшие карты рельефа, температур, минерального состава, магнитного поля поверхности Марса. Смело можно утверждать, что по крайней мере о поверхности и атмосфере Марса мы знаем почти всё. Значит ли это, что в марсианских исследованиях не осталось места догадкам? О, нет!
Беда в том, что активная фаза жизни Марса давно закончилась. Несмотря на близость Красной планеты мы всё равно видим только результат, но лишены возможности наблюдать процесс. Приходится прибегать к аналогиям. В конце концов, Земля и Марс не так уж сильно отличаются друг от друга. Почему бы не предположить, что подобные формы рельефа на обеих планетах сформированы подобными процессами? Первые же снимки марсианской поверхности принесли землянам не только грустную новость об отсутствии каналов. На них обнаружилось и кое-что интересное — высохшие речные русла. Пусть на современном Марсе нет воды, но она была там в далеком прошлом! Ибо что, кроме текущей воды, способно оставить такие следы? Добавьте к этому слоистость горных пород Марса, очень похожую на строение земных осадочных пород, и наличие минералов, которые на Земле образуются только в жидкой среде... Одним словом, вся совокупность данных о Марсе говорит о том, что когда-то, скорее всего очень давно и очень недолго, водоемы на нём были. Но все эти данные являются, конечно, косвенными доказательствами. И именно здесь проходит граница, за которой читатель или слушатель астрономической новости должен держать ухо востро. Ибо от результата наблюдения к выводу из него пролегает цепочка логических умозаключений и дополнительных предположений, которая в текст популярной новости попадает не всегда (это, впрочем, верно в отношении не только астрономии, но и других наук).
Еще наглядный пример — Европа, один из галилеевых спутников Юпитера. Спектральный анализ показывает, что поверхность этого спутника состоит из водяного льда. Но средняя плотность вещества Европы (3 г·см–3) в три раза превышает плотность воды, а значит, большую часть спутника составляет каменное ядро, окруженное менее плотной водяной оболочкой. Дифференциация строения Европы, то есть разделение на более тугоплавкое ядро и легкоплавкую оболочку, говорит о том, что недра этого спутника подвергались и, возможно, подвергаются значительному нагреву. Источник этого нагрева — скорее всего, приливное взаимодействие с Юпитером и другими спутниками планеты-гиганта.
Занимательность ситуации состоит в том, что приливного тепла вполне достаточно, чтобы поддерживать часть водной оболочки Европы в жидком состоянии. Иными словами, под ледяной коркой Европы может скрываться океан... С этим согласуется и строение поверхности спутника. Она постоянно «омолаживается», о чём говорит практически полное отсутствие метеоритных кратеров, да и разветвленная сеть разломов и трещин свидетельствует в пользу тектонической активности, которая может быть связана с подвижностью твердого льда на жидкой подложке. Жидкая вода, постоянный источник тепла (приливные деформации), доступность соединений углерода (в Солнечной системе они есть почти повсеместно) — что еще нужно для зарождения жизни? И вот уже готов яркий заголовок: «На спутнике Юпитера есть живые существа!». Однако очевидно, что до полета на Европу исследовательского зонда наличие подледного океана останется гипотезой, а возможное существование в нём очагов жизни — и вовсе фантазией.
Конец эпохи антропоцентризма
Кому-то это, возможно, покажется странным, но убедительные доказательства того, что Солнечная система находится не в центре Вселенной, были получены лишь в начале XX века. Американский астроном Харлоу Шепли получил их, изучая пространственное распределение шаровых звездных скоплений (ШЗС). В то время было уже известно, что шаровые скопления разбросаны по небу неравномерно, сосредоточившись в основном только в одной половине небосвода. Но только Шепли удалось выявить действительные масштабы этой неравномерности. Определив расстояния до шаровых скоплений по наблюдениям цефеид в них (см. врезку «Расстояния и возрасты»), он установил, что скопления распределены в пространстве сферически-симметрично, причем центр этого распределения не просто не совпадает с Солнцем, но удален от него на десятки тысяч световых лет! Шепли догадался, что центр системы ШЗС совпадает с истинным центром нашей Галактики, но на протяжении многих лет отказывался признать, что помимо нее во Вселенной могут существовать и другие «звездные острова». Гигантский размер Галактики настолько потряс самого Шепли, что он просто не мог представить, что во Вселенной остается место для чего-то еще.
Между тем, в 1924 году американский же астроном Эдвин Хаббл с помощью крупнейшего в то время 2,5-метрового телескопа Паломарской обсерватории впервые, как говорят астрономы, «разрешил на звезды» Туманность Андромеды. Иными словами, он доказал, что ее туманное свечение на деле порождается мириадами отдельных звездочек, собранных в единую систему, подобную Млечному Пути.
Так было доказано, что Солнце располагается не в центре Галактики, а на ее окраине, а сама Галактика является лишь одной из многих сотен миллиардов звездных систем.
Можно ли всему этому верить?
Увы, удаленность большинства астрономических объектов и значительная длительность большинства астрономических процессов приводят к тому, что доказательства в астрономии, как правило, являются косвенными. Причем чем дальше мы удаляемся от Земли в пространстве и времени, тем косвеннее доказательства. Казалось бы, есть все основания относиться к утверждениям астрономов с недоверием! Но сила этих утверждений — не в «железобетонности» доказательств, а в том, что эти доказательства складываются в единую картину. Современная астрономия — не собрание разрозненных фактов, а система знаний, в которой каждый элемент связан с другими, как связаны друг с другом отдельные кусочки мозаики-пазла. От общего количества звезд, рождающихся в год, зависит количество сверхновых — значит, скорость звездообразования должна согласовываться с темпом вспышек сверхновых. Этот темп, в свою очередь, согласуется с наблюдаемым количеством синтезируемого при вспышках радиоактивного изотопа алюминия. Причем многие из этих связей были сначала предсказаны, а потом обнаружены в наблюдениях. Было сначала предсказано, а потом обнаружено реликтовое излучение, сначала предсказаны, а потом обнаружены нейтронные звезды... Была предсказана форма протопланетных дисков, наличие разнообразных молекул в молекулярных облаках...
Каждый из элементов этой мозаики, взятый в отдельности, малозначим, но вместе они складываются в весьма прочную картину, которая тесно увязана с успехами «земной» физики. Насколько можно доверять этой картине? Конечно, какие-то из элементов мозаики обоснованы лучше, чем другие. С одной стороны, современные представления о природе темной материи могут подвергнуться пересмотру. А вот подобрать адекватную замену, например, для термоядерного механизма производства энергии в недрах звезд вряд ли удастся. Еще в начале XX века в этой области оставался некоторый простор для фантазии, но сейчас термоядерный механизм согласован с очень большим количеством наблюдательных данных. Если у кого-то возникнет теперь желание придумать собственный механизм, он должен будет объяснить как минимум все эти же данные, не потеряв при этом согласованности со смежными элементами мозаики.
Ошибки астрономов
Увы, и на старуху бывает проруха. Удаленность астрономических объектов и сложность их исследования приводят иногда к тому, что интерпретация наблюдений оказывается либо неоднозначной, либо вовсе неверной.
Когда есть детальный спектр объекта в широком диапазоне, объяснить наблюдения относительно легко. Но что делать, если от спектра удалось измерить только кусочек, да и тот с невысоким качеством? Именно так часто бывает с далекими и потому очень тусклыми объектами. Например, в 1999 году на звание самой далекой из известных галактик Вселенной претендовала галактика STIS 123627+621755. Фрагмент ее спектра, измеренного с помощью Космического телескопа им. Хаббла, соответствовал огромному красному смещению — 6,68 (см. Spectroscopic identification of a galaxy at a probable redshift of z = 6.68 // Nature. 15 April 1999. V. 398. P. 586-588). На то время это был рекорд, и потому исследования галактики STIS 123627+621755 решено было продолжить. Однако, выйдя за пределы спектрального диапазона, исследованного на «Хаббле», астрономы обнаружили, что там сходство с галактикой на окраине Вселенной уже отсутствует. Полный спектр объекта оказался не только не похожим на спектр галактики на красном смещении 6,68, но и вообще не похожим на спектр галактики! (Cм. Evidence against a redshift z > 6 for the galaxy STIS123627+621755 // Nature. 30 November 2000. V. 408. P. 560-562.)
В другом примере ошибка в интерпретации результатов наблюдений оказалась более серьезной. Речь шла о наблюдениях явления «микролинзирования» — если на луче зрения между далекой звездой и наблюдателем оказывается какое-либо массивное тело, его гравитационное поле действует как линза, искривляет ход лучей фоновой звезды и приводит к кратковременному увеличению ее яркости. В 2001 году астрономы из Института Космического телескопа (США) сообщили о том, что во время наблюдений шарового скопления M22 они заметили шесть таких вот внезапных увеличений яркости звезд скопления (см. Gravitational microlensing by low-mass objects in the globular cluster M22 // Nature. 28 June 2001. V. 411. P. 1022-1024). Краткость всплесков говорила о том, что масса гравитационных микролинз очень мала — меньше массы Юпитера. Эти наблюдения послужили поводом для объявления о том, что в шаровом скоплении M22 обнаружены свободно летающие планеты. Однако детальное изучение снимков M22 показало, что скачки яркости никакого отношения к фоновым звездам на имеют. Мнимое увеличение блеска происходило тогда, когда прямо в изображение звезды во время съемки попадала частица космических лучей (см. A Re-examination of the "Planetary" Lensing Events in M22 // astro-ph/0112264, 12 Dec 2001). Звезд в шаровом скоплении так много, и расположены они так густо, что точное попадание космических лучей в звезду оказалось не таким уж маловероятным событием.
Я бы сказал так: основы современной астрономической картины Мира могут оказаться неверными только целиком. То есть мы можем ошибаться не в отдельных фрагментах, а во всей физике сразу. Например, если окажется, что звёзды — это все-таки не звезды, а дырочки в хрустальном небосводе, в которые какой-то шутник пускает излучение разного спектрального состава...
Признаком надежности элемента астрономической картины может, конечно, служить его долголетие. И в этом отношении астрономия кажется вполне благополучной наукой: ее базовые концепции не меняются уже много десятилетий (нужно учитывать, что современной астрофизике всего-то от роду полтораста лет). Теория термоядерного синтеза разработана в 1930-е годы, разбегание галактик открыто в 1920-е годы, теория звездообразования сейчас бурно эволюционирует, но ключевым понятием в ней остается, например, гравитационная неустойчивость, основные принципы которой были сформулированы Дж. Джинсом в самом начале XX века... Можно, наверное, сказать, что концептуально в астрономии ничего не менялось с тех пор, как Харлоу Шепли доказал, что Солнце находится не в центре Галактики, а Хаббл доказал, что Туманность Андромеды — это внегалактический объект. Конечно, с началом Космической эры сильно изменились наши представления о планетах, но ранние фантазии о Марсе и Венере были порождены скорее научным романтизмом, чем научным предвидением.
Как читать астрономические новости
К сожалению, представление этой замечательной картины в СМИ оставляет желать много лучшего. Поэтому к чтению астрономических новостей в прессе нужно подходить весьма осмотрительно. Как правило, они основаны на пресс-релизах, которые во многих случаях переводятся на русский язык или пересказываются на нём довольно безграмотно. Причем общая солидность издания, публикующего новость, тоже ничего не гарантирует. Поэтому, если в новости что-то показалось вам невнятным, надуманным, преувеличенным, нелогичным, не спешите обвинять в этом упомянутых в ней ученых! Если сообщение вас действительно заинтересовало, постарайтесь найти хотя бы исходный пресс-релиз.
Впрочем, расшифровка астрономических пресс-релизов также требует навыка. В большинстве случаев они ставят перед собой задачу не столько поделиться информацией с коллегами, сколько произвести впечатление на массового читателя, объяснив ему, на что потрачены его налоги. Пресс-релиз, по сути, представляет собою рекламный текст, и, как всякий рекламный текст, он несколько неполон и упрощен, иногда чрезмерно оптимистичен, иногда слишком пафосен и зачастую преувеличивает значение открытия, о котором в нём сообщается. Например, авторы пресс-релизов любят писать в них что-то вроде «Это открытие заставит полностью пересмотреть такую-то теорию» или «Результаты этих наблюдений идут вразрез со всеми современными взглядами», хотя в подавляющем большинстве случаев это не так. Ну и конечно, не забываем добавлять к каждому предложению слова «По современным представлениям» или «Сейчас считается, что...», а еще «возможно», «может быть», «вероятно», «по-видимому» и т.д.!
Если же сообщение захватило вас настолько, что вам хочется устроить его критический разбор, не сочтите за труд прочитать оригинальную работу! Благо, большую часть астрономических статей можно найти в интернете совершенно бесплатно. Правда, чтобы читать их, необходимо знать английский язык.
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь. Чтобы писать комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.
» Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации. Зарегистрируйтесь на портале чтобы оставлять комментарии
Материалы предназначены только для ознакомления и обсуждения. Все права на публикации принадлежат их авторам и первоисточникам. Администрация сайта может не разделять мнения авторов и не несет ответственность за авторские материалы и перепечатку с других сайтов. Ресурс может содержать материалы 16+
