Текст книги "Чудеса и катастрофы Вселенной"

Автор книги: Галина Железняк

Соавторы: Андрей Козка
сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 19 страниц)

СОЗВЕЗДИЕ ЛЕБЕДЬ —
ТОЧНЫЙ МАРШРУТ ДЛЯ ИСКАТЕЛЕЙ ПРИКЛЮЧЕНИЙ

Первый претендент на черные дыры был обнаружен именно в созвездии Лебедя. Поскольку оно очень яркое, хорошо заметное в северном полушарии, заинтересованные лица смогут самостоятельно осмотреть область неба, в которой располагается черная дыра. К тому же в этом созвездии есть все представители загадочных и далеких космических объектов, о которых рассказывается в этой книге.

Для начала поиска летним вечером найдите летний треугольник.Его вершины – яркие и заметные звезды нескольких созвездий: Вегаиз созвездия Лиры, Альтаириз созвездия Орла, Денебиз созвездия Лебедя. Вглядевшись в область летнего треугольника, наблюдатель заметит, что от звезды Денеб к центру треугольника просматривается крест из звезд. Длинная и короткая перекладины креста собственно и образуют фигуру, напоминающую летящего Лебедя. На старинных картах Лебедь изображен летящим вниз, к Земле. Древние греки были уверены, что в этом образе всемогущий Зевс, скрываясь от ревности Геры, летит на свидание к Леде – будущей матери Кастора и Поллукса.

Среди самых ярких звезд земного неба Денеб имеет свои особенности. Лишь 6000 солнц могли бы создать такой же поток излучения, какой посылает в пространство один Денеб! Этот горячий и очень далекий голубой гигант (до него 170 парсек) по диаметру в 35 раз больше Солнца, но на нашем небе – это только яркая звезда 1,3 ^м.

Поблизости от Денеба находится известная диффузная туманность Северная Америка,названная так за свое внешнее сходство с североамериканским континентом. Туманность находится от нас почти на таком же расстоянии, как Денеб, который и возбуждает ее свечение. Попутно заметим, что в созвездии Лебедя есть еще две замечательные газовые туманности, напоминающие перистые облака.

Имеет смысл полюбоваться красивым и ярким рассеянным звездным скоплением М 39. Расположенное недалеко от звезды ρ Лебедя скопление М 39 весьма малочисленно и объединяет всего 25 горячих белых гигантских звезд. На небе оно занимает площадь, равную видимому диску Луны, а на самом деле поперечник этого звездного скопления, удаленного на 260 пк, равен 2,4 пк.

Кроме Денеба в созвездии Лебедя есть несколько интересных двойных звезд. Прежде всего, это β Лебедя – звезда, лежащая в основании «креста» созвездия. У нее есть и собственное имя – Альбирео. Направив на нее телескоп, читатель, вероятно, согласится с тем, что Альбирео – самая красивая двойная звезда. Главная оранжевая звезда 3,2 ^mна расстоянии 34,6» имеет белый горячий спутник 5,4 ^m. Благодаря физиологическим эффектам зрения Альбирео в телескоп имеет золотисто-желтую окраску, а ее спутник – голубую. Несмотря на значительное расстояние между компонентами, пара эта – физическая, хотя период обращения для нее весьма велик. Альбирео лишь немногим ближе Денеба – до нее 125 пк.

Звезда δ Лебедя (правая оконечность «креста») также двойная, но гораздо более трудная для разделения. Расстояние между главной голубой гигантской звездой 3,4 ^mи ее спутником 6,4 ^mвсего 2,1». Период обращения в этой системе определен вполне надежно и равен 537 годам.

Особенно интересна двойная звезда 61 Лебедя. Это одна из первых звезд, для которой удалось определить расстояние. Это сделал Ф. Бессель в 1837 г. По выражению одного из его современников, «впервые лот, заброшенный в глубины мироздания, достиг дна». Только после научного подвига В. Струве, Ф. Бесселя и др. стало бесспорным, что звезды на самом деле представляют собой далекие солнца, и тем самым умозрительные идеи Джордано Бруно нашли опытное подтверждение.

Пара звезд, составляющая 61 Лебедя, близка к Земле – до нее всего 3,4 пк. Нам известен пока лишь десяток звезд, более близких, и среди них Сириус – самая близкая из ярчайших звезд. Оба оранжевых компонента 61 Лебедя имеют одинаковый спектральный класс К5, но один почти на звездную величину ярче другого (5,6 ^mи 6,4 ^m). Пара легко разделяется в школьные телескопы, так как угловое расстояние между компонентами равно 27». Это соответствует истинному расстоянию в 82 а. е., что несколько меньше поперечника планетной системы. Период обращения двух солнц вокруг общего центра равен 720 годам.

В последнее время 61 Лебедя привлекла всеобщее внимание еще и потому, что около более яркого компонента был открыт невидимый спутник очень малой массы. По неправильностям (возмущениям) в движении звезды существование спутника было заподозрено американским астрономом Страндом, а детальное исследование этого вопроса провел пулковский астроном А. Н. Дейч. По опубликованным им данным, темный невидимый спутник компонента А имеет большую полуось орбиты, равную всего 2,3 а. е., а его масса составляет 0,012 солнечной массы. Тело такой массы уже не может быть звездой в обычном смысле слова, и но своим физическим свойствам оно должно скорее напоминать Юпитер, масса которого, кстати сказать, составляет почти тысячную долю солнечной.

Кроме 61 Лебедя темные невидимые спутники открыты еще у ряда звезд. Возможно, что в некоторых случаях суммарное возмущающее действие нескольких таких спутников астрономы оценивают как действие одного спутника и получают для него нереально большое значение массы. Если это так, то действительные массы темных невидимых спутников многих звезд сходны с массами крупных планет Солнечной системы. В отношении темного спутника в системе 61 Лебедя можно думать, что это все-таки какая-то погасшая или очень мало излучающая свет звезда, так как орбита его весьма вытянута, что совсем не характерно для планет, но довольно типично для двойных звезд.

Созвездие Лебедя содержит и две необычные переменные звезды. На одну из них, долгопериодическую переменную χ Лебедя, обратил внимание еще в 1687 г. немецкий астроном Кирх. В период максимума блеска она становится звездой 2,3 ^m, уступая по блеску только Денебу и у Лебедя. Тогда крест Лебедя становится более полным, так как χЛебедя расположена как раз на главной части его древка. Зато в минимуме она пропадает для невооруженного глаза. Не увидишь ее тогда и в школьный телескоп, так как в эти дни χ Лебедя превращается в звезду 14,3 ^m. Исполинская темно-красная звезда χ Лебедя – одна из самых холодных звезд. Температура ее поверхности всего 1900 °К. Полный период колебаний блеска χ Лебедя занимает почти 407 дней. Посмотрите, видна ли сейчас эта любопытнейшая звезда? На том же главном «древке креста» близко от звезды γ Лебедя есть очень своеобразная звездочка почти 6 ^m, обозначаемая буквой Р. В 1600 г. в этом месте неба астроном Янсон заметил незнакомую яркую звезду 3 ^m. Несколько лет блеск ее был постоянен, потом стал уменьшаться, и в период с 1619 по 1923 г. странную звезду можно было наблюдать только в телескоп. После этого блеск ее менялся неправильным образом между 5 ^mи 6 ^m, и сейчас звезда почти «застыла» в этом состоянии.

Спектр Р Лебедя характерен для горячих сверхгигантов, но имеет многие особенности, напоминающие спектр новых звезд. По гипотезе Б. А. Воронцова-Вельяминова, звезды типа Р Лебедя (а их насчитывается около двух десятков) – это «неудавшиеся» новые. После вспышки в 1600 г. Р Лебедя не вернулась к первоначальному состоянию, как типичные новые, а «застряла» на промежуточной стадии. Что с ней будет дальше, сказать трудно, но, по-видимому, эти аномальные новые звезды(так официально именуют звезды типа Р Лебедя) находятся в состоянии неустойчивого равновесия. Нарушится ли оно новой вспышкой или, наоборот, резким ослаблением блеска – покажет только будущее.

В созвездии Лебедя находится черная дыра – невидимый спутник одной из двойных звезд этого созвездия. Главная звезда в этой системе – белый сверхгигант класса В, масса которого в 20 раз превосходит массу Солнца. Его спутник, вдвое меньший по массе, невидим, но в рентгеновском диапазоне он служит источником весьма мощного излучения (10 ³⁷эрг/с). Интенсивность этого излучения иногда заметно меняется за тысячные доли секунды! Вся эта необычная система удалена от нас на 6600 световых лет. Невидимый источник рентгеновского излучения и является черной дырой, засасывающей в себя межзвездный газ. Этот процесс аккреции и может порождать, как показывают вычисления, рентгеновское излучение. Впрочем, некоторые исследователи считают, что аккреция совершается не на черную дыру, а на нейтронную звезду, недоступную прямому наблюдению.

СТРАННАЯ МАСКИРОВКА В МИРЕ ЗВЕЗД

Весьма странные снимки получили астрономы с космического телескопа «Хаббл». Астрономы пока не могут понять, что же запечатлело их детище: то ли солнцеподобную звезду, находящуюся в стадии агонии, то ли две стареющие звезды, притворяющиеся одной молодой. В любом случае, чем бы ни оказался объект на фотографии, он «не укладывается» ни в одну из общепринятых схем классификации космических объектов.

Объект Не2-90 выглядит как молодая, окутанная пылевым облаком звезда с двумя узкими полосами, по-видимому, выбрасываемого из звезды вещества. Каждая полоса состоит как минимум из шести ярких областей – газовых скоплений, разлетающихся со скоростью около 600 000 км/ч. Судя по расстоянию между ними, газовые облака выбрасывались в пространство примерно каждые сто лет.

Картина типична для молодых звезд, но астрономы все же считают, что на фотографии запечатлены две умирающие звезды, кажущиеся одной молодой. По их мнению, одной из звезд может быть красный гигант, сбрасывающий вещество из своих внешних слоев. Затем выброшенный вовне газ закручивается силой тяготения меньшей звезды, скорее всего, белого карлика – солнцеподобной звезды на завершающих стадиях своего жизненного цикла.

Окончательно вопрос о классификации объекта Не2-90 пока не решен. Астрономы собираются тщательно изучить его и лишь затем вынести окончательный приговор.

ПУТЕШЕСТВИЕ К ЦЕНТРУ ГАЛАКТИКИ

Что происходит в центре галактик? Этот вопрос исследуют многие астрофизики. С. Б. Попов предоставил расчеты, проведенные в Государственном астрономическом институте им. П. К. Штернберга (г. Москва).

Активность ядер галактик является в течение последних 50 лет объектом пристального внимания. Существует три основных гипотезы о природе этой активности: сверх-массивное плазменное тело, черная дыра и плотное звездное скопление. Первая из этих гипотез сталкивается со значительными трудностями и в настоящее время не пользуется большой популярностью. По всей видимости, обе оставшиеся гипотезы верны, и активность различных типов ядер галактик связана со сверхмассивными черными дырами или со звездными скоплениями в их центрах.

Идея о том, что активность галактических ядер может объясняться существованием плотных звездных скоплений, появилась давно. Общий анализ эволюции таких скоплений был проведен еще в 70-е годы прошлого века Пиблсом, Бегельманом и Рисом, которые вообще внесли очень большой вклад в исследование галактик с активными ядрами.

Свою роль в энерговыделение могут вносить неупругие столкновения звезд и вспышки сверхновых, а также гиперновые, возникающие при пролете нейтронных звезд сквозь нормальную звезду. Выбросы вещества – это типичное проявление активности не только в мире галактик, но и в мире звезд и их систем.

При особой плотности в центре галактики образуется единый сверхмассивный объект. Если он обладает значительным вращением, то через некоторое время превращается в диск. Такие объекты называют магнитоидами, спинарамиили просто сверхмассивными звездами.Эти термины появились в обиходе астрономов в конце 60-х годов. Сверхмассивные звезды как объяснение природы выделения энергии в центральных областях активных галактик появились в работе Фаулера, магнетоиды – в работе Озерного и Чертопруда, спинары – в работах Кавальери, Моррисона и Пачини.

Считается, что модель сверхмассивной звезды имеет право на существование как предшественник сверхмассивной черной дыры. Спинары должны обладать твердотельным вращением, что связано с их магнитным полем, а также излучать много энергии в ультрафиолете, что плохо согласуется с наблюдаемым распределением энергии в спектрах активных ядер.

Наиболее популярная гипотеза – о наличии в центре галактики сверхмассивной черной дыры, но она требует объяснения активности галактик самых разных типов в рамках единой модели. Эта идея появилась в 1964 г. в работах Солпитера и Зельдовича. Переменными параметрами в основном являются параметры окружающего газа и масса черной дыры (а в большинстве случаев только масса). В ее рамках удается объяснить все наиболее существенные свойства активных ядер, включая спектр и образование струй.

Центральным объектом нашей Галактики считается объект SgrA*, совпадающий с динамическим центром Галактики. Это уникальный точечный радиоисточник с плоским спектром. Именно в нем может находиться сверхмассивная черная дыра.

SgrA* расположен в центре спиральной газовой структуры SgrAWest. Гипотеза существования сверхмассивной черной дыры с массой в центре Галактики сталкивается с рядом трудностей. В первую очередь, не наблюдается сколько-нибудь значительного жесткого излучения от объекта SgrA*, динамического центра Галактики. А ведь спрятать такого «зверя», как сверхмассивная черная дыра, очень нелегко! Аккрецируя межзвездный газ (а также звездный ветер от звездного скопления IRS 16), черная дыра должна была бы интенсивно излучать в рентгеновском диапазоне, чего не наблюдается. Кроме того, приливное воздействие такого объекта препятствовало бы звездообразованию в центральной области Галактики. А также существует труднообъяснимое в рамках гипотезы о существовании черной дыры различие в расположении скопления IRS 16 и объекта SgrA*.

Существует ряд работ по моделированию последствий вспышки звездообразования в центре Галактики. Многие проявления активности в этой области удается объяснить исходя из этой модели. То, что в центре нашей Галактики идет звездообразование, является наблюдательным фактом. Зарегистрировано большое количество крайне молодых объектов. Одним из последних сообщений на эту тему является работа американских наблюдателей, в которой сообщается об открытии звезды Вольфа – Райе на расстоянии 0,5 пк от галактического центра.

Если в районе галактического центра идет процесс звездообразования, то можно построить его модель и посмотреть, совпадают ли предсказания модели с наблюдениями.

ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ

Большая часть звезд, как следует из наблюдений, входит в состав двойных и кратных систем, что, по-видимому, является важной особенностью процесса звездообразования. Особенно ясно необходимость учета двойных звезд в эволюционных сценариях была осознана в конце 60-х – начале 70-х, когда были открыты первые двойные рентгеновские источники и нейтронные звезды (пульсары).

Эволюция звезд в тесной двойной системе (ТДС) сильно отличается от эволюции одиночной звезды. В процессе эволюции ТДС происходит (возможно, неоднократное) перетекание вещества от одного компонента к другому, что может качественно изменить их эволюционный статус. Примером этого служит Алголь, известная двойная звезда в созвездии Персея (парадокс Алгопя).Образование большинства двойных рентгеновских источников, двойных и миллисекундных радиопульсаров, пар черная дыра + пульсар было бы невозможно без обмена веществом, так как при взрыве более массивной (и быстрее эволюционирующей) звезды система распалась бы.

Как астрономы добывают знания о сверхдальних объектах?

Сотрудники отдела Релятивистской астрофизики Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга разработали модель эволюции ТДС. В компьютере «рождаются» двойные звезды, которые затем живут pi видоизменяются согласно заданным законам.

Реально существует множество различных типов двойных систем, и при моделировании можно следить за системами всех этих типов. Рассматривается промежуток времени от 0 до 10 млн лет, а за такой период не все типы двойных систем успевают сформироваться. Но при этом трудно рассчитывать на появление редких, экзотических источников, а если бы они и появились в расчетах, то результат был бы неустойчив из-за своей малой статистической значимости (вспомните бросание монетки).

Если система состоит из черной дыры и сверхгиганта, не заполняющего свою полость Роша (т. е. если его вещество не перетекает в быстром темпе на черную дыру), то мы будем называть такую систему источником типа Cyg X-1 в Лебеде – наиболее известного представителя этого типа, являющегося одним из лучших кандидатов в черные дыры, наравне с рентгеновскими новыми. Аккреция в такой системе идет из звездного ветра, и рентгеновская светимость может достигать значительной величины, но не слишком близкой к критической.

Если на компактный объект падает больше вещества, чем он может «проглотить», то из-за давления излучения часть падающего газа будет отбрасываться обратно. Сверхаккрецирующие черные дыры могут иметь наблюдательные проявления в виде струй ( джетов), а в центре Галактики как раз наблюдаются кандидаты в черные дыры, обладающие струйными истечениями вещества. Также можно рассмотреть системы, состоящие из черной дыры и звезды главной последовательности (ЧД + ГП).

В первые несколько миллионов лет «прародители» нейтронных звезд еще не успели проэволюционировать. Время жизни некоторых систем может быть невелико, и такие источники быстро вымирают. Таким образом, наши предки миллионы лет назад имели куда большие шансы обнаружить черные дыры в центральной области Галактики. К счастью (или к сожалению?), они предоставили это нам. Сейчас может быть всего несколько систем такого типа. Согласно расчетам, на 7 млн лет существует всего несколько таких систем.

Ученым удалось сравнить предсказания модели с наблюдениями. Наиболее ценные данные о рентгеновских источниках в центре Галактики дали наблюдения со спутника «Гранат». У кандидатов в черные дыры, источников 1Е 1740.7-2942 («Великий Аннигилятор») и GRS 1758-258, в радиодиапазоне наблюдаются джеты. На временном масштабе порядка месяцев поток жесткого рентгеновского излучения от этих объектов изменяется в десятки раз.

ТАК ЧТО ЖЕ ПРОИСХОДИТ В ЦЕНТРЕ ГАЛАКТИКИ?

Основной вывод таков: наблюдаемое количество и пространственное распределение рентгеновских источников в центральной области Галактики не противоречат гипотезе о вспышке звездообразования, происшедшей около 7 млн лет назад.

В дальнейшем было бы интересно проследить эволюцию некоторых других типов объектов, особенно одиночных черных дыр и нейтронных звезд, аккрецирующих вещество межзвездной среды. Такие объекты могут наблюдаться на расстоянии центра Галактики современными спутниками лишь при очень малой скорости релятивистского объекта относительно межзвездной среды (порядка 10 км/с), что маловероятно. Однако одиночные нейтронные звезды могут быть периодическими источниками с большей светимостью в случае накопления вещества на магнитосфере.

Моделирование эволюции тесных двойных систем дает возможность не только оценки изменения количества рентгеновских источников в галактиках с течением времени и суммарной рентгеновской светимости галактик, но и позволяет рассмотреть более локальные события, такие как вспышки звездообразования. Особое место также занимают галактики со вспышкой звездообразования в ядерной области. Сейчас популярна гипотеза, что на протяжении миллиардов лет эти галактики испытывают короткие вспышки бурного звездообразования в своих центральных областях.

Итак, по всей видимости, несколько миллионов лет назад в центре нашей Галактики произошла мощная вспышка звездообразования, результатом которой являются, в частности, наблюдаемые в этой области рентгеновские источники.

Аномальная звезда

Изучая химический состав формирующегося планетарного диска вокруг звезды Бета Живописца, американские астрономы обнаружили в нем аномально высокое содержание углерода – элемента, составляющего основу жизни на Земле. По словам сотрудницы Лаборатории экзопланет и звездной астрофизики НАСА (ExoPlanets and Stellar Astrophysics Laboratory) доктора Аки Роберге (Aki Roberge), руководившей исследовательской группой, «… поиск планетарных систем, формировавшихся так же, как наша, много лет заботит ученых. Но то, что нашли мы, оказалось большим сюрпризом: вокруг этой звезды углерода больше, чем можно было ожидать. Там происходит что-то необычное».

Бета Живописца – звезда в возрасте от 8 до 20 млн лет. В спектрах далекой звездной системы были зафиксированы также неоднородности, которые позволяют сделать выводы о наличии планет. Выяснилось, что в веществе звезды много ионизированного углерода. Исходя из этого можно предположить, что планеты вокруг Бета Живописца сильно отличаются от объектов Солнечной системы. Например, их атмосфера должна быть богата метаном (как на Титане), а в астероидах и кометах ожидается высокое содержание графита и органических соединений. Более того, другая участница исследования – Алисия Вейнбергер (Alycia J. Weinberger) – уверена, что там существуют холодные планеты и с них испаряется метан (в состав которого входит углерод), что и создает такую картину.

Там, где взорвалась сверхновая

На расстоянии 10 тыс. световых лет в созвездии Наугольника астрономы. обнаружили объект, аналогов которому еще не наблюдали. На первый взгляд, это обычная нейтронная звезда. Но, как говорит руководитель исследования Андреа де Люка (Andrea De Luca) из миланского Национального астрофизического института (Istituto Nazionale di Astrofisica), проблема в том, что этот относительно молодой объект ведет себя так, будто ему уже несколько миллионов лет. Туманность RCW103, в которой находится странный объект, известна более 25 лет.

Объект назвали 1Е 161348-5055.

Ученые, возможно, ничего необычного и не заметили бы, но наблюдение, проведенное с помощью гамма-телескопа «ХММ-Newton», показало, что рентгеновское излучение объекта – небольшой голубоватой точки в центре – меняется с периодичностью в 6,7 ч, т. е. в десятки тысяч раз медленнее, чем это должно происходить у недавно возникшей нейтронной звезды. Это тем более удивительно, что возраст объекта порядка двух тысяч лет, но он ведет себя так, как ведут себя нейтронные звезды, которым уже миллионы.

Пытаясь разгадать причину необычного поведения 1Е 161348-5055, ученые выдвинули ряд гипотез. Одна предполагает, что это магнетар,окруженный диском из вещества, тормозящего вращение. Известные магнетары по сравнению с нейтронными звездами пульсируют с меньшими периодами – несколько раз в минуту, но все же это намного быстрее, чем пульсация 1Е. Другая версия заключается в том, что 1Е – часть двойной системы с обычной, но очень маленькой звездой с массой около половины солнечной, которая и замедляет вращение. Но и эта версия не может быть принята окончательно: такие рентгеновские системы, конечно, уже известны, но их возраст, как правило, больше, чем у 1Е, в миллионы раз.

Объект оказался настолько загадочным, что один из участников исследования Джованни Бигнами (Giovanni Bignami) из Центра изучения космических излучений (Centre d’Etude Spatiale des Rayonnements) признался: «Чтобы понять это явление, нам нужно еще многое узнать о сверхновых, нейтронных звездах и их эволюции».