Текст книги "Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках"

Автор книги: Лев Мухин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 17 страниц)

Ряд дополнительных интересных эффектов возникнет в случае с вращающейся черной дырой. Дело в том, что Шварцшильд получил свое решение для неподвижной черной дыры, а в природе, по всей видимости, этот случай не должен иметь места вообще. Ведь нейтронные звезды вращаются очень быстро, а поскольку и нейтронные звезды, и черные дыры – продукт эволюции массивных звезд, черные дыры также должны иметь собственное вращение.

Вообще говоря, скорость вращения и масса полностью определяют свойства черной дыры. Есть еще, правда, электрический заряд, но все-таки большинство объектов во Вселенной можно считать электрически нейтральными, и поэтому главные параметры черных дыр – масса и вращение. Никакое другое свойство вещества, участвующего в образовании черной дыры, не передается ей «в наследство».

Если, к примеру, нам надо рассказать о Земле, мы должны знать ее форму, размеры, плотность, движение, параметры ее недр, поверхности, атмосферы. Черная дыра в этом смысле намного проще. Зная лишь ее массу и вращение, мы можем описать достаточно строго почти все ее свойства и характеристики. Я специально использовал здесь слово «почти», поскольку проблема сингулярности продолжает и, видимо, еще долгие годы будет продолжать как дамоклов меч висеть над всей современной физикой.

Итак, если черная дыра вращается, мы сталкиваемся с целым рядом новых ситуаций. Основное свойство вращающейся дыры состоит в том, что вокруг нее образуется область пространства-времени с весьма необычными свойствами, называемая эргосферой. Эта область ограничена воображаемой поверхностью, которая называется пределом стационарности. Между горизонтом событий и пределом станционарности ничто не может оставаться в покое, там само пространство-время как бы закручивается вокруг оси вращения черной дыры.

Лучи света, попавшие в эргосферу, даже если они шли по направлению к центру дыры, также будут крутиться там, хотя, впрочем, они могут и покинуть эту область. Космический корабль, залетевший в эргосферу, тоже может покинуть ее, но ничто не может внутри эргосферы быть неподвижным.

Экватор предела стационарности вращающейся черной дыры имеет одинаковый диаметр с горизонтом событий невращающейся черной дыры той же массы. Процесс вращения дыры приводит к одной удивительной возможности, на которую впервые обратил внимание английский физик-теоретик Р. Пенроуз в 1969 году. Он доказал, что из эргосферы черной дыры можно черпать энергию.

Если какое-то тело попадает в эргосферу и разделяется там на две части таким образом, что одна из них будет двигаться к горизонту событий, а другая в противоположную сторону, то эта вторая часть будет подхвачена гравитационным вихрем эргосферы и выброшена с огромной скоростью из нее. Заметим, что энергия осколка будет превышать первоначальную энергию исходного тела.

Поскольку законы сохранения вещь незыблемая, должна уменьшаться общая энергия дыры. Ясно, что из самой дыры мы ничего извлечь не можем, по определению, а следовательно, энергия черпается из эргосферы за счет уменьшения энергии вращения дыры, замедления вращения.

Оценки показывают, что если бы можно было построить машину, использующую в качестве источника энергии эргосферу черной дыры, то такая машина от момента ее пуска до остановки (прекращения вращения дыры) дала бы количество энергии, равное примерно тридцати процентам первоначальной массы – энергии вращающейся дыры. Это огромная величина, поскольку термоядерные реакции могут превратить в энергию лишь один процент массы вещества.

Таким образом вращающиеся черные дыры могут быть в принципе самыми мощными источниками энергии во Вселенной.

Можно представить себе и такую фантастическую картину. Облучая потоком электромагнитного излучения вращающуюся черную дыру, при определенных условиях мы можем заставить ее работать как гигантский усилитель, который будет выдавать из эргосферы поток гораздо более интенсивный, чем тот, который падал на черную дыру. Это явление названо суперрадиацией.

Если теперь окружить дыру искусственной сферой, то усиленные волны будут отражаться от поверхности сферы, попадать в эргосферу дыры, усиливаться, вновь отражаться и т. д. Если сфера сплошная, то такое устройство будет работать как накопитель энергии, и рано или поздно энергия излучения внутри сферы разорвет ее. Такая – к счастью, чисто умозрительная – конструкция получила название гравитационной бомбы. Мы видим теперь, что слово «эргосфера» (от греческого слова «эргон» – работа) действительно имеет глубокий смысл, из нее (из эргосферы) можно черпать энергию.

Мощнейшим источником энергии может быть и гравитационное поле невращающейся дыры. К примеру, газопылевые облака, падая на черную дыру, друг с другом будут сталкиваться еще до того, как дыра поглотит их. В процессе столкновения они будут нагреваться до очень высоких температур и излучать огромное количество энергии задолго до того, как исчезнут за горизонтом событий. Кстати говоря, именно подобные процессы и лежат в основе возможности наблюдения черных дыр.

Но что же все-таки происходит под горизонтом событий? Человек не был бы человеком, если бы не попытался ответить на этот вопрос.

Таких попыток за последние годы было сделано немало. И, конечно же, все они сталкивались с барьером сингулярности. Заметим, что при обсуждении проблемы сингулярности появился так называемый принцип космической цензуры, согласно которому любая сингулярность всегда образуется только в пределах горизонта событий: голых сингулярностей быть не может. Многие ученые рассматривали вращающиеся черные дыры как своеобразные перемычки между различными Вселенными. Они, эти перемычки, могли бы в принципе дать возможность путешествий в другие миры. Именно таким образом предполагалось осуществить связь с иными цивилизациями.

Более того, высказывались мысли об использовании черных дыр для путешествий во времени. Но в последние годы все чаще и чаще высказываются сомнения по поводу использования дыр как «транспортного» средства.

Полностью надежды по поводу этих фантастических возможностей не исчезли. Они основываются на том, что нет еще окончательной ясности, что же на самом деле происходит внутри вращающейся черной дыры. Пока ясно лишь одно: дыры звездной массы полностью непригодны для любых путешествий чисто по техническим причинам.

Представим себе космический корабль, приближающийся к черной дыре. Пусть все неприятности и опасности путешествия в космосе позади и осталось лишь пересечь горизонт событий. Но и для космонавтов и для корабля эта задача может оказаться неразрешимой. В каком смысле? На космонавтов начнут действовать приливные гравитационные силы. Действие этих сил проявится в том, что силы гравитации различны вверху и внизу корабля. Те участки космического корабля, которые расположены ближе к горизонту событий, подвергнутся большей силе притяжения, чем части корабля, расположенные подальше. Эти приливные силы могут просто-напросто уничтожить, разорвать на части и корабль, и космонавтов в нем.

Заметим, что приливные силы действуют и на космонавта, летящего по околоземной орбите, но в этом случае они ничтожны. А вот если наш корабль будет приближаться к дыре с массой в 10 солнечных масс, то космонавт будет чувствовать себя так, как если бы он повис, уцепившись за перила на мосту, а за ноги его тянет вниз все население большого города.

Но если дыра будет более массивной, то космический корабль может безболезненно пересечь горизонт событий. Так, при встрече с черной дырой в 100 миллионов солнечных масс приливные эффекты практически не будут замечены экипажем. Но это вряд ли спасет их от последующей гибели, поскольку все равно рано или поздно, находясь внутри черной дыры, корабль устремится к сингулярности.

Ситуация здесь не кажется, впрочем, особенно трагичной, поскольку, наверное, скорее физики разберутся до конца с природой сингулярности и выдадут соответствующие рецепты, чем уровень техники позволит реализовать полет к сверхмассивным черным дырам (центр Галактики!). Поэтому исследование черных дыр еще долгое время будет прерогативой теоретической физики.

Но и здесь на листках бумаги рождаются поистине удивительные вещи. Наиболее поразительный эффект в поведении черных дыр был открыт в 1973 году профессором кафедры математики Кембриджского университета С. Хокингом. Эту должность до него занимали такие корифеи науки, как Ньютон и Дирак. Хокинг, один из крупнейших физиков-теоретиков нашего времени, заинтересовался вопросом об эволюции черных дыр.

На первый взгляд подобный вопрос может показаться бессмысленным. Действительно, как может эволюционировать гравитационная могила? Для нее ведь нет вопроса об устойчивости конфигурации. Все исчезает под горизонтом, все черные дыры равной массы и с равным угловым моментом абсолютно одинаковы («черные дыры не имеют волос»). И все они являются вечными поглотителями материи.

Все это так, за исключением одной тонкости. Оказалось, что черные дыры не вечны. Но, чтобы открыть это поразительное свойство черных дыр, вернее, предсказать его, этой задачей должен был заняться великий физик. Здесь, как никогда, уместно выражение Пушкина «…гений, парадоксов друг». Черными дырами занималось много крупных физиков, но самое неожиданное и блестящее открытие оказалось под силу Хокингу, которому в ту пору не было еще 30 лет.

Посмотрим, какое представление сформировалось в физике о черных дырах к началу 70-х годов.

Если черная дыра сформировалась, то никакое материальное тело, никакие сигналы, достигшие горизонта событий, не смогут выйти обратно. Черная дыра – область пространства, подвергшаяся гравитационному самозамыканию, невидима для внешнего наблюдателя. Единственный путь для обнаружения черных дыр – изучение их взаимодействия с окружающей материей. Образовавшаяся дыра должна существовать вечно, она вечно поглощает массу энергии, лишь увеличивая свои размеры и массу. Кстати, именно Хокинг проделал важные работы по изучению процесса слияния черных дыр. Он показал, что площадь горизонта событий при этом может только увеличиваться.

Казалось бы, все говорило о том, что черные дыры – один из самых стабильных объектов во Вселенной. Этот вывод абсолютно верен в рамках классических теорий. Но сделан этот вывод на основании предсказаний ОТО, а ОТО, как мы знаем, классическая физическая теория. Хокинг же исследовал квантовые эффекты поведения частиц вблизи горизонта событий, и именно этот новый подход позволил ему сделать выдающееся открытие.

Пример квантового процесса, имеющего прямое отношение к вопросу, который мы сейчас обсуждаем, хорошо известен. Это так называемый туннельный эффект. Альфа-частица, вылетающая из ядра атома при его радиоактивном распаде, с точки зрения классической теории, не может вылететь из ядра – ее кинетическая энергия меньше потенциальной энергии связи в ядре. Однако частица вылетает, и это противоречие решается именно с помощью законов квантовой механики.

Согласно этим законам частица имеет вполне определенную отличную от нуля вероятность преодолеть потенциальный барьер, пройти как бы сквозь него. Поэтому такие переходы называются туннельными.

Ну а теперь нам осталось разобраться в том, как рождаются частицы вблизи горизонта событий черной дыры. Собственно говоря, «спонтанное» рождение частиц для современной квантовой физики процесс неновый. Например, очень сильное электрическое поле в вакууме может вызвать рождение электрона и позитрона.

Суть открытия Хокинга состоит в том, что чудовищное гравитационное поле черной дыры также рождает частицы и античастицы. Иногда частица и античастица падают обратно в черную дыру, но возможен случай, когда в дыру попадает лишь один партнер, а другой покидает окрестность черной дыры с помощью туннельного эффекта.

Ясно, что для рождения пары должна быть затрачена энергия. Хокинг строго доказал, что весь этот процесс может и должен идти за счет уменьшения массы черной дыры, ее испарения. Ну а если происходит процесс испарения, пусть даже квантового испарения, то можно сказать, что тело имеет некоторую температуру. Хокинг вычислил значение температуры черных дыр, и оказалось, что чем больше масса черной дыры, тем меньше ее температура. Другими словами, чем массивнее дыра, тем меньше темп потери ею массы. Так, черная дыра с массой, равной массе Солнца, будет иметь температуру менее одной миллионной градуса, а испарится она полностью за 10⁶⁴ лет! Поразительный вывод!

Согласно классической теории и вещество, и энергия бесконтрольно и необратимо исчезали из нашего мира в бесконечных колодцах гравитационных могил – черных дыр. Квантовая физика описала все процессы с точностью «до наоборот». Наша книга не перегружена формулами, и поэтому давайте посмотрим на простые соотношения, определяющие температуру черных дыр и время их испарения. Итак,

Τ = M/M · 10^–7 K

τ_исп = 10^–35 · M³ лет.

Здесь M, как обычно, масса Солнца, M – масса черной дыры в единицах массы Солнца, а во второй формуле массу черной дыры нужно выражать в граммах.

Уже первый взгляд на эти соотношения вызывает ощущение недоумения. Ведь достаточно горячими могут быть лишь дыры с массой, существенно меньше массы Солнца. Так, чтобы дыра имела температуру всего лишь в 1 К, она должна быть легче Земли. А ведь мы говорили о том, что лишь массивные звезды могут превратиться в черные дыры. В чем же здесь дело?

Значение открытия Хокинга состоит не только в том, что он опроверг устоявшееся представление о вечности черных дыр. Еще до появления в свет работы о квантовом испарении Хокинг показал, что в первые мгновения после Большого Взрыва флуктуации плотности могли привести к чудовищному сжатию сравнительно небольших объемов вещества. Следствием такого процесса должно было быть образование черных мини-дыр.

Подобные давления сейчас нельзя получить ни в одном процессе. Однако в те далекие времена у природы были широкие возможности. Чтобы ощутить грандиозность этих процессов, приведем следующий пример. Первичная черная дыра с массой в миллиард тонн имела бы размер, сравнимый с размером протона, а плотность, до которой должно было бы сжаться вещество, чтобы получить черную дыру, равнялась бы плотности вещества всех галактик наблюдаемой Вселенной, спрессованной в литровую банку! Температура ее составляла бы 100 миллиардов градусов, а мощность излучения – 6000 мегаватт.

Ясно, что чем горячее дыра тем быстрее она теряет массу. Самые маленькие первичные дыры должны были уже давно взорваться, а вот дыра с массой в миллиарды тонн будет испаряться примерно 10 миллиардов лет. Такие дыры должны взрываться в наше время. Конечная стадия испарения – взрыв – высвобождает огромное количество энергии равное взрыву десяти миллионов мегатонных водородных бомб.

Таким образом, если бы и удалось создать искусственно черную дыру для того, чтобы использовать ее как источник энергии, это было бы чрезвычайно опасной затеей. Трудно представить себе, чтобы источник энергии с мощностью, равной мощности нескольких крупных электростанции, имел бы размеры, сравнимые с размером протона! Если черные дыры звездной массы существуют, именно они произведут космический салют гибнущей Вселенной (в случае ее неограниченного расширения) через огромный, недоступный воображению промежуток времени. Их взрывы и ознаменуют собой превращение последних островков материи в излучение.

Идея черных мини-дыр настолько привлекательна, что с ее помощью пытались объяснить даже, казалось бы, такое далекое от релятивистской астрофизики событие, как падение Тунгусского метеорита. В свое время была опубликована работа, где утверждалось, что катаклизм в районе Подкаменной Тунгуски произошел в результате столкновения мини-дыры с Землей! Идея эта, конечно же, чересчур экстравагантна, но она, по всей видимости, все-таки «уступает» идеям связанным с взрывом в атмосфере Земли космического корабля пришельцев.

Все, о чем мы говорили сейчас, относится к области теоретической астрофизики. Но найдены ли черные дыры в природе?

Эти вопросы стоят сегодня с особенной остротой на повестке дня. Ведь черные дыры настолько часто привлекаются для объяснения различных явлений в космосе, что они – настоящий якорь спасения современной астрофизики. Более того, их отсутствие просто выбило бы почву из-под ног всей астрономии. Но как их искать?

Светящееся вещество в окрестностях черной дыры.

Если черная дыра представляет собой одиночный объект, ее практически невозможно заметить. Лишь в том случае, если она работает как гравитационная линза, мы могли бы сделать кое-какие выводы. Но пока, к сожалению, на роль гравитационных линз претендуют лишь массивные галактики.

Наиболее реальный способ обнаружения черных дыр – исследование их взаимодействия с окружающей материей. Понятно, что такое взаимодействие будет наиболее выпукло проявляться в двойных системах.

Вообще говоря, более половины звезд нашей Галактики входят в состав двойных систем. Поэтому вполне реально предположение о существовании двойных систем, содержащих в качестве одного из компаньонов черную дыру. Астрономы поначалу пытались определить наличие черной дыры в двойных системах по особенностям движения видимого компонента, но в результате всегда оказывалось, что второй компонент в системе белый карлик или нейтронная звезда. Поэтому-то наиболее обещающий метод – поиск активности черных дыр, которая проявляется во взаимодействии ее с веществом.

Мы уже говорили об аккреции вещества на нейтронную звезду, на белый карлик, на черную дыру, читатель знает, что это такое. Тем не менее вкратце напомним основные особенности этого процесса.

Пусть в состав двойной системы входит обычная звезда главной последовательности и черная дыра. Она будет перетягивать на себя вещество видимого компонента. Из-за вращения этих звезд вокруг общего центра тяжести это вещество не будет падать на дыру «по прямой», а образует аккреционный диск. На внешнем краю диска температура газа сравнительно невелика, порядка температуры самой звезды. Но по мере приближения частичек газа к горизонту событий температура за счет трения при вращении диска значительно повышается, достигая десятков миллионов градусов. Оценки показывают, что в таком процессе выделяется огромное количество энергии – до 10 процентов от mc².

Нагретый до чудовищных температур газ излучает в рентгеновском диапазоне, и поэтому советские ученые Я. Зельдович, И. Новиков, И. Шкловский предложили в 1966–1967 годах искать рентгеновские источники в составе тесных двойных систем. Ясно, что характеристики таких источников должны отличаться от рентгеновского излучения вращающейся нейтронной звезды, входящей в состав двойной системы. Такая звезда, как мы уже знаем, дает узконаправленное рентгеновское излучение прожекторного типа с изменяющимся периодом.

В 1970 году спутник «Ухуру» обнаружил на небе мощный источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя. Источник этот получил название Лебедь Χ-1. Мощность его излучения в рентгеновском диапазоне в тысячи раз превосходила полную (по всему диапазону волн) светимость Солнца. В следующем, 1971 году удалось выяснить, что этот источник совпадает с горячим голубым сверхгигантом НДЕ 226868. Но выяснилось, что объект НДЕ 226868 – двойная звезда, а голубой сверхгигант имеет невидимого компаньона. Мы знаем, что именно двойные системы представляют уникальную возможность взвешивания звезд. И вот оказалось, что невидимый компаньон голубого сверхгиганта весит примерно 8–11 солнечных масс. Эта величина существенно превышает предел устойчивости и белых карликов, и нейтронных звезд. Очень важно, что все характеристики излучения Лебедя Χ-1 резко отличаются от рентгеновского излучения пульсаров.

Таким образом, мы имеем на сегодня два существенных аргумента в пользу присутствия в созвездии Лебедя черной дыры.

Первый аргумент состоит в том, что в состав объекта НДЕ 226868 входит невидимый компаньон с массой, превышающей как чандрасекаровский предел, так и предел устойчивости нейтронных звезд.

Второе соображение касается характеристик излучения Лебедя Χ-1. Интересно, что оценки дают значение внутренних размеров диска примерно 200 километров, а сама черная дыра оказывается размером около 30 километров.

Итак, можно с большой степенью вероятности считать, что в источнике Лебедь Χ-1, на расстоянии 8 тысяч световых лет от Солнца, есть черная дыра. Правда, предполагались и другие возможности для объяснения феномена Лебедя Χ-1; например, модель тройной звездной системы, в состав которой входит нейтронная звезда, окруженная аккреционным диском. Однако периодические эффекты, неизбежные для тройной системы, не были замечены.

Кроме Лебедя Χ-1, есть и другие кандидаты в черные дыры. Это рентгеновский источник Циркуль Χ-1, находящийся от нас на расстоянии 25 тысяч световых лет. Это, наконец, знаменитый объект SS 433, на котором следует остановиться несколько подробнее.

Мощный источник радиоизлучения, расположенный вблизи центра остатка взрыва сверхновой, был обнаружен в 1978 году. Источник излучал и в рентгене. Вслед за этим было установлено, что пары спектральных линий на фоне неподвижных линий излучения этого источника перемещаются вправо и влево с периодом 164 дня. Когда были проделаны оценки скорости вещества на основании эффекта Доплера, оказалось, что значение скорости газа огромно, до 50 тысяч км/сек. Некоторые ученые предполагают, что в состав этого объекта также входит черная дыра, компаньоном которой является белый карлик.

Делались предположения о том, что даже наше Солнце входит в состав двойной системы. Компаньоном Солнца может быть нейтронная звезда с массой в 1 M, на расстоянии 800 астрономических единиц, или черная дыра с массой 150 M, на расстоянии 90 тысяч астрономических единиц.

Однако эта модель содержит слишком много косвенных допущений и скорее всего может служить хорошим примером неудержимого стремления ученого выдать желаемое за действительное.

Итак по-видимому, лишь Лебедь Χ-1, Циркуль Χ-1 да, возможно, SS 433 на сегодняшний день – наиболее вероятные кандидаты на присутствие черных дыр.

Солнце

Настольные солнечные часы. Середина XVIII века.

Желтый карлик

Когда мы говорим о звездах, прежде всего у нас возникает ассоциация с ночным небом, усеянным россыпями огней. Гигантские расстояния до звезд, измеряемые тысячами световых лет, завораживают разум человека. Мы уже привыкли ставить рядом со словом «звезды» слово «далекие». А между тем не надо забывать, что самая настоящая звезда находится буквально в «шаге» от нас. Правда, шаг этот астрономический, и равен он все-таки 150 миллионам километров.

Речь, как нетрудно догадаться, идет о нашем Солнце. Нет, наверное, другого небесного светила, которому поэзия уделяла бы столько внимания. А в то же время с точки зрения астрофизика наше Солнце ничем не выделяется среди 10¹¹ звезд Галактики и примерно 10²⁰ звезд главной последовательности в доступной наблюдениям Вселенной.

Типичная звезда спектрального типа G2 имеет, пожалуй, лишь одну немаловажную особенность: в планетной системе этой звезды на третьей планете есть жизнь. И возможность существования этой жизни, и закономерность ее развития полностью зависят от Солнца. Вполне естественно, что заинтересованная сторона пытается понять его природу и происходящие на нем явления.

Исследование Солнца обусловлено не только прикладным интересом к нему. Изучая эту звезду, мы открываем тем самым страницу в исследовании самых общих астрофизических процессов. Достаточно вспомнить проблему генерации ядерной энергии в звездах, которая была решена лишь потому, что перед астрономами и физиками стоял вопрос о причине светимости Солнца.

Но следует помнить о том, что основные успехи в исследовании Солнца были достигнуты сравнительно недавно. В течение тысячелетий люди занимались главным образом наблюдениями за положением Солнца на небе, за его движением по небесному своду. Некоторые просвещенные мыслители древности полагали даже, что и Солнце и Луна каждый вечер потухают, а на следующий день их заменяют новые солнца и луны. Считалось также, что Солнце – прозрачный, как стекло, шар, получающий тепло и свет от некоего центрального огня «хестиа» и от огня, находящегося за пределами небесной сферы.

Постепенно в древности сформировалось представление о том, что наше Солнце – «око мира» – небесное тело, состоящее из чистого света и огня. Эта точка зрения была поколеблена в XVII веке, когда телескопы обнаружили пятна на Солнце. Сначала их сравнивали со шлаками, по аналогии с расплавленным металлом, но затем постепенно стали появляться идеи о темном теле Солнца, окруженном океаном огня. Здесь тоже проводилась аналогия, но уже с Землей, окруженной океаном воды. В этой аналогии пятнам отводилась роль гор, возвышающихся над огненным океаном.

Однако более детальное изучение структуры пятен заставило астрономов отказаться от этой мысли. Пятна стали считать дырками в яркой оболочке, через которые можно видеть темную поверхность Солнца.

Поразительно, что великий Гершель в 1795 году предположил, будто Солнце является обителью живых существ. Огненный океан расположен над ними, а плотный слой облаков защищает жителей Солнца от жары. В качестве аргумента против того, что жар может уничтожить жизнь на Солнце, Гершель указывал на понижение температуры в горах на Земле, то есть в областях поверхности, расположенных ближе к Солнцу. Гершель писал: «…оно (Солнце. – Л. М.), весьма вероятно, так же как и остальные планеты, населено живыми существами, органы которых приспособлены к особым условиям этого обширного небесного тела».

Замечательно, что столь наивные, на наш взгляд, представления продержались в умах людей до второй половины XIX века, то есть до тех пор, когда появилось учение об энергии. Это является ярким свидетельством того, насколько физика отставала в те времена от наблюдательной астрономии.

Лишь появление спектрального анализа дало возможность полностью пересмотреть представления о Солнце. Изучение фраунгоферовых линий солнечного спектра продемонстрировало поразительную вещь: эти линии совпадали с эмиссионными линиями многих элементов, присутствующих на Земле. Кирхгоф, измеривший положение фраунгоферовых линий поглощения в спектре Солнца, сделал абсолютно верное предположение о том, что химические элементы, встречающиеся на Земле, есть и в атмосфере Солнца. Таким образом, спектральный анализ предоставил казавшуюся еще недавно совершенно невероятной возможность установить химический состав далеких небесных тел.

Определение положения в открытом море с помощью секстанта (по рисунку 1520 года).

Как не вспомнить здесь еще раз высказывание О. Конта, который говорил о полной невозможности узнать химический состав и температуру звезд.

Естественно, что новые открытия не могли не повлиять на представления об облике Солнца Очень интересно, как «видел» Солнце сам Кирхгоф. Он считал, что это раскаленный шар очень высокой температуры, окруженный более холодной атмосферой, в которой земные элементы присутствуют в газообразном состоянии. Солнечные пятна, по Кирхгофу, – облака в этой атмосфере.

Кирхгоф совершенно правильно говорил о том, что темный цвет пятен свидетельствует об их более низкой температуре. Не все ученые разделяли точку зрения Кирхгофа. Некоторые считали, что на месте солнечных пятен происходит истечение нагретого газа, который разрывает облачный покров.

Кстати говоря, к этому времени накопился огромный наблюдательный материал о солнечных пятнах. Основной вклад в этот материал был сделан, как мы уже говорили, аптекарем из Дессау Швабе. Сначала цель его наблюдений была совершенно иной: он хотел найти малую планету внутри орбиты Меркурия. И хотя никакой новой планеты открыть ему не удалось, имя его навсегда осталось в истории астрономии, поскольку именно он открыл, что количество пятен на Солнце меняется периодически. Как это случилось?

Сравнивая данные своих наблюдений за многие годы, Швабе обнаружил, что в 1828 и 1829 годах не было ни одного дня, когда Солнце было бы абсолютно чистым. И наоборот, в 1833 и 1843 годах в течение половины всех дней наблюдений на Солнце вообще не было пятен. За 1828 год Швабе наблюдал 225 пятен, а в 1833 году лишь 33. За 1837 год Швабе насчитал 333 пятна, а за 1843-й – только 34.

Швабе сделал заключение о том, что максимумы и минимумы повторялись примерно через 10 лет. Результат был проверен по историческим материалам, и вывод Швабе подтвердился. Свои результаты он опубликовал в 1851 году, и в этом же году появилось сообщение о том, что вариации магнитного поля Земли также имеют период в 10 лет, то же самое оказалось справедливым и для полярных сияний. Таким образом, связь процессов, происходящих на Солнце и на Земле, была установлена еще в прошлом столетии.

В эти же годы изучение положения пятен на Солнце и вращения самого Солнца позволило открыть очень интересное явление. Оказалось, что пятно, находящееся у экватора, двигается быстрее, чем пятно, находящееся на широте 45°. Если первое совершало оборот за 25 дней, то второе только за 27,5 дня. Именно таким образом был установлен и период вращения Солнца, и тот факт, что Солнце вращается дифференциально. К тому же это означало, что пятна никак не могут быть районами твердого тела Солнца.

Пятна на Солнце огромны. Некоторые из них превышают размеры земного шара. Они теснятся к экватору, избегая высоких широт Солнца. Пятна нередко располагаются симметрично относительно солнечного экватора. Кроме того, их положение зависит от солнечной активности. Если построить диаграмму зависимости широты пятен от времени, то получаются фигуры, напоминающие бабочек. По имени астронома, изучавшего солнечные пятна, эти фигуры получили название бабочек Д. Маундера.

Для изучения Солнца еще в XIX веке использовали фотографию, с помощью которой удалось установить, что пятна – самые дальние от нас образования, выше пятен расположены факелы. Видимую поверхность Солнца стали называть фотосферой (сферой света).

До середины XIX века было установлено, что фотосфера представляет собой отнюдь не сплошную поверхность. Эта видимая поверхность Солнца напоминает кипящую рисовую кашу. Иными словами, она имеет ячеистую, или гранулированную структуру. Астрономы многократно фотографировали эти структуры и назвали их гранулами.

В начале XX века в Пулковской обсерватории установили, что средняя продолжительность жизни отдельных гранул составляет примерно 5 минут. Затем гранула распадается, и на ее месте появляется новое образование такого же типа.