Текст книги "Новая занимательная астрономия"
Автор книги: Соломон Фенрир
сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 17 страниц)
В центре ли мы?
Итак, мы живем в расширяющейся Метагалактике и наблюдаем картину удаления окружающих нас галактик по всем направлениям. В связи с этим невольно может сложиться впечатление, что именно мы как раз находимся в центре расширения – неподвижной точке, от которой во все стороны разбегаются остальные звездные острова. Но такой случай плохо согласуется с теорией вероятностей и вызывает законное недоумение: почему именно мы?
И действительно, впечатление о нашем центральном положении в Метагалактике ошибочно. Приведем поясняющий пример, предложенный А. Л. Зельмановым.
Представим себе, например, что из одного места одновременно на совершенно прямое шоссе выезжает большое число автомашин и начинает движение в одну сторону с разными скоростями. Через некоторое время они, очевидно, расположатся друг относительно друга в соответствии со своими скоростями: те, что движутся быстрее, уйдут вперед, более медленные отстанут.
Рис. 15. Аналогия, поясняющая отсутствие центра расширения Метагалактики.
Теперь каждая впереди идущая машина будет, очевидно, двигаться с большей скоростью, чем следующая за ней. Представим себе наблюдателя, который находится в одной из средних машин и видит только остальные машины впереди и сзади. Тогда независимо от того, в какой из машин он едет, ему будет казаться, что именно он находится в центре расширения (растяжения) вереницы машин, так как все остальные машины, и передние и задние, будут от него удаляться: передние уходить все дальше и дальше, задние – все сильнее отставать.
Точно так же и метагалактическое красное смещение свидетельствует лишь об увеличении расстояний, отделяющих от нас и одну от другой другие галактики, но вовсе не о том, что именно мы находимся в центре. Если бы мы переместились в какую-либо иную галактику, нам стало бы казаться, что именно она является центральной.
В связи с расширением Метагалактики возникает еще один вопрос. Как известно, расстояние до той или иной галактики мы определяем по красному смещению с помощью закона Хаббла: чем больше красное смещение, тем дальше от нас галактика. Но ведь пока световой луч, испущенный галактикой, дошел до Земли, эта галактика должна была удалиться на еще большее расстояние. Мало того: в один и тот же момент мы принимаем световые лучи от различных галактик, испущенные в разные эпохи. Не запутывает ли это основательно всю картину строения Метагалактики?
Подобные опасения совершенно неосновательны по той простой причине, что теория учитывает эти обстоятельства. Она построена таким образом, что все расстояния автоматически пересчитываются и приводятся к одной и той же эпохе – эпохе наблюдения.
И еще один вопрос: почему красное смещение возрастает с расстоянием, другими словами, почему более далекие галактики удаляются с большими скоростями? Зависимость красного смещения от расстояния отнюдь не является следствием выброса галактик из некоторой первичной точки с разными скоростями. Расширение Метагалактики происходит таким образом, что скорость увеличения расстояния между двумя любыми точками пропорциональна величине этого расстояния. Это было окончательно установлено наблюдениями еще в 1929 г.
Вселенная в гамма-лучах
Как известно, на протяжении весьма длительного времени астрономия была чисто „оптической“ наукой. Человек изучал на небе то, что он видел – сперва невооруженным глазом, а затем с помощью телескопов. С развитием радиотехники родилась радиоастрономия, значительно расширившая наши знания о Вселенной. Наконец, в последние годы в результате появления космических средств исследования возникла возможность изучения и других электромагнитных вестников Вселенной – инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-излучений. Астрономия превратилась во всеволновую науку.
Одним из новых методов исследования космических объектов является рентгеновская астрономия. Несмотря на то, что этот метод сравнительно молод, в настоящее время Вселенную уже невозможно представить себе без тех данных, которые получены благодаря наблюдениям в рентгеновском диапазоне.
Пожалуй, еще более многообещающим источником космической информации являются гамма-излучения. Дело в том, что энергия гамма-квантов может в сотни тысяч и миллионы раз превосходить энергию фотонов видимого света. Для таких гамма-квантов Вселенная фактически прозрачна. Они распространяются практически прямолинейно, приходят к нам от весьма удаленных объектов и могут сообщить чрезвычайно ценные сведения о многих физических процессах, протекающих в космосе.
Особенно важную информацию гамма-кванты способны принести о необычных, экстремальных состояниях материи во Вселенной, а именно такие состояния интересуют современных астрофизиков в первую очередь. Так, например, гамма-излучение возникает при взаимодействии вещества и антивещества, а также там, где происходит рождение космических лучей – потоков частиц высоких энергий.
Главная трудность гамма-наблюдений Вселенной заключается в том, что хотя энергия космических гамма-квантов и очень велика, но число этих квантов в околоземном пространстве ничтожно мало. Современные гамма-телескопы даже от самых ярких гамма-источников регистрируют примерно один квант за несколько минут.
Значительные трудности возникают и вследствие того, что первичное космическое излучение приходится изучать на фоне многочисленных помех. Под действием заряженных частиц космических лучей, приходящих на Землю, – протонов и электронов, начинают ярко „светиться“ в гамма-диапазоне и земная атмосфера, и конструкции космического аппарата, на борту которого установлена регистрирующая аппаратура.
Как же выглядит Вселенная в гамма-лучах? Представьте себе на минуту, что ваши глаза чувствительны не к видимому свету, а к гамма-квантам. Какая картина предстала бы перед нами? Взглянув на небо, мы не увидели бы ни Солнца, ни привычных созвездий, а Млечный Путь выглядел бы узкой светящейся полоской. Кстати, подобное распределение галактического гамма-излучения подтвердило предположение, высказанное в свое время известным советским физиком академиком В. Л. Гинзбургом о том, что космические лучи имеют в основном галактическое, а не внегалактическое происхождение.
В настоящее время с помощью гамма-телескопов, установленных на космических аппаратах, зарегистрировано несколько десятков источников космического гамма-излучения. Пока еще нельзя точно сказать, что они собой представляют, – звезды ли это или другие компактные объекты, или, может быть, протяженные образования. Есть основания предполагать, что гамма-излучение возникает при нестационарных, взрывных явлениях. К числу таких явлений относятся, например, вспышки сверхновых звезд. Однако при обследовании 88 известных остатков сверхновых было обнаружено только два источника гамма-излучения.
В то же время зарегистрированы внегалактические источники гамма-излучения, связанные с активными галактиками и квазарами, где происходят взрывные процессы, в десятки миллионов раз более мощные, чем вспышки сверхновых. Не исключена возможность, что современная астрономия стоит на пороге открытия принципиально нового класса космических объектов, физическая природа которых нам еще неизвестна.
Весьма интересный гамма-источник был обнаружен также в созвездии Змееносца. В этом месте находится плотное газопылевое облако, внутри которого расположена группа молодых горячих вспыхивающих звезд. Зарегистрировано гамма-излучение и от другой туманности – туманности Ориона, в которой есть молодые звезды и где по некоторым данным наблюдается расширение систем таких звезд – звездных ассоциаций.
Согласно современным представлениям, вспышки сверхновых являются одним из заключительных этапов в жизни звезд. Вспышечные же явления, по-видимому, характерны для ранних этапов развития этих небесных тел Складывается впечатление, что гамма-излучение и порождающий его процесс образования космических лучей связаны не с умиранием звезд, а скорее с их рождением.
Регистрация космического гамма-излучения высокой энергии, в принципе, позволяет обнаруживать объекты, которые являются генераторами космических лучей, т. е. решить задачу, давно являющуюся одной из важнейших в астрофизике. Дело в том, что при взаимодействии энергичных ядер, входящих в состав космических лучей, с межзвездной средой, окружающей их источник, – частицами газа или пыли, – должны рождаться особые элементарные частицы, так называемые пи-ноль-мезоны. Частицы эти недолговечны и распадаются на гамма-кванты, которые и могут быть зарегистрированы с помощью гамма-телескопов. При этом гамма-свечение тем ярче, чем больше плотность космического излучения. Таким образом, наблюдения в гамма-диапазоне позволяют не только определять, где расположен объект, порождающий космические лучи, но и оценивать его интенсивность.
Источниками гамма-квантов являются и нейтронные звезды – пульсары. В частности, самая яркая „звезда“ в гамма-диапазоне – пульсар, расположенный в созвездии Парусов, невидимый для оптических телескопов. Другая „гамма-звезда“ отождествлена со знаменитым пульсаром в Крабовидной туманности. Однако каких-либо непосредственных доказательств того, что в пульсарах рождаются энергичные ядра и таким образом именно пульсары являются источниками космических лучей, пока нет. Скорее всего гамма-свечение пульсаров порождается быстрыми электронами.
Несколько лет назад с помощью аппаратуры, установленной на искусственных спутниках Земли и высотных аэростатах, были обнаружены сильные вспышки космического гамма-излучения. Поражала их огромная мощность. Энергия, выделяемая во время вспышек их таинственными источниками, примерно в миллион раз превосходила энергию светового излучения Солнца.
Хотя физическая природа этих явлений остается все еще неясной, есть определенные основания предполагать, что они могут быть связаны с процессами, происходящими в двойных системах, в состав которых входят нейтронные звезды. Не исключено, что мощные всплески гамма-излучений возникают в результате падения вещества, выброшенного одной из звезд в двойной системе на нейтронную звезду.
Дальнейшее изучение космического гамма-излучения должно дать ответы на многие вопросы, имеющие фундаментальное значение для понимания строения космических объектов и происходящих во Вселенной физических процессов. В частности, то обстоятельство, что гамма-кванты распространяются прямолинейно, открывает возможность не только обнаруживать очень далекие источники гамма-излучения, но и определять направления, в которых они находятся.
А поскольку механизм возникновения гамма-излучения связан с воздействием „нетепловых“ частиц достаточно высокой энергии, то это излучение несет с собой чрезвычайно ценную информацию о физических процессах, происходящих в таких районах Вселенной, где существует высокая концентрация нетепловых частиц.
Космические взрывы
Еще лет сорок назад астрономы считали, что космические объекты мало изменяются с течением времени. Казалось, что и звезды и галактики развиваются настолько медленно, что за обозримые промежутки времени в их физическом состоянии не происходит сколько-нибудь существенных изменений. Правда, были известны физические переменные звезды, отличающиеся, например, частыми изменениями блеска; звезды, бурно выбрасывающие вещество, а также вспышки новых и сверхновых звезд, сопровождающиеся освобождением огромных количеств энергии. Эти явления хотя и привлекали внимание исследователей, но все же представлялись эпизодическими, не имеющими принципиального значения.
Однако уже в 50-е годы распространилось убеждение в том, что явления нестационарности – это закономерные этапы эволюции материи во Вселенной, играющие чрезвычайно важную роль в развитии космических объектов. И действительно, был обнаружен целый ряд явлений во Вселенной, связанных с выделением колоссальных количеств энергии и даже взрывными процессами.
В частности, оказалось, что некоторые галактики являются источниками мощного радиоизлучения.
Одна из таких радиогалактик – радиоисточник Лебедь-А – находится в районе созвездия Лебедя. Это необычайно мощная космическая радиостанция: ее радиоизлучение, принимаемое на Земле, имеет такую же мощность, как радиоизлучение спокойного Солнца, хотя до Солнца всего около 8 световых минут, а до галактики в Лебеде около 700 миллионов световых лет.
Как показывают расчеты, общая энергия релятивистских электронов, порождающих радиоизлучение радиогалактик, может достигать огромной величины. Так, для радиоисточника Лебедь-А эта энергия в десятки раз превосходит энергию притяжения всех звезд, которые входят в эту радиогалактику и в сотни раз больше, чем энергия ее вращения.
Возникает два вопроса: каков физический механизм радиоизлучения радиогалактик и откуда берется энергия, необходимая для поддержания этого радиоизлучения?
В Северном полушарии неба в созвездии Тельца есть небольшая газовая туманность. За свои причудливые очертания, чем-то напоминающие гигантского краба с многочисленными щупальцами, она получила название Крабовидной. Сопоставление фотографий этой туманности, сделанных в различные годы, показало, что газы, входящие в ее состав, разлетаются с колоссальной скоростью – около 1000 км/с. Видимо, это следствие взрыва огромной силы, который произошел примерно 900 лет назад, когда все вещество Крабовидной туманности было сконцентрировано в одном месте. Что же произошло в этом районе неба в начале второго тысячелетия нашей эры?
Ответ мы находим в летописях тех времен. В них рассказывается, что весной 1054 г. в созвездии Тельца вспыхнула звезда. На протяжении 23 суток она сияла так ярко, что была хорошо видна на дневном небе при свете Солнца. Сопоставление этих фактов привело ученых к выводу о том, что Крабовидная туманность представляет собой остаток вспышки сверхновой звезды.
Рис. 16. Фотография Крабовидной туманности.
Наблюдения показали, что Крабовидная туманность является чрезвычайно мощным источником радиоизлучения. Вообще любой космический объект, будь то галактика, звезда, планета или туманность, если только его температура выше абсолютного нуля, должен излучать электромагнитные волны в радиодиапазоне – так называемое тепловое радиоизлучение. Удивительное состояло в том, что радиоизлучение Крабовидной туманности было во много раз мощнее того теплового радиоизлучения, которым она должна была бы обладать в соответствии со своей температурой. Вот тогда-то и было сделано одно из самых выдающихся открытий в современной астрофизике, открытие, которое не только объяснило природу радиоизлучения Крабовидной туманности, но и дало ключ к пониманию физической природы очень многих явлений, происходящих во Вселенной. Впрочем, в этом нет ничего удивительного: ведь в каждом отдельном космическом объекте находят свое отражение самые общие закономерности природных процессов.
Усилиями главным образом советских ученых была разработана теория нетеплового электромагнитного излучения космических объектов, порождаемого движением очень быстрых электронов в магнитных полях. По аналогии с некоторыми процессами, происходящими в ускорителях заряженных частиц, такое излучение получило название синхротронного.
В дальнейшем выяснилось, что синхротронное радиоизлучение является характерной особенностью целого ряда космических явлений. В частности, именно такую природу имеет радиоизлучение радиогалактик.
Что же касается источника энергии, то в Крабовидной туманности таким источником была вспышка сверхновой звезды. А в радиогалактиках?
Очень многие факты говорят о том, что источником энергии их радиоизлучения, по-видимому, служат активные физические процессы, протекающие в ядрах этих звездных систем.
Как показывают астрономические наблюдения, в центральных частях большинства известных нам галактик имеются компактные образования, обладающие довольно сильным магнитным полем. Эти образования получили название ядер. Нередко в ядре сосредоточена значительная доля излучения всей галактики. Есть ядро и у нашей Галактики. Как показали радионаблюдения, из него происходит непрерывное истечение водорода. За год выбрасывается масса газа, равная полутора массам Солнца. Немного? Но если учесть, что наша звездная система существует больше 10 миллиардов лет, то нетрудно подсчитать, что за это время из ее ядра было выброшено колоссальное количество вещества. При этом есть веские основания предполагать, что явления, регистрируемые в настоящее время, представляют собой лишь слабые отголоски гораздо более бурных процессов, которые происходили в ядре нашей Галактики, когда она была моложе и богаче энергией. На эту мысль наводят весьма активные явления, которые мы наблюдаем в ядрах некоторых других галактик.
Так, например, в галактике М 82 наблюдается разлет газовых струй во все стороны от ядра со скоростями до 1500 км/с. Видимо, это явление связано со взрывом, который произошел несколько миллионов лет назад в ядре этой звездной системы. Согласно некоторым подсчетам, его энергия была поистине колоссальна – она соответствует энергии взрыва термоядерного заряда с массой, равной массе нескольких десятков тысяч солнц. Правда, в последнее время относительно взрыва в М 82 высказываются определенные сомнения. Однако известен еще целый ряд галактик, в ядрах которых происходят чрезвычайно мощные нестационарные явления.
В 1963 г. на очень больших расстояниях от нашей Галактики были обнаружены поразительные объекты, получившие название квазаров. В сравнении с громадными звездными островами-галактиками, квазары ничтожно малы. Но каждый квазар излучает в сотни раз больше энергии, чем самые гигантские известные нам галактики, состоящие из сотен миллиардов звезд.
Открытие квазаров, как и всякое подобное открытие, оказалось неожиданным – одним из тех удивительных сюрпризов, которые время от времени преподносит и будет нам преподносить бесконечно разнообразная Вселенная. О существовании подобных объектов физики и астрофизики не только не могли предполагать заранее, но если бы до открытия квазаров им описали их свойства, ученые, по мнению известного астрофизика И. Д. Новикова, наверняка заявили бы, что такие объекты в природе вообще не могут существовать.
Тем не менее квазары существуют и их физическая природа требует объяснения. Однако такого общепринятого объяснения пока еще нет. Высказывались различные предположения, часть из них впоследствии отпала, часть продолжает обсуждаться. Но. какие физические процессы могут приводить к выделению столь грандиозных количеств энергии, все еще остается неясно.
В то же время значительные успехи достигнуты в решении другого вопроса: какое место занимают квазары в ряду различных космических объектов? Являются ли они уникальными образованиями, своеобразным исключением из общего правила или закономерным этапом в развитии космических систем?
Подобная постановка вопроса характерна для всего духа современной астрофизики. Если еще сравнительно недавно исследователи Вселенной интересовались главным образом изучением физических свойств, характеризующих современное состояние того или иного космического объекта, то теперь на первый план выдвинулось исследование его истории, его предшествующих состояний, закономерностей его происхождения и развития. Подобный подход явился результатом осознания того факта, что мы живем в расширяющейся нестационарной Вселенной, прошлое которой отличается от ее современного состояния, а современное состояние – от будущего.
В свете этих идей особый интерес приобретает выяснение возможной родственной связи между различными нестационарными объектами. В частности, оказалось, что по своему строению и оптическим свойствам радиогалактики не представляют собой ничего исключительного. Оказывается, для любой радиогалактики можно найти похожую на нее „нормальную“ галактику, которая отличается только отсутствием радиоизлучения. Это, видимо, и говорит о том, что способность излучения мощных потоков радиоволн возникает лишь на некоторой стадии эволюции галактик того или иного типа. Своеобразное „возрастное“ явление, которое наступает на определенном этапе жизни звездных систем, а затем исчезает…
Подобное предположение тем более правдоподобно, что радиогалактик значительно меньше, чем „нормальных“.
Но не являются ли в таком случае квазары, эти сверхмощные „фабрики энергии“, тоже некоторой стадией развития космических объектов, быть может, одной из самых ранних? Во всяком случае, анализ электромагнитного излучения квазаров обнаруживает явное сходство между ними и ядрами некоторых типов радиогалактик.
Известный московский астроном Б. А. Воронцов-Вельяминов обратил внимание на одно весьма любопытное обстоятельство. Почти все известные нам квазары (а их зарегистрировано уже свыше полутора тысяч) – одинокие объекты. С другой стороны, близкие к ним по свойствам радиогалактики, как правило, входят в скопления галактик и являются их главными, центральными членами, наиболее яркими и активными.
В связи с этим Б. А. Воронцов-Вельяминов высказал предположение о том, что квазары – не что иное, как „протоскопления“ галактик, т. е. объекты, в результате дальнейшей эволюции которых возникали в дальнейшем галактики и скопления галактик.
В пользу подобного предположения говорит, например, активность ядер галактик, весьма сходная с активностью квазаров, хотя и не такая бурная. Особенно бурные процессы протекают в ядрах так называемых сейфертовских галактик. Эти ядра имеют очень малые размеры, сравнимые с размерами квазаров и подобно им обладают чрезвычайно мощным электромагнитным излучением. В них происходят движения газа с огромными скоростями, достигающими нескольких тысяч километров в секунду. У многих сейфертовских галактик наблюдаются выбросы компактных газовых облаков с массами в десятки и сотни солнечных масс. При этом выделяется колоссальная энергия. Так, например, в ядре сейфертовской галактики NGC 1275 (радиоисточник Персей-А) около 5 млн. лет назад (по времени этой галактики) произошел сильнейший взрыв, сопровождавшийся выбросом газовых струй со скоростями до 3000 км/с. Энергия разлета газа здесь на два порядка выше, чем в галактике М 82.
Еще один класс галактик с активными ядрами, обладающими аномально сильным ультрафиолетовым излучением, был обнаружен советским астрономом Б. Е. Маркаряном. Видимо, большая часть этих галактик переживает в настоящее время эпоху, следующую за выбросом, как говорят астрономы, послеэруптивную стадию.
Не исключено, что энергия излучения квазаров и активность ядер галактик порождаются сходными физическими процессами.
Как мы уже говорили, квазары – весьма удаленные объекты. А чем дальше от нас находится тот или иной космический объект, тем в более далеком прошлом мы его наблюдаем. Галактики, в том числе и галактики с активными ядрами, в среднем, расположены ближе, чем квазары. Следовательно, это объекты более позднего поколения – они должны были образоваться позже квазаров. И это немаловажное свидетельство того, что квазары, возможно, являются ядрами галактик.
Что же касается природы физических процессов, обеспечивающих энерговыделение квазаров, то на этот счет имеется одна интересная гипотеза.
