Текст книги "Тайны пространства и времени"
Автор книги: Виктор Комаров
сообщить о нарушении
Текущая страница: 10 (всего у книги 37 страниц)
Из года в год мы видим в небе одни и те же созвездия. Их очертания не меняются. Создается впечатление, что положение небесных светил в пространстве с течением времени остается неизменным. Но впечатление это обманчиво. Звезды движутся и движутся с огромными скоростями. Так, наше Солнце, обращаясь вокруг центра Галактики, несется со скоростью около 250 км/с. Это более чем в 8 раз превосходит скорость движения Земли по околосолнечной орбите. Полный оборот вокруг галактического центра Солнце завершает примерно за 250 миллионов лет (так называемый галактический год).
Вокруг центра Галактики обращаются и все другие объекты, которые входят в ее состав. Однако это галактическое вращение не похоже на обращение планет вокруг Солнца. В то время как в Солнце сосредоточена подавляющая часть массы Солнечной системы, масса галактического ядра составляет всего около 5 миллионов солнечных масс. Поэтому любая звезда или другой объект испытывает притяжение не только со стороны галактического центра, но и всей массы окружающих звезд. Это не может не сказываться на характере движения галактических объектов и форме их орбит.
Наблюдения показывают, что гало вращается со сравнительно небольшой скоростью. На расстоянии около 30 тысяч световых лет от центра Галактики (то есть на том расстоянии, где расположено Солнце) эта скорость составляет около 50 км/с. Что же касается звезд диска, то они движутся значительно быстрее. В районе Солнца у них такая же скорость, как и у нашего дневного светила – то есть 250 км/с. Однако не следует думать, что все звезды, принадлежащие к сферической или плоской подсистеме, движутся как единое целое. У звезд, которые входят в состав гало, скорости различаются весьма существенно. Это различие достигает 150 км/с. Что же касается звезд диска, то у них оно значительно меньше. Но и в диске, например, старые звезды, участвуя в галактическом вращении, движутся на 10-15 км/с медленнее, чем молодые.
Причем, чем больше возраст того или иного типа звезд, тем значительнее различаются скорости (или, как ее называют астрономы, дисперсия скоростей) представителей этого типа космических объектов. Как мы знаем из истории происхождения и эволюции Солнечной системы, характер современных движений космических объектов – это след прошлого в настоящем. Иными словами, особенности движений, о которых идет речь, связаны с условиями формирования этих объектов в прошлом. Поэтому исследование пространственной структуры подсистем нашей Галактики, характера движений составляющих ее объектов, а также их химического состава – интересно не только само по себе, но и позволяет восстановить картину предшествующей эволюции нашего звездного острова, расшифровать те ее страницы, которые еще не прочитаны.
Например, медленное вращение гало, по-видимому, свидетельствует о том, что на сравнительно ранней стадии эволюции Галактики, когда формировались наиболее старые звезды, действовал какой-то механизм, который предопределил сравнительно невысокие скорости их галактического вращения. Предполагают, что выделявшаяся при сжатии протогалактического водородно-гелиевого облака гравитационная энергия преобразовывалась в кинетическую энергию движения газа и образующихся звезд.
Благодаря росту кинетической энергии, сжатие звездной составляющей довольно быстро прекратилось. Вот почему те звезды, которые образовались в начальный период сжатия протогалактического облака, сохранили сферическое распределение в пространстве, а также тот сравнительно небольшой запас вращения, которым облако обладало в этот момент.
Что же касается газа, то приобретенная им кинетическая энергия в результате столкновения газовых облаков переходила в тепло и излучалась в пространство. Вследствие этого газ продолжал сжиматься, и скорость вращения газовой составляющей в соответствии с законами механики постепенно возрастала. Развивавшиеся при этом центробежные силы в какой-то момент уравновесили сжатие в галактической плоскости, и оно продолжалось лишь вдоль оси вращения. Этот процесс и привел к образованию плотного плоского газового диска. Возникшие в нем звезды образовали быстро вращающуюся плоскую подсистему.
В этой подсистеме и по сей день содержится большое количество газа и пыли. Наличием газово-пылевой материи объясняются хорошо видимые даже невооруженным глазом темные места в Млечном Пути, как бы свободные от звезд. В действительности в этих местах расположены плотные диффузные облака, поглощающие свет более далеких объектов.
Особое внимание в центральной части Галактики привлекает к себе область, расположенная в промежутке от 16 до 19 световых лет от центра. В этом «кольце» наблюдается повышенная концентрация газа и молодых звезд. Некоторые астрономы считают, что именно там и образуются гигантские молекулярные газовые комплексы и звезды.
Еще одна примечательная область – окружающая центр Галактики «дыра» в газовом диске, простирающаяся на расстояние до 9 световых лет. Причины ее возникновения остаются неясными, хотя на этот счет и высказано немало гипотез. Возможно, что интенсивный процесс звездообразования привел в этом районе к дефициту газа или газ, располагавшийся в этой области, по какой-то причине утратил свой «запас вращения» и переместился в центр Галактики. Но, пожалуй, более правдоподобным выглядит предположение о том, что какие-то активные процессы, происходившие в ядре Галактики, отбросили газовые массы в более далекие области. В пользу такой точки зрения говорит существование газовых облаков, располагающихся в центре Галактики на расстояниях порядка 5-6 световых лет от галактической плоскости и удаляющихся от центра нашей звездной системы с весьма высокими скоростями. Быть может, в будущем эти газовые облака вообще покинут галактические пределы.
С другой стороны, на периферии Галактики обнаружены гигантские газовые облака, которые с довольно большими скоростями, достигающими в отдельных случаях 300 км/с, наоборот, приближаются к галактической плоскости. Не исключено, что некоторые из них «втянуты» притяжением нашей Галактики из межгалактического пространства или из соседних галактик. А может быть, эти облака когда-то были выброшены из центральной области и теперь возвращаются обратно, так и не преодолев галактического притяжения.
Как показывают радиоастрономические наблюдения межзвездного водорода на волне 21 сантиметр, вдоль галактической плоскости тянется сравнительно тонкий слой атомарного водорода, постепенно утолщающийся к краям диска. Он состоит из холодных облаков с температурой около 70 К и в 100 раз менее плотного горячего газа, находящегося в пространстве галактической плоскости.
Наша звездная система представляет собой объект чрезвычайно сложный и трудный для исследования. К тому же ее изучение современными методами началось сравнительно недавно. Поэтому нет ничего удивительного в том, что с Галактикой связано так много загадок и тайн.
Наибольший интерес представляет собой самый центр Галактики – область с поперечником в несколько десятков световых лет, которая по своим свойствам существенно отличается от всех других областей нашего звездного острова. Внутри нее находится «ядро» – сгущение вещества, радиус которого равен примерно 10 парсекам (1 парсек – 3,26 светового года). Ядро окружено газовым диском с массой около 2*1027 масс Солнца и балджем с массой 4*109 солнечных масс. Вокруг балджа располагается кольцевая область с низким содержанием газа – уже упоминавшаяся нами «дыра» в газовом диске. Ядро Галактики находится в районе созвездия Стрельца (так видится с Земли). Эта часть Млечного Пути отличается большим количеством пыли, в десятки тысяч раз ослабляющей свет более далеких объектов. Однако сквозь этот «занавес», словно нарочно опущенный природой, проникают радио– и инфракрасное излучения. Впервые изображение ядра в инфракрасных лучах было получено советскими учеными на Крымской астрофизической обсерватории.
Наибольший интерес представляет собой самый центр Галактики, область поперечником около 65 световых лет, которая по своим свойствам существенно отличается от всех других ее областей.
Согласно косвенным данным, подавляющая часть массы этого центрального «ядрышка» сосредоточена в звездах. Как показывают спектральные наблюдения, чем ближе расположены газовые облака к галактическому центру, тем быстрее они движутся. По мнению некоторых исследователей, это связано с тем, что в самом центре Галактики находится массивная черная дыра с массой порядка 106 масс Солнца (черная дыра – своеобразный объект, обладающий столь высокой плотностью и столь могучим притяжением, что из него наружу не могут «вырваться» ни частицы, ни какие бы то ни было излучения). Однако вряд ли это предположение соответствует действительности, поскольку активность ядра весьма невелика в сравнении с той активностью, какой оно должно было бы обладать при наличии черной дыры. К тому же, если бы это действительно была черная дыра, поток рентгеновского излучения от ядра был бы гораздо мощнее фактически наблюдаемого.
В центральной области также был обнаружен, пожалуй, наиболее любопытный и интригующий объект Галактики – весьма компактный источник нетеплового радиоизлучения в сантиметровом диапазоне. В самом его центре расположено еще более яркое «радиопятно», поперечник которого не превосходит 10 а. е. Иными словами, этот объект мог бы поместиться внутри Солнечной системы. Его светимость на единицу объема чрезвычайно велика – она сравнима со светимостью наиболее мощных источников излучения в нашей Вселенной!
Именно этот загадочный объект некоторые астрономы и пытались связать с наличием в ядре массивной черной дыры. Однако, как мы уже говорили, подобная точка зрения встретила серьезные возражения.
Вблизи центра галактики находится также несколько источников инфракрасного излучения с невысокой температурой, близкой к комнатной. Но какова их природа и какие физические процессы с ними связаны, тоже пока неизвестно.
Ядро Галактики ведет себя довольно активно – оно все время выбрасывает газ в количестве, ежегодно составляющем 1,5 массы Солнца. На первый взгляд, это не так много для системы, состоящей из 200 миллиардов звезд. Однако не следует забывать, что Галактика существует многие миллиарды лет. Есть основания полагать, что современная активность ее ядра – лишь очень слабые отголоски гораздо более мощных и бурных процессов, которые происходили в центральной части нашего звездного острова в отдаленном прошлом, когда Галактика была моложе и богаче энергией.
Характерной особенностью нашей Галактики является наличие в диске спиральных рукавов или ветвей, существование которых подтверждается целым рядом независимых астрономических данных. В этих ветвях концентрируется межзвездный водород, они являются областями наиболее интенсивного диффузного радио– и гамма-излучения.
Первоначально высказывалось предположение, что рукава естественным образом сформировались в процессе вращения нашего звездного острова, поскольку галактический диск вращается не как единое целое, а дифференциально. Различные объекты, которые входят в его состав, движутся с разными угловыми скоростями: начиная с некоторого расстояния, чем дальше от центра, тем ниже скорость. В принципе подобное вращение действительно может создавать структуры, близкие к спиральным. Однако, как показывают расчеты, эти структуры не могут быть долговечными. За несколько оборотов Галактики они неминуемо должны были бы разрушиться.
Предполагают, что спиральные рукава представляют собой своеобразные «волны плотности» – возмущения плотности, которые возникают в звездном населении диска и распространяются в радиальных направлениях, вращаясь в то же время вокруг центра Галактики как единое целое. Иными словами, вращение волн плотности происходит с постоянной угловой скоростью, независимо от расстояния до центра. По неизвестной причине дифференциальное вращение галактического диска на характер вращения волн плотности сколько-нибудь заметного влияния не оказывает.
В волнах плотности число звезд в единице объема по сравнению с другими районами Галактики возрастает незначительно. Но, тем не менее, суммарная сила их тяготения в этих областях несколько выше. Поэтому межзвездный газ в поле тяготения спиральной волны сильно разгоняется, достигая сверхзвуковой скорости. Происходящее при этом сжатие газа может привести к возникновению ударных волн, охватывающих значительную часть галактического диска. Не исключено, что такие сжатия и запускают процесс звездообразования.
Согласно данным ученых, наше Солнце расположено в промежутке между двумя спиральными рукавами (или на внутренней окраине одного из них). И, видимо, это обстоятельство сыграло не последнюю роль в появлении и существовании жизни на Земле. Внутри спиральных рукавов, в районах интенсивного звездообразования формирование живых структур вряд ли является возможным…
Есть и еще одно, благоприятное для существования жизни на нашей планете обстоятельство, также связанное с галактическим расположением Солнца. Поскольку спиральные рукава вращаются как единое целое, а угловые скорости звезд по мере удаления от центра Галактики убывают, то на некотором расстоянии от него эти угловые скорости должны совпадать с угловой скоростью вращения спиральных ветвей – здесь и звезды и волны плотности движутся синхронно! Образуется своеобразное «кольцо», получившее название «коротационного круга» (от английского corotation, что означает «совместное вращение»).
Судя по всему, коротационный круг находится как раз в районе галактической орбиты Солнца. Если это действительно так, то наше светило расположено в «особой зоне» Галактики, то есть в «специальных условиях», где из-за равенства указанных выше угловых скоростей отсутствует ударная волна. Поэтому не исключено, что расположение Солнца в коротационном круге также могло сыграть весьма важную, если не решающую роль в формировании Солнечной системы и в появлении жизни на Земле!
Как уже говорилось, физические условия на Земле во многом зависят от физической обстановки в окружающей космической среде. А поскольку Солнце перемещается в пространстве Галактики и при этом пересекает области с различными свойствами, то эта обстановка с течением времени может изменяться довольно существенным образом. Особенно важное значение, по-видимому, может играть то обстоятельство, что Солнце не только обращается вокруг галактического центра, но и совершает периодические колебательные движения относительно галактической плоскости. Под действием притяжения массы «диска» Солнце приобретает ускорение, направленное к галактической плоскости, так сказать, «падает» на диск, а затем, «проскочив» его, продолжает двигаться в том же направлении по инерции, удаляясь в противоположную полусферу Галактики. Затем вновь ускоряется по направлению к диску и т. д.
Периодически пересекая галактическую плоскость, Солнце проходит через массивные облака пыли и газа, которые сосредоточены в этом районе. Гравитационное воздействие таких облаков может вызывать возмущения объектов «кометного облака», окружающего Солнечную систему, и «массовые «высыпания» ледяных глыб (кометных ядер), порождающие бомбардировку Земли «кометными ливнями».
Заметное воздействие на состояние земной среды могут оказывать и сами газопылевые комплексы, если они обладают достаточно высокой плотностью. По мнению специалистов, попадание Земли внутрь таких комплексов может приводить к существенным похолоданиям и даже к глобальным леденениям. Определенное влияние на окружающую среду, в частности на химический состав земной атмосферы, способны также оказывать органические соединения, которые входят в состав молекулярных облаков. Однако возможные экологические последствия подобного явления изучены еще недостаточно.
Правда, в последнее время появились сообщения о том, что Солнце пересекает плоскость Галактики не через каждые 26-28 миллионов лет, как считалось раньше, а через каждые 30-36 миллионов лет. Если это действительно так, то прохождения Солнца через галактическую плоскость с кризисными эпохами в состоянии земной биосферы, сопровождавшимися массовыми вымираниями отдельных видов живых организмов, не вполне совпадают.
Хотя космические процессы традиционно представляются нам весьма протяженными во времени, но, возможно, это привычное представление не отражает всего великого многообразия подобных процессов и их всевозможных сочетаний. Не исключено, что природой нам отпущен не столь уж большой срок для того, чтобы познать все тонкости галактическо-земных связей и научиться прогнозировать возможные неблагоприятные земные последствия тех или иных галактических ситуаций. И не только прогнозировать, но и в максимальной степени их нейтрализовать!
В сравнении с Солнечной системой Галактика огромна. Однако и она представляет собой лишь небольшую часть Вселенной. В доступной современным средствам астрономических исследований области пространства (ее радиус достигает 14 миллиардов световых лет) «разбросаны» миллиарды звездных островов. Их совокупность называется Метагалактикой.
Когда ученым нужно изучить множество каких-либо объектов, то первым шагом в этом направлении является создание их классификации, то есть выделение групп однотипных объектов, обладающих существенными сходными признаками, и установление между такими группами причинной или генетической связи. Научная классификация имеет колоссальное эвристическое значение, так как она отражает те объективные законы, которые управляют изучаемой областью явлений. Хорошо известно, какую огромную роль в развитии естествознания сыграли такие классификационные системы, как периодическая система химических элементов Менделеева или классификация Линнея множества животных и растений.
Классификацию галактик одним из первых начал создавать известный американский астроном Э. Хаббл. В ее основу он положил морфологические особенности звездных островов Вселенной, а именно – их форму и строение.
Ближайшими к нам галактиками являются так называемые Магеллановы Облака – Большое и Малое, которые удалены от Солнца на расстояние порядка 180 тысяч световых лет. Они являются спутниками нашей Галактики и, обращаясь вокруг нее, делают один полный оборот за миллиард лет.
Если наша Галактика является классическим представителем спиральных звездных систем, то Магеллановы Облака относятся по классификации Хаббла к типу неправильных галактик, которые имеют несимметричную форму. Неправильные галактики составляют примерно около 5% от числа всех существующих.
Помимо спиральных и неправильных звездных систем в мире звездных островов существуют также галактики третьего типа – эллиптические, имеющие сферическую, или эллиптическую, форму. Это наиболее простые по своему строению и по характеру движения составляющих их объектов галактики. Яркость этих звездных систем по мере удаления от центра постепенно убывает, а их периферийные области плавно сливаются с окружающим фоном.
Что же касается спиральных галактик, то они являются наиболее распространенным типом звездных систем и составляют примерно половину всех звездных островов Метагалактики. В свою очередь, спиральные галактики делятся на «нормальные», у которых спиральные рукава берут начало непосредственно от центра, и «пересеченные», у которых спиральные ветви отходят от концов яркой перемычки – «бара», проходящего через ядро.
Спиральные галактики могут значительно отличаться и по своим размерам. Одним из типичных представителей сверхгигантских спиральных галактик является знаменитая галактика в созвездии Андромеды – «Туманность Андромеды». По своей внешней форме и физическим свойствам эта звездная система во многом напоминает нашу Галактику. Свет от нее до Земли идет 2 миллиона лет. В непосредственной близости от галактики Андромеды расположены четыре эллиптические галактики значительно меньшей массы, которые являются ее спутниками.
Наряду с перечисленными типами галактик встречается еще и промежуточный тип звездных систем – линзообразные галактики, занимающие в классификации промежуточное место между спиральными и эллиптическими.
Различие внешних форм галактик не является простой случайностью. Формы звездных систем отражают характер физических процессов, которые в них протекают, конкретные обстоятельства их возникновения и пути их дальнейшего развития. А также то, на какой стадии своей эволюции они в данный момент находятся.
В последние десятилетия обнаружены звездные системы, которые в классификацию обычных, или, как их называют, «нормальных», галактик явно не укладываются. Эти галактики получили название «пекулярных». К их числу относятся, например, «компактные» галактики, обладающие высокой поверхностной яркостью, а также карликовые звездные системы с низкой светимостью, в том числе красные и голубые.
Как правило, большие галактики отделены друг от друга значительными расстояниями, составляющими несколько мегапарсек. В то же время галактики, как правило, избегают «одиночества» – девять десятых из общего числа звездных систем либо образуют «пары», либо входят в состав различных групп и скоплений.
В одну из таких групп с радиусом 1,6 Мпс, получившую название Местной, входит и наша Галактика. А вместе с ней приблизительно и 40 других звездных систем, в том числе и галактика Андромеды, известная под индексом М-31.
Если окружить нашу Галактику воображаемой сферой радиусом 10-20 мегапарсек, то в ее пределах окажутся несколько десятков групп галактик, похожих на нашу Местную группу.
Что же касается систем более крупного масштаба – скоплений галактик, то самое далекое из тех, до которых удалось определить расстояния, находится в созвездии Волосы Вероники на расстоянии около 5200 Мпс от нашей Галактики, а самое близкое – на расстоянии около 29 Мпс. Это скопление в созвездии Девы, включающее в себя приблизительно 200 галактик высокой и средней светимости; в том числе 10 гигантских спиральных систем и 7 гигантских эллиптических.
Галактики внутри групп и скоплений, а также сами группы и скопления движутся друг относительно друга. Так, внутри Местной группы галактика Андромеды к нам приближается. А вся Местная группа со скоростью, равной нескольким сотням километров в секунду, движется по направлению к скоплению в Деве.
Это скопление является центром еще более грандиозного объединения звездных островов – сверхскопления с поперечником, достигающим 60 Мпс. В него входит и наша Местная группа, а также ее космические соседи – всего около 20 тысяч галактик, не считая карликовых звездных систем. Все они обращаются вокруг скопления в Деве.
Когда-то считалось, что во Вселенной существует бесконечная «лестница», бесконечная иерархия звездных систем. Звезды образуют галактики, галактики объединяются в группы, группы – в скопления, скопления – в сверхскопления, сверхскопления – в сверхсверхскопления и так далее без конца. Однако исследования последних лет показали, что эта лестница обрывается на сверхскоплениях. Объединений большего порядка в нашей Вселенной, по-видимому, не существует.
