Страница:
Подытоживая сказанное, следует подчеркнуть, что опытное доказательство эволюционного характера Вселенной - крупная веха на пути ассимиляции физикой идеи развития. При этом сама астрономия, которая когдато сводилась к небесной механике, ныне во все большей мере становится эволюционной физикой.
ГОРЯЧАЯ ГАЛАКТИКА
Гигантское звездное скопление, находящееся на расстоянии 300 миллионов световых лет от Земли, излучает столько же энергии, сколько два триллиона солнц, вместе взятых. Однако с Земли его можно заметить лишь в очень мощный телескоп, поскольку 99 процентов излучения приходится на невидимую инфракрасную часть спектра. Это тепловое излучение в 100 раз более интенсивно, чем у нашей Галактики. Обнаружившие это скопление ученые считают, что в его центральной части, видимо, находится "исключительно мощный источник теплового излучения", который нагревает окружающее газопылевое облако. Возникновение таких инфракрасных галактик возможно при столкновении двух или более звездных скоплений, а результате чего образуется множество новых солнц.
САМЫЙ ЯРКИЙ ОБЪЕКТ ВСЕЛЕННОЙ
Группа астрономов обнаружила квазар, имеющий такую яркость, что если бы он находился в 650 световых годах от Земли, то казался бы нам столь же ярким, как Солнце. На самом деле он удален от нас примерно на 10
дов световых лет. Это самый яркий из известных небесных объектов.
Квазары (квазизвездные радиообъ^11,1) - загадочные небесные тела, очень удаленные от Земли, излучающие больше энергии, чем целая Галактика. Их природа неясна, предполагают что это либо первые стадии жизни галактик, либо, наоборот, остатки погибших галактик.
УДИВИТЕЛЬНЫЙ ВОЛЧОК В СОЗВЕЗДИИ ОРЛА
Летом 1978 года было сделано открытие, приковавшее внимание всего астрономического мира сразу и надолго. Не было на Земле человека, имевшего отношение к астрономии, который бы не спрашивал: что там нового, какую еще сенсацию подбросил этот источник? Речь шла о слабенькой красноватой звездочке четырнадцатой величины в созвездии Орла.
ЛЕТО ЗАГАДОК
Итак, было лето 1978 года. Б. Маргон, астроном из Калифорнийского университета, исследовал с помощью спектрографа, установленного в фокусе пятиметрового телескопа, объект под названием СС 433. Число это означает попросту порядковый номер звездочки в каталоге, выпущенном десятилетием раньше двумя астрономами, фамилии которых начинались с буквы С: А. Стефенсоном и М. Сандулеком. Несколько ночей наблюдений, и Маргон пришел к первой идее - он решил, что труба его спектрографа погнулась. Это была строго логичная идея. Действительно, нужно было, не увеличивая
сущностей (гипотез), просто допустить неисправность спектрографа.
Маргон быстро убедился, что спектрограф ни при чем и странность заключена не в приборе, а в объекте. Странность же была такой: несколько довольно ярких линий излучения в спектре звезды не стояли на положенных местах, а от ночи к ночи смещались - часть линий в красную сторону, а часть - в фиолетовую.
В самом факте смещения линий в спектре для астронома нет ничего необычного. Все знают, что линии в спектрах квазаров очень сильно смещены в красную сторону,- все квазары удаляются от нас с огромными скоростями. В спектре известной Крабовидной туманности есть линии, смещенные в красную сторону, а есть смещенные в фиолетовую. Дело в том, что передний край туманности приближается к нам, а задний удаляется - ведь туманность расширяется. Мы видим оба края, обе серии линий.
Однако в спектрах квазаров и Крабовидной туманности линии, хотя и смещены с "законных" мест, все же неподвижны: скорость движения постоянна. А вот линии в спектре СС 433 были не только смещены в разные стороны, но еще и двигались. За месяц линии в красной области сместились на десятую часть своей длины. Вряд ли число что-либо говорит неподготовленному читателю. Дело в том, что смещение спектральной линии тем больше, чем быстрее приближается или удаляется источник света. Открытие Маргона означало, что скорость движения изменилась на 10 процентов по отношению к скорости света, а та равна 300 тысячам километров в секунду. Значит, за месяц наблюдений скорость удаления объекта увеличилась на 30 тысяч километров в секунду! И скорость приближения тоже.
Представьте себе, скажем, квазар - масса в миллиарды раз больше массы Солнца,- который за месяц увеличил бы скорость своего движения на такую
огромную величину. Или туманность, в которой газы за месяц стали бы расширяться на 30 тысяч километров в секунду быстрее. Такого еще не было.
Более того, картина смещения линий оказалась периодической, она повторялась каждые 164 дня. Линии разбегались друг от друга, а потом сходились, чтобы вновь разбежаться...
Открытие Маргона сразу привлекло внимание астрофизиков, его сравнивали с открытием пульсаров в 1967 году. Что ж, давайте сравним и мы.
Пульсары были открыты случайно только потому, что радиотелескоп, построенный в Кембридже под руководством Э. Хьюиша, оказался в нужный момент направлен в нужный участок неба. Конечно, рано или поздно не этот, так другой пульсар все равно бы обнаружили. Однако кто знает, сколько месяцев или лет ушло бы на это! Итак, открытие Хьюиша в большой степени случайно, хотя, как потом оказалось, теоретически его можно было предсказать лет на двадцать раньше. Исследование же объекта СС 433 вовсе не дело случая. Маргон работал в рамках общей программы отождествления рентгеновских источников. В семидесятых годах американские спутники "УХУРУ" и САС-З и английский "Ариэль" завершили предварительные обзоры неба в рентгеновском диапазоне. Были открыты и нанесены на карты сотни источников. Для многих из них уже стали известны и оптические аналоги. Однако сопоставить оптические объемы с рентгеновскими удавалось далеко не всегда.
Что ожидал обнаружить Маргон? Он предполагал, что найдет затмения, которые говорили бы, что СС 433 - двойная система. Ожидал, что найдет, например, пульсации оптического излучения. Природа преподнесла сюрприз, и началось восхождение на первый виток спирали исследований. Впоследствии, когда спираль завершила этот виток, все то, что ожидали обнаружить у СС 433, было обнаружено - и
ния, и оптическая переменность. В этом смысле объект оправдал ожидания теоретиков. Но к тому времени все они так увлеклись поисками разгадки, обнаруженной летом 1978 года странности, что все прочие особенности оказались в тени.
Все более ранние отождествления рентгеновских источников с оптическими звездами (а Маргон сделал немало таких работ) сенсаций не вызвали. В основном наблюдения не противоречили главной идее: рентгеновские источники в нашей Галактике - это двойные звездные системы. В них одна звезда обычная, гигант или карлик, горячая или не очень. Вторая звезда интереснее - это нейтронная звезда или, возможно, "черная дыра". Нормальная звезда теряет часть своего вещества, а нейтронная звезда это вещество "заглатывает". В этом причина рентгеновского излучения и всех любопытных эффектов, которые в таких системах наблюдаются.
Но СС 433 такие предположения опроверг. Возникло противоречие.
ОТСТУПЛЕНИЕ ПЕРВОЕ: НАУЧНЫЕ ПРОТИВОРЕЧИЯ
Именно противоречия двигают науку вперед. Не потому, что существуют, а потому, что от них так или иначе удается избавиться. Разрешая противоречия, ученые действуют методом проб и ошибок. Известно немало способов объяснить смещение спектральных линий- все эти способы рассматриваются в той или иной последовательности и, естественно, отвергаются сразу или со временем. Естественно - потому что объяснений много, а истина одна.
Ученый, которому в голову пришла идея объяснения, не расстается с ней месяцами. И другой ученый, и третий, и четвертый. Часто идеи повторяют друг друга, но если посмотреть как бы "сверху" на картину работы над проблемой, окажется, что почти все мыслимые идеи были высказаны в то или иное
время. Но именно в то или иное. Вре^я-то идет. Метод проб и ошибок работает медленно.
Поэтому довольно часто (когда это удается организовать) устраиваются конференции. Дискутировать на страницах журналов - дело долгое. Состоялась конференция и по поводу тайны СС 433 в Мюнхене в декабре 1978 года.
Если прибегать к терминам науковедения, то конференция - это способ организации метода проб и ошибок. В инженерном деле есть метод активизации творческого процесса, называемый мозговым штурмом. Во время него высказываются разные идеи о решении выбранной проблемы. Научная конференция тоже хороша именно тем, что здесь не теряется время, свободно высказываются и сталкиваются мнения.
Но она страдает тем недостатком, что критика на ней поощряется. В спорах, говорят, рождается истина. В принципе верно, но верно чаще всего в тех случаях, когда приходится выбирать из двух решений и при этом ясно, что одно из решений и есть истина. А когда все в проблеме туманно, нужно туман сначала рассеять. Для этого необходимо иметь полную картину всех возможных в принципе объяснений. Всех и сразу. И не нужно критиковать - все новые идеи уязвимы, и потому верной может показаться та, которая меньше подверглась критике.
Так случилось и на конференции в Мюнхене. Меньше прочих критиковалась идея о том, что смещения спектральных линий могут вызываться сильным магнитным полем (эффект Зеемана) и что к реальным движениям в объекте наблюдаемая картина отношения не имеет. А то, что линии постоянно смещаются, может говорить о том, что магнитное поле переменно. Конечно, величина поля нужна фантастическая, хотя в обычных звездах нет полей, способных вызвать такие смещения. "К счастью,- писал американский астрофизик Дж. Катц,-мы так никогда и не
2 Эврика-86 1
опубликовали эти теории". Вот случай действия метода проб и ошибок, случай, когда спор привел к удалению от истины, ведь идея о сильных переменных магнитных полях отношения к реальности не имела. Противоречие осталось.
КОСМИЧЕСКИЙ ФОНТАН?
Метод проб и ошибок продолжал действовать. В 1979 году была предложена красивая идея. Она разрешала основное противоречие, но создавала новое, и более глубокое. Собственно, идея объясняла, как говорят философы, лишь видимость явления, а не его сущность. Она была названа кинематической именно потому, что рассказывала о том, к а к происходят движения в СС 433, но не почему они происходят.
Прямолинейное движение (например, расширение газа) было совмещено с вращением. Представьте себе некое компактное тело, вращающееся вокруг своей оси. И вообразите, что на его полюсах поставили по водомету вдоль оси с большой силой бьют в разные стороны две узкие струи. В данном случае речь идет о струях плазмы, а не воды, но принцип не меняется. Если вы смотрите на волчок со стороны одного из полюсов, то видите только одну из струй, направленную прямо на вас. По эффекту Доплера вы можете определить и скорость, с которой к вам приближаются частицы вещества в этой струе. Затем иная ситуация - вы смотрите на волчок сбоку, видите обе струи, но они движутся, как говорят астрономы, "в картинной плоскости", не удаляясь и не приближаясь к вам. Никакого смещения спектральных линий вы не отметите, скорость движения частиц в струе не определите.
Что ж, а теперь представьте промежуточную картину- вы видите волчок под некоторым углом к его оси вращения. Видны обе струи, в одной из них частицы приближаются к вам, в
гой - удаляются. Вот вам уже две системы линий, которые вы сможете наблюдать. Одни линии сильно смещены в красную сторону, а другие - в фиолетовую. Однако это ведь постоянные скорости, а вовсе не переменные!
Противоречие осталось? Нет. Нужно только представить, что струи бьют не точно по оси вращения, а под некоторым углом к ней. Тогда картина движения будет меняться и повторяться через каждый оборот волчка. Будет периодически меняться и измеряемая по доплеровским смещениям скорость движения частиц.
Именно такая модель и была предложена Б. Маргоном и Дж. Эйбеллом (США). Из таинственного космического тела под углом к его оси вращения бьют две струи плазмы, узкие, как луч лазера. Бьют с огромной скоростью - больше одной четверти скорости света!
Так удалось нарисовать картину видимого движения в СС 433. Впоследствии она, конечно, видоизменялась и уточнялась. Но возникло новое противоречие, еще более важное. Почему бьют струи? Почему они такие узкие? Уже первые оценки показали, что ежесекундно струи могут уносить из СС 433 энергию, равную миллиону светимости нашего Солнца! И самое странное - вещество в струях остается при этом холодным! Земная физика не знает пока способа такого аккумулирования огромной кинетической энергии в узких струях: здесь оказалась загадка не только для астрофизиков, но и для физиков.
Кроме линий излучения вещества в узких струях плазмы, в спектре СС 433 есть и обычные линии водорода, гелия и некоторых других элементов, расположенные там, где им и полагается быть. Эти несмещенные линии до поры до времени не привлекали внимания. Однако в наблюдательный сезон 1979 года астрофизики обнаружили, что и эти линии периодически сдвигаются, правда, незначительно. Был
тановлен и период- 13 дней. Два периода у одного волчка?
Парадокс такого рода, однако, известен астрофизикам, и объяснение дали сразу: большой период (164 дня) может быть связан с объектом, испускающим струи. А короткий период (13 дней) возникает из-за того, что сам объект обращается по орбите около какого-то второго тела. Попросту говоря, СС 433 - двойная система.
Это предположение устраняло сразу несколько противоречий. Стало возможным объяснить основное, как говорят астрофизики, непрерывное излучение, на фоне которого и видны смещенные линии: часть излучения исходит от обычной звезды, около которой вращается неизвестный объект, а другая часть - от газовых потоков, текущих от нормальной звезды к "ненормальной". Эта "ненормальная" звезда и есть тот таинственный волчок, источник двух удивительных струй.
ОТСТУПЛЕНИЕ ВТОРОЕ: МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Что за странные термины: нормальная звезда, ненормальная звезда... У звезд есть классы, типы светимостей, и, вероятцр, астрофизики в своих статьях не пользуются такими неопределенными терминами? Верно, не пользуются. Но... Каждый из исследователей придерживается своего взгляда на то, какие именно типы звезд образуют двойную систему СС 433. Истинное решение еще не найдено, происходит перебор вариантов методом проб и ошибок. Между тем существует современная модернизация этого метода - морфологический анализ, то есть систематический перебор всех мыслимых вариантов. Попробуем сейчас провести такой анализ для того, чтобы разобраться в системе СС 433.
Будем исходить из того, что это - двойная система. В том или ином сочетании в нее могут входить: а) нормальная звезда, б) белый карлик, в)
тронная звезда, г) "черная дыра". Объединим элементы по два. Вот какие получаются двойные системы; 1) нормальная звезда-1-нормальная
звезда;
2) нормальная звезда-+-белый карлик; 3) нормальная звезда-}-нейтронная
звезда; 4) нормальная звезда+"черная
ра";
5) белый карлик+белый карлик;
6) белый карлик-}-нейтронная звезда;
7) белый карлик+"черная дыра";
8) нейтронная звезда-)-нейтронная звезда;
9) нейтронная звезда-)-"черная дыра";
10) "черная дыра"-)-"черная дыра". Итак, десять типов двойных систем. Плюс четыре случая, когда второго компонента просто нет! Всего четырнадцать. Какие варианты уже рассмотрены учеными? Не будем перечислять авторов и гипотез, скажем только, что уже обсуждались системы под номерами 1,3,4,6, 10. В каждом из случаев рассматривались разные модификации моделей. Например, если изучалась система, состоящая из нормальной и нейтронной звезд (N 3), то ведь можно было брать нормальную звезду большой массы, а можно - немассивиую, чуть побольше Солнца. Вы можете сказать, что нельзя же просто так перебирать варианты, ведь гипотезы должны соответствовать наблюдениям! Но дело в том, что наблюдения пока довольно разноречивы и дают простор для гипотез. Всех фактов не объясняет ни одна из них, а если намеренно оставлять вне рассмотрения ту или иную наблюдаемую "мелочь", то любая из гипотез оказывается не хуже Других. Сейчас большинство теоретиков склоняется к мысли, что СС 433 - система из нормальной массивной звезды и ее нейтронной соседки. Но... это лишь достаточно аргументированное мнение, а не доказательство.
ЗАГАДКА ОСТАЕТСЯ
Может показаться странным, что, перебирая возможности и гипотезы, мы ни слова не сказали о самой странной особенности СС 433 - струях плазмы, движущихся со скоростью 80 тысяч километров в секунду. Верно. Дело в том, что ни одна из гипотез не объясняет происхождения струй. Каждая, конечно, что-нибудь говорит о них. Например, известный советский ученый доктор физико-математических наук И. Новиков и его коллеги считают, что струи выбрасываются в плоскости газового диска около нейтронной звезды. Их американские коллеги полагают, что струи выбрасываются перпендикулярно диску. Есть идеи и о том, что струи возникают в области магнитных полюсов нормальной звезды. Как говорится, возможны варианты. Но ведь научная гипотеза нужна, чтобы устранить противоречие. Оно же состоит в том, что струи уносят колоссальную кинетическую энергию, которой вроде бы неоткуда взяться. Если даже удается придумать источник энергии, то оказывается, что она заключена совсем в иной форме, не в кинетической, и не является энергией поступательного движения. Скажем, нормальная звезда в двойной системе очень быстро теряет свое вещество, и это вещество "течет" к нейтронной звезде, собираясь около нее в диск. Если вещества много, то и энергия его может быть очень велика.
Можно привести аналогию: газовый диск около нейтронной звезды - это бассейн. Через одну трубу (широкую) в него втекает плазма, через другую (узкую) вытекает. Источник втекающей в бассейн плазмы нормальная звезда. Он может быть весьма мощным, ведь массивная звезда способна терять очень много вещества. Вторая трубаэто сток плазмы из диска на поверхность нейтронной звезды. Эта труба не может быть очень широкой, потому что нейтронная звезда не способна "принять" сколь угодно много
ва. И тогда плазма начнет переливаться через край бассейна - иными словами, вытекать из диска в окружающий космос и уносить избыточную энергию. Но вот почему она должна при этом вытекать в виде двух узких струй? И еще: в диске плазма горячая, ее температура-миллионы градусов. В струях плазма холодная - 10-20 тысяч градусов. В диске энергия в основном тепловая, в струях - кинетическая. Вот и нужно придумать механизм эффективной переработки тепла в движение. Современная физика плазмы такого механизма не знает! А если бы знала, представилась бы прекрасная возможность создать очень эффективный ракетный двигатель.
ФОТОПОРТРЕТЫ СС 433
Оптическая звезда из каталога Стефенсона и Сандулека находится почти в центре радиотуманности. Астрофизикам эта туманность известна давно, у нее неправильная, вытянутая форма. Когда-то на этом месте была двойная система из двух нормальных звезд. Потом одна из них завершила свой жизненный путь и взорвалась, раскидав во все стороны оболочку. Та непрерывно расширяется, и через десяток тысячелетий после взрыва занимает большое пространство-несколько световых лет. В оболочке (ее называют остатком Сверхновой) множество быстрых электронов, летящих по всем направлениям. Кроме того, в туманности довольно сильное магнитное поле. Двигаясь в этом поле, частицы излучают свою энергию, причем именно в радиодиапазоне. И на небе появляется радиотуманность. В ней-то и находится СС 433. И вот на радиоизображениях этой туманности, сделанных на лучших современных радиотелескопах, можно увидеть две струи, вытекающие будто из одной точки, из той, где в оптические телескопы виден объект СС 433. Конечно, эти струи не могут быть очень узкими - простираясь на световые
ды, они расширяются. Более того, сама форма радиотуманности определяется именно струями-она вытянута в направлениях, куда те бьют. И тогда возникла у астрофизиков довольно крамольная идея: может, вся туманность возникла из-за струй? Может, взрыв звезды ни при чем? И действительно, довольно простой расчет показывает, что за десять тысяч лет струи вполне успели бы "накачать" в туманность нужное количество энергии. Вся она - это вещество, выброшенное из двойной системы. Вся огромная туманность - расплывшиеся в космосе струи...
Они видны и на рентгеновской фотографии, сделанной с помощью приборов американского спутника "Эйнштейн". Этот снимок похож на радиоизображение, Такая же вытянутая туманность и две струи, бьющие в противоположных направлениях. Будто в космосе фонтанирует скважина, создавая вокруг себя озеро плазмы...
АНАЛОГИИ
Противоречие не разрешено, и как это часто бывает, астрофизики ищут для СС 433 аналогии. Может быть, нечто подобное уже наблюдалось у других типов небесных тел? Может, стоит поискать решение "на стороне"? Для методологии решения научных задач этот метод характерен. Например, в книге Д. Пойа "Как решать задачу" на этот счет есть четкое указание: если задача не решается в "лоб", попробуйте взять более общую задачу, возможно, ее решить легче.
Что же астрофизики? Они ищут явления, подобные струям в СС 433, и находят их, например, в далеких радиогалактиках. Из ядер некоторых активных галактик и квазаров, оказывается, тоже вылетают с большими скоростями струи плазмы, и более того - эти струи тоже крутятся около некоторой оси. Явления несопоставимы по масштабам - СС 433 по сравнению с ква^ зарами подобен комару рядом с китом*
для примера только такой факт: период обращения струй в СС 433 равен ста щестидесяти четырем суткам, а в кваздрах - миллионам лет!
Есть аналогии и в нашей Галактике. Например, на радиокарте окрестностей знаменитого рентгеновского источника "Скорпион Х-1" ясно видна вытянутая в линию структура, в центре которой он и расположен. Как видно, СС 433 - не такая уж редкость в небесном паноптикуме. Просто удивительные свойства струй в данном случае предстали наиболее рельефно.
И у квазаров, и у галактических рентгеновских источников есть отдельные особенности, которые оказались собраны вместе лишь в СС 433. В этом смысле система уникальна. И значит, интерес к странному объекту еще долго не ослабнет. Пробуя и ошибаясь, предлагая десятки гипотез, из которых выживут лишь единицы, ученые разрешат противоречие и скажут наконец: все ясно в системе СС 433. А может, удивительная система в действительности еще удивительнее, чем мы сейчас думаем? Не окажется ли, что благодаря ей удастся открыть новый закон природы и лишь тогда объяснить тайну рождения струй?
Астрономия не впервые предлагает открытия, которые впоследствии повторяются физиками. Так было, например, с открытием гелия. Может быть, история повторяется?
ГАЛАКТИКИ С КОЛЬЦАМИ
Кольца Сатурна были открыты вскоре после изобретения телескопа. Найти кольца у Юпитера и Урана удалось
лишь недавно с помощью космических автоматических станций. Сейчас обнаружено, что и некоторые галактики окружены кольцами. В этом случае кольца состоят из звезд.
Первая такая галактика открыта в созвездии Кита. С тех пор, просматривая старые фотоснимки различных областей неба, астрономы нашли еще десятка два галактик, окруженных кольцами. Интересно, что во всех известных пока случаях ось вращения колец перпендикулярна к оси вращения основного тела галактики.
Полагают, что такое образование возникает иногда при близком прохождении двух звездных миров: одна из галактик захватывает звезды другой, и они располагаются в форме кольца. Встречи галактик, разумеется, происходят под самыми разными углами, и перпендикулярность осей, по-видимому, объясняется тем, что это самая устойчивая конфигурация. Остальные варианты расположения колец просто не сохраняются, чужие звезды из кольца сравнительно быстро (по астрономическим масштабам) переходят в основную массу.
В ГЛУБИНЫ ВСЕЛЕННОЙ
Изучение астрономических объектов по их радиоизлучению довольно долго не приносило существенных результатов, поскольку разрешающая способность даже крупных радиотелескопов очень невелика. Но два десятилетия назад в нашей стране родился метод сверхдальней радиоинтерферометрии, и возможности радиоастрономии, а значит, и всей астрономии в целом,
20
ко возросли. Стало возможным наблюдать объекты, которые раньше из-за своих размеров и удаленности были принципиально недоступны для изучения. Именно радиоастрономические наблюдения дали доказательства общих представлений об эволюции горячей Вселенной.
В чем же суть метода? В одновременном наблюдении одного объекта двумя или несколькими радиотелескопами, находящимися на сверхдальнем расстоянии друг от друга (скажем, один - в Европе, другой - в Америке). Тем самым они составляют единый инструмент радиоинтерферометр, разрешающая способность (угловое разрешение) которого значительно превосходит лучшие оптические телескопы. Благодаря этому радиоастрономия получила возможности изучать не только сами астрономические объекты, но и их движение. Много нового узнали ученые о квазарах и пульсарах, о нейтронных звездах и газопылевых комплексах, о строении галактик и многих других объектах Вселенной.
Но метод сверхдальней радиоинтерферометрии нашел применение не только в астрофизике. Благодаря ему возникли новые научные дисциплины, например, астронавигация, а геодезия и астрометрия получили возможность измерять земные расстояния с точностью до нескольких сантиметров. Этот же метод позволяет с высокой точностью контролировать полеты космических кораблей и межпланетных автоматических станций.
ГОРЯЧАЯ ГАЛАКТИКА
Гигантское звездное скопление, находящееся на расстоянии 300 миллионов световых лет от Земли, излучает столько же энергии, сколько два триллиона солнц, вместе взятых. Однако с Земли его можно заметить лишь в очень мощный телескоп, поскольку 99 процентов излучения приходится на невидимую инфракрасную часть спектра. Это тепловое излучение в 100 раз более интенсивно, чем у нашей Галактики. Обнаружившие это скопление ученые считают, что в его центральной части, видимо, находится "исключительно мощный источник теплового излучения", который нагревает окружающее газопылевое облако. Возникновение таких инфракрасных галактик возможно при столкновении двух или более звездных скоплений, а результате чего образуется множество новых солнц.
САМЫЙ ЯРКИЙ ОБЪЕКТ ВСЕЛЕННОЙ
Группа астрономов обнаружила квазар, имеющий такую яркость, что если бы он находился в 650 световых годах от Земли, то казался бы нам столь же ярким, как Солнце. На самом деле он удален от нас примерно на 10
дов световых лет. Это самый яркий из известных небесных объектов.
Квазары (квазизвездные радиообъ^11,1) - загадочные небесные тела, очень удаленные от Земли, излучающие больше энергии, чем целая Галактика. Их природа неясна, предполагают что это либо первые стадии жизни галактик, либо, наоборот, остатки погибших галактик.
УДИВИТЕЛЬНЫЙ ВОЛЧОК В СОЗВЕЗДИИ ОРЛА
Летом 1978 года было сделано открытие, приковавшее внимание всего астрономического мира сразу и надолго. Не было на Земле человека, имевшего отношение к астрономии, который бы не спрашивал: что там нового, какую еще сенсацию подбросил этот источник? Речь шла о слабенькой красноватой звездочке четырнадцатой величины в созвездии Орла.
ЛЕТО ЗАГАДОК
Итак, было лето 1978 года. Б. Маргон, астроном из Калифорнийского университета, исследовал с помощью спектрографа, установленного в фокусе пятиметрового телескопа, объект под названием СС 433. Число это означает попросту порядковый номер звездочки в каталоге, выпущенном десятилетием раньше двумя астрономами, фамилии которых начинались с буквы С: А. Стефенсоном и М. Сандулеком. Несколько ночей наблюдений, и Маргон пришел к первой идее - он решил, что труба его спектрографа погнулась. Это была строго логичная идея. Действительно, нужно было, не увеличивая
сущностей (гипотез), просто допустить неисправность спектрографа.
Маргон быстро убедился, что спектрограф ни при чем и странность заключена не в приборе, а в объекте. Странность же была такой: несколько довольно ярких линий излучения в спектре звезды не стояли на положенных местах, а от ночи к ночи смещались - часть линий в красную сторону, а часть - в фиолетовую.
В самом факте смещения линий в спектре для астронома нет ничего необычного. Все знают, что линии в спектрах квазаров очень сильно смещены в красную сторону,- все квазары удаляются от нас с огромными скоростями. В спектре известной Крабовидной туманности есть линии, смещенные в красную сторону, а есть смещенные в фиолетовую. Дело в том, что передний край туманности приближается к нам, а задний удаляется - ведь туманность расширяется. Мы видим оба края, обе серии линий.
Однако в спектрах квазаров и Крабовидной туманности линии, хотя и смещены с "законных" мест, все же неподвижны: скорость движения постоянна. А вот линии в спектре СС 433 были не только смещены в разные стороны, но еще и двигались. За месяц линии в красной области сместились на десятую часть своей длины. Вряд ли число что-либо говорит неподготовленному читателю. Дело в том, что смещение спектральной линии тем больше, чем быстрее приближается или удаляется источник света. Открытие Маргона означало, что скорость движения изменилась на 10 процентов по отношению к скорости света, а та равна 300 тысячам километров в секунду. Значит, за месяц наблюдений скорость удаления объекта увеличилась на 30 тысяч километров в секунду! И скорость приближения тоже.
Представьте себе, скажем, квазар - масса в миллиарды раз больше массы Солнца,- который за месяц увеличил бы скорость своего движения на такую
огромную величину. Или туманность, в которой газы за месяц стали бы расширяться на 30 тысяч километров в секунду быстрее. Такого еще не было.
Более того, картина смещения линий оказалась периодической, она повторялась каждые 164 дня. Линии разбегались друг от друга, а потом сходились, чтобы вновь разбежаться...
Открытие Маргона сразу привлекло внимание астрофизиков, его сравнивали с открытием пульсаров в 1967 году. Что ж, давайте сравним и мы.
Пульсары были открыты случайно только потому, что радиотелескоп, построенный в Кембридже под руководством Э. Хьюиша, оказался в нужный момент направлен в нужный участок неба. Конечно, рано или поздно не этот, так другой пульсар все равно бы обнаружили. Однако кто знает, сколько месяцев или лет ушло бы на это! Итак, открытие Хьюиша в большой степени случайно, хотя, как потом оказалось, теоретически его можно было предсказать лет на двадцать раньше. Исследование же объекта СС 433 вовсе не дело случая. Маргон работал в рамках общей программы отождествления рентгеновских источников. В семидесятых годах американские спутники "УХУРУ" и САС-З и английский "Ариэль" завершили предварительные обзоры неба в рентгеновском диапазоне. Были открыты и нанесены на карты сотни источников. Для многих из них уже стали известны и оптические аналоги. Однако сопоставить оптические объемы с рентгеновскими удавалось далеко не всегда.
Что ожидал обнаружить Маргон? Он предполагал, что найдет затмения, которые говорили бы, что СС 433 - двойная система. Ожидал, что найдет, например, пульсации оптического излучения. Природа преподнесла сюрприз, и началось восхождение на первый виток спирали исследований. Впоследствии, когда спираль завершила этот виток, все то, что ожидали обнаружить у СС 433, было обнаружено - и
ния, и оптическая переменность. В этом смысле объект оправдал ожидания теоретиков. Но к тому времени все они так увлеклись поисками разгадки, обнаруженной летом 1978 года странности, что все прочие особенности оказались в тени.
Все более ранние отождествления рентгеновских источников с оптическими звездами (а Маргон сделал немало таких работ) сенсаций не вызвали. В основном наблюдения не противоречили главной идее: рентгеновские источники в нашей Галактике - это двойные звездные системы. В них одна звезда обычная, гигант или карлик, горячая или не очень. Вторая звезда интереснее - это нейтронная звезда или, возможно, "черная дыра". Нормальная звезда теряет часть своего вещества, а нейтронная звезда это вещество "заглатывает". В этом причина рентгеновского излучения и всех любопытных эффектов, которые в таких системах наблюдаются.
Но СС 433 такие предположения опроверг. Возникло противоречие.
ОТСТУПЛЕНИЕ ПЕРВОЕ: НАУЧНЫЕ ПРОТИВОРЕЧИЯ
Именно противоречия двигают науку вперед. Не потому, что существуют, а потому, что от них так или иначе удается избавиться. Разрешая противоречия, ученые действуют методом проб и ошибок. Известно немало способов объяснить смещение спектральных линий- все эти способы рассматриваются в той или иной последовательности и, естественно, отвергаются сразу или со временем. Естественно - потому что объяснений много, а истина одна.
Ученый, которому в голову пришла идея объяснения, не расстается с ней месяцами. И другой ученый, и третий, и четвертый. Часто идеи повторяют друг друга, но если посмотреть как бы "сверху" на картину работы над проблемой, окажется, что почти все мыслимые идеи были высказаны в то или иное
время. Но именно в то или иное. Вре^я-то идет. Метод проб и ошибок работает медленно.
Поэтому довольно часто (когда это удается организовать) устраиваются конференции. Дискутировать на страницах журналов - дело долгое. Состоялась конференция и по поводу тайны СС 433 в Мюнхене в декабре 1978 года.
Если прибегать к терминам науковедения, то конференция - это способ организации метода проб и ошибок. В инженерном деле есть метод активизации творческого процесса, называемый мозговым штурмом. Во время него высказываются разные идеи о решении выбранной проблемы. Научная конференция тоже хороша именно тем, что здесь не теряется время, свободно высказываются и сталкиваются мнения.
Но она страдает тем недостатком, что критика на ней поощряется. В спорах, говорят, рождается истина. В принципе верно, но верно чаще всего в тех случаях, когда приходится выбирать из двух решений и при этом ясно, что одно из решений и есть истина. А когда все в проблеме туманно, нужно туман сначала рассеять. Для этого необходимо иметь полную картину всех возможных в принципе объяснений. Всех и сразу. И не нужно критиковать - все новые идеи уязвимы, и потому верной может показаться та, которая меньше подверглась критике.
Так случилось и на конференции в Мюнхене. Меньше прочих критиковалась идея о том, что смещения спектральных линий могут вызываться сильным магнитным полем (эффект Зеемана) и что к реальным движениям в объекте наблюдаемая картина отношения не имеет. А то, что линии постоянно смещаются, может говорить о том, что магнитное поле переменно. Конечно, величина поля нужна фантастическая, хотя в обычных звездах нет полей, способных вызвать такие смещения. "К счастью,- писал американский астрофизик Дж. Катц,-мы так никогда и не
2 Эврика-86 1
опубликовали эти теории". Вот случай действия метода проб и ошибок, случай, когда спор привел к удалению от истины, ведь идея о сильных переменных магнитных полях отношения к реальности не имела. Противоречие осталось.
КОСМИЧЕСКИЙ ФОНТАН?
Метод проб и ошибок продолжал действовать. В 1979 году была предложена красивая идея. Она разрешала основное противоречие, но создавала новое, и более глубокое. Собственно, идея объясняла, как говорят философы, лишь видимость явления, а не его сущность. Она была названа кинематической именно потому, что рассказывала о том, к а к происходят движения в СС 433, но не почему они происходят.
Прямолинейное движение (например, расширение газа) было совмещено с вращением. Представьте себе некое компактное тело, вращающееся вокруг своей оси. И вообразите, что на его полюсах поставили по водомету вдоль оси с большой силой бьют в разные стороны две узкие струи. В данном случае речь идет о струях плазмы, а не воды, но принцип не меняется. Если вы смотрите на волчок со стороны одного из полюсов, то видите только одну из струй, направленную прямо на вас. По эффекту Доплера вы можете определить и скорость, с которой к вам приближаются частицы вещества в этой струе. Затем иная ситуация - вы смотрите на волчок сбоку, видите обе струи, но они движутся, как говорят астрономы, "в картинной плоскости", не удаляясь и не приближаясь к вам. Никакого смещения спектральных линий вы не отметите, скорость движения частиц в струе не определите.
Что ж, а теперь представьте промежуточную картину- вы видите волчок под некоторым углом к его оси вращения. Видны обе струи, в одной из них частицы приближаются к вам, в
гой - удаляются. Вот вам уже две системы линий, которые вы сможете наблюдать. Одни линии сильно смещены в красную сторону, а другие - в фиолетовую. Однако это ведь постоянные скорости, а вовсе не переменные!
Противоречие осталось? Нет. Нужно только представить, что струи бьют не точно по оси вращения, а под некоторым углом к ней. Тогда картина движения будет меняться и повторяться через каждый оборот волчка. Будет периодически меняться и измеряемая по доплеровским смещениям скорость движения частиц.
Именно такая модель и была предложена Б. Маргоном и Дж. Эйбеллом (США). Из таинственного космического тела под углом к его оси вращения бьют две струи плазмы, узкие, как луч лазера. Бьют с огромной скоростью - больше одной четверти скорости света!
Так удалось нарисовать картину видимого движения в СС 433. Впоследствии она, конечно, видоизменялась и уточнялась. Но возникло новое противоречие, еще более важное. Почему бьют струи? Почему они такие узкие? Уже первые оценки показали, что ежесекундно струи могут уносить из СС 433 энергию, равную миллиону светимости нашего Солнца! И самое странное - вещество в струях остается при этом холодным! Земная физика не знает пока способа такого аккумулирования огромной кинетической энергии в узких струях: здесь оказалась загадка не только для астрофизиков, но и для физиков.
Кроме линий излучения вещества в узких струях плазмы, в спектре СС 433 есть и обычные линии водорода, гелия и некоторых других элементов, расположенные там, где им и полагается быть. Эти несмещенные линии до поры до времени не привлекали внимания. Однако в наблюдательный сезон 1979 года астрофизики обнаружили, что и эти линии периодически сдвигаются, правда, незначительно. Был
тановлен и период- 13 дней. Два периода у одного волчка?
Парадокс такого рода, однако, известен астрофизикам, и объяснение дали сразу: большой период (164 дня) может быть связан с объектом, испускающим струи. А короткий период (13 дней) возникает из-за того, что сам объект обращается по орбите около какого-то второго тела. Попросту говоря, СС 433 - двойная система.
Это предположение устраняло сразу несколько противоречий. Стало возможным объяснить основное, как говорят астрофизики, непрерывное излучение, на фоне которого и видны смещенные линии: часть излучения исходит от обычной звезды, около которой вращается неизвестный объект, а другая часть - от газовых потоков, текущих от нормальной звезды к "ненормальной". Эта "ненормальная" звезда и есть тот таинственный волчок, источник двух удивительных струй.
ОТСТУПЛЕНИЕ ВТОРОЕ: МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Что за странные термины: нормальная звезда, ненормальная звезда... У звезд есть классы, типы светимостей, и, вероятцр, астрофизики в своих статьях не пользуются такими неопределенными терминами? Верно, не пользуются. Но... Каждый из исследователей придерживается своего взгляда на то, какие именно типы звезд образуют двойную систему СС 433. Истинное решение еще не найдено, происходит перебор вариантов методом проб и ошибок. Между тем существует современная модернизация этого метода - морфологический анализ, то есть систематический перебор всех мыслимых вариантов. Попробуем сейчас провести такой анализ для того, чтобы разобраться в системе СС 433.
Будем исходить из того, что это - двойная система. В том или ином сочетании в нее могут входить: а) нормальная звезда, б) белый карлик, в)
тронная звезда, г) "черная дыра". Объединим элементы по два. Вот какие получаются двойные системы; 1) нормальная звезда-1-нормальная
звезда;
2) нормальная звезда-+-белый карлик; 3) нормальная звезда-}-нейтронная
звезда; 4) нормальная звезда+"черная
ра";
5) белый карлик+белый карлик;
6) белый карлик-}-нейтронная звезда;
7) белый карлик+"черная дыра";
8) нейтронная звезда-)-нейтронная звезда;
9) нейтронная звезда-)-"черная дыра";
10) "черная дыра"-)-"черная дыра". Итак, десять типов двойных систем. Плюс четыре случая, когда второго компонента просто нет! Всего четырнадцать. Какие варианты уже рассмотрены учеными? Не будем перечислять авторов и гипотез, скажем только, что уже обсуждались системы под номерами 1,3,4,6, 10. В каждом из случаев рассматривались разные модификации моделей. Например, если изучалась система, состоящая из нормальной и нейтронной звезд (N 3), то ведь можно было брать нормальную звезду большой массы, а можно - немассивиую, чуть побольше Солнца. Вы можете сказать, что нельзя же просто так перебирать варианты, ведь гипотезы должны соответствовать наблюдениям! Но дело в том, что наблюдения пока довольно разноречивы и дают простор для гипотез. Всех фактов не объясняет ни одна из них, а если намеренно оставлять вне рассмотрения ту или иную наблюдаемую "мелочь", то любая из гипотез оказывается не хуже Других. Сейчас большинство теоретиков склоняется к мысли, что СС 433 - система из нормальной массивной звезды и ее нейтронной соседки. Но... это лишь достаточно аргументированное мнение, а не доказательство.
ЗАГАДКА ОСТАЕТСЯ
Может показаться странным, что, перебирая возможности и гипотезы, мы ни слова не сказали о самой странной особенности СС 433 - струях плазмы, движущихся со скоростью 80 тысяч километров в секунду. Верно. Дело в том, что ни одна из гипотез не объясняет происхождения струй. Каждая, конечно, что-нибудь говорит о них. Например, известный советский ученый доктор физико-математических наук И. Новиков и его коллеги считают, что струи выбрасываются в плоскости газового диска около нейтронной звезды. Их американские коллеги полагают, что струи выбрасываются перпендикулярно диску. Есть идеи и о том, что струи возникают в области магнитных полюсов нормальной звезды. Как говорится, возможны варианты. Но ведь научная гипотеза нужна, чтобы устранить противоречие. Оно же состоит в том, что струи уносят колоссальную кинетическую энергию, которой вроде бы неоткуда взяться. Если даже удается придумать источник энергии, то оказывается, что она заключена совсем в иной форме, не в кинетической, и не является энергией поступательного движения. Скажем, нормальная звезда в двойной системе очень быстро теряет свое вещество, и это вещество "течет" к нейтронной звезде, собираясь около нее в диск. Если вещества много, то и энергия его может быть очень велика.
Можно привести аналогию: газовый диск около нейтронной звезды - это бассейн. Через одну трубу (широкую) в него втекает плазма, через другую (узкую) вытекает. Источник втекающей в бассейн плазмы нормальная звезда. Он может быть весьма мощным, ведь массивная звезда способна терять очень много вещества. Вторая трубаэто сток плазмы из диска на поверхность нейтронной звезды. Эта труба не может быть очень широкой, потому что нейтронная звезда не способна "принять" сколь угодно много
ва. И тогда плазма начнет переливаться через край бассейна - иными словами, вытекать из диска в окружающий космос и уносить избыточную энергию. Но вот почему она должна при этом вытекать в виде двух узких струй? И еще: в диске плазма горячая, ее температура-миллионы градусов. В струях плазма холодная - 10-20 тысяч градусов. В диске энергия в основном тепловая, в струях - кинетическая. Вот и нужно придумать механизм эффективной переработки тепла в движение. Современная физика плазмы такого механизма не знает! А если бы знала, представилась бы прекрасная возможность создать очень эффективный ракетный двигатель.
ФОТОПОРТРЕТЫ СС 433
Оптическая звезда из каталога Стефенсона и Сандулека находится почти в центре радиотуманности. Астрофизикам эта туманность известна давно, у нее неправильная, вытянутая форма. Когда-то на этом месте была двойная система из двух нормальных звезд. Потом одна из них завершила свой жизненный путь и взорвалась, раскидав во все стороны оболочку. Та непрерывно расширяется, и через десяток тысячелетий после взрыва занимает большое пространство-несколько световых лет. В оболочке (ее называют остатком Сверхновой) множество быстрых электронов, летящих по всем направлениям. Кроме того, в туманности довольно сильное магнитное поле. Двигаясь в этом поле, частицы излучают свою энергию, причем именно в радиодиапазоне. И на небе появляется радиотуманность. В ней-то и находится СС 433. И вот на радиоизображениях этой туманности, сделанных на лучших современных радиотелескопах, можно увидеть две струи, вытекающие будто из одной точки, из той, где в оптические телескопы виден объект СС 433. Конечно, эти струи не могут быть очень узкими - простираясь на световые
ды, они расширяются. Более того, сама форма радиотуманности определяется именно струями-она вытянута в направлениях, куда те бьют. И тогда возникла у астрофизиков довольно крамольная идея: может, вся туманность возникла из-за струй? Может, взрыв звезды ни при чем? И действительно, довольно простой расчет показывает, что за десять тысяч лет струи вполне успели бы "накачать" в туманность нужное количество энергии. Вся она - это вещество, выброшенное из двойной системы. Вся огромная туманность - расплывшиеся в космосе струи...
Они видны и на рентгеновской фотографии, сделанной с помощью приборов американского спутника "Эйнштейн". Этот снимок похож на радиоизображение, Такая же вытянутая туманность и две струи, бьющие в противоположных направлениях. Будто в космосе фонтанирует скважина, создавая вокруг себя озеро плазмы...
АНАЛОГИИ
Противоречие не разрешено, и как это часто бывает, астрофизики ищут для СС 433 аналогии. Может быть, нечто подобное уже наблюдалось у других типов небесных тел? Может, стоит поискать решение "на стороне"? Для методологии решения научных задач этот метод характерен. Например, в книге Д. Пойа "Как решать задачу" на этот счет есть четкое указание: если задача не решается в "лоб", попробуйте взять более общую задачу, возможно, ее решить легче.
Что же астрофизики? Они ищут явления, подобные струям в СС 433, и находят их, например, в далеких радиогалактиках. Из ядер некоторых активных галактик и квазаров, оказывается, тоже вылетают с большими скоростями струи плазмы, и более того - эти струи тоже крутятся около некоторой оси. Явления несопоставимы по масштабам - СС 433 по сравнению с ква^ зарами подобен комару рядом с китом*
для примера только такой факт: период обращения струй в СС 433 равен ста щестидесяти четырем суткам, а в кваздрах - миллионам лет!
Есть аналогии и в нашей Галактике. Например, на радиокарте окрестностей знаменитого рентгеновского источника "Скорпион Х-1" ясно видна вытянутая в линию структура, в центре которой он и расположен. Как видно, СС 433 - не такая уж редкость в небесном паноптикуме. Просто удивительные свойства струй в данном случае предстали наиболее рельефно.
И у квазаров, и у галактических рентгеновских источников есть отдельные особенности, которые оказались собраны вместе лишь в СС 433. В этом смысле система уникальна. И значит, интерес к странному объекту еще долго не ослабнет. Пробуя и ошибаясь, предлагая десятки гипотез, из которых выживут лишь единицы, ученые разрешат противоречие и скажут наконец: все ясно в системе СС 433. А может, удивительная система в действительности еще удивительнее, чем мы сейчас думаем? Не окажется ли, что благодаря ей удастся открыть новый закон природы и лишь тогда объяснить тайну рождения струй?
Астрономия не впервые предлагает открытия, которые впоследствии повторяются физиками. Так было, например, с открытием гелия. Может быть, история повторяется?
ГАЛАКТИКИ С КОЛЬЦАМИ
Кольца Сатурна были открыты вскоре после изобретения телескопа. Найти кольца у Юпитера и Урана удалось
лишь недавно с помощью космических автоматических станций. Сейчас обнаружено, что и некоторые галактики окружены кольцами. В этом случае кольца состоят из звезд.
Первая такая галактика открыта в созвездии Кита. С тех пор, просматривая старые фотоснимки различных областей неба, астрономы нашли еще десятка два галактик, окруженных кольцами. Интересно, что во всех известных пока случаях ось вращения колец перпендикулярна к оси вращения основного тела галактики.
Полагают, что такое образование возникает иногда при близком прохождении двух звездных миров: одна из галактик захватывает звезды другой, и они располагаются в форме кольца. Встречи галактик, разумеется, происходят под самыми разными углами, и перпендикулярность осей, по-видимому, объясняется тем, что это самая устойчивая конфигурация. Остальные варианты расположения колец просто не сохраняются, чужие звезды из кольца сравнительно быстро (по астрономическим масштабам) переходят в основную массу.
В ГЛУБИНЫ ВСЕЛЕННОЙ
Изучение астрономических объектов по их радиоизлучению довольно долго не приносило существенных результатов, поскольку разрешающая способность даже крупных радиотелескопов очень невелика. Но два десятилетия назад в нашей стране родился метод сверхдальней радиоинтерферометрии, и возможности радиоастрономии, а значит, и всей астрономии в целом,
20
ко возросли. Стало возможным наблюдать объекты, которые раньше из-за своих размеров и удаленности были принципиально недоступны для изучения. Именно радиоастрономические наблюдения дали доказательства общих представлений об эволюции горячей Вселенной.
В чем же суть метода? В одновременном наблюдении одного объекта двумя или несколькими радиотелескопами, находящимися на сверхдальнем расстоянии друг от друга (скажем, один - в Европе, другой - в Америке). Тем самым они составляют единый инструмент радиоинтерферометр, разрешающая способность (угловое разрешение) которого значительно превосходит лучшие оптические телескопы. Благодаря этому радиоастрономия получила возможности изучать не только сами астрономические объекты, но и их движение. Много нового узнали ученые о квазарах и пульсарах, о нейтронных звездах и газопылевых комплексах, о строении галактик и многих других объектах Вселенной.
Но метод сверхдальней радиоинтерферометрии нашел применение не только в астрофизике. Благодаря ему возникли новые научные дисциплины, например, астронавигация, а геодезия и астрометрия получили возможность измерять земные расстояния с точностью до нескольких сантиметров. Этот же метод позволяет с высокой точностью контролировать полеты космических кораблей и межпланетных автоматических станций.