Страница:
Эхо Большого взрыва
И Томлинсон взглянул назад и увидал в ночи
Звезды, замученной в аду, багровые лучи.
И Томлинсон взглянул вперед и увидал сквозь бред
Звезды, замученной в аду, молочно-белый свет.
Редьярд Киплинг
В конце первой главы рассказывалось о том, что звезды не распределяются в пространстве равномерно, но образуют более или менее компактные структуры (галактики), которые, в свою очередь, входят в состав скоплений и сверхскоплений, простирающихся на десятки миллионов световых лет. Наша Галактика (Млечный Путь) является одним из таких звездных островов и насчитывает примерно 200 миллиардов звезд (от 150 до 400 миллиардов, по разным оценкам). Если смотреть на нее с ребра, она имеет чечевицеобразную форму двояковыпуклой линзы, а в плане, при взгляде сверху, выглядит как плоский диск со сгустком в центре и отходящими от него спиральными рукавами. Галактика имеет довольно сложное строение. В ней принято выделять ядро, или балдж (от английского bulge – «выпуклость, вздутие»), диск и гало (галактическую корону). Ядро представляет собой компактный сферический компонент, окружающий галактический центр, где находится сверхмассивная черная дыра с массой от двух до трех миллионов масс Солнца. Плотность звездного населения около центра Галактики весьма высока: если в окрестностях Солнца на 16 кубических парсек приходится всего одна звезда, то в центре в одном кубическом парсеке содержится примерно 10 тысяч звезд. Однако плотность звезд в балдже быстро падает по мере удаления от центра: на расстоянии нескольких тысяч световых лет он уже практически неразличим. В ядре преобладают старые звезды с низким содержанием тяжелых элементов, а его масса оценивается в 20 миллиардов солнечных масс.
Более половины массы Галактики (около 60 миллиардов масс Солнца) приходится на плоский диск, внутри которого иногда выделяют тонкую и толстую часть. Поперечник галактического диска (и Галактики в целом) составляет 100 тысяч световых лет, или 30 килопарсек (30 кпк), а его толщина колеблется в широких пределах – от 300 до 3 тысяч световых лет. В области центра он тоньше, а к периферии заметно расширяется. Диск содержит много молодых звезд и плотные облака газа и пыли – очаги активного звездообразования, на которые приходится до 10 % его массы. Галактический диск неверно представлять себе как сплошную гомогенную структуру наподобие колеса или линзы, так как он распадается на спиральные рукава, среди которых принято выделять два (иногда четыре) больших и множество малых. Солнце расположено в 26 тысячах световых лет (примерно 8 кпк) от центра Галактики и совершает вокруг него полный оборот за 220 миллионов лет, летя сквозь пустоту со скоростью 250 километров в секунду. Если считать один оборот вокруг центра галактическим годом, то возраст Солнечной системы составит 20 галактических лет – именно столько витков она успела накрутить с момента своего образования.
Разумеется, Солнце не одиноко в своем неустанном кружении – все звезды диска обращаются вокруг галактического центра. Орбита Солнца практически круговая и лежит в плоскости галактического диска (всего в 20 световых годах от него по вертикали), поэтому изучение ядра Млечного Пути сопряжено со значительными трудностями. Оно отгорожено от нас звездами диска, находящимися ближе к ядру, а также мощными газово-пылевыми облаками, которые не пропускают свет от структур галактического центра. Оптическим наблюдениям доступно только охвостье Галактики, а самое интересное спрятано от землян плотной газово-пылевой завесой. Вот если бы нам каким-то чудом удалось взмыть над плоскостью Млечного Пути, мы бы увидели таинственный балдж во всем его великолепии. К сожалению, подобная перспектива не светит даже нашим далеким потомкам, ибо Солнце в своем орбитальном движении почти не отклоняется от плоскости галактического экватора. В нашу эпоху оно летит в промежутке между спиральными рукавами Персея и Стрельца, медленно приближаясь к рукаву Персея.
Кроме плоского диска и центрального вздутия в области ядра, Галактика обладает сферическим гало, которое окутывает галактическую линзу наподобие облака. Астрономы давно заметили, что некоторые звезды не плывут размеренно и неторопливо в плоскости диска, а снуют в самых разных направлениях, пронизывая его насквозь. Складывается впечатление, что они заполняют весь сферический объем, куда погружен галактический диск, образуя гигантский эллипсоид, протянувшийся на сотни тысяч световых лет. Гало населяют старые звезды, которым около 10 миллиардов лет от роду, то есть они вдвое старше Солнца. Одна часть звезд предпочитает жить в гордом одиночестве, а другая входит в состав так называемых шаровых скоплений, которых насчитывается около 200. В каждом из них содержится от 10 тысяч до 3 миллионов звезд, что составляет не более 1 % всех звезд гало. Помимо шаровых скоплений и одиночных звезд, в галактической короне обнаруживаются газовые облака и карликовые галактики, обитающие на расстоянии в 150 кпк от Млечного Пути.
Хотя суммарная масса звезд гало не превышает, по-видимому, миллиарда масс Солнца, галактическая корона гораздо увесистее нашей Галактики. На это указывают некоторые особенности вращения Млечного Пути и характер движения его спутников. Предполагается, что большая часть массы гало связана с так называемой темной материей (или скрытой массой). О проблеме скрытой массы рассказывается в главе «И тьма пришла».
Наша Галактика относится к числу спиральных галактик, которые, по классификации американского астронома Эдвина Хаббла, принято обозначать буквой S (от английского слова spiral, которое вряд ли нуждается в переводе). Все спиральные галактики состоят из сферического и плоского компонентов, то есть из ядра и диска, причем диск имеет выраженную спиральную структуру. Как правило, основных спиральных рукавов бывает два, но может насчитываться и больше. В зависимости от формы спиральных ветвей и размеров балджа внутри галактик типа S выделяют несколько подтипов – Sa, Sb, Sc и Sd. В этом ряду спиральные ветви становятся все более клочковатыми, а размер ядра уменьшается. Спиральные рукава тоже могут быть ориентированы по-разному: в одних случаях они начинаются непосредственно от ядра, а в других цепляются за концы толстой звездной перемычки, пересекающей центральную часть галактики. Такая перемычка называется баром, и тогда галактика попадает в категорию SB (spiral + bar). Галактики с баром подразделяются на те же самые четыре подтипа. Имеются серьезные основания полагать, что наш Млечный Путь обладает небольшой перемычкой, крайние точки которой отстоят на 3–4 кпк от центра, а по строению спиральных ветвей и размерам балджа занимает промежуточное положение между подтипами b и с.
Спиральных галактик больше всего (свыше 50 %), а среди всех остальных принято выделять галактики эллиптические, линзовидные и неправильные. Эллиптические галактики почти не содержат межзвездного газа и не имеют плоского диска. По сути дела, они представляют собой одно сплошное ядро, форма которого варьируется в широких пределах – от практически идеального шара до эллипсоида различной степени сплюснутости. Хаббл присвоил им литеру Е (elliptical по-английски), а степень уплощенности выражал в арабских цифрах. Таким образом, туманность Е0 будет шаровидной галактикой, а Е6 приобретет форму веретена. Линзовидные галактики обозначаются латинской буквой L (от английского слова lenticular – «двояковыпуклый») и внешне весьма похожи на эллиптические, поскольку внушительное ядро преобладает над тонким звездным диском, внутри которого, как правило, не удается разглядеть никаких структурных образований. Неправильные галактики – это клочковатые рваные облака, заметно уступающие по массе галактикам других типов. Больше всего они похожи на бесформенные кляксы, внутри которых можно иногда обнаружить неустойчивые и короткие спиральные рукава. В классификации Хаббла они обозначаются как Ir или Irr (irregular – «неправильные»).
Помимо разнообразия форм, многие галактики обладают весьма заметной активностью. Они взрываются и сталкиваются, вытягивая из тел своих сестер длиннющие струи газа и звездного вещества, или, наоборот, сливаются в тесных объятиях наподобие половых клеток под микроскопом. Некоторые из них излучают в радиодиапазоне и выбрасывают из своих активных ядер мощные джеты протяженностью в несколько тысяч световых лет. Хрестоматийный пример – радиогалактика Лебедь А. В оптических лучах она представляет собой объект 17-й звездной величины в виде двух еле заметных пятнышек. Но это впечатление обманчиво, потому что в действительности их светимость в 10 раз больше, чем у нашей Галактики. Слабой же эта система кажется только лишь потому, что удалена от нас на 600 миллионов световых лет. Однако, несмотря на столь внушительное расстояние, поток радиоизлучения в метровом диапазоне от Лебедя А исключительно велик и временами превышает солнечное радиоизлучение. А ведь расстояние от Земли до Солнца составляет всего-навсего 8 световых минут...
Взаимодействие галактик сплошь и рядом радикально меняет их структуру. Например, две спиральные галактики могут слиться воедино, породив эллиптическую, а большие галактики, не поморщившись, запросто проглатывают маленькие, увеличивая тем самым свой размер. Наша Галактика – тоже далеко не вегетарианец. Астрофизики полагают, что она образовалась в результате слияния нескольких сравнительно небольших галактик, да и сегодня Млечный Путь держит ухо востро, пытаясь всеми правдами и неправдами присоединить восемь карликовых галактик, находящихся в его ближайшем окружении. А через 2–3 миллиарда лет ему суждено побрататься с галактикой Андромеды, которая находится на расстоянии двух с половиной миллионов световых лет и летит в нашу сторону со скоростью 120 километров в секунду.
О Местной группе, куда входит наш Млечный Путь вместе с галактикой Андромеды, галактикой в Треугольнике и четырьмя десятками галактик помельче, мы уже писали. Эта гравитационно связанная система, имеющая в поперечнике примерно 1 Мпк (мегапарсек, миллион парсек), является, в свою очередь, частью локального сверхскопления в созвездии Девы, которое отстоит от нас на 15 Мпк. Между тем в Деве располагается только ядро локального сверхскопления, само же оно, по осторожным оценкам, протянулось на 30 Мпк (по другим данным – на 60), а его толщина составляет не менее 10 Мпк. Локальное сверхскопление имеет форму эллипсоида, а число галактик, в нем содержащихся, приблизительно оценивается в 20 тысяч. В последние годы открыто несколько десятков сверхскоплений. Некоторые их них поражают своими размерами, как, например, гигантская цепь галактик, протянувшаяся от созвездия Персея до Пегаса и Рыбы почти на 400 Мпк (больше миллиарда световых лет). Это уже не привычный эллипсоид, а скорее бусы, нанизанные на ветвящуюся нить. В иерархии метагалактических структур подобные конгломераты занимают почетное первое место.
Сказанное не означает, что тезис Фридмана об изотропности и однородности Вселенной оказался несостоятельным. Несмотря на вереницы галактик, вдоль и поперек переслаивающих Большой Космос, в объемах протяженностью в сотни мегапарсек пространство наблюдаемой Вселенной все равно не имеет выделенных направлений. И только при уменьшении масштаба удается разглядеть ячеистые структуры, где плотные участки чередуются с гигантскими пустотами. Послушаем специалистов:
Это слово – транслитерация английского термина quasar, который, в свою очередь, представляет собой аббревиатуру термина quasi-stellar radio source, что переводится как «звездоподобный радиоисточник». Первый квазар был открыт в 1963 году американским радиоастрономом голландского происхождения Мартином Шмидтом. Точнее говоря, обнаружен он был тремя годами раньше и значился в 3-м Кембриджском каталоге под номером ЗС 273 в виде слабой звездочки 13-й величины в созвездии Девы, а Шмидт первым обратил внимание на удивительные особенности его спектра. Эмиссионные линии в спектре звезды ЗС 273 поначалу никак не удавалось отождествить с линиями известных химических элементов. В конце концов Шмидт сообразил, что это вовсе не какой-то новый элемент, неведомый современной физике, а линии самых обычных химических элементов, которые настолько сильно смещены к красному концу спектра, что изменились до полной неузнаваемости. Изрядно поломав голову, Шмидт сумел идентифицировать линии водорода, ионизованного магния и некоторых других элементов.
Но если величина красного смещения столь велика, то это означает, что загадочный объект удаляется от нас с фантастической скоростью – более 40 тысяч километров в секунду. В таком случае расстояние до него должно быть никак не меньше 620 Мпк, то есть почти 2 миллиарда световых лет. (По красному смещению определяют степень удаленности астрономических объектов; речь об этом пойдет чуть ниже.) На галактику ЗС 273 похож не был, но увидеть на таком расстоянии отдельную звезду, как бы ярко она ни светила, в принципе невозможно! После того как были обнаружены еще несколько подобных объектов, ярко сиявших в видимом и радиодиапазоне электромагнитных волн, их назвали квазарами – звездо-подобными источниками интенсивного радиоизлучения. В наши дни известно уже свыше 20 тысяч квазаров, многие из которых ярко светят едва ли не на всех длинах электромагнитных волн – от рентгеновского до радиодиапазона.
Другая характерная черта квазаров – переменность их блеска с периодом несколько месяцев, что говорит о чрезвычайной компактности этих объектов. Если бы они представляли собой огромные звездные острова наподобие галактик, то их блеск ни в коем случае не мог бы меняться периодически, ибо синхронизировать «работу» миллиардов звезд принципиально невозможно. Следовательно, квазары – это сплошные небесные тела, какими, например, являются звезды. Синхронность перемен указывает также и на то, что их поперечник не может быть больше одного светового года. Вырисовывается весьма странная картина: объект уступает по размерам галактике в сотни тысяч раз, а светит при этом как добрая сотня галактик. И хотя их размеры, по всей вероятности, заметно превосходят диаметр Солнечной системы, по космическим меркам это все равно ничтожно мало. Кстати, в радиодиапазоне излучает не более 1 % квазаров, а в спектрах многих из них, как уже говорилось, можно обнаружить не только рентгеновские лучи, но и жесткие гамма-кванты. Все квазары – очень древние образования и расположены чрезвычайно далеко, на расстояниях в сотни миллионов и даже миллиарды световых лет, а возраст самых ветхих вполне сопоставим с возрастом Вселенной и достигает 13 миллиардов лет.
Каков же источник столь мощного электромагнитного излучения, причем на всех длинах волн сразу? Большинство специалистов сходятся на том, что квазары представляют собой сверхмассивные черные дыры, которые жадно поглощают вещество из окружающей среды. Заряженные частицы, захваченные гравитацией черной дыры, разгоняются до больших скоростей, что приводит к интенсивному электромагнитному излучению. Вещество падает на поверхность черной дыры по суживающейся спирали, формируя аккреционный диск, внутри которого скорость частиц, разогнанных полем тяготения, приближается к скорости света, а температура в центральной части диска достигает 100 тысяч градусов по Кельвину. По направлению к периферии диска температура падает, поэтому квазар одновременно излучает в широчайшем диапазоне электромагнитных волн – от инфракрасного излучения и видимого света до коротковолновых рентгеновских фотонов и жестких гамма-квантов. Мощное магнитное поле захватывает заряженные частицы и дополнительно их закручивает, формируя джеты – узконаправленные пучки, своего рода фонтаны, которые вылетают с полюсов с околосветовой скоростью и простираются на сотни тысяч световых лет. Взаимодействуя с межзвездным газом, частицы джетов становятся источником радиоволн.
В эпоху квазаров полным ходом шел процесс рождения галактик, поэтому материала вокруг было вдоволь. Сверхмассивные черные дыры питались в ту пору отменно, а потому и светились исключительно ярко. Однако через некоторое время им пришлось подтянуть ремешки и сесть на диету. Таким образом, квазары можно рассматривать как определенный этап в жизни сверхмассивных черных дыр: недаром их, как правило, обнаруживают на расстояниях в тысячи мегапарсек, у самых границ наблюдаемой Вселенной. Не следует забывать, что свет от самых далеких квазаров летел к земному наблюдателю многие миллиарды лет, поэтому мы видим их такими, какими они были в ранней юности. Надо полагать, что сегодня они уже давным-давно поумерили свои аппетиты и мирно живут в ядрах спокойных галактик. Но подобное соображение имеет и обратную силу, поэтому следует повнимательнее присмотреться к нашему ближайшему окружению – ведь Вселенная, как известно, изотропна и однородна. Глядишь, и найдутся неподалеку остывшие квазары-призраки, севшие на голодный паек. Между прочим, такие объекты действительно существуют – вспомните о сверхмассивных черных дырах в ядрах галактик.
Чтобы вы, читатель, могли себе представить запас жизненных сил юных квазаров, процитируем профессора Московского инженерно-физического института (МИФИ) С. Г. Рубина.
Сэр Исаак Ньютон, сформулировавший закон всемирного тяготения, полагал Вселенную однородной, бесконечной в пространстве и неизменной во времени (стационарной). Космос детерминистов представлял собой великолепно отлаженный и безукоризненно функционирующий часовой механизм, где равномерное кружение светил подчиняется строгим математическим законам. Модель стационарной Вселенной казалась простой, логичной, внутренне непротиворечивой, а потому благополучно дожила до начала XX века. Пространство, в котором совершался ход миров, мыслилось евклидовым, то есть плоским. О геометрических кунштюках нам предстоит отдельный разговор в последующих главах, здесь же напомню вам, читатель, что такое плоское пространство. В пространстве Евклида через точку, лежащую вне прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную данной (знаменитый пятый постулат), а сумма углов треугольника равна 180 градусам. Это самое обычное пространство, с которым нам приходится сталкиваться ежедневно. Относительно возраста Вселенной единства в товарищах не было: одни полагали мир сотворенным в непостижимом демиургическом акте, а другие думали, что он существует вечно. Одним словом, просвещенная публика на рубеже веков обитала в бескрайней стационарной Вселенной, существующей неограниченно долго.
Однако бесконечность – пугает. Рассудок пасует перед подобными категориями, ибо они не только лишены наглядности, но и грешат многочисленными неувязками. Конечно, всегда можно слепить подходящую метафору, и тогда все вроде бы встанет на свои места. Была, скажем, такая красивая восточная притча: «Далеко-далеко на краю света высится огромная алмазная гора, достающая своей вершиной до самого неба. Раз в тысячу лет на вершину этой горы садится маленькая птичка, чтобы поточить клюв. Когда птичка сточит гору до основания, пройдет одно мгновение вечности». Кто спорит, сказано изящно и со вкусом, но на самом деле это всего лишь иллюзия понимания. Понятно, что рано или поздно птичка доберется до основания горы, хотя ей придется затратить очень много времени и сил. Так что невообразимость вечности никуда не делась, она просто отодвинулась в несусветную даль.
Притчи притчами, но у модели стационарной Вселенной, бесконечной во времени и пространстве, есть куда более серьезные недостатки. Если бы дело ограничивалось только психологической неприемлемостью категории бесконечного, на подобную мелочь можно было бы спокойно закрыть глаза. Беда в том, что постулат о Вселенной, существующей неограниченно долго, наталкивается на неразрешимое противоречие. Вечность можно уподобить геометрической прямой, которая простирается в обе стороны – и в прошлое, и в будущее. Другими словами, она не имеет ни начала, ни конца. Но в таком случае в любой произвольно выбранный момент времени (например, сегодня) Вселенная уже существуетбесконечно долго. Следовательно, все процессы, в ней происходящие, должны давным-давно завершиться и Вселенная обязана пребывать в состоянии некоего абсолютного равновесия. Однако астрономические наблюдения неопровержимо свидетельствуют, что мир все время эволюционирует, причем эволюционирует достаточно быстро. Когда мы смотрим в телескоп, мы заглядываем в далекое прошлое Вселенной и видим, что 10 миллиардов лет назад она была совсем не такой, как сегодня. Скажите на милость, откуда взяться эволюции, если у нас за спиной неисчислимое количество лет? Мы уже не говорим о том, что вечность по определению не может быть исчерпана – на то она и вечность. Тогда как же она умудрилась доползти до наших дней?
Не лучше обстоит дело и с бесконечностью в пространстве. В 1823 году немецкий астроном Генрих Ольберс опубликовал работу с критикой модели бесконечной стационарной Вселенной. Он рассуждал следующим образом. Сначала сформулируем три предпосылки: 1) протяженность Вселенной бесконечна; 2) число звезд тоже бесконечно, и они равномерно распределены в пространстве; 3) все звезды имеют в среднем одинаковую светимость. Ну что же, вполне разумные предпосылки. А теперь посмотрим, что у нас получится. Мысленно поместив Солнечную систему в центр, Ольберс разделил все пространство за ее пределами на ряд концентрических слоев, или сфер. Вселенная стала напоминать луковицу. Пусть слой В лежит втрое дальше слоя А. Тогда объем слоя В будет в 9 раз больше, чем объем слоя А (З2= 9), так как объемы слоев возрастают пропорционально квадрату расстояния каждого слоя от центра. Если звезды равномерно «размазаны» по всем слоям (предпосылка 2), то слой В, чей объем в 9 раз больше объема слоя А, будет содержать в девять раз больше звезд. С другой стороны, светимость отдельных звезд убывает пропорционально квадрату расстояния, из чего следует, что яркость каждой звезды слоя В при условии их равной светимости (предпосылка 3) составит (1/3)2= 1/9 яркости отдельной звезды слоя А. Но ведь звезд в слое В при этом ровно в 9 раз больше! Другими словами, светимость слоев А и В будет совершенно идентичной, и Солнечная система получит от этих слоев равное количество света.
Та же самая картина справедлива и для всех других слоев, а поскольку их количество бесконечно (предпосылка 1), то небосвод должен сиять нестерпимым блеском даже ночью. Небо превратится в одно сплошное гигантское Солнце, чего в действительности не наблюдается.
Ольберс предположил, что свет, идущий к нам от далеких звезд, ослабевает из-за поглощения в пылевых облаках, расположенных на его пути. Однако этот контраргумент тоже несостоятелен, поскольку облака должны постепенно нагреться и со временем начать светиться столь же ярко, как и сами звезды. Единственная возможность разрешить парадокс Ольберса (его еще называют фотометрическим парадоксом) состоит в допущении, что число звезд выражается конечной величиной.
Другой парадокс, получивший название гравитационного парадокса, или парадокса Зеелигера, базируется на законе всемирного тяготения Ньютона.
Вспомним, читатель, что, согласно этому закону, тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. А поскольку звезды не распределены строго равномерно на фиксированных расстояниях друг от друга, то перепады плотности среди звездного населения неминуемо приведут к тому, что они рано или поздно соберутся в кучу. Между прочим, этот вывод справедлив и для конечной стационарной Вселенной. Правда, сам Ньютон полагал, что концепция бесконечной Вселенной позволяет избежать этого парадокса, потому что бесконечное число звезд, распределенных более или менее равномерно, никогда не стянется в точку, так как в бесконечном пространстве нет выделенного центра. Сохранилось даже его письмо к Ричарду Бентли на эту тему.
Более половины массы Галактики (около 60 миллиардов масс Солнца) приходится на плоский диск, внутри которого иногда выделяют тонкую и толстую часть. Поперечник галактического диска (и Галактики в целом) составляет 100 тысяч световых лет, или 30 килопарсек (30 кпк), а его толщина колеблется в широких пределах – от 300 до 3 тысяч световых лет. В области центра он тоньше, а к периферии заметно расширяется. Диск содержит много молодых звезд и плотные облака газа и пыли – очаги активного звездообразования, на которые приходится до 10 % его массы. Галактический диск неверно представлять себе как сплошную гомогенную структуру наподобие колеса или линзы, так как он распадается на спиральные рукава, среди которых принято выделять два (иногда четыре) больших и множество малых. Солнце расположено в 26 тысячах световых лет (примерно 8 кпк) от центра Галактики и совершает вокруг него полный оборот за 220 миллионов лет, летя сквозь пустоту со скоростью 250 километров в секунду. Если считать один оборот вокруг центра галактическим годом, то возраст Солнечной системы составит 20 галактических лет – именно столько витков она успела накрутить с момента своего образования.
Разумеется, Солнце не одиноко в своем неустанном кружении – все звезды диска обращаются вокруг галактического центра. Орбита Солнца практически круговая и лежит в плоскости галактического диска (всего в 20 световых годах от него по вертикали), поэтому изучение ядра Млечного Пути сопряжено со значительными трудностями. Оно отгорожено от нас звездами диска, находящимися ближе к ядру, а также мощными газово-пылевыми облаками, которые не пропускают свет от структур галактического центра. Оптическим наблюдениям доступно только охвостье Галактики, а самое интересное спрятано от землян плотной газово-пылевой завесой. Вот если бы нам каким-то чудом удалось взмыть над плоскостью Млечного Пути, мы бы увидели таинственный балдж во всем его великолепии. К сожалению, подобная перспектива не светит даже нашим далеким потомкам, ибо Солнце в своем орбитальном движении почти не отклоняется от плоскости галактического экватора. В нашу эпоху оно летит в промежутке между спиральными рукавами Персея и Стрельца, медленно приближаясь к рукаву Персея.
Кроме плоского диска и центрального вздутия в области ядра, Галактика обладает сферическим гало, которое окутывает галактическую линзу наподобие облака. Астрономы давно заметили, что некоторые звезды не плывут размеренно и неторопливо в плоскости диска, а снуют в самых разных направлениях, пронизывая его насквозь. Складывается впечатление, что они заполняют весь сферический объем, куда погружен галактический диск, образуя гигантский эллипсоид, протянувшийся на сотни тысяч световых лет. Гало населяют старые звезды, которым около 10 миллиардов лет от роду, то есть они вдвое старше Солнца. Одна часть звезд предпочитает жить в гордом одиночестве, а другая входит в состав так называемых шаровых скоплений, которых насчитывается около 200. В каждом из них содержится от 10 тысяч до 3 миллионов звезд, что составляет не более 1 % всех звезд гало. Помимо шаровых скоплений и одиночных звезд, в галактической короне обнаруживаются газовые облака и карликовые галактики, обитающие на расстоянии в 150 кпк от Млечного Пути.
Хотя суммарная масса звезд гало не превышает, по-видимому, миллиарда масс Солнца, галактическая корона гораздо увесистее нашей Галактики. На это указывают некоторые особенности вращения Млечного Пути и характер движения его спутников. Предполагается, что большая часть массы гало связана с так называемой темной материей (или скрытой массой). О проблеме скрытой массы рассказывается в главе «И тьма пришла».
Наша Галактика относится к числу спиральных галактик, которые, по классификации американского астронома Эдвина Хаббла, принято обозначать буквой S (от английского слова spiral, которое вряд ли нуждается в переводе). Все спиральные галактики состоят из сферического и плоского компонентов, то есть из ядра и диска, причем диск имеет выраженную спиральную структуру. Как правило, основных спиральных рукавов бывает два, но может насчитываться и больше. В зависимости от формы спиральных ветвей и размеров балджа внутри галактик типа S выделяют несколько подтипов – Sa, Sb, Sc и Sd. В этом ряду спиральные ветви становятся все более клочковатыми, а размер ядра уменьшается. Спиральные рукава тоже могут быть ориентированы по-разному: в одних случаях они начинаются непосредственно от ядра, а в других цепляются за концы толстой звездной перемычки, пересекающей центральную часть галактики. Такая перемычка называется баром, и тогда галактика попадает в категорию SB (spiral + bar). Галактики с баром подразделяются на те же самые четыре подтипа. Имеются серьезные основания полагать, что наш Млечный Путь обладает небольшой перемычкой, крайние точки которой отстоят на 3–4 кпк от центра, а по строению спиральных ветвей и размерам балджа занимает промежуточное положение между подтипами b и с.
Спиральных галактик больше всего (свыше 50 %), а среди всех остальных принято выделять галактики эллиптические, линзовидные и неправильные. Эллиптические галактики почти не содержат межзвездного газа и не имеют плоского диска. По сути дела, они представляют собой одно сплошное ядро, форма которого варьируется в широких пределах – от практически идеального шара до эллипсоида различной степени сплюснутости. Хаббл присвоил им литеру Е (elliptical по-английски), а степень уплощенности выражал в арабских цифрах. Таким образом, туманность Е0 будет шаровидной галактикой, а Е6 приобретет форму веретена. Линзовидные галактики обозначаются латинской буквой L (от английского слова lenticular – «двояковыпуклый») и внешне весьма похожи на эллиптические, поскольку внушительное ядро преобладает над тонким звездным диском, внутри которого, как правило, не удается разглядеть никаких структурных образований. Неправильные галактики – это клочковатые рваные облака, заметно уступающие по массе галактикам других типов. Больше всего они похожи на бесформенные кляксы, внутри которых можно иногда обнаружить неустойчивые и короткие спиральные рукава. В классификации Хаббла они обозначаются как Ir или Irr (irregular – «неправильные»).
Помимо разнообразия форм, многие галактики обладают весьма заметной активностью. Они взрываются и сталкиваются, вытягивая из тел своих сестер длиннющие струи газа и звездного вещества, или, наоборот, сливаются в тесных объятиях наподобие половых клеток под микроскопом. Некоторые из них излучают в радиодиапазоне и выбрасывают из своих активных ядер мощные джеты протяженностью в несколько тысяч световых лет. Хрестоматийный пример – радиогалактика Лебедь А. В оптических лучах она представляет собой объект 17-й звездной величины в виде двух еле заметных пятнышек. Но это впечатление обманчиво, потому что в действительности их светимость в 10 раз больше, чем у нашей Галактики. Слабой же эта система кажется только лишь потому, что удалена от нас на 600 миллионов световых лет. Однако, несмотря на столь внушительное расстояние, поток радиоизлучения в метровом диапазоне от Лебедя А исключительно велик и временами превышает солнечное радиоизлучение. А ведь расстояние от Земли до Солнца составляет всего-навсего 8 световых минут...
Взаимодействие галактик сплошь и рядом радикально меняет их структуру. Например, две спиральные галактики могут слиться воедино, породив эллиптическую, а большие галактики, не поморщившись, запросто проглатывают маленькие, увеличивая тем самым свой размер. Наша Галактика – тоже далеко не вегетарианец. Астрофизики полагают, что она образовалась в результате слияния нескольких сравнительно небольших галактик, да и сегодня Млечный Путь держит ухо востро, пытаясь всеми правдами и неправдами присоединить восемь карликовых галактик, находящихся в его ближайшем окружении. А через 2–3 миллиарда лет ему суждено побрататься с галактикой Андромеды, которая находится на расстоянии двух с половиной миллионов световых лет и летит в нашу сторону со скоростью 120 километров в секунду.
О Местной группе, куда входит наш Млечный Путь вместе с галактикой Андромеды, галактикой в Треугольнике и четырьмя десятками галактик помельче, мы уже писали. Эта гравитационно связанная система, имеющая в поперечнике примерно 1 Мпк (мегапарсек, миллион парсек), является, в свою очередь, частью локального сверхскопления в созвездии Девы, которое отстоит от нас на 15 Мпк. Между тем в Деве располагается только ядро локального сверхскопления, само же оно, по осторожным оценкам, протянулось на 30 Мпк (по другим данным – на 60), а его толщина составляет не менее 10 Мпк. Локальное сверхскопление имеет форму эллипсоида, а число галактик, в нем содержащихся, приблизительно оценивается в 20 тысяч. В последние годы открыто несколько десятков сверхскоплений. Некоторые их них поражают своими размерами, как, например, гигантская цепь галактик, протянувшаяся от созвездия Персея до Пегаса и Рыбы почти на 400 Мпк (больше миллиарда световых лет). Это уже не привычный эллипсоид, а скорее бусы, нанизанные на ветвящуюся нить. В иерархии метагалактических структур подобные конгломераты занимают почетное первое место.
Сказанное не означает, что тезис Фридмана об изотропности и однородности Вселенной оказался несостоятельным. Несмотря на вереницы галактик, вдоль и поперек переслаивающих Большой Космос, в объемах протяженностью в сотни мегапарсек пространство наблюдаемой Вселенной все равно не имеет выделенных направлений. И только при уменьшении масштаба удается разглядеть ячеистые структуры, где плотные участки чередуются с гигантскими пустотами. Послушаем специалистов:
Общая структура напоминает пчелиные соты или мыльную пену, только она более размытая, без определенного четкого рисунка. Узлы ячеек образованы сверхскоплениями галактик, а внутри ячеек галактик почти нет. Диаметры таких ячеек достигают нескольких десятков мегапарсек. Пытаясь представить себе структуру Вселенной в этих гигантских масштабах, важно помнить, что она не статическая: Вселенная расширяется, ее части удаляются друг от друга, поэтому ячейки увеличиваются, как и отдельные сверхскопления галактик.Другими словами, наш мир непрерывно эволюционирует. Наблюдения однозначно свидетельствуют, что ячеистая структура все время деформируется: «мосты», переброшенные между сверхскоплениями, худеют и растягиваются, а стенки ячеек мало-помалу истаивают и медленно расползаются. Вселенная предельно нестационарна, она вся – рост и становление, и об этой ее динамике, обнаруженной почти 100 лет назад, пришло время поговорить. Но сначала – несколько слов о квазарах.
Это слово – транслитерация английского термина quasar, который, в свою очередь, представляет собой аббревиатуру термина quasi-stellar radio source, что переводится как «звездоподобный радиоисточник». Первый квазар был открыт в 1963 году американским радиоастрономом голландского происхождения Мартином Шмидтом. Точнее говоря, обнаружен он был тремя годами раньше и значился в 3-м Кембриджском каталоге под номером ЗС 273 в виде слабой звездочки 13-й величины в созвездии Девы, а Шмидт первым обратил внимание на удивительные особенности его спектра. Эмиссионные линии в спектре звезды ЗС 273 поначалу никак не удавалось отождествить с линиями известных химических элементов. В конце концов Шмидт сообразил, что это вовсе не какой-то новый элемент, неведомый современной физике, а линии самых обычных химических элементов, которые настолько сильно смещены к красному концу спектра, что изменились до полной неузнаваемости. Изрядно поломав голову, Шмидт сумел идентифицировать линии водорода, ионизованного магния и некоторых других элементов.
Но если величина красного смещения столь велика, то это означает, что загадочный объект удаляется от нас с фантастической скоростью – более 40 тысяч километров в секунду. В таком случае расстояние до него должно быть никак не меньше 620 Мпк, то есть почти 2 миллиарда световых лет. (По красному смещению определяют степень удаленности астрономических объектов; речь об этом пойдет чуть ниже.) На галактику ЗС 273 похож не был, но увидеть на таком расстоянии отдельную звезду, как бы ярко она ни светила, в принципе невозможно! После того как были обнаружены еще несколько подобных объектов, ярко сиявших в видимом и радиодиапазоне электромагнитных волн, их назвали квазарами – звездо-подобными источниками интенсивного радиоизлучения. В наши дни известно уже свыше 20 тысяч квазаров, многие из которых ярко светят едва ли не на всех длинах электромагнитных волн – от рентгеновского до радиодиапазона.
Другая характерная черта квазаров – переменность их блеска с периодом несколько месяцев, что говорит о чрезвычайной компактности этих объектов. Если бы они представляли собой огромные звездные острова наподобие галактик, то их блеск ни в коем случае не мог бы меняться периодически, ибо синхронизировать «работу» миллиардов звезд принципиально невозможно. Следовательно, квазары – это сплошные небесные тела, какими, например, являются звезды. Синхронность перемен указывает также и на то, что их поперечник не может быть больше одного светового года. Вырисовывается весьма странная картина: объект уступает по размерам галактике в сотни тысяч раз, а светит при этом как добрая сотня галактик. И хотя их размеры, по всей вероятности, заметно превосходят диаметр Солнечной системы, по космическим меркам это все равно ничтожно мало. Кстати, в радиодиапазоне излучает не более 1 % квазаров, а в спектрах многих из них, как уже говорилось, можно обнаружить не только рентгеновские лучи, но и жесткие гамма-кванты. Все квазары – очень древние образования и расположены чрезвычайно далеко, на расстояниях в сотни миллионов и даже миллиарды световых лет, а возраст самых ветхих вполне сопоставим с возрастом Вселенной и достигает 13 миллиардов лет.
Каков же источник столь мощного электромагнитного излучения, причем на всех длинах волн сразу? Большинство специалистов сходятся на том, что квазары представляют собой сверхмассивные черные дыры, которые жадно поглощают вещество из окружающей среды. Заряженные частицы, захваченные гравитацией черной дыры, разгоняются до больших скоростей, что приводит к интенсивному электромагнитному излучению. Вещество падает на поверхность черной дыры по суживающейся спирали, формируя аккреционный диск, внутри которого скорость частиц, разогнанных полем тяготения, приближается к скорости света, а температура в центральной части диска достигает 100 тысяч градусов по Кельвину. По направлению к периферии диска температура падает, поэтому квазар одновременно излучает в широчайшем диапазоне электромагнитных волн – от инфракрасного излучения и видимого света до коротковолновых рентгеновских фотонов и жестких гамма-квантов. Мощное магнитное поле захватывает заряженные частицы и дополнительно их закручивает, формируя джеты – узконаправленные пучки, своего рода фонтаны, которые вылетают с полюсов с околосветовой скоростью и простираются на сотни тысяч световых лет. Взаимодействуя с межзвездным газом, частицы джетов становятся источником радиоволн.
В эпоху квазаров полным ходом шел процесс рождения галактик, поэтому материала вокруг было вдоволь. Сверхмассивные черные дыры питались в ту пору отменно, а потому и светились исключительно ярко. Однако через некоторое время им пришлось подтянуть ремешки и сесть на диету. Таким образом, квазары можно рассматривать как определенный этап в жизни сверхмассивных черных дыр: недаром их, как правило, обнаруживают на расстояниях в тысячи мегапарсек, у самых границ наблюдаемой Вселенной. Не следует забывать, что свет от самых далеких квазаров летел к земному наблюдателю многие миллиарды лет, поэтому мы видим их такими, какими они были в ранней юности. Надо полагать, что сегодня они уже давным-давно поумерили свои аппетиты и мирно живут в ядрах спокойных галактик. Но подобное соображение имеет и обратную силу, поэтому следует повнимательнее присмотреться к нашему ближайшему окружению – ведь Вселенная, как известно, изотропна и однородна. Глядишь, и найдутся неподалеку остывшие квазары-призраки, севшие на голодный паек. Между прочим, такие объекты действительно существуют – вспомните о сверхмассивных черных дырах в ядрах галактик.
Чтобы вы, читатель, могли себе представить запас жизненных сил юных квазаров, процитируем профессора Московского инженерно-физического института (МИФИ) С. Г. Рубина.
Кстати, энергии, которую средний квазар излучает за секунду, хватило бы для обеспечения Земли электричеством на миллиарды лет. А один рекордсмен, с номером S 50014+81, излучает свет в 60 тысяч раз интенсивнее всего нашего Млечного Пути с его сотней миллиардов звезд!Поставим на этой мажорной ноте точку и перейдем к обсуждению вопросов, связанных с эволюцией Вселенной.
Сэр Исаак Ньютон, сформулировавший закон всемирного тяготения, полагал Вселенную однородной, бесконечной в пространстве и неизменной во времени (стационарной). Космос детерминистов представлял собой великолепно отлаженный и безукоризненно функционирующий часовой механизм, где равномерное кружение светил подчиняется строгим математическим законам. Модель стационарной Вселенной казалась простой, логичной, внутренне непротиворечивой, а потому благополучно дожила до начала XX века. Пространство, в котором совершался ход миров, мыслилось евклидовым, то есть плоским. О геометрических кунштюках нам предстоит отдельный разговор в последующих главах, здесь же напомню вам, читатель, что такое плоское пространство. В пространстве Евклида через точку, лежащую вне прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную данной (знаменитый пятый постулат), а сумма углов треугольника равна 180 градусам. Это самое обычное пространство, с которым нам приходится сталкиваться ежедневно. Относительно возраста Вселенной единства в товарищах не было: одни полагали мир сотворенным в непостижимом демиургическом акте, а другие думали, что он существует вечно. Одним словом, просвещенная публика на рубеже веков обитала в бескрайней стационарной Вселенной, существующей неограниченно долго.
Однако бесконечность – пугает. Рассудок пасует перед подобными категориями, ибо они не только лишены наглядности, но и грешат многочисленными неувязками. Конечно, всегда можно слепить подходящую метафору, и тогда все вроде бы встанет на свои места. Была, скажем, такая красивая восточная притча: «Далеко-далеко на краю света высится огромная алмазная гора, достающая своей вершиной до самого неба. Раз в тысячу лет на вершину этой горы садится маленькая птичка, чтобы поточить клюв. Когда птичка сточит гору до основания, пройдет одно мгновение вечности». Кто спорит, сказано изящно и со вкусом, но на самом деле это всего лишь иллюзия понимания. Понятно, что рано или поздно птичка доберется до основания горы, хотя ей придется затратить очень много времени и сил. Так что невообразимость вечности никуда не делась, она просто отодвинулась в несусветную даль.
Притчи притчами, но у модели стационарной Вселенной, бесконечной во времени и пространстве, есть куда более серьезные недостатки. Если бы дело ограничивалось только психологической неприемлемостью категории бесконечного, на подобную мелочь можно было бы спокойно закрыть глаза. Беда в том, что постулат о Вселенной, существующей неограниченно долго, наталкивается на неразрешимое противоречие. Вечность можно уподобить геометрической прямой, которая простирается в обе стороны – и в прошлое, и в будущее. Другими словами, она не имеет ни начала, ни конца. Но в таком случае в любой произвольно выбранный момент времени (например, сегодня) Вселенная уже существуетбесконечно долго. Следовательно, все процессы, в ней происходящие, должны давным-давно завершиться и Вселенная обязана пребывать в состоянии некоего абсолютного равновесия. Однако астрономические наблюдения неопровержимо свидетельствуют, что мир все время эволюционирует, причем эволюционирует достаточно быстро. Когда мы смотрим в телескоп, мы заглядываем в далекое прошлое Вселенной и видим, что 10 миллиардов лет назад она была совсем не такой, как сегодня. Скажите на милость, откуда взяться эволюции, если у нас за спиной неисчислимое количество лет? Мы уже не говорим о том, что вечность по определению не может быть исчерпана – на то она и вечность. Тогда как же она умудрилась доползти до наших дней?
Не лучше обстоит дело и с бесконечностью в пространстве. В 1823 году немецкий астроном Генрих Ольберс опубликовал работу с критикой модели бесконечной стационарной Вселенной. Он рассуждал следующим образом. Сначала сформулируем три предпосылки: 1) протяженность Вселенной бесконечна; 2) число звезд тоже бесконечно, и они равномерно распределены в пространстве; 3) все звезды имеют в среднем одинаковую светимость. Ну что же, вполне разумные предпосылки. А теперь посмотрим, что у нас получится. Мысленно поместив Солнечную систему в центр, Ольберс разделил все пространство за ее пределами на ряд концентрических слоев, или сфер. Вселенная стала напоминать луковицу. Пусть слой В лежит втрое дальше слоя А. Тогда объем слоя В будет в 9 раз больше, чем объем слоя А (З2= 9), так как объемы слоев возрастают пропорционально квадрату расстояния каждого слоя от центра. Если звезды равномерно «размазаны» по всем слоям (предпосылка 2), то слой В, чей объем в 9 раз больше объема слоя А, будет содержать в девять раз больше звезд. С другой стороны, светимость отдельных звезд убывает пропорционально квадрату расстояния, из чего следует, что яркость каждой звезды слоя В при условии их равной светимости (предпосылка 3) составит (1/3)2= 1/9 яркости отдельной звезды слоя А. Но ведь звезд в слое В при этом ровно в 9 раз больше! Другими словами, светимость слоев А и В будет совершенно идентичной, и Солнечная система получит от этих слоев равное количество света.
Та же самая картина справедлива и для всех других слоев, а поскольку их количество бесконечно (предпосылка 1), то небосвод должен сиять нестерпимым блеском даже ночью. Небо превратится в одно сплошное гигантское Солнце, чего в действительности не наблюдается.
Ольберс предположил, что свет, идущий к нам от далеких звезд, ослабевает из-за поглощения в пылевых облаках, расположенных на его пути. Однако этот контраргумент тоже несостоятелен, поскольку облака должны постепенно нагреться и со временем начать светиться столь же ярко, как и сами звезды. Единственная возможность разрешить парадокс Ольберса (его еще называют фотометрическим парадоксом) состоит в допущении, что число звезд выражается конечной величиной.
Другой парадокс, получивший название гравитационного парадокса, или парадокса Зеелигера, базируется на законе всемирного тяготения Ньютона.
Вспомним, читатель, что, согласно этому закону, тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. А поскольку звезды не распределены строго равномерно на фиксированных расстояниях друг от друга, то перепады плотности среди звездного населения неминуемо приведут к тому, что они рано или поздно соберутся в кучу. Между прочим, этот вывод справедлив и для конечной стационарной Вселенной. Правда, сам Ньютон полагал, что концепция бесконечной Вселенной позволяет избежать этого парадокса, потому что бесконечное число звезд, распределенных более или менее равномерно, никогда не стянется в точку, так как в бесконечном пространстве нет выделенного центра. Сохранилось даже его письмо к Ричарду Бентли на эту тему.