Страница:
В начале прошлого века американский астроном Генриетта Ливитт обнаружила правильную зависимость между светимостью и периодом некоторых цефеид. Чем больше был период, тем больше энергии звезда излучала в единицу времени. Вычислив мощность излучения по зависимости «период – светимость», ученые смогли рассчитать расстояние до цефеиды. Сначала были установлены относительные расстояния (во сколько раз одна звезда ближе или дальше другой), а затем и абсолютные, с учетом лучевой скорости цефеид (в спектре звезды, приближающейся или удаляющейся по лучу зрения, происходит смещение спектральных линий). Астрофизики получили надежный масштаб. А совсем недавно на помощь астрономам пришли сверхновые определенного типа (типа Ia), светимость которых лежит в очень узких пределах. Об этих звездах, получивших название «стандартных свечей», подробно рассказано в главе «И тьма пришла».
К началу XX столетия мир невообразимо расширился. Стало окончательно ясно, что Солнце – одна из многих сотен миллиардов звезд, населяющих нашу Галактику, причем далеко не самая примечательная. В звездной номенклатуре оно числится заурядным желтым карликом класса G. Да и лежит к тому же отнюдь не в центре, как считал, например, Гершель, а на периферии Млечного Пути, в одном из его спиральных рукавов – в 26 тысячах световых лет от центра Галактики (примерно 8 килопарсек). Наглядно вообразить эти подавляющие просторы весьма нелегко. Если мы уменьшим всю Солнечную систему до размеров песчинки, то ближайшая звезда Проксима Центавра окажется в этом масштабе на расстоянии одного метра, а расстояние до центра Галактики составит почти 9 километров. Если же вспомнить модель с бильярдным шаром на месте Солнца, размеры Млечного Пути будут равняться 60 миллионам километров – величине, вполне сопоставимой с расстоянием от Земли до Солнца.
Однако Вселенная не исчерпывается галактикой Млечный Путь. Если бы нам удалось покинуть ее пределы, перед нами распахнулось бы необъятное пустое пространство, непроницаемая угольная чернота, лишенная сколько-нибудь заметных объектов. И только на расстоянии около 200 тысяч световых лет от нашего звездного острова мы бы обнаружили два клочковатых туманных образования неправильной формы – Большое и Малое Магеллановы облака. Они хорошо видны на небе Южного полушария в виде двух белесоватых пятен и выглядят как изолированные фрагменты Млечного Пути. Впервые их описал один из участников кругосветного плавания Фернана Магеллана. Прямого отношения к Млечному Пути они не имеют: это две самостоятельные небольшие галактики, довольно бедные звездами. Малое Магелланово облако лежит в 160 тысячах световых лет от нас, а Большое отодвинуто еще дальше – почти на 200 тысяч световых лет. Хотя Магеллановы облака заметно уступают Млечному Пути в размерах, в них обнаружены весьма любопытные объекты. Например, в Большом Магеллановом облаке расположена звезда S Золотой Рыбы, обладающая наибольшей известной светимостью. Невооруженным глазом она не видна, потому что имеет 8-ю звездную величину, но ее абсолютная светимость превосходит солнечный блеск в 600 тысяч раз! А в Малом Магеллановом облаке находятся сотни уже знакомых нам цефеид, которые систематически изучала Генриетта Ливитт в начале прошлого века.
Если бы мы посмотрели с такого расстояния на нашу собственную галактику, то увидели бы внушительный спиральный диск, отдаленно напоминающий бешено крутящийся водоворот (форму двояковыпуклой линзы или веретена она приобретает при взгляде с ребра). Однако Млечный Путь и Магеллановы облака – это еще далеко не все. В 2 с половиной миллиона световых лет от Млечного Пути лежит спиральная галактика Андромеды, значительно превосходящая нашу по массе и количеству звезд. Она видна невооруженным глазом как слабая звездочка 5-й величины и значится в каталоге Мессье под номером 31, поэтому получила название М31. (Шарль Мессье – знаменитый французский астроном, одним из первых начавший составлять каталог туманностей и звездных скоплений.)
Галактика Андромеды, Млечный Путь, Магеллановы облака, спираль в Треугольнике (МЗЗ) и множество галактик поменьше (общим числом около 40) входят в состав так называемой Местной группы с диаметром свыше 3 миллионов световых лет. В пределах 10 Мпк (мегапарсек, то есть миллионов парсек), или более чем 30 миллионов световых лет, разбросано около дюжины аналогичных групп. А в 15 Мпк (почти 50 миллионов световых лет) лежит крупное скопление в созвездии Девы, насчитывающее несколько тысяч галактик. Таким образом, наша Местная группа принадлежит к еще более масштабной структуре, которую принято называть локальным сверхскоплением галактик. Его диаметр составляет 30 Мпк, а толщина – около 10 Мпк (100 и 30 с лишним миллионов световых лет соответственно). Центром этого исполинского галактического облака является вышеупомянутое скопление в Деве.
Галактика Млечный Путь ютится на самом краю локального сверхскопления. А еще дальше, на расстоянии в 90 Мпк (счет идет уже на сотни миллионов световых лет), находится гораздо более крупное скопление в созвездии Волосы Вероники, в состав которого входит больше 10 тысяч галактик. По всей видимости, оно представляет собой часть еще одного гигантского галактического сверхскопления, которых в последнее время открыто несколько десятков. Таким образом, они венчают собой иерархию структур нашей Метагалактики (наблюдаемой части Вселенной).
Скопление галактик в созвездии Волосы Вероники
Только на расстояниях порядка многих сотен миллионов световых лет Вселенную можно рассматривать как сравнительно однородную структуру, которая содержит десятки миллиардов галактик. Современная астрофизика располагает высокоточной совершенной аппаратурой, которая позволяет вести наблюдения в самом широком диапазоне волн – от метровых радиоволн до гамма-лучей. Помимо традиционных оптических телескопов широко применяются инфракрасные и радиотелескопы, а также детекторы рентгеновского и гамма-излучения. Бурно развивается нейтринная астрономия. Ученым стали доступны невообразимые расстояния, измеряемые 10–12 миллиардами световых лет, когда мир был еще молод и свеж, а первые галактики едва успели сформироваться. Таким образом, размеры наблюдаемой части Вселенной можно оценить примерно в 6 тысяч мегапарсек.
Когда мы смотрим на далекие звезды или галактики, следует иметь в виду, что мы перемещаемся вспять по временной оси. Если до Сириуса около 9 световых лет, мы видим его таким, каким он был 9 световых лет назад, потому что свет имеет конечную скорость распространения. Лучи красного гиганта Бетельгейзе из созвездия Ориона пустились в дорогу еще в Смутное время, когда на российском престоле сидел Борис Годунов. Шаровые звездные скопления в центре Галактики вернут нас в последний ледниковый период, а свет туманности Андромеды был испущен в те времена, когда наши обезьяноподобные предки вставали на две ноги и обтачивали первые камни. Самые далекие объекты нашей Вселенной посылают свет из эпохи, удаленной в прошлое на многие миллиарды лет. Солнечной системы и планеты Земля тогда еще не было и в помине.
Чтобы воочию, в живых образах оценить размеры наблюдаемой части Вселенной, или Метагалактики, мысленно уменьшим земную орбиту (ее диаметр 300 миллионов километров) до размеров внутренней электронной оболочки в классической модели атома Бора (ее радиус равен 0,53 × 10-8 см). Тогда ближайшая звезда разместится хотя и на небольшом, но вполне макроскопическом расстоянии в 0,014 миллиметра, расстояние до центра Галактики составит 10 сантиметров, а поперечник Млечного Пути будет равен 35 сантиметрам. Галактика Андромеды отступит на целых шесть метров от боровского атома, а расстояние до центральной части скопления галактик в созвездии Девы, куда входит наша Местная группа, будет порядка 120 метров. Радиогалактика Лебедь А (до нее 600 миллионов световых лет) «убежит» в этом масштабе на два с половиной километра, а до далекой радиогалактики ЗС 295 придется шагать и шагать – как-никак 25 километров. В общем, «земной шар громаден», как с пафосом говорила одна учительница начальных классов…
Звездный паноптикум
Вне всякого сомнения, самые примечательные и распространенные объекты нашей Вселенной – это звезды, поэтому имеет смысл начать разговор о ее «обитателях» именно с них. Мир звезд поражает своим разнообразием. Среди них есть звезды-гиганты и звезды-карлики, звезды-коллективисты, предпочитающие сбиваться в стаи, и звезды-анахореты, живущие в гордом одиночестве. Многие звезды образуют так называемые кратные системы из двух или трех звезд, которые обращаются вокруг общего центра тяжести на сравнительно небольшом расстоянии друг от друга. Одни звезды подобны темным призракам, потому что светят в инфракрасном диапазоне, а другие сияют в десятки и сотни тысяч раз ярче нашего Солнца. И только по одному параметру – по массе – они не очень сильно различаются между собой: от 1/10 массы Солнца до 100 солнечных масс.
Звезды почти как люди – они рождаются, взрослеют, старятся и умирают. Но если одни уходят в мир иной тихо и незаметно, то кончина других сопровождается грандиозными космическими катаклизмами, получившими название взрывов сверхновых. Такие звезды видны на расстояниях во многие миллионы световых лет, а их яркость превосходит самое богатое воображение: нестерпимый блеск сверхновой звезды затмевает совокупное сияние сотен миллиардов звезд целой галактики.
Как известно, ничто не вечно, и к звездам это относится в полной мере. Каждой отмерен свой срок. Одни звезды живут ярко и празднично, сгорая в считанные миллионы лет. Когда по Земле разгуливали динозавры, их еще не было на свете. Эфемерное бытие этих бабочек-поденок укладывается в одно короткое галактическое мгновение. Другие ведут размеренное неторопливое существование и будут жить долго: время жизни звезд, чуть менее массивных, чем Солнце, может достигать 25 миллиардов лет (наша Вселенная родилась всего около 14 миллиардов лет назад). Солнце зажглось примерно 5 миллиардов лет назад и сегодня является «мужчиной в полном расцвете сил», как говаривал Карлсон. Подобно лирическому герою Данте, оно успело пройти земную жизнь всего лишь до половины. Некоторым звездам уготована нелегкая судьба: когда они спалят дотла свое ядерное горючее, то превратятся в черные дыры – удивительные объекты, обладающие весьма странными и даже пугающими свойствами. Путь к центру черной дыры – это сошествие во ад, дорога без возврата, поскольку силы тяготения на ее поверхности достигают таких величин, что даже свет не в состоянии выбраться наружу. Чудовищная гравитация подобно тяжелой надгробной плите навсегда отгораживает черную дыру от нашего мира. Впрочем, о черных дырах мы в свое время еще поговорим.
Первое, что бросается в глаза даже при беглом взгляде на ночное небо, это отчетливая разница между звездами в блеске и цвете. Древние греки, как мы помним, разбили всю звездную публику на шесть классов, которые получили название звездных величин. Звезды первой величины в 2,512 раза ярче, чем звезды второй величины, и так далее. Таким образом, звезды шестой величины слабее звезд первой величины в 100 раз. Помимо видимых звездных величин, существуют величины абсолютные, о чем я уже писал в предыдущей главе, поэтому повторяться не буду. По сути дела, абсолютная звездная величина есть то же самое, что и светимость звезды (ее обычно выражают в единицах светимости Солнца и обозначают буквой L), то есть полное количество энергии, излучаемое звездой в единицу времени. Звезды по этому параметру сильно разнятся. Напомню, что светимость Денеба превышает солнечную в 270 тысяч раз, а блеск S Золотой Рыбы в Большом Магеллановом облаке превосходит светимость Солнца в 600 тысяч раз. Среди других ярких звезд нашего неба можно упомянуть Антарес (альфа Скорпиона), Бетельгейзе (альфа Ориона) и Ригель (бета Ориона), светимости которых превышают солнечную в 4 тысячи, 8 тысяч и 45 тысяч раз соответственно. С другой стороны, светимость карликовых звезд может, в свою очередь, уступать светимости Солнца в тысячи и десятки тысяч раз.
Увидеть разницу в цвете невооруженным глазом удается только у очень ярких звезд. Скажем, Антарес и Бетельгейзе будут красными, Капелла – желтой, Сириус – белым, а Вега – голубовато-белой. А вот небольшой любительский телескоп или даже приличный полевой бинокль заметно улучшат качество картинки. Цвет звезды, а следовательно, и ее спектр определяются температурой ее поверхностных слоев. При температуре 3–4 тысячи градусов Кельвина звезда будет красной, при 6–7 тысячах градусов приобретет отчетливый желтоватый оттенок, а горячие звезды с температурой 10–12 тысяч градусов сияют белым или голубоватым светом. В современной астрономии имеются надежные и вполне объективные методы измерения цвета звезд, с помощью которых получают величину под названием «показатель цвета». Каждому значению показателя цвета соответствует определенный тип спектра.
Спектральные классы звезд
Принято выделять семь основных спектральных классов, которые обозначают латинскими буквами О, В, A, F, G, К и М. Для пущей точности каждый спектральный класс разбит на 10 подклассов (от 0 до 9, с ростом в сторону уменьшения температуры). Таким образом, звезда со спектром В9 будет ближе по спектральным характеристикам к спектру А2, чем, например, к спектру В1. Звезды классов О-В голубые (температура поверхности – примерно 100—80 тысяч градусов), A – F – белые (11—7,5 тысячи градусов), G – желтые (примерно 6 тысяч градусов), К – оранжевые (около 5 тысяч градусов), М – красные (2–3 тысячи градусов).
Наше Солнце относится к спектральному классу G2 (температура его поверхностных слоев – около 6 тысяч градусов) и считается, как это ни обидно, карликовой желтой звездой. Впрочем, размеры этого карлика вполне приличные – диаметр Солнца составляет около 1,4 миллиона километров.
Некоторые звезды могут периодически менять свой блеск. В первой главе рассказывалось о цефеидах, пульсирующих переменных звездах, которые иногда называют «маяками Вселенной», так как благодаря им удалось построить надежную шкалу, с помощью которой астрономы научились определять расстояния до далеких звезд и других галактик. Цефеиды представляют собой желтые сверхгиганты с температурой поверхности примерно такой же, как у Солнца. Но светят они гораздо ярче, потому что мощность их излучения превосходит солнечную в десятки тысяч раз. Периодическое изменение блеска звезд подобного типа связано со сложными физико-химическими процессами в их недрах, поэтому их принято называть истинными, или физическими, переменными. Звезда Мира из созвездия Кита тоже относится к числу настоящих переменных, хотя период изменения блеска у нее гораздо больше и составляет примерно 11 месяцев (у цефеид – от суток до месяца).
Однако встречаются переменные звезды, колебания блеска которых никак не связаны с особенностями их внутреннего строения. Примером такой звезды является Алголь (бета Персея), которую в старину называли «глазом дьявола» и «вурдалаком». Ее яркость изменяется на целую звездную величину каждые трое суток без трех часов. Греки помещали бету Персея в голову Медузы Горгоны – жуткого клыкастого чудовища в женском обличье и со змеями вместо волос. Взор этой крылатой твари превращал все живое в камень. Алголь относится к числу так называемых затменных двойных звезд, потому что причины переменности его блеска принципиально иные, чем у дельты Цефея или омикрона Кита. Вокруг Алголя обращается слабая звезда – второй компонент двойной системы, орбита которой лежит в одной плоскости с земной орбитой. Когда она оказывается между Алголем и Землей на луче зрения земного наблюдателя, то частично его затмевает. Таким образом, интенсивность излучения Алголя в действительности не усиливается и не ослабевает, а остается строго постоянной. Просто-напросто на пути распространения световых лучей периодически возникает препятствие.
Резонно предположить, что раз температура поверхности красных звезд спектрального класса М в два с лишним раза меньше солнечной, то они должны светить очень слабо. Однако на самом деле все оказалось далеко не столь элементарно. Некоторые звезды класса М (скажем, «летящая» Барнарда) действительно тлеют едва-едва, хотя находятся совсем близко от Солнца (расстояние до Барнарды составляет около 6 световых лет). Но многие другие, безусловно, попадающие в тот же самый спектральный класс, горят очень ярко, несмотря на значительную удаленность от Солнца. Например, Антарес в Скорпионе и Бетельгейзе из созвездия Ориона – классические красные звезды – не только имеют видимую величину меньше единицы, но и обладают большой собственной светимостью. Мощность излучения Бетельгейзе превосходит солнечную в 8 тысяч раз. Понятно, что столь высокая светимость сравнительно холодной звезды может объясняться только ее исполинскими размерами. И хотя поверхность красного гиганта нагрета всего лишь до 2–3 тысяч градусов, суммарная интенсивность светового потока будет весьма значительной по сравнению с Солнцем. Пусть квадратный километр поверхности Бетельгейзе светит относительно слабо, но таких квадратных километров на теле звезды насчитывается на порядки больше, поэтому мощность ее излучения во много раз превысит солнечную.
В 1920 году удалось измерить диаметр Бетельгейзе. Хотя звезды даже в самые мощные телескопы видны как безразмерные точки, был придуман остроумный метод вычисления их размеров. Дело в том, что лучи света, приходящие к земному наблюдателю от противоположных точек звездного диска (который мы не воспринимаем как диск), образуют, тем не менее, некоторый угол между собой. Разумеется, измерить его величину непосредственно невозможно, но световые лучи, накладываясь друг на друга, интерферируют между собой, так что с помощью особого прибора (интерферометра) можно измерить результат подобного сложения и вычислить величину угла. Зная этот угол и расстояние до звезды, можно без особого труда рассчитать ее действительный диаметр. Конечно, метод имеет свои ограничения (угол не должен быть исчезающе малым), но во многих случаях он исправно работает и весьма неплохо себя зарекомендовал.
Вычисленный таким образом поперечник Бетельгейзе поражал воображение. Оказалось, что он почти в 350 раз больше диаметра Солнца и составляет примерно 500 миллионов километров. Напомним читателю, что орбита Марса лежит в 220 миллионах километров от Солнца. Если бы удалось поместить эту звезду на место нашего светила, поверхностные слои фотосферы Бетельгейзе распространились бы далеко за орбиту Марса, и все четыре планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) погрузились бы в звездные недра. Поверхность Бетельгейзе будет почти в 120 тысяч раз больше поверхности Солнца, поэтому вряд ли стоит удивляться, что ее светимость в несколько тысяч раз превосходит солнечную. Объем этой красной звезды в 40 миллионов раз больше объема Солнца. Несмотря на столь фантастические размеры, масса Бетельгейзе оценивается всего лишь в 12–17 солнечных масс, то есть ее средняя плотность должна быть ничтожно малой. Красные сверхгиганты, внутри которых могут поместиться несколько планетных орбит Солнечной системы, можно сравнить с огромными пузырями. Если средняя плотность солнечного вещества равна примерно 1,4 г/см3 (почти в полтора раза больше плотности воды), то у таких чудовищно раздувшихся пузырей она будет в миллионы раз меньше, чем у воздуха.
Бетельгейзе – красный гигант созвездия Орион
Бетельгейзе – отнюдь не уникум среди звезд. Встречаются красные сверхгиганты столь невообразимо огромные, что звезды вроде Антареса или Бетельгейзе покажутся рядом с ними сущими крохами. Например, эпсилон Возничего превосходит в размерах альфу Ориона по меньшей мере впятеро, но мы его даже не видим, потому что излучение этого монстра почти целиком лежит в инфракрасной области спектра. Обнаружить его удалось из-за присутствия яркого спутника, который периодически затмевается звездой-невидимкой. Эпсилон Возничего является инфракрасным сверхгигантом с поперечником в 3,7 миллиарда километров. Если поместить его на место Солнца, он без труда «проглотит» первые 6 планет (Меркурий, Венеру, Землю, Марс, Юпитер и Сатурн) и заполнит Солнечную систему вплоть до орбиты Урана. Другая звезда этого типа – YV Цефея А – лишь немногим уступает в размерах своей товарке из созвездия Возничего. Ее поперечник больше диаметра Бетельгейзе в три с лишним раза. Поиски звезд-невидимок связаны с большими трудностями, поскольку земная атмосфера почти непрозрачна для инфракрасных лучей; кроме того, собственное тепловое излучение Земли гасит тепло, приходящее из космоса. Тем не менее удалось измерить температуру некоторых звезд, которые светят в инфракрасном диапазоне. Она находится в пределах 800– 1200 градусов Кельвина, что, конечно же, очень мало: 800 градусов – это только-только температура красного каления. Темные и холодные сверхгиганты вроде YV Цефея или эпсилона Возничего должны быть пустыми разреженными мирами, потому что их начинка размазана по колоссальному объему. Если бы каким-то чудом удалось перенести вещество этих звезд в земную лабораторию, его средняя плотность почти не отличалась бы от вакуума.
Коль скоро в природе имеются красные гиганты и сверхгиганты, естественно предположить, что должны существовать и красные карлики, попадающие в тот же самый спектральный класс М. Вспомним хотя бы «летящую» звезду Барнарда, резво движущуюся по небосводу со скоростью более 10 угловых секунд в год. Это очень много, потому что собственное движение звезд измеряется, как правило, гораздо меньшими величинами (около одной секунды в год или еще меньше). Выдающаяся легкоатлетка обязана своим названием американскому астроному Эдварду Барнарду, который открыл ее в 1916 году. Красные карлики, заметно уступающие по массе Солнцу, отнюдь не пузыри, а вполне увесистые полноценные звезды. Более того, сплошь и рядом они значительно плотнее нашего светила. Например, красный карлик Крюгер 60В легче Солнца всего в пять раз, хотя его объем составляет 1/125 часть солнечного. Следовательно, его средняя плотность должна равняться 35 г/см3, что в 25 раз превосходит плотность Солнца (1,4 см3) и в полтора раза – плотность платины. Даже такое твердое небесное тело, как наша родная планета, имеет среднюю плотность порядка 5,5 г/см3 (плотность каменных пород земной коры составляет 2,6 г/см3, а к центру Земли она достигает величины 11,5 г/см3), то есть уступает Крюгеру в шесть с лишним раз.
Звезды-карлики
В скобках заметим, что плотность всех небесных тел (и предельно разреженные газовые пузыри вроде Антареса и Бетельгейзе здесь тоже не исключение) стремительно растет по направлению к центру. Чтобы Солнце могло стабильно существовать, не схлопываясь под действием сил гравитации, плотность его центральных областей должна достигать величин порядка 100 г/см3, что превышает плотность платины в пять раз. Понятно, что в центре Крюгера 60В аналогичный показатель по крайней мере на два порядка больше.
Однако плотность красных карликов – форменный пустяк на фоне карликов белых. Белые карлики – это маленькие и очень горячие звезды, представляющие собой заключительный этап эволюции небесных светил вроде нашего Солнца. Температура их поверхностных слоев колеблется в широких пределах – от 5 тысяч градусов у «старых» холодных звезд до 50 тысяч у «молодых» и горячих. По массе они вполне сопоставимы с Солнцем, а вот их поперечник, как правило, не превышает диаметра Земли (примерно 12 800 километров). Таким образом, их средняя плотность достигает величин порядка 106 г/см3 и превышает солнечную в сотни тысяч раз. Один кубический сантиметр вещества белого карлика может весить несколько тонн. Первый белый карлик был открыт в 1844 году Фридрихом Бесселем, когда он неожиданно обнаружил аномалии в движении Сириуса – самой яркой звезды нашего неба. Его траектория по непонятной причине периодически отклонялась от среднего положения, поэтому Бессель предположил, что Сириус входит в двойную систему, то есть имеет массивную звезду-спутник, а оба светила обращаются вокруг общего центра масс. В 1862 году в окрестностях Сириуса удалось разглядеть тусклое пятнышко, и с тех пор яркий компонент этой двойной системы носит имя Сириус А, а его незначительный темный сосед получил название Сириус В.
Сириус В – далеко не самый мелкий представитель популяции белых карликов. Поскольку его светимость в 300 раз меньше солнечной, а температура поверхности достигает 8000 градусов Кельвина (температура Солнца – 5800 градусов), не составляет большого труда вычислить его размеры. Радиус Сириуса В должен быть около 20 тысяч километров (на 5 тысяч километров меньше Нептуна, но втрое больше Земли), а поскольку его масса составляет 95 % массы Солнца, то средняя плотность его вещества равняется 105 г/см3.
К началу XX столетия мир невообразимо расширился. Стало окончательно ясно, что Солнце – одна из многих сотен миллиардов звезд, населяющих нашу Галактику, причем далеко не самая примечательная. В звездной номенклатуре оно числится заурядным желтым карликом класса G. Да и лежит к тому же отнюдь не в центре, как считал, например, Гершель, а на периферии Млечного Пути, в одном из его спиральных рукавов – в 26 тысячах световых лет от центра Галактики (примерно 8 килопарсек). Наглядно вообразить эти подавляющие просторы весьма нелегко. Если мы уменьшим всю Солнечную систему до размеров песчинки, то ближайшая звезда Проксима Центавра окажется в этом масштабе на расстоянии одного метра, а расстояние до центра Галактики составит почти 9 километров. Если же вспомнить модель с бильярдным шаром на месте Солнца, размеры Млечного Пути будут равняться 60 миллионам километров – величине, вполне сопоставимой с расстоянием от Земли до Солнца.
Однако Вселенная не исчерпывается галактикой Млечный Путь. Если бы нам удалось покинуть ее пределы, перед нами распахнулось бы необъятное пустое пространство, непроницаемая угольная чернота, лишенная сколько-нибудь заметных объектов. И только на расстоянии около 200 тысяч световых лет от нашего звездного острова мы бы обнаружили два клочковатых туманных образования неправильной формы – Большое и Малое Магеллановы облака. Они хорошо видны на небе Южного полушария в виде двух белесоватых пятен и выглядят как изолированные фрагменты Млечного Пути. Впервые их описал один из участников кругосветного плавания Фернана Магеллана. Прямого отношения к Млечному Пути они не имеют: это две самостоятельные небольшие галактики, довольно бедные звездами. Малое Магелланово облако лежит в 160 тысячах световых лет от нас, а Большое отодвинуто еще дальше – почти на 200 тысяч световых лет. Хотя Магеллановы облака заметно уступают Млечному Пути в размерах, в них обнаружены весьма любопытные объекты. Например, в Большом Магеллановом облаке расположена звезда S Золотой Рыбы, обладающая наибольшей известной светимостью. Невооруженным глазом она не видна, потому что имеет 8-ю звездную величину, но ее абсолютная светимость превосходит солнечный блеск в 600 тысяч раз! А в Малом Магеллановом облаке находятся сотни уже знакомых нам цефеид, которые систематически изучала Генриетта Ливитт в начале прошлого века.
Если бы мы посмотрели с такого расстояния на нашу собственную галактику, то увидели бы внушительный спиральный диск, отдаленно напоминающий бешено крутящийся водоворот (форму двояковыпуклой линзы или веретена она приобретает при взгляде с ребра). Однако Млечный Путь и Магеллановы облака – это еще далеко не все. В 2 с половиной миллиона световых лет от Млечного Пути лежит спиральная галактика Андромеды, значительно превосходящая нашу по массе и количеству звезд. Она видна невооруженным глазом как слабая звездочка 5-й величины и значится в каталоге Мессье под номером 31, поэтому получила название М31. (Шарль Мессье – знаменитый французский астроном, одним из первых начавший составлять каталог туманностей и звездных скоплений.)
Галактика Андромеды, Млечный Путь, Магеллановы облака, спираль в Треугольнике (МЗЗ) и множество галактик поменьше (общим числом около 40) входят в состав так называемой Местной группы с диаметром свыше 3 миллионов световых лет. В пределах 10 Мпк (мегапарсек, то есть миллионов парсек), или более чем 30 миллионов световых лет, разбросано около дюжины аналогичных групп. А в 15 Мпк (почти 50 миллионов световых лет) лежит крупное скопление в созвездии Девы, насчитывающее несколько тысяч галактик. Таким образом, наша Местная группа принадлежит к еще более масштабной структуре, которую принято называть локальным сверхскоплением галактик. Его диаметр составляет 30 Мпк, а толщина – около 10 Мпк (100 и 30 с лишним миллионов световых лет соответственно). Центром этого исполинского галактического облака является вышеупомянутое скопление в Деве.
Галактика Млечный Путь ютится на самом краю локального сверхскопления. А еще дальше, на расстоянии в 90 Мпк (счет идет уже на сотни миллионов световых лет), находится гораздо более крупное скопление в созвездии Волосы Вероники, в состав которого входит больше 10 тысяч галактик. По всей видимости, оно представляет собой часть еще одного гигантского галактического сверхскопления, которых в последнее время открыто несколько десятков. Таким образом, они венчают собой иерархию структур нашей Метагалактики (наблюдаемой части Вселенной).
Только на расстояниях порядка многих сотен миллионов световых лет Вселенную можно рассматривать как сравнительно однородную структуру, которая содержит десятки миллиардов галактик. Современная астрофизика располагает высокоточной совершенной аппаратурой, которая позволяет вести наблюдения в самом широком диапазоне волн – от метровых радиоволн до гамма-лучей. Помимо традиционных оптических телескопов широко применяются инфракрасные и радиотелескопы, а также детекторы рентгеновского и гамма-излучения. Бурно развивается нейтринная астрономия. Ученым стали доступны невообразимые расстояния, измеряемые 10–12 миллиардами световых лет, когда мир был еще молод и свеж, а первые галактики едва успели сформироваться. Таким образом, размеры наблюдаемой части Вселенной можно оценить примерно в 6 тысяч мегапарсек.
Когда мы смотрим на далекие звезды или галактики, следует иметь в виду, что мы перемещаемся вспять по временной оси. Если до Сириуса около 9 световых лет, мы видим его таким, каким он был 9 световых лет назад, потому что свет имеет конечную скорость распространения. Лучи красного гиганта Бетельгейзе из созвездия Ориона пустились в дорогу еще в Смутное время, когда на российском престоле сидел Борис Годунов. Шаровые звездные скопления в центре Галактики вернут нас в последний ледниковый период, а свет туманности Андромеды был испущен в те времена, когда наши обезьяноподобные предки вставали на две ноги и обтачивали первые камни. Самые далекие объекты нашей Вселенной посылают свет из эпохи, удаленной в прошлое на многие миллиарды лет. Солнечной системы и планеты Земля тогда еще не было и в помине.
Чтобы воочию, в живых образах оценить размеры наблюдаемой части Вселенной, или Метагалактики, мысленно уменьшим земную орбиту (ее диаметр 300 миллионов километров) до размеров внутренней электронной оболочки в классической модели атома Бора (ее радиус равен 0,53 × 10-8 см). Тогда ближайшая звезда разместится хотя и на небольшом, но вполне макроскопическом расстоянии в 0,014 миллиметра, расстояние до центра Галактики составит 10 сантиметров, а поперечник Млечного Пути будет равен 35 сантиметрам. Галактика Андромеды отступит на целых шесть метров от боровского атома, а расстояние до центральной части скопления галактик в созвездии Девы, куда входит наша Местная группа, будет порядка 120 метров. Радиогалактика Лебедь А (до нее 600 миллионов световых лет) «убежит» в этом масштабе на два с половиной километра, а до далекой радиогалактики ЗС 295 придется шагать и шагать – как-никак 25 километров. В общем, «земной шар громаден», как с пафосом говорила одна учительница начальных классов…
Звездный паноптикум
Звезды почти как люди – они рождаются, взрослеют, старятся и умирают. Но если одни уходят в мир иной тихо и незаметно, то кончина других сопровождается грандиозными космическими катаклизмами, получившими название взрывов сверхновых. Такие звезды видны на расстояниях во многие миллионы световых лет, а их яркость превосходит самое богатое воображение: нестерпимый блеск сверхновой звезды затмевает совокупное сияние сотен миллиардов звезд целой галактики.
Как известно, ничто не вечно, и к звездам это относится в полной мере. Каждой отмерен свой срок. Одни звезды живут ярко и празднично, сгорая в считанные миллионы лет. Когда по Земле разгуливали динозавры, их еще не было на свете. Эфемерное бытие этих бабочек-поденок укладывается в одно короткое галактическое мгновение. Другие ведут размеренное неторопливое существование и будут жить долго: время жизни звезд, чуть менее массивных, чем Солнце, может достигать 25 миллиардов лет (наша Вселенная родилась всего около 14 миллиардов лет назад). Солнце зажглось примерно 5 миллиардов лет назад и сегодня является «мужчиной в полном расцвете сил», как говаривал Карлсон. Подобно лирическому герою Данте, оно успело пройти земную жизнь всего лишь до половины. Некоторым звездам уготована нелегкая судьба: когда они спалят дотла свое ядерное горючее, то превратятся в черные дыры – удивительные объекты, обладающие весьма странными и даже пугающими свойствами. Путь к центру черной дыры – это сошествие во ад, дорога без возврата, поскольку силы тяготения на ее поверхности достигают таких величин, что даже свет не в состоянии выбраться наружу. Чудовищная гравитация подобно тяжелой надгробной плите навсегда отгораживает черную дыру от нашего мира. Впрочем, о черных дырах мы в свое время еще поговорим.
Первое, что бросается в глаза даже при беглом взгляде на ночное небо, это отчетливая разница между звездами в блеске и цвете. Древние греки, как мы помним, разбили всю звездную публику на шесть классов, которые получили название звездных величин. Звезды первой величины в 2,512 раза ярче, чем звезды второй величины, и так далее. Таким образом, звезды шестой величины слабее звезд первой величины в 100 раз. Помимо видимых звездных величин, существуют величины абсолютные, о чем я уже писал в предыдущей главе, поэтому повторяться не буду. По сути дела, абсолютная звездная величина есть то же самое, что и светимость звезды (ее обычно выражают в единицах светимости Солнца и обозначают буквой L), то есть полное количество энергии, излучаемое звездой в единицу времени. Звезды по этому параметру сильно разнятся. Напомню, что светимость Денеба превышает солнечную в 270 тысяч раз, а блеск S Золотой Рыбы в Большом Магеллановом облаке превосходит светимость Солнца в 600 тысяч раз. Среди других ярких звезд нашего неба можно упомянуть Антарес (альфа Скорпиона), Бетельгейзе (альфа Ориона) и Ригель (бета Ориона), светимости которых превышают солнечную в 4 тысячи, 8 тысяч и 45 тысяч раз соответственно. С другой стороны, светимость карликовых звезд может, в свою очередь, уступать светимости Солнца в тысячи и десятки тысяч раз.
Увидеть разницу в цвете невооруженным глазом удается только у очень ярких звезд. Скажем, Антарес и Бетельгейзе будут красными, Капелла – желтой, Сириус – белым, а Вега – голубовато-белой. А вот небольшой любительский телескоп или даже приличный полевой бинокль заметно улучшат качество картинки. Цвет звезды, а следовательно, и ее спектр определяются температурой ее поверхностных слоев. При температуре 3–4 тысячи градусов Кельвина звезда будет красной, при 6–7 тысячах градусов приобретет отчетливый желтоватый оттенок, а горячие звезды с температурой 10–12 тысяч градусов сияют белым или голубоватым светом. В современной астрономии имеются надежные и вполне объективные методы измерения цвета звезд, с помощью которых получают величину под названием «показатель цвета». Каждому значению показателя цвета соответствует определенный тип спектра.
Принято выделять семь основных спектральных классов, которые обозначают латинскими буквами О, В, A, F, G, К и М. Для пущей точности каждый спектральный класс разбит на 10 подклассов (от 0 до 9, с ростом в сторону уменьшения температуры). Таким образом, звезда со спектром В9 будет ближе по спектральным характеристикам к спектру А2, чем, например, к спектру В1. Звезды классов О-В голубые (температура поверхности – примерно 100—80 тысяч градусов), A – F – белые (11—7,5 тысячи градусов), G – желтые (примерно 6 тысяч градусов), К – оранжевые (около 5 тысяч градусов), М – красные (2–3 тысячи градусов).
Наше Солнце относится к спектральному классу G2 (температура его поверхностных слоев – около 6 тысяч градусов) и считается, как это ни обидно, карликовой желтой звездой. Впрочем, размеры этого карлика вполне приличные – диаметр Солнца составляет около 1,4 миллиона километров.
Некоторые звезды могут периодически менять свой блеск. В первой главе рассказывалось о цефеидах, пульсирующих переменных звездах, которые иногда называют «маяками Вселенной», так как благодаря им удалось построить надежную шкалу, с помощью которой астрономы научились определять расстояния до далеких звезд и других галактик. Цефеиды представляют собой желтые сверхгиганты с температурой поверхности примерно такой же, как у Солнца. Но светят они гораздо ярче, потому что мощность их излучения превосходит солнечную в десятки тысяч раз. Периодическое изменение блеска звезд подобного типа связано со сложными физико-химическими процессами в их недрах, поэтому их принято называть истинными, или физическими, переменными. Звезда Мира из созвездия Кита тоже относится к числу настоящих переменных, хотя период изменения блеска у нее гораздо больше и составляет примерно 11 месяцев (у цефеид – от суток до месяца).
Однако встречаются переменные звезды, колебания блеска которых никак не связаны с особенностями их внутреннего строения. Примером такой звезды является Алголь (бета Персея), которую в старину называли «глазом дьявола» и «вурдалаком». Ее яркость изменяется на целую звездную величину каждые трое суток без трех часов. Греки помещали бету Персея в голову Медузы Горгоны – жуткого клыкастого чудовища в женском обличье и со змеями вместо волос. Взор этой крылатой твари превращал все живое в камень. Алголь относится к числу так называемых затменных двойных звезд, потому что причины переменности его блеска принципиально иные, чем у дельты Цефея или омикрона Кита. Вокруг Алголя обращается слабая звезда – второй компонент двойной системы, орбита которой лежит в одной плоскости с земной орбитой. Когда она оказывается между Алголем и Землей на луче зрения земного наблюдателя, то частично его затмевает. Таким образом, интенсивность излучения Алголя в действительности не усиливается и не ослабевает, а остается строго постоянной. Просто-напросто на пути распространения световых лучей периодически возникает препятствие.
Резонно предположить, что раз температура поверхности красных звезд спектрального класса М в два с лишним раза меньше солнечной, то они должны светить очень слабо. Однако на самом деле все оказалось далеко не столь элементарно. Некоторые звезды класса М (скажем, «летящая» Барнарда) действительно тлеют едва-едва, хотя находятся совсем близко от Солнца (расстояние до Барнарды составляет около 6 световых лет). Но многие другие, безусловно, попадающие в тот же самый спектральный класс, горят очень ярко, несмотря на значительную удаленность от Солнца. Например, Антарес в Скорпионе и Бетельгейзе из созвездия Ориона – классические красные звезды – не только имеют видимую величину меньше единицы, но и обладают большой собственной светимостью. Мощность излучения Бетельгейзе превосходит солнечную в 8 тысяч раз. Понятно, что столь высокая светимость сравнительно холодной звезды может объясняться только ее исполинскими размерами. И хотя поверхность красного гиганта нагрета всего лишь до 2–3 тысяч градусов, суммарная интенсивность светового потока будет весьма значительной по сравнению с Солнцем. Пусть квадратный километр поверхности Бетельгейзе светит относительно слабо, но таких квадратных километров на теле звезды насчитывается на порядки больше, поэтому мощность ее излучения во много раз превысит солнечную.
В 1920 году удалось измерить диаметр Бетельгейзе. Хотя звезды даже в самые мощные телескопы видны как безразмерные точки, был придуман остроумный метод вычисления их размеров. Дело в том, что лучи света, приходящие к земному наблюдателю от противоположных точек звездного диска (который мы не воспринимаем как диск), образуют, тем не менее, некоторый угол между собой. Разумеется, измерить его величину непосредственно невозможно, но световые лучи, накладываясь друг на друга, интерферируют между собой, так что с помощью особого прибора (интерферометра) можно измерить результат подобного сложения и вычислить величину угла. Зная этот угол и расстояние до звезды, можно без особого труда рассчитать ее действительный диаметр. Конечно, метод имеет свои ограничения (угол не должен быть исчезающе малым), но во многих случаях он исправно работает и весьма неплохо себя зарекомендовал.
Вычисленный таким образом поперечник Бетельгейзе поражал воображение. Оказалось, что он почти в 350 раз больше диаметра Солнца и составляет примерно 500 миллионов километров. Напомним читателю, что орбита Марса лежит в 220 миллионах километров от Солнца. Если бы удалось поместить эту звезду на место нашего светила, поверхностные слои фотосферы Бетельгейзе распространились бы далеко за орбиту Марса, и все четыре планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) погрузились бы в звездные недра. Поверхность Бетельгейзе будет почти в 120 тысяч раз больше поверхности Солнца, поэтому вряд ли стоит удивляться, что ее светимость в несколько тысяч раз превосходит солнечную. Объем этой красной звезды в 40 миллионов раз больше объема Солнца. Несмотря на столь фантастические размеры, масса Бетельгейзе оценивается всего лишь в 12–17 солнечных масс, то есть ее средняя плотность должна быть ничтожно малой. Красные сверхгиганты, внутри которых могут поместиться несколько планетных орбит Солнечной системы, можно сравнить с огромными пузырями. Если средняя плотность солнечного вещества равна примерно 1,4 г/см3 (почти в полтора раза больше плотности воды), то у таких чудовищно раздувшихся пузырей она будет в миллионы раз меньше, чем у воздуха.
Бетельгейзе – отнюдь не уникум среди звезд. Встречаются красные сверхгиганты столь невообразимо огромные, что звезды вроде Антареса или Бетельгейзе покажутся рядом с ними сущими крохами. Например, эпсилон Возничего превосходит в размерах альфу Ориона по меньшей мере впятеро, но мы его даже не видим, потому что излучение этого монстра почти целиком лежит в инфракрасной области спектра. Обнаружить его удалось из-за присутствия яркого спутника, который периодически затмевается звездой-невидимкой. Эпсилон Возничего является инфракрасным сверхгигантом с поперечником в 3,7 миллиарда километров. Если поместить его на место Солнца, он без труда «проглотит» первые 6 планет (Меркурий, Венеру, Землю, Марс, Юпитер и Сатурн) и заполнит Солнечную систему вплоть до орбиты Урана. Другая звезда этого типа – YV Цефея А – лишь немногим уступает в размерах своей товарке из созвездия Возничего. Ее поперечник больше диаметра Бетельгейзе в три с лишним раза. Поиски звезд-невидимок связаны с большими трудностями, поскольку земная атмосфера почти непрозрачна для инфракрасных лучей; кроме того, собственное тепловое излучение Земли гасит тепло, приходящее из космоса. Тем не менее удалось измерить температуру некоторых звезд, которые светят в инфракрасном диапазоне. Она находится в пределах 800– 1200 градусов Кельвина, что, конечно же, очень мало: 800 градусов – это только-только температура красного каления. Темные и холодные сверхгиганты вроде YV Цефея или эпсилона Возничего должны быть пустыми разреженными мирами, потому что их начинка размазана по колоссальному объему. Если бы каким-то чудом удалось перенести вещество этих звезд в земную лабораторию, его средняя плотность почти не отличалась бы от вакуума.
Коль скоро в природе имеются красные гиганты и сверхгиганты, естественно предположить, что должны существовать и красные карлики, попадающие в тот же самый спектральный класс М. Вспомним хотя бы «летящую» звезду Барнарда, резво движущуюся по небосводу со скоростью более 10 угловых секунд в год. Это очень много, потому что собственное движение звезд измеряется, как правило, гораздо меньшими величинами (около одной секунды в год или еще меньше). Выдающаяся легкоатлетка обязана своим названием американскому астроному Эдварду Барнарду, который открыл ее в 1916 году. Красные карлики, заметно уступающие по массе Солнцу, отнюдь не пузыри, а вполне увесистые полноценные звезды. Более того, сплошь и рядом они значительно плотнее нашего светила. Например, красный карлик Крюгер 60В легче Солнца всего в пять раз, хотя его объем составляет 1/125 часть солнечного. Следовательно, его средняя плотность должна равняться 35 г/см3, что в 25 раз превосходит плотность Солнца (1,4 см3) и в полтора раза – плотность платины. Даже такое твердое небесное тело, как наша родная планета, имеет среднюю плотность порядка 5,5 г/см3 (плотность каменных пород земной коры составляет 2,6 г/см3, а к центру Земли она достигает величины 11,5 г/см3), то есть уступает Крюгеру в шесть с лишним раз.
В скобках заметим, что плотность всех небесных тел (и предельно разреженные газовые пузыри вроде Антареса и Бетельгейзе здесь тоже не исключение) стремительно растет по направлению к центру. Чтобы Солнце могло стабильно существовать, не схлопываясь под действием сил гравитации, плотность его центральных областей должна достигать величин порядка 100 г/см3, что превышает плотность платины в пять раз. Понятно, что в центре Крюгера 60В аналогичный показатель по крайней мере на два порядка больше.
Однако плотность красных карликов – форменный пустяк на фоне карликов белых. Белые карлики – это маленькие и очень горячие звезды, представляющие собой заключительный этап эволюции небесных светил вроде нашего Солнца. Температура их поверхностных слоев колеблется в широких пределах – от 5 тысяч градусов у «старых» холодных звезд до 50 тысяч у «молодых» и горячих. По массе они вполне сопоставимы с Солнцем, а вот их поперечник, как правило, не превышает диаметра Земли (примерно 12 800 километров). Таким образом, их средняя плотность достигает величин порядка 106 г/см3 и превышает солнечную в сотни тысяч раз. Один кубический сантиметр вещества белого карлика может весить несколько тонн. Первый белый карлик был открыт в 1844 году Фридрихом Бесселем, когда он неожиданно обнаружил аномалии в движении Сириуса – самой яркой звезды нашего неба. Его траектория по непонятной причине периодически отклонялась от среднего положения, поэтому Бессель предположил, что Сириус входит в двойную систему, то есть имеет массивную звезду-спутник, а оба светила обращаются вокруг общего центра масс. В 1862 году в окрестностях Сириуса удалось разглядеть тусклое пятнышко, и с тех пор яркий компонент этой двойной системы носит имя Сириус А, а его незначительный темный сосед получил название Сириус В.
Сириус В – далеко не самый мелкий представитель популяции белых карликов. Поскольку его светимость в 300 раз меньше солнечной, а температура поверхности достигает 8000 градусов Кельвина (температура Солнца – 5800 градусов), не составляет большого труда вычислить его размеры. Радиус Сириуса В должен быть около 20 тысяч километров (на 5 тысяч километров меньше Нептуна, но втрое больше Земли), а поскольку его масса составляет 95 % массы Солнца, то средняя плотность его вещества равняется 105 г/см3.