Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса: читать начало книги онлайн

Астрономам больше повезло с оценкой расстояния от нас до центра Млечного Пути. О том, что Солнечная система находится на «периферии» нашей Галактики, впервые заговорил в 1920-х годах гарвардский астроном Харлоу Шепли (1885–1972), когда определил расстояние до шаровых звездных скоплений в галактическом гало. Свои расчеты Шепли основывал на блеске переменных звезд, которые он мог опознать в скоплениях. Переменные типа RR Лиры имели постоянную среднюю светимость, которая могла послужить ему в качестве «стандартной свечи» для нахождения расстояний, в то время как у гораздо более ярких звезд-сверхгигантов, так называемых цефеид, просматривалась четкая связь между светимостью и периодами пульсации. Ее впервые обнаружила Генриетта Ливитт (1868–1921), астроном из Гарвардской обсерватории, и это позволило рассчитать расстояния лишь на основе наблюдений за изменением светового потока цефеид (к которым мы вскоре вернемся). Измеряя космические глубины, Шепли выяснил, что сами скопления «копятся» в направлении созвездия Стрельца. Он верно предположил, что ядро их распределения прослеживалось до истинного центра Млечного Пути, но рассчитанное им расстояние более чем вдвое превышало то, которое мы допускаем сегодня.

После Второй мировой войны, с улучшением технологий, радиоастрономы смогли уточнить расчеты Шепли. Наблюдая за движением облаков из газообразного водорода в пределах прямой видимости, они обнаружили точку симметрии в созвездии Стрельца. С одной стороны от этой точки газовые облака приближались к нам, с другой — удалялись. Хотя оптика не позволит увидеть центр Галактики — его скрывают многочисленные газопылевые облака, — за ним легко наблюдать на радиоволнах. Пристальное изучение радиоизлучающего газа, обходящего по орбите точку симметрии, показало, что удаленность объекта от нас составляет около 28 000 световых лет. Расстояния до звезд, формирующих галактический балдж, дали аналогичные значения. В последнее время радиоастрономы склоняются к мысли, что расстояние от нас до центра Галактики (наш галактоцентрический радиус) меньше и ближе к 26 000 световых лет.

Узнав это главное расстояние с определенной степенью точности, астрономы смогли свести фрагментированный облик Млечного Пути в единую картину. Как и у других подобных галактик, у него есть балдж, диск и гало, а также бар — центральная перемычка — и множество спиральных рукавов, украшающих диск. Самые современные представления о его структуре показаны на рис. 3.11. К сожалению, мы до сих пор не можем понять, как располагается вещество в диске, — сделать это нам мешают пронизывающие его газопылевые облака. Может быть, предстоящие космические миссии сумеют разрешить этот познавательный тупик, так что следите за новостями.

На рис. 3.11 не показано расширенное гало темной материи, которое, как считается, полностью пронизывает и обволакивает Млечный Путь. Это скрытое гало призвано объяснить, почему газ во внешнем диске нашей Галактики движется с загадочно высокой орбитальной скоростью. Должно быть, что-то силой своего притяжения удерживает этот стремительный газ и не дает ему улетучиться. Природа этого «нечто» совершенно неизвестна. И еще сильнее приводит в замешательство тот факт, что доля этого невидимого вещества, как полагают, составляет более 85 % от общей массы Млечного Пути!

Местная группа галактик

Наш Млечный Путь не одинок (рис. 3.12). Его спутники, имеющие неправильную форму, — Большое и Малое Магеллановы Облака — были заметны на южном небе еще задолго до кругосветного путешествия Фернана Магеллана (1519–1522). Но огромные расстояния до этих галактик удалось рассчитать только тогда, когда появились гигантские телескопы-рефлекторы и фотографические технологии, позволившие отображать отдельные звезды в Магеллановых Облаках. На снимках Малого Магелланова Облака, которые делались на длинной выдержке на протяжении многих дней, Генриетта Ливитт в 1908 году опознала несколько цефеид — особенно ярких переменных звезд. Блеск этих сверхгигантов менялся с четкой периодичностью от нескольких дней до недель, благодаря чему удалось установить взаимосвязь между периодом пульсации каждой звезды и ее абсолютной светимостью. Сравнив их с цефеидами в Млечном Пути, Ливитт и шведский астроном Эйнар Герцшпрунг получили расстояние до Малого Магелланова Облака, которое действительно оказалось внегалактическим. Сегодня считается, что от нас до него 200 000 световых лет, а до Большого Магелланова Облака — 160 000 и эти галактики находятся на самом краю обширного гало темной материи, пронизывающей Млечный Путь.

Рис. 3.12. Вокруг Млечного Пути располагаются Магеллановы Облака — Большое и Малое — и примерно десять карликовых галактик, которые гораздо меньше. (Материалы любезно предоставлены R. Powell, An Atlas of the Universe.)

Сверхчеткие снимки, полученные с помощью мощнейших телескопов, позволили обнаружить более десяти галактик, связанных с «большим» Млечным Путем. Большинство из них — маловажные «карлики» неправильной или эллипсоидной формы. Считается, что они остались от изначального периода, когда Млечный Путь сгущался из плотного роя подобных галактик. Еще пример но десять «карликов» снуют вокруг гигантской спиральной галактики Андромеды (М31) — следующей из тех, что ближе всего к нам. Сейчас от нас до нее 2,5 млн световых лет, но ожидается, что через 3–5 млрд лет она и Млечный Путь сольются. Помимо Млечного Пути и М31, досье Местной группы дополняют еще несколько обособившихся небесных объектов. К ним относятся спиральная галактика Треугольника (М33) в одноименном созвездии — небольшая, но поразительно активная «звездная колыбель»; и IC10 — ближайшая к нам галактика со вспышкой звездообразования, где безудержно рождаются и умирают звезды, отчего по всей ее ширине протянулся филигранный узор ионизированного газа.

Сверхскопление Девы

Телескопические исследования космической бездны выявляют одну галактику за другой, и часто они располагаются в пределах широких областей, похожих на Местную группу. Иногда галактик в таких областях довольно много, и их совокупность называют «скоплением». Ближе всего к нам скопление Девы — россыпь галактик, охватившая все одноименное созвездие. Определить расстояния до них до недавнего времени было непросто. Крупнейшие наземные телескопы не могли различить цефеиды на фоне других звезд, поэтому приходилось задействовать вспомогательные индикаторы, указывающие на светимость и расстояние. В их числе были ярчайшие звездообразующие туманности и шаровые звездные скопления, заметные на фотографиях с длинной выдержкой. Начиная с 1990-х годов космический телескоп «Хаббл» делал снимки галактик и в скоплении Девы, и вне его. Превосходная резкость телескопа позволила найти в этих галактиках цефеиды, пронаблюдать периодические изменения их блеска — и астрономы смогли определить расстояния до них. Согласно недавним расчетам, центр скопления Девы находится от нас на расстоянии в 54 млн световых лет, но в самом скоплении есть и галактики, которые на целых 7 млн световых лет отклоняются от центра. Скопление Девы, содержащее более 1300 ярких галактик и неведомо сколько гораздо более тусклых «карликов», — это прекрасный пример того, что может произойти, когда галактики развиваются в непосредственной близости друг от друга. Во внешней области скопления есть несколько гигантских спиральных галактик, похожих на Млечный Путь. По мере приближения к ядру, границы которого определены очень смутно, галактики уже напоминают не спирали, окружающие диск, а скорее звездные рои, имеющие форму эллипса. Астрономы полагают, что звездные нагромождения, лишенные сколь-либо выразительных черт, возникли после столкновений галактик, которые изменили галактические орбиты звезд и — в некоторых случаях — повлекли за собой крупные слияния.

Скопление Девы — всего лишь одна из ста с лишним галактических групп и скоплений, формирующих сверхскопление Девы. Млечный Путь и его собратья по Местной группе — отдаленные представители этого сверхскопления. Его масштабы огромны, и большинство галактик в нем слишком далеки друг от друга, чтобы выделить в них отдельные звезды и измерить расстояния до них. Астрономы поступили иначе: они воспользовались непрестанным расширением Вселенной, чтобы оценить, насколько сильно растянулись световые волны, излученные этими галактиками с самого начала их существования. Согласно закону расширения Вселенной, впервые сформулированному Джорджем Леметром в 1927 году, а в 1929 году подтвержденному наблюдениями калифорнийского астронома Эдвина Хаббла, степень растяжения длины световых волн, исходящих от излучающей галактики (часто называемая галактическим красным смещением), прямо пропорциональна расстоянию от нее до Земли. Применив это соотношение для галактик, расстояние до которых уже было известно (благодаря расчетам, проведенным на основе периодов пульсации их переменных-цефеид), астрономы постепенно уточнили закон Хаббла, чтобы измерять расстояния до галактик по всему сверхскоплению Девы и за его пределами.

Им удалось обнаружить слабо связанную совокупность галактических групп и скоплений с условным центром в скоплении Девы. Она простирается примерно на 110 млн световых лет. Тысячи ярких галактик сияют, как 3 трлн солнц, а что касается общей массы, то подавляющее обилие темной материи может увеличить ее до эквивалента примерно 1000 трлн солнц. Относительные скорости различных галактических компонентов составляют порядка 500 км/с. При таких темпах время, за которое галактика пройдет сверхскопление Девы, составит 66 млрд лет — а это в пять раз больше возраста нашей Вселенной. Так что этому сверхскоплению предстоит долгий путь, прежде чем оно отреагирует на собственную гравитацию. Другими словами, эта структура первозданна и все еще остывает после Большого взрыва.

Галактическая нить сверхскоплений Девы — Гидры — Центавра

Начиная с 1980-х годов астрономы-оптики на протяжении тысяч ночей смотрели в телескопы, чтобы определить спектроскопические красные смещения бесчисленного множества галактик по всему небу — и соответствующие расстояния до них. Сначала необходимые спектрографические наблюдения проводились над одной галактикой за раз, но со временем появились новые технологии, позволявшие одновременно рассеять свет, исходящий от сотен галактик в скоплении, по отдельным спектрам и в полной мере запечатлеть его на электронных матричных детекторах. В итоге мы сумели распределить галактики на трехмерной карте и взглянуть на крупномасштабное строение Вселенной — и то, что мы увидели, поражает и манит, но в то же время приводит в замешательство.

Некоторые астрономы видят обширные галактические поверхности, похожие на пузыри. Другие говорят, что крупномасштабная структура галактик и связанной с ними темной материи подобна космической паутине, которая состоит из тонких «нитей», сходящихся к более плотным «узлам», где и располагаются сверхскопления. Наш Млечный Путь, по-видимому, является частью нити сверхскоплений Девы — Центавра — Гидры. Помимо галактик и неуловимой темной материи, нити содержат сгустки горячего газа, на что намекают результаты наблюдений неба в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. На данный момент мы не знаем, какой смысл в подобном устроении, но нас воодушевляет тот факт, что оно согласуется с расстоянием между пятнами, заметным на недавних картах космического микроволнового фона — послесвечения Большого взрыва. Такое впечатление, что распределение галактик в огромнейших масштабах указывает нам на то, как организовалась материя в мельчайших масштабах в первые наносекунды после возникновения нашей Вселенной.

Ланиакея и запределье

Самая большая структура, к которой мы принадлежим, известна как Ланиакея, в переводе с гавайского — «необъятные небеса». Она охватывает сверхскопления Девы — Гидры — Центавра, Печи — Эридана и Павлина — Индейца. Огромное пустое пространство отделяет Ланиакею от следующей крупной галактической системы, центром которой является сверхскопление Персея — Рыб. Вместе они простираются более чем на миллиард световых лет. Помимо этих структур, наша выборка галактик слишком мала, чтобы делать какие-то выводы. Мы можем видеть несколько галактик, в которых наблюдаются яркие квазары и гамма-всплески, и немного первозданных «звездных колыбелей» с красным смещением, которое отдаляет их на расстояние до 10 млрд световых лет от нас, — но, конечно, этих «чудовищ» недостаточно для создания подробных трехмерных карт. Впрочем, новые возможности телескопических наблюдений и методов съемки могут восполнить этот пробел в нашей галактической переписи, что позволит нам проследить как структуру, так и эволюцию материи во всей наблюдаемой Вселенной.

Космические масштабы

Почти всю эту главу мы посвятили пространственной иерархии космических «вложений» и тому, как астрономы начали ее измерять. В каком-то смысле сведений слишком много, чтобы обдумать все сразу. Тут нам и поможет математика. Удобный способ разобраться с невероятным диапазоном размеров и расстояний во Вселенной — начать с какого-нибудь легко измеряемого масштаба (скажем, метра), умножить его на десять — и повторить этот шаг еще много-много раз. Так мы пройдем всю Вселенную, как в фильме «Степени десяти», и придем к границе всего пространства (и времени) всего за двадцать пять шагов.

105 м = 10² км (штат Массачусетс [с севера на юг], большая часть известных астероидов, спутник Урана Миранда);

106 м = 10³ км (Мексиканский залив, крупнейший астероид Церера, Луна);

107 м = 10⁴ км (Земля, белый карлик Сириус В);

108 м = 105 км (расстояние от Земли до Луны [4 ∙ 105 км], Юпитер);

109 м = 10⁶ км (Солнце, Сириус А и другие «обычные» звезды, сжигающие водород, кома кометы);

1010 м = 10⁷ км (водородное гало кометы, голубая звезда-сверхгигант Ригель);

1011 м = 108 км (хвост кометы, красная звезда-сверхгигант Бетельгейзе, расстояние от Земли до Солнца [1,5 ∙ 108 км] = 1 а. е.);

1012 м = 10⁹ км ~ 10 а. е. (расстояние от Солнца до Сатурна: 9,2 а. е.);

1013 м = 10[3] км ~ 10² а. е. (диаметр орбиты Плутона ~ 80 а. е.)

1014 м = 10¹¹ км ~ 10³ а. е. (остаточный диск около звезды β Живописца);

[3] 0 м = 1 метр (четырехлетний ребенок, широкий шаг взрослого, небольшой удав, крупный метеорит);