Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Шама Д.В. Современная космология

.pdf
Скачиваний:
21
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
17.2 Mб
Скачать

70ГЛАВА 3

Следующим достижением стало измерение красного смещения у многих радиогалактик (гл. 4), отожде­

ствленных с оптическими галактиками, часто

ярчайшими

в скоплениях. Эти галактики

находятся столь

далеко,

что

единственным

индикатором

расстояния

до

них

слу­

ж и т

их видимая

яркость. Сэндедж нашел,

что

этот

ме­

тод оценки расстояний надежен, так как соотношение между красным смещением и видимой звездной величи­ ной для радиогалактик хорошо выполняется (рис. 31). Это означает, что все они имеют почти одинаковую све­ тимость, что, к сожалению, не верно для квазизвездных объектов (гл. 5), поэтому, несмотря на очень большие красные смещения квазаров, они не могут быть исполь­ зованы для проверки закона Хаббла на больших рас­ стояниях.

Сэндедж надеется найти отклонение от простого ли­

нейного закона Хаббла при самых больших

доступных

ему

красных

смещениях. Такое отклонение

представило

бы

большой

теоретический интерес и помогло бы ре­

шить, какая из различных космологических моделей яв­ ляется наилучшей (гл. 8).

К

сожалению,

это трудная задача, так

как

мы

видим

удаленные

галактики такими, какими

они

были

в далеком прошлом, поскольку свет от них затрачивает очень много времени, чтобы достичь нас. В те более ранние времена светимости галактик могли быть не та­

кими,

как теперь. Л ю б а я

систематическая

эволюция

свойств

самих галактик д а

в а л а бы вклад в

отклонение

от простого линейного закона Хаббла и могла бы легко замаскировать космологические эффекты, которые мы

ищем. К сожалению, мы

не

настолько знаем

законы

эволюции галактик,

чтобы

правильно

ввести

необходи­

мые

поправки. Вероятно,

эта

трудная

проблема

оста­

нется

неразрешенной

еще

в течение долгого

времени.

Г Л А В А 4

Р А Д И О Г А Л А К Т И К И

Введение

В ходе развития науки время от времени делаются совершенно неожиданные открытия, которые часто при­ водят к установлению новых физических законов. Прав ­ да, в астрономии такие открытия обычно свидетель­

ствуют о том, что мы не

сумели правильно применить

уже известные

нам законы природы. Примером такой

неудачи может,

вероятно,

служить драматическая си­

туация, сложившаяся в результате неожиданного от­ крытия радиогалактик и квазаров (о них рассказано в следующей главе), которая указывает на огромный про­

бел в

наших представлениях

о поведении очень

боль­

ших масс вещества. Возьмем, скажем, массу 104 4

г —

массу

типичной галактики, и

зададимся вопросом:

как

она будет себя вести? Астрономы затратили на изучение этой проблемы много времени, однако никто из них не осмелился предположить, что иногда будут происходить

грандиозные взрывы,

затрагивающие

значительную

часть вещества, когда

энергия, соответствующая массе

покоя *) 103 9 г, выделяется в форме магнитных полей и релятивистских частиц, которые излучают как радиоис­ точник беспрецедентных размеров и мощности.

Тем не менее в действительности все происходит именно так, и природа этих явлений пока не понята. Открытию столь грандиозных процессов мы обязаны совместным усилиям радиоастрономов и астрономовоптиков на протяжении двух последних десятилетий, благодаря чему совершился настоящий переворот в астрономии наших дней. Он оказался первым в се­ рии происходящих на наших глазах революционных

*) См. стр. 37.

72

ГЛАВА <t

 

 

 

 

 

 

 

 

открытии, связанных с зарождением рентгеновской и

ин­

фракрасной

астрономии

и с

изучением

микроволнового

фона

(гл. 14). Однако нужно признать, что именно ра­

диоастрономы

поколебали

веру

астрономов-оптиков

в

то,

что все

типы небесных

объектов ими, по

существу,

у ж е

открыты. Поскольку

этот переворот

произошел

не­

давно,

при изложении материала мы будем придержи­

ваться

исторической последовательности. Мы делаем

это

не

столько ради того, чтобы справедливо оценить

вклад

каждого

ученого

(это, увы,

чрезвычайно

трудная

задача д а ж е для науки наших дней), сколько для того, чтобы показать читателю, как в наше время целая от­

расль науки

может

развиться

из

скромных исследо­

ваний.

 

 

 

 

 

О т к р ы т и е радиоисточников

 

 

 

Развитие

радиоастрономии

как

науки

началось пе­

ред второй мировой

войной и

протекало

сначала очень

медленно. Карлу Янскому удалось зарегистрировать слабый фон радиоизлучения, которое, как мы теперь знаем, приходит из Млечного Пути. Однако результатам Янского не придали значения, так как, согласно теоре­ тическим оценкам, сделанным в то время, наша Галак­ тика должна быть слишком слабым радиоисточником, чтобы можно было уловить ее радиоизлучение. К сча­

стью,

когда

закончилась

война

и физики

освободились

от военных

работ,

много

радиолокаторов

т а к ж е

оказа­

лось не у дел, и

несколько

ученых

стали

использовать

их для

проведения

обзоров

неба

в радиоизлучении.

У ж е

в 1944 г. Ребер нашел указания на

существование

на­

ряду

с

фоновым

радиоизлучением

дискретного

источ­

ника космического радиоизлучения в созвездии Лебедя, который теперь называетсяЛебедь А. Но первое уве­ ренное доказательство существования этого источника было получено в Англии в 1946 г. Хеем, Парсонсом и Филлипсом. С этого момента и началось, собственно,

изучение радиогалактик,

хотя в то время этого

никто

не сознавал. Положение

радиоисточника Лебедь А

было

определено слишком неточно, чтобы его можно было отождествить с оптическим объектом, В самом деле,

 

 

 

 

 

Р А Д И О Г А Л А К Т И КИ

73

хотя,

как

мы

увидим,

Лебедь А — второй

по яркости

объект

на

радионебе, он

оставался неотождествленным

вплоть

до

1954

г. — другой

знаменательной

даты

в

ис­

тории

изучения

радиогалактик.

 

 

 

Существование дискретного радиоисточника

 

Л е ­

бедь А

было окончательно

подтверждено в

1948

г.

ра­

ботами Р а й л а и Смита в Кавендишской лаборатории и

Болтона и Стенли в Австралии. В том

ж е году

Болтон

открыл 6 других дискретных радиоисточников,

в том

числе Телец А и Центавр А. Достигнув

таких

успехов,

радиоастрономы приступили к проведению системати­ ческих обзоров неба, чтобы составить каталоги радио-

источников. Первые

два каталога были

опубликованы

в 1950

г., один,

содержащий

18 источников, — Стенли и

Сли,

другой,

более

обширный,

содержащий 50 источни­

к о в , — Райлом,

Смитом и Элсмором. Последний полу­

чил

название

1С — первый

кембриджский

каталог.

Ве­

роятная

ошибка

в

положении

источника

составляла

в

нем

несколько

минут дуги

по

прямому

восхождению

и около

градуса

по

склонению.

 

 

 

Первый по-настоящему обширный обзор был выпол­ нен в Кембридже в 1955 г. Составленный в результате этого обзора каталог 2С содержал 1936 источников. Его

материал послужил

основой для первой попытки сде­

лать

космологические выводы из подсчета

относитель­

ного

 

числа

источников различного видимого радио­

блеска

(или,

как

говорят радиоастрономы,

плотности

потока радиоизлучения), которую предприняли в 1955 г. Раііл и Шенер. Об этой работе, а т а к ж е о последующих исследованиях в этом направлении рассказано в гл. 6.

Итак, 'созданием этого большого каталога закон­ чился первый активный период, в течение которого от­

крытие радиоисточников

было

более

важной

задачей,

чем подробное изучение

их

свойств.

Открыть

1937-й

источник казалось у ж е делом гораздо менее важным, поэтому радиоастрономы направили свои усилия на по­ лучение более точных положений радиоисточников и повышение точности каталогов, которые, как подозре­ вали, содержали много ложных источников.

В качестве примера такой работы по исправлению каталогов рассмотрим обзор, сделанный Миллсом и Сли

74 ГЛАВА 4

в 1957 г. Они выбрали для обзора область неба, час­ тично перекрывающую зону обзора 2С, и в этой общей

для обоих обзоров части неба не смогли

обнаружить

многие

из

источников

2С. В

то

ж е

время

они

обнару­

жили много источников, отсутствовавших в каталоге

2С.

Причина

этих

расхождении,

оказывается,

заключается

в том,

что оба

обзора

ограничены

эффектом

,«путани­

ц ы » * ) .

Р а з р е ш а ю щ а я

способность

радиотелескопа,

как

и оптического

телескопа, равна

приблизительно

Х/а,

где

X— длина

волны

принимаемого

излучения

и

а — диа­

метр входного отверстия (апертура) телескопа. Это означает, что два объекта, угловое расстояние между которыми меньше, чем Х/а радиан, уже нельзя наблю­ дать раздельно. Д л и н а радиоволн намного больше длин волн оптического диапазона, поэтому для того, чтобы достичь такого ж е разрешения, каким обладает оптиче­ ский телескоп, радиотелескоп должен намного превос­ ходить последний по размерам . Л и ш ь недавно подобное разрешение было достигнуто на системе апертурного

синтеза

Р а й л а

размером

около 1,5 км и с интерферо­

метрами

со сверхдлинными

базами .

Неурядицы

с обзором

2С объясняются тем, что

с приближением плотности потока источников к пре­ дельно доступной для радиотелескопа их число на небе резко возрастает, а расстояния между ними становятся слишком малыми, чтобы их можно было уверенно раз­ решить. В результате этого на записях появляются лож ­

ные

источники. Только при высоких плотностях

потока

это

затруднение

несущественно,

но тогда

объем

ката­

лога

значительно

сокращается .

Поэтому

кембриджские

радиоастрономы предприняли новый обзор на длине волны, примерно вдвое меньшей, чем 2С, выиграв таким образом в разрешении. Этот обзор, опубликованный в

*) В русской литературе чаще употребляется термин «эффект насыщения». Дело в том, что с увеличением размеров антенны ра­ диотелескопа его чувствительность растет гораздо быстрее, чем раз­ решающая способность (см. ниже), поэтому, начиная с некоторого размера антенны, радиотелескоп регистрирует излучение источников, которые он разрешить не способен. Дальнейшее увеличение разме­ ров антенны не приводит больше к увеличению реальной чувстви­ тельности — происходит «насыщение». — Прим. перев.

 

 

Р А Д И О Г А Л А К Т И КИ 75

1959 г., получил

название ЗС. Он

содержит

471 ис­

точник.

 

 

 

Дальнейшие

работы показали,

что и этот

каталог

имеет значительные недостатки, и в 1962 г. Беннет опубликовал ревизованный каталог ЗС, который, по-ви­ димому, действительно практически свободен от оши­ бок. Этот каталог имел важнейшее значение в истории радиоастрономии. В течение многих лет он был глав­ ным списком радпообъектов северного полушария, ко­ торым пользовались для их изучения в радио- и оптиче­ ском диапазонах, о чем свидетельствует тот факт, что многие замечательные объекты имеют номера по ката­

логу

ЗС. Только

теперь эта его роль начинает перехо­

дить

к выполненным позднее обзорам 4С и 5С. Стоит

т а к ж е

отметить,

что ревизованный каталог ЗС — прак­

тически полный список радиоисточников ярче 9 единиц

потока*)

на частоте 178

М Г ц в области

склонений от

—5 до

+ 9 0 ° . Таких

источников насчитывается 328.

В

этот

период

многое

было сделано

т а к ж е австра­

лийскими радиоастрономами. С 1958 по 1961 г. Миллс, Сли и Хилл опубликовали обширный каталог. Затем, когда вступило в строй 64-метровое параболическое зеркало в Парксе, под руководством Болтона был вы­ полнен большой обзор, имевший такое ж е значение для южного полушария, как обзор ЗС для северного.

Таким образом, в течение последних 20 лет продви­ нулись от открытия первого радиоисточника до ситуа­ ции, которая может показаться читателю бесконечным «каталогом каталогов» таких источников. На самом деле каталогов существует гораздо больше, чем пере­ числено здесь, и продолжают создаваться все новые. Радиоастрономы оказались в положении, сходном в не­ которых чертах с тем, в котором находились астрономыоптики во времена Гершеля, когда создание звездных

каталогов з а к л а д

ы в а л о

основу для

изучения

нашей Га­

лактики. Правда,

радиокаталоги, как мы увидим ниже,

внесли гораздо

больший вклад в

изучение

Вселенной

за пределами

нашей

Галактики,

чем самой Галак ­

тики.

 

 

 

 

 

*) 1 единица потока = 10-*s Вт/(м2 -Гц).

76 ГЛАВА 4

О п т и ч е с к о е о т о ж д е с т в л е н и е р а д и о и с т о ч н и к о в

Положение первых радиоастрономов напоминало по­ ложение первых астрономов-оптиков еще в одном важ ­ ном отношении: они тоже не знали, как далеко нахо­

дятся изучаемые ими объекты. Они не

могли д а ж е

считать Солнце типичным радиопсточником

(а Солнце —

радионсточннк!), хотя оно является типичной звездой. Первые измерения параллаксов дали, как некогда для звезд, лишь довольно близкий нижний предел. Так, Райл и Смит нашли этим методом, что радиоисточники Лебедь А и Кассиопея А находятся дальше 2 - Ю 1 6 см, т. е. вне Солнечной системы, но не обязательно на рас­ стояниях ближайших звезд. Наибольшие надежды на дальнейший прогресс в этой области возлагались на по­

пытки найти для

каждого радиоисточника связанный с

ним

оптический объект,

поскольку в оптической астроно­

мии

разработано

много

методов определения расстоянии

до светил. Конечно, заранее гарантировать успех было нельзя. Д а ж е и теперь большинство радноисточников, ко­ торые используются для статического анализа, напри­ мер при изучении зависимости число источников — плот­

ность потока

(гл. 6), все

еще

не имеют

оптических

ото­

ждествлений.

 

 

 

 

 

Д л я

отождествления

радиоисточника

с оптическим

объектом

еще

недостаточно,

чтобы последний был

по

своей яркости доступен фотографированию на большом телескопе. Решающей величиной является неопределен­ ность в радиоположении источника. На заре радио­ астрономии в пределах прямоугольника ошибок радио­ координат содержалось большое количество оптических объектов, что делало отождествление очень трудным. Единственно, на что оставалось, в то время надеяться, — это что оптический объект, возможно, в каком-то отно­ шении должен быть аномальным в результате проявле­ ния возмущений, которые привели к возникновению радиоисточника. Вероятность того, что аномальный

объект

случайно попадет в прямоугольник ошибок,

крайне

мала .

ІІо этой причине на первых порах радиоисточники отождествлялись в основном с аномальными объектами,

78 ГЛАВА 4

однако это никоим образом не означает, что большин­ ство оптических объектов, связанных с радионсточниками, являются аномальными. В самом деле, как только радиокоордииаты стали определять достаточно точно, выяснилось, что в большинстве своем такие объекты не показывают особых аномалий. Повышение точности определения радноположений продолжается и по сей день и является в настоящее время важнейшей пробле­ мой, так как все яркие в оптическом диапазоне источ­ ники уже отождествлены и теперь возникла необходи­ мость искать отождествления с более слабыми оптиче­ скими объектами. Слабых объектов гораздо больше, чем ярких, поэтому прямоугольник ошибок нужно значи­ тельно уменьшить, чтобы исключить возможность слу­ чайного совпадения.

Первое

оптическое

отождествление

радиоисточников

принадлежит Болтону, Стенли и Сли

(1949 г.). Они

предположительно

отождествили

радиоисточник

Те­

лец А с Крабовидной туманностью, Деву

А с

галактикой

NGC 4486

и Центавр А

с галактикой

NGC5128. Впо­

следствии

эти отождествления

полностью

подтверди­

лись. Все эти объекты

исключительно

интересны:

их

вид в радиолучах

и

в

видимом свете

показан

на

рис. 32—34 *). О Крабовидной туманности

мы рассказали

в гл. 1 и 2. Она является

остатком

сверхновой

и главным

проявлением связи между грандиозным взрывом и силь­ ным радиоисточником. Как мы видели, поляризация ра­ дио- и оптического излучений этой туманности служит хорошим доказательством того, что она пронизана маг­ нитными полями, в которых движутся релятивистские электроны, генерирующие синхротронные радио- и опти­ ческое излучения. Подобная связь между поляризацией в радио- и оптическом диапазонах считается общим свой­

ством

радиоисточников.

П р а в д а , часто

интенсивность

поляризованного

оптического

излучения

оказывается

слишком

слабой

и поэтому его нельзя обнаружить. Тем

не менее

в Деве А его смогли зарегистрировать (рис . 33) .

*)

Примечание

при корректуре.

Все эти объекты, как стало из«

вестно, являются источниками

рентгеновских лучей. (См, примечание

переводчика на стр. 48, — Прим,

перев.)

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ