Концепции современного естествознания

атмосферы Солнца.

Всередине 60-х гг. радиоастрономы Великобритании решили провести первый полный обзор северного полушария неба по выявлению мерцающих радиоисточников на волне 75 см. Для этого была сооружена специальная антенная решётка из параллельных рядов медной проволоки. Работу по анализу наблюдений поручили аспирантке Кембриджского университета Джослин Бэлл. Её научным руководителем и организатором всей программы был Энтони Хьюиш.

Мерцания на околосолнечной плазме наблюдаются только в дневное время, когда радиоисточник находится на угловом расстоянии 30-60° от Солнца. Но Джослин решила не выключать самописец, регистрирующий радиоизлучение, даже ночью. День за днём она аккуратно просматривала записи, фиксируя мерцающие радиоисточники. И однажды она нашла быстропеременный источник – «помеху», которая наблюдалась глубокой ночью, когда мерцающих источников не должно было быть. Вскоре Джослин обнаружила, что «помеха» повторяется через 23 ч. 56 мин. Вспомнили открытие Янского? Да, этот период соответствует одним звёздным суткам. Значит, источник находится за пределами Солнечной системы.

Хьюиш, Бэлл и другие члены кембриджской группы сделали специальную запись «помехи» с повышенной скоростыо самописца. Они увидели, что странный сигнал представляет собой периодические короткие импульсы, точность повторения которых просто феноменальна. Поначалу астрономы даже считали, что обнаружили сигналы внеземной цивилизации. Поэтому несколько месяцев открытие держали в строгом секрете. Первые специальные записи периодического сигнала были сделаны 28 ноября 1967 г., а публикация об открытии появилась лишь в феврале 1968-го. За это время Джослин нашла в своих записях ещё несколько подобных источников. По импульсному характеру излучения они и были названы пульсарами. За открытие и интерпретацию радиоизлучения пульсаров Энтони Хьюишу присуждена Нобелевская премия по физике.

Внастоящее время установлено, что пульсары представляют собой нейтронные звёзды, образовавшиеся после вспышек сверхновых. Нейтронная звезда – очень экзотический объект. Масса её в полтора раза болыше солнечной, а радиус всего около 10 км. Она генерирует узконаправленный поток радиоизлучения. В результате вращения нейтронной звезды этот поток попадает в поле зрения внешнего наблюдателя через равные промежутки времени – так образуются импульсы пульсара.

431

Постоянство периода пульсации объясняется стабильностью вращения нейтронных звёзд. Некоторые пульсары даже используются для контроля за точностью часов.

Сегодня известны уже сотни пульсаров. Ближайшие из них расположены на расстоянии около 100 световых лет от Солнца. Нейтронные звёзды – пульсары – это заключительная фаза эволюции массивных звёзд.

К моменту открытия пульсаров было уже известно, что конечным продуктом эволюции звёзд являются компактные массивные объекты, плотность которых во много раз болыше, чем у обычных звёзд.

После того как звезда исчерпает свои источники энергии, она начинает остывать и сжиматься. При этом физические свойства газа кардинально меняются, так, что его давление сильно возрастает. Если масса звезды невелика, то силы гравитации сравнительно слабы и сжатие звезды (гравитационный коллапс) прекращается. Она переходит в устойчивое состояние белого карлика. Но если масса превышает некоторое критическое значение, сжатие продолжается. При очень высокой плотности электроны, соединяясь с протонами, образуют нейтральные частицы – нейтроны. Вскоре уже почти вся звезда состоит из одних нейтронов, которые настолько тесно прижаты друг к другу, что огромная звёздная масса сосредоточивается в очень небольшом шаре радиусом несколько километров и сжатие останавливается. Плотность этого шара нейтронной звезды чудовищно велика даже по сравнению с плотностью белых карликов: она может превышать 10 млн т/см3.

Существование нейтронных звезд предсказал ещё в 1932 г. советский физик Лев Давидович Ландау, а в 1934 г. работавшие в США Валыер Бааде и Фриц Цвикки предположили, что эти звёзды являются остатками взрывов сверхновых. Естественно, после того как обнаружилась связь пульсаров с остатками вспышек сверхновых, было высказано мнение, что пульсары и нейтронные звёзды — это одни и те же объекты.

Каким же образом пульсары излучают электромагнитные волны? При сжатии звезды увеличивается не только её плотность. Согласно закону сохранения момента количества движения, с уменьшением радиуса звезды растёт скорость её вращения. При коллапсе огромной массивной звезды до размеров порядка нескольких десятков километров период вращения уменьшается до сотых и даже тысячных долей секунды, т.е до характерных периодов переменности пульсаров. Помимо этого сильно уплотняется и магнитное поле звезды.

На поверхности нейтронной звезды, где нет такого большого давления, нейтроны могут опять распадаться на протоны и электроны.

432

Сильное магнитное поле разгоняет лёгкие электроны до скоростей, близких к скорости света, и выбрасывает их в околозвёздное пространство. Заряженные частицы движутся только вдоль магнитных силовых линий, поэтому электроны покидают звезду именно от её магнитных полюсов, где силовые линии выходят наружу.

Перемещаясь вдоль силовых линий, электроны испускают излучение в направлении своего движения. Это излучение представляет собой два узких пучка электромагнитных волн. Если магнитная ось звезды (так же, как и Земли) не совпадает с осью вращения, то пучки излучения будут вращаться с периодом, равным периоду вращения звезды. Мы наблюдаем это излучение в том случае, когда, описывая окружность в пространстве, лучи пробегают по земной поверхности. Так что название «пульсары» не совсем точно; они не пульсируют, а вращаются.

Во внешнем слое нейтронной звезды происходят и другие необычные явления. Там, где плотность вещества ещё недостаточно велика для разрушения ядер, они могут образовывать твёрдую кристаллическую структуру, и звезда покрывается жёсткой коркой, подобной земной коре, но только в невообразимое число раз плотнее. При замедлении вращения пульсара в этой твердой корке создаются напряжения. После того как они достигнут определённой величины, корка начинает раскалываться. Это явление называется звездотрясением по аналогии с земными тектоническими процессами. Возможно, такими звездотрясениями объясняются скачкообразные изменения периодов некоторых пульсаров.

Пока неизвестно, являются ли вспышки сверхновых единственным источником образования нейтронных звёзд, или они могут возникать и в результате более спокойных процессов.

Открытие пульсаров имело большое значение не только для астрономии. Оно послужило стимулом для развития многих отраслей физики. Изучение пульсаров позволяет исследовать свойства мощных гравитационных и магнитных полей, совершенно недоступных в земных условиях. Высокое постоянство периодов пульсаров дало возможность с большой точностью измерить период вращения Земли. Изменяясь при прохождении через межзвёздный газ, излучение пульсаров несёт важную информацию о составе и физических свойствах межзвёздной среды.

9.5. Квазары

Наука выводов и анализа может быть освоена только путем долгого и упорного изучения, и жизнь слишком коротка, чтобы смертный мог достигнуть предела возможного совершенства.

Артур Конан Дойл

433

Квазар излучает столько энергии, сколько могли бы излучать десятки галактик, собранных вместе. И при этом квазары выглядят точечными звездообразными объектами, за что они и получили свое имя: квазизвездные радиоисточники. Почему же такая энергия выделяется в маленьком объеме? Это основная и пока ещё до конца не раскрытая тайна квазаров.

История их открытия заслуживает внимания. В первые годы развития радиоастрономии положения обнаруженных источников на небе были известны недостаточно точно. Иногда источник радиоизлучения совпадал с каким-нибудь необычным оптическим объектом, в частности с Крабовидной туманностью. Но в большинстве случаев на месте даже ярких радиоисточников ничего примечательного на фотографиях не было. Нужны были точные координаты радиоисточников, чтобы провести более тщательные оптические отождествления.

Астрономы предложили оригинальный способ определения координат некоторых радиоисточников. Иногда Луна, двигаясь по небу, проходит перед радиоисточником и закрывает его. Поскольку положение Луны в любой момент известно с большой точностью, необходимо лишь зафиксировать время, когда источник исчезает за лунным диском и когда он появляется вновь.

В1963 г., Луна должна была пройти перед ярким радиоисточником ЗС

273.Наблюдения этого покрытия были организованы на Паркском радиотелескопе в Австралии и потребовали весьма сложной подготовки. Башня Паркского телескопа недостаточно высока, так что зеркало нельзя наклонять к горизонту под углом ниже 30°, иначе оно попросту

упирается в землю.

Но покрытие ЗС 273 Луной происходило ниже! С радиотелескопа пришлось снять несколько тонн металлических конструкций, чтобы сделать наблюдения возмож-

ными. За несколько часов до покрытия источника Луной по местным широковещательным радиостанциям было передано сообщение с просьбой не включать никаких передатчиков. Дороги вблизи радиотелескопа патрулировались, чтобы не пропустить случайные автомобили.

Эти меры оказались не напрасными. Наблюдения прошли успешно и радиоисточник ЗС 273 удалось отождествить со звездой 13-й звёздной величины. Для астрономов это яркая звезда. Чтобы узнать, что собой

434

представляет звезда, нужно получить её оптический спектр. У радиоисточника ЗС 273 он оказался совершенно непохожим на спектр звезды какого-либо класса и содержал яркие линии излучения, характерные для газовых туманностей. Как выяснилось, эти линии принадлежат обычным химическим элементам, но они сильно смещены в красную сторону, что соответствует удалению ЗС 273 от Земли со скоростью около 50000 км/с. Все галактики участвуют в общем расширении Вселенной и удаляются друг от друга со скоростями тем большими, чем больше расстояние между ними. Коэффициент пропорциональности в этом законе расширения Вселенной, открытом американским астрономом Эдвином Хабблом, называется постоянной Хаббла. Зная скорость удаления галактики, можно определить расстояние до неё. Источник ЗС 273 оказался дальше большинства известных галактик, на расстоянии более миллиарда световых лет.

К настоящему времени открыты тысячи квазаров. Не все, но многие из них являются мощнейшими радиоисточниками. ЗС 273 – один из самых близких. Большинство квазаров находится на расстоянии 10 – 15 млрд. световых лет от нас, т.е. почти на границе наблюдаемой Вселенной. Что же это за объекты, которые выглядят как звёзды, удалены на гигантские расстояния и излучают энергии в десятки, а то и в сотни раз больше, чем целые галактики? Мощность излучения квазаров наиболее высокой светимости такова, что превышает мощность излучения обычной звезды типа Солнце более чем в тысячу миллиардов раз! Законченной теории квазаров нет, но астрофизики имеют весьма правдоподобную гипотезу.

По своим наблюдаемым свойствам квазары похожи на активные ядра известных галактик, только уровень их активности значительно выше. Для них также характерны и бурное движение газа, и сильное радиоизлучение, и выброс струй вещества. Как и активные ядра галактик, квазары являются переменными источниками. Возникло предположение, что все квазары или по крайней мере их значительная часть – это ядра далеких галактик на стадии необычно высокой активности, когда их оптическое излучение имеет столь высокую мощность, что «забивает» излучение самой галактики. Действительно, вокруг многих не слишком далёких квазаров было обнаружено слабое свечение, по-видимому связанное с окружающей их звёздной системой. Иногда даже видны структурные детали, типичные для галактик.

435

9.6. «Черные дыры»

Звезды могут исчезать, растворяясь постепенно И теряясь безвозвратно в черном хаосе Вселенной.

П. Шелли

Вероятно, во Вселенной встречаются ещё более загадочные объекты, чем нейтронные звёзды. Что произойдёт, если масса звезды будет настолько велика, что даже образование нейтронной звезды не остановит гравитационного коллапса?

Ещё в XVIII в. учёные высказывали предположения о возможности существования во Вселенной тел с огромной силой тяготения, которые притягивают даже испущенный ими самими свет. После создания Эйнштейном общей теории относительности было построено подробное описание таких объектов, названных чёрными дырами. [64].

Термин «чёрная дыра» был весьма удачно введен в науку американским физиком Джоном Уилером в 1968 г. для обозначения сколлапсировавшей звезды. Как известно, для того чтобы преодолеть силу притяжения небесного тела с массой М и радиусом R, частица на поверхности должна приобрести вторую космическую скорость, где G – постоянная тяготения Ньютона.

Если при постоянной массе радиус уменьшается, то эта скорость возрастает и может достичь скорости света (с) – предельной скорости для любых физических объектов, когда радиус тела становится равным 2GМ/с2. Это так называемый гравитационный радиус – Я8. На достаточно больших расстояниях чёрная дыра проявляет себя как обычное гравитирующее тело той же массы. Поверхности в традиционном понимании у чёрных дыр быть не может. Удивительно, но самые «экзотические» с точки зрения

образования и физических проявлений космические объекты – чёрные дыры – устроены гораздо проще, чем обычные звёзды или планеты. У них нет химического состава, их строение не связано с различными типами взаимодействия вещества – они описываются только уравнениями гравитации Эйнштейна. Кроме масс чёрная дыра может ещё характеризоваться моментом количества движения и электрическим

436

зарядом. Но если чёрные дыры не светят, то как же можно судить о реальности этих объектов во Вселенной? Единственный путь – наблюдать воздействие их гравитационного поля на другие тела.

Имеются косвенные доказательства существования чёрных дыр более чем в 10 тесных двойных рентгеновских звёздах. В пользу этого говорят, во-первых, отсутствие известных проявлений твердой поверхности, характерных для рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера (например, периодичных импульсов в излучении), и, во-вторых, большая масса невидимого компонента двойной системы (больше трех масс Солнца).

Последние достижения рентгеновской астрономии позволяют исследовать рентгеновское излучение очень быстрой (миллисекундной) переменности. В оптической астрономии появилась возможность регистрации очень слабых потоков света. Все это дает надежду, что в начале XXI в. будет получено прямое доказательство существования в Галактике чёрных дыр звездной массы. А возможно, обнаружение чёрных дыр будет связано с совершенно новым направлением звездной науки – гравитационно-волновой астрономией.

Чёрные дыры образуются в результате коллапса гигантских звёзд массой более трёх масс Солнца. При сжатии их гравитационное поле уплотняется всё сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть её притяжения. Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в чёрную дыру, называется гравитационным радиусом. Для массивных звёзд он составляет несколько десятков километров.

Наблюдения показывают, что очень многие звёзды являются двойными, а часть из них входит и в более обширные звёздные группы. Узнать о том, что две звезды составляют пару, можно, изучив их совместное движение. Но бывает и так, что наблюдать удаётся излучение лишь одного компонента звёздной пары. Конечно, при этом нельзя исключить, что второй компонент является либо маломассивной тусклой звездой, либо белым карликом. Однако в некоторых парах масса невидимого компонента слишком велика для подобных объектов. В таком случае можно предположить, что он представляет собой нейтронную звезду или чёрную дыру. Но и тогда останется большая доля неопределённости.

Более уверенные выводы можно сделать, изучая свойства тесных двойных систем, в которых расстояния между компонентами настолько малы, что они почти соприкасаются, а иногда и действительно соприкасаются. Что если одной из звёзд-соседок будет компактная

437

массивная «мёртвая» звезда? Её гравитационное поле может оказаться достаточно сильным, чтобы срывать вещество с нормальной звезды. В этом случае газ начнёт отделяться от внешних слоев видимой звезды и падать на невидимый спутник. Но сам этот газ будет доступен наблюдниям. Более того, вблизи нейтронной звезды или черной дыры газ сильно разогреется и станет источником высокоэнергичного электромагнитного излучения в рентгеновском и гамма-диапазоне. Такое излучение не проходит сквозь земную атмосферу, но его можно наблюдать с космических телескопов. После запуска внеатмосферных приёмников рентгеновского и гамма-излучения подобные источники были открыты в тесных двойных системах.

В большинстве двойных систем, являющихся источниками рентгеновского излучения, масса невидимого компонента не превышает двух солнечных масс, следовательно, это нейтронная звезда. Но

некоторые объекты такого типа слишком массивны для нейтронной звезды. Предполагается, что в этом случае гравитационное поле создаёт чёрная дыра. Одним из вероятных кандидатов в чёрные дыры считается ярчайший источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя – Лебедь Х-1.

Отличить чёрную дыру от нейтронной звезды (если излучение последней не наблюдается) очень трудно. Поэтому о существовании чёрных дыр часто говорят предположительно. Тем не менее открытие массивных несветящихся тел (с массами в несколько масс Солнца) – серьёзный аргумент в пользу их существования.

438

9.7. Наша Галактика – Млечный Путь

Кристальной сферы мнимую преграду, Поднявшись ввысь, я смело разбиваю, И в бесконечность мчусь, в другие дали, Кому на горе, а кому в отраду, – Я млечный Путь внизу вам оставляю…–

Д. Бруно

Галактики – это большие звёздные системы, в которых звёзды связаны друг с другом силами гравитации. Существуют галактики, включающие триллионы звёзд. Наша Галактика – Млечный Путь – также достаточно велика: в ней более 200 млрд звёзд. Самые маленькие галактики содержат звёзд в миллион раз меньше и скорее напоминают находящиеся в Млечном Пути шаровые скопления, только значительно больше по размерам. Помимо обычных звёзд галактики включают в себя межзвёздный газ, пыль, а также различные «экзотические» объекты: белые карлики, нейтронные звёзды, чёрные дыры. Газ в галактиках не только рассеян между звёздами, но и образует громадные облака (массой до миллиона масс Солнца), яркие туманности вокруг горячих звёзд, плотные и холодные газопылевые туманности. Большие звёздные системы имеют массы в сотни миллиардов масс Солнца. Наименьшие из карликовых галактик «весят» всего лишь в 100 тыс. раз больше Солнца. Таким образом, интервал масс у галактик значительно шире, чем у звёзд: самые «тяжёлые» и самые «лёгкие» звёзды различаются по массе менее чем в 1000 раз.

Внешний вид и структура звёздных систем также весьма различны, и в соответствии с этим галактики делятся на морфологические типы.

Происхождение названия «Млечный Путь» связано с греческим мифом о струе молока, брызнувшим на небо из груди богини Геры в то время, когда она кормила младенца Геракла. Отсюда получила свое название и Галактика, поскольку Млечный Путь по-гречески называется «галаксиас».

Наша Галактика – колоссальный звёздный остров поперечником около ста тысяч световых лет. Подавляющее большинство звезд Галактики сконцентрировано в плоских спиральных подсистемах, образующих центральный диск нашего звездного острова. На ночном небе эту концентрацию звезд мы наблюдаем в виде светящейся полосы Млечного Пути. Млечный Путь опоясывает все небо, как гигантская светящаяся лента. В телескоп видно, что это скопление слабых и далеких звезд.

Более яркие и близкие звезды расположены тем гуще, чем они ближе к средней линии Млечного Пути, называемой галактическим экватором.

439

Плоскость галактического экватора – это плоскость симметрии нашей звездной системы. Вдоль этой плоскости наша система тянется во всех направлениях. В пространстве звезды скручиваются к этой плоскости, точно так же как и рассеянные звездные скопления и все газовые туманности и облака космической пыли. Только шаровые скопления и звезды некоторых типов не подчиняются этому закону. Они заполняют сфероидальный объем, концентрируясь со всех сторон к центру Галактики. Наша солнечная система находится очень близко к галактической плоскости, в которой звезды расположены наиболее тесно. Свет всех далеких и слабых звезд сливается для нас в сплошное светящееся кольцо Млечного Пути.

Чем меньше рассеянного света в земной атмосфере, тем ярче выделяется полоса Млечного Пути на фоне звездного неба (поэтому особенно благоприятны условия для наблюдения Млечного Пути вдали от городов, в горах). В крупных городах яркость ночного неба настолько велика, что Млечный Путь вообще не виден.

Наблюдаемая ширина полосы Млечного Пути в разных его частях не одинакова и составляет от 5° до 30° . Ярче всего Млечный Путь в созвездиях Стрельца, Креста и Центавра, слабее всего в созвездиях Персея, Жирафа и Возничего.

Галактика вращается – все звезды с разной скоростью вращаются вокруг ее центра. Наша солнечная система со скоростью около 200 км/с несется по своей орбите вокруг центра Галактики. На завершение одного оборота ей требуется примерно 250 миллионов лет.

Если бы мы могли посмотреть на нашу Галактику извне, находясь далеко за ее пределами, то убедились бы, что она сильно сплющена: ее диаметр в несколько раз больше «толщины». С ребра она должна быть видна в форме веретена или линзы. В середине она толще, и к центру звезды скручиваются ещё сильнее. У Галактики спиральное строение. От созвездия Лебедя к созвездию Центавра Млечный Путь разделяется на 2 параллельные рукава темным промежутком, речь о котором пойдет далее. В середине этого темного промежутка в созвездии Стрельца по инфракрасным наблюдениям было обнаружено частично заслоненное пылевыми облаками ядро галактики. Это нечто вроде гигантского шарового скопления звезд. От нас до ядра Галактики около 25 тыс. световых лет, а до ее края несколько меньше. Что же находим мы в сердцевине Млечного Пути? Изучение показало, что ядро состоит в основном из звезд, а на долю газа и пыли приходится всего несколько процентов его массы. Сведения о количестве вещества в центре, о его распределении и движении получены астрономами главным образом в

440