Концепции современного естествознания

гащение эллиптической галактики газом, принесенным спиральной галактикой, и обеспечивает функционирование радиогалактики Центавр А.

На радиоизображениях Центавр А предстает в виде центрального источника (он совпадает с ярким облаком в самом центре галактики на оптической фотографии) и двух огромных радиовыбросов, выходящих далеко за пределы оптического изображения. Виден также тонкий мост, связывающий ядро и радиовыбросы.

Другая, ешё более грандиозная радиогалактика расположена в созвездии Лебедя. Это самый яркий внегалактический радиоисточник Лебедь А. Он находится на расстоянин около 700 млн световых лет от нашей Галактики. Центральный компактный радиоисточник отождествляется с гигантской эллиптической галактикой, которая, по-видимому, тоже переживает или пережила в прошлом столкновение с другой звездной системой.

Большинство радиогалактик имеет двойную структуру и компактный источник в центре. Напрашивается объяснение, что центральная галактика посредством какого-то механизма выбрасывает два противоположно направленных потока релятивистских заряженных частиц и они, двигаясь в магнитном поле, генерируют синхротронное радиоизлучение. Откуда же испускаются направленные потоки

релятивистских частиц, и что является источником их энергии? В пульсарах, например, источником энергии служит вращение магнитной нейтронной звезды. Предполагается, что в радиогалактиках энергию генерирует так называемая черная дыра – массивный и весьма компактный объект, образовавшийся в центре гигантской галактики. Для нескольких галактик получены косвенные свидетельства существования чёрных дыр: очень быстрое вращение газа в самом центре галактики, которое требует присутствия компактного массивного тела, не излучающего света.

Межзвёздный газ, находящийся около такой вращающейся чёрной дыры, будет, падая на нее, вовлекаться во вращение. Взаимодействие между частицами газа – вязкое трение приведет к образованию плотного газового диска. По мере приближения к чёрной дыре газ должен нагреваться до миллиардов градусов.

Падающий газ несет в себе магнитное поле, которое становится очень сильным вблизи чёрной дыры. Его взаимодействие с горячим, быстро движущимся газом в мощном гравитационном поле чёрной дыры приво-

451

дит к сложным плазменным эффектам, сопровождающимся ускорением заряженных частиц (протонов, электронов) и их выбросом из ядра, а затем и из галактики в форме двух узконаправленных потоков. Возникающее при этом синхротронное излучение электронов и превращает галактику с активным ядром в радиогалактику.

Процесс выброса ускоренных частиц может продолжаться десятки миллионов лет, пока не иссякнут запас газа, способного «упасть» в самый центр галактики. Возникает вопрос: откуда берётся газ для питания чёрной дыры? Является ли он остатками звёзд, подошедших слишком близко к ней и разорванных её гравитационным полем, или газ «упал» на галактику извне? Возможны оба варианта. По-видимому, ядро становится активным, когда эллиптическая галактика, содержащая массивную чёрную дыру и очень мало газа, сталкивается со спиральной, несущей в себе много межзвёздного газа. При слиянии двух галактик в одну систему газ должен образовать вращающийся диск (наподобие наблюдаемого в NGC 5128), причем часть газа, имеющая незначительные скорости вращения, может попасть в самое ядро галактики, стимулируя его активность.

Сильные радиогалактики, типичным представителем которых часто считают Лебедь А, как правило, характеризуются необычными свойствами, которые астрономы связывают с резкими возмущениями того или иного рода. В спектрах большинства радиогалактик видны яркие эмиссионные линии высоковозбуждённого газа, такого, как ионизованный кислород или азот. В некоторых случаях оптическое ядро либо двойное, либо пересечено непрозрачной полосой пыли: по-видимому, это справедливо и для галактик, отождествлённых с Центавром А и Лебедем А.

Почти всегда мощные радиогалактики связаны с гигантскими эллиптическими галактиками. Во многих случаях радиоисточник отождествляется с ярчайшей эллиптической галактикой в скоплении. Поскольку нормальные эллиптические галактики обычно почти лишены газа, яркие оптические спектры эллиптических радиогалактик, характерные для газовых туманностей, указывают, что образование сильного радиоизлучения может быть обусловлено возбужденным газом в ядре. Ширины эмиссионных линий указывают на избыток кинетической энергии в ядре; наблюдаемой ширине линий в Лебеде А соответствуют скорости движений около 400 км/с.

Из приведённого изложения проблем, связанных с радиогалактиками, видно, что перед учёными, разрабатывающими модели, предстаёт множество сбивающих с толку альтернатив. На какое-то время может завоевать популярность некоторый конкретный сценарий, но он будет популярен только до тех пор, пока не появится новая идея, продвигающая некоторые

452

из других альтернатив. Вероятно, на решение таких сложных проблем уйдут многие годы упорного труда. Вряд ли тут поможет озарение, которое обычно находит на учёного в ванной – этом традиционном источнике великих научных открытий!

Жители средних широт Северного полушария лишены возможности любоваться Магеллановыми Облаками – нашими ближайшими соседями в мире галактик. Однако они могут наблюдать не менее интересный и значительно более грандиозный объект – туманность Андромеды. В ясную ночь она видна как небольшое светлое облачко.

Первое из дошедших до нас упоминаний об этой туманности встречается в трудах арабского астронома X в. Ас-Суфи. В своей рукописи, которая содержит подробное описание звёздного неба, он упомянул несколько раз «маленькое облачко», служащее хорошим ориентиром на небе, и даже изобразил его на рисунке. Вряд ли Ас-Суфи был первооткрывателем туманности Андромеды. В его сочинении она фигурирует как уже известный небесный объект.

С появлением телескопов произошло новое «открытие» туманности Андромеды. В 1618 г. её обнаружил немецкий учёный Симон Марий, один из первых астрономов, начавших наблюдения со зрительной трубой.

Сконца XVII в. туманность стала объектом постоянных наблюдений.

ВXVIII в. великий английский астроном Уильям Гершель занялся серьёзным изучением туманностей. Многие из наблюдаемых светил и туманных пятен оказались звёздными скоплениями – шаровыми или рассеянными. В число этих скоплений Гершель включил и туманность Андромеды, хотя в свой телескоп он не мог разглядеть в ней даже самые яркие звёзды. Позже Гершель счёл природу этой туманности «сомнительной и таинственной». Тем не менее преждевременный вывод учёного оказался правильным! В конце XIX в., когда в астрономии начала применяться фотография и были созданы крупные телескопы, в туманности Андромеды действительно удалось увидеть наиболее яркие звёзды.

С начала XX в. неоднократно предпринимались попытки определить расстояние до туманности Андромеды. Разные методы давали различные результаты. Некоторые астрономы полагали, что они измерили параллакс звёзд туманности, а значит, расстояние до неё сравнительно невелико и она принадлежит нашей Галактике. Другие учёные опровергали этот факт. Решающее слово было сказано американским астрономом Эдвином Хабблом. Он открыл в туманности Андромеды переменные звёздыцефеиды и, сравнив их с уже изученными цефеидами нашей Галактики, пришёл к выводу, что туманность Андромеды – внегалактический объект. Метод определения расстояний с помощью цефеид, применённый Хабб-

453

лом, до сих пор остаётся одним из самых точных и надёжных. С 20-х гг. XX в. началось серьёзное изучение туманности Андромеды как самостоятельной галактики.

Туманное пятнышко в созвездии Андромеды сегодня предстаёт перед наблюдателем таким, каким оно было 2 млн. лет назад: именно столько путешествует свет от туманности Андромеды до нас.

Чем же примечательна галактика в созвездии Андромеды? Это крупная спиральная система, размерами и массой примерно в полтора раза превосходящая нашу Галактику – Млечный Путь. Туманность Андромеды и Млечный Путь – крупнейшие объекты так называемой Местной группы галактик. Остальные члены этой группы (а их около 40) значительно уступают им по массе и размерам. Как показали спектральные измерения, расстояние

между туманностью Андромеды и нашей Галактикой в настоящее время медленно сокращается. Вероятно, за время жизни Местной группы (12 – 18 млрд. лет) две большие спиральные галактики один или несколько раз уже сближались

Туманность Андромеды – не самая близкая к нам галактика. Однако это ближайшая звёздная система, похожая по структуре и типу на нашу собственную. Изучать Млечный Путь изнутри мешает сильное поглощение света межзвёздной пылью в плоскости галактического диска. Взгляд же со стороны на туманность Андромеды позволяет лучше понять устройство и нашей звёздной системы.

454

Глава 10. Элементы Космогонии

Мы существуем в космосе, где все теряется, но ничто не возникает вновь. Свет, электричество, теплота – лишь многообразные формы разложения и спада… Сама Вселенная, мыслимая человечеством как единый организм, теперь – не что иное, как водопад сгорающих миров. Нет бессмертия, все бытие мгновенно и случайно. Жизненные явления – гребень волны между двумя безднами смерти. Возводя соборы космогоний, человек отображает в них не внешний мир, а только лишь грани своего незнания.

В. Медынцев

Раздел астрономии, изучающий происхождение и развитие (эволюцию) галактик, звезд и Солнечной системы, называется космогонией (от греч. «космос» – мир и «гонос» – происхождение).

Астрономические наблюдения доказывают, что материя во Вселенной находится в непрерывном развитии, в самых разнообразных формах и состояниях – от газа и пыли ничтожно малой плотности до сверхплотных объектов, от карликовых до сверхгигантских звезд резко различных размеров и светимостей, от сравнительно небольших звездных группировок до колоссальных по размерам и многообразию форм галактик, тоже находящихся на разных этапах своего развития. Раз меняются формы существования материи, то, следовательно, различные и разнообразные объекты Вселенной не могли возникнуть все одновременно, а формировались в разные эпохи и поэтому имеют своей определенный возраст, отсчитываемый от начала их зарождения.

Раскрытие закономерностей зарождения и эволюции различных объектов Вселенной входит в задачи космогонии. Эти задачи она решает путем разработки научных предположений (гипотез), основанных на астрономических наблюдениях и их теоретическом обобщении, с использованием достижений всех отраслей естествознания. Поэтому в процессе развития естествознания, по мере его обогащения научными открытиями, разрабатываются новые космогонические гипотезы, объясняющие вновь открытые факты, а прежние, не удовлетворяющие им, отвергаются.

Современная космогония в своих обобщениях опирается на достижения смежных с ней отраслей естествознания – физики, математики, химии, геологии.

10.1. Формирование звезд и галактик

Трудно создать хорошую теорию, теория должна быть разумной, а факты не всегда таковы.

Джордж У. Бидл

455

Научные основы космогонии были заложены еще Н. Ньютоном, который показал, что равномерное распределение вещества в пространстве является неустойчивым и под действием собственной гравитации должно разделиться на сжимающиеся сгустки. Теория образования сгустков вещества, из которых формируются звезды, была развита в 1902 г. английским астрофизиком Дж. Джинсом (1877 – 1946 гг.). Эта теория объясняет и процесс образования галактик. Джинс доказал, что в первоначально однородной газовой среде с постоянной плотностью и температурой может возникнуть уплотнение. Если сила взаимного тяготения в нем превысит силу газового давления, то среда перестанет сжиматься, а если превалирует газовое давление, то вещество рассеется в пространстве.

Эта теория в общих чертах подтверждается наблюдениями. Так, в Галактике межзвездная среда (газ и пыль) неоднородна и имеет клочковатую структуру. В сравнительно небольших газовых облаках с массой, близкой к массе Солнца, сила газового давления уравновешивается силой гравитации, и облака не сжимаются. В крупных газопылевых туманностях, подобных Большой туманности Ориона и называемых газопылевыми комплексами, размерами 10 – 100 пк и массой в несколько тысяч солнечных масс, сила гравитации преобладает над силой газового давления. Поэтому в таких облаках возникают сгустки вещества, температура внутри которых при сжатии повышается, и они постепенно преобразуются в звезды. Следовательно, в газопылевых комплексах звезды формируются группами, образуя звездные скопления и ассоциации. На формирование звезд группами даже в нашу эпоху впервые указал еще в 1947 г. советский астрофизик В.А. Амбарцумян.

Подобным образом можно объяснить и возникновение галактик, для формирования которых условия были благоприятными на ранних этапах расширения Метагалактики, когда температура вещества была близка к 106 К. Образовывались колоссальные по своим размерам сгущения с массами порядка сотен миллиардов солнечных масс, именуемые протогалактиками. По мере их дальнейшего сжатия в них возникали условия для формирования звезд, т.е. образовывались звездные системы – галактики.

Исходя из факта расширения Метагалактики, некоторые специалисты в области космологии оценивают ее возраст величиной, обратной постоянной Хаббла, т.е. 1,3 · 1010 лет. Учитывая, что принятое сейчас значение постоянной Хаббла известно с небольшой точностью, считают возраст Метагалактики близким к 1,3 · 1010 млрд. лет. Этот возраст не противоречит оценкам возраста наиболее старых звезд и шаровых звездных скоплений в нашей Галактике.

456

10.2. Эволюция звезд

Человек должен верить, что непостижимое постижимо: иначе он не стал бы исследовать.

Гете

Возникшие в газопылевой среде Галактики сгущения, продолжающие сжиматься под действием собственного тяготения, получили название протозвезд. По мере сжатия плотность и температура протозвезды повышается, и она начинает обильно излучать в инфракрасном диапазоне спектра. Длительность стадии сжатия протозвезд различна: при массе меньше солнечной – сотни миллионов лет, а у массивных – всего лишь сотни тысяч лет. Когда температура в недрах протозвезды повышается до нескольких миллионов Кельвинов, в них начинаются термоядерные реакции превращения водорода в гелий. При этом выделяется огромная энергия, препятствующая дальнейшему сжатию и разогревающая вещество до самосвечения – протозвезда превращается в обычную звезду.

После выгорания водорода в недрах звезды образуется гелиевое ядро, а термоядерные реакции превращения водорода в гелий начинают происходить в тонком слое у границы ядра. В самом гелиевом ядре при создавшейся температуре ядерные реакции происходить не могут, и оно резко сжимается до плотности свыше 4 · 103 т/м3. Вследствие сжатия температура в ядре возрастает. Рост температуры зависит от массы. Для звезд типа Солнца температура ядра остается всегда меньше 80 млн. Кельвинов. Поэтому его сжатие приводит только к более бурному выделению ядерной энергии в тонком слое у границы ядра. У более массивных звезд температура ядра при сжатии становится выше 80 млн. Кельвинов, и в нем начинаются термоядерные реакции превращения гелия в углерод, а потом и в другие более тяжелые химические элементы. Выходящая из ядра и его окрестностей энергия вызывает повышение газового давления, под действием которого фотосфера звезды расширяется. Энергия, приходящая к фотосфере из недр звезды, распространяется теперь на большую площадь, чем раньше. В связи с этим температура фотосферы понижается. Звезда постепенно превращается в красного гиганта или сверхгиганта в зависимости от массы, и становится старой звездой. Проходя стадию желтого сверхгиганта, звезда может оказаться пульсирующей, т.е. физической переменной звездой, и остаться в такой стадии красного сверхгиганта.

Раздувшаяся оболочка звезды небольшой массы уже слабо притягивается ее ядром и, постепенно удаляясь от него, образует планетарную туманность. После окончательного рассеяния оболочки остается лишь горячее ядро звезды – белый карлик.

Эволюция массивных звезд происходит более бурно. В конце своей

457

жизни такая звезда может взорваться сверхновой звездой, а ее ядро, резко сжавшись, превратится в сверхплотный объект – нейтронную звезду или даже черную дыру. Сброшенная оболочка, обогащенная гелием и другими образовавшимися в недрах звезды химическими элементами, рассеивается в пространстве и служит материалом для формирования звезд нового поколения. Следовательно, некоторые характерные различия в содержании тяжелых химических элементов в звездах тоже могут служить признаком их формирования и возраста. В частности, есть основания полагать, что Солнце – звезда второго поколения, в которой есть примеси вещества в свое время прошедшего через горячие недра звезд первого поколения.

10.3. Происхождение солнечной системы

Когда бы смертным столь высоко Возможно было возлететь, Чтоб к солнцу бренно наше око

Могло, приблизившись, воззреть, Тогда б со всех открылся стран Горящий вечно Океан… Там огненны валы стремятся И не находят берегов,

Там вихри пламенны крутятся, Борющись множество веков, Там камни, как вода, кипят, Горящи там дожди шумят.

М.В. Ломоносов

10.3.1. Космогония по Лапласу

Там – власть, там – творческие горны! Пред волей чисел мы все – рабы, И солнца путь вершат, покорны Немым речам их ворожбы.

В. Брюсов

Знать прошлое Земли практически важно для понимания строения и изменения ее недр, а последнее важно при поисках полезных ископаемых и для возможности предвидеть землетрясения.

При установлении истории развития многолетних организмов мы можем сопоставлять разные экземпляры их. Можно сравнивать друг с другом планеты в их современном состоянии и пытаться судить по ним об эволюции Земли. Но нашу Солнечную систему нам сравнивать не с чем, ибо других, подобных ей, мы не знаем.

Философ Кант в середине XVIII века четко высказывал идею об эволюции мировых тел и, опередив ученых-астрономов, набросал мыслимую картину возникновения Солнечной системы из обширной туманности. Он

458

рисовал ее в соответствии с тем, что тогда было известно науке о строении Солнечной системы, планет и туманностей, о законах природы. Кант смело отверг идею творения и нарисовал развитие миров происходящим в силу естественных законов природы.

Независимо от Канта математик, механик и астроном Лаплас разработал подобную же картину происхождения Солнечной системы. Его рассуждения были строже и научнее. Мировоззренческое значение этих работ Канта и Лапласа было очень велико. Современники были потрясены величественной картиной мироздания, развернутой Лапласом.

Эти работы, а также разработка идеи эволюции, в частности в области геологии, великим русским ученым М.В. Ломоносовым способствовали тому, что позднее ученые и других областей науки убедились в существовании развития в природе. Понятие об эволюции постепенно вошло и в другие науки.

Лаплас, как и Кант, правильно подметил основные, известные в то время характерные черты Солнечной системы, которые должна объяснить теория их происхождения. Эти черты следующие:

1.Подавляющая часть массы системы сосредоточена в Солнце.

2.Планеты обращаются по почти круговым орбитам почти в одной и той же плоскости.

3.Все планеты обращаются в одну и ту же сторону; в ту же сторону обращаются вокруг планет их спутники и сами планеты вращаются вокруг своей оси.

Во времена Лапласа уже отдавали себе отчет в том, что из совершенно хаотического движения частиц правильное вращение возникнуть не может, вопреки предположению Канта. Поэтому Лаплас начинает рассмотрение развития Солнечной системы с гигантской газовой туманности, уже вращающейся вокруг своей оси, хотя и очень медленно.

Она вращалась как твердое тело и в центре имела сгусток – зародыш будущего Солнца. Притяжение к центру частиц туманности, простиравшейся сначала за орбиту наиболее далекой из планет, заставляло ее сжиматься. Уменьшение размеров по законам механики должно было вести к ускорению вращения. Наступал момент, когда на экваторе туманности, где линейные скорости частиц при вращении больше всего, центробежная сила уравнивалась с тяготением к центру. В этот момент вдоль экватора туманности отслаивалось газовое кольцо, вращавшееся в ту же сторону, в какую вращалась туманность. Продолжавшееся сжатие и ускорение вращения приводили к отслоению кольца за кольцом. В силу неизбежной неоднородности каждого кольца какой-либо сгусток в нем притягивал к себе остальное вещество кольца, и образовывался один газовый клубок -

459

будущая планета. Наружные части кольца, а впоследствии сгустка, при обращении забегали как бы вперед и приводили его во вращение вокруг оси в ту же сторону, куда двигался зародыш планеты. При сжатии сгустков вследствие тяготения они сами могли отслаивать кольца и порождать себе спутников. Если же в подобном кольце не было резко преобладающего сгустка, «пожирающего» остальные, то оно разбивалось на множество мелких тел; так, например, образовалось кольцо Сатурна. Охлаждаясь, газовые сгустки затвердели, покрылись корой и превратились в современные планеты, а центральный сгусток породил Солнце.

Подкупающей простоте и логичности этой схемы (бывшей общепризнанной более столетия) были впоследствии противопоставлены серьезнейшие возражения. Выяснились, например, следующие обстоятельства, неизвестные во времена Лапласа:

1.Плотность воображаемой газовой туманности Лапласа должна была быть так мала, что она не могла бы вращаться, как твердое тело.

2.Отрыв вещества происходил бы не кольцами, а непрерывно.

3.Кольца с массой, равной массе планет, не могли бы сгуститься, а развеялись бы в пространство.

4.Существуют планеты и спутники, вращающиеся или обращающиеся навстречу обращению планет около Солнца.

5.Один из спутников Марса обращается вокруг планеты быстрее, чем сам Марс, чего не может быть по теории Лапласа.

Возник и ряд других теоретических возражений против теории Лапласа. Многие пытались подправить эту теорию, но безуспешно. Наука лучше познала свойства Солнечной системы и законы природы – пришлось искать новое объяснение происхождению этой системы.

IN BREVI (лат) – вкратце

Считается, что изотоп алюминия-26 образуется при вспышках Сверхновых звезд. На основании изучения этого изотопа в космосе астроном Д. Клейтон пришел к выводу, что Солнечная система находится внутри огромного облака – остатка взрыва Сверхновой. Он считает, что высокое содержание изотопа трудно объяснить ожидаемой частотой вспышек Сверхновой в нашей Галактике – приблизительно одна в тридцать лет. Ученый полагает, что источником межзвездного алюминия является такая вспышка, происшедшая примерно миллион лет назад на расстоянии около 45 световых лет от Солнца. Расширившийся газ больше не светится, окутывая Солнечную систему невидимым покрыва-

лом.

В 1919 г. английский астрофизик Джинс выдвинул предположение, что Солнечная система – игра редкого случая сближения Солнца с какой-

460