"Журнал «Вокруг Света» № 5 за 2005 год (2776)" - читать интересную книгу автора (Вокруг Света)

Планетарий: Анатомия великой спирали

Осознать связь Млечного Пути, перекинувшегося через ночной небосвод, с понятием «наш дом» довольно трудно. В век, горящий электрическими огнями, Млечный Путь для жителей городов практически недоступен. Увидеть его можно только вдали от городских огней, причем в определенное время года. Особенно красив в наших широтах он бывает в августе, когда проходит через область зенита и, словно гигантская небесная арка, возвышается над спящей Землей.

Тайна Млечного Пути не давала людям покоя на протяжении долгих веков. В мифах и легендах многих народов мира его называли Дорогой Богов, таинственным Звездным Мостом, ведущим в райские кущи, волшебной Небесной Рекой, наполненной божественным молоком. Полагают, что именно он имелся в виду, когда старинные русские сказки говорили о молочной речке с кисельными берегами. А жители древней Эллады звали его Galaxias kuklos, что означает «молочный круг». Отсюда и происходит привычное сегодня слово Галактика.

Но в любом случае, Млечный Путь, как и все, что можно увидеть на небе, считался священным. Ему поклонялись, в честь него строили храмы. Между прочим, мало кто знает, что елка, которую мы украшаем на Новый год, есть не что иное, как отголосок тех древних культов, когда Млечный Путь представлялся нашим предкам осью Вселенной, Мировым Древом, на невидимых ветвях которого зреют плоды звезд. Именно на Новый год Млечный Путь «стоит» вертикально, словно поднимающийся из-за горизонта ствол. Вот почему в подражание древу небесному, вечно плодоносящему, в начале нового годового цикла наряжали дерево земное. Верили, что это давало надежду на будущий урожай и благосклонность богов.

Что же такое Млечный Путь, почему он светится, и светится неоднородно, то льется по широкому руслу, то вдруг разделяется на два рукава?

Научной истории этого вопроса можно насчитать как минимум 2 000 лет. Так, Платон называл Млечный Путь швом, соединяющим небесные полушария, Демокрит и Анаксагор говорили, что его подсвечивают звезды, а Аристотель объяснял его светящимися парами, располагающимися под Луной. Было и другое предположение, высказанное римским поэтом Марком Манилием: возможно, Млечный Путь – это сливающееся сияние маленьких звезд. Как недалек был он от истины. Но подтвердить ее, наблюдая за звездами невооруженным глазом, было невозможно.

Тайна Млечного Пути приоткрылась только в 1610 году, когда знаменитый Галилео Галилей навел на него свой первый телескоп, в который увидел «необъятное скопище звезд», для невооруженного глаза сливающихся в сплошную белую полосу. Галилей был поражен, он понял, что неоднородность, даже клочковатость строения белой полосы объясняется тем, что она состоит из множества звездных скоплений и темных облаков. Их комбинация и создает неповторимый образ Млечного Пути. Однако почему неяркие звезды концентрируются в узкую полосу, понять на тот момент было невозможно.

В движении звезд в Галактике ученые различают целые звездные потоки. Звезды в них связаны друг с другом. Не стоит путать звездные потоки с созвездиями, очертания которых часто могут быть простой игрой природы и представлять собой связанную группу только при наблюдении из Солнечной системы. На деле же бывает, что в одном созвездии оказываются звезды, принадлежащие разным потокам. Например, в известном всем ковше Большой Медведицы (самой заметной фигуре этого созвездия) лишь пять звезд из середины ковша принадлежат одному потоку, первая же и последняя в характерной фигуре – уже из другого потока. И при этом в одном потоке с пятью срединными звездами находится знаменитый Сириус – ярчайшая звезда нашего неба, принадлежащая совсем другому созвездию.

Еще одним исследователем Млечного Пути стал в XVIII веке Вильям Гершель. Будучи музыкантом и композитором, он занимался наукой о звездах и изготовлением телескопов. Последний из них был весом в тонну, имел диаметр зеркала 147 сантиметров и длину трубы целых 12 метров. Однако большинство своих открытий, которые стали закономерной наградой за усердие, Гершель сделал при помощи телескопа, вдвое меньшего этого гиганта.

Одно из самых важных открытий, как его называл сам Гершель, был Великий План Вселенной. Метод, который он применил, оказался простым подсчетом звезд в поле зрения телескопа. И естественно, в разных частях неба обнаружилось разное количество звезд. (Участков неба, где проводился подсчет звезд, получилось более тысячи.) На основе этих наблюдений Гершель сделал вывод о форме Млечного Пути уже как о звездном острове во Вселенной, которому принадлежит и Солнце. Он даже нарисовал схематический рисунок, из которого видно, что наша звездная система имеет неправильную вытянутую форму и напоминает гигантский жернов. Ну а поскольку этот жернов окружает наш мир кольцом, то, следовательно, Солнце находится внутри него и расположено где-то вблизи центральной части. Именно так нарисовал Гершель, и это представление дожило в умах ученых почти до середины прошлого века.

На основании выводов Гершеля и его последователей получалось, что Солнце имеет в Галактике, называемой Млечным Путем, особое центральное положение. Такая структура была чем-то похожа на геоцентрическую систему мира, принятую до эпохи Коперника, с той лишь разницей, что раньше центром Вселенной считалась Земля, а теперь Солнце.

И все же, оставалось непонятным, есть ли за пределами звездного острова, иначе – нашей Галактики, другие звезды? Телескопы Гершеля позволили приблизиться к разгадке и этой тайны. Ученый обнаружил на небе множество слабых туманных светящихся пятен и исследовал наиболее яркие из них. Увидев, что некоторые из пятен распадаются на звезды, Гершель сделал смелый вывод, что это не что иное, как другие звездные острова, подобные нашему Млечному Пути, только очень далекие. Именно тогда он предложил во избежание путаницы писать название нашего Мира с прописной буквы, а остальных – со строчной. Так же произошло и со словом Галактика. Когда мы пишем его с прописной буквы, то имеем в виду наш Млечный Путь, когда со строчной – все прочие галактики. Сегодня термином Млечный Путь астрономы называют и «молочную реку», видимую на ночном небе, и всю нашу Галактику, состоящую из сотен миллиардов звезд. Таким образом, этот термин употребляется в двух смыслах: в одном – при разговоре о звездах на Земном небе, в другом – при обсуждении устройства Вселенной.

Наличие спиральных ветвей у Галактики ученые объясняют гигантскими волнами сжатия и разрежения межзвездного газа, идущими по галактическому диску. Из-за того, что орбитальная скорость Солнца почти совпала со скоростью движения волн сжатия, оно остается впереди фронта волны уже несколько миллиардов лет. Это обстоятельство имело большое значение для возникновения жизни на Земле.

Спиральные ветви содержат множество звезд высокой светимости и массы. А если масса звезды велика, порядка десятка масс Солнца, ее ждет незавидная судьба, заканчивающаяся грандиозной космической катастрофой – взрывом, называемым вспышкой сверхновой звезды. При этом вспышка бывает настолько сильной, что эта звезда светит, как все звезды Галактики, вместе взятые. Такие катастрофы астрономы часто фиксируют в других галактиках, однако в нашей – последние несколько сот лет подобного не происходит. При взрыве сверхновой возникает мощная волна жесткого излучения, способная уничтожить все живое на пути. Может быть, именно из-за уникального положения в Галактике нашей цивилизации удалось развиться до такой степени, что ее представители пытаются познать свой звездный остров. Получается, что возможных братьев по разуму можно искать только в тихих галактических «закутках», наподобие нашего.

В понимании строения «собственной» Галактики большую роль сыграли исследования туманности Андромеды. Туманные пятна на небосводе были известны давно, но их считали либо клочками, оторвавшимися от Млечного Пути, либо сливающимися в сплошную массу далекими звездами. Но одно из таких пятен, известное как туманность Андромеды, было самым ярким и привлекало к себе наибольшее внимание. Его сравнивали и со светящимся облаком, и с пламенем свечи, а один астроном даже считал, что в этом месте хрустальный купол небес тоньше, чем в других, и на Землю сквозь него льется свет Царства Божьего.

Туманность Андромеды действительно захватывающее зрелище. Если бы наши глаза были более чувствительны к свету, она предстала бы нам не маленьким вытянутым туманным пятнышком, где-то в четверть лунного диска (это ее центральная часть), а образованием, в семь раз превышающим полную Луну. Но и это еще не все. Современные телескопы видят туманность Андромеды такой, что на ее площади умещается до 70 полных лун. Понять структуру туманности Андромеды удалось лишь в 20-х годах прошлого века. Это сделал с помощью телескопа с поперечником зеркала 2,5 м американский астрофизик Эдвин Хаббл. Он получил снимки, на которых красовался, теперь уже сомнений не было, гигантский звездный остров, состоящий из миллиардов звезд, – другая галактика. А наблюдение отдельных звезд туманности Андромеды позволили решить еще одну задачу – вычислить расстояние до нее. Дело в том, что во Вселенной существуют так называемые цефеиды – переменные звезды, пульсирующие благодаря внутренним физическим процессам, изменяющим их блеск. Эти изменения происходят с определенным периодом: чем период больше, тем выше светимость цефеиды – энергия, выделяемая звездой в единицу времени. А по ней можно определить и расстояние до звезды. Так, например, цефеиды, выявленные в туманности Андромеды, позволили определить расстояние до нее. Оно оказалось огромным – 2 миллиона световых лет. Впрочем, это только одна из ближайших к нам галактик, которых, как оказалось, во Вселенной великое множество.

Чем мощнее становились телескопы, тем яснее очерчивались варианты строения наблюдаемых астрономами галактик, которые оказались очень необычными. Среди них есть так называемые неправильные, не имеющие симметричной структуры, есть эллиптические, а есть – спиральные. Вот они-то и кажутся наиболее интересными и загадочными. Представьте себе ярко сияющую сердцевину, из которой выходят исполинские светящиеся спиральные ветви. Есть галактики, у которых ярче выражена именно сердцевина, а у других доминируют ветви. Существуют и галактики, где ветви выходят не из сердцевины, а из особой перемычки – бара.

Так к какому же типу отнести наш Млечный Путь? Ведь, находясь внутри Галактики, понять ее строение намного труднее, нежели наблюдая со стороны. Ответить на этот вопрос помогла сама природа: галактики по отношению к нам «разбросаны» в самых разных положениях. Одни мы можем видеть с ребра, другие «плашмя», третьи – в различных ракурсах.

Долгое время считалось, что ближайшая к нам галактика – Большое Магелланово Облако. Сегодня известно, что это не так. В 1994 году космические расстояния были измерены более точно, и первенство получила карликовая галактика в созвездии Стрельца. Однако совсем недавно и это утверждение пришлось пересмотреть. В созвездии Большого Пса обнаружился еще более близкий сосед нашей Галактики. От него до центра Млечного Пути всего 42 тысячи световых лет.

Всего известно 25 галактик, составляющих так называемую Местную систему, то есть сообщество галактик, непосредственно связанных друг с другом гравитационными силами. Поперечник Местной системы галактик равен примерно трем миллионам световых лет. В Местную систему помимо нашего Млечного Пути и его спутников входит и туманность Андромеды, ближайшая к нам гигантская галактика с ее спутниками, а также еще одна спиральная галактика созвездия Треугольника. Она повернута к нам «плашмя». Доминирует в Местной системе, безусловно, туманность Андромеды. Она в полтора раза массивнее Млечного Пути.

Если цефеиды туманности Андромеды позволили понять, что она находится далеко за пределами нашей Галактики, то изучение более близких цефеид позволило определить положение Солнца внутри Галактики. Первопроходцем здесь был американский астрофизик Харлоу Шепли. Одним из объектов его интереса стали шаровые звездные скопления, настолько плотные, что их сердцевина сливается в сплошное сияние. Наиболее богатая шаровыми скоплениями область расположена в направлении зодиакального созвездия Стрельца. Известны они и в других галактиках, причем эти скопления всегда концентрируются вблизи галактических ядер. Если предположить, что законы для Вселенной едины, можно сделать вывод, что подобным образом должна быть устроена и наша Галактика. Шепли отыскал в ее шаровых скоплениях цефеиды и измерил расстояние до них. Оказалось, что Солнце расположено вовсе не в центре Млечного Пути, а на его окраине, можно сказать, в звездной провинции, на расстоянии 25 тысяч световых лет от центра. Так, второй раз после Коперника было развенчано представление о нашем особом привилегированном положении во Вселенной.

Поняв, что мы находимся на периферии Галактики, ученые заинтересовались ее центром. Ожидалось, что у нее, как и у других звездных островов, есть ядро, из которого выходят спиральные ветви. Именно их мы видим, как светлую полосу Млечного Пути, но – видим изнутри, с ребра. Эти спиральные ветви, проецируясь друг на друга, не позволяют понять, сколько их и как они устроены. Более того, ядра других галактик ярко сияют. Но почему же этого сияния не видно в нашей Галактике, возможно ли то, что у нее нет ядра? Разгадка пришла опять-таки благодаря наблюдениям за другими. Ученые обратили внимание, что в спиральных туманностях, к типу которых относили и нашу Галактику, бывает отчетливо видна темная прослойка. Это есть не что иное, как скопление межзвездных газа и пыли. Они-то и позволили ответить на вопрос – почему мы не видим собственного ядра: наша Солнечная система расположена как раз в такой точке Галактики, что гигантские темные облака загораживают ядро для земного наблюдателя. Теперь можно ответить и на вопрос: почему Млечный Путь раздваивается на два рукава? Как оказалось, его центральную часть заслоняют мощные пылевые облака. В действительности, за пылью находятся миллиарды звезд, в том числе и центр нашей Галактики.

Исследования также показали, что если бы пылевое облако не мешало нам, земляне наблюдали бы грандиозное зрелище: гигантский сияющий эллипсоид ядра с бесчисленным количеством звезд занимал бы в небе площадь более ста лун.

Увидеть ядро Галактики за этим пылевым облаком помогли телескопы, работающие в таких диапазонах спектра электромагнитных излучений, которым пылевой щит не помеха. Но большинство из этих излучений задерживается атмосферой Земли, поэтому на сегодняшнем этапе существенную роль в познании Галактики играют космонавтика и радиоастрономия. Оказалось, что центр Млечного Пути хорошо светится в радиодиапазоне. Особенно заинтересовал ученых так называемый радиоисточник Стрелец А* – некий объект в Галактике, активно излучающий радиоволны и рентгеновские лучи. Сегодня можно считать фактически доказанным, что в созвездии Стрельца расположен таинственный космический объект – сверхмассивная черная дыра. По оценкам, масса ее может равняться массе 3 миллионов солнц. Этот объект чудовищной плотности имеет столь мощное гравитационное поле, что из него не может вырваться даже свет.

Естественно, сама черная дыра не светится ни в каком диапазоне, но падающее на нее вещество излучает рентгеновские лучи и позволяет обнаружить местонахождение космического «чудовища». Правда, излучение Стрельца А* слабее, чем то, что обнаружено в ядрах других галактик. Возможно, это связано с тем, что падение вещества осуществляется неинтенсивно, но когда оно происходит, фиксируется вспышка рентгеновского излучения. Один раз яркость объекта Стрелец А* увеличилась буквально за минуты – подобное невозможно для крупного образования. Значит, этот объект компактный и им может являться только черная дыра. Кстати, чтобы превратить Землю в черную дыру, ее нужно сжать до размера спичечного коробка.

Вообще, в центре нашей Галактики обнаружено немало переменных рентгеновских источников, которые, возможно, являются более мелкими черными дырами, группирующимися вокруг центральной сверхмассивной. Именно за ними сегодня наблюдает американская космическая рентгеновская обсерватория «Чандра».

Еще одно подтверждение наличия сверхмассивной черной дыры в центре ядра нашей Галактики дало исследование движения звезд, находящихся в непосредственной близости от ядра. Так, в инфракрасном диапазоне астрономам удалось пронаблюдать движение звезды, проскочившей от центра ядра на ничтожном по галактическим масштабам расстоянии: всего в три раза превышающем радиус орбиты Плутона. Параметры орбиты движения этой звезды говорят о том, что она находится вблизи компактного невидимого объекта, обладающего чудовищным полем тяготения. Таким может быть только черная дыра, причем сверхмассивная. Ее исследования продолжаются.

Об устройстве спиральных ветвей нашей Галактики информации удивительно мало. По виду Млечного Пути можно судить лишь о том, что Галактика имеет форму диска. И только с помощью наблюдений за излучением межзвездного водорода – самого распространенного элемента во Вселенной – удалось в некоторой степени реконструировать картину рукавов Млечного пути. Это стало возможным опять же благодаря аналогии: в других галактиках водород концентрируется как раз вдоль спиральных рукавов. Там же расположены и области звездообразования – множество молодых звезд, скоплений пыли и газа – газопылевых туманностей.

В 50-х годах прошлого века ученым удалось составить картину распределения облаков ионизированного водорода, находящихся в галактической окрестности Солнца. Выяснилось, что существуют по крайней мере три участка, которые можно было бы отождествить со спиральными рукавами Млечного Пути. Один из них, ближайший к нам, ученые назвали рукавом Ориона-Лебедя. Более далекий от нас и, соответственно, близкий к центру Галактики назван рукавом Стрельца-Киля, а периферийный – рукавом Персея. Но исследуемая галактическая окрестность ограничена: межзвездная пыль поглощает свет далеких звезд и водорода, так что понять дальнейший рисунок спиральных ветвей становится невозможным.

Однако там, где не может помочь астрономия оптическая, приходят на помощь радиотелескопы. Известно, что атомы водорода излучают на длине волны 21 см. Именно это излучение и стал ловить голландский астрофизик Ян Оорт. Картина, полученная им в 1954 году, впечатляла. Спиральные ветви Млечного Пути можно было теперь проследить на огромных расстояниях. Сомнений больше не было: Млечный Путь представляет собой спиральную звездную систему, похожую на туманность Андромеды. Только вот детальной картины спирального узора Млечного Пути мы пока не имеем: его ветви сливаются одна с другой и определить расстояние до них очень трудно.

На сегодняшний день известно, что наша Галактика – это гигантская звездная система, включающая сотни миллиардов звезд. Все звезды, которые мы видим над головой в ясную ночь, принадлежат нашей Галактике. Если бы мы могли переместиться в пространстве и взглянуть на Млечный Путь со стороны, нашему взору предстал бы звездный город в виде огромной летающей тарелки поперечником в 100 тысяч световых лет. В ее центре мы бы увидели заметное утолщение– бар – диаметром 20 тысяч световых лет, от которого в пространство уходят исполинские спиральные ветви.

Несмотря на то что внешний вид Галактики говорит о плоской системе, это не совсем так. Вокруг нее простирается так называемое гало, облако разреженного вещества. Его радиус достигает 150 тысяч световых лет. Вокруг центрального утолщения и ядра находится множество шаровых звездных скоплений, состоящих из старых холодных красных звезд. Харлоу Шепли называл их «скелетом тела» нашей Галактики. Холодные звезды составляют так называемую сферическую подсистему Млечного Пути, а его плоскую подсистему, иначе – спиральные рукава – составляет «звездная молодежь». Здесь немало ярких, выделяющихся звезд высокой светимости.

Молодые звезды в плоскости Галактики появляются благодаря наличию там огромного количества пыли и газа. Известно, что звезды рождаются за счет сжатия вещества в газопылевых облаках. Потом, в течение миллионов лет, новорожденные звезды «раздувают» эти облака и становятся видимыми.

Земля и Солнце не являются геометрическим центром Мира – они расположены в одном из тихих закоулков нашей Галактики. И, по всей видимости, это особое местоположение идеально подходит для возникновения и развития жизни.

Вот уже десять лет ученые умеют обнаруживать крупные планеты – размером не меньше Юпитера – у других звезд. Сегодня их известно около полутора сотен. Это означает, что подобные планетные системы широко распространены в Галактике. Вооружившись более мощными телескопами, можно отыскать и такие небольшие планеты, как Земля, а на них, быть может, и братьев по разуму.

Все звезды в Галактике движутся по своим орбитам вокруг ее ядра. Есть собственная орбита и у звезды по имени Солнце. Чтобы совершить полный оборот, Солнцу требуется ни много ни мало 250 миллионов лет, которые составляют галактический год (скорость движения Солнца – 220 км/с). Земля уже облетела вокруг центра Галактики 25—30 раз. Значит, ей именно столько галактических лет.

Проследить путь Солнца через Млечный Путь очень сложно. Но современные телескопы могут обнаружить и это движение. В частности, определить, как меняется вид звездного неба при перемещении Солнца относительно ближайших звезд. Точка, в направлении которой перемещается Солнечная система, называется апекс и расположена в созвездии Геркулеса, на границе с созвездием Лиры.

Дмитрий Гулютин