Мыслящая Вселенная

Далее, чем больше масса белого карлика, тем меньше его радиус. Значит, при какой-то предельной массе карлик вообще может сжаться в точку? Согласно теоретическим исследованиям, в природе не может быть белых карликов с массой более чем 2,2 массы Солнца. Кстати, если все же массу белого карлика сильно увеличивать, то избыточных электронов в вырожденном газе становится все больше и больше. Чтобы не мешать друг другу при движении по одним и тем же дорожкам, они должны все больше и больше наращивать свои скорости, пока они не станут приближаться к скорости света. Но при этом вещество меняет свое качество. Новое его состояние называется «релятивистским вырождением». Оно описывается уже другим уравнением, в котором зависимость давления от плотности менее сильная (как степень 4/3). При строго определенной массе звезды давление вырожденного газа звезды будет точно уравновешиваться силой гравитации, и звезда заста-билизируется. Если масса звезды больше этого значения, то сила гравитации превысит давление газа и белый карлик вынужден будет сжаться «в точку».

Если масса звезды меньше критической, то она расширится и ее размеры установятся в тех пределах, когда звезда стабилизируется, то есть сила гравитации в точности стабилизируется давлением газа.

Остается неясным, как это звезда может сжаться «в точку». Этот вопрос очень непростой, но в то же время захватывающе интересный. Скажем сразу, что превратиться в точку звезда не может. Чрезмерное ее сжатие приведет к преобразованию ее в «черную дыру».

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Черные дыры имеют много весьма экстравагантных свойств, которыми не обладают другие звезды, даже очень экзотические, вроде нейтронных. Прежде всего, они являются звездами-невидимками. Для того чтобы можно было увидеть предмет, надо, чтобы от него к нам поступил видимый свет. Если предмет невидим в видимом свете, то надо иметь возможность зарегистрировать другое излучение, которое исходит от него: инфракрасное, рентгеновское, радио и т. д. Так вот, очень плотные звезды, которые были названы черными дырами, не посылают в окружающее их пространство абсолютно никакого излучения, поэтому они невидимы ни в каких лучах. Для наблюдателя их просто нет. Само по себе это уже очень странно, поскольку объект, имеющий определенную массу и температуру, что-то должен излучать. Тем более что температура черных дыр может достигать миллиардов градусов. В чем дело?

Такую ситуацию предвидел еще знаменитый французский математик и астроном П. Лаплас. Он описал ее в своей книге «Изложение систем мира», которая вышла в свет в 1795 году. Он рассуждал так. Если для того, чтобы оторваться от данного космического объекта, тело должно иметь скорость (первую космическую скорость) не меньше строго определенной величины, которая определяется массой этого объекта, то при слишком большой его массе скорость тела должна превысить скорость света для того, чтобы оторваться от объекта. Цифры говорят о следующем. Первая космическая скорость на Земле равна 7,2 км/с, на Луне — 2,4, на поверхности Юпитера — 61 и на Солнце — 620 км/с. На нейтронной звезде она должна достигать половины скорости света (150 тысяч километров в секунду). Таким образом, если масса звезды еще больше, то первая космическая скорость может превысить скорость света. Эти рассуждения применимы одинаковым образом и к телам, и к фотонам, то есть свету. Если масса звезды такова, что первая космическая скорость для нее должна быть больше скорости света, то свет от этой звезды исходить не может, он не может оторваться от нее, поскольку его скорость меньше первой космической скорости и не может быть ей равна (скорость света не может быть больше скорости света). Лаплас рассчитал, какая это должна быть масса небесного объекта (звезды или планеты). Он писал в указанной книге: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения: поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми». Так что, казалось бы, объяснение первого и самого экзотического свойства черной дыры было найдено еще за полтора столетия до ее открытия. Но это и так, и не так. Если говорить строго, то ситуацию при столь больших силах гравитации надо описывать уравнениями не механики Ньютона, а теории тяготения Эйнштейна. Поэтому, строго говоря, расчеты Лапласа, основанные на космической механике, неверны, а лучше сказать, неточны. Но, тем не менее, массу и размеры звезды, которая должна сжиматься и превратиться в черную дыру, он указал правильно. Это случилось потому, что в данном случае в теории тяготения Эйнштейна справедлива та же формула, что и в теории Ньютона.

Все свойства черных дыр могут быть получены только из теории тяготения Эйнштейна, которая содержится в его общей теории относительности.

В начале нашего века, когда была создана Эйнштейном общая теория относительности, никто не был готов к ее восприятию, включая крупных ученых: слишком сильно на всех давил здравый смысл. Но прошедшие десятилетия сделали свое дело: теорию относительности изучают в средней школе, а в обыденном разговоре то и дело можно услышать: «Все в мире относительно».

Так что же происходит при сильном сжатии звезды, если следовать теории относительности Эйнштейна?

При сжатии звезды (с сохранением ее массы) ее радиус уменьшается, а сила тяготения увеличивается. Это естественно. Когда радиус станет равным нулю, сила тяготения должна стать бесконечно большой. Это следует из теории тяготения Ньютона. По теории А. Эйнштейна сила притяжения становится бесконечно большой еще до того, как радиус уменьшится до нуля. То есть она нарастает с уменьшением радиуса быстрее, чем по теории Ньютона. Тот радиус, при достижении которого сила тяготения стремится к бесконечности, принято называть гравитационным радиусом. Подчеркнем еще раз, что по классическим представлениям он равен нулю. Чем меньше масса тела, тем меньше его гравитационный радиус. Например, для нашей Земли он равен 1 сантиметру, для Солнца он равен 3 километрам. Различия между классической теорией и теорией относительности проявляются тогда, когда истинный радиус звезды близок к гравитационному радиусу. Пока различие между ними большое, нет необходимости привлекать теорию тяготения А. Эйнштейна, а можно спокойно пользоваться классическими уравнениями Ньютона, как это и делал П. Лаплас.

Теория относительности А. Эйнштейна устанавливает взаимоотношения между силами гравитации, течением времени и геометрическими свойствами пространства. Из нее следует, что в сильном гравитационном поле время замедляется относительно тех мест, где силы гравитации малы. Так, вблизи Земли время течет на одну миллиардную часть медленнее, чем в далеком космосе. Ясно, почему мы этого не замечаем. Даже вблизи массивных звезд это замедление времени неощутимо. Оно сразу дает о себе знать, когда масса звезды очень велика, а радиус очень мал, то есть при приближении к гравитационному радиусу. Но с силами гравитации связано не только время, но и пространство. В соответствии с теорией относительности пространство искривляется в гравитационном поле. Чем больше это поле, тем сильнее искривление. Приводится даже такое наглядное сравнение. Идеальную плоскость в пространстве делают из тонкой резиновой нервущейся пленки. На нее опускают металлический шар (черную дыру) и под его весом пленка прогибается. Так иллюстрируют искривление пространства под действием гравитационного поля массивной черной дыры. Надо сказать, что как замедление времени, так и искривление пространства вблизи сильных полей гравитации были измерены. В теории относительности существовавшие до этого по отдельности понятия абсолютного времени и абсолютного пространства объединены в одно понятие «пространство — время», поскольку они взаимосвязаны через поле гравитации.

Значение гравитационного радиуса было рассчитано по уравнениям теории тяготения Эйнштейна спустя месяц после опубликования теории в 1915 году немецким астрономом и математиком К. Шварцшильдом. С тех пор этот радиус носит его имя. Шварц-шильд получил решения уравнений Ньютона для сферического невращающегося тела и основные свойства черной дыры, хотя в то время ни он, ни А. Эйнштейн, которому он передал работу, еще не подозревали о таком приложении результатов.

Пока силы гравитации сжимают звезду и ее радиус больше радиуса Шварцшильда, силам гравитации противодействуют силы внутреннего давления звезды. Эти силы неспособны противостоять сжимающей звезду силе гравитации в том случае, если ее радиус уменьшится до гравитационного радиуса. Произойдет сжатие вещества звезды, которое физики назвали релятивистским коллапсом. Собственно, и черные дыры длительное время назывались коллапсами и только в конце шестидесятых годов с легкой руки американского физика Д. Уилера их стали называть так.

Напрашивается вывод, что если каким-либо образом сжать звезду или планету до размеров ее гравитационного радиуса, то дальше усилия можно не прилагать — она сколлапсирует сама и превратится в черную дыру. Для этого требуется немного — сжать, например, Солнце до радиуса в 3 километра.

Строгий расчет релятивистского гравитационного коллапса на основании решения уравнений общей теории относительности был выполнен в 1939 году американскими учеными Р. Оппенгеймером и Г. Волковым. Это было строгое, теоретически обоснованное предсказание существования черной дыры. Ясно, что ни Шварц-шильд, ни тем более Лаплас не предсказали существование черных дыр со всеми их свойствами.

Границей черной дыры является сфера с радиусом Шварцшильда. Чем ближе к этой границе приближается излучающее тело, тем большее влияние на него оказывают силы гравитации. И не только на него, но и на излучение. Фотоны, составляющие это излучение, уменьшают свою энергию под действием силы гравитации черной дыры. Часть их энергии уходит на противоборство с этой силой. Уменьшение энергии фотона означает уменьшение его частоты. Другими словами, частота излучения смещается в сторону красного края спектра видимого излучения. Говорят, что излучение «краснеет». Если бы фотонам кто-то добавлял энергию, то излучение бы «голубело». Покраснение излучения, как мы уже знаем, происходит и в результате действия эффекта Доплера. Только рассматриваемое здесь красное смещение, в отличие от доплеровского, называют гравитационным. Оно обусловлено замедлением времени вблизи черной дыры под действием сил гравитации. Очень важно уловить смысл происходящего: приближающаяся к черной дыре звезда излучает такие же (белые) фотоны, что и на большом удалении от черной дыры, но удаленный наблюдатель увидит их покрасневшими, так как при движении к нему они замедляются, то есть уменьшают свою энергию. Когда звезда приблизится к границе черной дыры, далекий наблюдатель вообще перестанет ее видеть. Для него время здесь практически останавливается. Звезда для далекого наблюдателя потухает за стотысячную долю секунды. Мы упоминаем далекого наблюдателя не случайно. Часы наблюдателя, который находится на движущейся звезде, никакого замедления времени не отметят. Его нет. Оно есть только у удаленного наблюдателя, который получает всю информацию о ходе времени с помощью света, а свет его подводит, поскольку скорость фотонов замедляется, и они приходят позже обычного (когда на них не действует гравитация черной дыры).

По классической теории тяготения Ньютона одно тело, двигаясь вблизи другого, описывает разные траектории, имеющие в разных случаях форму гиперболы, параболы или эллипса. Ясно, что никаких особенностей в этом плане вблизи черной дыры из классической механики не следует. Но они следуют из теории относительности. Так, замкнутая в классическом случае эллиптическая траектория одного тела около другого становится незамкнутой, если этим другим телом является черная дыра. Пролетающее тело навивает траектории вокруг черной дыры, то приближаясь, то удаляясь от нее, но на свою старую траекторию не возвращается. Кстати, все траектории при этом располагаются в одной плоскости. Если траектория тела не подходит очень близко к черной дыре, то ее можно представить в виде поворачивающегося эллипса. Он имеется и у планет нашей Солнечной системы. Но составляет он за сто лет менее одной угловой минуты. Тем не менее он был измерен и было показано, что он точно соответствует теории относительности. Черная дыра изменяет не только траекторию движущейся вблизи нее частицы, но и ее скорость. Вблизи черной дыры частица старается двигаться быстрее. Если она попадает на удаление гравитационного радиуса, то она должна двигаться со скоростью света. Ясно, что ближе частица двигаться по кругу не может, так как для этого ей надо превысить скорость света.

Но движение тела вокруг дыры на расстояниях ближе чем три гравитационных радиуса неустойчиво, поэтому оно реально невозможно: неустойчивость приводит к возмущению движения и частица сходит с круговой траектории и (или) падает внутрь черной дыры или же улетает в направлении от дыры.

Если тело летит из космоса вблизи черной дыры, то оно может быть ею захвачено. Пролетая мимо черной дыры, тело может обернуться вокруг дыры несколько раз и снова улететь в космическое пространство. Так происходит в том случае, если тело подошло близко к окружности с радиусом, который равен двум гравитационным радиусам. Но если оно село на эту окружность, то его орбита будет навиваться на нее. Это тело уже никуда от черной дыры не денется, она его гравитационно захватила. Еще более близкий подход тела к черной дыре чреват катастрофическими для него последствиями — оно упадет в черную дыру.

Движущееся вокруг черной дыры тело излучает гравитационные волны. Вообще все небесные тела при своем движении излучают гравитационные волны. Но они несут очень малую энергию, и пока что их не удается замерить. Но если тело движется вокруг черной дыры, то излученные им за это время гравитационные волны должны содержать весьма внушительную энергию (в шесть раз больше, чем при ядерном синтезе, когда в энергию превращается только один процент массы вещества).

Движение фотонов около черной дыры также непроизвольно. Они могут подступиться к дыре не ближе чем на полтора гравитационных радиуса. Но это движение фотона неустойчиво, и он может быть сбит с траектории в ту или другую сторону. Ясно, что фотоны, как и тела, будут захвачены черной дырой, если подойдут к ней очень близко (ближе полутора гравитационных радиусов). Луч будет навиваться (как на клубок) на черную дыру, если его траектория проходила вплотную к полуторному радиусу. Если он проходил еще ближе к черной дыре, то он будет упираться в черную дыру. При удалении излучения от черной дыры происходит его покраснение, при приближении фотонов к дыре их частота (а значит, и энергия) увеличивается, и удаленный наблюдатель должен заметить поголубение света. Но для этого фотоны должны подойти очень близко к сфере Шварцшильда. Многочисленные теоретические исследования различных аспектов проблемы черных дыр позволили установить, что определяющей (и пожалуй, даже единственной) характеристикой черных дыр является их масса. В чем-то другом отличия в них нет. Можно сказать, что черные дыры с одинаковой массой являются идентичными друг другу. Что касается формы черной дыры, то было показано, что они должны быть идеально сферическими. Любое отклонение от сферичности черная дыра сбрасывает в виде излучения. Кстати, дыры сбрасывают также все возможные поля, они оставляют себе только сферическое поле тяготения, а также сферическое поле электрического заряда (в том случае, если звезда им до этого обладала). Кроме массы (это главное!) и электрического заряда черные дыры, вообще-то, характеризуются и характером их вращения. Ведь вращение определенным образом изменяет гравитационное поле дыры. В результате вращения дыры вокруг нее образуется своего рода гравитационный вихрь. Это вихревое гравитационное поле целиком определяется моментом импульса тела (равным произведению трех параметров звезды: ее радиуса, массы и скорости вращения на экваторе). Из-за вращения, создающего вихревой гравитационный вихрь, граница черной дыры несколько расширяется, она выходит за пределы сферы Шварцшильда. Сферу Шварцшильда принято называть горизонтом (за ним черная дыра, то есть уже ничего не видно). Если черная дыра вращается, то сила гравитации становится бесконечно большой еще до того, как будет достигнут горизонт. Эта граница была названа границей эргосферы. Ее принципиальное отличие от горизонта состоит в том, что из-под нее может вернуться обратно в космос попавшее туда тело. Тела в зоне между горизонтом и границей эргосферы закручиваются дырой во вращательное движение (если они не двигались первоначально супротив него), но могут с течением времени не только упасть в черную дыру, но и вылететь обратно за пределы эргосферы.

Таким образом, вращение черной дыры меняет всю картину принципиально. Границей черной дыры является ее горизонт, из-за которого ничто не возвращается. Ясно, что самая большая скорость вращения черной дыры может быть такой, при которой экваториальная линейная скорость равна скорости света.

Можно сказать, что черные дыры не представляют собой небесные тела в общепринятом смысле. Они не являются и излучением. Это действительно дыры во времени и пространстве, которые образуются в результате того, что в сильно увеличивающемся гравитационном поле очень сильно искривляется пространство и изменяется характер течения времени.

Возникает естественный вопрос: как обнаружить черную дыру? Теоретики предположили, как им казалось, много таких возможностей, но на их проверку труд экспериментаторов был потерян безрезультатно. На сегодняшний день реализовалась одна из этих возможностей. Суть ее состоит в том, что черную дыру следует искать в двойных звездных системах. Она должна выдать себя по рентгеновскому излучению, которое должно неизбежно возникать при падении газа из атмосферы «нормальной» звезды. Этот газ должен закручиваться за счет движения звезд по орбите и одновременно сплющиваться в диск под действием центробежных и гравитационных сил.

Экспериментаторы остановили свое внимание на такой двойной системе, расположенной в созвездии Лебедя. Этот источник назван Лебедь Х-1 (здесь Х от названия рентгеновских, то есть Х-лучей). Двойная звездная система Лебедь Х-1 состоит из нормальной видимой массивной звезды, масса которой в 20 раз больше массы Солнца. Парная ей звезда имеет массу, равную десяти массам Солнца. Но она является отжившей. Именно из ее окрестностей исходит рентгеновское излучение. Обе эти звезды как единое целое обращаются вокруг центра масс с периодом 5,6 суток. Процесс протекает так. Газ из атмосферы звезды-гиганта притягивается черной дырой. Орбитальным движением дыры его траектории закручиваются вокруг нее. Траектория газа представляет собой сходящуюся к центру черной дыры спираль. Движение газа к центру дыры происходит намного медленнее, чем вокруг нее. Поэтому достижение газом черной дыры по такой неэкономичной орбите происходит только через месяц. Достигнув края черной дыры, газ сваливается в дыру, поскольку там проявляется неустойчивость движения. Пока газ движется по направлению к дыре, он сильно нагревается. Это происходит в результате трения относительно холодных наружных слоев диска (температура газа здесь всего несколько десятков тысяч градусов) с горячими внутренними его частями, где температура газа достигает десяти миллионов градусов. Этот газ светит в рентгеновских лучах очень интенсивно, в тысячи раз сильнее, чем Солнце (во всех диапазонах спектра). То рентгеновское излучение, которое регистрируют приборы на Земле, происходит из очень тонкого слоя (200 километров), расположенного во внутренней части диска. Рентгеновское излучение от источника Лебедь Х-1 изменяется очень быстро, но хаотически. Его интенсивность меняется за тысячные доли секунды. Это может происходить только в том случае, если излучающий объект является очень малым, как черная дыра. Если бы вместо звезды, которую мы принимаем за черную дыру, была большая по размерам звезда, то такие быстрые изменения ее яркости в рентгеновских лучах были бы непонятны.

Таким образом, имеется почти полная уверенность, что невидимая звезда в созвездии Лебедь под номером Х-1 является черной дырой. Но «почти» остается. Астрофизики не торопятся с ним расставаться, поскольку вопрос слишком серьезный, чтобы можно было позволить себе ошибиться.

Открыто еще несколько источников рентгеновского излучения, которые по своим свойствам подобны описанному выше. А вообще-то, считается, что во Вселенной имеется много миллионов черных дыр, а возможно, число их исчисляется даже миллиардами.

Теперь перейдем к вопросу о том, в каких процессах могут погибать черные дыры. Теоретически считают, что они могут исчезать в результате определенных квантовых процессов, которые возможны только в сильном гравитационном поле. После того как из данного объекта мы убрали абсолютно все частицы и удалили любые возможные кванты, можно считать, что там имеется физический вакуум. Физический вакуум отличается от пустоты тем, что он имеет потенциальную возможность рождать виртуальные частицы и античастицы, которые из этого объема убрать никакими средствами невозможно. Это значит, что пустоты как таковой вообще нет. Чтобы виртуальные частицы (эти призраки) могли превратиться в реальные частицы, им надо сообщить энергию (вдохнуть душу). Но эта энергия должна быть привнесена извне. Надо сказать, что виртуальные частицы живут в замкнутом цикле: на миг появляются частица и античастица и тут же сливаются и исчезают. В вакууме таких частиц множество. Это установлено прямыми измерениями. Энергию к виртуальным частицам, необходимую им для того, чтобы они превратились в настоящие частицы, может передать любое поле, в том числе электромагнитное. Но таким полем может быть и гравитационное поле, что для нашего рассмотрения очень важно. Среди виртуальных частиц имеются и виртуальные фотоны, то есть частицы (кванты) электромагнитного поля. Сильное гравитационное поле приводит к превращению их в истинные, реальные фотоны. Точнее, изменение гравитационного поля во времени приводит к рождению фотонов, частота которых однозначно связана с частотой колебаний (изменений) гравитационного поля. Чтобы эффект был заметен, он должен протекать в сильном гравитационном поле. Попутно скажем, что электроны и позитроны рождаются из физического вакуума под действием очень сильного электрического поля.

Из сказанного выше ясно, что в окрестности черных дыр, где имеются очень сильные изменяющиеся во времени гравитационные поля, могут рождаться частицы и античастицы. При этом может оказаться, что частица остается под горизонтом (в пределах черной дыры), а античастица окажется снаружи относительно горизонта. Эти частицы окажутся разлученными навечно. Свободная античастица уносит с собой часть энергии черной дыры.

Установлено, что температура черной дыры обратно пропорционально зависит от ее размеров. Уходящие от черной дыры частицы уносят часть ее энергии (а значит, и массы). Если этот процесс продолжается долго, то масса черной дыры уменьшается заметно. Значит, увеличивается ее температура, что, в свою очередь, ускорит процесс испарения дыры. Так этот процесс будет ускоряться. Температура при этом может достигнуть 1017 градусов. Это наступает тогда, когда масса черной дыры уменьшится до тысячи тонн. Затем должен произойти взрыв, эквивалентный взрыву одного миллиона мегатонных водородных бомб. Так может закончить свое существование черная дыра.

КВАЗАРЫ

В 1963 году было сделано открытие исключительной важности: обнаружены квазары — объекты, свет (и радиоволны) от которых шли к нам целых 15 миллиардов лет. Это значит, что сейчас мы их видим такими, какими они были вскоре после Большого Взрыва, в результате которого началась история нашей Вселенной.

Что собой представляют квазары? Прежде всего это источники радиоволн. Отсюда и их название: квази (то есть почти) звездные радиоисточники. Квазары поразили всех прежде всего колоссальной своей мощностью: находясь на самом «краю» Вселенной, они испускали настолько интенсивное излучение, что оно не только дошло до нас, хотя и находилось в пути более 10 миллиардов лет, но дошло весьма интенсивным. Ведь квазар можно наблюдать в самый простой 20-сантиметровый телескоп, тогда как для наблюдения объектов, находящихся в тысячи раз ближе, нужны пятиметровые телескопы! Квазар излучает такое огромное количество энергии, что возникает законный вопрос, откуда он ее черпает. Энергия, которую он излучает за полчаса, равна всей энергии, которая выделяется при взрыве Сверхновой! Светимость каждого квазара в тысячу раз превышает светимость крупных галактик, в которые входят миллиарды звезд! Поражает в квазаре и другое — компактность этой фабрики энергии. Квазар скорее сравним по размерам со звездой, чем с галактикой. (Поэтому его и назвали «квази»-звездным источником). Естественно, главным является вопрос, как устроен квазар, как работает его фабрика энергии, или, как говорят физики, какова его физическая природа. Не менее поразительно и то, что его фабрика энергии работает неритмично. Излучаемая квазаром энергия (он излучает видимый свет, ультрафиолетовые, инфракрасные и рентгеновские лучи, радиоволны) меняется не только в течение нескольких лет, но и в течение нескольких месяцев или даже недель. Это при среднем возрасте квазара 10 миллионов лет! Надо как-то объяснить такие значительные сбои в работе энергетиков квазара. Например, квазар 3С под номером 345 за три недели изменил свою светимость вдвое, а квазар под номером 466 в том же третьем кембриджском каталоге (3С) изменил свою светимость вдвое даже в течение нескольких дней (в течение нескольких месяцев светимость его изменилась в 20 раз!). Такие изменения характерны не только для видимой светимости, но и для интенсивности радиоизлучения квазара.

Обращаем внимание на то, что сейчас мы получаем информацию о тех квазарах, которые существовали около 10 миллиардов лет тому назад. Просуществовав всего 10 миллионов лет, они перестали быть квазарами. Таким образом, мы ведем разговор об объектах, которые существовали во Вселенной до того, как образовалась Земля. Это смещение во времени (возможность путешествия в прошлое и невозможность увидеть то, что сейчас происходит в ее далеких уголках) происходит потому, что на передачу информации с помощью света во Вселенной могут потребоваться миллиарды лет! Поэтому те квазары, которые излучают сейчас, можно будет наблюдать через 10 миллиардов лет, когда их излучение придет к нам.

Измерения показали, что квазары движутся (вернее, двигались) со скоростями, составляющими 87 % от скорости света. Скорости квазаров направлены от нас, то есть они разлетаются во все стороны с огромными скоростями. Измерялись не скорости, а смещение частоты излучения квазаров за счет эффекта Доплера. Оказалось, что смещение линий излучения атомов водорода происходит в сторону красного края спектра, то есть частота излучения увеличивается, что имеет место при удалении источника. Квазары движутся со скоростями, превышающими 250 000 км/с! Такие скорости запрещены другим объектам. Так, если бы звезда имела скорость движения больше 1000 км/с, то она покинула бы свою галактику. Кроме того, звезды движутся как от нас, так и к нам. Квазары же движутся исключительно от нас.

Как «работает» квазар?

Этот вопрос астрофизики изучают давно. Самым сложным оказалось понять, откуда квазар черпает такое большое количество энергии. За это время было предложено множество гипотез, объясняющих устройство квазара. Но они оказались несостоятельными. Поэтому их нет смысла рассматривать.

Оказалось, что проблема квазаров связана с проблемой активных ядер галактик. Они были открыты еще в 1943 году американским астрономом К. Сейфертом. В спектрах излучения, приходящего от космических объектов, были обнаружены широкие («размытые») и очень интенсивные линии водорода, азота, кислорода и других химических элементов. Положение линии излучения, которому соответствует определенная частота (а значит, и длина волны), зависит от того, какова скорость движения излучающей частицы и куда направлена эта скорость. Если скорость излучателя направлена к нам, то линия смещается в одну сторону, а если от нас — то в противоположную сторону. Движение излучателя поперек луча зрения не приводит к смещению линии в спектре излучения. Если одновременно измеряется излучение от частиц, часть которых движется к нам, а другая часть — от нас, то линия излучения расширяется в обе стороны. Чем больше скорость частиц, тем линии излучения становятся шире. По величине этого уширения можно рассчитать скорость движения частиц. Это сделал К. Сейферт. Он установил, что в активных ядрах галактик частицы газа движутся с огромными скоростями, достигающими десятков тысяч километров в секунду. Скорости газа в обычных галактиках не более 300 км/с. Скорости движения частиц газа в активных ядрах галактик сравнимы по величине со скоростями разлета частиц при взрывах Сверхновых звезд. Сейферт исследовал активные ядра 12 таких необычных галактик. Эти галактики впоследствии были названы сейфертовскими.

Ядра сейфертовских галактик своим излучением напоминают квазары, но мощность их излучения меньше. Их еще называют мини-квазарами. Излучение активных ядер сейфертовских галактик, как и излучение квазаров, является переменным. Был сделан вывод, что квазары представляют собой центральные объекты (ядра) внутри галактик. Дальнейшие исследования квазаров показали, что процессы, обеспечивающие выделение энергии, не ограничены ядром галактики, а являются результатом взаимодействия галактики с этим ядром.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПЛАНЕТ

Происхождение и эволюция планет для проблемы внеземных цивилизаций являются одними из самых главных. К сожалению, сегодня мы не имеем полной ясности по данному вопросу. На первый взгляд это парадоксально, поскольку планеты находятся почти рядом по сравнению со звездами. Более того, на одной из них мы живем. Тем не менее мы знаем значительно больше о происхождении и эволюции звезд, чем планет. Главная причина такого парадоксального положения состоит в том, что планеты (за исключением планет нашей Солнечной системы) мы пока что не могли наблюдать. А жизнь звезд мы поняли потому, что можем наблюдать ее на разных этапах их эволюции. Мы наблюдаем не жизнь одной звезды (для этого нам не хватит ни своей жизни, ни жизни нашей цивилизации), а одновременно жизни многих звезд, часть из которых рождается, часть находится в цветущем, а часть — в преклонном возрасте. Из этих наблюдений несложно нарисовать картину жизни одной звезды от ее рождения до ее смерти, что выше и было сделано. О планетах этого сказать мы не можем. Так что же сегодня мы знаем о происхождении планет?

Образование планет является частью процесса образования звезд или же очень тесно связано с ним. Как известно, звезды рождаются не поодиночке, а сразу целыми коллективами, скоплениями. Исходным материалом является облако межзвездной среды. Масса такого облака очень большая, она превышает в много тысяч раз массу Солнца. Чтобы такое облако начало сжиматься, необходимо, чтобы его плотность была больше некоторой критической величины. Способствовать увеличению плотности облака могут некоторые процессы, которые приведут к уплотнению вещества облака. Одним из таких процессов могут быть ударные волны, образующиеся при взрывах Сверхновых звезд, если они происходят не очень далеко от облака. Если бы все вещество облака сконденсировалось в один комок, то образовалась бы звезда-гигант, каких не бывает. Этого не происходит потому, что сжимающееся облако по мере своего сжатия распадается на более мелкие кусочки, сгустки, из которых впоследствии образуются звезды и планеты. Фундаментальными характеристиками тела являются его размер, форма и масса. Но когда речь идет о вращающемся теле, то такой фундаментальной характеристикой является его момент количества движения. Он определяется массой тела, его скоростью и удалением центра массы тела от точки, вокруг которой оно вращается. Если умножить эти три характеристики, то получим момент количества движения. Если данное облако межзвездной среды, имеющее определенный момент количества движения, является изолированным, то его момент должен сохраняться постоянным. Если облако распадается на отдельные сгустки, то сумма моментов количества движения всех сгустков, образовавшихся из облака, должна быть равна моменту количества движения изначального облака. Если же облако не изолированно, то часть своего момента количества движения оно может передавать другому телу, с которым оно взаимодействует. Естественно, оно может не только передавать, но и получать определенный момент количества движения от этого тела. Проиллюстрируем распределение количества движения на примере Солнечной планетной системы. Если массу всей Солнечной планетной системы принять за 100 %, то масса Солнца составляет 98 %, а массы всех планет составляют всего 2 %. В то же время момент количества движения Солнечной системы распределен так: 98 % его связано с движением планет по своим орбитам, и только 2 % вносит самое массивное в этой системе Солнце. Звезды вращаются с различными скоростями. Скорости вращения некоторых звезд в 200 раз больше скорости вращения Солнца. Но оказалось, что звезда изменяет скорость своего вращения в процессе своей эволюции не непрерывно, а в определенный момент этой эволюции скорость меняется скачком. Момент количества движения звезды с изменением скорости ее вращения будет также меняться. Быстрее вращаются массивные звезды. Малые звезды вращаются медленнее. Если звезда в процессе своей эволюции проходит момент, когда температура ее поверхности составляет около 6 тысяч градусов, скорость ее вращения резко (практически скачком) уменьшается. В этот «момент» происходит следующее: от звезды отделяются «куски» и уносят с собой часть ее момента количества движения. Поэтому звезда после этого вращается медленнее. Это можно проиллюстрировать на примере Солнечной системы. Если бы планеты составляли с Солнцем единое тело, то оно должно было бы вращаться со скоростью в 50 раз большей, чем сейчас, когда планеты являются самостоятельными объектами. Открытие того факта, что горячие звезды вращаются значительно быстрее холодных карликовых звезд, говорит о том, что у последних должны быть планетные системы.

Следовательно, образование планет можно представить себе следующим образом. Уже было сказано, что облако межзвездной среды сжимается (конденсируется) под действием силы гравитации только в том случае, если его плотность больше некоторой критической величины. Пока она остается меньше этой величины, сжатия не происходит. Поэтому только незначительная часть таких облаков, масса которых во много тысяч раз больше массы Солнца, испытывает гравитационное сжатие. Первоначальному уплотнению облака способствуют ударные волны и другие процессы, способные стимулировать звездообразование. На некотором этапе это очень массивное облако распадается на куски, сгустки. Каждый из таких сгустков является строительным материалом для создания звездной планетной системы, состоящей из центральной звезды и вращающихся вокруг нее планет. В самом начале вращательный момент такого сгустка очень большой, поскольку составляющий его газ быстро и беспорядочно движется. В результате этого движения газа сгусток приобретает форму диска, радиус которого в десятки раз больше расстояния между Землей и Солнцем. Далее этот довольно плоский диск видоизменяется: в нем образуются отдельные кольца, состоящие из газа. Затем каждое из образованных колец постепенно превращается в большой газовый сгусток. Именно из этих сгустков впоследствии образуются планеты, поэтому их назвали «газовыми протоплане-тами». Но пока что это не планеты, а огромные облака. Если бы такое облако находилось на месте Земли, то оно касалось бы Солнца. Далее эти облака-протопланеты сжимаются, температура газа растет. В центре облака она может достигнуть 3–4 тысяч градусов. Вещество внутри становится жидким. На более поздней стадии эволюции туманности в центральной ее части образовалась центральная звезда системы.

Анализ эволюции облака межзвездного газа показывает, что не может из него образоваться одна звезда (без планет или без другой парной ей звезды), потому что должен сохраниться постоянным, неизменным вращательный момент облака. Это было бы возможно в том случае, если бы вращательный момент первичного облака был очень мал. Но если такие облака и есть, то их очень мало, не более 10 %. Основные же в конце концов должны эволюционировать или в двойные звезды, или в планетные системы (со звездой в центре). Специалисты приходят к выводу, что примерно пятая часть звезд имеет планетные системы. И.С. Шкловский разделяет эту точку зрения: «Развитие современной наблюдательной астрономии естественно приводит к выводу о множественности планетных систем во Вселенной».

НАША ГАЛАКТИКА

Многие из нас наблюдали на небе Млечный Путь — пересекающую звездное небо неярко светящуюся полосу. Он кажется нам где-то там, далеко. На самом деле наша планета находится внутри этого семейства звезд. Млечный Путь — это наша Галактика.

Первым из астрономов нашего времени, кто понял, что Млечный Путь не просто большое скопление звезд, а единая звездная система, был английский астроном Уильям Гершель (1738–1822). С помощью изготовленных им телескопов он проводил систематические обозрения звездного неба, исследовал звездные скопления, двойные звезды и туманности. Обобщив полученные данные, ученый убедился в том, что на небе можно наметить большой круг, который рассекает все небо на две равные части таким образом, что если приближаться к нему с любой стороны, то число звезд, которые попадают в поле зрения телескопа, неуклонно возрастает, а на самом круге число звезд становится наибольшим. Этот круг был назван галактическим экватором. Именно вдоль этого круга — галактического экватора стелется Млечный Путь. Эта светящаяся полоса звезд опоясывает небо.

Гершель пришел к выводу, что семейство звезд — Млечный Путь представляет собой диск, своего рода толстый блин, внутри которого находится и Земля. Однако доказательство этого было получено только в 1920-е годы, когда ученые обнаружили объекты, не входящие в нашу Галактику. Именно в это время было установлено, что спиралеобразные и некоторые другие туманности также являются звездными системами. Но эти системы находятся на огромных расстояниях от нас. По своему строению и размерам они сравнимы с нашей Галактикой. Но все эти системы-галактики (а их множество) очень разнообразны по форме и составу звезд.

То, что Земля находится внутри Галактики, для наблюдения звезд и хорошо и плохо. Хорошо потому, что облегчает исследование звезд, ведь все составные части Галактики у нас прямо «под рукой», во всяком случае, значительно ближе, чем составные части других галактик. Плохо же потому, что затрудняет исследование нашей же Галактики, ее строения. Его было бы легче исследовать, если бы можно было взглянуть на нее извне, как мы смотрим на другие галактики. Ясно, что легче составить план стеклянного сооружения, если его рассматривать извне, нежели если находишься внутри одной из ячеек этого сооружения. Проведенные разными астрономами исследования позволили составить достаточно детальную картину устройства нашей Галактики. Форма Галактики напоминает круглый сильно сжатый диск. Галактика имеет плоскость симметрии, которая разделяет ее на две равные части. Ось симметрии проходит через центр диска — Галактики. Она перпендикулярна к плоскости симметрии. В отличие от обычного диска, у Галактики нет четко очерченной границы. В Галактике звезды располагаются тем теснее, чем ближе данное место к плоскости симметрии Галактики. В самом центре Галактики плотность звезд максимальна. Здесь на каждый кубический парсек приходится несколько десятков звезд. Плотность звезд в центральной части Галактики в несколько сотен раз больше, чем в окрестностях Солнца. По мере удаления от оси и плоскости симметрии плотность звезд падает. Особенно она уменьшается при удалении от плоскости симметрии. Вид Галактики сбоку и сверху изображен на рисунках 1 и 2 соответственно.

Граница Галактики размыта. Поэтому точно определить ее можно только в том случае, если задать плотность звезд, которая характерна за пределами Галактики. Ученые договорились считать границей Галактики те места, где одна звезда приходится на 1000 кубических парсек пространства. Тогда диаметр Галактики приблизительно равен 30 000 пс, а толщина Галактики — 2500 пс. Из соотношения этих размеров видно, что Галактика является действительно сильно сжатой системой, поскольку ее диаметр в двадцать раз больше ее толщины. Можно сравнить размеры Галактики с размерами Солнечной системы. Свет проходит всю Солнечную систему за 12 часов, тогда как всю Галактику он проходит за сто тысяч лет.

Что касается Солнца, то оно находится практически полностью в плоскости симметрии Галактики. Но от центра Галактики Солнце находится далеко, на расстоянии около 10 000 пс. Это ближе к ее границе, чем к центру.

Количество звезд в Галактике огромно — оно превосходит сто миллиардов.

При измерении в спектрах звезд линий поглощения был обнаружен межзвездный газ. Это поглощение вызывалось межзвездным кальцием и межзвездным натрием. Как образуются эти линии? Кальций и натрий заполняют все пространство между наблюдателем и звездой, и через них проходит свет от звезд. Поскольку эти натрий и кальций никак не связаны со звездами, то линии поглощения, создаваемые ими, одинаковые для всех звезд. Кроме того, лучевая скорость, определенная по линиям межзвездного кальция и натрия, очень отличается от лучевой скорости, которая получается по линиям спектра, принадлежащим самой звезде.

Вначале в межзвездном газе обнаружили натрий и кальций. Затем обнаружили кислород, титан и другие элементы. Были обнаружены и некоторые молекулярные соединения: циан СN, углеводород СН и другие.

Плотность межзвездного газа определяется по интенсивности его линий. Измерения показали, что эта плотность очень мала.

Рис. 1. Млечный Путь (вид нашей Галактики сбоку)

В самом центре Галактики плотность межзвездного газа должна быть наибольшей. Но и здесь имеется всего по одному атому в объеме 10 000 см3. Сравним с плотностью воздуха в обычных земных условиях, которая составляет 2,71019 молекул на один кубический сантиметр.

Больше всего в межзвездном газе водорода. Но длительное время его не удавалось обнаружить. Это связано с особенностями физического строения атома водорода, а также с характером поля излучения в Галактике. Дело в том, что плотность излучения в Галактике очень мала. Это обусловлено большими расстояниями между звездами. Для сравнения укажем, что если убрать излучение Солнца, отраженный свет от Луны, все планеты и вообще все источники

света на Земле, то остается примерно такое же излучение, как в Галактике. Это излучение исходит от звезд. А раз мало излучения, мало фотонов (квантов), то и мала вероятность того, что они поглотятся атомами и молекулами межзвездного газа. Тем более что этих атомов и молекул также очень мало. Есть еще одно ограничение — это энергия кванта. Она должна быть определенной для того, чтобы ее поглотил атом или молекула. Если энергия кванта велика, то атом ионизируется, то есть энергия кванта уходит на отрыв от атома орбитального электрона. Если же энергия кванта невелика и ее не хватает на отрыв электрона от атома, то атом поглощает эту энергию, в результате чего атом возбуждается. Это значит, что орбитальный электрон покидает свое постоянное стабильное место и переходит на другую орбиту. Такой атом уже не стабилен, а возбужден. Он со временем может вернуться в стабильное, устойчивое состояние, но для этого ему надо избавиться от той энергии, которую он поглотил. Иными словами, при переходе в свое устойчивое, основное состояние атом должен из-

Рис. 2. Млечный Путь (вид нашей Галактики сверху)

лучить квант той же частоты, а значит, и энергии, которую он поглотил.

В межзвездном газе атомы находятся в возбужденном состоянии очень недолго, всего лишь ничтожную долю секунды. Поэтому большинство атомов межзвездного газа находится в основном в нейтральном, невозбужденном состоянии.

Для того чтобы атом нейтрального водорода перешел в возбужденное состояние, он должен поглотить весьма приличную порцию энергии. Это значит, что излучение, которое должен поглотить атом водорода, должно иметь высокую частоту (чем больше частота кванта, тем больше его энергия). Только в этом случае атом водорода образует линию поглощения. Но эта линия лежит в далекой ультрафиолетовой части спектра. При обычных наблюдениях эта линия в спектрах звезд не получается. По сути, далекое ультрафиолетовое излучение полностью поглощается атмосферой Земли. Для того чтобы замерить эти линии поглощения, надо подняться над атмосферой. Поднять приборы можно с помощью спутников и высотных ракет. Собственно, это и сделали исследователи.

Если атом водорода ионизован, то он и вовсе не способен поглощать излучение. Дело в том, что ионизованный атом водорода — это всего-навсего один протон. Один-единственный орбитальный электрон он потерял при ионизации. Поэтому он уже не способен возбуждаться, — нет электрона, который мог бы поглотить энергию.

Что же касается возбужденных атомов нейтрального водорода в межзвездном пространстве, то их чрезвычайно мало. В атмосферах звезд именно возбужденные атомы водорода создают линии поглощения водорода. Для того чтобы атом водорода перешел в еще более высокое возбужденное состояние, он, уже находясь в возбужденном состоянии, должен поглотить квант не очень большой энергии. Частота этого кванта должна соответствовать видимой области спектра. Именно здесь и образуются линии поглощения.

Поскольку в атмосферах звезд очень большая плотность излучения, там много возбужденных атомов. Поэтому в атмосферах звезд водород дает четко наблюдаемые линии. В межзвездном газе же водород оказался весьма трудноуловимым. Собственно, «уловили» водород не по его линиям поглощения, а по светлым (эмиссионным — излучательным) линиям. Суть таких измерений состоит в следующем. Если на определенном участке неба, куда наведен спектрограф, нет звезд, то в его поле зрения попадает только толща межзвездного вещества. Это вещество содержит как ионы водорода, так и свободные электроны. Они при столкновениях объединяются и образуют нейтральные атомы водорода. Но в каждом таком акте объединения должна быть сброшена лишняя энергия. Она и сбрасывается в виде излучения определенной частоты. Собственно излученный при этом квант должен иметь такую же частоту, какую поглотил атом при ионизации. Вновь объединенный атом водорода может находиться некоторое время в возбужденном состоянии. В основное, невозбужденное состояние он может переходить не сразу, а поэтапно. Другими словами, от избыточной энергии он избавляется не в результате излучения одного кванта, а путем поэтапного излучения нескольких квантов, но меньшей частоты. Среди этих квантов могут быть и очень низкочастотные, которые находятся в видимой части спектра. Именно эти кванты видимого света и выдают присутствие нейтрального водорода в межзвездном газе. Путем измерения этих излучательных (эмиссионных) линий удалось узнать очень многое о межзвездном водороде.

Так было установлено, что нейтральный водород является самым распространенным газом в пространстве между звездами. Число атомов нейтрального водорода примерно в тысячу раз превосходит число атомов всех остальных элементов, взятых вместе.

В самом плотном месте Галактики на каждый атом водорода приходится 2–3 кубических сантиметра. По космическим понятиям это большая плотность. Плотность всего газового вещества около плоскости Галактики составляет 5–8 10–25 г/см3. Это в основном водород, так как масса газа других элементов очень мала. Чтобы проиллюстрировать эту малость, приводят такой факт. Один обыкновенный выдох, который совершает человек, способен создать в кубе с ребром в 400 километров такую же плотность газа, что и плотность межзвездного газа.

Сам межзвездный газ распределен по всей Галактике очень неравномерно. В определенных местах он образует облака, в которых его плотность в десятки раз превышает среднюю плотность межзвездного газа. Естественно, есть и места, где межзвездный газ чрезмерно разрежен. По мере удаления от плоскости симметрии плотность звезд быстро падает. Так же быстро падает плотность межзвездного газа. Общая масса межзвездного газа в Галактике составляет примерно один-два процента от общей массы всех звезд.

Мы уже говорили о том, что часть атомов водорода ионизуется излучением. Самое интенсивное излучение создают звезды — горячие гиганты. Поэтому вокруг них водород ионизован. Ионизацию производит ультрафиолетовое излучение. У разных звезд горячих гигантов разная светимость и разная температура. Чем они больше, тем большую область вокруг звезды ионизует ее излучение. Ученые рассчитали, что при плотностях межзвездного водорода 2–0,5 атома на 1 см3 около звезды спектрального класса О, весь водород ионизован внутри сферы с радиусом 30 — 100 пс. Например, около В1 радиус зоны ионизации звезды составляет 10–30 пс, а около звезды В2 он составляет 4 — 12 пс. По мере перехода к звездам более поздних спектральных классов радиус зоны ионизации очень быстро уменьшается. Так, для звезд класса АО радиус ионизации составляет только малую долю парсека. За пределами зон ионизации практически весь водород находится в нейтральном состоянии.

Подведем итог. Весь водород в межзвездном пространстве нашей Галактики находится в двух состояниях: нейтральном и ионизованном. Зоны нейтрального водорода специалисты обозначают НI, а зоны ионизованного водорода — НII. Границы между зонами нейтрального и ионизованного водорода всегда очень резкие. Практически нет постепенного перехода от ионизованного водорода к нейтральному. Зоны ионизованного водорода могут сливаться друг с другом. Это имеет место тогда, когда звезды — горячие гиганты располагаются сравнительно близко друг к другу.

Когда ионизованный водород превращается в нейтральный водород, излучаются эмиссионные линии водорода. Они образуются при переходах атома водорода после соединения иона со свободным электроном из высоких возбужденных состояний в более низкие. Из всех наблюдаемых линий наиболее интенсивной оказывается линия Н.

Ее длина волны равна 6563 А (ангстрем). Эта линия излучения возникает при переходе атома водорода из второго возбужденного состояния в первое возбужденное состояние. Эта эмиссионная линия расположена в красной части спектра. Поэтому, чтобы обнаружить в межзвездном газе ионизованный водород, участки неба фотографируют с помощью фильтров, которые пропускают только излучение в узкой части спектра около области 6563 А. Здесь находится линия На. Такой прием позволяет выделить излучение в линии На, поскольку относительная яркость зоны НII в сравнении с другими объектами значительно повышается.

Области нейтрального водорода в нашей Галактике занимают примерно в десять раз большее пространство, чем области ионизованного водорода.

Измерения излучения нейтрального водорода в межзвездной среде позволили установить, что атомы водорода излучают и в диапазоне радиоволн (длина волны 21 сантиметр). Это низкочастотное излучение генерируется потому, что невозбужденный нейтральный водород может находиться в двух энергетически близких состояниях. Состояния эти отличаются друг от друга совпадением или несовпадением ориентации магнитных полей протона и электрона. Когда магнитные моменты этих частиц направлены в противоположные стороны, энергетический уровень атома водорода более высокий. Когда они направлены в одну сторону, энергетический уровень атома водорода более низкий. При этом переходы с более высокого энергетического уровня на более низкий сопровождаются излучением квантов с длиной волны, равной 21 сантиметру. Это и понятно, поскольку лишняя энергия должна быть сброшена. Это происходит то с одним атомом, то с другим. Хотя излучает радиоволны этой длины волны далеко не каждый атом водорода, тем не менее, это радиоизлучение удается регистрировать. Ясно, что его интенсивность тем больше, чем больше атомов водорода попадают в сектор наблюдения, чем больше их находится на луче зрения. Наиболее благоприятные условия реализуются в том случае, когда наблюдения ведутся в направлениях, близких к галактическому экватору. В этом случае радиоизлучение межзвездного водорода регистрируется даже при использовании радиотелескопа умеренных размеров.

Измерение нейтрального водорода в межзвездном пространстве нашей Галактики позволило установить движения вещества Галактики, в частности ее вращение. При этом используется общеизвестный эффект (эффект Доплера), заключающийся в том, что частота излучения движущегося тела изменяется в зависимости от того, удаляется ли оно от наблюдателя или же приближается к нему. Измеряя смещение частоты излучающего тела, можно не только сказать, удаляется ли оно или приближается, но и определить скорость этого смещения излучающего тела по лучу зрения. Такими измерениями можно определить не всю скорость излучающего тела, а только его радиальную составляющую. Движение излучающего тела поперек луча зрения измерением эффекта Доплера определить нельзя.

Если вести наблюдения за нейтральным водородом в разных местах Галактики, то есть если регистрировать радиоизлучение нейтрального водорода на длине волны 21 сантиметр, то можно определить его радиальные скорости. Поскольку длина волны меняется (она или больше, или меньше 21 сантиметра), то по форме этого изменения судят о радиальной скорости. Если измерения проведены для разных участков Галактики, то можно нарисовать пространственную картину движения нейтрального водорода в Галактике. Если провести комплексный анализ всех профилей эмиссионной линии 21 сантиметр (для различных направлений), то можно определить закон вращения всей массы нейтрального водорода Галактики. Рассуждая дальше, можно предположить, что нейтральный водород в Галактике вращается так же или почти так же, как вращается сама Галактика. А это уже очень важная информация. Специалисты считают, что такой метод позволяет вывести закон вращения нашей звездной системы. Другими словами, этот метод позволяет определить, как изменяется угловая скорость вращения звездной системы (Галактики) по мере удаления от ее центра к ее окраинным областям.

В результате измерений по описанному методу было установлено, что угловая скорость вращения Галактики уменьшается по мере удаления от ее центра. Это уменьшение сначала очень быстрое. Затем оно существенно замедляется. Так, на расстоянии 8 кпс от центра угловая скорость вещества Галактики равна 0",0061 в год. Это значит, что полный оборот вокруг оси симметрии Галактика совершает за 212 миллионов лет. Наше Солнце находится на удалении 10 кпс от центра Галактики. На этом расстоянии угловая скорость вращения вещества Галактики составляет 0",0047 в год. Это значит, что период обращения вещества Галактики на этом удалении от ее центра равен 275 миллионам лет. Но нам (землянам) именно этот период наиболее интересен, поскольку наша планета находится именно на таком расстоянии от центра Галактики. Поэтому-то период, равный 275 миллионам лет, и был назван галактическим годом. На самом деле, на каждом удалении от центра Галактики галактический год разный. Чем дальше от центра Галактики, тем он длиннее.

Если умножить угловую скорость вращающегося тела на его радиус, то получится линейная скорость на удалении от центра, которое равно радиусу. Если эту операцию проделать для расстояния, равного удалению Солнца от центра Галактики, то получится, что линейная скорость движения Солнца вокруг центра Галактики равна 220 км/с. Другими словами, при движении вокруг центра Галактики Солнце (а также другие звезды этого же удаления от центра Галактики) пролетает в секунду 220 километров.

Из сказанного выше ясно, что звездная система Галактики вращается не как твердое тело, поскольку скорость вращения ее вещества (звезд) уменьшается по мере удаления от центра Галактики. Напомним, что и наше Солнце вращается вокруг своей оси не как твердое тело: чем дальше от экваториальной плоскости, тем скорость вращения вещества Солнца меньше. Собственно, это правило справедливо для всей Солнечной системы. В данном случае можно говорить о вращении всей Солнечной системы в целом. Но при этом периоды обращений отдельных тел этой системы различны. Движение этих тел (планет) определяется законами Кеплера. Согласно третьему закону Кеплера, периоды обращения планет Солнечной системы пропорциональны большим полуосям орбит, возведенным в степень 3/2. Другими словами, угловая скорость вращения Солнечной системы быстро уменьшается по мере увеличения расстояния планеты от Солнца.

Вращение Галактики важно не только само по себе. Оно оказывает влияние на лучевые скорости окрестных звезд, которые лежат в плоскости Галактики. Поясним этот эффект с помощью рисунка. В центре рисунка буквой S обозначено Солнце. Вокруг него имеется 8 соседних звезд (1–8). Ближе к центру Галактики расположены звезды 6,7 и 8. Поэтому они должны двигаться быстрее, чем звезды 1 и 5, а также Солнце. Звезды 2,3 и 4 движутся еще медленнее. Что касается звезды 1, то она движется с такой же скоростью, что и Солнце. Поэтому эффект галактического вращения на ее лучевой скорости не сказывается. Совсем иначе обстоит дело со звездой 2, поскольку она движется медленнее Солнца. Солнце нагоняет звезду 2, и расстояние между ними уменьшается. Поэтому вследствие вращения Галактики звезда 2 будет иметь лучевую скорость, которая направлена к нам. Такую лучевую скорость мы будем называть отрицательной. Что касается звезды 3, то и ее обгоняет Солнце, но их взаимное положение таково, что при этом расстояние между ними не изменяется. Это значит, что на лучевой скорости звезды галактическое вращение не скажется. От звезды 4 Солнце уходит. Расстояние между Солнцем и звездой 4 увеличивается. Это значит, что галактическое вращение придает звезде 4 лучевую скорость, которая направлена перпендикулярно от нас. Такую скорость резонно назвать положительной лучевой скоростью. Теперь рассмотрим ситуацию со звездами 5,6,7 и 8. Легко убедиться, что на лучевые скорости звезд 5 и 7 галактическое вращение не повлияет. У звезды 6 оно вызовет отрицательную, а у звезды 8 положительную лучевые скорости. При этом все направления лучевых скоростей, которые вызваны вращением Галактики не как твердого тела, на рисунке обозначены стрелками.

Приведенная на рисунке 3 схема не является надуманной. Она подтверждена наблюдениями. Величина лучевых скоростей и степень их изменяемости в разных направлениях позволили получить основные данные о вращении Галактики в окрестностях Солнца. Такие же результаты получаются из анализа собственных движений соседних с Солнцем звезд. Эти результаты хорошо согласуются с теми результатами исследований, которые получены с помощью радиометодов. Все сказанное выше относится только к области Галактики в районе Солнца. В других областях Галактики (ближе и дальше от центра Галактики, чем Солнце) угловые скорости обращения Галактики определяются очень неуверенно. Дело в том, что свет далеких звезд, которые лежат в плоскости Галактики, в значительной мере поглощается межзвездной пылью.

Что касается скорости обращения вещества Галактики около ее центра, то эта скорость значительно превосходит все остальные скорости космических движений. Она намного больше и скорос-

Рис. 3. Влияние вращения Галактики на лучевые скорости звезд

тей всех остальных движений, которые может совершать человек. Другими словами, основное движение в окружающем нас мире — это участие во вращении около центра Галактики. Скорость этого движения равна 220 км/с.

ПЫЛЕВОЕ ВЕЩЕСТВО В ГАЛАКТИКЕ

Мы уже говорили, что пыль в Галактике поглощает излучение и затрудняет исследование. Сами пылинки очень маленькие. Их радиусы находятся в пределах одна десятитысячная — одна стотысячная сантиметра. Пылинки находятся на значительных расстояниях друг от друга. Так, даже в самом плотном месте Галактики — около ее плоскости симметрии, расстояние между соседними пылинками составляет около 100 метров. Это значит, что средняя плотность пылевого вещества еще меньше, чем средняя плотность межзвездного газа. Общая масса пылевого вещества в Галактике также невелика. Она примерно в сто раз меньше общей массы межзвездного газа. Что касается общей массы всех звезд, то она в 5000 — 10 000 раз больше массы пылевого вещества. Из сказанного о пыли ясно, что она не может существенно влиять на движение Галактики. Для этого у нее слишком мала общая масса. Но, тем не менее, пыль в Галактике очень важна, поскольку пыль поглощает различные излучения, которые содержат в себе информацию о разных сторонах жизни Галактики. Более того, пыль нашей Галактики мешает изучать и внегалактические объекты: из-за нее Вселенная как будто погружена в серый туман. Что касается близких звезд, то они почти не испытывают поглощения света. Совсем другое дело — далекие звезды. Их излучение ослабляется очень сильно.

Основная масса пылевого вещества сконцентрирована в плоскости симметрии Галактики. Поэтому просматривать объекты Галактики в этой плоскости довольно проблематично. Зато можно отлично наблюдать объекты, находящиеся далеко от плоскости Галактики.

Межзвездная пыль в Галактике распределена своеобразно. Ее структура неоднородна. Дело в том, что пыль не распределена тонким слоем, а собрана в отдельные облака различной формы и размеров. А это значит, что поглощение света (и вообще излучения) в Галактике также очень разное в разных направлениях. Явно просматривается его пятнистый характер. Учитывать такое поглощение намного сложнее, чем поглощение, равномерно «размазанное» по всему пространству.

Как было бы прекрасно, если бы в Галактике не было пыли, может понять только ученый, исследующий Вселенную. Представим схему, из которой видно, как пыль в Галактике мешает исследовать объекты во Вселенной.

При отсутствии пыли ученый вначале определил бы спектральный класс звезды. Затем он измерил бы ее видимую звездную величину. По полученным данным он бы определил расстояние до звезды. Более того, по спектру звезды можно определить не только спектральный класс, но и последовательность, к которой она принадлежит. Затем по диаграмме спектр — светимость можно определить абсолютную звездную величину звезды. Так мы получим все данные, необходимые для определения расстояния до звезды. Но все было бы прекрасно, только в одном случае — если нет никакого поглощения света, а значит, если нет пыли.

В приведенной выше схеме измерений-вычислений вся информация получается из излучения, из света. Поэтому все эти определения (в частности, расстояния) называются фотометрическими. Но как быть, если межзвездное пространство не является абсолютно прозрачным, а заполнено пылью? Способ один — ввести в проводимые вычисления поправки на пыль. Но для этого о межзвездной пыли надо знать все, или почти все. А это нереально. Вводимые исследователями поправки на пыль не всегда обоснованы, отсутствует информация в должном объеме. Мало того, что пыль поглощает свет, она сама распределена клочками. Значит, таков и характер поглощения. А как это учесть — исследователи не знают. А может, поглощением света пылью следует пренебречь? Ни в коем случае! Судите сами: для звезды, которая находится на расстоянии, равном 1 кпс, и лежит в плоскости Галактики, ошибка в определении расстояния без учета присутствия пыли составила бы 1,5 кпс, то есть 150 %. А это уже не наука, а попадание пальцем в небо.

Межзвездный газ и пыль перемешаны в разных местах Галактики в разных пропорциях. В одних облаках преобладает газ, а в других — пыль. Все это очень сложно учесть корректно, учесть так, чтобы полученный результат был правдоподобным.

ЯДРО ГАЛАКТИКИ