Текст книги "100 великих загадок астрономии"

Загадки Млечного пути

В какой-то степени мы знаем далекие звездные системы лучше, чем нашу родную Галактику – Млечный Путь. Исследовать его структуру труднее, чем строение любых других галактик, поскольку изучать ее приходится изнутри, и многое не так легко разглядеть. Межзвездные пылевые облака поглощают свет, излучаемый мириадами отдаленных звезд. Лишь с развитием радиоастрономии и появлением инфракрасных телескопов ученым удалось понять, как устроена наша Галактика. Однако многие детали остаются неясны и теперь. Даже число звезд в Млечном Пути оценивается очень приблизительно. Новейшие электронные справочные издания называют цифры от 100 до 300 миллиардов звезд.

Еще недавно считалось, что у нашей Галактики имеются четыре больших рукава. Однако в 2008 году астрономы из Висконсинского университета опубликовали результаты обработки около 800 тысяч инфракрасных снимков, сделанных космическим телескопом «Спитцер». Их анализ показал, что у Млечного Пути всего два рукава. Что же касается других рукавов, то они являются лишь узкими боковыми ответвлениями. Итак, Млечный Путь – это спиральная галактика с двумя рукавами. К слову, у большинства известных нам спиральных галактик также лишь два рукава.

«Благодаря телескопу “Спитцер” мы можем заново переосмыслить структуру Млечного Пути, – подчеркнул астроном Роберт Бенджамин из Висконсинского университета, выступая на конференции Американского астрономического общества. – Мы уточняем наше представление о Галактике точно так же, как столетия назад первооткрыватели, совершая путешествия по земному шару, уточняли и переосмысливали прежние представления о том, как выглядит Земля».

Млечный путь. Компьютерная модель

С начала 1990-х годов наблюдения, проводимые в инфракрасном диапазоне, все больше и больше меняют наши знания о структуре Млечного Пути, ведь инфракрасные телескопы позволяют заглянуть сквозь газопылевые облака и увидеть то, что недоступно обычным телескопам.

В 2004 году возраст нашей Галактики оценили в 13,6 миллиарда лет. Она возникла вскоре после Большого взрыва. Поначалу это был диффузный газовый пузырь, содержавший в основном водород и гелий. Со временем он превратился в громадную спиральную галактику, в которой мы сегодня живем.

Но как протекала эволюция нашей Галактики? Как она формировалась – медленно или, наоборот, очень быстро? Как она насыщалась тяжелыми элементами? Как менялись за миллиарды лет форма Млечного Пути и его химический состав? Подробные ответы на эти вопросы еще предстоит дать ученым.

Протяженность нашей Галактики составляет около 100 тысяч световых лет, а средняя толщина галактического диска – около 3000 световых лет (толщина выпуклой его части – балджа – достигает 16 тысяч световых лет). Впрочем, в 2008 году австралийский астроном Брайан Генслер, проанализировав результаты наблюдений за пульсарами, предположил, что, возможно, галактический диск вдвое толще, чем принято считать.

Велика или мала наша Галактика по космическим меркам? Для сравнения: протяженность туманности Андромеды, ближайшей к нам крупной галактики, составляет примерно 150 тысяч световых лет.

В конце 2008 года исследователи установили методами радиоастрономии, что Млечный Путь вращается быстрее, чем предполагалось. Судя по этому показателю, его масса примерно в полтора раза выше, чем принято было считать. По различным оценкам, она варьируется от 1,0 до 1,9 триллиона солнечных масс. Опять же для сравнения: массу туманности Андромеды оценивают самое меньшее в 1,2 триллиона солнечных масс.

Итак, Млечный Путь не уступает по размерам туманности Андромеды. «Нам не стоит больше относиться к нашей Галактике как к младшей сестре туманности Андромеды», – отмечает астроном Марк Рейд из Смитсоновского центра астрофизики при Гарвардском университете. В то же время, поскольку масса нашей Галактике больше, чем предполагалось, сила ее притяжения также выше, а значит, возрастает и вероятность ее столкновения с другими галактиками, располагающимися поблизости от нас.

Наша Галактика окружена шаровидным гало, достигающим в поперечнике 165 тысяч световых лет. Астрономы иногда называют гало «галактической атмосферой». Оно содержит примерно полторы сотни шаровых скоплений, а также небольшое количество древних звезд. Все остальное пространство гало заполнено разреженным газом, а также темным веществом. Массу последнего оценивают примерно в триллион солнечных масс.

В спиральных рукавах Млечного Пути содержится громадное количество водорода. Именно здесь продолжаются зарождаться звезды. Со временем молодые звезды покидают рукава галактик и «переселяются» в галактический диск. Впрочем, самые массивные и яркие звезды живут очень недолго, поэтому не успевают удалиться от места своего рождения. Неслучайно рукава нашей Галактики так ярко светятся. Большая же часть Млечного Пути состоит из небольших, не очень массивных звезд.

Центральная часть Млечного Пути находится в созвездии Стрельца. Эта область окружена темными газопылевыми облаками, за которыми невозможно ничего увидеть. Лишь начиная с 1950-х годов, используя средства радиоастрономии, ученым удалось постепенно разглядеть то, что таится там. В этой части Галактики был обнаружен мощный радиоисточник, получивший название Стрелец А*. Как показали наблюдения, здесь сосредоточена масса, превосходящая массу Солнца в несколько миллионов раз. Самым приемлемым объяснением этого факта может быть лишь одно: в центре нашей Галактики находится черная дыра. Сейчас она по какой-то причине устроила себе передышку и не проявляет особой активности. Приток вещества сюда очень скуден. Возможно, со временем у черной дыры пробудится аппетит. Тогда она вновь станет поглощать окружившую ее пелену газа и пыли, и Млечный Путь пополнит список активных галактик. Возможно, что перед этим в центре Галактики начнут бурно зарождаться звезды. Подобные процессы, может быть, регулярно повторяются.

В 2010 году американские астрономы с помощью Космического телескопа имени Ферми, предназначенного для наблюдения за источниками гамма-излучения, обнаружили в нашей Галактике две загадочные структуры – два громадных пузыря, которые испускают гамма-излучение. Диаметр каждого из них составляет в среднем 25 тысяч световых лет. Они разлетаются из центра Галактики в северном и южном направлениях. Возможно, речь идет о потоках частиц, которые испустила когда-то черная дыра, расположенная посредине Галактики. Другие исследователи полагают, что речь идет о газовых облаках, взорвавшихся при зарождении звезд.

Вокруг Млечного Пути располагается несколько карликовых галактик. Самые известные из них – Большое и Малое Магеллановы Облака, которые связаны с Млечным Путем своего рода водородным мостом, огромным шлейфом газа, что тянется за этими галактиками. Он получил название «Магелланова потока». Его протяженность составляет около 300 тысяч световых лет. Наша Галактика постоянно поглощает ближайшие к ней карликовые галактики, в частности, галактику Сагитариуса, расположенную на расстоянии 50 тысяч световых лет от галактического центра.

Остается добавить, что Млечный Путь и туманность Андромеды движутся навстречу друг другу. Предположительно через 3 миллиарда лет обе галактики сольются воедино, образовав более крупную эллиптическую галактику, которую уже назвали «Млечномедой». Об этой катастрофе нам еще предстоит поговорить подробнее.

Происхождение Млечного пути

Долгое время считалось, что Млечный Путь формировался постепенно. В 1962 году Олин Эгген, Дональд Линден-Белл и Аллан Сендедж предложили гипотезу, которая стала известна, как модель ELS (ее назвали по начальным буквам их фамилий). Согласно ей, на месте Млечного Пути когда-то медленно вращалось однородное облако газа. Оно напоминало шар и достигало в поперечнике примерно 300 тысяч световых лет, а состояло в основном из водорода и гелия. Под действием гравитации протогалактика сжалась и стала плоской; при этом ее вращение заметно ускорилось.

Почти два десятилетия эта модель устраивала ученых. Однако новые результаты наблюдений показали, что Млечный Путь не мог возникнуть так, как ему предписали теоретики.

Согласно этой модели, вначале образуется гало, а потом – галактический диск. Однако в диске тоже встречаются очень древние звезды, например, красный гигант Арктур, чей возраст более десяти миллиардов лет, или многочисленные белые карлики того же возраста.

И в галактическом диске, и в гало обнаружены шаровые скопления, которые моложе, чем допускает модель ELS. Очевидно, они поглощены нашей Галактикой позднее.

Многие звезды в гало вращаются в ином направлении, нежели Млечный Путь. Возможно, они тоже находились когда-то за пределами Галактики, но потом были втянуты в этот «звездный вихрь» – словно случайный пловец в водоворот.

В 1978 году Леонард Сирл и Роберт Цинн предложили свою модель становления Млечного Пути. Ее обозначили как «модель SZ». Теперь история Галактики заметно усложнилась. Еще недавно ее молодость, в представлении астрономов, описывалась столь же просто, как во мнении физиков – прямолинейное поступательное движение. Механика происходящего была отчетливо видна: имелось однородное облако; оно состояло лишь из равномерно разлившегося газа. Ничто своим присутствием не усложняло расчеты теоретиков.

Теперь вместо одного огромного облака в видениях ученых возникли сразу несколько небольших, причудливо разбросанных облаков. Среди них виднелись и звезды; правда, они располагались лишь в гало. Внутри гало все бурлило: облака сталкивались; газовые массы перемешивались и уплотнялись. Со временем из этой смеси образовался галактический диск. В нем стали возникать новые звезды. Однако и эту модель впоследствии раскритиковали.

Невозможно было понять, что связывало гало и галактический диск. Этот сгущавшийся диск и реденькая звездная оболочка вокруг него имели мало общего. Уже после того, как Сирл и Цинн составили свою модель, выяснилось, что гало вращается слишком медленно, чтобы из него образовался галактический диск. Судя по распределению химических элементов, последний возник из протогалактического газа. Наконец, момент количества движения диска оказался в десять раз выше, чем гало.

Становление нашей Галактики включало множество различных процессов

Весь секрет в том, что обе модели содержат зерно истины. Вся беда в том, что они слишком просты и односторонни. Обе они кажутся теперь фрагментами одного и того же рецепта, по которому был сотворен Млечный Путь. Эгген и его коллеги прочитали несколько одних строк из этого рецепта, Сирл и Цинн – несколько других. Поэтому, пытаясь заново представить историю нашей Галактики, мы то и дело замечаем знакомые, уже читанные однажды строки.

Итак, все началось вскоре после Большого взрыва. «Сегодня принято полагать, что флуктуации плотности темного вещества породили первые структуры – так называемые темные гало. Благодаря силе гравитации эти структуры не распадались», – отмечает немецкий астроном Андреас Буркерт, автор новой модели рождения Галактики.

Темные гало стали зародышами – ядрами – будущих галактик. Вокруг них под действием гравитации скапливался газ. Происходил однородный коллапс, как описывает его модель ELS. Уже через 500—1000 миллионов лет после Большого взрыва газовые скопления, окружавшие темные гало, стали «инкубаторами» звезд. Здесь возникли небольшие протогалактики. В плотных облаках газа появились первые шаровые скопления, ведь звезды здесь рождались в сотни раз чаще, чем где-либо еще. Протогалактики сталкивались и сливались друг с другом – так образовались крупные галактики, в том числе наш Млечный Путь. Сегодня он окружен темным веществом и гало, состоящим из одиночных звезд и их шаровых скоплений, этими руинами мироздания, чей возраст превышает 12 миллиардов лет.

В протогалактиках было много очень массивных звезд. Не прошло и нескольких десятков миллионов лет, как большинство из них взорвалось. Эти взрывы обогатили облака газа тяжелыми химическими элементами. Поэтому в галактическом диске рождались не такие звезды, как в гало, – они содержали в сотни раз больше металлов. Кроме того, эти взрывы породили мощные галактические вихри, которые разогревали газ и выметали его за пределы протогалактик. Произошло разделение газовых масс и темного вещества. Это была важнейшая стадия формирования галактик, не учтенная прежде ни в одной модели.

Тем временем темные гало все чаще сталкивались друг с другом. При этом протогалактики вытягивались или распадались. Об этих катастрофах напоминают цепочки звезд, сохранившиеся в гало Млечного Пути со времен «юности». Изучая их расположение, можно оценить события, происходившие в ту эпоху. Постепенно из этих звезд образовалась обширная сфера – видимое нами гало. По мере остывания внутрь него проникали газовые облака. Их момент количества движения сохранялся, поэтому они не сжались в одну-единственную точку, а образовали вращающийся диск. Все это произошло более 12 миллиардов лет назад. Теперь газ сжимался так, как было описано в модели ELS.

В это время образуется и «балдж» Млечного Пути – его срединная часть, напоминающая эллипсоид. Балдж состоит из очень старых звезд. Очевидно, он возник при слиянии самых крупных протогалактик, дольше всего удерживавших газовые облака. Посреди него оказались нейтронные звезды и крохотные черные дыры – реликты взорвавшихся сверхновых звезд. Они сливались друг с другом, попутно поглощая потоки газа. Возможно, так зародилась огромная черная дыра, пребывающая ныне в центре нашей Галактики.

История Млечного Пути гораздо хаотичнее, чем считалось прежде. Наша родная Галактика, внушительная даже по космическим меркам, образовалась после череды ударов и слияний – после серии космических катастроф. Следы тех давних событий можно обнаружить и сегодня.

Так, например, не все звезды Млечного Пути обращаются вокруг галактического центра. Очевидно, за миллиарды лет своего существования наша Галактика «поглотила» немало попутчиков. Возраст каждой десятой звезды в галактическом гало – менее 10 миллиардов лет. К тому времени Млечный Путь уже сформировался. Возможно, это – остатки захваченных когда-то карликовых галактик. Группа английских ученых из Астрономического института (Кембридж) во главе с Джерардом Гилмором подсчитала, что Млечный Путь, очевидно, поглотил от 40 до 60 карликовых галактик типа Карина.

Кроме того, Млечный Путь притягивает к себе огромные массы газа. Так, в 1958 году нидерландские астрономы заметили в гало множество небольших пятен. На поверку они оказались газовыми облаками, которые состояли в основном из атомов водорода и мчались в сторону галактического диска.

Наша Галактика не умерит свой аппетит и впредь. Очевидно, она поглотит ближайшие к нам карликовые галактики – Форнакс, Карину и, может быть, Секстанс, а затем сольется с туманностью Андромеды. Вокруг Млечного Пути – этого ненасытного «звездного каннибала» – станет еще пустыннее.

Почему звезды убегают из нашей Галактики?

Наша Галактика объединяет миллиарды звезд. Кажется, что все они, подобно Солнцу, движутся по раз и навсегда заведенным путям. Однако этот порядок обманчив. Среди обитателей Галактики, которые и впрямь не сворачивают со своих предначертанных орбит, есть странные создания, стремящиеся нарушить любые законы. Словно не довольствуясь своим положением в Галактике, они норовят покинуть ее. Какая-то таинственная сила в далеком прошлом погнала их, и, похоже, ничто не может их удержать. С неуклонным упорством они пытаются выскользнуть из Млечного Пути, скатиться далеко на его обочину.

Астрономы долго спорили о том, могут ли звезды покидать свое родное семейство и, подобно мореплавателям, пустившимся в путь через океан, дрейфовать по межгалактическим просторам в направлении какой-нибудь соседней галактики. Эти дискуссии продолжались до 2005 года, когда наконец удалось обнаружить первого космического «мигранта». Это была звезда в созвездии Гидры. С невиданной прежде скоростью она пересекала отдаленную область Млечного Пути, расположенную на расстоянии 200 тысяч световых лет от нашей планеты. Американский астроном Уоррен Браун, открывший эту беглянку, назвал ее «отверженной».

Но легко ли отринуть от себя власть этого сверкающего сонма звезд и устремиться навстречу тьме? Пули, вылетая из ствола автомата Калашникова, мчатся со скоростью около километра в секунду. На просторах космоса они напоминали бы улиток, вяло переползающих с одной половины листа на другую. Чтобы преодолеть силу земного тяготения, космические ракеты вынуждены разгоняться до 11,2 километра в секунду. Межпланетные зонды, если им доведется достигнуть границ Солнечной системы, вынуждены двигаться со скоростью более 40 километров в секунду, чтобы покинуть ее. С какой же скоростью должны мчаться звезды, чтобы преодолеть силу притяжения громадной галактики? Пожалуй, что в десятки раз быстрее, чем объекты, порывающие со своей планетной системой.

Среди обитателей галактик есть странные создания, стремящиеся нарушить любые законы

Когда Браун и его коллеги измерили скорость движения «отверженной» звезды, полученный результат не мог не удивить астрономов: не менее 709 километров в секунду, или 2,5 миллиона километров в час. Исследователи убеждены, что, разогнавшись до такой скорости, она рано или поздно покинет наш Млечный Путь. Астрономы уже дали название новому классу звезд – звезд-парий, не находящих себе место в родной галактике. Их окрестили «гипербыстрыми звездами».

Что же побудило их двигаться в этом головокружительном темпе? Еще в 1988 году астрофизик Джек Хиллс из Лос-Аламосской лаборатории показал, что, с теоретической точки зрения, подобные темпы передвижения звезд вполне возможны. В своей компьютерной модели он исследовал процессы, протекающие в центральной части Млечного Пути. Как мы знаем теперь, там располагается громадная черная дыра. Если к этому гравитационному монстру приблизится двойная звезда, то под действием силы его притяжения она будет разорвана на две части. Одна звезда соскользнет, как в пучину, в недра черной дыры, в то время как другая будет выброшена, словно из катапульты, в космическую даль. Расчеты показали, что отскочившая от черной дыры как от стены звезда может разогнаться до скорости 4000 километров в секунду.

Похоже, отверженная звезда SDSS J090745 + 0024507, обнаруженная Брауном, подтверждает эту гипотезу. С огромной скоростью, наперерез всем другим орбитам, она спешит умчаться прочь от черной дыры – этого космического «хищника», поглотившего ее напарницу. Но насколько часто в космосе случаются подобные события? Имеем ли мы дело с отдельными париями или с целой кастой (точнее, классом) звезд, «уносящих ноги» от чудовища, едва не подстерегшего их?

Вот уже несколько лет астрономы ведут поиски гипербыстрых звезд. Эти «безродные эмигранты» редки, как едва ли какой другой небесный объект. По первоначальным оценкам Уоррена Брауна, на 100 миллиардов звезд нашей Галактики приходится лишь тысяча гипербыстрых звезд. Одна из них – голубой гигант HE 0437–5439. Сейчас эта звезда находится уже на окраине Млечного Пути, на расстоянии «всего» 65 тысяч световых лет от Большого Магелланова Облака. Ее скорость также составляет около 2,5 миллиона километров в час. По оценке Брауна, она движется примерно вдвое быстрее, чем нужно, чтобы преодолеть силу притяжения нашей Галактики.

Это открытие, впрочем, сразу озадачило ученых. Расчеты показывают, что этой звезде потребовалось бы примерно 100 миллионов лет, чтобы добраться из галактического центра, где она когда-то пребывала, туда, где находится сейчас. Однако столь массивные звезды обычно выгорают уже через 20 миллионов лет.

Как предположили астрономы, первоначально эта звезда была частью тройной звездной системы, которая приблизилась к черной дыре, притаившейся в центре Млечного Пути, и здесь, под действием силы ее притяжения, распалась. Одна из звезд была поглощена черной дырой, а две другие выброшены далеко на периферию Галактики. Впрочем, они не разлетелись в разные стороны. С этого времени их судьбы оказались еще более тесно связаны, чем прежде. Во время этой коллизии одна из звезд поглотила другую и превратилась в голубого гиганта.

Коллеги Брауна все же не берутся уверенно утверждать, что этой звезде удастся покинуть Млечный Путь. Так же обстоит дело и с некоторыми другими «кандидатами на вылет». Астрономы не всегда могут точно оценить положение той или иной отдаленной звезды. А ведь от этого зависит расстояние, которое требуется ей преодолеть, противясь силе притяжения Галактики. Скорость большинства звезд Млечного Пути тоже неизвестна. Обычно астрономы вычисляют лишь так называемую радиальную скорость движения, то есть ту составляющую скорости, которая характеризует, как быстро эта звезда перемещается вдоль направления, в котором мы ее видим. Наконец, нам неизвестно значение важнейшей величины, которая и определяет судьбы всех звезд. Мы не представляем себе точной массы Млечного Пути. А ведь чем она больше, тем быстрее должны двигаться звезды, чтобы «порвать со своим прошлым» и покинуть Галактику.

Как мы теперь знаем, большую часть массы Млечного Пути составляет масса темного вещества. Определить ее можно лишь по косвенным признакам. Как отмечал в 2010 году на страницах «Astrophysical Journal» немецкий астрофизик Норберт Пшибилла, «астрономы продолжают оживленно обсуждать количество темного вещества, которое содержит Млечный Путь». Вполне возможно, что масса Млечного Пути попросту недооценивается. Так, по расчетам Пшибиллы, опубликованным в том же журнале, Млечный Путь весит не менее 1,8 триллиона солнечных масс – почти вдвое больше, чем считают многие исследователи.

Что может значить эта поправка для всех небесных тел, которые намерены «эмигрировать» из нашей Галактики? Пока, по данным на апрель 2011 года, астрономы выявили 17 гипербыстрых звезд, готовых решительно порвать со своей родиной. Удастся ли им их побег? Это зависит от точного значения массы Млечного Пути. Возможно, некоторым из этих звезд, несмотря на все их старания, так и не достанет сил вырваться на «окологалактическую» орбиту.

В свою очередь, наблюдения за центральной частью Галактики позволят ученым понять, справедлив ли сценарий, объясняющий, почему некоторые звезды движутся так быстро. Действительно ли черная дыра, расположенная там, разбрасывает звезды во все стороны от Галактики, как предполагают астрономы?