Текст книги "100 великих загадок астрономии"

Шаровые звездные скопления, «космические мафусаилы»

Долгое время астрономы пытались понять природу загадочных округлых пятен, впервые замеченных на ночном небосводе в 1665 году. Лишь более ста лет спустя, в 1782 году, Уильям Гершель пришел к выводу, что это – сферические скопления звезд. Он же дал им название Globular Cluster, «шаровые скопления».

В ХХ веке число шаровых скоплений, обнаруженных в гало Млечного Пути, стало стремительно расти. Сейчас их известно более полутора сотен. Еще от 10 до 50 подобных скоплений, как полагают астрономы, скрывается пока за пеленой газа и пыли. Кроме того, обнаружены тысячи шаровых скоплений, расположенных в других галактиках. Самое дальнее находится в галактике NGC 3311, на расстоянии свыше 150 миллионов световых лет от Земли.

Даже при наблюдении в небольшой телескоп шаровые скопления кажутся лишь слегка размытыми пятнами. Только в мощный телескоп их можно увидеть во всем великолепии. Подобные объекты насчитывают от 100 тысяч до миллиона звезд, образующих сферу, которая достигает в поперечнике всего нескольких десятков световых лет.

Шаровые скопления часто именуют «космическими мафусаилами». Это – старейшие объекты нашей Галактики, они образовались одновременно с ней и могут немало поведать о ее далеком прошлом. У них своя бурная история, тайны которой астрономы только начинают разгадывать.

До конца 1970-х годов ученые полагали, что эти скопления очень однообразны и что звезды распределены в них равномерно. Их считали статичными и стабильными объектами. Однако в последние два десятилетия наши представления о них решительно изменились. Наблюдения показали, что внутри шаровых скоплений протекают очень динамичные процессы. Звезды здесь нередко сталкиваются, а то и буквально «пожирают» друг друга. Ведь даже на периферии шарового скопления плотность их расположения в десятки раз выше, чем в окрестностях Солнечной системы; в центральной же части – в миллионы раз выше. Если бы там оказалась Земля, то на ее ночном небосводе пылало бы 10 тысяч таких же ярких звезд, как Сириус, причем часть их была бы видна даже в дневные часы. Все эти звезды находились бы ближе к нашей планете, нежели Проксима Центавра, ближайшая к Солнцу звезда (расстояние между ней и Солнцем составляет 4,3 световых года).

Обращаясь вокруг галактического центра, шаровые скопления испытывают приливные воздействия со стороны галактики – подобно тому, как их испытывает Луна, кружащая возле Земли. Жертвами этого становятся, прежде всего, звезды, расположенные на периферии скопления. Они покидают его.

Шаровое звездное скопление Omega Centauri

Так, наблюдая с помощью Очень большого телескопа, сооруженного на севере Чили, за шаровым скоплением М 12, которое находится на расстоянии 16 тысяч световых лет от Солнечной системы, астрономы убедились, что там гораздо меньше легких звезд, чем ожидалось. По-видимому, почти все пребывавшие на периферии небольшие звезды, чья масса составляла не более трети массы Солнца, покинули свою звездную систему и вошли в состав Млечного Пути. С похожим явлением исследователи столкнулись, наблюдая за шаровыми скоплениями NGC 6218 и NGC 2298 возрастом около 12 миллиардов лет. Впрочем, по оценке астрономов, пройдет еще 30 миллиардов лет, прежде чем эти объекты окончательно исчезнут.

Дело, кстати, не ограничивается похищением отдельных звезд. Под действием приливных сил шаровые скопления могут просто разорваться, как явствует из расчетов, проделанных еще в 1960-е годы. Наблюдения последних лет подтвердили эту гипотезу. Остатки подобных скоплений астрономы не раз обнаруживали в Млечном Пути. Всего же, по их оценке, в одной только нашей Галактике распалось от 350 до тысячи с лишним шаровых скоплений, когда-то входивших в ее состав.

Может статься, что многие шаровые скопления являются… «ненастоящими». Это – остатки карликовых галактик, поглощенных более крупными звездными системами. Во время подобных катастроф эти галактики лишались всех своих звезд, находившихся на периферии, а из их центральных областей формировались шаровые звездные скопления. В пользу этой гипотезы говорит то, что некоторые скопления очень неоднородны. Их звезды – в отличие от звезд, составляющих подлинные шаровые скопления, – заметно разнятся и по своему возрасту, и по химическому составу.

Один из самых известных тому примеров – шаровое скопление Omega Centauri, наиболее яркое и массивное скопление Млечного Пути, расположенное в созвездии Центавра (Кентавра). Оно состоит из двух популяций звезд, чего в обычных шаровых скоплениях не наблюдается. Примерно четверть звезд здесь окрашены в голубые тона, остальные – в красные. Вопреки ожиданиям ученых, эти голубые звезды содержат больше тяжелых элементов, чем красные. Это тоже неожиданность, ведь обычно звезды, обогащенные тяжелыми элементами, окрашены именно в красные цвета.

Астроном Джанпаоло Пиотто из Падуанского университета, объясняя эти странные наблюдения, предположил, что голубые звезды в этом шаровом скоплении, образовавшемся всего через один-два миллиарда лет после Большого взрыва, содержат в полтора раза больше гелия, чем красные. Расчеты показали, что в таком случае они должны состоять на 39 % из гелия. Поразительная концентрация – особенно если вспомнить, что сразу после Большого взрыва наша Вселенная содержала лишь 24 % гелия. К слову, в Млечном Пути за 8 с лишним миллиардов лет, прошедших от начала формирования этой галактики до появления Солнца, количество гелия, содержащегося в недрах звезд, тоже возросло, но не так значительно: с 24 до 28 %.

Сейчас Млечный Путь продолжает пополняться новыми шаровыми скоплениями, ведь он поглощает карликовую галактику Сагитариус, расположенную в созвездии Стрельца. Четыре шаровых скопления, принадлежавших Сагитариусу, уже перешли в состав нашей Галактики.

Очевидно, вследствие космического «каннибализма» появился и особый тип шаровых скоплений – громадные звездные системы, протянувшиеся на несколько сотен световых лет. Их плотность в 100 раз меньше, чем плотность обычных шаровых скоплений. Подобные объекты обнаружили в 2005 году в туманности Андромеды. Они располагаются в сферическом гало, окружающем соседнюю галактику, на расстоянии около 200 тысяч световых лет от ее центра. В принципе, они занимают промежуточное положение между шаровым скоплением и карликовой шаровидной галактикой. Ученые пока не могут объяснить, как образовались эти объекты. Непонятно также, почему подобных нет в составе нашей Галактики. И, спрашивается, можно ли найти такие скопления в других галактиках?

…Астрономы привыкли считать шаровые скопления очень скучными объектами. Более всего они напоминали им гвардейские части, выстроенные на парад: вот они, «солдаты Вселенной», все, как на подбор, одного возраста и роста, все в одинаковых мундирах, все оцепенело застыли. Кажется, сколько ни всматривайся в них, ничего необычного не увидишь. Вот и в шаровых скоплениях, как на строевом плацу, ничего неожиданного, казалось бы, не обнаружить. Несколько сотен тысяч звезд одного возраста, одного химического состава, кружат, как заведенные, по небосводу, и вот уже миллиарды лет этот космический механизм не дает никаких сбоев. Все повторяется, повторяется. Однако наблюдения последних лет показывают, что эти расхожие представления ошибочны. Стандартную теорию возникновения шаровых скоплений, похоже, придется пересмотреть.

Происхождение шаровых скоплений

Шаровые скопления долгое время считались реликтами, оставшимися от ранней эпохи Вселенной. Сценарий их появления был следующим. Когда под действием собственной силы тяжести гигантские облака первородного газа, заполнявшие космос, сжимались, то из отдельных уплотнений, образовавшихся вокруг будущих галактик, стали возникать шаровые звездные скопления. Их траектории еще и сегодня очерчивают контуры тех облаков газа.

Однако этот сценарий, как понятно теперь, верен отнюдь не полностью. И даже не наполовину. Компьютерные модели и результаты наблюдений, проводимых с помощью новейших телескопов, заставляют по-новому взглянуть на происхождение шаровых скоплений и их природу. Процессы, протекавшие во Вселенной в далеком прошлом, оказались значительно сложнее строгой схемы.

Еще недавно принято было считать, что все шаровые скопления, как счастливые семьи, похожи друг на друга. Теперь становится ясно, что эти объекты очень неоднородны. Они могут возникать по-разному. В одних случаях формируются сразу, целиком, в других – за счет слияния отдельных небольших звездных систем. Они заметно разнятся по своей массе, химическому составу, плотности и даже возрасту. Шаровые скопления нельзя называть лишь «наследием далекого прошлого Вселенной». Похоже, они образуются в галактиках по сей день.

Еще в 1975 году канадский астроном Сидней ван ден Берг обнаружил в Большом Магеллановом Облаке пару шаровых скоплений, которые заметно моложе, чем другие скопления в этой соседней галактике. Их возраст – около 3 миллиардов лет.

В 1990-е годы у астрономов сложилась уверенность в том, что есть два класса шаровых скоплений. Одни из них окрашены в голубой цвет, другие – в красный. Их окраска указывает на то, что они образовались в разное время и что механизм формирования их разнится.

По всей видимости, голубые шаровые скопления возникли очень давно, вскоре после Большого взрыва. Возраст древнейших звезд в них – от 12 до 13 миллиардов лет. Они формировались в локальных уплотнениях первородного газа, почти равномерно растекавшегося по Вселенной.

Уже в ту далекую эпоху она была заполнена не только газом, но и загадочным темным веществом, которое состоит из не известных науке элементарных частиц. По оценке космолога Джеймса Пиблса из Принстонского университета, вскоре после Большого взрыва в нашей Галактике образовались облака, содержавшие до 100 миллионов солнечных масс темного вещества и нескольких миллионов солнечных масс водорода и гелия. Но, к удивлению астрономов, в то время как в гало различных галактик, в том числе и карликовых галактик, содержится большое количество темного вещества, в шаровых скоплениях его по неизвестной причине не обнаруживают.

Вообще говоря, процессы образования первых галактик и их эволюция кажутся теперь гораздо более сложными, нежели пару десятилетий назад. Зарождение галактик, их столкновения и слияния сыграли важную роль и в формировании шаровых скоплений.

Еще в 1980-е годы американский астроном Франсуа Швейцер предположил, что вихревые процессы, возникавшие при столкновении первых галактик, сопровождались уплотнением газовых облаков, и это приводило к появлению шаровых скоплений. При столкновении спиральных галактик, уже содержавших шаровые скопления, возникала новая их генерация. Этот «галактический каннибализм» способствовал рождению молодых скоплений, окрашенных в красные цвета.

Того же мнения придерживается и Кит Ашман из университета Миссури: «При зарождении спиральных галактик образуются шаровые скопления. А когда эти галактики сталкиваются, возникают новые шаровые скопления». Кит Ашман и его коллега Стивен Зепф из Мичиганского университета выдвинули подобную гипотезу и предсказали, что существуют две генерации шаровых скоплений, еще в 1992 году – до того, как астрономам удалось обнаружить эти молодые скопления.

Теперь они известны, например, в галактиках NGC 1275 и NGC 7252 и, прежде всего, в так называемых «галактиках Антенны» NGC 4038 и NGC 4039. Последние находятся в созвездии Ворона, на расстоянии 63 миллионов световых лет от Земли. Это две самые близкие к нам столкнувшиеся галактики. Свое название они получили из-за двух вытянутых полос газа и звезд – так видоизменились их спирали под действием силы притяжения соседней галактики. Подобные полосы напоминают усики («антенны») насекомых. Результатом слияния «звездных островов» является эллиптическая галактика.

Галактики Антенны　– NGC 4038 и NGC 4039

Наблюдая за этой космической катастрофой, Швейцер и его коллеги обнаружили несколько сотен молодых массивных звездных скоплений, которые можно назвать «протошаровыми скоплениями». Они насчитывают до миллиона звезд и образовались всего несколько десятков миллионов лет назад. Разумеется, лишь часть этих скоплений уцелеет; остальные со временем распадутся, а звезды, составлявшие их, рассеются на просторах галактики.

Тем более, пока не подтверждено, что из подобных скоплений звезд могут вырасти настоящие шаровые скопления, а потому все сказанное остается лишь гипотезой. Кроме того, галактики редко сталкиваются, и если даже при их коллизии образуется сотни шаровых скоплений, то почему, например, эллиптическая галактика М 87 содержит свыше 10 тысяч шаровых скоплений? Она, что, образовалась в результате последовательного (или одновременного?) столкновения десятков галактик? Или, может быть, при столкновениях галактик в ту пору, когда наша Вселенная была молодой, возникало гораздо больше шаровых скоплений? «Я полагаю, – пишет канадский астроном Уильям Харрис, рассуждая о галактике М 87, – что большинство этих красных скоплений образовалось за счет слияния газовых облаков на ранней стадии существования Вселенной. Наверняка играли важную роль и какие-то другие физические процессы – вопрос только в том, какие».

Различные модели формирования шаровых скоплений требуют скрупулезной проверки. Модели же эти, резюмируем сказанное, таковы:

а) Двухступенчатый коллапс. Голубые шаровые скопления образуются при коллапсе протогалактических облаков, которые почти не содержат тяжелых элементов. Через несколько миллиардов лет после этого наступает вторая фаза коллапса, которая приводит к формированию красных шаровых скоплений. Звезды, их составляющие, содержат значительно больше тяжелых элементов, которые образовывались после взрывов первых звезд. Однако эта теоретическая модель окончательно не разработана.

б) «Иерархическое образование». Красные шаровые скопления вырастают из газовых облаков, которые сливаются друг с другом, что приводит к возникновению новых галактик и новых шаровых скоплений. Но эта модель с трудом поддается проверке.

в) При столкновении и слиянии спиральных галактик образуются громадные эллиптические галактики. Эта катастрофа приводит к появлению новых – сравнительно молодых – шаровых скоплений. Недостаток этой гипотезы в том, что при столкновении галактик зарождается слишком мало шаровых скоплений.

г) Эллиптические галактики поглощают расположенные поблизости от них карликовые галактики и при этом «присваивают» себе их шаровые скопления. Однако, если эта гипотеза верна, то эллиптические галактики должны поглотить очень много карликовых галактик, чтобы обзавестись тем количеством шаровых скоплений, которым они обладают.

В принципе, различные сценарии формирования шаровых скоплений отнюдь не противоречат друг другу. Так как все-таки рождаются эти скопления?

Те, кто приходят позже: «космические вампиры»

В шаровых скоплениях порой рождаются необычные звезды. Их называют Blue Stragglers, «голубыми страгглерами», или «голубыми отставшими звездами», поскольку они не вписываются в традиционную схему зарождения и эволюции звезд. Они являются, как шутят астрономы, звездными «каннибалами» или «вампирами».

Как известно, возраст всех звезд, составляющих шаровое скопление, одинаков. Но иногда здесь встречаются также очень массивные и горячие звезды, которые заметно моложе других. Их начали обнаруживать еще в 1950-е годы, но их происхождение долгое время таило загадку. «Такое ощущение, словно среди обитателей дома престарелых встречаешь нескольких заигравшихся детей. Так и хочется спросить, откуда они здесь взялись», – признавался астроном Франческо Ферраро из Болонского университета.

Вплоть до середины 2000-х годов об этих звездах было достоверно известно одно. Они не так молоды, как кажутся – просто каким-то образом умеют омолаживаться. К этому времени у астрономов имелись две гипотезы, объяснявшие их происхождение.

По одной версии, они возникали при слиянии двух звезд. Эта пара сближалась до тех пор, пока не начинала вращаться вокруг общего для них центра тяжести. Двигаясь по спирали, обе звезды устремлялись навстречу друг другу и, наконец, сливались в пламени космической вспышки. Впрочем, проходили тысячелетия, прежде чем в недрах этого конгломерата разгоралась термоядерная реакция. Вспыхивала новая звезда.

Процесс формирования «голубых вампиров»

По другой версии, «голубые страгглеры» появлялись на месте двойных звезд. Одна из звезд, составлявших пару, постепенно поглощала свою соседку. Чем больше она насыщалась ее «соками», тем ярче светилась, тем больше наливалась голубой краской, словно посиневший вампир. Теперь она, яркая, горячая, внешне почти не отличалась от молодой звезды.

Чтобы выяснить, какая из гипотез верна, канадский астроном Алисон Силлс и его коллеги исследовали 56 шаровых скоплений. Они выяснили, что количество «голубых отставших звезд» никак не связано с предполагаемым числом звездных коллизий. Зато эта величина прямо пропорциональна массе скопления. Это – наиболее убедительный аргумент в пользу того, что они возникли за счет «вампиризма» – перетекания вещества от одной звезды к другой.

Дело в том, что наиболее массивные ядра шаровых скоплений содержат особенно много двойных звезд, а в этих парах такое явление, как «звездный вампиризм», наблюдается чаше всего. Допустим, если двойную систему составляют звезды, очень сильно разнящиеся по своей массе, то их развитие протекает совершенно по-разному. В недрах более крупной звезды запасы водорода иссякают гораздо быстрее, и она превращается в красного гиганта. Когда она стремительно расширяется, то ее оболочка начинает перетекать к звезде, расположенной рядом. Со временем звезды в этой паре меняются ролями. От гиганта остается лишь небольшое ядро, которое обращается теперь вокруг второй, очень разросшейся звезды. Фактически возникает новая пара, состоящая из белого карлика и «голубой отставшей звезды».

Однако результаты исследования, проведенного Ферраро, свидетельствуют, что некоторые «голубые страгглеры» все же образуются иным путем – при лобовом столкновении двух звезд. Разумеется, эти «дорожные аварии» очень редки – даже в центре шарового скопления, где мельтешит множество звезд. Порой дело вовсе не доходит до столкновений. Звезды лишь сближаются друг с другом настолько, что оболочка одной звезды начнет перетекать к другой. В любом случае, после подобной коллизии запасы топлива, содержавшегося в недрах обеих звезд, перемешиваются, и термоядерная реакция вспыхивает с новой силой.

«Проделанные нами наблюдения показали, что голубые страгглеры, возникшие в результате подобных коллизий, по своим характеристикам несколько отличаются от “звезд-вампиров”, – поясняет астроном Европейского космического агентства Джакомо Беккари, – причем в одном и том же скоплении можно найти звезды, образовавшиеся и тем и другим способами».

Роберт Матье и Аарон Геллер из Висконсинского университета вели наблюдение за «голубыми отставшими звездами» в шаровом скоплении NGC 188, расположенном в нашей Галактике. Это одно из древнейших открытых звездных скоплений в Млечном Пути; оно насчитывает около 5000 звезд. Исследователи установили, что примерно 76 % страгглеров, обнаруженных здесь, являлись частью двойных звездных систем.

Особенно много интересных результатов принесло изучение шарового скопления 47 Тукана, находящегося на расстоянии 16 тысяч световых лет от Земли. Его масса составляет примерно миллион солнечных масс, а в поперечнике оно достигает 120 световых лет. Это не только одно из самых близких и массивных, но и одно из самых плотных шаровых скоплений, которые мы можем наблюдать на небе Южного полушария.

Если бы Земля пребывала в самом центре этого скопления, то ее окружали бы тысячи звезд, расположенных ближе, чем Проксима Центавра. Впрочем, шаровые скопления – не самое подходящее место для планет. Орбиты здешних планет очень нестабильны, поскольку соседние звезды постоянно вносят возмущения в их размеренный ход. По оценке астрономов, в таком скоплении, как 47 Тукана, планета, подобная Земле, то есть обращающаяся вокруг своей звезды на расстоянии одной астрономической единицы, могла бы продержаться лишь около 100 миллионов лет.

Понятно, что в такой «тесноте» неизбежны столкновения звезд. Даже если в центре шарового скопления звезды сталкиваются друг с другом раз в пару миллионов лет, то все равно за десять с лишним миллиардов лет, пока оно существует, произойдет несколько тысяч подобных катастроф. Это приводит к любопытному эффекту. Звезды «сортируются» по своей массе. Самые массивные перемещаются в центральную часть скопления, в то время как более легкие отбрасываются на периферию. Астрономы называют этот эффект «сегрегацией по массе». Он был предсказан давно, но наблюдать его довольно трудно. Ведь звезды в центральной части скопления располагаются необычайно близко друг к другу. Их разделяет не несколько световых лет, а лишь несколько световых недель. Поэтому оценить точно их физические характеристики, в частности, массу, долго не удавалось. Лишь благодаря телескопу «Хаббл», который отличается очень высокой разрешающей способностью, появилась возможность проследить за звездами, находящимися в центре скопления 47 Тукана.

Ферраро и его коллеги исследовали свыше 4000 звезд, расположенных на участке объемом в один кубический световой год. Почти каждая сотая оказалась принадлежащей к этому редкому классу звезд – к числу голубых страгглеров. Всего их здесь выявлено 43. Их масса примерно в два раза превышает массу обычных звезд, при этом они движутся заметно медленнее. «Они буквально “топчутся” в центральной части скопления», – отмечает американский астроном Джей Андерсон, работавший вместе с Ферраро. Кроме того, они отличаются от обычных звезд своей высокой температурой, поэтому и светятся голубым цветом.

Итак, теперь понятно, что обе гипотезы, предложенные астрономами, верны. Имеются два механизма формирования «голубых отставших звезд». Остается добавить, что эти звезды обнаруживают не только в шаровых скоплениях, но и в других областях космоса: в гало Млечного Пути, в галактическом балдже и карликовых галактиках. Однако в шаровых скоплениях вероятность их появления, разумеется, выше.