Текст книги "100 великих загадок астрономии"

Можно ли заметить гравитационные волны?

Еще в 1916 году Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн. Однако обнаружить их до сих пор не удалось. Первый достоверный случай их наблюдения стал бы блестящим подтверждением общей теории относительности. Кроме того, эти волны содержат информацию о процессах, протекающих в космосе, которую нельзя получить иначе. «Эти завитки искривленного пространства-времени доносят до нас тайные весточки мироздания, – подобно тому, как акустические волны доносят до публики информацию об оркестре, – поясняет американский физик Кип Торн, – они, быть может, помогут нам даже расслышать шум Большого взрыва». Для астрофизиков это – новое окно в космос.

Теория гласит, что гравитационные волны возникают, когда громадные массы вещества с чрезвычайно большой скоростью сталкиваются или движутся относительно друг друга. Яркие тому примеры – это коллапс звезды в конце своего жизненного пути или слияние двойных звезд. Часть выделяющейся при этом энергии уносят с собой гравитационные волны. Они возникают также при столкновении галактик или падении крупных объектов в недра черной дыры. Их порождает и столкновение черных дыр. Расчеты показывают, что после такой сшибки черные дыры теряют до 40 % своей массы, излученной в виде гравитационных волн.

Распространяются эти волны со скоростью света. Они пронизывают пространство, словно сейсмические волны – Землю. Они пробегают с одного конца Галактики на другой, и вся толща вещества, сквозь которую они пробиваются, не способна их ослабить. «Под действием гравитационных волн вещество, лежащее на их пути, – поясняет Торн, – поочередно растягивается и сжимается в направлении, перпендикулярном оси, вдоль которой распространяются эти волны». Однако эти отклонения минимальны. Мы не замечаем их. Так, если бы мы имели дело с мостом, выстроенным от Земли до Солнца, то под действием гравитационной волны он удлинился бы на величину… атомного ядра. Попробуйте уловить подобные – неощутимые – колебания!

Гравитационные волны возникают, когда громадные массы с чрезвычайно большой скоростью сталкиваются или движутся относительно друг друга

Астрономы делят гравитационные волны на несколько классов. Во-первых, кратковременные волны. В считаные доли секунды их источники излучают больше энергии, чем Солнце за все время своего существования. Возникают эти волны при взрывах звезд и столкновениях нейтронных звезд и черных дыр.

Периодические гравитационные волны можно заметить лишь из космоса, поскольку вести наземные наблюдения мешает сейсмическая активность нашей планеты. Источником их являются двойные звезды, а также нейтронные звезды. Для слежения за ними нужен спутниковый интерферометр с базовой длиной в миллионы километров.

Стохастические (случайные) волны возникают при наложении нескольких периодических процессов, протекающих очень далеко от Земли, а также являются результатом слабых или очень отдаленных единичных событий. Может быть, речь идет о столкновениях звезд, возникших вскоре после Большого взрыва? Или о процессах, протекавших в молодой Вселенной и вызвавших нарушения пространственно-временной структуры? Или даже об отголосках Большого взрыва?

В конце 1960-х годов попытку обнаружить эти волны предпринял физик Джозеф Уэбер из Мэрилендского университета. Сердцевину его детектора составил алюминиевый цилиндр длиной 2 метра и диаметром 0,5 метра. С его помощью ученый намеревался измерить гравитационные волны, которые распространяются перпендикулярно продольной оси цилиндра и вызывают его колебания. По этой причине цилиндр должен был слегка деформироваться – величину этой деформации Уэбер и хотел определить. Он помещал на поверхность цилиндра пьезоэлектрические кристаллы. При их растяжении или сжатии возникает электрическое напряжение. Прибор должен был его зафиксировать. Однако эти исследования не принесли однозначного результата.

Первый опытный образец лазерного интерферометра для измерения гравитационных волн построили в 1972 году сотрудники американской Hughes Research Laboratories. В 1980-е годы целый ряд лабораторий обзавелся подобными приборами. Они появились в Калифорнийском технологическом институте, в университетах Глазго и Токио, а также в мюнхенском Институте квантовой оптики.

Принцип измерения таков. На концах и посредине L-образной установки, защищенной от любых вибраций, подвешены три груза. Расположенный рядом лазер испускает в ее сторону луч. Установка отрегулирована так, что лазерные лучи затухают за счет интерференции, то есть наложения их друг на друга. Если сквозь установку пройдет гравитационная волна, то расстояние между грузами на какой-то миг немного изменится. Иной станет и интерференционная картина. Так, мы убедимся, что измерительная база деформировалась. Мы обнаружим «след гравитационной волны».

Длина измерительной базы намного превышает длину прежних детекторов-цилиндров. Во-первых, плечи самой L-образной конструкции вытянулись на километры. Во-вторых, лазерные лучи, по нескольку раз отражаясь от зеркал, преодолевают огромный путь. Все это намного повышает чувствительность прибора.

Косвенным образом существование гравитационных волн уже удалось доказать. В 1974 году два американских радиоастронома, Рассел Халс и Джозеф Тейлор, обнаружили в созвездии Орла очень редкий объект: двойной пульсар – систему из двух нейтронных звезд. По Эйнштейну, подобная система теряет большое количество энергии за счет излучения гравитационных волн. Вследствие потери энергии обе звезды постепенно сближаются и при этом начинают вращаться все быстрее. После наблюдений, длившихся более десяти лет, Халс и Тейлор действительно зафиксировали, что период обращения этих звезд сократился. Разница точно соответствовала значению, предсказанному теорией относительности, если предположить, что часть энергии уносят гравитационные волны. В 1993 году эта работа была удостоена Нобелевской премии по физике.

Сразу несколько установок, созданных в разных странах мира, пытаются сейчас выследить эти неуловимые волны. Одна из них – GEO600, германо-британская установка, построенная близ Ганновера. Ее интерферометры ведут наблюдение в диапазоне от 1 до 10 000 герц. С помощью этого детектора можно обнаружить, например, гравитационные волны, излучаемые при взрыве сверхновой звезды.

Теоретики ведь убеждают нас в том, что доказать существование этих волн очень просто: раз они есть, их можно измерить! Теоретики описывают, как этого добиться, и… кивают на практиков. Почему же до сих пор этого не удалось сделать? Причина в том, что ожидаемый эффект, повторюсь, чрезвычайно мал. Так, длина плеча установки GEO600 составляет 600 метров. Расчеты показывают, что при взрыве сверхновой звезды длина этого плеча под воздействием гравитационных волн изменится за несколько тысячных долей секунды на величину порядка 10 ^—19 метра, что в тысячи раз меньше диаметра атомного ядра. Понятно, что зафиксировать такую величину невероятно трудно – тем более, что микросейсмическая активность земных недр вносит свои помехи. Еще недавно подобная точность измерений и вовсе считалась невозможной.

Что же касается гравитационных волн частотой менее одного герца, то единственный шанс их обнаружить – это следить за ними в космосе. Этим займутся участники совместного проекта НАСА и ЕКА, получившего название LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Предполагается, что исследования в рамках этого проекта начнутся в 2015 году.

Могут ли сталкиваться Галактики?

Во Вселенной нет покоя. Его никогда не было и не будет. Однообразное кружение планет и светил – вовсе не императив мироздания. Наоборот, с заунывной будничностью космос сотрясают катастрофы непомерных масштабов. Наша Вселенная родилась в пламени Большого взрыва и до наших дней не знает покоя. Галактики, ее составляющие, разлетаются во все стороны. Время от времени одна из них сталкивается с другой, поглощает ее, поглощается ей, распадается, вспучивается, выгорает дотла… Мы пребываем среди Хаоса. Мы охвачены им.

После появления Космического телескопа имени Хаббла, выведенного на орбиту в 1990 году, стало возможным воочию наблюдать за столкновениями далеких галактик. Подобные катаклизмы случаются с любыми из них, стоит лишь им неосторожно сблизиться. В одних случаях галактики лишь задевают друг друга вскользь, в других следуют лобовые удары, решительно меняющие облик обоих объектов. Во время этих катастроф выделяются громадные количества энергии; перемещаются массы, которые трудно себе даже вообразить.

Столкновение галактик

В 2004 году астрономы наблюдали самую грандиозную космическую коллизию – столкновение двух галактических скоплений, каждое из которых содержит тысячи галактик. Оно происходит в 800 миллионах световых лет от Земли под аккомпанемент мощнейших рентгеновских вспышек. Ударные волны разогревают межзвездное пространство до 100 миллионов градусов. По словам некоторых ученых, катастрофа сопровождается крупнейшим выбросом энергии за всю историю Вселенной после Большого взрыва.

Что же происходит, когда сталкиваются две гигантские галактики, насчитывающие сотни миллиардов звезд? Событие это вовсе не похоже на удар астероида о Землю. Галактика – не твердое тело, всей своей поверхностью бьющееся о встречный объект. Звезды одной из галактик легко просачиваются мимо спешащих навстречу звезд, ведь расстояния между ними в сотни миллионов раз превышают диаметр самих светил. Зато огромные массы межзвездного газа, мчащиеся навстречу друг другу, нагреваются и вспыхивают после соударения. В их гуще начинаются термоядерные реакции. Образуются новые звезды. Они станут исчисляться тысячами, а то и сотнями тысяч. Их раскаленные массы будут излучать яркий голубой свет. Примером такого скопления молодых звезд являются Плеяды, наблюдаемые в созвездии Тельца.

Итак, сближение галактик не приводит к столкновениям звезд, крошащим их как фарфоровую посуду. А вот расстояния между отдельными галактиками внутри скоплений всего в десятки или сотни раз превышают диаметр этих галактик. Значит, сшибки между ними неизбежны. В настоящее время 1–2 % всех галактик сталкиваются или сливаются друг с другом. В далеком прошлом эти коллизии случались гораздо чаще, потому что размеры Вселенной были меньше и галактики располагались ближе друг к другу. Астрономы выделяют сейчас два типа галактических коллизий.

В пятистах миллионах световых лет от нас, в созвездии Скульптора, которое можно увидеть лишь в Южном полушарии, расположена галактика Тележное Колесо. Она в полтора раза больше Млечного Пути. Когда-то она была обычной спиральной галактикой. Теперь же напоминает колесо, обод которого внезапно загорелся. Диаметр «колеса» достигает 150 тысяч световых лет. Оно очень нестабильно и удаляется от центра галактики со скоростью 94 километра в секунду. Вблизи от центра со сверхзвуковой скоростью извергаются струи раскаленного газа – так называемые «джеты». Они тянутся на тысячи световых лет. Возникает ощущение, что какая-то громадная, невидимая нам «метла» решительно выметает все звезды из недр этой галактики, оставляя мириады светил пылать вдоль ее «обода». Причиной такого необычного процесса стало столкновение с карликовой галактикой, пронзившей Тележное Колесо насквозь. Спиральные рукава сомкнулись, образовав кольцо. Звезды сбились к его краю или в середину. Там началось массовое зарождение новых звезд.

В созвездии Ворона, расположенном в 63 миллионах световых лет от нас (его также можно увидеть в Южном полушарии), находятся галактики Антенны. Это – пара галактик NGC 4038 и NGC 4039, почти слившихся друг с другом. Свое название они получили из-за длинных языков газа, вытянувшихся словно усики («антенны») насекомых. Эти галактики встретились друг с другом около 900 миллионов лет назад. Их усики возникли около 300 миллионов лет назад. Пройдет еще 400 миллионов лет, и у этих двух слившихся галактик возникнет общее стабильное ядро.

Когда две галактики сближаются, их отдельные части, повинуясь гравитации, выпячиваются далеко в космическое пространство, подчас напоминая лапы какого-то многоногого животного. Столкнувшиеся галактики словно ползут по космосу, осторожно перебирая своими длинными, тонкими ногами. Их судьба зависит не только от их геометрии, но и от скорости, с которой они сходятся. При двухстах километрах в секунду они сливаются друг с другом. Если их относительная скорость достигает 600 километров в секунду, то галактики после своего рандеву отскакивают назад, как мяч, налетевший на стену. Когда скорость превышает 1000 километров в секунду, удар оказывается таким мощным, что во все стороны, словно брызги, летят обломки галактик. Постепенно галактики теряют свое прежнее обличье, активно обмениваясь друг с другом и межзвездными облаками, и звездами. В большинстве случаев одна галактика несколько раз проникает внутрь другой, прежде чем они окончательно соединятся. Их слияние продолжается от нескольких сотен миллионов до полутора миллиардов лет.

В 2005 году американский астроном Питер ван Доккум, проанализировав структуру 126 галактик, ближайших к Млечному Пути, убедился, что они сталкивались намного чаще, чем считалось ранее. Этот анализ подтвердил, что большинство галактик образовалось путем слияния других, мелких галактик. Вот почему за короткое время могли возникнуть такие массивные «звездные острова» – они разрастались, как снежный ком, пущенный с горы, поглощая все, что встречалось им на пути.

Наблюдения за отдаленными уголками космоса, отстоящими от нас на многие миллиарды световых лет, показали, что там преобладают спиральные галактики. В ближних же областях в основном видны эллиптические галактики, причем в каждой третьей из них центральные звезды вращаются в иную сторону, нежели периферийные. Причиной тому – столкновение или хотя бы соприкосновение с другой галактикой. Компьютерная модель свидетельствует, что спиральная галактика может превратиться в эллиптическую даже в том случае, когда другая галактика лишь промчится рядом с ней. Мощные приливные силы все равно вылепят из этого скопления звезд нечто новое.

Многие из эллиптических галактик отличаются очень крупными размерами. Видимо, за свою жизнь они поглотили немало других звездных систем. Процесс этот астрономы в шутку называют «галактическим каннибализмом». Уже на ранней стадии мироздания он определял дальнейшую эволюцию галактик. Да и сейчас внутри этих звездных систем сплошь и рядом встречаются два, а то и более ядер. Это лишний раз подчеркивает прожорливость галактик.

В мире галактик, как в мире «звездных войн», один удар следует за другим, одна империя гибнет за другой. Чем более астрономы наблюдают за далью звездного неба, тем более неизбежным событием кажутся столкновения галактик – как машин в непогоду.

Что произойдет при столкновении нашей Галактики с Туманностью Андромеды?

Итак, почти все галактики рано или поздно столкнутся со своими соседями. Эта участь ожидает и наш Млечный Путь. В его сторону несется туманность Андромеды. Их столкновение неизбежно – как удар двух поездов, спешащих навстречу по одной и той же одноколейке.

Туманность Андромеды – это спиральная галактика, самый отдаленный объект на небосводе, который можно увидеть невооруженным глазом. Диаметр ее гало достигает около миллиона световых лет, а диаметр видимого диска – примерно 140 тысяч световых лет. Масса этой галактики, по разным оценкам, составляет от 1,2 до 3,7 триллиона солнечных масс, а звезд здесь – около триллиона, что в несколько раз больше, чем в Млечном Пути. Вместе с ним, а еще и галактикой в созвездии Треугольника, туманность Андромеды составляет тройку самых массивных членов так называемой Местной группы галактик, связанных воедино силами гравитационного притяжения.

Эта туманность вызывает особый интерес астрономов не только потому, что это ближайшая к нам крупная галактика, но и потому, что она поразительно похожа на Млечный Путь. Мы не можем увидеть свою родную Галактику со стороны – с тем большим интересом изучаем туманность Андромеды. Там обнаруживаются те же объекты, что и в нашей Галактике. Они видны астрономам как на ладони: темные пылевые полосы, обширные участки, где продолжают рождаться звезды, а также многочисленные шаровые скопления (их здесь – от 400 до 500).

Туманность Андромеды

Долгое время представляла загадку центральная область соседней галактики. Астрономы полагали, что там находятся сразу две сверхмассивные черные дыры, окруженные несколькими миллионами звезд. Считалось, что это – результат давнего столкновения туманности Андромеды с какой-то другой галактикой. Однако наблюдения, проведенные телескопом «Хаббл», показали, что там находится все-таки лишь одна громадная черная дыра, которую окружают два кольца звезд. Одно состоит из молодых голубых звезд, а другое – из более старых, красных звезд. Масса этой черной дыры примерно в 30 миллионов раз больше массы Солнца, и соответственно она почти в 7 раз больше черной дыры, расположенной в центре нашей Галактики.

Сейчас туманность Андромеды и Млечный Путь разделяют 2,5 миллиона световых лет. Но под действием темного вещества, незримо наполняющего их, обе галактики неуклонно разворачиваются и направляются друг к другу. Они движутся навстречу со скоростью 120 километров в секунду. Не пройдет и двух миллиардов лет, как они неминуемо столкнутся.

Астрономы уже десятилетия назад выяснили, какая судьба уготована нашей Галактике. Неизвестно было, что произойдет с Солнечной системой во время этой грандиозной катастрофы. Лишь несколько лет назад исследователи из Смитсоновского центра астрофизики при Гарвардском университете смоделировали все обстоятельства этой коллизии на компьютере.

После первого удара рухнут незримые скрепы, удерживавшие звезды на их привычных орбитах. При этой сшибке громадных звездных систем во все стороны разлетится множество осколков – звезд и огромных потоков межзвездного газа. Под действием мощных гравитационных сил они будут выброшены в космическую даль. Словно струи брызнувшей крови, они разлетятся во все стороны от столкнувшихся галактик. Мы видим нечто подобное на фотоснимках отдаленных уголков космоса, присылаемых телескопом «Хаббл». Всюду – от нашей звездной родины до космического горизонта – одни и те же коллизии звездных систем.

Впрочем, на Земле вряд ли найдутся свидетели этого красочного зрелища. Задолго до того жизнь на нашей планете станет невозможна – та превратится в пекло, даже все океаны выкипят и испарятся. У людей, если наша цивилизация уцелеет, останется единственная возможность спастись: задолго до «часа кипения» переселиться в другую планетную систему, хотя для этого, может быть, придется отвоевывать себе «новое место под солнцем».

Само же Солнце, которое к тому времени еще не превратится в белого карлика, и все ведомые им планеты будут выброшены на окраину новой громадной галактики. Как иронично заметил один из авторов модели, Томас Кокс, «пока мы живем в предместье Млечного Пути, но, вероятно, после этой космической катастрофы переселимся куда-нибудь подальше; можно сказать, что перед пенсией нас вышлют в сельскую глушь». Наша планетная система и сейчас пребывает вдалеке от центра Галактики, но после этой «аварии» она окажется на расстоянии примерно 100 тысяч световых лет от центра новой галактики – в четыре раза дальше, чем сейчас от центра Млечного Пути. Изменится и траектория ее движения. Если сейчас Солнечная система обращается вокруг галактического центра по круговой орбите, то после этой коллизии будет перемещаться по очень вытянутой орбите. Кстати, с некоторой долей вероятности – 1: 37 – наша планетная система вполне может «перебраться за линию фронта» и примкнуть к туманности Андромеды.

Тем временем, словно пара вальсирующих, обе галактики будут кружить, все теснее сближаясь друг с другом, пока в конце концов не образуют единое целое. Примерно через 5 миллиардов лет сформируется новая звездная система – эллиптическая галактика Млечномеда, которая объединит обоих участников коллизии. Они сольются, словно две громадные клетки. По расчетам астрономов, должны соединиться и их черные дыры – эти незримые ядра галактик. Огромные количества газа, содержащиеся в обеих галактиках, устремятся в эту внезапно увеличившуюся черную дыру. Космический «зародыш» вновь начнет расти.

Все это будет выглядеть очень необычно и красочно. Белесая полоса «расплесканного молока», протянувшаяся через весь ночной небосвод – Млечный Путь, – растворится, и на небе словно нарастет ослепительный гребень. Там будут сверкать миллиарды звезд. Все небо окажется залито странным мерцающим светом, всюду раскинутся звездные мосты, звездные арки. Конгломерат созвездий юных, старых, растерзанных станет залогом рождения новой описательной астрономии, заново изучающей звездное небо над головой (жители какой планетной системы этим займутся?).

…Туманность Андромеды громадным сводом нависает над нашей космической родиной. Кажется, что в любой момент она готова упасть на нас. Срединная часть туманности светится так ярко, словно здесь пылают тысячи солнц, проглоченных ей когда-то. Струи раскаленного газа летят во все стороны. Одна из них тянется прямо к Земле, словно мечтая ее схватить.

Под этим постоянно падающим на нас сводом лежит Млечный Путь – плоский, линзовидный диск, сложенный из миллиардов ослепительно белых звезд. Новые светила вспыхивают, старые гаснут, успевая выжечь перед кончиной все планеты окрест. Потоки смертоносных гамма-лучей рассекают космическую даль. Идет обычная жизнь.

Но черная дыра, зияющая посреди нашей Галактики, грозит всему, что ее окружает. Но огромная туманность Андромеды уже мчится на нас. Млечный Путь обречен. Его финальный акт приготавливается. Пройдет пара миллиардов лет, и все сообщество звезд, расположенное в этой части космического пространства, всколыхнет очередная катастрофа. Хаос вернется. Всполохи вновь рождающихся звезд ярко осветят опустевшую, раскаленную Землю. Чья-то гибель всегда означает чье-то рождение. Кто знает, возможно, жизнь уцелеет и в этой катастрофе, приняв новое обличье, перебравшись туда, где ей ничто не будет угрожать.