Текст книги "100 великих тайн Вселенной"

Какое оно, межзвездное вещество?

Если рассматривать Вселенную в мощные телескопы, то можно подумать, что все пространство между скоплениями звезд и туманностей – это сплошная пустота. На самом же деле все далеко не так, как может показаться. В межзвездном пространстве вещество все-таки имеется.

И доказал это в начале прошлого века швейцарский астроном Роберт Трюмплер, открывший ослабление светового потока от звезд к Земле. При этом, как выяснилось позже, свет по пути к земному наблюдателю от голубых звезд теряется интенсивнее, чем от красных.

Швейцарский астроном Роберт Трюмплер, открывший ослабление светового потока от звезд к Земле

Дальнейшее изучение межзвездного вещества показало, что в пространстве оно распределено в виде рваной ткани, то есть имеет клочковатую структуру, и собрано в эти сгустки поблизости от Млечного Пути.

Состоит межзвездное вещество из микроскопических пылинок, физические свойства которых к настоящему времени довольно хорошо изучены.

Кроме мельчайших пылинок, в межзвездном пространстве находится огромное количество невидимого холодного газа. Как показывают расчеты, его масса почти в сотню раз больше массы пылинок.

Как же астрономы установили, что в межзвездном пространстве присутствует этот газ? Помогли в этом атомы водорода, излучающие радиоволны длиной 21 сантиметр. А радиотелескопы это излучение зафиксировали. В результате были открыты огромной протяженности облака атомарного водорода.

Что же они собой представляют? Во-первых, они очень холодные: их температура около 200 градусов Цельсия. Во-вторых, у них удивительно малая плотность: несколько десятков атомов в кубическом сантиметре пространства. По сути, для жителя Земли – это глубокий вакуум. Размеры этих облаков – от 10 до 100 парсек (пк), в то же время среднее расстояние между звездами равняется 1 парсеку. А 1 парсек равен 206265 а. е., или 3263 световым годам.

В ходе последующих исследований водородных облаков были открыты области молекулярного водорода, которые холоднее и в сотни и тысячи раз плотнее облаков, состоящих из атомарного водорода. А потому они практически непрозрачны для видимого света. И хотя по размерам они такие же, как и атомарные облака, но именно в них сконцентрирована основная масса холодного межзвездного газа и пыли. И достигать она может сотен тысяч и даже миллионов масс Солнца.

Кроме молекул водорода, в этих облаках в незначительных количествах присутствуют и более сложные молекулярные соединения, в том числе и простые органические вещества.

Доказано, что определенные области межзвездного вещества имеют очень высокую температуру и поэтому излучают как ультрафиолетовые, так и рентгеновские лучи.

Именно рентгеновское излучение характерно для самого горячего так называемого коронального газа. Его температура достигает миллиона градусов. Плотность же коронального газа невероятно низкая: приблизительно один атом вещества на кубический дециметр пространства.

Появляется же этот газ при мощных взрывах сверхновых звезд. В ходе этого процесса в космическом пространстве рождается ударная волна огромной силы, которая и нагревает газ до температуры, при которой он «светится» рентгеновским излучением.

Следует отметить, что разряженные облака имеют также незначительные по мощности магнитные поля, которые перемещаются вместе с ними. И хотя эти поля примерно в 100 тысяч раз слабее магнитного поля Земли, тем не менее благодаря им происходит образование наиболее плотных и холодных облаков газа, из которых формируются звезды.

Помимо простых и сложных молекул, в межзвездном пространстве находится и огромное количество мельчайших пылинок, имеющих размеры всего около одной стотысячной доли сантиметра.

Плотность пылинок в межзвездном пространстве очень и очень мала. Насколько незначительна эта цифра, говорит следующее сравнение: если в окрестностях Солнца в одном кубическом сантиметре пространства находится в среднем один атом газа, то одна пылинка приходится на сто миллиардов атомов! И отделены эти микроскопические частицы друг от друга расстоянием в несколько десятков метров.

Относительная масса пыли в межзвездном пространстве Галактики тоже незначительна и составляет всего один процент от массы газа и одну десятитысячную долю массы Галактики. Однако и этой пыли хватает, чтобы значительно ослабить свет.

Межзвездные пылинки, как показали исследования, не просто однородная масса: в их составе были обнаружены соединения углерода, кремния, замерзшие газы, водяной лед, а также простейшие органические молекулы.

В целом же в ходе многочисленных сравнительных наблюдений было установлено, что межзвездная пыль представлена двумя видами частиц: углеродными и силикатными, то есть содержащими соединения кремния.

Как же ученые изучают космическую пыль? В этом им помогает поляризация света. От каждой звезды в космическое пространство обычно распространяются волны во всех направлениях. И когда на пути светового потока появляется сферическая пылинка, все волны она поглощает одинаково.

Когда же пылинка имеет удлиненную форму, то есть вытянута вдоль оси, то волны, параллельные этой оси, поглощаются сильнее, чем падающие на поверхность пылинки перпендикулярно. Иначе говоря, излучение становится поляризованным. И как раз-то степень поляризации света, исходящего от звезд, и дает информацию о размерах и форме пылинок.

Размеры же пылинок варьируют в довольно широких пределах: от одной миллионной до одной десятитысячной доли сантиметра. Но все-таки в общей массе преобладают мелкие пылинки.

Оба типа пылинок, то есть графитовые и силикатные, формируются в наружных оболочках старых холодных звезд.

Когда звезда стареет, она постепенно теряет и вес. А газообразное вещество, покидающее звезду, с расстоянием остывает. И когда его температура становится меньше температуры плавления вещества, составляющего пылинку, молекулы газа начинают «объединяться» в миниатюрные «комки», образуя зародыши пылинок.

В первое время жизни частичка увеличивается в размерах очень медленно. Но когда температура начинает падать, рост пылинки ускоряется. Длится этот процесс ее «развития» несколько десятилетий. А когда газ достигает высокой степени разрежения, рост частичек прекращается.

Часто пылинки вкупе с газом концентрируются в облака, плотность вещества в которых иногда в миллионы раз выше окружающего пространства.

«Юная» пылинка имеет сравнительно простое строение. В связи с тем, что окружающее пылинку пространство особым разнообразием не отличается, ее химический состав и строение тоже относительно примитивны.

Так, химия микроскопической частички напрямую определяется тем элементом, который превалировал в оболочке звезды, то есть кислородом или углеродом. Связано это с тем, что в процессе охлаждения вещества, «покинувшего» звезду, углерод и кислород соединяются в прочные молекулы окиси углерода.

Так вот, когда после этого остаются излишки углерода, формируются графитовые частицы. И наоборот, если весь углерод окажется в окиси углерода, то избыточный кислород соединится с кремнием, и в результате появятся силикатные пылинки. Это, можно сказать, моногамные частицы, то есть состоящие из однородного вещества, которые формируются в очень разреженном пространстве.

Но когда плотность межзвездного газа достигает тысяч атомов на кубический сантиметр, пылинки ведут себя уже совсем по-другому: на их поверхности появляется оболочка из легкоплавких соединений, которые представлены чаще всего замерзшей водой, формальдегидом и аммиаком. То есть иначе говоря, пылинка «одевается» в ледяную корку.

Но поскольку этот «лед» сам по себе довольно хрупок, то при внешнем излучении и взаимных соударениях пылинок он преобразуется в более устойчивые органические соединения, образующие вокруг частицы особую пленку.

И третий тип пылинок появляется в настолько плотных молекулярных облаках, что звездное излучение туда уже не может проникнуть. А раз так, то и лед на поверхности пылинок не разрушается. В этом случае они состоят из трех слоев: ядра, слоя из органических соединений и ледяной корки.

Существует гипотеза, согласно которой такие частички, сконденсировавшись в громадные комья, формируют ядра комет-реликтов, которые образовались еще тогда, когда Солнечная система представляла собой плотное непрозрачное облако…

Круговорот вещества во Вселенной

Итак, нам уже известно, что в разных областях межзвездного пространства плотность газа и пыли очень неравномерна. В некоторых же местах эти вещества скапливаются в более концентрированные структуры, образуя гигантские облака и сверхоблака.

Однако межзвездный газ – это не просто разреженное вещество, представленное атомным и молекулярным водородом, а материал, из которого формируются новые звезды. А происходит этот процесс следующим образом. Сначала в некоторых зонах газового облака в результате сил гравитации появляются плотные сгустки вещества – зародыши новых звезд.

Образовавшийся «комок» продолжает сжиматься. И длится этот процесс до тех пор, пока в центре этого сгустка температура и плотность не поднимутся до той критической отметки, после которой начинаются термоядерные реакции, в ходе которых водород превращается в гелий. Как только эти процессы пойдут, сгусток газа становится звездой.

Кроме газа, активную роль в образовании звезд играет и межзвездная пыль. Именно благодаря ей газ быстрее остывает. Связано это, во-первых, с тем, что пыль поглощает выделяющуюся во время сжатия облака энергию; во-вторых, эту энергию она перераспределяет по другим диапазонам спектра, тем самым влияя на энергетический обмен между звездой и окружающим пространством. И от того, каковы свойства пыли, а также какое ее количество в протозвездном облаке, зависит, сколько звезд в нем появится, а также каковой будет их масса.

Раскаленное облако межзвездного газа, похожее на пламя огня от костра и названное «Хаббл-V»

Когда в той или иной области молекулярного облака появились звезды, то они уже начинают оказывать существенное влияние на окружающий их газ. Это влияние проявляется в том, что начинают также уплотняться и соседние газовые облака, что приводит к формированию в них новых звезд.

То есть звездообразование в молекулярных облаках подобно цепной реакции: оно сначала «вспыхивает» в одной области облака, а затем постепенно охватывает другие его участки, а также примыкающие облака. В ходе этого процесса межзвездный газ превращается в звезды.

В конце концов наступает такой момент, когда весь водород в центре звезды превращается в гелий. А это значит, что и ядерные реакции горения водорода тоже затухают. После этого центральная часть звезды начинает уплотняться, а ее наружные области – расширяться.

В дальнейшем своем эволюционном развитии звезда сбрасывает свою наружную оболочку или же взрывается, в результате чего газ, из которого она была сформирована, снова возвращается в межзвездное пространство.

Разлетающееся вещество оболочки подхватывает межзвездный газ, одновременно поднимая его температуру до многих сотен тысяч градусов. Когда же он, удалившись на огромное расстояние от звезды, начинает охлаждаться, то образует волокнистые туманности, скорость расширения которых достигает сотен километров в секунду.

Пройдет еще несколько сотен тысяч лет, когда остатки этого вещества начнут терять скорость и в конце концов рассеются в межзвездной среде. Правда, при этом не исключено, что через какое-то время «фрагменты» этого газа могут снова войти в состав какой-либо новой звезды.

Конечно, звезды появлялись и гибли в Галактике на протяжении всего времени ее существования, то есть многих миллиардов лет. И поэтому практически весь тот газ, который в настоящее время присутствует в межзвездном пространстве, уже не раз прошел через ядерное горнило.

Следует иметь в виду, что в первоначальном, или архаичном, газе пыль отсутствовала, то есть он был младенчески чист. Появилась же она в ходе старения красных гигантов – массивных звезд, у которых температура наружной оболочки всего 2—4 тысячи градусов.

При столь низкой температуре в атмосфере звезды и возникают пылевидные частицы. Под воздействием излучения звезды они выдуваются в межзвездное пространство, где затем смешиваются с межзвездным газом.

Так происходит круговорот газа и пыли в пределах одной галактики…

А вот этот удивительный и даже невероятный факт установил американский астроном Лоренс Рудник. Как удалось выяснить ученому, в космическом пространстве протяженностью порядка 100 миллионов световых лет отсутствуют не только галактики, отдельные звезды и «черные дыры», но также и «темная материя».

Хотя следует отметить, что это не единственный случай, когда астрономы во время наблюдений Вселенной натыкались на пустынные космические пространства. Но, в отличие от остальных случаев, обнаруженная «вселенская пустошь» по масштабу в 1000 раз превышает ту, которую предполагалось обнаружить.

А еще раньше исследователи из Национальной астрофизической лаборатории с помощью радиолокации космического пространства обнаружили в одном участке на 45 % вещества меньше, чем обычно.

Еще один ученый, Брент Тулли из университета Гавайских островов, тоже обнаружил пустоту, которая находится всего лишь в двух миллионах световых лет от Земли.

По мнению Тулли, пустоты в космосе появляются тогда, когда гигантские объекты благодаря своей гравитационной мощи притягивают материю из тех областей космического пространства, где она имеет меньшую плотность.

Глава 3. Разноцветье галактик

Парадоксы Млечного Пути

Эта удивительная небесная река, сияющая чуть бледноватым светом и протянувшаяся по огромной территории небосвода, всегда завораживала людей, которые в ясные ночи отрывали глаза от земли и вглядывались в безбрежные просторы космоса.

Древний человек по-разному именовал этот таинственный светящийся пояс. Одни народы его называли Дорогой Богов, другие – Звездным Мостом, ведущим в райские кущи, третьи – волшебной Небесной Рекой, наполненной божественным молоком, дарующим бессмертие. По этой причине ему поклонялись, в его честь возводили храмы и другие культовые сооружения.

Жители же античной Греции назвали Млечный Путь «Galaxias kyklos», что в переводе с греческого означает «молочный круг». Кстати, от греческого названия Млечного Пути и происходит хорошо знакомое нам слово «галактика».

Глядя на почти однородную и бескрайнюю арку Млечного Пути и разбросанные поодиночке звезды, сразу возникает несколько вопросов. Например: что же представляет собой Млечный Путь? Почему он светится, да к тому же светится неоднородно? Почему сначала льется по одному широкому руслу, а потом вдруг разделяется на два рукава?

Эти вопросы появились у людей науки уже более двух тысяч лет назад. Так, пытаясь разгадать тайну Млечного Пути, великий древнегреческий Платон называл его швом, который соединяет в одно целое небесные полушария. Два других античных философа – Демокрит и Анаксагор – считали, что его освещают звезды, а Аристотель в свою очередь утверждал, что его свечение связано со светящимися парами, исходящими от Луны.

Очень оригинальное и смелое предположение выдвинул римский поэт Марк Манилий: он высказал мысль, что Млечный Путь – это сияние множества маленьких звезд. И, как выяснилось позднее, поэт был очень близок к истине…

Млечный Путь. Фото НАСА

Прошли многие столетия, прежде чем Млечный Путь наконец-то, стал приоткрывать астрономам свои первые тайны.

И случилось это, можно сказать, впервые в 1610 году. Именно тогда, более четырех столетий назад, великий Галилео Галилей, направив на Млечный Путь свой первый телескоп, увидел в нем «необъятное скопище звезд», которые для невооруженного взора казались сплошной белесой лентой.

Глядя на эту удивительную реку света, Галилей понял, что сетчатая и даже клочковатая структура Млечного Пути связана с тем, что он состоит из великого множества звездных скоплений и темных облаков. Именно их комбинация и создает ту неповторимую картину Млечного Пути, которая видится земному наблюдателю.

Но вот почему звезды собраны в длинную и узкую ленту, ответить в то далекое время никто не мог.

В следующем столетии исследованию Млечного Пути немало времени посвятил выдающийся английский астроном Вильям Гершель. И хотя он был музыкантом и композитором, тем не менее в астрономии сделал столько открытий, которых бы с лихвой хватило на добрую дюжину ученых мужей.

Что же касается Млечного Пути, то Гершель, опираясь на свои наблюдения, сделал вывод, что это своего рода звездный остров во Вселенной, в котором находится и наше Солнце.

Эту свою гипотезу астроном даже изобразил в виде схематического рисунка, из которого следует, что наша звездная система представляет собой вытянутую структуру неправильной формы, похожую на огромный жернов. А так как этот жернов обхватывает наш мир по всей окружности, то, следовательно, внутри этого звездного кольца находится Солнце, расположенное ближе к его центральной области.

Именно эта картина, изображенная Гершелем на рисунке, властвовала в умах ученых практически до середины прошлого столетия.

Разрушил это устоявшееся представление американский астрофизик Харлоу Шепли, занимавшийся изучением шаровых звездных скоплений. Исследователь установил, что они всегда находятся вблизи галактических ядер. Далее Шепли предположил, что если процессы и явления во Вселенной подчиняются единым законам, то они действуют и в нашей Галактике. Приняв эти положения за отправные точки, ученый отыскал в ее шаровых скоплениях цефеиды и определил расстояние до них. И, вопреки теории Гершеля, Солнце оказалось расположенным отнюдь не в центре Млечного Пути, а на его периферии, в своего рода звездной провинции, на расстоянии в 25 тысяч световых лет от его центральной области.

Дальнейшее изучение Млечного Пути принесло много любопытных фактов. Так, выяснилось, что он, как и другие звездные скопления, имеет ядро, из которого вытягиваются спиралевидные ветви.

Именно они для нас и видны в виде светлой полосы Млечного Пути, только, правда, видим мы все это изнутри. Но поскольку эти разветвления проецируются одно на другое, разобраться, сколько их и как они устроены, практически невозможно.

Любопытную загадку задало и сияние в нашей Галактике, увидеть которое в ней невозможно. А ведь ядра других галактических систем сияют, причем довольно ярко. В связи с этим появилось дерзкое предположение, что у нашей Галактики нет ядра.

Но и этот парадокс Млечного Пути удалось разгадать. А помогло астрономам это сделать одно наблюдение: они заметили, что в спиральных туманностях, к которым относится и Млечный Путь, отчетливо заметна темная прослойка. Оказалось, что это – скопление межзвездных газа и пыли.

А поскольку наша Солнечная система находится именно в той области Галактики, в которой огромные темные облака закрывают ее центр, поэтому земной наблюдатель и не видит ядра Млечного Пути.

Эти открытия позволили ответить еще на один любопытный вопрос: какие силы заставляют Млечный Путь разделяться на два рукава? Оказалось, что ими являются те же гигантские облака пыли, которые не позволяют увидеть ядро Галактики. На самом же деле за стеной из пыли сверкают миллиарды звезд, и если бы это облако отсутствовало, жители Земли смогли бы наблюдать сияющий эллипсоид бесчисленных звезд ядра Галактики, который занимал бы на небосводе площадь, равную сотне лун.

И все же о строении спиральных ветвей Млечного Пути ученые знают мало. Особенно в сравнении с теми сведениями, которые им известны о других объектах мироздания.

На сегодняшний день известно, что наша Галактика – это гигантская звездная система дисковидной формы, включающая сотни миллиардов звезд. Все звезды, которые сияют над нами в ясную ночь, находятся в пределах нашей Галактики. И если бы мы смогли взглянуть на Млечный Путь со стороны, мы увидели бы летящий в пространстве звездный город в виде тарелки поперечником в 100 тысяч световых лет. В ее центре мы заметили бы утолщение диаметром 20 тысяч световых лет, от которого в пространство уходят исполинские спиральные ветви.

Впрочем, следует сказать, что форма нашей Галактики не совсем дисковидная. И обусловлено это тем, что она окружена облаком разреженного вещества, радиус которого примерно 150 тысяч световых лет.

В то же время именно благодаря наличию в плоскости Галактики огромного количества пыли и газа там и рождается звездная «молодь». Происходит это за счет конденсации этого вещества. Затем со временем юные звезды «раздувают» эти облака и становятся видимыми.