Текст книги "100 великих тайн Вселенной"

Галактический центр

А теперь подошла очередь обратить более пристальное внимание на центр нашей Галактики, который представляет собой участок пространства радиусом около 1000 парсеков. Заострить же внимание на галактическом центре нас заставляют те его свойства, которые отсутствуют в других областях Млечного Пути.

Главной же особенностью галактического центра является тот факт, что в нем и по сей день происходят процессы образования звезд, а также находится ядро, которое когда-то положило начало конденсации нашей звездной системы. Это, если говорить языком биологии, стволовая клетка Галактики и одновременно «космическая лаборатория».

Звездное скопление в созвездии Стрельца

Координаты же этого центра таковы: он расположен в 10 килопарсеках от Солнечной системы, в направлении созвездия Стрельца. Выше уже говорилось, что в галактическом пространстве находится огромное количество межзвездной пыли, и поэтому световой поток, исходящий из центра Млечного Пути, ослабляется на 30 звездных величин, или в триллион раз. По этой причине его невозможно увидеть с помощью оптических телескопов. Зато его можно наблюдать в радиодиапазоне, а также в инфракрасных, рентгеновских и гамма лучах.

Из наиболее характерных особенностей галактического центра можно назвать несколько. Так, в нем находится гигантское скопление звезд, которые сконцентрированы в структуру, близкую по форме к эллипсоиду вращения, соотношение полуосей которого равняется приблизительно 0,4.

Звезды на расстоянии от центра по своим орбитам движутся с огромными скоростями – около 270 километров в секунду. Период же их обращения равняется приблизительно 24 миллионам лет.

На основании этих данных можно рассчитать, что масса центрального звездного скопления – около 10 миллиардов масс Солнца.

Значительно меняется и концентрация звезд в ядре: от периферии к центру она резко увеличивается. Так, на расстоянии в один килопарсек она равняется всего нескольким солнечным массам в кубическом парсеке; зато в центре – более 300 тысячам солнечных масс в таком же объеме. Для наглядности: в окрестностях Солнца эта величина не более 0,07 солнечных масс.

От центра Млечного Пути ответвляются спиралевидные газовые рукава, растягивающиеся в длину до 3—4,5 тысячи парсеков. Они одновременно вращаются вокруг галактического центра и разбегаются в стороны со скоростью порядка 50 километров в секунду.

Кроме того, в этом скоплении звезд было выявлено присутствие газового диска. Его радиус достигает 700 парсек и масса – приблизительно 100 миллионов масс Солнца. Внутри этого диска находится своеобразный инкубатор, в котором формируются звезды.

Почти что рядом с центром расположено кольцо, состоящее из молекулярного водорода. Его масса – около 100 тысяч масс Солнца, а радиус – приблизительно 150 парсек. Это кольцо одновременно и вращается, и расширяется. Скорость его вращения – 50 километров в секунду, а скорость расширения – 140 километров в секунду.

Плотность газа в кольце, как и плотность звезд, распределена настолько неравномерно, что в некоторых местах находятся огромные газопылевые облака. Самое крупное из них – это комплекс Стрелец B2, который находится на расстоянии в 120 парсек от центра: его диаметр около 30 парсек, а масса – приблизительно 3 миллиона масс Солнца. Стрелец В2 является самой большой в Галактике областью образования звезд. В этом комплексе присутствуют все формы молекулярных соединений, которые можно обнаружить в космическом пространстве.

И совсем уже рядом с центром расположено центральное пылевое облако, диаметр которого приблизительно 30 парсек. В нем постоянно фиксируются вспышки излучения неизвестной природы. Тем не менее их наличие свидетельствует о том, что в облаке происходят активные процессы.

И можно сказать, что уже в самом центре находится, по меркам других структур Млечного Пути очень небольшой и компактный источник нетеплового излучения Стрелец A: его радиус всего 0,0001 парсека, зато температура – как минимум 10 миллионов градусов.

Для этого источника характерно синхротронное излучение. К тому же оно иногда очень быстро меняется. Это единственное место в Галактике с таким источником излучения. Но в то же время такие источники обнаружены в ядрах других галактик.

Исходя из всех этих фактов, можно допустить, что ядра галактик являются центрами их конденсации и местом начального формирования звезд. И скорее всего именно там доживают свой век самые старые звезды. А в самом центре ядра Галактики, вероятно, находится сверхмассивная черная дыра массой около 3,7 миллиона масс Солнца.

Наши удивительные соседи

До середины 90-х годов прошлого века астрономы были уверены, что ближайшим соседом Млечного Пути является Большое Магелланово Облако – карликовая галактика, расположенная в 50 килопарсеках от нашей Галактики. Это почти в два раза больше диаметра нашей Галактики. Что же касается массы и размеров, то Млечный Путь почти в 300 раз массивнее и в 20 раз крупнее нашей соседки.

Однако в 1994 году были произведены более точные измерения космических расстояний. Результатом этой работы стал тот факт, что ближайшим соседом Млечного Пути оказалась карликовая галактика в созвездии Стрельца.

Но, как говорится, ничего постоянного в нашем мире нет. Как выяснилось, это касается и мира небесного. Дело в том, что совсем недавно в созвездии Большого Пса астрономы обнаружили еще более близкого соседа нашей Галактики. От него до центра Млечного Пути всего 42 тысячи световых лет.

Следует заметить, что Млечный Путь входит в так называемую Местную группу галактик, которая представляет собой сообщество гигантских звездных систем, которые гравитационно связаны между собой. Всего в нее входит около 500 галактик.

В эту дружную компанию галактик, которая в поперечнике растянулась примерно на три миллиона световых лет, кроме Млечного Пути и его спутников входит также и туманность Андромеды – ближайшая к нам гигантская галактика тоже со своими спутниками, которая и доминирует в Местной группе. И она по праву занимает главенствующее положение, поскольку в полтора раза массивнее нашей Галактики.

За всю историю наблюдений туманность Андромеды получила немало разных имен. Ее, например, сравнивали со светящимся облаком и с таинственным огоньком свечи. А один из исследователей неба даже заявлял, что в том месте, где находится туманность Андромеды, хрустальный купол небес очень тонок, и сквозь него на Землю проливается божественный свет.

Советский астроном Б.А. Воронцов-Вельяминов, занимавшийся изучением «взаимодействующих галактик»

И присвоены эти эпитеты были ей не зря. Она и впрямь представляет удивительное зрелище. Если бы человеческий глаз обладал намного большей чувствительностью к свету, то мы смогли бы увидеть на ночном небе не маленькое туманное пятнышко размером приблизительно с четверть лунного диска, а светящийся объект, в семь раз превышающий площадь полной Луны. А в современные телескопы, чувствительность которых огромна, астрономы видят туманность Андромеды такой, что ее площадь едва покрывают 70 полных лун.

Разобраться со структурой этой далекой туманности ученым удалось лишь в 20-х годах прошлого столетия. И сделал это известный американский астрофизик Эдвин Хаббл, который для наблюдения неба применил телескоп с поперечником зеркала 2,5 метра. Хабблу в ходе наблюдения за туманностью посчастливилось получить снимки, на которых красовался гигантский звездный остров, состоящий из миллиардов звезд.

Когда же астрономы стали наблюдать за отдельными звездами туманности Андромеды, то они смогли решить еще одну задачу – определить расстояние до нее. Оно оказалось громадным – 2 миллиона световых лет. Впрочем, это только одна из ближайших к нам галактик, которых, как оказалось, во Вселенной великое множество. Причем самых разных, а порой весьма удивительных по самой своей структуре.

И установили это астрономы в середине прошлого столетия, когда в их распоряжении появились мощные телескопы. Причем начиная с этого времени, они смогли выяснить как местоположение, так и форму большого количества даже очень слабых галактик. При этом, как оказалось, около 5—10 % этих космических объектов имеют довольно необычный вид, так что порой их было даже трудно классифицировать.

Некоторые же галактики нередко выглядят вообще экзотически. Например, многие из них сильно асимметричны, словно их помяли некие огромной мощи космические силы. Иногда две галактики, словно в коконе, находятся в окружении светящегося звездного тумана, а порой, будто сиамские близнецы, связаны гигантским «шнуром», состоящим из звезд или газа. А изредка галактики выбрасывают в окружающее пространство шлейфы, длина которых достигает сотен тысяч световых лет.

Некоторые из этих звездных скоплений демонстрируют довольно причудливые внутренние перемещения межзвездного газа, во многом отличающиеся от простого вращения вещества вокруг центральной оси. Но такие беспорядочные движения продолжаться длительное время не могут и после одного-двух оборотов диска должны затухать. Согласно современным представлениям они появились относительно недавно. По этой причине у исследователей возникло предположение, что это, вероятно, молодые, не до конца сформировавшиеся галактики. В то же время анализ показывает, что они не моложе других их соседей, имеющих изрядный даже по космическим меркам возраст.

О чем же говорит такая, часто встречающаяся, парная или групповая структура галактических систем? Скорее всего считают астрономы, это свидетельствует о том, что галактики не просто живут, как соседи, но и определенным образом влияют друг на друга.

Со временем с легкой руки советского астронома Б.А. Воронцова-Вельяминова они получили название взаимодействующих галактик.

Многочисленные исследования этих образований позволили астрономам сделать вывод, что большинство из них – это не случайно повстречавшиеся в мировом пространстве «бродяги», а очень близкая родня, у которой общая родословная. Перемещаясь по Вселенским просторам, они периодически приближаются или удаляются одна от другой.

При этом силы гравитации близко расположенных галактик создают мощные приливные силы, которых хватает на то, чтобы необратимо изменить их внешний вид, внутреннюю структуру или даже морфологический тип.

На механизмы и характер взаимодействия звездных систем оказывают влияние множество самых разных факторов. Например, наличие или отсутствие в галактике звездного диска, количество в ней межзвездного газа, расстояния до соседней галактики, а также направления и скорости движения.

Впоследствии галактики, образующие систему, скорее всего тесно сблизятся и в конце концов сольются в единое целое. Причем длиться этот процесс будет довольно долго: более одного миллиарда лет. Как выяснилось чуть позже, такие объединенные галактические структуры и впрямь были обнаружены.

Вполне вероятно, что на начальных этапах эволюции Вселенной, то есть многие миллиарды лет назад, слияния галактик было не таким уж и редким явлением. И скорее всего многие звездные системы к настоящему времени представляют собой группы из нескольких галактик. И впрямь, наблюдения далеких и слабых галактик с помощью телескопа «Хаббла» подтвердили эту версию: среди тех из них, свет от которых добирался в наше время миллиарды лет, оказалась большая доля искаженных, взаимодействующих систем.

При взаимодействии галактик меняется не только их структура. Взаимовлияние даже далеких галактик приводит иногда к более значительным результатам, в частности к активному образованию звезд в одной или двух этих системах.

Связано это с тем, что приливное взаимодействие галактик приводит к появлению гигантских облаков газа, которые, при возрастающих скоростях, чаще сталкиваются друг с другом. А это в свою очередь приводит к более активному рождению звезд.

Астрономы установили, что наибольшая кучность галактик наблюдается в центральных районах регулярных скоплений. В связи с высокой плотностью расстояния между ними в этих областях сравнимы с их собственными размерами, и поэтому между галактиками происходят частые столкновения.

Разумеется, столкновение галактик в понимании астрономов – это вовсе не лобовые «тараны», не кратковременные катастрофы. Расстояния между звездами столь велики, что во время столкновения двух галактик происходит своеобразный процесс диффузии, когда звезды одной из них свободно проплывают между звездами другой, причем продолжается это сотни миллионов лет. А так как при этом галактики оказывают друг на друга активное гравитационное влияние, то в результате этих воздействий звезды изменяют свои орбиты и как бы перемешиваются, словно сахар и соль в воде. Порой это приводит к тому, что галактики или разрушаются, или объединяются одна с другой.

Именно эти столкновения и слияния приводят к тому, что в центральных районах постоянных скоплений появляются гигантские эллиптические системы, которые, словно крупные морские хищники мелкую рыбешку, «заглатывают» межгалактический газ и медленно проникающие в них небольшие галактики.

Загадка космических струн

Как только появилась теория относительности Альберта Эйнштейна, физики стали пытаться объединить все физические взаимодействий в единую теорию поля. Эту же проблему в течение тридцати лет разрабатывал и сам великий физик, но разрешить ее так и не сумел.

И только в 70-е годы прошлого века американский физик С. Вайнберг и пакистанский физик-теоретик А. Салам сумели объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, предложив теорию слабых электрических взаимодействий. За эту работу в 1979 году ученым была присуждена Нобелевская премия по физике…

Эта теория преподнесла физикам много сюрпризов. Например, согласно этой теории в природе должны существовать частицы, получить которые в эксперименте практически невозможно.

Причем среди этих «экзотических» частиц есть такие, которых и частицами трудно назвать. Действительно, разве подходит под привычное определение «частица» объект, поперечный размер которого около 10-37сантиметров: а ведь диаметр атомного ядра равняется 10-13 сантиметрам. Но при этом длина такой удивительной «частицы» не меньше диаметра нашей Вселенной: 40 миллиардов световых лет, или 10²⁸ сантиметров.

Советский академик Я.Б. Зельдович предсказал возможность существования «космических струн»

Возможность существования таких частиц предсказал советский ученый академик Я.Б. Зельдович. Он же назвал их космическими струнами, так как они и впрямь должны быть похожими на гитарные струны огромной протяженности…

Больше 30 лет назад, точнее в 1979 году, астрофизики, анализируя радиоисточник в созвездии Большой Медведицы, посчитали, что эти «сигналы» исходят из двух небольших звездочек. Когда были расшифрованы их оптические спектры, астрономы пришли к выводу, что в каталог можно заносить еще парочку новых квазаров (о квазарах смотрите ниже). Казалось бы, ничего особенного в этом нет: вместо одного квазара нашли два. И тем не менее эти «двойняшки» ученых заинтересовали больше обычного.

Во-первых, тем, что угловое расстояние между звездами было сравнительно очень малым: всего шесть угловых секунд. И хотя к тому времени в каталоге было зафиксировано больше тысячи квазаров, но пар, находившихся на столь близком друг от друга расстоянии, астрономы до этого не встречали.

Во-вторых, и это самое главное, спектры у обоих источников были практически идентичными. Почему же ученые удивились этому совпадению? А все дело в том, что спектр каждого квазара так же уникален, как и отпечатки пальцев у человека. Причем спектры совпадали до малейших деталей, словно являлись зеркальными отражениями друг друга.

Пытаясь разобраться в этом непонятном явлении, астрофизики выдвинули несколько гипотез для объяснения странного феномена. Одни из них посчитали, что это – пара разных, не связанных между собой квазаров. Другие предположили, что на самом деле квазар один, а его «двойник» – просто-напросто «космический мираж».

По мнению ученых, это явление во вселенских масштабах возникает в силу следующих обстоятельств. Вокруг массивных космических объектов существует сильное гравитационное поле, способное изгибать лучи света, которые идут от звезд. И если поле разнородно, то и лучи будут изгибаться под разными углами. И тогда земной наблюдатель вместо одного изображения увидит несколько. При этом чем искривление луча большее, тем мощнее космическое тело.

Объяснение было простым и вроде бы убедительным, но тем не менее оно нуждалось в обосновании. И вскоре гипотеза нашла практическое подтверждение. В том же году была обнаружена эллиптическая галактика, которая и вызывала двойное изображение квазара. Астрономы такие объекты называют гравитационными линзами. Однако сейчас отметим, что вскоре было обнаружено еще четыре подобных объекта.

Прошло еще несколько лет, и астроном из Принстона Э. Тернер тоже обнаружил два космических объекта, спектры которых были так же похожи друг на друга, как и в открытых до этого двойных системах. Таким образом, Тернер открыл шестую по счету линзу. Ничего особенного в этом вроде бы не было.

И все же это была если и не сенсация, то по крайней мере первый к ней шаг. Ведь у этих «близнецов» угол между двойными лучами составлял 157 секунд, то есть в несколько десятков раз больший, чем у других «двойников». Но столь гигантское отклонение могла создать лишь гравитационная линза с колоссальной массой: в тысячу раз большей, чем у тех, которые были известны астрономам. А это уже была сенсация!

«Линза» Тернера, безусловно, одно из выдающихся открытий второй половины нашего века. По важности для астрономической науки его можно без натяжек сравнить с обнаружением пульсаров, квазаров, установлением сетчатой структуры Вселенной.

Правда, следует заметить, что «линза» лишь вычислена, но не обнаружена. То есть она существует тоже лишь на кончике пера. И пока не появятся достоверные факты, подтверждающие ее существование, можно выдвигать самые разные гипотезы, объясняющие ее структуру, происхождение и т.д.

Так, вначале астрофизики выдвинули версию, что необычный объект представляет собой скопление галактик. А Тернер, например, предположил, что линзой может оказаться гигантская «черная дыра», которая в тысячу раз крупнее Млечного Пути. Но, с другой стороны, коль такая дыра имеет место быть, то двойное изображение должно возникать и у других квазаров. Однако ничего подобного астрофизики пока не обнаружили.

И тут-то астрономы вспомнили о давней гипотезе космических струн. Даже постичь их суть довольно сложно, а представить наглядно – вообще невозможно: струны можно только описать, причем с помощью очень сложного математического аппарата.

О них можно сказать только следующее: эти «экзотические» одномерные структуры не излучают света; они обладают невероятной плотностью – один метр такой «нити» весит больше, чем Солнце. Но если они обладают столь непостижимой массой, то и создаваемое ими гравитационное поле, пусть даже и вытянутое в тонкую нить, должно значительно отклонять световые лучи. Но, как известно, линзы уже сфотографированы, а космические струны пока существуют только в уравнениях математиков.

Согласно расчетам, возникшая сразу после Большого взрыва космическая струна должна быть «замкнута» на границе Вселенной. Но граница эта так далека, что середина струны ее «не чувствует» и ведет себя, как кусок упругой проволоки в свободном полете или как леска в бурном потоке.

Струны изгибаются, перехлестываются и рвутся. Оборванные концы струн тут же соединяются, образуя замкнутые куски. И сами струны, и отдельные их фрагменты летят сквозь Вселенную со скоростью, близкой к скорости света.

Струны и параллельные миры

Среди космических струн особо интересны кольцевые струны. Они нестабильны и в определенное время, которое зависит от их размера и формы, распадаются. После разрушения кольца часть его энергии теряется и уносится вместе с потоком частиц. После этого кольцо уменьшается в размерах, сжимается, и, когда его диаметр сокращается до размера элементарной частицы, струна внезапно, за невероятно короткое время, равное 10^-23 секундам, взрывается, выделяя такое количество энергии, которое эквивалентно 10 миллионам тонн тротила.

Эффекты, связанные с кольцевыми струнами, создали дополнительную теоретическую базу для гипотезы о параллельных мирах, или зеркальных мирах. В соответствии с этой гипотезой каждый вид элементарных частиц имеет зеркального партнера: обычный электрон – зеркального, причем тоже отрицательно заряженного электрона; протон – своего зеркального партнера со знаком «плюс», фотон – зеркального фотона и так далее.

Эти два сорта вещества никак не связаны: например, в нашем мире зеркальные фотоны не видны. Однако гравитация в обоих мирах одна и та же, иначе говоря, масса в «зазеркалье» искривляет пространство так же, как и масса в нашем мире.

Эти выводы можно экстраполировать и на космические тела. То есть во Вселенной могут находиться структуры типа двойных звезд, в которых одна звезда принадлежит нашему миру, а другая – миру зазеркалья, и поэтому она для нас невидима.

А ведь такие пары звезд и впрямь наблюдаются, и невидимый компонент этого «диполя», который не излучает свет, обычно называют «черной дырой» или нейтронной звездой. Но ведь этот невидимый объект вполне может быть звездой из зеркального вещества.

И вот тут мы подходим к самому интересному: если эта теория в какой-то степени верна, то кольцевые струны являются коридором, который связывает один мир с другим. Иначе говоря, перемещение сквозь кольцо равносильно повороту частиц на 180 градусов, то есть их зеркальному отражению.

Невидимый компонент «диполя», который не излучает свет, обычно называют «черной дырой» или нейтронной звездой

Условно говоря, если наблюдатель пройдет через кольцо, то он поменяет свою зеркальность и попадет в другой мир, исчезнув одновременно из нашего. Но тот, иной, мир вовсе не будет обычным зеркальным отражением нашей Вселенной. Это будет совсем иной мир, со своими звездами и галактиками и скорее всего с другими формами жизни.

Если же путешественник пожелает вернуться в наш мир, ему достаточно будет пролететь сквозь это же (или любое другое) кольцо обратно.