Галактики. Большой путеводитель по Вселенной

Глава 1 Города вдали

Представьте, что вы стоите на высоком холме на окраине большого города. Вокруг вас разбросаны отдельные дома, местами объединяющиеся в тихие деревушки. Глядя на город, расстилающийся впереди, вы видите огромный сверкающий лабиринт улиц, парков и высотных зданий – плотная агломерация расползается во все стороны, а в ее центре – скопление сверкающих небоскребов. Но самое поразительное в этом мегаполисе – его безмолвие: на улицах ни души, не слышно полицейских сирен и даже неразличимого городского гула. Кажется, будто город охвачен цепенящим сном. И все же он лежит почти у ваших ног и терпеливо ждет, когда его исследуют. Но прямо сейчас вы одни в далеком пригороде и можете лишь наблюдать и изумляться сложности и богатству вида, расстилающегося перед вами.

Повернувшись к нему спиной, вы увидите бескрайнее открытое пространство, которое простирается до самого горизонта. Если отбросить редкие деревеньки и городки, примыкающие к окраине, мегаполис кажется одиноким путником в пустыне. Но далекие просторы зачаровывают ваш взгляд. Вы щуритесь и различаете вдали несколько слабых отсветов. Куда ни падает взгляд, вы видите все больше и больше таких огоньков, и наконец понимаете, что этот город не одинок, а мир – гораздо больше, чем вам казалось, и в нем могут быть и другие города, похожие на ваш.

То же относится и к галактикам, которым посвящена эта книга: здесь рассказывается о том, что мы знаем о них, а что все еще остается неизвестным. Для Галактики, в которой мы живем, Земля, Солнце и Солнечная система – лишь мельчайшие компоненты, но Вселенная полна и других галактик разных форм и размеров. По самым точным подсчетам, во Вселенной от 200 млрд до 500 млрд галактик. Как мы увидим далее, многие из них похожи на нашу, а другие отличаются – и довольно сильно. Задача внегалактической астрономии – понять, как они появились.

Пожалуй, самое потрясающее в галактиках – не они сами, а то невероятное расстояние, которое их разделяет. Лишь недавно люди смогли установить, что галактики представляют собой автономные объекты, изолированные безбрежными пучинами космоса. С этого открытия началось стремительное развитие наших представлений об их сущности, формировании и эволюции. Теперь мы можем проводить необычайные эксперименты и измерения и, что еще важнее, интерпретировать полученные результаты. Мы можем находить пульсирующие флуктуации реликтового излучения Большого взрыва, с которых началось формирование галактик. Мы можем наблюдать гибель звезд, взрывающихся в далеких галактиках, и отслеживать их тускнеющее сияние, чтобы получить данные как о процессе формирования галактик, так и об общей эволюции и судьбе Вселенной. А сегодня мы уже работаем над экспериментами, цель которых – обнаружить следы момента, когда началось образование первых звезд в первых галактиках. Далее в книге мы рассмотрим некоторые из этих тем.

Многие говорят, что мы живем в золотом веке изучения происхождения, эволюции и гибели галактик. Но следует помнить: как вид мы только-только начали действительно осознавать, что за пределами звездного скопления, которое мы называем Млечным Путем, существуют и другие звездные системы. Что звезды, которые мы видим на ночном небе, находятся от Земли почти так же невообразимо далеко, как и остальные галактики от Млечного Пути. Эта концепция Вселенной была экспериментально подтверждена в начале XX века.

Сначала мы создали карту галактик, расположенных недалеко от нас: благодаря такой близости свет от них виден достаточно отчетливо на нашем небе. Спустя столетия астрономы, стремясь познать Вселенную и вооружившись современными технологиями, исследовали миллионы галактик: создали карты их расположения в космосе, проанализировали состав и измерили движение. Теперь мы можем фиксировать сигналы галактик, излучение которых в миллиарды раз слабее, на частотах, которые не может воспринимать человеческий глаз – единственный инструмент, доступный нашим предкам, когда люди впервые заинтересовались содержанием небес.

Но что такое галактики? Из чего они сделаны? Насколько они велики? Как они образуются? Почему существуют разные типы галактик и как они изменились со временем? Эти вопросы – краеугольный камень исследований в сфере эволюции галактик. Все это мы рассмотрим далее в книге, но многие из этих вопросов все еще ждут ответа, так же как и многие тайны космоса все еще нуждаются в разгадке. Именно предвкушение новых открытий делает эту область самой увлекательной в астрономии и, возможно, во всей науке. Я не только познакомлю вас с последними достижениями, но и подробно расскажу об азах астрономического исследования. Как оно проводится, какие инструменты мы используем и чем на самом деле заняты астрономы каждый день? Первая остановка этого космического путешествия – наш дом и город, который лежит перед нами.

Посмотрите на небо ясной темной ночью, лучше всего – в фазе молодой Луны (когда ее не видно) и вдалеке от городской засветки на небе. Глазам понадобится пара минут на адаптацию к темноте, чтобы зрачки расширились и лучше воспринимали слабый свет, исходящий из-за пределов атмосферы. Теперь изучите небосвод: вы заметите, что плотность звезд возрастает там, где небо пересекает слегка светящаяся полоска. Это плоскость нашей Галактики в форме диска, где сконцентрировано множество звезд. Первые классические астрономы назвали его Via Lactae, или «Млечный Путь». Расположение звезд над нами представляет собой организованную структуру: в случае с нашей Галактикой мы видим диск, в котором находится наша система. Эта полоска – свет миллиардов звезд, которые наш глаз не может воспринимать по отдельности, только как рассеянное свечение – чем оно ярче, тем плотнее концентрация звезд в диске. Если вы взглянете на созвездие Стрельца, то будете смотреть в самый центр Галактики, где плотность материи больше всего, – это балдж, то есть утолщение со звездным населением, расположенное в центре большого диска.

Если ваш взгляд пересечет Млечный Путь под углом в 60 градусов, вы сможете увидеть другую слабо светящуюся полоску, идущую от горизонта, где Солнце только что село или собирается вставать. Это свечение испускается орбитальной плоскостью (эклиптикой) нашей Солнечной системы. Оно называется зодиакальным светом и представляет собой отражение солнечного света от бесчисленных частиц камней и пыли, попавших в ловушку рассеянного диска Солнечной системы. Угол наклона плоскости эклиптики по отношению к звездной полоске Млечного Пути показывает, как наклонена орбитальная плоскость Солнечной системы относительно галактической. Плоскость внутри плоскости.

Наша Солнечная система находится очень далеко от балджа – примерно на второй трети расстояния от центра Галактики до ее внешнего края. Галактический диск не такой уж плоский: посмотрев в любом направлении от Земли, мы увидим, что над нами, под нами и вокруг нас немало звезд, расположенных довольно близко. Хотя они находятся на разном расстоянии от Земли, наши глаза воспринимают их как статичные объекты разной степени яркости на поверхности гигантской сферы, окружающей нашу планету. Именно такую картину долгое время изображали астрономы – «недвижимые светила» на «небесной сфере». На самом деле многие звезды сдвигаются на небольшие, но легко измеряемые расстояния, и мы называем их звездами с «собственным движением». Так происходит потому, что они быстро перемещаются в космосе: это движение можно отследить, внимательно наблюдая за ежегодной сменой их координат на небе. Обычному наблюдателю с человеческой шкалой времени звезды, как правило, кажутся абсолютно неподвижными, но если бы он прилег вздремнуть на пару миллионов лет, то, проснувшись, увидел бы совершенно другие созвездия. Галактика и ее составляющие находятся в постоянном движении.

Панорамный снимок Млечного Пути в видимом свете, на котором ясно различается галактический диск и яркий, но частично затененный межзвездной пылью балдж. Наша Галактика относится к большим спиральным галактикам с перемычкой – структурой, присоединяющей спиральные рукава к ядру

Что человеческий глаз не в силах распознать, так это трехмерную картину распределения звезд, рассеянных в космосе на разном расстоянии от Земли. Следует отметить, что большинство созвездий – это случайные, схожие с узнаваемыми образами построения звезд, удаленных от нас на разные дистанции. На планете, расположенной в другой области Млечного Пути, астроном увидит совсем иной набор созвездий.

Некоторые скопления звезд физически связаны друг с другом. Бинарные системы состоят из двух звезд, вращающихся вокруг общего центра масс. Зачастую они настолько удалены от нас, что человеческому взгляду трудно их разделить. Иногда одна звезда бинарной системы кажется ярче другой, заглушая ее блеск; пример такой двойной системы – Сириус, ярчайшая звезда ночного неба. Большую часть звезд в нашей Галактике составляют именно бинарные системы. Существуют и более крупные звездные скопления. Они появляются из-за того, что многие звезды образуются в одном месте в результате коллапса газовых облаков – настоящих звездных колыбелей галактик. Популярный пример – кластер Плеяд в созвездии Тельца, также известный как Семь Сестер. Звезды Плеяд сформировались достаточно недавно по астрономическим меркам; они отличаются повышенной яркостью и расположены довольно близко друг к другу, что позволяет увидеть это скопление невооруженным глазом.

В области Млечного Пути, называемой гало, мы также находим загадочные глобулярные кластеры, рассеянные по диску Галактики, – это очень плотные шаровые скопления из сотен тысяч звезд, которые удерживает вместе гравитация. Каждый глобулярный кластер гравитационно привязан к Млечному Пути, кружась вокруг него, как мухи над тарелкой с едой. Процесс их формирования все еще не до конца понятен, но они содержат одни из древнейших частиц Галактики, а потому являются ключом к расшифровке истории возникновения Млечного Пути и других галактик. Маленький телескоп или бинокль поможет увидеть некоторые известные глобулярные кластеры, представляющие собой одну из самых эффектных галактических достопримечательностей.

Трехмерное расположение близких к Земле звезд было нанесено на карту методом параллакса – одного из самых старых инструментов определения расстояния в астрономии. Понимание, что такое параллакс, позволит вам узнать о базовой единице измерения расстояния, которую используют профессиональные астрономы, – парсеке (пк). Позже, когда мы будем обсуждать огромные масштабы других галактик, мы еще встретимся с этим понятием. Парсек – это единица измерения, которая содержит в себе гигантское значение в метрах. Его запись обычным способом была бы слишком громоздкой, причина примерно та же, что и с поездками на машине – мы не считаем их в сантиметрах.

Омега Центавра, самый большой глобулярный кластер Млечного Пути, – это скопление 10 млн звезд в среде под названием «галактическое гало», окружающей диск Галактики. В гало находится около 200 известных глобулярных скоплений нашей Галактики, представляющих собой ее самых старых обитателей, хоть и с неясным происхождением. Омега Центавра может оказаться останками карликовой галактики, которая когда-то была поглощена Млечным Путем. В этом качестве она содержит археологические ключи к раскрытию истории формирования нашей Галактики

Закройте один глаз и сосредоточьтесь на кончике большого пальца, вытянув руку вперед. Теперь откройте глаз и закройте другой. Кажется, будто позиция пальца изменилась относительно поверхности земли. Это и есть параллакс – сдвиг видимой позиции объекта при изменении угла зрения наблюдателя. Зная расстояние между точками наблюдения (в данном случае между вашими глазами) и угол смещения видимой позиции объекта, можно определить фактическое расстояние до него, используя методы простой тригонометрии. Ваш мозг проводит такие вычисления постоянно, тем самым отчасти формируя восприятие глубины. Мы не воспринимаем глубину в звездной области так, как осознаем ее в нашем привычном окружении: звезды настолько далеки от нас, что видимые изменения их положения крайне незначительны.

Тот же опыт можно повторить и со звездами, но для вычисления астрономического параллакса нам потребуются гораздо бо́льшее расстояние между точками наблюдения и высокоточные измерения положения звезд на небе. Природа, как оказалось, снабдила нас простой техникой для выполнения этой задачи. Каждые шесть месяцев все изменяет положение на 300 млн км, когда ежегодный орбитальный путь Земли приводит ее на противоположную сторону Солнца. Фиксировать положения некоторых далеких звезд, а затем повторять эти измерения полгода спустя можно с помощью того же большого пальца, ведь расположение наших глаз относительно звезд меняется. Конечно, ждать все шесть месяцев необязательно, но именно такой срок даст наиболее длинное базовое расстояние между точками наблюдения и самые точные измерения видимого смещения, а значит, и максимально корректное для этого метода исчисление расстояния.

Глобулярный кластер 47 Тукана – один из самых знаменитых небесных объектов, которые можно увидеть невооруженным глазом в Южном полушарии. Здесь он изображен в ближнем инфракрасном диапазоне, причем на снимке хорошо видно плотный шар из миллионов звезд. Примечательно, что этот кластер на небе кажется одного размера с Луной, хотя он расположен примерно в 350 млрд раз дальше. Все эти звезды в глобулярном скоплении удерживает гравитация; они вращаются вокруг общего центра масс. Сам кластер, в свою очередь, гравитационно связан с Млечным Путем. Все массивные галактики окружены таким отрядом, в который входит от нескольких сотен до нескольких тысяч глобулярных кластеров (последние относятся к самым массивным галактикам, таким как эллиптические). Кластер 47 Тукана – любимец всех астрономов, так как содержит немало крайне интересных популяций звезд. Яркие звезды, кажущиеся желто-оранжевыми на этом снимке, – это массивные звезды, называемые красными гигантами. Они находятся на той стадии звездной эволюции, когда бо́льшая часть водорода уже выгорела и происходит горение гелия, в процессе чего звезда увеличивается до суперразмеров. Их красный цвет вызван относительно низкой температурой поверхности (низкой для звезды, конечно) – около 4000 K. Бетельгейзе – яркая звезда в созвездии Ориона и хороший пример красного сверхгиганта. Такие звезды помогают нам понять, что происходит на критической фазе звездной эволюции

Измеряя положение звезд или нанося на карту любой объект в небе, мы работаем в небесной системе координат, где координаты светил, или точек, задаются двумя угловыми величинами (или дугами), однозначно определяющими положение объектов на небесной сфере. Такой подход основывается на концепции небесной сферы – гипотетического гигантского экрана, который окружает Землю и на котором «отражаются» все отдаленные астрономические источники. Эта система широты и долготы похожа на ту, что используется на искривленной поверхности Земли, только в случае астрономии меридианы проходят по внутренней поверхности сферы и называются прямым восхождением и склонением. Как и расположение того или иного места на Земле, которое может быть указано парой широты и долготы, мы определяем положение небесных объектов прямым восхождением (α, или RA) и склонением (δ). Угловое расстояние между любыми двумя координатами в этой системе – это расстояние вдоль части круга, получаемого при сечении сферы плоскостью, проходящей через ее центр. Такой круг называется большим, а самое большое сечение из возможных составляет 180 градусов. Полная Луна, к примеру, занимает полградуса на этой сфере. Часто астрономы ставят изображение полной Луны рядом со снимками бо́льших астрономических объектов для удобного сравнения их угловых размеров.

Мы можем использовать более точные величины, нежели градусы: как и час, состоящий из 60 минут, градус может быть разделен на 60 угловых минут, а каждая угловая минута – на 60 угловых секунд. Расстояние, обозначаемое одной угловой секундой, видно примерно так же, как ширина пряди волос с 10 м. Мы можем пойти дальше и разделить расстояние на еще меньшие отрезки (в теории – на сколько угодно единиц), но на практике самое малое деление для определения положения небесных объектов ограничивается измерительными приборами и их разрешительной способностью. Собственные движения звезд часто измеряются тысячными долями угловой секунды, которые, как правило, не воспринимаются человеческим глазом без помощи аппаратуры.

Теперь давайте рассмотрим гипотетическую звезду, которая видна на нашем небесном экране. Предположим, мы уже один раз замерили ее положение, а теперь спустя шесть месяцев снова проводим измерения и сравниваем результаты. Разница в нашем физическом измерении составляет двойное расстояние от Солнца до Земли. Если видимое изменение положения звезды составляет две угловые секунды, значит, расстояние до звезды равно одной параллактической секунде, или 1 пк. Итак, параллактические измерения – это способ определения истинного расстояния до звезд. Но если видимое изменение положения звезды становится меньше по мере ее удаления, наступит момент, когда точные измерения произвести будет уже нельзя. Другими словами, параллакс работает, только когда мы измеряем расстояния довольно небольшого пространства вокруг нас.

Возможно, вы привыкли к тому, что в астрофизике расстояния измеряют световыми годами, то есть расстоянием, которое свет преодолевает в вакууме за один год. На самом деле, за некоторым исключением, внегалактические астрономы чаще используют именно парсеки: это более эмпиричный способ, так как определение построено на геометрических принципах измерений. Для сравнения: 1 пк эквивалентен расстоянию, превышающему три световых года. Ближайшая к Солнцу звезда, Проксима Центавра, находится на расстоянии 1,3 пк, а на удалении 10 пк найдется еще несколько сотен звезд. Положения и параллаксы более 2,5 млн звезд (и их собственные движения) были картографированы при помощи европейского космического телескопа Hipparcos – (акроним от англ. High Precision Parallax Collecting Satellite – Высокоточный спутник для сбора параллаксов, созвучный с именем древнегреческого астронома Гиппарха), собиравшего данные с 1989 по 1993 год. Недавно запущенный спутник «Гайя» (англ. Gaia) сейчас проводит новую топографическую съемку положений миллиардов звезд в галактике для создания наиболее точной и полной трехмерной карты нашего космического дома. Тем не менее это лишь первые наметки: «Гайя» проведет измерения только 1 % от всех звезд Млечного Пути (как будто мы слегка высунули нос за дверь нашего дома и попытались увидеть все дома по соседству), но все же «Гайя» – невероятный прорыв в этой сфере. В Галактике гораздо больше звезд, чем мы способны измерить методом параллакса, и основная их часть расположена в этой яркой полоске Млечного Пути, которую мы видим на небе.

«Сверхглубокое поле “Хаббла”» – «окно» в очень далекие регионы Вселенной. Почти каждая световая точка на этом снимке – это галактика, открытая, когда телескоп «Хаббл» снимал небольшие участки космоса (около 10 % диаметра полной Луны) с очень длинной выдержкой. Здесь можно различить детали этих относительно близких к нам, но все же очень далеких галактик, среди которых ясно выделяются спиральные и эллиптические. Однако определить формы и размеры самых дальних из них практически невозможно: на снимке это светлые и красные точки размером всего в несколько пикселей. Тем не менее обнаружение этих галактик крайне важно для науки, так как оно позволит узнать больше о том, какими были галактики в эпоху ранней юности Вселенной. Свет от самых дальних галактик, изображенных на снимке, возник, когда Вселенной было всего полмиллиарда лет. Через эту фотографию мы смотрим в прошлое

Отведя взгляд от полоски Млечного Пути, мы начнем рассматривать пространство над или под галактическим диском – область действительно глубокого космоса, за пределами Галактики. Вдали от ближайших к нам звезд, за пределами диска, простирается тихая и темная бездна, таящая в себе другие галактические миры. Их много – сотни и сотни миллиардов. Увы, пока мы не можем получить их четкое изображение: куда бы мы ни посмотрели, взгляд устремляется сквозь материю нашей Галактики, не говоря уже о сиянии Солнца, которое заполняет небеса. Заниматься внегалактической астрономией – все равно что стоять у подножия гигантского дуба в густом лесу и пытаться увидеть за ним другие деревья. Чтобы разглядеть другие галактики, мы должны смотреть на пространства, лежащие по краям от усеянного звездами галактического диска Млечного Пути. Регион космоса в области галактической плоскости так ярок и плотно набит межзвездным веществом, что практически не пропускает свет, излучаемый дальней частью Вселенной. Изучая другие галактики, мы даже не смотрим в эту область: для нас она – зона избегания.

Наша Галактика представляет собой гигантское скопление звезд, собранных в дискообразную структуру. Это сложно понять сразу, так как у нас не самая удачная наблюдательная позиция – прямо из глубин самого диска. В ночном небе мы видим лишь ближайшие к Земле звезды и упускаем полную картину – точно так же невозможно оценить и масштаб бескрайних дождевых лесов Амазонки, стоя в их центре. Лишь изучая дальние галактики, мы сможем понять, как выглядит «лес» целиком. Чтобы изучать их, мы должны больше узнать о том, из чего же, – помимо звезд, – они состоят. Млечный Путь, как ни удивительно, – самая обычная среднестатистическая галактика. Даже быстрый обзор его содержимого подготовит нас к исследованию других галактик Вселенной.

Итак, мы уже знаем, что бо́льшая часть звезд Млечного Пути рассредоточена по его диску. В центре диска находится звездный балдж, отличающийся несколько более сферической формой. Если бы Млечный Путь был яичницей, то его балдж – это желток. По причинам, которые мы исследуем позже, звезды балджа отличаются от звезд диска: в основном все они старше. На самом диске звезды распределены неравномерно: некоторые регионы населены более плотно и напоминают формой спираль. Самые молодые звезды мы находим именно в них: новые звезды образуются в спиральных рукавах галактического диска.

«Глубокое поле "Чандры" – Юг» (англ. Chandra Deep Field South) – это внегалактическое исследование одного из регионов глубокого космоса – «пустого поля», значительный вклад в которое внесло множество разных телескопов. Целью проекта был поиск для наблюдения части неба, где отсутствовали бы известные объекты всеобщего интереса (скажем, большая соседняя галактика), чтобы астрономы могли проводить непредвзятое слепое исследование большого количества галактик, видимых на разных стадиях красного смещения, то есть на разных этапах космических эпох. Это оптическое изображение размером с полную Луну, а время выдержки при его съемке составляет два дня. Наблюдая за нашей Галактикой, мы видим лишь бесконечную череду звезд, но за ее пределами – мириады галактик, и наш мир – лишь один из множества

Как и Земля, вращающаяся вокруг Солнца, весь галактический диск Млечного Пути крутится подобно юле, перемещая всю Солнечную систему по галактической орбите. В радиусе Солнца скорость вращения диска составляет примерно 200 км/с, а на полный оборот вокруг центра Галактики у нас уходит почти 250 млн лет. Таким образом, с момента своего возникновения Земля совершила почти 20 полных оборотов по орбите Млечного Пути. Как вы узнаете дальше, Млечный Путь, как и другие галактики, представляет собой крайне динамичную сущность, не знающую покоя.

Рассмотрим другие составляющие Галактики. Пространство между звездами заполняет газ различной плотности и температуры и формирует то, что мы называем межзвездной средой. По большей части газ состоит из водорода – самого простого, легкого и распространенного элемента во Вселенной, атом которого состоит из одного протона и одного электрона, связанных вместе. Межзвездный газ пребывает в трех состояниях: атомарном (образуется соединением отдельных атомов), молекулярном (образуется соединением двух и более атомов, связанных вместе за счет молекулярного взаимодействия), и, наконец, ионизированном (возникает, когда столкновения между атомами из-за повышения температуры или значения напряжения внутреннего электрического поля привели к отрыву электронов от атомов газа). Хотя бо́льшую часть межзвездной среды составляет водород, в ней присутствуют и другие микроэлементы, например углерод и кислород. Этих веществ еще не было на этапе зарождения нашей Вселенной – они сформировались позже в ходе эволюции галактик, в частности благодаря участию газа в круговороте материи при звездообразовании.

На диске нашей Галактики более молодые звезды рассредоточены в местах скопления газа. Звезды формируются в гигантских облаках молекулярного водорода; одно такое облако может дать жизнь целому поколению звезд. Из-за воздействия гравитации частицы газа сближаются и образуют скопления, что приводит к возникновению островов звездообразования по всему диску Галактики, особенно внутри спиральных рукавов, где плотность газа выше всего. Звезда зажигается, когда гравитационный коллапс сжимает достаточное количество газа для образования холодного молекулярного ядра. Когда плотность достигает нужного уровня, атомы ядра начинают сталкиваться друг с другом, выделяя при этом огромное количество энергии. При сжатии энергия гравитационного поля переходит в основном в тепло и излучение, и объект нагревается. Когда температура в центре достигает 15–20 млн кельвинов (К), запускаются термоядерные реакции, и сжатие прекращается.

Объект становится полноценной звездой. В процессе коллапса облака, если его фрагменты случайно распадутся из-за воздействия турбулентности или других изменений плотности газа внутри него, может одномоментно образоваться множество звезд. Рожденные рядом звезды из такого выводка становятся скоплением, элементы которого дрейфуют в пространстве и со временем удаляются друг от друга.

Это увеличенное изображение центральной части Млечного Пути, на заднем плане которого ясно видно затемнение звездного пространства межзвездной пылью, сгущающейся на плоскости диска. Местами мы можем увидеть пятна диффузного излучения: синего цвета – от свечения молодых звезд, рассеянного и отраженного частицами газа и пыли, и красно-розового – от свечения ионизированного водорода (HII) в местах зарождения новых звезд

После того как звезды зажглись, в их ядре запускаются термоядерные реакции, результатом которых становится выброс энергии в форме ультрафиолетовых и видимых лучей света. Эта радиация мгновенно воздействует на несгоревший газ, оставшийся в околозвездном диске: она заряжает его высокоэнергетическими протонами исоздает пузыри ионизированного газа, заставляя его светиться. Такое свечение туманности с головой выдает места формирования звезд в любой галактике. Ионизация – это процесс, в ходе которого достаточно заряженный протон отрывает электрон от атома (или молекулы). В определенный момент этот электрон может вернуться к своему или любому другому атому, утратившему электрон, но для этого ему придется высвободить всю полученную при отрыве энергию, испустив фотон. Однако есть одна особенность: такое «повторное излучение» приводит к высвобождению фотонов с крайне специфической энергией, что обусловлено квантово-механическими причинами. Мы можем представить электроны сидящими на абстрактных энергетических уровнях вокруг атомов, примерно как на ступеньках лестницы, где разница в ступеньках – это разница в энергетических уровнях. Энергия фотона прямо пропорциональна его частоте, которую мы воспринимаем как цвет. Поэтому когда новые звезды освещают свои родные облака водорода, каждое облако светится своим специфическим цветом. Мы называем этот свет H-альфа: он имеет темно-красный цвет с длиной волны 656,28 нм, а эти светящиеся облака – областями HII, или областями ионизированного водорода (HI – символ нейтрального неионизированного водорода, а HII – ионизированного). На протяжении книги мы будем возвращаться и к другим газовым компонентам галактик.

Не все звездные скопления глобулярные. Изображенный на снимке открытый звездный кластер в нашей Галактике называется NGC 3603. На дисках галактик, подобных нашей, звезды рождаются в гигантских облаках молекулярного газа, которые в процессе гравитационного коллапса могут породить сразу множество звезд, что приводит к возникновению подобных кластеров (хотя не все звезды рождаются скоплениями). Вокруг скопления можно заметить свечение от межзвездного газа (его испускают элементы водорода, серы и железа), заряженного радиацией, которую излучают молодые массивные звезды. Детальное понимание физических процессов звездообразования, основанное на изучении регионов активного звездного роста в нашей Галактике, дает нам жизненно важные данные для понимания процесса развития звездообразующих галактик дальней (и ранней) Вселенной

В астрономии все элементы, кроме водорода и гелия (точнее говоря, дейтерия и лития), обозначаются удобным названием «металлы». Металличность региона – это показатель концентрации в нем других элементов, которые тяжелее изначальных водорода и гелия, и измеряется она, как правило, в единицах сопоставления с металличностью Солнца. Но как появляются металлы? Уже давно стало расхожим клише утверждение, что Земля и все на ней, включая нас, есть «звездная пыль» – в том смысле, что все мы являемся результатом мириад мутаций и трансфигураций праха давно умерших звезд. Конечно, это правда, и она прекрасно подчеркивает фундаментальные космические процессы. Звезды – алхимики Вселенной; это фабрики, на которых из базовых элементов – водорода и гелия – образуются более сложные формы; этот процесс называется нуклеосинтезом. Все известные нам элементы сформированы либо в ходе термоядерного синтеза, являющегося источником энергии звезд в течение всей их жизни, либо (если это любые элементы тяжелее нашего железа) в ходе взрывного ядерного синтеза – экстремальных условий, возникающих во время гибели звезд, которые мы называем сверхновыми. Золото вашего кольца сформировалось во время взрыва одной или, скорее, даже нескольких звезд, а бриллиант, который его украшает, выкован в самом сердце звезды. У вас нет бриллиантового кольца? Ну что же, железо в вашей крови образовалось точно так же.

«Звездные ясли» нашей Галактики называются IC 2944. Красный цвет, который доминирует на этой фотографии, – результат свечения ионизированного водорода. Каждый раз, когда электрон воссоединяется с ионизированным атомом (то есть атомом, у которого «оторвало» электрон при поглощении им высокоэнергетического протона, испущенного, скажем, близлежащей юной, массивной и яркой звездой), испускается свет с определенной длиной волны. Ее точная длина зависит от энергии перехода: правила квантовой механики говорят нам, что различные возможные энергетические переходы электронов в атомах различаются, как ступени на лестнице. Один из самых частых переходов в астрофизической среде, насыщенной водородом и ультрафиолетовым изучением, – H-альфа. Это изображение показывает яркие, молодые звезды, излучающие H-альфа, и темные сгустки, силуэт которых вырисовывается на красном фоне. Это глобулы Теккерея – плотные облака пыли и газа. Видимому свету туманности, которая подсвечивает глобулы, не так-то легко пройти сквозь них, поэтому они кажутся темными. Постепенно глобулы испаряются: они плещутся в океане интенсивной радиации, излучаемой этими горячими молодыми звездами, которые сжигают их пыль и рассеивают газ

В результате этой космической алхимии в составе галактик могут быть не только металлы, но и большие запасы «пыли». Пыль – общий термин, используемый для описания углеродистой и силикатной материи в виде гранул, по консистенции похожей на сигарный дым, но только более диффузный. Пыль также возникла в процессе звездной эволюции. Когда звезда умирает, либо сбрасывая внешние слои на белый карлик, либо взрываясь как сверхновая, эта пыль распространяется в межзвездное пространство. Она собирается в плотные облака в местах наиболее активного звездообразования – как действующего, так и уже закончившегося – и становится заметной, когда мы составляем большие карты Галактики в видимом излучении.

Пыль в целом не пропускает фотоны видимого излучения, которые поглощаются и рассеиваются пылевыми гранулами; точно так же было бы трудно что-то разглядеть в задымленном помещении. Лучше всего пыль поглощает и рассеивает фотоны с короткой длиной волны, то есть синий свет, так что пробиваются сквозь нее в основном фотоны «покраснее» – этот эффект называется межзвездным покраснением света. Это означает, что в регионах с высокой концентрацией пыли использование только оптического наблюдения даст нам неполное представление о происходящем, так как бо́льшая часть излучения блокируется. Этот эффект можно наблюдать на диске Млечного Пути: любой снимок с длинной выдержкой этой насыщенной звездами плоскости покажет на ней более темные пятна и завихрения. Пятна – это пыль, сконцентрированная на плоскости галактического диска и блокирующая часть света от звезд за ней. Чтобы видеть сквозь пыль, нам нужно использовать более длинные световые волны, так как они легче проходят сквозь пылевую завесу. Кроме видимого света существует также ближняя инфракрасная область (ближняя, потому что она располагается между видимым светом и средней инфракрасной областью), длина волн которой составляет от одного до нескольких микрон. Фотоны ближнего инфракрасного излучения устойчивы к поглощению пылью, так что наблюдение в этом диапазоне открывает нам еще одно окно для изучения галактик.

Туманность Лагуна – это гигантское межзвездное облако и область HII в нашей Галактике. Ее красный цвет говорит о свечении ионизированного водорода, а темные пятна вокруг выдают присутствие большого и плотного газопылевого облака. На снимке изображен регион, который в восемь раз больше размера Луны на небе. Изучая диски близлежащих звездообразующих галактик, мы нередко видим их спиральные рукава, обильно приправленные такими HII-областями, как эта

Пыль также может обладать собственным характерным свечением, нагреваясь по мере поглощения ультрафиолета и синих фотонов, излучаемых звездами. Эта «тепловая» энергия перевыпускается как инфракрасное излучение. В отличие от ближней инфракрасной области, эти фотоны отличаются значительно большей длиной волны – от 10 до 100 микрон между средней и дальней инфракрасными областями. Если посмотреть на Галактику на этих волнах, то пыль внезапно станет прозрачной, поскольку она – самый сильный излучатель таких инфракрасных фотонов. Сами звезды испускают не так много излучения на этих волнах. Некоторые из наиболее активных галактик во Вселенной – те, в которых формируется самое большое количество звезд, – также оказываются и самыми «пыльными». Пыль в них блокирует бо́льшую часть видимого света, излучаемого звездами, но переработанное инфракрасное излучение не пропускает остальной свет галактики, так что эти закрытые пылью галактики могут ярко светиться в инфракрасном диапазоне.

Продукты звездной эволюции сформировали и другие меньшие составляющие галактик – астероиды, планеты, растения и людей. Ненадолго отвлечемся: я думаю, что мало кто из астрономов будет не согласен со мной в том, что, если верить статистике, можно ожидать, что жизнь существует в тысячах разновидностей в бессчетном количестве миров в других солнечных системах, вращающихся вокруг далеких солнц как в нашей Галактике, так и в большинстве других во Вселенной. Если честно, понадобится немало аргументов, чтобы это опровергнуть. Диапазон сложности этих форм жизни простирается от клеточных организмов, обитающих в сернистом шламе на спутнике какой-нибудь далекой планеты, до самых технологически продвинутых цивилизаций, которые, возможно, уже колонизировали множество миров и даже заняли межзвездные пространства. Вероятно, было бы разумно предположить, что мы находимся на средней стадии развития. То, что с нами еще не вошла в контакт никакая другая цивилизация и мы все еще не поймали сигналы некоего развитого общества, может говорить о трудности внутригалактических коммуникаций.

Это изображение центра Млечного Пути в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра, полученное Обзорным астрономическим телескопом видимого и инфракрасных диапазонов (англ. Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy, VISTA). Ближнее инфракрасное излучение может проходить сквозь пыль, блокирующую свет в видимом диапазоне электромагнитного спектра, что дает нам более четкую картину звезд в этом плотном, переполненном и ярко светящемся балдже Галактики. Тем не менее в некоторых местах пылевые облака настолько плотные, что даже фотоны ближней инфракрасной области не могут пройти сквозь них. Примером такого участка служат темные волокнистые структуры, окаймляющие снимок

Есть и более причудливое объяснение: вполне возможно, что политика «контакта» среди наиболее развитых цивилизаций широкого галактического сообщества очень сложна или даже что существует известная общая апатия в этом вопросе. Поверить в последнее довольно трудно, но мне нравится новелла Иэна М. Бэнкса «Последнее слово техники»[1], которая описывает политический бесконтактный сценарий взаимодействия его же «Культуры» с событиями на Земле в 1977 году. Концепция жизни где-то в нашей Галактике, да и в других тоже, – предмет увлекательный и провоцирующий размышления, но мы не будем слишком глубоко погружаться в его обсуждение. Парадокс Ферми, также известный как «Где все?», задает вопрос: почему, если Вселенная настолько обширна и изобилует обитаемыми планетами и, предположительно, разными формами жизни, мы до сих пор не зафиксировали никаких следов ни одной внеземной цивилизации? Ответим здесь решительным заявлением: мы просто допускаем, что жизнь где-то существует, как в галактике Млечный Путь, так и в других, и что варианты ее проявлений бесконечны – от простых клеточных форм до сложных, технологически развитых цивилизаций, возможности которых превосходят все, что только может представить наше воображение. Как бы там ни было, следует помнить о том, что сложные биологические системы – это продукт процесса формирования и эволюции галактик.

Увеличенное изображение центра Млечного Пути в диапазонах волн ближней инфракрасной области спектра, которые способны пройти сквозь пыль, затеняющую вид на центральное звездное население нашей Галактики в видимом свете. Этот регион переполнен звездами, и даже в этих диапазонах заметны явные следы затемнения – так, участок изображения слева вверху темнее прочих, будто на него пролили чернила

Земля купается в сиянии Вселенной, состоящем из всех видов испускаемых за всю ее историю излучений. Наша цель – исследовать хотя бы часть этого излучения и попытаться понять, откуда и как оно пришло. Именно так мы и изучаем галактики.

Космологические эксперименты в сочетании с последними моделями архитектуры и эволюции Вселенной указывают на то, что ее возраст составляет около 14 млрд лет. Эта книга посвящена не Большому взрыву или космологии (то есть свойствам

Вселенной в целом) – она, скорее, о том, что происходило во Вселенной с момента ее возникновения и что сформировало наиболее очевидную и заметную для стороннего наблюдателя характерную особенность космоса – его галактики. Во время этого путешествия мы узнаем о том, как, по нашему мнению, эти галактики появились и как протекала их эволюция, и постараемся ответить на все те вызовы и вопросы, с которыми сталкиваются внегалактические астрономы сегодня: когда сформировались первые галактики? Как растут галактики и какие физические процессы определяют их судьбу? Более того, мы немного коснемся и самого предмета современной астрономии: что она делает и как работают астрономы.

Фотография Млечного Пути, сделанная космической обсерваторией «Планк». Целью проекта «Планк» было изучение изменения космического микроволнового фона – реликтового излучения, но поскольку эта космическая обсерватория наблюдала за всем небом, она также снабжала нас детальными изображениями Млечного Пути. Этот снимок показывает в белых оттенках тонкую эмиссию пыли в нашей Галактике, в основном сосредоточенную на галактическом диске, и обнаруживает сложную морфологию пространства над и под ним (на высоких галактических широтах). Бо́льшая часть галактик содержит значительное количество пыли, образовавшейся во время формирования звезд. Эта пыль поглощает ультрафиолетовый и оптический свет, но испускает излучение в инфракрасном диапазоне спектра по мере нагревания в поле межзвездного излучения

На страницах этой книги мы познакомимся со стандартной моделью космологии, или «космологическим конкордансом». Эта модель описывает все содержание, структуру и эволюцию Вселенной и называется «Лямбда-CDM» (от англ. Lambda-Cold Dark Matter, ΛCDM). С конца 1990-х годов большинство астрономов приняли эту модель в качестве наиболее подходящей из имеющихся на сегодняшний день для объяснения результатов наблюдений за всеми свойствами Вселенной. Лямбда (Λ) относится к символу, обозначающему темную материю, которая впервые появилась в уравнениях общей теории относительности Эйнштейна как так называемая космологическая константа, а CDM обозначает холодную темную материю (точная природа темной материи не имеет особого значения для нашей истории, однако это понятие – важная ее деталь). Хотя мы описываем концепцию «Лямбда-CDM» как нашу стандартную модель космологии, и темная энергия, и темная материя находятся за пределами стандартной современной физической модели, где нам неясна их истинная природа. Это несколько обескураживающее положение, особенно в сочетании с тем фактом, что в модели «космического конкорданса» темная энергия и темная материя вместе образуют бо́льшую часть плотности энергии, а следовательно, и массы Вселенной, и привело многих критиков к концепции «Лямбда-CDM».

Я бы не хотел сейчас увязнуть в космологии, потому что эта книга все-таки посвящена только галактикам, но один тезис абсолютно безусловен: «Лямбда-CDM» – именно та модель, которая успешно описывает самый широкий комплекс собранных эмпирических данных. Конечно, природа космологической модели важна для истории галактик, но в известном смысле это отдельная проблема. Я бы хотел рассказать о том, что мы на самом деле знаем о галактиках благодаря тщательному наблюдению и анализу данных.

Описывая свет, то есть электромагнитное излучение, я говорю – и намеренно, и случайно – о частоте и длине волн света как взаимозаменяемых понятиях. Иногда это происходит в результате установившихся обычаев в том или ином разделе астрономии (например, в случае радиоастрономии и оптической астрономии), но в основном это связано с тем, что описание энергии света через его частоту ничем не отличается от того же описания в терминах длины волны: они обозначают одно и то же явление, но относятся к разным аспектам природы электромагнитного излучения. В качестве понятного примера можно представить простую модель световых волн по аналогии с волнами в океане: если вы сидите в лодочке на якоре посреди океана, по которому пробегают волны, то показателем того, как ваша лодка ныряет на волнах то вверх, то вниз, и будет частота. А расстояние между соседними гребнями и впадинами – это длина волны. Теперь вы видите, как эти два показателя связаны. Хотя волновая модель – один из способов описания процесса распространения излучения, где свет проявляется как колебания «моря» электромагнитных волн, далее я буду описывать свет в квантовой модели, где он распространяется в виде фотонов. В любом случае частота и длина волн света, будь то радиоволны, видимый свет или рентгеновское излучение, соотносятся с энергией электромагнитного излучения.

Есть два важных вопроса, которые я хотел бы обсудить в этой книге. Во-первых, во Вселенной существует множество самых разных видов галактик. Во-вторых, эти галактики не всегда были там, где находятся сейчас, и меняются по мере движения Вселенной – астрономы используют термин «эволюционируют». Разумеется, мы все еще сталкиваемся со сферами, где нам недостает знаний и понимания, и поэтому здесь необходимо обращаться к теории, построению моделей и предположений, которые мы можем сопоставить с результатами наблюдений. И я позволю себе не извиняться за то, что некоторые примеры, на которые я буду опираться по мере повествования, пристрастны и основаны на моем личном исследовательском опыте. И я с самого начала признаю, что область охвата предмета настолько глобальна, что по необходимости мне приходилось приукрашивать, упрощать или вовсе опускать какие-то темы. Но моя задача – дать вам представление о том, что значит быть астрономом, показать с практической стороны, как мы проводим измерения и эксперименты и как это привело нас к современному уровню понимания Вселенной.

И если повезет, то к концу этой книги я смогу убедить вас в том, что астрономия – это невероятно разнообразное, богатое и восхитительное пространство для исследований, и показать вам те замечательные вещи, которые мы как вид смогли узнать за изумительно короткий период нашей истории.