Очерки о Вселенной

Глава 6. Ближайшая к нам звезда — Солнце

Солнце! Животворящее, ясное, красное, лучезарное! Сколько эпитетов дается тебе! Ты и источник жизни на Земле, ты и глава планетной семьи, ты и ближайшая к нам звезда, ибо каждая звезда — солнце. Можно подойти к Солнцу с разных точек зрения. Есть что сказать о нем и метеорологу, и радисту, и врачу, и ботанику, и химику, и поэту, не говоря уже об астрономах. Много явлений обнаружено на Солнце, и описания многих из них напоминают те, которые делаются в метеорологических обсерваториях при регистрации перемены погоды, сложных движений атмосферных масс. Лишь будущему, но надеемся, близкому, предстоит теоретически охватить эти факты и уложить их в стройную картину физической природы Солнца.

Мы наблюдаем бурные изменения на Солнце, но причина их нам часто далеко еще не ясна, хотя общее строение Солнца нам уже довольно хорошо известно и за последние годы теория солнечных явлений сильно продвинулась вперед. Солнце ближе к нам, чем другие звезды, и его можно изучить особенно подробно. Результаты его изучения помогают уяснить природу других далеких солнц, видимых лишь как светлые точки даже в самые сильные телескопы. Познакомимся же с Солнцем, как с представителем мира бесчисленных звезд.

Раскаленный газовый шар, излучающий потоки тепла и света, единственный их источник в Солнечной системе, — вот что такое ближайшая к нам звезда.

Нам известна энергия Солнца по той ее доле, которая падает на Землю с расстояния в полтораста миллионов километров. С учетом поглощения в атмосфере на квадратный сантиметр поверхности, перпендикулярной к солнечным лучам, за минуту падает энергия, которой достаточно, чтобы нагреть два грамма воды на 1 градус. Эта величина несколько меняется с изменением расстояния от Земли до Солнца и, вероятно, в связи с явлениями, протекающими на нашем центральном светиле. До того как были заподозрены колебания в излучении Солнца, эту величину назвали «солнечной постоянной». Геофизики определяют ее прямыми опытами почти ежедневно, например, наблюдая нагревание воды в особых сосудах, выставленных навстречу солнечным лучам.

Умножив солнечную постоянную на величину поверхности сферы с радиусом в полтораста миллионов километров, мы узнаем полное излучение Солнца. Оно составляет 5,431027 калорий в минуту. Если эту мощность теплового излучения перевести в механическую мощность, то она составит 51023 лошадиных сил. Эту величину трудно себе представить и, может быть, лучше сказать, что если бы мы могли мгновенно обложить Солнце слоем льда толщиной 12 м, то уже через минуту этот слой растаял бы. Если бы мы могли от Земли к Солнцу перебросить мост в виде ледяной колонны толщиной 3 км и могли сосредоточить на нем все излучение Солнца, то уже через секунду он бы растаял, а еще через 8 секунд обратился бы в пар.

Солнечный свет создает на Земле освещение, в 465 000 раз более яркое, чем освещение полной Луны, и чтобы его заменить, нужно 135 000 стандартных (международных) свечей, поставленных на расстоянии 1 м.

Зная расстояние до Солнца и его видимый угловой диаметр (1/2°), мы легко узнаем его линейные размеры. Диаметр Солнца больше земного в 109 раз, поверхность в (109)2, или в 12 000 раз, и объем в (109)3, что составляет 1 300000 раз. (В километрах диаметр Солнца составляет 1 390 600, но число это мало наглядно.)

Разделив полное излучение Солнца на величину его поверхности, мы узнаем, что один ее квадратный сантиметр светит как 50 000 международных свечей. Поверхность Солнца в 10 000 раз ярче расплавленной платины и в 10 раз ярче пламени электрической дуги. Доля света в общем потоке энергии, идущем от Солнца, характеризуется величиной 8 свечей на ватт, тогда как для обычных электрических ламп накаливания она составляет не более 2 свечей на ватт.

Такой высокий коэффициент светового полезного действия солнечного вещества обязан его высокой температуре.

Мощность излучения с единицы поверхности Солнца, получаемая от деления всей его мощности на величину его поверхности, составляет 84 000 лошадиных сил на квадратный метр, и эта мощность поддерживается, несомненно, в течение сотен миллионов или даже миллиардов лет. Как устойчивы и мощны должны быть источники энергии в недрах Солнца! Мы поговорим о них в другой главе, а тут лишь укажем, что только ничтожная часть энергии, щедро расточаемой Солнцем, используется планетами. На долю Земли приходится лишь 1/2200000000 ее часть. Тем не менее и она колоссальна. Если ее расценить на деньги по цене 2 коп. за киловатт-час, то окажется, что за секунду Земля получает энергии от Солнца на миллиард рублей.

Можно сказать, что эти деньги буквально бросаются на ветер, так как ветер есть перемещение воздуха, возникающее от неодинакового нагревания различных мест земной атмосферы и поверхности Земли. Впрочем, не все эти деньги идут на ветер…, большая их доля утекает от нас вместе с водой (с водой рек и с потоками дождя). Часть солнечной энергии используется растениями, а небольшая доля этой части используется нами как топливо в виде торфа, дров и каменного угля.

О прямом использовании солнечной энергии сверх того, что нам дает движущая сила ветра и воды, приводимых в движение Солнцем, говорится давно. Разрешение этой задачи встречает много трудностей, но надо прямо сказать, что инженеры-энергетики уделили этому вопросу еще слишком мало внимания. Например, в СССР до сих пор имеются только небольшие пробные установки вроде солнечной бани и солнечной кухни в Ташкенте. Надо также отметить использование солнечной энергии на искусственных спутниках Земли и Солнца путем применения кремниевых фотоэлементов, превращающих световую энергию Солнца в фотоэлектрическую.

«И Солнце не без пятен», — с огорчением констатировали в XVII веке современники их открытия. Да, и Солнце не без пятен…, но не всегда. Как известно, число пятен и площадь, занятая ими, меняются периодически, хотя и не очень правильно, с периодом в 11 лет. Последний максимум пятен был в 1968 г., а в год минимума иногда целые месяцы на Солнце нет ни одного пятна. Каждый цикл они зарождаются по обе стороны от экватора Солнца на широтах около 30° и по мере увеличения их числа появляются все ближе и ближе к экватору. Последние пятна умирающего цикла появляются почти у самого экватора, но близ полюсов их не бывает никогда.

Если вы закроете ослепительную фотосферу диафрагмой в фокусе окуляра телескопа так, чтобы в нее было видно лишь «черное» солнечное пятно, то берегитесь смотреть на него без темного стекла — вы ослепнете. Понятие черноты относительно, и темные вследствие контраста на фоне фотосферы пятна сами по себе тоже ослепительно ярки.

Пятна появляются обычно группами, в которых происходят непрерывные изменения: появление новых пятен, изменение формы старых, а чаще всего их дробление на части и постепенное исчезновение.

Иногда они существуют лишь несколько дней, иногда — несколько месяцев.

Пятно состоит обычно из ядра, или «тени», окруженной более светлой «полутенью» как бы волокнистого строения со следами завихрения вокруг центра пятна. Центр пятна лежит обычно ниже окружающей фотосферы, но «не намного» — на сотни километров, тогда как по площади пятна обычно больше площади Европы и даже больше площади земного шара.

Меньшая яркость пятен вызвана меньшей температурой солнечных газов в этих местах. Судя по спектру, она составляет около 4500° и равна температуре звезд оранжевого цвета, тогда как спектр фотосферы такой же, как спектр более горячих желтых звезд. Более низкая температура допускает образование в пятнах большого числа молекул химических «соединений, тогда как в фотосфере эти соединения встречаются в небольшом количестве. Если там из каких-либо сцепившихся друг с другом атомов и сложится молекула, то она обычно сейчас же будет разбита на части при бешеных столкновениях с другими частицами, возникающих при высоких температурах.

Появляясь на одном краю Солнца и перемещаясь по видимому диску, солнечные пятна представляют прекрасную возможность убедиться во вращении Солнца вокруг оси. Определенные по различным пятнам периоды вращения Солнца, дополненные спектральными определениями вращения (о чем говорилось в первой главе) и другими методами, показывают, что Солнце вращается не как твердое тело. До некоторой степени вращение фотосферы можно сравнить с вращением чая, который энергично перемешивается в стакане с помощью ложечки. Там быстрее всего крутится середина, а края отстают. На Солнце же точки его экватора делают оборот за 25 суток, а на широте 60° период обращения доходит до 30 суток. С космической точки зрения Солнце вращается очень лениво, на экваторе линейная скорость вращения составляет всего лишь 2 км/сек.

Юпитер и Сатурн также вращаются звнами подобно Солнцу и быстрее на экваторе, но с периодом всего лишь около 10 часов. Для них, как и для Солнца, причина такого зонального вращения неизвестна, но ясно, что твердая поверхность не могла бы так вращаться.

В Советском Союзе и в других странах ведется ежедневная регистрация пятен и других явлений на Солнце. Она называется Службой Солнца и ведется по общему плану рядом обсерваторий. Эта работа необходима для изучения природы Солнца и для выяснения того, как происходящие на нем изменения влияют на Землю. Поэтому изучение Солнца было включено в программу работ по Международному геофизическому году (1957–1958).

Наблюдения солнечных пятен и их изменений доступны для всякого любителя, обладающего хотя бы самым маленьким телескопом (Желающим познакомиться с Солнцем несколько подробнее и получить руководство для самостоятельного его наблюдения рекомендуем книгу В. В.Шаронова «Солнце и его наблюдение», Гостехиздат, 1953)).

«И Солнце не без пятен», — с огорчением констатировали в XVII веке современники их открытия. Да, и Солнце не без пятен…, но не всегда. Как известно, число пятен и площадь, занятая ими, меняются периодически, хотя и не очень правильно, с периодом в 11 лет. Последний максимум пятен был в 1968 г., а в год минимума иногда целые месяцы на Солнце нет ни одного пятна. Каждый цикл они зарождаются по обе стороны от экватора Солнца на широтах около 30° и по мере увеличения их числа появляются все ближе и ближе к экватору. Последние пятна умирающего цикла появляются почти у самого экватора, но близ полюсов их не бывает никогда.

Если вы закроете ослепительную фотосферу диафрагмой в фокусе окуляра телескопа так, чтобы в нее было видно лишь «черное» солнечное пятно, то берегитесь смотреть на него без темного стекла — вы ослепнете. Понятие черноты относительно, и темные вследствие контраста на фоне фотосферы пятна сами по себе тоже ослепительно ярки.

Пятна появляются обычно группами, в которых происходят непрерывные изменения: появление новых пятен, изменение формы старых, а чаще всего их дробление на части и постепенное исчезновение.

Иногда они существуют лишь несколько дней, иногда — несколько месяцев.

Пятно состоит обычно из ядра, или «тени», окруженной более светлой «полутенью» как бы волокнистого строения со следами завихрения вокруг центра пятна. Центр пятна лежит обычно ниже окружающей фотосферы, но «не намного» — на сотни километров, тогда как по площади пятна обычно больше площади Европы и даже больше площади земного шара.

Меньшая яркость пятен вызвана меньшей температурой солнечных газов в этих местах. Судя по спектру, она составляет около 4500° и равна температуре звезд оранжевого цвета, тогда как спектр фотосферы такой же, как спектр более горячих желтых звезд. Более низкая температура допускает образование в пятнах большого числа молекул химических «соединений, тогда как в фотосфере эти соединения встречаются в небольшом количестве. Если там из каких-либо сцепившихся друг с другом атомов и сложится молекула, то она обычно сейчас же будет разбита на части при бешеных столкновениях с другими частицами, возникающих при высоких температурах.

Появляясь на одном краю Солнца и перемещаясь по видимому диску, солнечные пятна представляют прекрасную возможность убедиться во вращении Солнца вокруг оси. Определенные по различным пятнам периоды вращения Солнца, дополненные спектральными определениями вращения (о чем говорилось в первой главе) и другими методами, показывают, что Солнце вращается не как твердое тело. До некоторой степени вращение фотосферы можно сравнить с вращением чая, который энергично перемешивается в стакане с помощью ложечки. Там быстрее всего крутится середина, а края отстают. На Солнце же точки его экватора делают оборот за 25 суток, а на широте 60° период обращения доходит до 30 суток. С космической точки зрения Солнце вращается очень лениво, на экваторе линейная скорость вращения составляет всего лишь 2 км/сек.

Юпитер и Сатурн также вращаются звнами подобно Солнцу и быстрее на экваторе, но с периодом всего лишь около 10 часов. Для них, как и для Солнца, причина такого зонального вращения неизвестна, но ясно, что твердая поверхность не могла бы так вращаться.

В Советском Союзе и в других странах ведется ежедневная регистрация пятен и других явлений на Солнце. Она называется Службой Солнца и ведется по общему плану рядом обсерваторий. Эта работа необходима для изучения природы Солнца и для выяснения того, как происходящие на нем изменения влияют на Землю. Поэтому изучение Солнца было включено в программу работ по Международному геофизическому году (1957–1958).

Наблюдения солнечных пятен и их изменений доступны для всякого любителя, обладающего хотя бы самым маленьким телескопом (Желающим познакомиться с Солнцем несколько подробнее и получить руководство для самостоятельного его наблюдения рекомендуем книгу В. В.Шаронова «Солнце и его наблюдение», Гостехиздат, 1953)).

Астрономы — такой народ, что они не только узнают всю подноготную там, где непосвященное око видит только мерцающую точку, но и умудряются наблюдать невидимое. Одним из многочисленных примеров этого является наблюдение ими магнитности пятен и распределения спектрального излучения химических элементов на разной высоте над фотосферой.

Линии спектра источника света в магнитном поле меняются. Они расщепляются, каждая на несколько линий, причем свет каждой из них особым образом поляризован. Не вдаваясь в длинное описание явлений поляризации, скажем лишь, что поляризованный свет можно отличить от обычного особыми способами, разработанными физиками. Расстояние между линиями спектра, на которые первоначальная линия расщепляется в магнитном поле, растет с напряжением магнитного поля. Это явление хорошо изучено в лабораториях. Темные линии в спектре солнечных пятен обнаруживают подобное же расщепление, из чего следует, что в области солнечного пятна существует магнитное поле, напряжение которого доходит иногда до 8000 гаусс. Это — весьма сильное поле, хотя в лабораториях электромагниты могут давать еще более мощное поле.

Кто не знает, что у всякого магнита есть всегда два полюса — северный и южный. На магнитах, имеющих форму бруска или подковы, их красят обычно в разный цвет — красный и синий. Вот тут-то и оказалась любопытная вещь: солнечные пятна чаще всего появляются парами, и тогда магнетизм одного пятна северный, другого — южный.

Два пятна в паре — как бы два конца магнитной подковы, спрятанной под поверхностью Солнца и высовывающейся сквозь нее этими концами. Мало того, во всех парах пятен одного полушария Солнца переднее пятно (в сторону вращения Солнца) имеет всегда один и тот же магнетизм (скажем, южный), в другом же полушарии Солнца магнетизм каждого переднего пятна противоположный (северный). Это длится 11 лет, и когда начинается новый цикл солнечных пятен, то магнетизм пятен северного и южного полушарий Солнца меняется местами.

В 1958 г. Бэбкок (США) заключил, что общее, хотя и слабое магнитное поле Солнца меняет свое направление. Так, если северный магнитный полюс в течение 11-летнего цикла был в северном полушарии Солнца, то в следующем цикле он оказывается уже в южном полушарии. Почему это происходит — еще не ясно, но силовые линии общего поля Солнца входят в другую полярную область. Силовые линии замыкаются, проходя и внутри Солнца, не очень глубоко под фотосферой.

Мы видим Солнце и все подробности его поверхности в совокупности лучей разных длин волн. Поверхность Солнца излучает непрерывный спектр. Но лежащие над ней более холодные и разреженные слои благодаря процессам рассеяния, описанным в первой главе, вызывают появление в спектре Солнца темных линий, носящих имя немецкого ученого Фраунгофера, который первый их изучил. Мы уже говорили, что темные линии спектра не бывают абсолютно черными, некоторая доля света в них все же есть. Эта доля много меньше количества света, посылаемого непрерывным спектром в той же длине волны, и еще во много раз меньше суммарного света, заключенного в непрерывном спектре.

Если бы наш глаз потерял чувствительность ко всем длинам волн, кроме одной из длин волн, соответствующей одной из линий спектра определенного химического элемента, скажем, водорода, то мы увидели бы Солнце совсем иным, чем видим его сейчас. В тех местах, где над поверхностью Солнца много более холодного водорода поглощение света в нашей длине волны оказалось бы особенно сильным. Там мы видели бы темное пятно. Где же над поверхностью Солнца окажутся более горячие водородные газы, там излучение света в нашей длине волны будет сильнее, чем в соседних местах, и там мы увидим светлое пятно. Таким образом, мы получили бы возможность сразу увидеть распределение над поверхностью Солнца горячих и холодных водородных масс.

Именно такую возможность видеть Солнце «в свете длины волны водородной линии» дает нам прибор спектр огелиоскоп, изобретенный Хэйлом в США в 1930 г. Спектрогелиоскоп можно представить себе как спектроскоп, в котором весь спектр загорожен ширмой со щелью F2, через которую проходит свет только одной желаемой «темной» спектральной линии. За этой щелью находится окуляр, в который смотрит наблюдатель. Ему в глаза попадает свет только с длиной волны линии, выделенной щелью в ширме. На щель спектроскопа F1 падает изображение Солнца, даваемое телескопом и приводимое особым приспособлением в быстрое колебательное движение поперек щели. Картины быстро сменяющихся узких полосок, вырезаемых щелью спектроскопа из изображения Солнца, прикладываясь друг к другу, создают благодаря сохранению зрительного ощущения впечатление полной картины солнечного диска. Выделяя щелью ширмы разные линии в спектре, можно изучать распределение над поверхностью Солнца разных газов: водорода, гелия, натрия, кальция и других.

С помощью прибора несколько иной конструкции, называемого спектрогелиографом и изобретенного раньше спектрогелиоскопа Деландром во Франции и тем же Хэйлом в США, подобные изображения Солнца можно фотографировать. Место глаза за щелью F2 там занимает движущаяся фотографическая пластинка Р. Такие фотографии называются спектрогелиограммами.

Теория показывает, что в темных линиях спектра, имеющих фактически некоторую ширину (а вовсе не бесконечно узких), центр линии образован поглощением газов, находящихся на большей высоте над поверхностью Солнца, чем газы, производящие поглощение света у краев линий. Так, выделяя очень узкой щелью разные части широких темных линий спектра Солнца, можно делать как бы срезы газовых слоев на разной высоте над фотосферой. Это — форменная анатомия внешних частей Солнца.

На спектрогелиограммах отчетливо проявляется не видимая в обвшный телескоп структура водородных масс в области пятен, о чем говорилось выше. Кроме того, пятна, как правило, бывают окружены яркими облаками горячего водорода и кальция (флоккулами). Флоккулы — это верхние части областей, занятых факелами. Это сопровождение областей похолодания на Солнце облаками горячих газов и вызывает то, что в годы максимума площади, занятой холодными пятнами, общее излучение Солнца, по-видимому, не понижается. Изучение спектрогелиограмм в связи с измерениями скоростей движения газов в разных местах Солнца показывает сложную циркуляцию газов в пятнах.

В нижней части пятна газ течет горизонтально от центра к периферии, а в более высоких слоях газы втекают сверху и сбоку внутрь пятна. Скорости достигают 10 км/сек. Однако пятна — спокойные образования, где конвекция подавлена сильным магнитным полем. Вокруг же пятна, в области флоккул, магнитное поле слабо и усиливает конвекцию ионизованного газа, называемого плазмой.

Солнечные газы охвачены непрерывной и мощной циркуляцией, законы которой для нас все еще гораздо «темнее», чем сами пятна.

Хотя фотосфера сама состоит из разреженных газов, она окружена атмосферой, еще более разреженной. Быть может, лучше сказать, что Солнце окружено несколькими покрывалами или оболочками, как бы вложенными одна в другую, так что солнечная атмосфера состоит из нескольких слоев. Атмосфера Солнца, более разреженная, чем фотосфера, почти совершенно прозрачна. Через нее, как через чистое стекло, мы видим фотосферу, а ее самое не видим, так же как стекло. Атмосфера Солнца нагрета до нескольких тысяч градусов и потому испускает свет.

Сравнительно тонкий и разреженный слой атмосферы испускает не непрерывный спектр, а яркие линии, но их свет так слаб, что на светлом фоне неба вблизи края Солнца атмосфера не видна. Небо, освещенное Солнцем вблизи его края, ярче, чем атмосфера Солнца. Там же, где сквозь атмосферу видна фотосфера, свет последней поглощается по уже известным нам причинам в длинах волн, которые атмосфера испускает.

Поглощение атмосферой Солнца света в определенных длинах волн и производит появление в непрерывном спектре фотосферы темных, фраунгоферовых линий.

Но если атмосфера Солнца, проектирующаяся на его диск, прозрачна, а у его края невидима из-за яркого света неба, то можем ли мы узнать ее строение?

Да, можем. Нам помогают в этом полные солнечные затмения. Когда Луна закрывает собой ослепительно яркий диск Солнца, то небо около Солнца, уже не освещаемое его прямыми лучами, темнеет. Тогда на потемневшем фоне неба из-за края Луны становится видна солнечная атмосфера, как яркое кольцо, окаймляющее темный круг Луны. Стоит выглянуть из-за Луны крошечному кусочку яркой фотосферы, как небо тотчас же опять светлеет, и атмосфера

Солнца снова делается невидимой. Атмосферу Солнца во время полного затмейия можно наблюдать всего лишь несколько минут, не больше. К тому же полные затмения Солнца, видимые в таких местностях, куда удобно снарядить экспедиции, бывают редко, так что в общей сложности таким путем солнечную атмосферу мы видели только около одного-двух часов, — и это с тех пор, как наука ею впервые заинтересовалась!

Солнечной атмосферой обычно называют слой газов, более разреженных, чем газы фотосферы, и убывающий в плотности с удалением от нее. Этот слой изменяющейся толщины во время полных затмений «высовывается» из-за темного края Луны либо в виде красноватого кольца, либо в виде серпа, в зависимости от обстоятельств и фазы затмения. За розовый цвет эту оболочку Солнца назвали хромосферой, а розовый цвет ей придает излучение водорода, которого в хромосфере всего больше. Спектр хромосферы состоит из ярких линий на темном фоне. Нижние ее части содержат все те газы, которые своим поглощением в более плотных наружных слоях Солнца вызывают появление в его спектре темных линий. Спектр нижних частей хромосферы, состоящий из множества ярких линий, виден очень недолго, обычно 2–3 секунды, и был назван спектром вспышки: его линии вспыхивают почти на мгновение. Линии разных химических элементов, составляющих хромосферу, наблюдаются до разной высоты. Выше всего наблюдаются линии ионизованного кальция — до 14 000 км, хотя он и тяжелее, чем водород.

Видимая граница хромосферы, различная для разных газов, кроме того, все время колеблется, так как она, по-видимому, не является неподвижным, спокойным напластованием слоев газа. Она образуется, скорее, за счет выбросов газов вверх в форме бесчисленных струй или фонтанов, вздымающихся из обращающего слоя или даже из фотосферы. Представьте себе бесчисленное множество мелких фонтанчиков, струи которых сливаются в сплошную водяную стену, — вот будет примерная модель хромосферы. Хромосфера, другими словами, является не статическим, а динамическим образованием.

Во всяком случае, наличие мощных вертикальных движений газа в хромосфере и из нее и даже взрыво-подобные выбросы газа наблюдаются нами непрестанно.

Во время полных затмений Солнца даже невооруженным глазом видны выходящие из атмосферы гигантские фонтаны раскаленного газа, называемые протуберанцами. Впервые в истории такой протуберанец был отмечен в Древней Руси в 1185 г., но физическая природа протуберанцев была выяснена лишь многими веками позднее. Выброс газов происходит со скоростями, доходящими до нескольких сотен километров в секунду, но, как ни огромны эти скорости, они, как правило, недостаточны для отрыва протуберанцев от Солнца. На солнечной поверхности критическая скорость, при которой тело может уже преодолеть солнечное тяготение и улететь в бесконечность, составляет 617 км/сек. Газы протуберанцев, быстро вздымающиеся вверх, растягиваются в обширные облака, и рассеиваясь, снова оседают вниз. Высота выброса протуберанцев колоссальна. Например, в 1928 г. наблюдали протуберанец, достигший высоты 900 000 км, т. е. 1,3 солнечного радиуса. Это в 2 1/2 раза больше расстояния от Луны до Земли. В 1946 г. наблюдался протуберанец еще вдвое более высокий. При огромной скорости извержения изменения в протуберанцах происходят очень быстро, буквально на наших глазах.

Кроме таких протуберанцев, называемых изверженными, или эруптивными, и состоящими почти из всех газов, входящих в состав хромосферы, на краю Солнца видны еще спокойные протуберанцы. Они имеют вид огромных облаков, плавающих над хромосферой и соединяющихся с ней отдельными колоннами или отростками; они излучают линии водорода, ионизованного кальция и гелия. Длина их доходит иногда до 600 000 км — это в 50 раз больше диаметра Земли, а между тем такой протуберанец» — сравнительно лишь небольшой, временный придаток солнечной атмосферы.

Средний протуберанец плавает на такой высоте над поверхностью хромосферы, что по ней под протуберанцем свободно мог бы катиться земной шар. При средней толщине, равной диаметру Земли, при длине 20 000 км и высоте 50 000 км протуберанец имеет объем в 100 раз больше объема Земли, но так как он состоит из разреженных газов, то его масса равна всего лишь 1018 г, или массе куба воды с длиной стороны в 15 км, т. е. все же больше массы мелких астероидов.

Число протуберанцев на Солнце меняется ото дня ко дню, но в среднем оно растет и убывает вместе с размером площади, занятой солнечными пятнами. Кроме того, изверженные протуберанцы зарождаются вблизи солнечных пятен, тогда как спокойные протуберанцы встречаются в любых местах солнечной поверхности.

Протуберанцы видны «в профиль» на краю Солнца во время полных затмений, но их можно видеть и «сверху» в проекции на солнечный диск. Имея, как и хромосфера, температуру около 10000°, они поглощают свет фотосферы в длинах волн, соответствующих поглощательной способности атомов, из которых они состоят. Поэтому на спектрогелиограммах они видны как длинные темные волокна. С помощью особого метода, описываемого ниже, можно постоянно наблюдать протуберанцы на краю Солнца. Таким образом, мы можем наблюдать протуберанцы ежедневно по всему солнечному диску.

Протуберанцы поддерживаются на большой высоте, по-видимому, электромагнитными силами, но величина их как от места к месту, так и в одном и том же месте в связи с какими-то физическими процессами меняется, иногда даже скачками. Скорости движения протуберанцев, как это недавно выяснилось, тоже иногда меняются скачками.

Звезды, так же как Солнце, должны иметь фотосферу и атмосферу, состоящую из обращающего слоя и хромосферы. Отличие их по температуре, составу и по строению от того, что есть на Солнце, и обусловливает различие между спектрами Солнца и звезд, когда таковое отмечается. На звездах тоже должны быть извержения протуберанцев, хотя непосредственно их нельзя видеть.

За последнее время Лио во Франции, на Гарвардской обсерватории (США) и у нас в Крымской обсерватории, применяя особые светофильтры, пропускающие только излучение красной водородной спектральной линии, испускаемой протуберанцами, удалось заснять их на кинофильм. На этом кинофильме можно видеть в ускоренном темпе, как с поверхности Солнца выбрасываются и затем рассеиваются гигантские газовые арки. На нем видно также, как на некотором расстоянии над поверхностью Солнца возникает внезапно свечение протуберанца и как затем оно распространяется не от Солнца, а в направлении к поверхности последнего. Особенно забавно выглядят еще незадолго до этого неизвестные протуберанцы, которые поднимаются над поверхностью Солнца косо, как струя из водопроводного шланга, и которые затем, как бы подумав немного, убираются обратно в Солнце, откуда они высунулись. Они уходят назад по тому же самому пути, напоминая вытянувшегося червяка, который неожиданно сокращается. Эти замечательные снимки проливают новый свет на природу протуберанцев и указывают на наличие электромагнитных сил в процессе их изменений.

Солнце часто называли властелином Солнечной системы. Эта аналогия не вполне удачна, хотя властелин планет действительно увенчан чудесной короной, и корона эта — жемчужная. Собственно говоря, это цвет ее жемчужный, а из чего «сделана» сама корона, о том речь, и речь весьма длинная, будет дальше.

Лишь во время полных солнечных затмений видим мы солнечную корону как чудесное серебристо-жемчужное лучистое сияние, со всех сторон простирающееся вокруг Солнца. Внутренняя часть короны, более яркая, дает непрерывный спектр, на который наложены яркие линии, — ни одну из них никто никогда не видел в лаборатории на Земле. Внешняя, менее яркая часть короны характерна лучами, достигающими в длину диаметра Солнца и даже иногда еще более длинными. Общий свет короны примерно вдвое слабее света полной Луны.

Форма короны при разных затмениях различна, и еще безвременно скончавшийся в 1908 г. пулковский астроном Ганский обнаружил, что эта форма зависит от фазы солнечной активности.

Когда пятен и протуберанцев на Солнце много, у короны «растрепанный» вид. Ее искривленные лучи торчат во все стороны, как волосы на голове человека, только что вскочившего со сна. Когда же на Солнце пятен мало, то корона вытягивается вдоль солнечного экватора наподобие крыльев или опахал.

В 1942 г. советский астроном Н. М. Субботина высказала интересное предположение, что знаменитое изображение крылатого Солнца у египтян, этот их священный и любимый, наравне со скарабеем, символ, есть не что иное, как изображение Солнца с его короной.

Во всяком случае корона, хорошо видимая при затмении невооруженным глазом, не могла не производить потрясающего впечатления на наблюдательных египетских жрецов, которые к тому же обоготворяли Солнце и придумали изображение крылатого Солнца.

На некоторых фотографиях затмений в эпохи, промежуточные между — максимумом и минимумом пятен, солнечная корона выглядит как крылья гигантской бабочки, вспорхнувшей на небо и усевшейся на его фиолетово-синем бархатном фоне.

Несколько тысяч лет назад строители египетских пирамид взирали на чудесное и загадочное явление короны, на крылатое Солнце, но приходится признать, что и для нас оно представляет все еще немало загадок.

Мы не знаем еще точно происхождения короны и причины ее лучистости, хотя искривление корональных лучей от полюсов к экватору Солнца очень похоже на искривление силовых линий магнитного поля около намагниченного шара. Корона не спокойное, статическое образование, а пополняется непрерывно веществом, исходящим из Солнца наружу, Огромная протяженность короны и ее спектр (не чисто газовый) не позволяет нам решиться назвать корону самой внешней частью солнечной атмосферы.

Если она образуется отчасти притекающей к Солнцу метеоритной пылью, как думают некоторые, то ее, конечно, нельзя назвать атмосферой, но если она состоит из вещества, распыленного вокруг себя Солнцем, то чем тогда она не своеобразная, грандиозная атмосфера! Во всяком случае таковой должна являться внутренняя газовая корона, так как она прилегает к газам солнечной атмосферы и образует кругом последней сравнительно неширокий слой.

Внешняя корона дает спектр, который является копией спектра Солнца — непрерывный и с теми же темными линиями. Предполагают, что внешняя корона состоит из электронов, а дальше от Солнца — и из твердых частиц метеоритной пыли, рассеивающих солнечный свет. Академик В. Г. Фесенков указывал, что внешнюю корону в части ее, состоящей из приближающейся к Солнцу метеоритной пыли, нет нужды представлять себе доходящей почти до самой поверхности Солнца. Она может обрываться на расстоянии около 0,1 астрономической единицы от него, так как ближе метеоритные частички будут уже испаряться. Это, однако, не помешает нам видеть корону в Качестве сияния, окружающего Солнце, и медленно растущей в яркости с кажущимся приближением к поверхности Солнца в проекции на небесную сферу.

Еще одну загадку представлял собой спектр внутренней короны, состоящий из ярких линий. Но о ней мы расскажем ниже.

Наконец несколько лет назад радионаблюдения обнаружили, что корона Солнца окружена невидимым грандиозным продолжением — внешней короной. Ее радиоизлучение слишком слабо, чтобы его можно было измерить. Но концентрация электронов в в этой короне достаточна для того, чтобы в ней происходило преломление радиолучей. В. В. Виткевич предложил наблюдать ежегодные случаи, когда очень мощный источник радиоизлучения — Крабовидная туманность (о которой говорится в разделе «Сверхвзрывы сверхновых звезд») покрывается этой короной при движении Солнца по эклиптике. Из-за рефракции радиолучей в короне «видимое» радиотелескопом положение Крабовидной туманности и ее форма временно меняются. Так и было открыто существование внешней короны, прослеженной к 1967 г. на расстоянии до 100 радиусов Солнца, что составляет половину его расстояния от Земли!

Этот «обман», как и многие другие «обманы», был основан на глубоком знании свойств той же природы. Помехи, создаваемые нашему исследованию одними свойствами природы, мы обходим, используя другие ее свойства.

26 октября 1868 г. на заседании Парижской Академии наук было зачитано только что полученное письмо английского астрофизика Нормана Локьера. Оно было датировано 20 октября и содержало описание способа, который Локьер изобрел для наблюдения протуберанцев в любое время, а не только во время полных затмений.

Этим способом Локьер с успехом наблюдал ежедневно то, что раньше удавалось наблюдать в течение нескольких минут затмения, однажды в несколько лет, да и то лишь предпринимая для этого далекие путешествия в полосу полного затмения.

Не успели еще присутствующие прийти в себя от восторга и изумления от этого ценного изобретения Локьера, как секретарь Академии взял второй конверт с почтовым штемпелем Гунтур (Индия) и зачитал письмо, вынутое им из этого конверта. Его написал французский ученый Жюль Жансен еще 19 августа, но оно только что добралось до Парижа. Жансен сообщал об открытом им способе наблюдать протуберанцы ежедневно, вне солнечного затмения. Способ Жансена оказался совершенно тождественным способу, независимо от него и в то же время открытому Локьером. Обоих ученых разделяло расстояние в четверть земной окружности.

Жансен отправился в далекое морское путешествие в Индию с целью наблюдать полное затмение Солнца 18 августа 1868 г. Наведя спектроскоп на протуберанцы, вздымавшиеся над краем Солнца и ставшие видимыми, как только Луна скрыла Солнце, Жансен увидел, что спектр протуберанцев состоит из ярких линий.

В его мозгу блеснула неожиданная мысль, и он тотчас же крикнул откружающим: «Я увижу эти протуберанцы и без затмения!». И действительно: на следующее утро он уже показывал их всем желающим, хотя затмение давно кончилось.

Идея Жансена и Локьера состояла в увеличении контраста между протуберанцами и небом вблизи солнечного края за счет различия их спектров. В обычное время видеть протуберанцы мешает яркий фон неба, освещенного Солнцем.

Установим широкую щель спектроскопа (S на рис. 130) касательно к изображению Солнца (RPR) в фокусе телескопа так, чтобы в нее попадало изображение протуберанца. Тогда свет протуберанца распределится по нескольким его ярким цветным изображениям (например С в спектре, изображенном справа) соответственно испускаемым им длинам волн. Свет же неба, также попавший в щель спектроскопа, распределится по всему непрерывному спектру, ибо свет неба — это рассеянный свет Солнца и его спектр — это спектр Солнца.

В результате яркость цветных изображений протуберанца на фоне непрерывного спектра повысится, контраст будет сильнее, чем при обычном наблюдении, и протуберанцы станут видны. Мало того, что они становятся видны, видно еще, из каких газов они состоят, так как изображения протуберанцев в спектре получаются лишь в тех длинах волн, которые испускаются составляющими их газами.

В память этого поразительного совпадения Парижская Академия наук выбила золотую медаль с портретами Жансена и Локьера на одной стороне. На другой был изображен бог Солнца Аполлон в колеснице, запряженной четверкой коней, и надпись: «Анализ солнечных протуберанцев 18 августа 1868 года». Но где же третий ученый, — спросите вы, так как в заголовке этого параграфа говорилось о трех ученых.

Третий ученый выступил на сцену шестьюдесятью годами позднее, и сценой этой была вершина «Полуденный пик» (Пик дю-Миди) во Французских Альпах. Ее высота 2800 м. Но прежде чем этот ученый достиг своего успеха, много других билось над той же проблемой и всех их постигло жестокое разочарование.

Всем хотелось увидеть протуберанцы непосредственно и сразу кругом всего Солнца, а не в спектроскоп и не обводя его щелью шаг за шагом солнечный диск. Еще больше мечтали увидеть или сфотографировать солнечную корону вне затмения.

После многих попыток и неудач ученых всех стран неизвестный дотоле немецкий астроном-любитель Блюнк в 1930 г., казалось, разрешил эту задачу. Он рассчитывал сфотографировать корону через стекло, пропускающее только инфракрасные лучи, надеясь, что в них контраст между светом короны и светом неба больше, чем в обычных лучах. После упорной работы в течение ряда лет ему удалось изготовить специального рода пластинки и опубликовать фотографию солнечной короны вне затмения. К концу своих трудов изобретатель тяжело заболел, отравившись парами ядовитых веществ, с которыми он имел дело в своих опытах. Увы, его жертва была напрасна, так как вскоре было доказано, что Блюнк сфотографировал не корону…, а тот ореол, который создают вокруг Солнца пылинки нашей атмосферы и который можно видеть невооруженным глазом без всяких затей.

После неудачи Блюнка успех казался невозможным, но в 1930 г. француз Лио описал опыты с построенным им коронографом. С помощью него на вершинах гор, где небо темнее и чище, чем внизу, можно ежедневно видеть кругом Солнца протуберанцы и наблюдать в спектроскоп яркие линии солнечной короны, хотя ее саму непосредственно и не видно.

Лио решил, что контраст между фоном неба и протуберанцами, а также короной, будет повышен, если уменьшить рассеяние света в телескопе, поскольку нельзя в достаточной мере уменьшить его рассеяние в земной атмосфере.

Влияние последнего можно ослабить, только поднявшись на гору, оставив ниже себя наиболее сильно рассеивающие свет слои воздуха.

Как сильно уменьшает контрасты рассеяние света между источником его и наблюдателем, показывает следующий интересный опыт. Возьмите ящик и вместо одной из его стенок вставьте диапозитив светлой солнечной короны на темном фоне. Место, занятое черным диском Луны на диапозитиве, выскоблите и вставьте в ящик электрическую лампочку. Повесьте перед ящиком кусок марли, сетка которой рассеивает наподобие атмосферы идущий через нее к наблюдателю свет лампы. Закрывайте теперь понемногу прозрачный круг, освещенный изнутри лампой и изображающий Солнце. Пока на марлю (атмосферу) падает хоть единый луч лампы (Солнца), корона невидима. Как только круг Солнца вы вполне закроете подходящим непрозрачным кружком картона, так тотчас же вокруг «затмившегося Солнца» вспыхивает слабое сияние короны. Повесьте более редкую марлю, дающую меньшее рассеяние, и корона выступит еще отчетливее.

Чтобы уменьшить рассеяние света в телескопе, Лио делал объектив из наиболее прозрачного стекла, оберегал его от самых микроскопических царапин и пылинок, устранял каждую пылинку из воздуха внутри трубы. Каждая из этих мелочей, складываясь с другими, уже заметно уменьшала рассеяние света на пути от Солнца к глазу наблюдателя и оправдывала поговорку: «с миру по нитке — голому рубашка». Установив в фокусе телескопа черный кружок, который только-только закрывал изображение Солнца, Лио мог прямо в окуляр своего коронографа видеть вокруг Солнца розовые протуберанцы.

Так трое ученых обманули природу, мешавшую нам изучать протуберанцы и корону.

В настоящее время на обсерваториях Советского Союза ведется исследование протуберанцев и короны вне затмения при помощи коронографов типа Лио, построенных в СССР.

Спектр нижних частей хромосферы, наблюдаемый в течение одной-двух секунд во время полных затмений (отчего он и получил название спектра вспышки), и темные фраунгоферовы линии в обычном спектре Солнца позволяют определить химический состав солнечной атмосферы. Надо твердо это помнить. Химический состав недр Солнца по спектру определить нельзя: мы видим спектр только атмосферы.

На Солнце мы по его спектру находим только те элементы, которые нам известны на Земле, но не все. Из 92 (104, считая искусственно полученные элементы, более тяжелые, чем уран)) элементов периодической системы Менделеева в атмосфере Солнца открыто 67, или 2/3.

В любой прежней книжке по астрономии говорилось, что Солнце, «золотое Солнце», не содержит золота. Но из этой книги вы узнаете, что золото на Солнце есть, хотя и в ничтожной доле. Его нашли в 1942 г. по крайне слабой линии, происхождение которой раньше было неясно.

Химические элементы, отсутствующие в солнечном спектре, могут, конечно, отсутствовать в солнечной атмосфере, но могут быть и другие причины отсутствия заметных линий в спектре. Например, последнее может быть обусловлено малым содержанием этого элемента, сопровождаемым чрезмерной слабостью линий, либо действительным отсутствием его линий в доступной наблюдениям части спектра, или недостаточной изученостью спектра данного элемента в лаборатории.

В спектре Солнца отсутствуют линии большинства тяжелых радиоактивных элементов, редких земель, инертных газов (кроме гелия и неона) и галоидов, но обнаружен радиоактивный технеций.

Кроме атомов многих элементов, в атмосфере Солнца, преимущественно в области пятен (обладающих более низкой температурой), обнаружены простейшие молекулы: углерода, циана, водородных соединений и многих других. Кроме того, в пятнах есть еще окись титана, гидриды магния, алюминия и кальция, окислы алюминия, циркония и другие соединения.

Изучение интенсивности линий спектра Солнца позволило, не ограничиваясь установлением наличия разных элементов в солнечной атмосфере, определить их количественное содержание. Так, установлено (Эти данные непрерывно уточняются)), что солнечная атмосфера содержит:

Из этих данных следует, что на водород по массе приходится более 70 %, а на гелий 28 %.

Недра Солнца согласно теоретическим расчетам должны быть беднее водородом.

В 1868 г. астрономы обратили внимание на то, что в спектре протуберанцев есть яркая желтая линия, которая никогда и нигде до этого не наблюдалась. Очевидно, она принадлежит какому-то веществу, которого нет на Земле и которое есть только на Солнце. Предложили назвать это вещество «гелий», от греческого слова «гелиос», что значит Солнце. Астрономы предположили, что это должен быть очень легкий газ, потому что он поднимается высоко в атмосфере Солнца.

25 лет протекло на Земле, в течение которых считали, что на Солнце есть свое особое «солнечное вещество» — гелий.

В 1893 г. при новом точном определении веса азота английский физик Рэлей обнаружил расхождение между весом азота, добытого из аммиака и из воздуха. На литр газа расхождение в весе равнялось весу блохи. Но примириться с ним Рэлей не мог и стал доискиваться причины. Чтобы скорее справиться с задачей, пригласили для сотрудничества известного химика Рамзея, и он заподозрил, что азот, добытый из воздуха, не чистый. К нему, должно быть, подмешан какой-то газ, который тяжелее азота, оттого и вес «воздушного» азота тяжелее; так, грязная соль с примесью песка тяжелее чистой соли в том же объеме.

Ломая голову над этой задачей, Рамзей вспомнил описание Кавендишем одного из своих опытов, о котором он читал еще в студенческие годы. Кавендиш делал его еще в 1785 г., но на него не обратили внимания. Опыт состоял в том, что с помощью электрических разрядов Кавендиш соединял азот с кислородом, получая окислы азота. Как он ни бился, у него в сосуде с ртутью, занявшей место азота, бывшего там ранее и перешедшего в состав окислов, остался крохотный пузырек газа. Этот пузырек газа никак не хотел соединиться с кислородом. Кавендиш свой азот брал из воздуха, и потому Рамзей заподозрил, что Кавендиш столкнулся с тем же газом, который причиняет столько забот его другу Рэлею. Взялись за расшифровку воздушного пузырька. Для этого в большом масштабе повторили опыт Кавендиша и получили упрямый газ, не желавший соединяться с кислородом, уже не в объеме пузырька, а в объеме, допускавшем точное определение его веса. Поступили еще и иначе, прогоняя «воздушный» азот сквозь раскаленный магний, пока они не соединились полностью. В остатке получился тот же самый, не желающий соединяться, или инертный, газ. Он оказался в полтора раза тяжелее азота.

Новый газ не желал соединяться ни с каким другим веществом. За его химическую лень назвали его «ленивым» или, по-гречески, «аргоном». Аргон оказался новым химическим элементом. Аргон был бы открыт на сто с лишним лет раньше, если бы Кавендиш, «державший его в руках», имел точные весы, чтобы взвесить свой пузырек газа.

После своего открытия Рэлей и Рамзей успокоились, но покою их не пришлось быть долгим. Один химик написал в феврале 1895 г., что известный путешественник Норденшельд уже давно привез из Норвегии новый минерал — клевеит. Из этого черного минерала можно было выделить газ, который не соединяется с кислородом. «Геолог, описавший этот минерал, считает его азотом, но, быть может, на самом деле это не азот, а аргон», — писал химик.

Тогда Рамзей достал клевеит, выделил из него газ и посмотрел, какой у него спектр. Спектр вовсе не был спектром аргона. Это было что-то новое, с яркой желтой линией.

Долго думая, он вспомнил, что такую линию четверть века тому назад астрономы открыли в спектре протуберанцев, и с тех пор наблюдают ее ежедневно, приписывая ее неземному газу — гелию. Почти в то же время гелий был открыт в Швеции физиком Лангле. Так открыли солнечное вещество — гелий — на Земле.

Астрономы оказались правы. Гелий — легкий газ, самый легкий после водорода. В небольшом количестве гелий был открыт и в воздухе. Гелий обладает множеством интереснейших свойств и, в частности, для его сжижения нужна очень низкая температура (269° ниже нуля). Любопытно, что при изучении гелия были открыты еще три новых инертных газа.

В 1914 г. английская артиллерия безуспешно обстреляла германский цеппелин, направлявшийся к Парижу. Он, хотя и пробитый осколками снарядов, не загорался, как все дирижабли, наполнявшиеся водородом. Английские химики догадались, что немцы наполнили свой цеппелин гелием, но возникала загадка, откуда они его добывают. В то время лишь немного гелия, добытого с большим трудом, находилось в руках ученых. Английское правительство бросило все силы на поиски природного гелия в своих владениях, и в 1918 г. его нашли в составе нефтяных газов в Канаде, откуда его и стали добывать для военных целей. Только к 1930 г. англичане накопили гелия достаточно для наполнения дирижабля «R-100». Германия, как выяснилось, добывала гелий из монацитового песка, который она в течение многих лет ввозила на пароходах вместо балласта из Индии и Бразилии.

На Солнце гелия чрезвычайно много, но, увы, он для нас там недосягаем. Через 40 лет после того как гелий был открыт на Земле, он представлял еще чрезвычайную редкость, а теперь этот солнечный газ сверкает на Земле желтовато-розовым цветом в витринах московских магазинов, где в длинных стеклянных трубках электрический разряд заставляет его привлекать покупателей. Солнечное вещество стало совершенно прирученным, земным.

Иной была история разоблачения таинственного незнакомца, выступившего перед нами в виде ряда цветных линий спектра солнечной короны. Незнакомца, обнаруженного в спектре солнечной короны в 1869 г., через год после открытия гелия назвали «коронием». Короний был упорнее гелия: он не хотел показываться на Земле. Не показывается он и сейчас. Мало того, гелий по крайней мере был обнаружен в спектрах других небесных тел — звезд и туманностей, короний же обитал только в солнечной короне.

Лишь в 1933 г. короний показался на несколько месяцев в спектре так называемой новоподобной звезды RS Змеедержца (Это созвездие называют также Змееносцем, что вряд ли правильно. Многие люди, особенно на Востоке, могут держать змею, но едва ли есть смысл носить ее в руках)). В этом году слабенькая звездочка, вспыхнувшая уже однажды ненадолго в 1893 г., вспыхнула снова, и в газах, выброшенных ею в момент наибольшего блеска, ненадолго промелькнул короний. Этот случай заинтриговал астрономов, но не пролил света на тайну корония, хотя некоторые соображения еще тогда приводили автора к мысли, что короний как-то связан с железом.

Дело в том, что каждому химическому элементу в таблице Менделеева предоставлена своя клетка — своя квартира. Как только открывался новый элемент, для него тотчас находилась приличествующая ему и незанятая квартира в том или другом этаже таблицы. Уже четверть века назад практически все квартиры во всех этажах дома, построенного для элементов Менделеевым, были заняты. Новым элементам в таблице не оказалось места. Это значит, что им нет места и в природе. Значит, всякий новый незнакомец, и в том числе короний, вовсе не незнакомец, а кто-то из старых знакомых, только в маскарадном костюме и в маске. И имя его — «короний», — не настоящее, а псевдоним, под которым он скрывается. Маскарад его — подневольный, маскарадный костюм в виде незнакомых линий спектра на него надели необычные физические условия, в которые он попал, находясь в солнечной короне, и которых на Земле нет. Сорвите маскарадную маску, и вы увидите под ней знакомый кислород, азот или другой какой-нибудь элемент, смеющийся над нашими тщетными усилиями разоблачить его вот уже более 70 лет.

Убеждение в возможности именно такой расшифровки корония поддерживалось успехом аналогичного случая со спектром разреженных масс газа, образующих туманности, расположенные в межзвездном пространстве. Обнаруженный в них элемент, названный «небулием» (от латинского слова «небула» — туманность) и скрывавшийся под зелеными линиями спектра, был «допрошен с пристрастием» физиком Боуэном в США. После долгого «запирательства» в 1927 г. он «сознался», что он… попросту кислород. Впрочем — не попросту, а кислород, дважды ионизованный, т. е. потерявший два электрона. Но и в этом виде мы бы его разоблачили раньше, если бы он не умудрялся испускать те линии спектра, которые ему «запрещено» испускать.

По сути дела, никто ему, собственно говоря, эти линии не запрещал испускать, но излучение их в земных условиях для него так трудно, что практически обнаружить их в спектре кислорода на Земле невозможно, и потому физики условно назвали эти линии «запрещенными». Линии возникают, когда электрон перескакивает сам по себе, ничем «не принужденный», с одной орбиты на другую. Но вот на той орбите, с которой он должен перескочить, покрутившись на ней некоторое положенное ему время, электрон крутится очень долго — секунды, часы, дни и даже месяцы, прежде чем электрон сам по себе ее покинет и излучит соответствующего «запрещенную» линию.

В земных условиях плотности газа так велики и столкновения атомов поэтому так часты, что с подобной орбиты электрон при ударе сталкивают насильно на другую орбиту раньше, чем он успеет с нее уйти «по своей воле». На обычных же орбитах электрон остается всего лишь около 10~8 сек. Это и не дает возможности атому излучить запрещенную линию.

В газовых туманностях плотность газа так ничтожно мала, что столкновения атомов происходят крайне редко, и излучение ими линий, «запрещенных» в земных условиях, тут происходит беспрепятственно.

По примеру с небулием, линии корония стали искать среди запрещенных линий известных элементов. Их длину волны можно установить только теоретически, зная структуру атомов, но она пока еще не для всех них известна. В газах, выброшенных в пространство звездой RS Змеедержца, были необычайно сильны запрещенные линии атомов железа, ионизованных не слишком сильно. Можно было поэтому поставить линии корония в спектре этой звезды в связь с необычными для звезд условиями свечения паров железа. Многие попытки, сделанные в этом направлении, были безрезультатны, но в 1941 г. шведский ученый Эдлен сообщил давно желанную весть — «короний оказался железом»…

Одни линии корония оказались запрещенными линиями девятикратно ионизованного железа, другие — такими же линиями тринадцатикратно (!) ионизованного железа, а менее яркие линии — принадлежащими многократно ионизованному никелю и другим элементам.

Плотность газа в короне, несомненно, очень мала и могла бы допустить излучение запрещенных линий. А железо в солнечной короне могло бы получаться за счет испарения железной метеоритной пыли, когда она достаточно приближается к Солнцу и нагревается.

В первый момент к отождествлению корония астрономы отнеслись недоверчиво. Как может быть, чтобы вблизи Солнца, которое само имеет температуру «всего лишь» в 6000°, могли существовать столь сильно ионизованные атомы железа. Для такой ионизации в обычных условиях нужна температура выше 100 000°, и потому никто раньше не искал короний среди ионов, существование которых требует таких высоких температур. В последнее время стало, однако, намечаться объяснение существованию вблизи Солнца паров железа, атомы которого лишились 9 и даже 13 электронов. Это может произойти не только от высокой температуры, но и от влияния некоторых других процессов, возникающих в разных местах хромосферы. Описание их здесь было бы слишком сложно, но укажем, что московский астроном И. С. Шкловский представляет обстоятельства дела следующим образом. В условиях короны достаточно наличия слабого электрического поля в ней, чтобы возникло движение электронов наружу со скоростью, соответствующей температуре в 1 000 000°.

Эти электроны, возникающие в самой короне, с бешеными скоростями налетая на находящиеся в ней же атомы железа и никеля, ионизуют их так сильно, как при других условиях это осуществлялось бы при температуре в миллион градусов.

Как показали В. А. Крат и С. Б. Пикельнер, поверхность Солнца, выбрасывая свои электроны в мировое пространство, получает положительный заряд благодаря накапливанию положительно заряженных ионов. Но это ведет тогда к взаимному отталкиванию ионов и к выбросу их из Солнца, заряд которого, уменьшаясь, позволяет электронам выбрасываться снова. Так Солнце постепенно теряет свою массу.

Разгадку корония можно считать решенной, и можно считать решенной загадку спектра солнечной короны, в целом. К настоящему времени в спектрах небесных светил не осталось ни одного «небесного вещества», все их линии принадлежат веществам, имеющимся и на Земле. Мы потеряли в науке два химических «элемента» — небулий и короний, но взамен них приобрели знания о строении и поведении как мельчайших атомов, так и грандиозных мировых тел…

На Солнце в так называемых активных областях наблюдается усиление движения газов и изменение характера этих движений. В этих областях возникают не только пятна, но и факелы, флоккулы, усиление магнитных полей, некоторые протуберанцы.

Активные области излучают больше корпускул, ультрафиолетовых, рентгеновских и даже космических лучей высокой энергии. Все эти виды излучений лишь недавно стало возможно изучать приборами, установленными на высотных ракетах, искусственных спутниках Земли и межпланетных автоматических станциях.

Ультрафиолетовый конец солнечного спектра впервые сфотографировали с высотных ракет, так как земная атмосфера это коротковолновое излучение поглощает целиком и не пропускает к Земле.

Между тем ультрафиолетовый спектр Солнца содержит ценнейшую дополнительную информацию о физическом состоянии и химическом составе внешних слоев Солнца. Ультрафиолетовые лучи — главный ионизатор земной атмосферы, основной создатель ее ионосферы.

Для измерения рентгеновского излучения Солнца вместо спектрографа приходится пользоваться особыми счетчиками, покрытыми тонкой пленкой, поглощающей рентгеновские кванты разной энергии, в зависимости от состава и толщины пленки. На рис. 131 приведена фотография Солнца в рентгеновских лучах. В этих лучах особенно ярки активные области. В них рентгеновская яркость раз в 100 больше, чем в спокойных областях Солнца. Рентгеновское излучение возникает во внутренней короне Солнца, на десятки тысяч километров выше уровня появления водородных флоккул.

По спектрогелиограммам было обнаружено, что изредка на Солнце бывают кратковременные яркие вспышки особенно плотных и горячих газов; температура плазмы во вспышках достигает нескольких десятков тысяч градусов. Именно они-то, а не самые пятна, с которыми вспышки обычно связаны, являются причиной быстрых электромагнитных возмущений на Земле, которые раньше приписывались непосредственно влиянию пятен. (Впрочем, дело обстоит, по-видимому, еще сложнее.) Электромагнитные возмущения на Земле проявляются в колебаниях магнитной стрелки компаса, в помехах в работе проволочного и радиотелеграфа и т. д. Об этом мы поговорим еще и дальше.

Для радиосвязи возможность предвидеть наступление таких помех была бы особенно ценна. Опыты предсказания наступления таких помех и даже опыты прогноза погоды, основанные на анализе наблюдаемой связи помех с областями активных изменений и активного излучения на Солнце, все время делаются. Дело в том, что, вообще говоря, для того чтобы повлиять на Землю, активная область должна быть вблизи центра видимого диска Солнца. Всегда можно заранее рассчитать, зная период вращения Солнца, когда активная область, видимая вдали от центра, окажется вблизи него (вернее, на его центральном меридиане).

Улучшение предсказаний хромосферных вспышек очень важно для обеспечения безопасности космонавтов. При хромосферных вспышках возникают лучи, сходные по составу с космическими лучами: 90 % протонов и 10 % альфа-частиц (ядер гелия). Интенсивность космического излучения возрастает при этом в тысячи раз и более в течение нескольких часов. Особенно мощные вспышки происходят в среднем один раз за 4–5 лет в эпоху спада или подъема солнечной деятельности.

С 1957 г. на Солнце пытались обнаружить изотоп водорода с атомным весом 2. Можно было ожидать его образования при ядерных реакциях, сопровождающих солнечные вспышки. В августе 1972 г. при сильной вспышке было обнаружено гамма-излучение, которое могло произойти при образовании дейтерия. На следующий год дейтерий был обнаружен непосредственно в солнечном ветре при нескольких вспышках благодаря приборам, установленным на двух искусственных спутниках Земли. Тут же зарегистрировали и другой изотоп водорода — тритий. Он нестабилен и половина его распадается за 12,6 лет. Оба изотопа возникают от столкновений быстрых протонов и ядер гелия с ядрами более тяжелых элементов. В продуктах вспышек содержание дейтерия возрастает в сотни раз, достигая 0,1 % атомов водорода. Проходившая, по-видимому, очень активная область Солнца дала ряд очень сильных хромосферных вспышек, сопровождавшихся рядом геофизических последствий — бурь в космических лучах, больших магнитных бурь и возмущений ионосферы. Подобные вспышки крайне опасны для космонавтов в открытом Космосе и даже внутри корабля. К сожалению, предвидеть их мы еще не умеем.

Многие исследователи в годы второй мировой войны обнаружили радиоизлучение, идущее от Солнца. Из радиоволн, испускаемых Солнцем, мы можем принимать волны длиной (примерно) от 10 м до нескольких сантиметров.

Если предположить, что Солнце в области радиоволн излучает как абсолютно черное тело, то по интенсивности его радиолучей с длиной волны 1 м его температура составляет сотни тысяч градусов. Метровые волны излучаются солнечной короной, а сантиметровые — хромосферой. Вычисленная выше «температура» характеризует лишь скорость движения электронов в этих оболочках Солнца и соответствует тому, что говорилось ранее в этой книге о причине ионизации газов в короне.

Временами радиоизлучение Солнца усиливается в сотни тысяч раз. Это явление называют «всплесками»; они сопровождают большие солнечные пятна, вернее, происходящие вблизи последних кратковременные извержения из недр крайне горячих газов — хромосферные вспышки.

По теории И. С. Шкловского эти «всплески» вызваны тем, что потоки электрически заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем и производящих на Земле полярные сияния, на своем пути вызывают в солнечной атмосфере особые «собственные колебания» находящихся в ней электронов. Эти колебания порождают кратковременное усиленное радиоизлучение.

Однако радиоизлучение активного Солнца очень сложно и разнообразно и теоретическое его объяснение находится в процессе дальнейшей разработки.

За последние годы теория строения Солнца и явлений на нем сильно продвинулась вперед. В частности, на основе лабораторных опытов с плазмой пришли к выводу о том, что магнитные поля на Солнце играют очень большую роль в наблюдаемых на нем явлениях.

Ядерные реакции происходят в ядре Солнца, где температура достаточно высока — 16 млн. градусов. Радиус этой зоны, где вырабатывается энергия при ядерных реакциях, составляет, по-видимому, около 200 000 км. С удалением от центра Солнца температура падает быстро — на 20° на каждый километр. В этой области происходит перенос лучистой энергии излучением. Не доходя одной десятой по радиусу до фотосферы, температура падает медленнее, и в переносе энергии в ней принимает участие конвекция в виде вертикального подъема горячих газов и опускания холодных газов. Происходит перемешивание вещества, которое, однако, неравномерно по разным направлениям.

В фотосфере водородные атомы в основной своей массе нейтральны, в хромосфере, являющейся переходным слоем, они ионизуются и в короне наступает полная ионизация. Толщина фотосферы только 200–300 км, т. е. около V300 радиуса Солнца. Таким образом атмосфера Солнца состоит из плазмы — смеси ионов и свободных электронов. Хромосфера, в сотни тысяч раз менее плотная, чем фотосфера, переходит в корону. За счет облучения энергией, испускаемой фотосферой, при ее температуре в 6000° термометр в хромосфере показал бы 5000°, а в короне еще меньше. Частицы разреженного газа хромосферы и короны налетали бы на термометр так редко, что не могли бы его нагреть. Однако скорости движения частиц в хромосфере и короне очень велики. Известно, что температуру газа можно измерять кинетической энергией его частиц. Это так называемая кинетическая температура. В фотосфере температуры излучения и кинетическая соответствуют друг другу, а в хромосфере и короне различаются резко — в хромосфере кинетическая температура составляет десятки тысяч градусов, а в короне — около миллиона градусов.

«Нагревание» хромосферы происходит эа счет энергии распространяющихся в ней волн, порождаемых движением гранул в фотосфере. В короне, простирающейся на расстояние до 10 радиусов Солнца, число атомов в 1 см3 в 100 миллиардов раз меньше, чем число молекул в 1 см3 воздуха у поверхности Земли. При такой же плотности, как воздух, вещества в короне хватило бы на слой, окружающий Солнце при толщине всего в несколько миллиметров. В ней возникает основное» радиоизлучение Солнца. С такой же интенсивностьто, как корона, нагретое тело такого же размера излучало бы при температуре в миллион градусов, а такой кинетической температуры требуют, как мы видели, и наблюдаемые в спектре короны яркие линии многократно ионизованных металлов.

Изучение взаимодействия магнитного поля и плазмы показало, что на плазму в целом движение вдоль силовых линий магнитного поля не влияет. При движении же электрически заряженных частиц поперек линий поля (т. е. при течении тока) возникает дополнительное магнитное поле. Сложение этих магнитных полей вызывает искривление и вытягивание силовых линий вслед за движением вещества. Между тем у магнитных силовых линий есть натяжение, стремящееся их выпрямить. Это создает магнитное давление, и поле, мешая плазме пересекать силовые линии, его тормозит и даже может увлечь за собой, если поле сильно. Если оно слабо, то плазма перемещает силовые линии вместе с собой. Итак, во всех случаях можно говорить о том, что силовые линии как бы «вморожены» в плазму.

Эти сведения, а также регулярные измерения напряжения магнитного поля в разных местах на Солнце позволили подойти к объяснению многих явлений на нем.

Общее магнитное поле Солнца очень слабо, но оно, видимо, играет большую роль. Лучи короны, особенно в полярных областях Солнца, располагаются подобно силовым линиям, выходящим и входящим у полюсов намагниченного шара. Изменение направления поля в каждом полушарии Солнца от одного цикла солнечной активности к следующему также очень важно. Причина этого изменения еще не ясна, но известны звезды с очень мощными магнитными полями, у которых полярность поля также периодически меняется.

При вращении Солнца самые быстрые (экваториальные) слои увлекают за собой силовые линии слабого общего поля Солнца, которые в них «вморожены». Эти линии вытягиваются под фотосферой и за три года обвиваются вокруг Солнца шесть раз, образуя тугую спираль. Если силовые линии расположились при этом теснее, то, значит, тут общее (и искаженное здесь) магнитное поле Солнца усилилось.

Ближе к полюсам силовые линии общего поля выходят из фотосферы вверх, и поэтому поле здесь не усиливается. Впрочем, на самом экваторе, где угловая скорость вращения в некоторой зоне меняется мало, поле также не усиливается, а на широтах +30°, где скорость вращения меняется быстрее всего, усиление поля максимально. Так под фотосферой образуются подобия трубок из сгущенных силовых линий. Давление газа в них складывается с давлением магнитного поля, перпендикулярным к его линиям. Газ в «трубке» расширяется и становится как бы легче и может «всплыть» наверх. В этом месте, где она приближается к поверхности, на Солнце наблюдается усиление магнитного поля, а затем и появление факела, а за ним и поля факелов. Их горячие газы поднимаются выше, чем соседние места фотосферы, потому что слабое магнитное поле вокруг них гасит мелкие турбулентные движения, стремящиеся тормозить поток горячего выходящего газа. Над факелами в хромосфере также происходит нагрев и возникают горячие флоккулы. Наконец, над флоккулами в короне начинается более яркое свечение. Так развивается активная область на Солнце. Всплывая к поверхности и пересекая ее, трубка со сгущенными силовыми линиями образует местные усиления магнитного поля и возникают солнечные пятна. Их пониженная температура обусловлена тем, что очень сильное магнитное поле в этой области подавляет не только турбулентность, но и сильные конвективные движения. Поэтому здесь приток снизу горячих газов прекращается, тогда как вокруг пятна, в области факелов и флоккул, конвекция слабым магнитным полем усилена, так как оно подавляет слабую турбу-ленцию и там приток горячих газов снизу облегчен. Понятно, что пересечение изогнутой трубки с этой поверхностью в двух местах обусловливает у двух главных пятен противоположные магнитные полярности. Выход трубки из фотосферы и рассеивание ее линий ведут к дроблению и исчезновению двух главных пятен, образованных пересечением силовой трубки с поверхностью Солнца. Выход — силовых линий трубки в разреженные хромосферу и корону, где давление газа меньше, чем давление магнитного поля, ведет к тому, что линии расходятся, образуя петли и дуги.

Постепенно области активности с порождающими их магнитными трубками в восточной части образуют пятна с полярностями, противоположными той, какая была в начале цикла у этого полюса Солнца. Это вызывает сначала нейтрализацию прежнего общего магнитного поля, а затем, за три года до конца 11-летнего цикла солнечной активности, создает общее поле противоположной полярности.

Через 11 лет восстанавливается прежняя картина полярностей общего поля.

Так получает в основных чертах, по-видимому, правильное объяснение (данное Бэбкоком), 22-летняя периодичность солнечной активности.

Хромосферные вспышки на Солнце образуются вблизи нейтральных точек магнитных полей в активных областях, где с удалением от этих точек напряжение поля быстро возрастает. Здесь происходит крайне быстрое сжатие магнитного поля вместе с плазмой, в которую оно «вморожено», и энергия магнитного поля переходит при этом в излучение газа. Плазма сжимается в тонкий шнур и температура ее резко возрастает — до нескольких десятков тысяч градусов. Плотность хромосферы возрастает здесь за несколько минут в сотни тысяч раз.

Кроме огромного повышения температуры, а с нею и излучения, особенно ультрафиолетового и рентгеновского, хромосферная вспышка состоит и в так называемом всплеске радиоизлучения. На метровых волнах последнее усиливается до десятков миллионов раз.

Источник этого радиоизлучения перемещается из хромосферы в корону со скоростью около 1000 км/сек. Вероятно, он возникает в результате выброса космических лучей, порожденных вспышкой, и бомбардировки плазмы этими лучами, что и вызывает колебания плазмы, порождающие всплеск радиоизлучения.

Наблюдаемые в короне лучи, видимо, порождаются этими потоками быстрых, электрически заряженных частиц, тянущих за собой силовые линии магнитного поля. И это поле, и плазма короны тормозят потоки частиц, но часть их вырывается из атмосферы Солнца и, попадая в земную атмосферу, производит полярные сияния. Изменение картины магнитного поля Солнца от минимума его активности к максимуму и определяет изменения формы короны, о чем мы уже говорили.

Многие протуберанцы, как и лучи короны, обусловлены движением газа вдоль силовых линий, отчего и происходят, например, выбросы их по дугообразной траектории и «скатывание» их обратно на поверхность Солнца. По-видимому, протуберанцы находятся преимущественно в областях плавных изменений магнитного поля. Возникновение свечения протуберанцев внезапно вверху, а затем их движение только вниз обусловлено, по-видимому, процессами, аналогичными тем, какие дают хромосферные вспышки, но менее резкими. Сжатие магнитного поля ведет к сжатию относительно холодного газа, к подъему его плотности и к свечению.

Таковы основные черты современной, в основном газомагнитной, теории солнечных явлений.

Уже давно норвежские геофизики Биркеланд и Штермер пришли к выводу, что Солнце испускает потоки корпускул — электрически заряженных частиц. По их мысли, эти частицы, попадая в земную атмосферу, могли вызывать возмущения магнитного поля Земли и полярные сияния. В периоды повышения солнечной активности учащаются и усиливаются полярные сияния и магнитные бури на Земле. Последние выражаются в колебаниях напряженности поля, в колебаниях магнитной стрелки компаса. В пятидесятых годах немецкий астрофизик Бирман показал, что ряд явлений в кометных формах, в частности, большие ускорения в движении газов в кометных хвостах I типа должны быть результатом взаимодействия плазмы кометного хвоста с солнечными корпускулярными потоками, несущими с собой магнитное поле. Эта теория развивается; она объясняет многие явления, остававшиеся непонятными, когда полагали, что на кометы действует главным образом давление солнечного света. Так как кометы движутся по солнечной системе постоянно и в разных направлениях, то надо заключить, что корпускулярное излучение Солнца испускается непрерывно и по всем направлениям, заполняя солнечную систему.

Г. М. Никольский, С. К. Всехсвятский и В. И. Чередниченко отождествили корпускулярные потоки с лучами солнечной короны, рассматривая ее как динамическое образование. Из этого следовал вывод, что солнечная корона непрерывно расширяется.

Чепмен пришел к заключению, что солнечная корона с температурой миллион градусов вследствие большого потока тепла, создаваемого ею, должна простираться до орбиты Земли, где ее температура падает до 200 000°. Здесь он оценил плотность короны в 100-1000 атомов водорода в 1 см3, что вытекало и из интерпретации поляризации зодиакального света. Чепмен даже заявил так: «Мы живем в солнечной короне!». Расширяясь, солнечная корона уже на расстоядии 107 км от Солнца должна иметь скорость в несколько сотен километров в секунду. Паркер отождествил расширяющуюся солнечную корону с корпускулярным излучением Солнца и назвал последнее «солнечным ветром».

Появились и экспериментальные данные: начиная с 1959 г. автоматические межпланетные станции стали регистрировать солнечные корпускулярные потоки на разных расстояниях от Земли в межпланетном пространстве. Они установили, что солнечный ветер «дует» постоянно со скоростью около 400 км/сек на расстоянии Земли от Солнца и что число частиц в 1 см3 несколько колеблется. Через 1 см2 за секунду проходит 108–109 частиц и больше после сильных вспышек на Солнце. Они несут с собой магнитное поле и движутся не по радиусам, а по спиралям. Но солнечный ветер не отличается постоянством. В его потоках наблюдаются и турбулентность газа и деформация магнитного поля. В настоящее время солнечный ветер усиленно изучается всеми доступными средствами, так как он ответствен и за процессы в кометах и за многие геофизические явления в земной магнитосфере и атмосфере ( О солнечном ветре см. в книге «Астрономия невидимого», «Наука», 1967)).

Полярные сияния чаще всего, почти ежедневно, наблюдаются в кольцевых зонах радиусом 23° с центром около магнитных полюсов Земли. Самые мощные и высокие полярные сияния наблюдаются не только в высоких и средних широтах, но даже в тропиках, сопровождая собой наступление магнитных бурь, отмечаемых одновременно по всей Земле. Виды и типы полярных сияний, этого электрического свечения в стратосфере, весьма разнообразны. Хотя все они вызваны проникновением в стратосферу частиц высоких энергий, связанных с активностью Солнца, причины существования разных форм сияний неодинаковы. Высота полярных сияний определяется по параллаксу их деталей. Для этого одновременно фотографируют сияние из двух точек и определяют его положение на фоне неба по отношению к звездам.

Чаще всего сияния происходят на высотах 95-120 км, но иногда и немного ниже; изредка же сияния можно увидеть на высотах до 1000 км. Знание этой высоты и плотности воздуха на разных высотах позволяет определить скорость и энергию корпускул, вторгающихся в стратосферу. До высоты 100 км могут проникать протоны с энергией 100 килоэлектронвольт (кэв) и электроны с энергией даже в 10 раз меньшей.

В спектрах полярных сияний наблюдаются яркие линии атомарных и полосы молекулярных кислорода и азота, как нейтральных, так и ионизованных. Среди них есть и запрещенные линии, о которых мы говорили в очерке «История двух незнакомцев». Они обусловлены разреженностью стратосферы, которая на высоте 100 км в миллион раз менее плотна, чем воздух на уровне моря.

С различием химического состава воздуха на разных высотах и различием энергии вторгающихся корпускул связано появление преимущественно тех или других спектральных линий. Поэтому-то в полярных сияниях и наблюдается чарующая игра разных красок и их отблесков на белоснежных полях арктических и антарктических просторов. Наблюдается в спектре полярных сияний и красная линия атомарного водорода, производимая вторжением солнечных протонов.

Очень много для понимания природы полярных сияний дали обширные систематические исследования их, проведенные во время Международного геофизического года (МГГ), а также исследования при помощи искусственных спутников Земли и геофизических ракет.

Магнитное поле Земли в общем похоже на поле намагниченного железного шара с силовыми линиями, выходящими из одного магнитного полюса и входящими в другой. В связи с этим дуги полярных сияний вытягиваются вдоль геомагнитных параллелей, а их лучи — вдоль геомагнитных силовых линий.

Сияния в области геомагнитных полюсов, аморфного вида, производятся очень энергичными электронами, приходящими непосредственно от Солнца, но отклоняемыми в своем движении магнитным полем Земли. Сияния в области наибольшей их повторяемости — в области полярных кругов — возбуждаются электронами с энергией 10 кэв и меньше, которые не могут прийти прямо от Солнца, а приобрели большую скорость, странствуя в магнитном поле Земли, хотя они и не принадлежат к радиационным поясам Земли. Здесь же происходят и сияния, вызванные протонами с энергией в 1 1/2 — 2 кэв, т. е. с такой же, какой обладают протоны солнечного ветра. Протоны эти попадают в зону обтекания геомагнитного поля, а оттуда врываются в стратосферу. Сияния в виде красных дуг на высотах около 350 км создаются ближе к земному экватору протонами небольших энергий из состава солнечного ветра. Детали проникновения корпускул солнечного ветра в стратосферу и их «приключения» в пути еще подлежат выяснению.

Солнечный ветер, вызывая магнитные бури и полярные сияния, возмущая земную ионосферу, влияет на радиосвязь на коротких волнах, а быть может, как считал А. Л. Чижевский, оказывает заметное влияние и на живые юрганизмы. Поэтому изучение солнечного ветра и связанных с ним явлений не безразлично для человеческой практики, особенно в связи с запусками человека в Космос.

Поскольку солнечный ветер связан с активными областями на Солнце, существующими длительное время, а скорость вращения Солнца и скорость корпускулярных потоков известны, наступление магнитных бурь и сильных полярных сияний в некоторой степени удается предсказывать заранее.

Глава 7. Звезды — далекие Солнца

Открылась бездна, звезд полна,

Звездам числа нет, бездне — дна.

Так писал великий ученый и ггоэт, чуткий ценитель красоты природы Михайло Ломоносов. Не в ущерб ему, приведем еще одно высказывание о звездах, принадлежащее, однако, менее авторитетному лицу. «Коллективный автор» Козьма Прутков изложил один анекдот о Декарте так:

«Однажды, когда ночь покрыла небеса невидимою своею епанчею, знаменитый философ Декарт, сидя на ступеньках домашней своей лестницы, некий прохожий подстуцил к оному, с превеликим вниманием на мрачный горизонт смотревшему, с вопросом: «Скажи, мудрец, сколько звезд на небе сем?» — «Мерзавец! — ответствовал сей: — никто необъятного объять не может…»

Смысл всех этих слов тот, что звездам, видимым на небе, «несть числа», а между тем, если говорить о звездах, видимых невооруженным глазом, то они все сочтены давным-давно. Эта задача не необъятна. Мы вполне можем «объять» множественность звезд, она лишь кажется необъятной.

Присмотритесь к звездному небу, разыщите на нем с помощью звездной карты созвездия, и вы скоро убедитесь, как легко ориентироваться на небе, держать на учете все звезды, видимые невооруженным глазом. Их всего около 6000, а сразу над горизонтом их видно только около 3000. Если мы говорим «около», то лишь потому, что острота зрения и прозрачность воздуха бывают различны. В списки занесены и помечены на картах не только все эти звезды, но и множество более слабых.

С уменьшением блеска звезд число их растет, и даже простой их счет становится все более затруднительным.

Так сказать, «поштучно» сосчитаны и занесены в каталоги, а также на карты все звезды ярче 11-й звездной величины. Число звезд, более слабых, мы тоже знаем, но уже не так точно, но это и не так важно. Мы поступаем с ними, как лесничие с деревьями в лесах, не подсчитывающие каждое дерево при учете запасов леса. На небольших типовых площадках определенного размера они подсчитывают число деревьев и умножают их затем на число таких площадок, содержащихся в площади, занятой лесом. Мы поступаем со звездами подобно этому.

В результате подсчет числа звезд, ярче данной предельной звездной величины, можно представить следующей табличкой:

Итак, мы держим на строгом учете около миллиона звезд, а всего доступно нашему наблюдению около двух миллиардов звезд. Числа — внушительные, но «объять» их можно.

Где-то в море в ночной тьме тихо мерцает огонек, и если бывалый моряк не объяснит вам, что это, вы часто и не узнаете: то ли перед вами фонарик на носу проходящей шлюпки, то ли мощный прожектор далекого маяка. В том же положении в темную ночь находимся и мы, глядя на мерцающие звезды. Их видимый блеск зависит и от их истинной силы света, называемой светимостью, и от их расстояния до нас. Только знание расстояния до звезды позволяет подсчитать ее светимость по сравнению с Солнцем. Так, например, светимость звезды, в действительности в десять раз менее яркой, чем Солнце, выразится числом 0,1.

Истинную силу света звезды можно выразить еще и иначе, вычислив, какой звездной величины она бы нам казалась, если бы она находилась от нас на стандартном расстоянии в 32,6 светового года, т. е. на таком, что свет, несущийся со скоростью 300 000 км в секунду, прошел бы его за это время. Десятая часть этого расстояния (т. е. расстояние в 3,26 светового года) принимается специалистами-астрономами за единицу для выражения межзвездных расстояний и называется парсеком. Ее назвали так потому, что с этого расстояния угол, под которым виден радиус земной орбиты, перпендикулярный к лучу зрения (этот угол называется параллаксом), составляет в точности одну секунду дуги. Парсек в 206 265 раз больше расстояния от Земли до Солнца, т. е. астрономической единицы, так что

1 парсек=3,26 светового года=206265 астрономических единиц=3,083Х1013 км.

На стандартном расстоянии в 10 парсек, или 32,6 светового года, Солнце показалось бы нам звездой 5-й звездной величины, т. е. не особенно хорошо видимой невооруженным глазом даже в безлунную ночь. Звездная величина светила на этом стандартном расстоянии называется абсолютной звездной величиной.

Блеск звезд, как и всякого источника света, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния. Этот закон позволяет вычислять абсолютные звездные величины или светимости звезд, зная расстояния до них.

Пусть для примера звезда 5-й видимой величины находится от нас на расстоянии в 40 парсек. Тогда на стандартном расстоянии в 10 парсек она была бы к нам вчетверо ближе и ее видимый блеск возрос бы в 42, т. е. в 16 раз. Но 16 — это почти точно (2 1/2)3, т. е. звездная величина звезды стала бы на три звездные величины меньше. Вместо 5-й она стала бы 2-й звездной величины, была бы на три звездные величины ярче Солнца (М0=+5). Следовательно, ее светимость равна 2 1/2 Х 2 1/2 Х 2 1/2=(2 1/2)3=16. Таким образом, эта звезда 5-й звездной величины в действительности в 16 раз ярче Солнца. Абсолютную величину звезды М можно легко вычислить по ее видимой звездной величине т и расстоянию D в световых годах при помощи формулы

М=(m+7 1/2)-5lgD.

Когда расстояния до многих звезд стали известны, то мы смогли вычислить их светимости, т. е. смогли как бы выстроить их в одну шеренгу и сравнивать друг с другом в одинаковых условиях. Надо сознаться, что результаты оказались поразительными, поскольку раньше считали все звезды «похожими на наше Солнце». Светимости звезд оказались удивительно разнообразными. Приведем только крайние примеры светимости в мире звезд.

Одной из самых слабых является звезда № 359 по каталогу Вольфа. Она в 50 000 раз слабее Солнца, и ее абсолютная величина+16,6.

На другом краю шеренги звезд стоит S Золотой Рыбы, видимая только в странах южного полушария Земли как звездочка 8-й величины. Она в миллион раз ярче Солнца, и ее абсолютная величина — 10,6. Если яркость обычной свечи принять за яркость Солнца, то в сравнении с ней S Золотой Рыбы будет мощным прожектором, а звезда 359 Вольфа слабее самого жалкого светляка!

Итак, звезды — это далекие солнца, но их сила света может быть совершенно иной, чем у нашего центрального светила. Менять наше Солнце на другое нужно было бы с оглядкой. От света одного мы ослепли бы, при свете другого бродили бы, как в густых сумерках.

Спектры звезд — это их паспорта с описанием всех звездных примет, всех их физических свойств. Надо лишь уметь в этих паспортах разбираться. Многое еще мы сумеем из них извлечь в будущем, но уже и сейчас мы читаем в них немало.

По спектру звезды мы можем узнать ее светимость (а следовательно, и расстояние до нее), ее температуру, ее размер, химический состав ее атмосферы как качественный, так и количественный, скорость ее движения в пространстве, скорость ее вращения вокруг оси и даже то, нет ли вблизи нее другой, невидимой звезды, вместе с которой она обращается вокруг их общего центра тяжести.

Если спектры — паспорта звезд, то естественно, что мы стремимся к паспортизации звезд, к получению спектра каждой из них. Уже засняты спектры сотен тысяч звезд, но, не в пример светимостям, они оказываются гораздо менее разнообразны, и это позволяет разбить их на небольшое число спектральных классов.

Каждому спектральному классу соответствует определенная совокупность физических свойств звезды, так что, говоря, например, что звезда принадлежит к спектральному классу А, мы сразу в сжатой форме даем понятие о ее физической природе. Так, обычная звезда спектральногоч класса А будет в несколько десятков раз ярче Солнца, белого цвета, с температурой поверхности около 10 000°, по диаметру в несколько раз больше Солнца, причем в ее спектре самыми заметными будут темные линии водорода. Все это заставляет нас подробнее остановиться на спектральной классификации звезд.

Прежде всего заметим, что звезды бывают разного цвета, всех оттенков от красного через желтый к белому и голубоватому. Определенным цветам звезд соответствуют и определенного вида спектры. Все они похожи на спектр Солнца в том отношении, что у них тоже на фоне непрерывного спектра видны темные линии. Но наряду со спектрами, содержащими в точности такие же линии, как и спектр Солнца, бывают спектры и с совершенно другими линиями.

По предложению Гарвардской обсерватории спектры классифицируют по интенсивности линий в них, и тогда они располагаются в порядке нисходящей температуры звезд, или, что то же, в порядке приближения их цвета от голубоватого и белого к красному. Температуры звезд меняются вместе с их цветом.

В приводимой табличке сопоставлены основные характеристики звезд, связанные с их спектром.

Звезды верхней части таблицы называются чисто условно ранними, остальные — поздними. Спектры промежуточные между типичными, обозначаются так: спектр чуть более поздний, чем АО, обозначают А1, еще чуть более поздний А2, как раз промежуточный между АО и FO обозначают А5, едва более ранний, чем FO, как А9 и т. д. Спектров более ранних, чем О5, нет.

Для запоминания порядка спектральной последовательности, очень нужного, можно запомнить фразу, в которой первые буквы слов идут в этой последовательности, например:

«Один бритый англичанин финики жевал, как морковь».

Любопытно, что чем подобная фраза нелепее, тем она лучше запоминается.

Если вы предпочитаете другую фразу, придумайте ее сами, но, вероятно, еще прежде, чем это вам удастся, необходимость в ней отпадет, так как к этому времени вы уже запомните порядок букв. Он не соответствует алфавитному по случайным причинам.

Заметим, что среди холодных красных звезд, кроме класса М, есть две другие разновидности. В спектре одних вместо полос молекулярного поглощения окиси титана характерны полосы окиси углерода и циана (в спектрах, обозначаемых буквами R и N), а среди других характерны полосы окиси циркония (класс S).

В спектре каждой звезды есть множество линий разных химических элементов, но в таблице отмечены лишь наиболее характерные.

Различие спектров — звездных паспортов — известно давно и получило правильное объяснение в 30-х годах нашего века на основе теории ионизации газов. Было доказано, что это различие зависит в основном не от различия химического состава их атмосфер, который у всех звезд почти одинаков, а от различия их температур. Так, при сравнительно низкой температуре звезд классов К и М или солнечных пятен могут существовать стойкие химические соединения, например, окись титана. В более горячей звезде окись титана распадется на составные части — титан и кислород. В ее атмосфере атомы металлов, легко возбуждаемые и охотно поглощающие свет фотосферы, будут играть главную роль в поглощении и больше всего проявят себя в спектре. Если звезда еще горячее, то атомы металлов ионизуются в ней и дают уже другие линии в спектре.

У еще более горячей звезды атомы металлов теряют уже не один электрон, а больше, и линии их спектра переходят в невидимую нам ультрафиолетовую часть спектра, предоставляя место для назойливого выпячивания водородных линий. Водородные атомы возбуждаются в большем числе и поглощают свет фотосферы (и производят этим темные линии в спектре) при этой более высокой температуре более интенсивно.

Химический состав атмосфер звезд и Солнца по исследованиям Рессела (США), Унзольда (Германия) и других в основном почти одинаков и близок к химическому составу земной коры не только качественно, но и количественно, за исключением того, что в земной атмосфере нет заметных количеств водорода и гелия. Число атомов разного сорта в звездных атмосферах удалось теперь определить по интенсивности производимых ими темных линий в спектре, на основе теории спектров атомов и из лабораторных опытов по определению поглощательной способности различных газов и паров. Различия в химическом составе звездных атмосфер все же есть, они проявляются, например, в различии спектров звезд классов М и N и у горячих звезд типа Вольфа — Райе.

В следующей табличке даны логарифмы среднего числа атомов в столбе атмосфер сечением 1 см2 для звезд и Солнца по сравнению с такими же, но относительными данными для Земли и метеоритов. (Надо помнить, что различие в логарифмах на 2 соответствует различию в числах в 100 раз и т. д.)

Все эти данные не вполне точны, но мы видим, что атомосферы звезд-солнц не только состоят из тех же химических элементов, что и земная кора, но и относительное содержание каждого из них в Земле и в звездах очень сходно, за исключением того, что в звездах и Солнце водорода и гелия гораздо больше.

Любопытно в связи с этим вспомнить, что философ Огюст Конт, позитивист и приверженец идеализма, накануне открытия спектрального анализа утверждал, что человек никогда не зрнает химического состава звезд.

Развитие науки опровергло ошибочное и вредное утверждение Конта. Так же были опровергнуты предсказания невозможности наблюдать когда-либо солнечную корону вне полных затмений. Ставить пределы человеческому познанию нельзя!

В атмосферах звезд обнаружены не все химические элементы, известные нам, и причина этого та же, что в случае Солнца, о котором мы уже говорили.

Атмосферы звезд и Солнца отличаются от Земли по химическому составу, главным образом за счет их богатства водородом и гелием.

Согласно теоретическим расчетам недра звезд, по крайней мере большинства их, тоже состоят в основном из водорода.

В химическом составе отдельных звезд встречаются, как мы уже говорили, некоторые отклонения от средней нормы. Так, есть звезды, несколько более богатые неоном или стронцием. Академик Г. А. Шайн (в Симеизе), удостоенный Государственной премии, обнаружил, что в некоторых холодных звездах встречается аномально много особого вида углерода, так называемого тяжелого изотопа углерода. Обладая теми же химическими свойствами, что обычные атомы углерода, атомы этого изотопа тяжелее на 1/12 долю. Это показывает, что на разных мирах нет абсолютной тождественности условий, как и должно быть в бесконечной и бесконечно многообразной Вселенной.

Большой интерес представило открытие в 1965 г. нескольких «инфракрасных звезд». Эти звезды хотя и видны в телескоп визуально, но большая часть их излучения сосредоточена в далекой инфракрасной области спектра, начиная с 9500 ангстрем (А). Они несколько похожи по спектру на очень красные звезды, но представляют собой какой-то новый класс объектов с очень низкой температурой: 1000° и, может быть, даже 700°. Это приближает нас к допущению существования совсем темных звезд, но число их должно быть очень невелико. Ифракрасные звезды содержат в спектре полосы поглощения окиси титана и окиси ванадия, а, кроме того, и полосы поглощения… водяных паров! Да, да, — вода на звездах, на которых воды-то уж никак нельзя было ожидать. Но во внешних частях атмосферы столь холодных звезд горячие водяные пары могут существовать. Не забудьте, конечно, что и столь «холодные» звезды состоят из разреженного горячего газа — это тоже не огненно-жидкие, тем более не твердые тела.

Сравнительное однообразие химического состава известных небесных тел, быть может, разочарует кого-нибудь. Однако несомненно большое значение этого факта, подтверждающего материальное единство Космоса. Это единство дает нам право распространять на звездную Вселенную законы природы, познанные нами на опыте в скромных пределах нашей Земли. Все это — одно из ярких подтверждений правильности диалектико-материалистического мировоззрения.

Мы уже говорили о том, что температуру небесных индивидуумов можно узнать и не ставя им градусник. Способы определения температур звезд весьма разнообразны, и они взаимно проверяют друг друга. Результаты применения разных способов сходятся довольно хорошо друг с другом и приводят к выводам, уже указанным в таблице звездных спектров. Температуры звезд мы можем измерять, находясь от них на чудовищно больших расстояниях, улавливая получаемое от них тепло, либо вычислять их, когда мы знаем размеры и светимости звезд, вычислять их по относительной интенсивности разных линий в их спектре, на основе теории, дающей зависимость степени ионизации газа от его температуры и проверенной на опытах. Кроме того, температуры звезд можно определить по распределению энергии в их непрерывном спектре и даже по цвету звезды, зависящему от этого распределения.

Надо помнить, что поскольку наблюдаемый нами спектр и свет звезд производятся их атмосферами, постольку и определяемая нами температура, так же как и химический состав, относится только к атмосферам звезд. Температура внутри звезд определяется сложными теоретическими расчетами; она достигает многих миллионов градусов.

За пределами Солнечной системы к звездам приходится сделать такой большой скачок в расстояниях, что он удался всего лишь 140 лет назад, гораздо позднее, чем исчезли сомнения в подобии между Солнцем и звездами. Измеритель морских глубин, — лот, в области астрономии неоднократно «забрасывался» в направлении разных звезд и долго не мог достигнуть ни одной из них, не мог достать «дна». Это, конечно, лишь фигуральное сравнение, потому что, как и в случае определения температур светил, возможность непосредственных измерений расстояний здесь исключена. Как мы сейчас увидим, их можно найти лишь косвенным путем, вычисляя на основании измерения других величин. Этот путь, указанный еще Коперником, состоит в измерении углов, но приборы и методы, позволяющие достигнуть необходимой точности, были созданы лишь в XIX веке. Как и при определении расстояния до любого недоступного предмета, идея способа заключается в измерении разности направлений, по которым видна звезда с двух концов базиса известной длины. Расстояние, соответствующее этой разности направлений, можно вычислить с помощью тригонометрии. В данном случае диаметр Земли в качестве базиса оказался слишком мал, и для огромного большинства звезд при современной точности измерения углов даже диаметр земной орбиты недостаточен. Все же именно его Коперник рекомендовал взять за базис, что и выполнили ученые позднейших поколений.

Только 140 лет назад замечательному астроному В. Я. Струве в России, Бесселю в Германии и Гендерсону в Южной Африке удалось произвести достаточно точные измерения и впервые установить расстояния до некоторых звезд. Чувство, испытанное при этом современниками, напоминало радость моряков, которые при долгом плавании безуспешно бросали лот и, наконец, достали им до дна.

Классический способ определения расстояний до звезд состоит в точном определении направления на них (т. е. в определении их координат на небесной сфере) с двух концов диаметра земной орбиты. Для этого надо их определить в моменты, отделенные друг от друга полугодом, так как Земля за это время сама переносит с собой наблюдателя с одной стороны своей орбиты на другую.

Кажущееся смещение звезды, вызванное изменением положения наблюдателя в пространстве, чрезвычайно мало, едва уловимо. Его предпочитают измерять по фотографии, делая для этого, например, на одной и той же пластинке два снимка избранной звезды и ее соседок, один снимок через полгода после другого. Большинство звезд так далеки, что их смещение на небе при этом совершенно незаметно, но по отношению к ним достаточно близкая звезда заметно смещается. Это ее смещение и измеряют с точностью до 0",01- большей точности пока достигнуть еще не удается, но она уже намного выше точности, достигнутой полвека назад.

Описанное кажущееся смещение звезды вдвое больше того угла, под которым с нее был бы виден радиус земной орбиты и который называется годичным параллаксом. (Мы здесь говорим о радиусе потому, что в данном случае отличием орбиты Земли от окружности можно пренебречь.)

Самой близкой к нам звездой можно считать звезду первой величины α Центавра, невидимую в СССР, хотя одна близкая к ней, невидимая невооруженным глазом звездочка оказывается еще на 1 % ближе. Параллакс этих звезд наибольший и составляет 3/4"; он измерен с точностью около 1 %, поскольку точность угловых измерений достигает 0",01.

Под углом около 0",01 нам представляется поперечник копейки, если ее поставить на ребро на Красной площади в Москве и рассматривать из Тулы или из Рязани! Вот какова точность астрономических измерений! Под углом в 0",01, говоря точно, видна линейка, на которую смотрят под прямым углом с расстояния, в 20 626 500 раз большего, чем длина линейки.

По параллаксу легко узнать соответствующее расстояние. Мы получим расстояние до звезды в радиусах земной орбиты, если разделим число 206 265 на величину параллакса, выраженного в секундах дуги. Чтобы выразить его в километрах, надо полученное число умножить еще на 150 000 000.

Мы уже знаем, что большие расстояния удобнее выражать в световых годах или в парсеках. Звезда а Центавра и ее соседка, прозванная «Ближайшая», так как она еще чуть-чуть ближе к нам, отстоят от нас в 270 000 раз дальше, чем Солнце, т. е. на 4 световых года. Курьерский поезд, идя без остановок со скоростью 100 км в час, добрался бы до нее через 40 миллионов лет! Попробуйте утешиться воспоминанием об этом, если вам когда-либо надоест продолжительная езда в поезде…

Точность измерения параллаксов в 0",01 не позволяет измерить параллаксы, которые сами меньше этой величины, так что описанный способ неприменим к звездам, отстоящим далее 300–350 световых лет. Кроме того, легко видеть, что если при параллаксе в 0",10 ошибка в 0",01 составит 10 %, то при измеренном параллаксе в 0",01 мы должны допустить, что истинный параллакс может составить и 0",02 и 0",00. В первом случае действительное расстояние (соответствующее 0",02) будет около 150 световых лет, во втором случае оно равно бесконечности. При таких малых параллаксах ошибка в 20 % при определении расстояния по спектру делает их более надежными, чем классический способ определения расстояний, на котором, впрочем, они сами основаны. Классическим способом, описанным здесь, за 140 лет определены расстояния до 6000 звезд (около 10 000 определений), спектральных же параллаксов за 30 лет определено около 28 000. Комментарии, как говорится, излишни.

С помощью описанного способа и других, использующих спектры, а также с помощью совершенно иных косвенных методов можно определять расстояния до звезд, отстоящих гораздо дальше, чем на 300 световых лет. Свет звезд некоторых далеких звездных систем доходит до нас за сотни миллионов световых лет. Это вовсе не значит, как часто думают, что мы наблюдаем звезды, может быть, уже не существующие сейчас в действительности. Не стоит говорить, что «мы видим на небе то, чего в действительности уже нет», ибо подавляющее большинство звезд изменяется так медленно, что миллионы лет назад они были такими же, как сейчас, и даже видимые места их на небе меняются крайне медленно, хотя в пространстве звезды движутся быстро.

Этот парадокс вытекает из того, что в отличие от блуждающих светил — планет-звезды созвездий некогда назвали неподвижными. Между тем неподвижного в мире ничего быть не может. Еще два с половиной века назад Галлей обнаружил перемещение Сириуса по небу. Чтобы заметить систематическое изменение небесных координат звезд, их перемещение на небе относительно друг друга, надо сравнивать точные определения их положения на небе, сделанные с промежутком времени в десятки лет. Невооруженным глазом они незаметны, и за историю человечества ни одно созвездие не изменило заметно своих очертаний.

Для большинства звезд никакого перемещения подметить не удается, потому что они слишком далеки от нас. Всадник, скачущий карьером на горизонте, как нам кажется, почти стоит на месте, а черепаха, ползущая у наших ног, перемещается довольно быстро. Так и в случае звезд — мы легче замечаем движения ближайших к нам звезд. Фотографии неба, которые удобно сравнивать друг с другом, очень нам в этом помогают. Наблюдения положения звезд на небе делались задолго до изобретения фотографии, сотни и даже тысячи лет назад. К сожалению, они были слишком неточны, чтобы из сравнения их с современными можно было заметить движение звезд. «Летящая звезда Барнарда» — так назвали одну слабенькую звездочку за ее наиболее заметное среди звезд движение по небу, но движется она, если хотите, даже не черепашьим шагом, а еще медленнее. За год она «пролетает» по небу дугу в 10", т. е. чтобы переместиться на видимую величину лунного поперечника (112°), ей потребуется две сотни лет. Если ее сфотографировать большим московским астрографом, дающим крупный масштаб, то изменение за год ее положения среди звезд на фотографии составит меньше одного миллиметра! Однако по сравнению с другими звездами это действительно «летящая» звезда. Для большинства звезд с уже измеренным движением по небу сдвиг их на фотографиях, снятых такими же большими телескопами с промежутками времени в десятки лет, выражается сотыми и даже тысячными долями миллиметра.

Определив величину и направление видимого углового перемещения звезд на небе, можно рассчитать, как изменится с течением времени расположение ярких звезд в созвездиях. Движение множества звезд было определено, в частности, в Пулковской обсерватории в прошлом веке, а позднее С. К. Костинским и в особенности А. Н. Дейчем.

Как ни ничтожны угловые перемещения звезд собственными движениями, они соответствуют громадной скорости в пространстве, если вспомнить величину расстояния, с которого мы их видим. Надо иметь в виду, что видимое угловое перемещение звезды зависит не только от расстояния и от скорости движения ее в пространстве, но и от направления, по какому она движется относительно нас. На фоне далекого леса или дома несущийся к вам по дороге велосипедист смещается меньше, чем пешеход, идущий невдалеке вам наперерез.

Если звезда движется под прямым углом к линии, цо которой мы на нее смотрим, то ее смещение на небе целиком соответствует ее скорости в пространстве, которую легко тогда подсчитать, зная расстояние до звезды.

Пусть, например, такая звезда передвигается в год на 1" и находится от нас на расстоянии, в 2 082 650 раз большем, чем Земля от Солнца. Тогда, как мы знаем, длина дуги в 1" (в 206 265 раз меньшая радиуса окружности) составит здесь отрезок, в 10 раз больший расстояния от Земли до Солнца. Это путь, пройденный ею за год, и отсюда легко рассчитать ее скорость в километрах в секунду. Она составит:

(1500000000/365X24X60X60)=47,4 км/сек.

У нас есть еще другая возможность изучать движение звезд — измеряя смещение линий в их спектрах. Эта лучевая скорость в сочетании с измеренным собственным движением при известном расстоянии до звезды (только в этом случае!) полностью определяет нам движение ее в пространстве и по величине и по направлению. Например, если обе скорости равны, то направление движения звезды составляет угол в 45° с линией нашего зрения.

Усилиями многих обсерваторий, среди которых видное место занимают Пулковская и Симеизская, к настоящему времени измерены собственные движения более 100 тысяч звезд и лучевые скорости 7 тысяч звезд. К сожалению, не все звезды из этих 7 тысяч входят в число 100 000 названных выше. Собственные движения звезд определяют специалисты по измерению фотографий (гоняясь за звездами с более заметным движением), между тем лучевые скорости определяют спектроскописты, выбирающие достаточно яркие звезды, для которых можно сфотографировать спектр с большой дисперсией. Скорости звезд составляют обычно десятки километров в секунду. Наибольшую из измеренных астрономами до настоящего времени скоростей (583 км/сек) имеет одна слабая звезда в созвездии Голубя.

Первый вопрос, который сразу же встает при изучении движений звезд, — это вопрос, есть ли какая-нибудь закономерность в звездных движениях? Есть ли дороги в нашем звездном городе, по которым движется звездное население, регулируется ли как-либо это движение? Если такое регулирование есть, то роль милиционера в нем играет, конечно, закон всемирного тяготения.

Мы хотим знать не только то, что звезды движутся, не только то, какова их скорость, но и то, каковы законы их движения. Для этого нужно было накопить большой наблюдательный материал и суметь его проанализировать.

В результате такого анализа было найдено, что некоторые группы звезд движутся в пространстве параллельно и с одинаковой скоростью, будучи связаны взаимным тяготением и общностью происхождения. Такова, например, группа слабых звезд вокруг Альдебарана в созвездии Тельца, называемая Гиадами. Такова группа из пяти ярких звезд Большой Медведицы, а также некоторых других звезд, видимых в разных частях неба.

Кроме таких групповых движений, все звезды принимают участие в сложном вращении вокруг центра тяжести всей нашей звездной системы, но об этом мы поговорим в главе 11. Кроме участия в систематических движениях, почти каждая звезда имеет еще свою собственную скорость, подобно комару в комарином рое, относимом ветром.

Прежде чем изучать систематические движения звезд, надо выяснить, не влияет ли на их видимое движение наше собственное перемещение в пространстве. Ведь прежде чем выяснить истинное устройство Солнечной системы, пришлось же учесть кажущиеся движения светил, вызванные суточным и годичным движением Земли. Можно себе представить, что звезды в пространстве неподвижны, а наша Солнечная система несется среди них. Тогда нам казалось бы, что звезды движутся, расступаясь там, куда мы несемся, и смыкаясь в той стороне неба, откуда мы удаляемся, как деревья при нашей прогулке по лесу. Но в действительности звезды — не неподвижные деревья. Каждая из них движется, и их лучше сравнить с огоньками на носу лодок в большом порту, в который тихо входит ночью наш пароход. Ялики и шлюпки тихо скользят по всем направлениям, неся с собой в темноте свои огоньки. Несмотря на этот хаос движений, мы заметим, что в общем, в среднем огоньки лодок перед нами как бы расступаются, когда мы к ним подплываем, и смыкаются позади нас. Для обнаружения движения Солнечной системы можно допустить, что движения звезд беспорядочны, хаотичны. Взяв на небе участки с достаточным числом звезд, мы рассмотрим среднее движение звезд в них. Их хаотические движения в разные стороны взаимно исключатся, и останется только то движение, которое для них всех является общим. Звезды в такой площадке в среднем движутся в одну сторону, как стадо коров, в котором каждая бродит туда или сюда, пощипывая траву и подаваясь все же вперед вместе со всем стадом на свежую траву.

В нашем распоряжении есть еще спектральный анализ, позволяющий определить, в каком участке неба звезды в среднем приближаются к нам с наибольшей скоростью к в каком удаляются. Эти участки на небе, очевидно, должны располагаться прямо друг против друга. Из такого анализа лучевых скоростей звезд можно получить скорость и направление движения Солнечной системы, а из анализа собственных движений — только ее направление.

Изучая эти средние систематические движения звезд, являющиеся отражением движения всей Солнечной системы, мы приходим к заключению, что она со скоростью 20 км/сек несется в направлении созвездий Лиры и Геркулеса (Точнее говоря, это направление близко к границе между этими созвездиями)). Это — ее движение по отношению к сравнительно близким звездам, взятым в совокупности. Оно сказывается в изменении видимого положения звезд, подобно тому, как меняется для вас видимое положение коров в том же пасущемся стаде, если вы пойдете через него насквозь. Ввиду относительности движения в данном случае безразлично — вы ли пробираетесь сквозь стадо, оно ли минует вас на своем пути. Подобно этому мы движемся по отношению к звездам.

Скорость Солнечной системы в этом движении того же порядка, что и собственные скорости звезд. Нечего опасаться, что, летя к созвездию Лиры, мы на него налетим и разобьем его в куски. Скорее можно было бы опасаться, что пуля, пущенная вверх, в «воздушный флот», разобьет его. Созвездие Лиры — лишь направление, по которому видно множество звезд. Пространство между ними так же просторно, как и пространство между звездами, окружающими Солнце сейчас. Звезду от звезды отделяют световые годы. Если у вас есть охота, попробуйте подсчитать, через сколько лет мы приблизимся вдвое к яркой звезде Веге (пренебрегая ее движением), если до нее 25 световых лет, а наша скорость 20 км/сек.

Изучение звездных движений развивается, как говорят, методом последовательных приближений. Поясним это применительно к изучению движений звезд. Сначала мы считаем движения звезд хаотичными и выявляем движение Солнечной системы. Затем учитываем его влияние на видимые движения звезд и после этого выявляем систематические движения групп звезд. Узнав их, мы вводим поправку в наше первоначальное предположение о хаотичности звездных движений и снова, уже правильнее, определяем движение Солнца и опять повторяем свои дальнейшие исследования. Так, постепенно удается разобраться в кажущемся хаосе многочисленных движений звезд в нашей Вселенной и уточнить картину, нарисованную поэтом:

Интересно отметить, что своевольные, как нам кажется, скорости звезд (как отдельных коров в стаде) тем больше, чем сами звезды легче. Большинство тяжелых гигантов, как тучные люди, двигается медлительно, а легкие карлики подвижны как детвора, впрочем… есть подозрение, что в звездной семье в смысле возраста детворой-то являются как раз гиганты, а не карлики. Но это вопрос уже совсем другого рода.

Поучительно, что в газе, состоящем из разных молекул, более тяжелые молекулы тоже двигаются более медленно

Размеры планет легко рассчитать, зная расстояния до них и измерив угловой диаметр видимого их диска. Но как снять мерку со звезды, если даже в самый мощный телескоп ее диска не видно, так мал его угловой диаметр? Даже в 5-метровый телескоп все звезды видны как точки. Тут нам опять помогает физика.

Поскольку звезды излучают почти как абсолютно черное тело, закон излучения ими энергии в разных частях спектра известен. Если знать температуру звезды и ее светимость, то можно вычислить полную энергию, испускаемую звездой. Но для нее, как для черного тела, теоретическая физика умеет вычислить полную энергию, испускаемую одним квадратным сантиметром ее поверхности. По закону Стефана — Больцмана она пропорциональна четвертой степени температуры. Если мы разделим определенную таким образом полную энергию, испускаемую звездой, на энергию, испускаемую одним квадратным сантиметром ее поверхности, то мы получим, очевидно, величину поверхности звезды. Звезда — шар, и, зная ее поверхность, уже школьник сможет вычислить ее диаметр.

Этот способ снятия мерки со звезд вполне надежен, но, как и всегда в науке, естественно хотелось бы найти возможность его проверить. Проверочный способ, применимый пока лишь к наиболее ярким звездам и с наибольшим угловым диаметром диска, был придуман в 1920 г. Он основан на явлении, называемом интерференцией. Для его осуществления Пизу в США пришлось преодолеть ряд технических затруднений, связанных с тем, что далее наибольший в мире телескоп оказался для данной цели недостаточно большим.

Выход из положения нашли, приделав на конце 2 1/2-метрового телескопа (наибольшего в то время) стальную ферму длиной 6 м, по которой на тележке передвигались два больших плоских зеркала, принимавших свет звезды и отражавших его на зеркало телескопа. Тогда в телескоп изображение звезды представлялось крохотным полосатым кружком. При определенной величине расстояний между зеркалами полоски на этом кружке исчезали, и тогда теория интерференции позволяла вычислить угловой диаметр невидимого диска звезды. Зная расстояние до звезды, можно было вычислить и ее линейный диаметр.

Первая звезда, диаметр которой в 1920 г. удалось измерить «непосредственно» — интерферометром, была яркая красная звезда в созвездии Ориона — Бетельгейзе. Вообще первые измерения удались для гигантских красных звезд, не особенно к нам близких, но у которых угловые размеры, видимые с Земли, ожидались наибольшими. После измерения десятка таких звезд наступил длительный перерыв — дальше мощи инструмента оказалось недостаточно. В 1956 г. в Англии удалось наконец измерить диаметр Сириуса, а в 1963 г. в Австралии измерили диаметр Беги. Это — белые звезды, гораздо меньшие, чем красные гиганты, но одни из ближайших к нам.

Результаты всех этих измерений и расчетов мы приведем немного позже. Они показывают крайнее разнообразие звездных размеров. Отметим лишь, что одной из наибольших среди известных звезд является звезда VV в созвездии Цефея. Она больше Солнца по диаметру по крайней мере в 1600 раз. Есть звезды, которые гораздо меньше Солнца.

Первую дьявольскую звезду открыли арабы. Это была β Персея, которую они, собственно говоря, назвали просто «дьяволом» (Эль-Гуль). Она поразила их тем, что будучи обычно около 2-й звездной величины, она вдруг ослабевала почти до 4-й — она менялась на небесах, считаемых неизменными, где живет Аллах. Чем может быть такая звезда, как не звездой дьявола, если не им самим!

После долгой смены исторических событий и возникновения новых очагов культуры, несколькими веками позже изменение блеска β Персея, Эль-Гуля, переделанного европейцами в Алголя, в 1670 г. подметили в Европе.

Еще через сто с лишним лет глухонемой от рождения любитель астрономии Гудрайк обнаружил периодичность изменения блеска Алголя. Его период оказался 2 дня 20 часов 49 минут. Но из них 2 дня 11 часов звезда остается постоянного блеска, а затем в течение 5 часов теряет 2/3 своего блеска с тем, чтобы через 5 часов снова к нему вернуться. Кривая изменения блеска Алголя в. зависимости от времени изображена на графике, построенном на основании современных нам измерений с помощью фотоэлектрического фотометра (рис. 144).

Странное и упорное поведение дьявольской звезды было объяснено тем, что тут, собственно, не одна звезда, а две, но одна гораздо ярче другой. Они обращаются друг около друга по орбите так, что по временам менее яркая частично закрывает от нас более яркую, производя периодические затмения.

Правильность объяснения была окончательно подтверждена в конце прошлого века, когда оказалось, что Алголь — спектрально-двойная звезда, у которой спектр слабо светящегося спутника невидим, как и следовало ожидать. При этом в момент затмения линии спектра занимают нормальное место, т. е. звезда движется в это время по орбите под прямым углом к нашему лучу зрения (не к нам и не от нас), как и должно быть. Кроме того, между главными минимумами блеска было обнаружено вторичное небольшое ослабление блеска, соответствующее затмению слабой звезды более яркой.

Было открыто много других двойных звезд этого же типа, названных затменно-двойными, или алголями. Исследование кривых изменения их блеска в совокупности со спектральными данными позволяет изучить эти звезды так подробно и точно, как этого нельзя сделать ни в каком другом случае. Поэтому «дьявольские» звезды среди всех звезд для нас наименее загадочны, и дьявольского в них не остается для нас ничего, кроме разве «дьявольски» подробной их изученности.

В итоге мы находим их форму и размеры по сравнению с Солнцем, размеры и форму орбиты и ее положение в пространстве, светимость звезд и их температуру, массы звезд и характер затмений, а сверх того иногда можем изучить строение их атмосфер почти так же подробно, как у Солнца, хотя в телескоп эти звезды по виду ничем не отличаются от любых других звезд и кажутся такими же светлыми точками. Благодаря близости друг к другу и возникающим отсюда сильным приливам в массах этих звезд форма их не шарообразная, а вытянутая. Они вытянуты по направлению друг к другу и обращаются как бы «нос к носу».

Много звезд типа Алголя открыл и изучил в начале нашего века московский астроном С. Н. Блажко.

По кривой блеска этих звездных систем астрономы читают их свойства почти так же свободно, как хороший музыкант читает ноты В. П. Цесевич обладает наибольшим в СССР собранием собственных наблюдений звезд, меняющих блеск, а Д. Я. Мартынов известен тем, что «с пристрастием» допрашивает бывшие «дьявольские» звезды об их строении со столь разных точек зрения и разделов науки, что им ничего не остается, как разоблачаться перед ним от остатков своих «тайн».

Пройдемся по портретной галерее звезд и посмотрим сначала на типичные лица рядовых обитателей звездной Вселенной, а затем на портреты некоторых звездных знаменитостей.

Вот висят рядом два портрета, и в одном из них мы улавливаем знакомые черты, — это как будто наше Солнце. Тот же желтый цвет, тот же спектральный класс G и температура 6000°. Даже светимость, масса, плотность и размер у этой звезды почти те же, но, увы, подпись под портретом говорит нам, что это не Солнце, а звезда α Центавра А. В складе портретов звезд, накопленных астрономией, лежат целые груды точно таких же портретов, однако все с разными подписями, указывающими имя оригинала, но если подписи перепутаются и одна этикетка пристанет к чужому портрету, то ничего страшного не произойдет. Эти звезды настолько «все на одно лицо», что их собственные «дети» — планеты не могли бы их отличить друг от друга. Личность нашего Солнца оказывается столь обыденной, что к нему можно было бы потерять всякий интерес, если бы мы не имели удовольствия ежедневно пользоваться его теплом и светом.

Поднимем еще раз наш разочарованный взор на портрет, и мы заметим, что это собственно лишь половина портрета звезды и нашей ближайшей соседки в пространстве — α Центавра. Потому-то под этой половинкой и подписано α Центавра А. Рядом, под другой половинкой написано α Центавра В; ведь α Центавра — это двойная звезда.

Со второй половинки портрета на нас смотрит звезда почти такого же веса, немного более легкая (на 15 %) и впятеро менее яркая. Если ее компаньонку причислить по цвету ее оболочки, так сказать, к желтой расе звезд, то саму ее надо назвать краснокожей. Густооранжевый цвет ее поверхности вполне соответствует ее спектральному классу К5 и более низкой температуре: 4000°. Диаметр звезды составляет 3/4 солнечного, а средняя плотность немного больше, чем у воды, но меньше, чем у Солнца. Из общей подписи к этим портретам мы узнаем, что период обращения этих двух звезд составляет 78,8 года — немного больше, чем у Урана в солнечной системе, а большая полуось взаимной орбиты в 23,3 раза больше, чем расстояние от Земли до Солнца, т. е. опять-таки того же порядка, что расстояние между Солнцем и Ураном. Однако здесь не огромное Солнце и планета, а пара почти одинаковых солнц. Орбита спутника — а Центавра В — относительно главной звезды, имеющая эксцентриситет 0,51, более вытянута, чем орбиты больших планет в нашей Солнечной системе, и больше похожа на орбиты корот-копериодических комет. Плоскость орбиты наклонена к лучу зрения всего на 11°, так что орбита видна нам в сильном ракурсе (см. рис. 142, стр. 466). Мы знаем, в какой части орбиты спутник движется на нас и в какой он от нас удаляется; помимо того, вся система в целом (ее центр тяжести) приближается к нам со скоростью 22 км/сек. Однако с такой же скоростью (точнее, 23 км/сек) она движется в поперечном направлении, так что в итоге по отношению к нам система α Центавра летит «вкось» под углом 45° со скоростью 31 км/сек.

Под портретом се Центавра у стены прислонен, как вы замечаете, еще какой-то маленький портретик. «Видите ли, — объясняет вам заведующий этой «портретной галереей», — тут у нас висят семейные портреты, и я не знаю, нужно ли рядом с портретом четы а Центавра повесить этот портрет «Ближайшей Центавра».

Дело в том, что она к нам ближе, чем α Центавра, всего лишь на две световые недели и движется сейчас в пространстве в том же направлении и с той же скоростью, как α Центавра, но на небе она отстоит от нее больше чем на 2 градуса. Значит, в пространстве расстояние между ними составляет около одной тридцатой того расстояния, на каком мы сами находимся от α Центавра.

Вы помните, что последнее составляет 4,3 светового года.

Несомненно, что они чувствуют некоторое взаимное тяготение, и их дружное движение едва ли случайно. Быть может, между ними была когда-то более тесная связь, может быть, они соединены узами родства, т. е. когда-то и где-то вместе родились, но трудно быть уверенным в том, что Ближайшая есть далекий спутник а Центавра и обращается вокруг нее по огромной орбите с периодом в тысячи лет. Может быть, наблюдаемая общность их движения аналогична параллельному прямолинейному движению многих звезд в группе Гиад и не представляет собой движения компонентов двойной звезды по криволинейной орбите с такой малой кривизной, что последнюю невозможно обнаружить за короткий срок наших наблюдений».

Рассмотрите портретик Ближайшей Центавра, если хотите. Он мал, потому что в нашей галерее портреты звезд писаны, если и не в «натуральную величину», то во всяком случае с сохранением относительных пропорций. Этот портрет тоже один из огромнейшего множества ему подобных и типичен для звезд, называемых красными карликами. Правда, среди известных этот карлик превышает «ростом» только звезду Вольф 359 и еще мало изучен, но раз уж он попался и достаточно типичен, то не стоит обращаться к другим портретам из-за того, что художник может быть не совсем точно воспроизвел черты оригинала.

Ближайшая Центавра имеет светимость в 15 000 раз меньше солнечной, и масса ее в семь раз меньше, чем у Солнца. Она густокрасного цвета, спектрального класса М, с температурой всего лишь в 3000°. Если бы мы заменили ею Солнце, то она освещала бы нас красным светом, только в 30 раз более сильным, чем свет полной Луны. Диаметр Ближайшей Центавра в шесть раз меньше солнечного или всего в полтора-два раза больше, чем диаметр Юпитера, крупнейшей из наших планет. Средняя плотность этого красного карлика почти в пятьдесят раз больше плотности воды. Если бы это вещество было жидкостью, то в ней, как пробки, могли бы плавать куски железа и чугуна, утюги и паровозы. Однако это не жидкость, а очень сжатый газ, который в недрах звезды имеет гораздо большую плотность, а в атмосфере ее он почти так же разрежен, как и в атмосфере нашего Солнца.

«Пойдемте во двор, — говорит заведующий, — я покажу вам писаный в том же масштабе портрет звезды, столь же холодной и «краснокожей» и того же спектрального класса М. Ее зовут Бетельгейзе или α Ориона и ее портрет не умещается в галерее» правда, после портрета Ближайшей Центавра который вы смотрели, держа в руках, вам приходится еперь задрать голову высоко вверх, чтобы увидеть верхний край круга, изображающего Бетельгейзе. Црртрет нашего Солнца был размером с человеческое лицо, а портрет Бетельгейзе возвышается на 60 м, достигая верхним краем двадцатого этажа!

Огромное тело Бетельгейзе больше, чем у Солнца, в 300 раз по диаметру и в 27 000 000 по объему. Но оно массивнее Солнца всего лишь в 15 раз. Поэтому вещество Бетельгейзе, не в пример веществу Солнца, с его плотностью, в 1 1/2 раза большей плотности воды, очень легкое. Нельзя сказать, что оно легкое как пух, потому что оно в полтора миллиона раз легче воды, несравненно легче пуха и в полторы тысячи раз легче комнатного воздуха! Наполнив таким веществом объем Большого театра и сжав затем это вещество в объеме спичечной коробки, вы бы могли свободно положить такую коробку в карман, не рискуя порвать его подобной тяжестью.

По светимости, в 2600 раз большей, чем у Солнца, по гигантскому размеру, по ничтожной плотности и лишь в малой степени по массе отличается краснокожая Бетельгейзе от Ближайшей Центавра, на которую она похожа по цвету, спектру и температуре.

Бетельгейзе действительно гигант звездного мира, вернее, даже сверхгигант, и экземпляров, подобных ему, в звездной Вселенной сравнительно немного.

Обращая внимание на цвет, спектр и температуру в поисках портрета Солнца, вы можете задержаться взглядом на портрете «желтолицей» Капеллы. Она тоже желтая и остальные признаки у нее те же, но она опять-таки отличается от Солнца тем, что она — желтый гигант, тогда как Солнце — желтый карлик.

Как и а Центавра, Капелла, собственно говоря, не звезда, а система двух звезд. Легко наблюдаемая спектрально, она находится на пределе «разрешения» для сильнейших в мире телескопов. Период обращения системы составляет 104 дня 2 часа 34 минуты; орбита, почти круговая, имеет радиус лишь немногим меньше радиуса земной орбиты.

Мы получим модель Капеллы, если вместо Солнца поместим такую же желтую звезду с массой в 4,2 раза большей солцечной, и диаметром в 12 раз большим солнечного, а Землю заменим другим солнцем, с диаметром в 7 раз большим солнечного, с массой в 3,3 раза большей нашего Солнца, и на 1000° более горячим. Новое солнце — желтый гигант, в 110 раз ярче нашего, а его спутник в 69 раз ярче. Средняя плотность обеих звезд — желтых гигантов вдвое больше плотности комнатного воздуха. Поперечная скорость системы — 33 км/сек, лучевая скорость — 30 км/сек (удаление), так что ее полная пространственная скорость относительно солнечной системы составляет 45 км/сек.

Желтые гиганты тоже гораздо малочисленнее, чем желтые карлики

Из типичных портретов остается посмотреть еще семейный портрет четы Сириуса. Каждый из членов этой звездной пары — характерный представитель белых звезд, встречающихся очень часто, но пара Сириуса поражает нас диспропорцией ее членов. Сириусу А природа навязала смехотворно мелкого компаньона, тем не менее подражающего своему большому соседу по манере испускать спектр и горячиться, доходя до «белого каления».

В самом деле, спектры их почти одинаковы: АО и А7, и спутник, будучи лишь на две тысячи градусов холоднее Сириуса А, нагретого до 10 000°, тоже белого цвета. Масса принципала в 2 1/2 раза больше солнечной, а у Сириуса В она почти равна солнечной массе (точнее, 0,96), т. е. массы двух этих звезд отличаются не так уж сильно. Но на этом сходство между компаньонами кончается…

Сириус А — давно знакомый нам типаж с диаметром почти вдвое большим солнечного, и с плотностью в 2 1/2 раза меньшей, чем у воды. Сириус А — звезда как звезда, а вот черты его спутника светящегося в 10000 раз слабее, кажутся просто невероятными, если бы подлинность портрета не была многократно и авторитетно заверена.

«Как ни верти», а приходится принять, исходя из совокупности всех данных, что он лишь втрое больше Земли (это бы еще куда ни шло) и что его средняя плотность в 30 000 раз больше плотности воды! Но если так, то для перевозки спичечной коробки, наполненной таким веществом, нужен грузовик! Ее вес уравновесил бы восемь взрослых человек, а наперсток с этим веществом весил бы 30 кг.

Кто этому поверит?! Не верили этому и астрономы, хотя не верить было нельзя, потому что все вычисления подтверждали друг друга. Физики на основе своих успехов в изучении атома заявили, что такая огромная плотность в условиях звездных недр осуществима. Для этого температура в недрах должна быть ниже чем у обычных звезд, а давление вышележащих слоев к центру очень велико. При этом атомы разрушаются и превращаются в смесь ядер и электронов, не связанных друг с другом. Размеры атомных ядер составляют всего лишь 10–13 см, а размеры полных атомов можно определить, как размеры орбиты их внешнего электрона, — не меньше 10-8 см, т. е. ядра в сто тысяч раз меньше атомов. Следовательно, пространство, занятое ядрами, гораздо меньше пространства, занятого атомами, и при достаточном давлении, которое существует в недрах звезд — белых карликов, они могут быть сближены друг с другом гораздо теснее. Искрошенные атомы теоретически можно упаковать еще теснее, чем это имеет место в спутнике Сириуса.

Обычные атомы с электронной оболочкой можно себе представить как электрические лампы с огромными бумажными абажурами, а искрошенные атомы — как такие же лампы, искрошенные в мелкие осколки и кусочки. Возьмите эти осколки и в ящике, где едва-едва умещалась одна лампа с абажуром, уместится великое множество ламповых остатков, так что ящик станет в тысячи раз тяжелее.

Спутник Сириуса, считавшийся вначалв уродом звездного мира, объектом кунсткамеры, оказался типичным представителем довольно обширного племени звезд — белых карликов, которые трудно обнаружить лишь ввиду их общего слабого излучения. Мы их можем заметить лишь вблизи нас, как жука в поле, тогда как яркие звезды, как коровы, видны нам издалека и в большем числе, хотя жуков в поле больше, чем коров.

Говоря о Сириусе, нельзя не сказать об исключительной роли, сыгранной им в развитии человеческих знаний.

Сириус — песья звезда, бог с песьей головой древних египтян (Анубис) — управлял, по их мнению, разливами Нила, оплодотворявшего почву своим илом и своей влагой. Разлив Нила бывал летом (после выпадения дождей в горах Абиссинии); приближение его знаменовалось определенным положением Сириуса на небе. Сириус, или звезду Изиды, богини плодородия, называли еще Сопд, что греки произносили как Сотис. С появления Сириуса перед восходом Солнца в лучах утренней зари и сопутствующего ему разлива Нила египтяне начинали новый год.

Они взывали к Сириусу:

Такие надписи нашли высеченными на стене храма богини Хатор в Дендерах.

Учащиеся и поныне, быть может, сами того не зная, славят Сириуса и «песье время», т. е. каникулы, ибо так в Древнем Риме называется летний период, связанный с определенной видимостью на небе Сириуса, главной звезды в созвездии Большого Пса. По-латыни пес — «канис», откуда и произошло слово каникулы.

Сириус был первой звездой, собственное движение которой по небу заметил Галлей, сравнивая современные ему наблюдения положения звезды на небе с древними.

Почти 1/2 века назад на примере Сириуса была продемонстрирована сила человеческого гения, способного создать не только «астрономию видимого», но и «астрономию невидимого». Это — знаменитая история открытия спутника Сириуса.

В 1834 г., изучая собственное движение Сириуса, Бессель в Германии обнаружил, что он движется не по прямой (точнее, не по дуге большого круга), а описывает какую-то волнистую линию. Лишь через десять лет он заключил: волнистый путь Сириуса вызван наличием у него невидимого спутника с периодом обращения в полустолетие. Центр тяжести системы движется в пространстве прямолинейно, как любая одиночная звезда, но оба тела описывают около него свои орбиты, так что сочетание орбитального движения с поступательным и делает видимый путь Сириуса подобным волнистой линии. Сириус и его невидимый спутник находятся всегда по разные стороны от их центра тяжести.

Предсказание блестяще подтвердилось только 31 января 1862 г. В этот вечер американский оптик Альван Кларк испытывал новый, построенный им 45-сантиметровый рефрактор. Это был наибольший тогда телескоп, обладавший прекрасными оптическими качествами. Наведя его на Сириус, он увидел возле него слабо светящегося спутника, как раз в том месте, которое для него указывала теория. Последующие наблюдения показали, что и период обращения спутника также совпал с периодом, предсказанным теорией. Таким образом, невидимое небесное тело, в существовании которого были убеждены и местоположение которого на каждый день знали, стало, наконец, видимым…

Спутник Сириуса не такой уже слабый, — он 7-й видимой звездной величины, но соседство ослепительной «песьей звезды» мешало его заметить раньше и затрудняло его изучение в дальнейшем. Поэтому только в 1916 г. удалось сфотографировать спектр спутника и убедиться, что он похож на спектр своего яркого соседа. Предположение, что спутник светит отраженным светом, приводило к выводу о нелепо больших его размерах, а позднее выявилось и различие в спектрах этих двух звезд, что окончательно заставило признать спутник самосветящимся. И вот тогда-то с неизбежностью последовал вывод о чудовищно высокой его плотности, перед чем астрономы останавливались в недоумении. В 1920–1924 гг. английский физик Резерфорд постиг строение атомов, как сложных систем, состоящих из ядер и электронов, а индийский физик Саха создал теорию ионизации под действием высокой температуры, и то, что казалось совершенно необычайным, стало естественным.

К этому времени А. Эйнштейн разработал теорию относительности. Благодаря своей необычности новая теория была встречена сначала с недоверием. Эйнштейн же из своей теории сделал некоторые выводы, которые нельзя было проверить опытами в лабораториях и которые требовали проверки опытом буквально «в мировом масштабе» и требовали услуг астрономов.

В качестве подопытного кролика, или, если хотите, белой мыши, была взята белая крошка — спутник Сириуса. При малом объеме он имеет массу почти как у Солнца и представляет собой как раз то, что нужно для упомянутого опыта. Вследствие малости размеров Сириуса В сила тяжести на поверхности этой звезды в тысячу раз больше, чем на Солнце, и почти в 30 000 раз больше, чем на Земле. Маятник, делающий на Земле за секунду одно колебание, сделал бы их там около 140. «Сутки», т. е. 1440 минут по часам с таким маятником, мы бы прожили на белом карлике за 10 земных минут. По теории относительности в таких условиях световые колебания (вызванные колебаниями в атомах) должны происходить заметно ленивее (медленнее), чем у нас. Длина волны их должна быть больше, чем в нашей лаборатории, линии спектра спутника Сириуса, возникающие у его поверхности, должны быть сдвинуты к красному концу спектра. Величина этого сдвига по вычислениям должна быть такая же, как если бы спутник Сириуса удалялся от нас со скоростью 20 км в секунду.

Но как проверить, что такой сдвиг именно по этой причине действительно есть? Ведь звезда в самом деле может удаляться от нас с такой скоростью, а мы соответствующий сдвиг линий примем за «красное смещение» теории относительности.

Спутник Сириуса, к счастью, как раз позволяет отличить друг от друга такие сдвиги. В самом деле, скорость по отношению к нам вследствие движения спутника по орбите может быть точно вычислена для любого момента. Движение центра тяжести системы Сириуса тоже хорошо известно из наблюдений спектра самого Сириуса. Он приближается к Солнцу на 8 км за каждую секунду. Если после учета обоих движений в спектре спутника все же останется сдвиг линий, то подлинное движение его будет тут уже не при чем. Получить для этой цели хорошую фотографию спектра спутника, находящегося в близком соседстве со звездой, в 10 000 раз более яркой, было трудным делом и требовало от наблюдателя не меньшей ловкости, чем для акробата хождение по канату. Оказалось, что в спектре спутника Сириуса действительно обнаруживается сдвиг линий и как раз такой, какой требуется теорией относительности. Теория, предсказавшая существование сдвига, была тем самым подтверждена и получила права гражданства…

К каким еще новым научным открытиям приведет дальнейшее изучение звезды Изиды и ее диковинного спутника?

О звездах-карликах и звездах-пигмеях, которые еще меньше, мы скажем в очерке «Соседи Солнца».

Светлая далекая одинокая точка, на которой ничего не видно даже в сильнейший телескоп, — вот что такое звезда для обычного наблюдателя. Такова, например, и звездочка 3-й величины Дзета Возничего, одна из тех лампад, зажигаемых ангелами ввечеру, за какие почитались звезды суеверными людьми в средние века. Много лет мы не видели в ней ничего особенного, но с 1932 г. она стала наиболее изученной звездой. С 1932 по 1934 г., за два года, астрономы, как хирурги, произвели как бы полное ее вскрытие или рассечение, изучив всю ее «анатомию», но вместо операционных ножей они воспользовались всем арсеналом приборов, анализирующих свет.

В 1908 г. Кэмпбелл в Ликской обсерватории доказал, что спектр Дзеты Возничего состоит из наложенных друг на друга двух спектров К3 и В8, принадлежащих двум разным, невидимым по отдельности звездам, составляющим Дзету Возничего. Только в 1924 г. был установлен период их взаимного обращения — 972 дня, почти 3 года. По совокупности имевшихся спектрограмм вычислили элементы орбиты и обратили внимание на то, что одна из спектрограмм сильно отличалась от всех прочих. Линии спектра были на ней необычайно резки. Это объяснили тем, что в то время, когда был получен этот спектр, белая звезда со спектром В была в затмении — скрылась от нас за оранжево-красной звездой К. Отсюда заключили, что затмения должны происходить периодически, а Дзета Возничего, следовательно, является затменно-двойной звездой, меняющей свой блеск, — «дьявольской звездой» — алголем. Вычислили и даты предстоящих затмений звезды В: 1926, 1929 и 1932 г., предлагая проверить эти выводы наблюдениями.

На призыв сразу как-то не откликнулись, и только в 1932 г. две обсерватории к назначенному времени принялись за измерение ее блеска и фотографирование спектра.

Предсказание блестяще оправдалось, и обнаружился минимум блеска, длившийся «40 дней и 40 ночей». Кроме того, вокруг красной К-звезды обнаружилась обширная атмосфера, благодаря особенностям затмения доступная подробнейшему изучению, и потому в 1934 г. астрономы прямо-таки набросились на эту звезду. За ней охотились, как буржуазные репортеры за приезжей знаменитостью. Все же самый интересный период, пока затмение было частным, т. е. пока звезда В выглядывала частично («выглядывала» для нас невидимо!) из-за широкой спины своего толстого и раскрасневшегося хозяина, не удалось проследить достаточно подробно. Частное затмение длится только 19 часов, из которых многие протекают, когда звезда находится под горизонтом, другие же могут прийтись на дневное время или на пасмурную погоду. Полное же затмение длится, как сказано, 40 суток. Как это не похоже на солнечные затмения, когда Луна, кажущаяся того же размера, что и Солнце, в течение часов производит частное затмение и лишь на минуты, а иногда лишь на секунды затмевает Солнце совершенно!

Красная звезда Дзета Возничего больше Солнца в 293 раза, а белая — в четыре раза, так что спутник в 73 раза меньше главной звезды. Он — как ягодка белой смородины в сравнении с красной тыквой, и потому, быстро спрятавшись за ней, долго не показывается.

Орбита спутника по отношению к главной звезде равна орбите Юпитера, причем красная звезда по диаметру почти равна орбите Марса и в 32 раза массивнее Солнца, спутник же массивнее Солнца в 13 раз. Его светимость при температуре 15 000° в 400 раз больше солнечной, а светимость красной звезды при температуре 3160° в 1900 раз больше. Вместе они в 2300 раз ярче Солнца. Подобно Бетельгейзе красная звезда имеет очень малую плотность, соответствующую плотности воздуха при давлении в 1 мм ртутного столба (вместо 760 мм нормального атмосферного давления).

Звезда К окружена обширной разреженной атмосферой, сквозь которую просвечивает звезда В, прежде чем спрятаться при затмении, а также перед тем как выглянуть после затмения. В масштабе рис. 149 звезду В надо было бы изобразить едва видимой пылинкой, в 0,2 мм диаметром, и понятно, что мы в течение 2–3 недель можем следить (по спектру), как она, заходя за звезду К, просвечивает через все более низкие и плотные слои красноватой атмосферы. Ее свет поглощается в этой атмосфере, отчего в спектре видны темные линии. Интенсивность последних увеличивается с ростом плотности и толщины слоев атмосферы звезды К, через которые проходит излучение звезды В. Следя за изменением интенсивности линий в спектре, можно было подсчитать число атомов разных химических элементов в столбе атмосферы на разной высоте над поверхностью звезды К. Таким путем атмосфера звезды была изучена как бы в разрезе, и чуть ли не лучше, чем атмосфера нашего Солнца, а между тем, повторяем, звезда эта видна нам только как световая точка.

Изменения блеска звезды в свете, воспринимаемом глазом, едва-едва заметны — всего лишь 0,2 звездной величины, отчего раньше, без точных измерений, переменность Дзеты Возничего и не была обнаружена. Оказалось, что чем дальше в фиолетовую область спектра, тем больше там изменение блеска. В невидимых глазом ультрафиолетовых лучах с длиной волны 3780 А изменение блеска звезды доходит до 2,14 звездной величины! Это объясняется тем, что вне затмений светят обе звезды, но ультрафиолетовыми лучами богата только горячая белая звезда, видимыми же лучами она заметно беднее, чем более холодная, но яркая для глаза красная звезда. Когда белая звезда в затмении, то видимых лучей из общего света звезды вычитается мало, а ультрафиолетовых много, отчего и изменение в их интенсивности более заметно.

Из наблюдений спектра перед затмением и после него обнаружилось вращение красной звезды вокруг своей оси с периодом 785 дней и в ту же сторону, в какую она обращается по своей орбите.

Выше всего над поверхностью звезды в ее атмосфере, как и в атмосфере Солнца, поднимается кальций. Он достигает высоты 233 млн. км, т. е. простирается над поверхностью звезды на расстояние, в полтора раза больше расстояния от Земли до Солнца!

Таковы «скромные» сведения, полученные нами о светлой точке, находящейся от нас на таком расстоянии, что свет пробегает его за 980 лет.

Мы должны будем изменить свое мнение о Солнце, если рассмотрим список ближайших звезд (стр. 494–495).

Под ближайшими будем понимать те, которые находятся внутри сферы радиусом 16 световых лет, описанной вокруг Солнца. Помимо Солнца, в этом объеме к настоящему времени обнаружено 47 звезд, так что это будет список полусотни ближайших звезд — наших соседок. Он даст нам понятие и о плотности звездного населения и о том, какие типы звезд преобладают. Ведь звезды с очень малой светимостью на больших расстояниях невидимы, но по соседству с нами мы можем рассчитывать их заметить. Тыкву в огороде вы ведь заметите и издалека, а маленький огурец не всегда увидите и под ногами.

(«д» — двойная, «т» — тройная, «пер» — переменная)

(Двоеточие указывает на неуверенность в приводимых данных из-за трудности определения точного значения параллакса далеких звезд. Более подробная и более точная таблица дана в книге «Справочник любителя астрономии» П. Г. Куликовского, ифд. 4-е, «Наука», 1971, то же касается и следующей таблицы. Данные о звездах все время уточняются. Некоторые расхождения в числах происходят иногда от того, что один составитель больше доверяет одним данным, другой — другим)

За последнее время вылавливанию близких звезд из всего множества их помогло следующее соображение. Ввиду чудовищного разнообразия в светимости звезд их видимый блеск является ненадежным признаком их расстояния, в то время как видимое угловое перемещение их на небе дает более верное указание на степень их близости. Скорости звезд в пространстве тоже весьма разнообразны, но естественно ожидать, что, в общем, чем больше смещается за год по небесной сфере звезда, тем она к нам ближе, потому что при одинаковом движении в пространстве видимое угловое перемещение растет с уменьшением расстояния.

Практика показала, что, пользуясь этим признаком, мы действительно вылавливаем много близких к нам звезд.

В предыдущей таблице значились звезды с собственными названиями, в этом же списке фигурируют по преимуществу безымянные звезды, обозначаемые лишь номером того каталога, в котором они содержатся. Например, «Лакайль 9352» означает звезду № 9352 по каталогу, составленному Лакайлем.

Звезды с одинаковым обозначением, но с добавлением букв А, В или С, являются компонентами двойных и тройных звездных систем. Не трудитесь разобраться как следует в этих обозначениях с целью, положим, найти потом эти звезды на небе. Среди них только четыре звезды около 1-й звездной величины: Сириус, Альтаир, Процион и а Центавра. Еще шесть кое-как видны невооруженным глазом и то лишь в безлунную ночь. Все же остальные звезды списка видны только в телескоп.

Таким образом, из двух десятков наиболее ярких звезд четыре (20 %) оказываются ближайшими, а из 2 000 000 звезд от 9-й до 12-й видимой звездной величины ближайшими являются только 20, или 0,001 %! Эти звезды малого блеска составляют большинство среди близких звезд, а *ак как таких слабых звезд вообще на небе чрезвычайно много, то неудивительно, что надо было затратить много времени, чтобы выловить их из этой гущи. Около половины их выловлено за последние тридцать лет.

На рис. 150 изображено распределение абсолютных величин и спектральных классов ближайших звезд. Это диаграмма «спектр — светимость». На ней все звезды располагаются примерно вдоль диагонали. Это — крайне любопытный факт, значение которого мы скоро выясним.

Обратим внимание на то, что 12 звездных систем нашего списка кратные (10 двойных и 2 тройные). Одиночество среди звезд не столь распространено, как думали после первых открытий двойных звезд. Далеко не все звезды живут бобылями, как наше Солнце (если, конечно, не иметь в виду планеты). Новейшие открытия прибавляют к списку соседей Солнца только звезды малой светимости. Мы похожи на рыбаков, выудивших сначала крупную рыбу и принявшихся затем за мелочь. Однако прибавление с течением времени новых звезд к нашему графику убеждает нас в том, что внутри принятых границ пространства мы уже выловили не меньше половины всех существующих там звезд. Если бы в этой области было еще много не открытых звезд, то их существование сказалось бы на скоростях движения тех звезд, которые мы уже знаем.

Итак, на рассматриваемой нами звездной «жилплощади», вернее, в данной кубатуре, еще не все жильцы учтены, но большинство (во всяком случае не меньше половины) их налицо, и пора сделать выводы о том, в какой же компании находится наше Солнце, какова характерная проба, взятая из этого звездного винегрета, данные о котором мы заимствуем здесь у астронома Бока.

Среди наших соседей нет наиболее горячих звезд класса В, и вообще звезды горячее Солнца составляют уже меньшинство, в противоположность тому, что давал первый список.

Быть может, еще характернее отсутствие здесь гигантов, а тем более сверхгигантов, как с точки зрения светимости, так и размеров. Самыми рядовыми и частыми жильцами в нашей кубатуре являются красные карлики, более холодные и маленькие, чем Солнце, с гораздо более низкой светимостью. Они составляют половину звездного населения.

Белые карлики, подобные спутнику Сириуса, вовсе не исключительные уродцы, как думали было вначале. Уже в нашем небольшом объеме, совсем рядом с Солнцем, мы обнаружили троих и, — смотрите сами, — они присутствуют в равном числе с «нормальными» белыми звездами, такими, как Сириус и Процион.

Если еще учесть трудность открытия белых карликов, то надо думать, что среди не открытых еще соседей, кроме красных карликов, можно рассчитывать найти также и белые карлики. Например, до 1935 г. было известно всего лишь три белых карлика (все вблизи Солнца), а уже на следующий год их попалось при определении параллаксов еще восемь штук, все более далекие. Самый яркий по видимому блеску — это спутник Сириуса 7-й звездной величины, многие же другие — около 12-й звездной величины и слабее.

В настоящее время астроном Лейтен отнес к белым карликам уже около 250 звезд. Есть основания предполагать, что белые карлики составляют около 1 % от общего числа звезд в единице объема. В 1963 г. Лейтен открыл белые звезды — пигмеи. Самым малым из известных белых и голубых пигмеев является, по-видимому, горячая звезда LP 768–500 в Ките. Она имеет блеск 18m,2. Собственное движение ее огромно: 1",18 в год, следовательно, звезда должна быть довольно близка к нам. Если принять расстояние до нее в 48 световых лет, то она будет в 100 000 раз слабее и в 160 раз меньше, чем белые карлики типа спутника Сириуса. Ее диаметр будет в 100 раз меньше солнечного, т. е. такой же как у Земли! В ее спектре не видно никаких линий.

Для белого пигмея LP 357–186 Лейтен допускал даже размер вдвое меньший, чем размер нашей Луны и плотность порядка 200 млн. г/см3. Впрочем, незнание точного расстояния дает только порядок всех этих величин.

Особенно интересно открытие пары пигмеев LP 101-15/16 15m,8 с годичным движением 1", 62. Один член пары — белый пигмей, а другой — красный, холодный, причем половину из многочисленных линий в его спектре отождествить пока еще не удалось. Этот спектр предстоит изучать дальше.

Теоретические соображения В. А. Амбарцумяна, Цвикки и других приводят к выводу о возможности существования звезд, состоящих из нейтронов или из тяжелых элементарных частиц — гиперонов. Не имея электрического заряда, такие частицы могут быть сближены гораздо сильнее, чем ядра и электроны в белых карликах. В результате такие звезды могут иметь диаметр всего лишь в несколько километров и совершенно фантастическую плотность — порядка плотности атомных ядер и даже большую (около 1015 г /см3).

Нейтронные звезды должны, по теории, излучать интенсивные рентгеновские лучи. Хотя в пространстве с высотных ракет такие лучи и обнаружены недавно, но их источником оказываются, по-видимому, не нейтронные звезды, а некоторые другие небесные тела. Словом, существуют ли реально названные выше виды сверхплотных звезд, допускаемых теорией, пока не известно.

Наконец, в теории относительности допускается существование очень массивных тел такой большой плотности, достигнутой вследствие катастрофического спадения (коллапса), что излучение из них не выходит наружу. Такое горячее, представляющееся фантастическим небесное тело нельзя собственно и называть звездой, так как оно совсем не светится. Обнаружить его существование можно было бы только по производимому им притяжению других тел. Подробнее об этом будет сказано в последнем разделе гл. 8.

Рис. 150 уже показал нам, что в окрестностях Солнца, где звездное население может считаться изученным наиболее полно, слабых звезд, имеющих малую светимость и излучающих мало света, — большинство. Однако для решения целого ряда вопросов чрезвычайно важно знать точное распределение звезд по их светимости. Светимость звезд растет с их массой, но гораздо медленнее, чем масса.

Для выяснения этих вопросов надо объединить должным образом результаты изучения ярких звезд с результатами изучения ближайших звезд. Иначе, ограничиваясь только первыми данными, мы не учтем существования карликов, а внутри сферы радиусом 16 световых лет мы не имеем ни одного гиганта. Если бы мы увеличили радиус сферы с шестнадцати, скажем, до ста шестидесяти световых лет, чтобы внутри оказалось достаточное число гигантов (тогда их число в единице объема можно было бы уверенно оценить), мы бы «потеряли» много карликов. Чем больший объем пространства вокруг себя мы возьмем, тем больший процент существующих в нем карликов останется для нас пока не известным, так что к истине можно приблизиться, лишь комбинируя упомянутые два способа подсчета звезд.

До 14-15-й абсолютной звездной величины наши данные надежны, число же более слабых звезд приходится лишь угадывать, но в общем оно, несомненно, уменьшается, как показывает рис. 151, представляющий так называемую «кривую светимости».

Эта кривая, построенная П. П. Паренаго, дает число звезд соответствующей абсолютной звездной величины в объеме 30 миллионов кубических световых лет. Другими словами, вблизи нас на одну звезду в среднем приходится объем в 357 кубических световых лет, и среднее расстояние от звезды до звезды составляет около 9 1/2 световых лет.

На кривой светимости звезды представлены вне зависимости от их спектрального класса и цвета. Сверхгиганты же и даже гиганты звездного мира среди звездного населения встречаются не чаще, чем среди людей профессиональные клоуны или люди выше 2 м ростом. Большинство составляют карлики 14-15-й абсолютной звездной величины, светимость которых всего лишь 0,01 светимости Солнца. Число более слабых звезд, несомненно, убывает, и довольно быстро, хотя непосредственно звезд слабее, чем 18-й абсолютной звездной величины, мы пока и не знаем.

Если бы было очень много темных звезд, то наблюдаемые нами движения светлых звезд были бы в значительной мере иными, чем они есть в действительности. Таким образом, эти косвенные соображения не позволяют думать, чтобы среди тел с массами порядка массы Солнца только малая часть была достаточно накалена и светилась в виде звезд. Темные звезды могут существовать, но число их, несомненно, меньше числа звезд светящихся.

Объем пространства вокруг Солнца, который можно считать достаточно полно изученным, слишком мал и не содержит всех представителей звездного населения. В нем нет, например, ни одного гиганта. Он не дает полной характеристики звездного населения вообще, как население вашей квартиры, не включающее клоуна, не отвечает полностью всему разнообразию профессий населения большого города. Поэтому, стремясь к полноте типов, но не стремясь обязательно узнать число всех их представителей, мы рассмотрим всю совокупность звезд, для которых известны их светимости (или соответствующие им абсолютные звездные величины) и их спектры (или соответствующие им температуры и цвета).

Рис. 150 есть как раз такая диаграмма, составленная лишь для ближайших звезд.

Составляя диаграмму для нескольких тысяч звезд, мы убеждаемся, что они не заполняют беспорядочно всю ее площадь, а группируются внутри довольно узких полос (рис. 152).

Диаграмма показывает нам чрезвычайно интересный и важный факт, обнаруженный впервые Герцшпрунгом (Дания) и Ресселом (США). Природа не допускает существования любых звезд, какие только может представить наша фантазия. Например, звезд со светимостью, равной светимости нашего Солнца, но красного цвета (спектральных классов К и М) не существует. Обнаружены звезды, так называемые субкарлики, светимость которых еще несколько ниже, чем светимость звезд-карликов того же спектрального класса, лежащих на главной ветви. Проф. П. П. Паренаго подчеркнул, что они образуют ветвь, параллельную главной ветви, и находил, что они, может быть, даже многочисленнее, чем обычные звезды, известные до сих пор. Открыты также субгиганты, находящиеся по своей светимости между карликами и гигантами и более близкие к последним. Если оставить в стороне белые карлики, то белые звезды, как мы видим, имеют лишь вполне определенную светимость и весьма высокую. Между тем желтые и красные звезды встречаются лишь либо как карлики, либо как гиганты, и чем холоднее (краснее) звезды, тем больше различие в светимости между карликами и гигантами. На рис. 150 мы видели, что в ближайших окрестностях Солнца представлена только наклонная ветвь диаграммы. Она называется главной последовательностью, так как к ней принадлежит подавляющее большинство звезд нашей звездной системы. Сравнительно малая доля звезд укладывается на ветвь гигантов, идущую на диаграмме горизонтально, и на лежащую так же, но несколько выше, последовательность сверхгигантов. Наше Солнце является звездой главной ветви, желтой, спектрального класса G2 и с нормальной светимостью для звезд этого типа.

Диаграмма, во-первых, показывает, что в природе встречаются звезды только с определенными соотношениями светимости и температуры. При других соотношениях звезды, очевидно, неустойчивы, если и существуют, — оттого мы их и не находим во Вселенной.

Во-вторых, диаграмма показывает, какой абсолютной звездной величине в среднем соответствует звезда главной ветви или гигант данного спектрального класса, какова, скажем, абсолютная величина гиганта со спектром К5 и т. д. Словом, если только знать, к какой ветви диаграммы принадлежит звезда и каков ее спектральный класс, мы можем по этой диаграмме отсчитать соответствующую ей абсолютную звездную величину. Развитие науки показало, что в звездных системах различной структуры и разного возраста вид диаграммы Герцшпрунга — Рессела весьма различен.

Приведенная диаграмма Герцшпрунга — Рессела, эта перепись физических характеристик звездного населения, служит нам постоянным справочником.

Глава 8. Пульсация и взрывы звезд

Периодические изменения блеска наблюдаются не только у алголей, но и у других звезд, называемых переменными. Среди них особенно упорно сопротивлялись попыткам разгадать их природу цефеиды, названные так по типичной своей представительнице 6 Цефея. Строго периодически, с периодом в 5 дней 10 часов 48 минут, ее блеск сначала увеличивается на 0,75 звездной величины, а затем более медленно ослабевает. Выяснилось также, что по мере приближения к максимуму блеска спектр звезды становится все более ранним, температура все выше, цвет все белее. У самой 8 Цефея спектр меняется в пределах целого класса, температура — в пределах 800°.

Ясно, что изменения блеска цефеид вызваны не геометрическими причинами, как, например, затмениями одной звезды другою, а физическими причинами. Физические характеристики самой звезды действительно периодически меняются, отчего меняется и излучение ею энергии, в том числе световой. Параллельно с изменением блеска происходит и периодическое колебание лучевой скорости цефеид, что было впервые подмечено А. А. Белопольским. Изменения блеска их невелики и не превосходят полутора звездных величин.

Все эти изменения удовлетворительно объясняются, если рассматривать цефеиды как пульсирующие звезды, на что впервые указывал еще известный русский физик Н. А. Умов и что потом развили в теорию Шепли (США), Эддингтон (Англия) и особенно подробно С. А. Жевакин в СССР. Как надувные мячики из тонкой резины, они то увеличиваются в размере, то уменьшаются. Движение их поверхности при этой пульсации то к нам, то от нас и создает колебания лучевой скорости. Однако температура звезды при сжатии в соответствии с законами физики повышается, отчего спектральный класс становится более ранним, и общий блеск звезды все-таки повышается, несмотря на ее уменьшившуюся поверхность.

Вероятно, цефеиды — это неустойчивые звезды, у которых однажды случившийся в них толчок за счет внутренних сил вызывает колебания, подобные колебаниям маятника. С течением времени возникшие в звезде пульсации должны ослабеть и затухнуть. Никто, однако, не ожидал, что это вскоре будет наблюдаться. Первый, и пока единственный раз постепенное прекращение переменности блеска всего лишь за четыре года было замечено недавно. Цефеида RU Жирафа, обнаруженная в 1899 г., изменяла свой блеск на целую звездную величину с периодом около 22 суток, начиная с 1899 г., когда ее обнаружили. К 1966 г. ее переменность почти полностью прекратилась.

Периоды разных цефеид заключены в пределах от 1 1/2 часов до 45 суток, причем после периода короче одних суток сразу происходит скачок к периодам более двух суток.

Все цефеиды — звезды-гиганты большой светимости, но у них наблюдается замечательное соотношение: чем больше период изменения блеска цефеиды, тем ее светимость больше. Это замечательное открытие сделала мисс Ливитт в Гарвардской обсерватории.

Связь между логарифмом периода, измеряемого в сутках, и абсолютной звездной величиной представлена на рис. 154.

Такое свойство делает цефеиды своего рода маяками Вселенной. Обладая большой светимостью, они видны на огромных расстояниях от нас и, зная из наблюдений их период и видимый блеск, эти расстояния легко подсчитать. Цефеиды благодаря отмеченному их свойству очень помогают нам не только при исследовании размеров, формы и строения нашей звездной системы, но и при изучении других звездных систем.

Кроме цефеид, накопилось много других звезд, зачисленных в разряд физических переменных. У всех них, кроме блеска, меняется так или иначе спектр, что и указывает на изменение физических свойств этих звезд. Однако у одних, как и у цефеид, блеск меняется периодически, хотя и не так правильно, у других же изменений блеска полуправильны или даже совершенно неправильны.

Наиболее интересную группу представляют долго-периодические переменные звезды. Их периоды больше 100 дней, но не более 700 дней. От максимума до максимума у них проходит не всегда одно и то же число дней, несколько меняется и форма кривой блеска и блеск в максимуме. Изменение блеска почти у всех них составляет несколько звездных величин, т. е. громадное; блеск меняется иногда в несколько тысяч раз. Их называют иногда миридами, по имени — Мира (Удивительная), которое дали звезде о Кита. В наибольшем блеске эта звезда хорошо видна глазом, будучи 3-4-й, а иногда даже 2-й величины. Примерно через каждые 330 дней она достигает минимума, 9-й звездной величины, когда ее видно лишь в телескоп. От максимума до максимума иногда проходит и меньше времени, до 320 дней, а иногда и больше — до 370 дней.

Как и у цефеид, изменения блеска мирид сопровождаются изменениями температуры и спектра, в котором, кроме темных линий, по временам появляются яркие линии водорода и другие линии. Все мириды — звезды-гиганты спектрального класса М, холодные, красные, большие и разреженные. У них также наблюдается периодическое колебание лучевой скорости, но максимум блеска соответствует моменту наибольшего удаления от нас. По-видимому, причина изменения блеска мирид вызвана, как и у цефеид, пульсацией, но менее правильной и осложненной как колебаниями прозрачности их атмосфер, так и периодическими извержениями горячих газов из недр звезды на поверхность, на что указывает появление ярких линий в спектре.

Остальные физические переменные звезды чаще всего также являются красными гигантами и даже сверхгигантами с неправильными, непериодическими колебаниями блеска. Несмотря на эту неправильность, их можно разбить на ряд групп, в зависимости от характера этой неправильности.

У одних звезд все время происходят мелкие неправильные колебания блеска. У других он долгое время почти не меняется и. лишь иногда, неожиданно, но ненадолго ослабевает. У третьих время от времени бывают неправильные вспышки. Есть звезды, у которых по временам, иногда надолго, появляется какое-то подобие периодичности. Причины всех этих колебаний блеска нам пока еще не вполне ясны. Из этих своего рода «больных» и «припадочных» звезд выберем для рассмотрения сравнительно недавно открытые звезды типа Т Тельца (иначе — RU Возничего) и вспыхивающие звезды. За последнее время они привлекали к себе особое внимание.

Первые из них являются неправильными переменными звездами, но не красными гигантами, а звездами умеренной или небольшой светимости и преимущественно спектральных классов F-G. Колебания их блеска порядка 1–2 зв. величин сопровождаются колебаниями яркости широких линий, наблюдаемых в их спектрах наряду с линиями поглощения. Вид этих ярких линий свидетельствует об истечении газов с поверхности таких звезд. Кроме того, в их спектрах по временам появляется «непрерывная эмиссия» — излучение в непрерывном спектре, маскирующее отчасти линии поглощения и, по-видимому, имеющее нетепловую природу. Непрерывная эмиссия вызывается еще не известными нам процессами.

Звезды типа Т Тельца встречаются в виде немногочисленных, широко рассеянных групп, открытых В. А. Амбарцумяном и названных им Т-ассоциациями. Многие из них открыты в области обширных облаков разреженного газа и пыли, называемых диффузными туманностями. Эти звезды считаются одними из наиболее молодых, быть может, возникающими путем сгущения отдельных участков названных туманностей. Некоторые из звезд типа Т Тельца окружены «собственными» крохотными газовыми или газопылевыми туманностями, что подтверждает это предположение.

К звездам типа Т Тельца, по-видимому, примыкают по своей природе «объекты Хербига — Аро». Два названных ученых открыли в области темных пылевых туманностей крайне слабые звездочки, окруженные крохотными туманностями. Их спектры с яркими линиями сходны со спектрами звезд типа Т Тельца и имеют, кроме того, линии крайне разреженных газов. Их блеск меняется неправильно, но светимость гораздо ниже, чем светимость звезд типа Т Тельца. Некоторые из таких объектов Хербиг открыл на месте, где прежние снимки ничего не показывали, как будто они возникли впервые за срок всего лишь в несколько лет. Полной уверенности в этом еще нет, так как самый первый снимок этих мест был сделан сравнительно незадолго до их открытия. Быть может, еще раньше эти объекты тоже были бы видны, а во время первого снимка имели лишь временное ослабление блеска. Возможно, что объекты Хербига — Аро — это начальная стадия возникновения из диффузной материи звезд типа Т Тельца путем сжатия. Это не противоречит возможности истечения с их поверхности небольшого количества газа, причины чего еще не ясны. Во всяком случае объекты Хербига — Аро больше всего похожи на зарождающуюся звезду.

Вспыхивающие звезды типа UV Кита являются красными карликами класса М очень малой светимости. В их спектре наблюдаются линии излучения водорода, гелия, кальция и железа. Большую часть времени блеск этих звезд почти постоянен, но иногда звезда совершенно неожиданно вспыхивает, усиливаясь в блеске в несколько раз за немногие минуты и уже через несколько минут он становится нормальным. Оказалось, что в моменты вспышек звезды UV Кита посылают в пространство мощное радиоизлучение.

По характеру усиления ультрафиолетового излучения и другим изменениям в спектре вспышки звезд типа UV Кита сходны с хромосферными вспышками на Солнце. Они тоже сопровождаются всплесками радиоизлучения. Но вспышки этих звезд сопровождаются излучением энергии, в 100-1000 раз большей, и отношение энергии, излученной в радиодиапазоне, к энергии, излученной в оптической области спектра, в тысячу раз больше, чем при хромосферных вспышках. Вероятно, по какой-то причине звезды типа UV Кита выбрасывают по временам облака горячих газов, содержащих много релятивистских электронов, торможение которых в магнитном поле, очевидно, имеющемся у звезды, создает радиоизлучение.

Ввиду низкой светимости из звезд этого типа видны лишь ближайшие к нам, а из-за скоротечности вспышек замечают их редко. Поэтому к 1967 г. обнаружили только 11 таких звезд, хотя в нашей звездной системе их может быть до миллиарда.

Характерный пример международной кооперации в астрономии представляет возникшая «служба вспыхивающих звезд». В некоторых обсерваториях, в том числе в СССР, по многу часов подряд следят за вспыхивающей звездой — не вспыхнет ли она, а в Англии и Австралии в то же время следят за ней с помощью радиотелескопа. Так организация исследований помогает сделать случаи удачных наблюдений более частыми, т. е. более «счастливыми».

Изучением переменных звезд в Советском Союзе, помимо специалистов, занимается большая армия любителей, среди которых есть много школьников. При аккуратном и взможно более частом определении блеска переменных звезд можно получить результаты, имеющие серьезное научное значение.

Успехи советской науки в области изучения переменных звезд обусловили то, что московским астрономам поручен учет международных исследований по переменным звездам: обозначение их, каталогизация и т. д.

Спектр — это паспорт звезды, он запечатлевает ее физическое состояние, если только мы сумеем в нем разобраться. В паспортах тех звезд, о которых будет сейчас идти речь, мы стали разбираться лишь за последние два десятка лет, и у некоторых звезд они совсем особенные. У подавляющего большинства звезд, о которых говорилось до сих пор, спектры того же класса, что у Солнца, — непрерывные спектры, перерезанные темными линиями. Яркие линии только на время появляются в спектре долгопериодических переменных звезд и, по-видимому, свидетельствуют о периодических мощных извержениях раскаленных газов на их более холодную поверхность.

Но вот у некоторых горячих звезд спектральных классов А, В и О в спектрах наблюдаются отдельные узкие яркие линии, а чаще всего некоторые темные линии ограничены со стороны красного конца спектра примыкающими к ним яркими линиями. Замечательно, что это встречается именно у горячих звезд, и, в общем, чем горячее звезды, тем ярче эти линии в их спектре и тем больший процент звезд их обнаруживает. Едва заметные яркие линии на краю некоторых темных встречаются у таких особенно ярких звезд класса А0, как, например, Денеб (α Лебедя). У звезд класса В, более горячих, эти линии заметны лучше, а в спектрах звезд класса О, еще более горячих, они первыми бросаются нам в глаза.

Причина этого вскрылась только недавно и состоит в том, что у этих звезд необычайно обширные, пухлые атмосферы. Такими, как их называют, протяженными атмосферами обладают самые горячие звезды, имеющие наибольшую светимость.

Обращающий слой, как известно, поглощает свет, идущий от более горячей, лежащей под ним поверхности звезды или фотосферы, но сам по себе испускает те самые длины волн света, которые поглощает. Поглощая свет, падающий на него снизу от звезды, он излучает его затем во все стороны, и потому к нам от него доходит только часть света, имеющего длину волны, которая поглощается обращающим слоем. В соседних же длинах волн спектра, для которых обращающий слой прозрачен, свет фотосферы достигает нас не ослабленным, и в результате в видимом спектре звезды наблюдается темная линия определенной длины волны. На краю Солнца, где за обращающим слоем нет фотосферы, дающей непрерывный спектр, к нам идет излучение самого обращающего слоя и наблюдается спектр из ярких линий.

У Солнца обращающий слой и хромосфера сравнительно с самим шаром Солнца очень тонки — как скорлупа на яйце, и те их части, которые проектируются за край Солнца, очень узки, дают мало света, дают слабый спектр излучения. Этот спектр можно видеть без труда только во время полных солнечных затмений, когда его не «заглушает» непрерывный спектр фотосферы. Последний получается от света неба, т. е. от земного воздуха, рассеивающего свет этой фотосферы. Свет неба попадает в щель спектроскопа вместе со светом хромосферы, потому что хромосфера видна на фоне неба. Вне затмения яркие линии спектра, даваемые кольцом хромосферы, слишком слабы на фоне яркого спектра фотосферы и почти не видны.

Но у звезд, у которых хромосфера имеет толщину, сравнимую с величиной радиуса звезды, излучение толстого хромосферного кольца сравнимо с излучением фотосферы, и яркие линии на фоне непрерывного спектра становятся видны. У звезд с такими пухлыми атмосферами их протяженную хромосферу можно сравнить со скорлупой зеленого ореха.

Пухлыми атмосферами нередко обладают горячие звезды, потому что чем они горячее, тем больше ультрафиолетовых лучей в составе их света, а именно ультрафиолетовые лучи вызывают наиболее сильное давление света на атомы газа. У этих звезд давление света на атомы в их атмосфере противоборствует силе тяготения, прижимающей атмосферу к поверхности звезды, уменьшает вес атомов и, вероятно, поэтому позволяет имшодниматься на большую высоту над поверхностью. Поэтому атмосфера распухает, становится протяженной, пухлой.

Однако очень пухлые атмосферы встречаются и у весьма холодных звезд.

Некоторые астрономы считают, что быстрое вращение звезды сильно способствует образованию обширных атмосфер. Действительно, горячие звезды вращаются вокруг своей оси быстрее других. Тогда под действием центробежной силы притяжение атомов звездой ослабевает, и они еще легче удаляются от ее поверхности. Если это действительно так, то пухлые атмосферы протяженны больше всего в плоскости экватора такой звезды, где центробежная сила больше. Сама звезда может быть почти круглой, а атмосфера ее может быть по форме подобна репе или плоской тыкве. В некоторых случаях около звезды, может быть, образуется даже нечто, подобное кольцу Сатурна, только газовое. Увидеть его, конечно, в телескоп нельзя — слишком все это далеко от нас, но такое допущение объяснило бы многие особенности в спектрах некоторых звезд с яркими линиями.

Размеры протяженной хромосферы и яркость линий в спектре зависит не только от температуры звезды и скорости ее вращения, но также от светимости звезды и от силы тяжести на ее поверхности, а последняя зависит от соотношения между размером и массой звезды.

Описанные выше звезды удерживают обширные и пухлые атмосферы так же, как Земля удерживает свою атмосферу. Но в коллекции звездных спектров можно проследить непрерывный переход от спектров с отдельными узкими тонкими линиями к спектрам, содержащим отдельные необычайно широкие яркие полосы наряду с темными линиями и далее без них. Если темные линии есть, то каждая из них, как правило, примыкает к яркой полосе со стороны фиолетового конца спектра и очень сильно смещена со своего нормального положения. Между тем середина яркой полосы занимает почти нормальное положение в спектре, соответствующее линии данного химического элемента. Чаще всего вид широких ярких полос в спектре имеют излучения нейтральных атомов водорода, гелия и ионизованных атомов азота, углерода и кислорода.

Если темные линии считать смещенными со своего места вследствие эффекта Доплера, т. е. благодаря движению соответствующего газа в атмосфере звезды, то оказывается, что эти темные линии на краю ярких полос образованы газами, несущимися к нам со скоростью, доходящей в иных случаях до 2000 км/сек!

Звезды, которые по линиям их спектра могли бы быть отнесены к звездам спектрального класса О, но имеют в спектре широкие яркие полосы, называют звездами типа Вольфа — Райе — по имени двух французских ученых, которые первыми обнаружили и описали их еще в прошлом столетии. Разгадать природу этих звезд удалось только теперь.

Звезды этого класса — наиболее горячие среди всех известных. Их температуры, измеренные автором этой книги, заключены в пределах от 40 до 100 тысяч градусов! Наиболее же горячие из обычных звезд класса О (без ярких полос в спектре) имеют температуру поверхности только в 30 000°.

Такие огромные температуры сопровождаются столь мощным излучением потока ультрафиолетовых лучей, что легкие атомы водорода, гелия, а при очень высокой температуре и атомы других элементов, по-видимому, не выдержав давления света снизу, с огромной скоростью взлетают вверх. Скорость их движения под действием давления света так велика, что притяжение звезды ни в силах их удержать. Непрерывным потоком они срываются с поверхности звезды и почти не удерживаемые мчатся прочь в мировбе пространство, образуя как бы атомный дождь, но направленный не вниз, а вверх. Странный горячий дождь! Под таким душем сгорело бы все живое на планетах, если таковые окружают эти звезды на свое собственное несчастье.

Непрерывный дождь атомов, срывающихся с поверхности звезды, образует вокруг нее сплошную, но непрерывно рассеивающуюся в пространство атмосферу.

Атомы газа, ее составляющие, непрерывно обновляются за счет звезды, истекающей газом. Вместо яркой линии мы видим в спектре такой звезды широкую полосу как совокупность множества линий, смещенных с нормального места на различную величину и слившихся друг с другом. Каждая из них образована атомами, летящими под каким-нибудь углом к линии, по которой мы смотрим на звезду. Чем больше этот угол, тем меньше проекция скорости атома на луч зрения, т. е. тем меньше его лучевая скорость, а лишь ее величиной (а не пространственной скоростью) обусловлена величина сдвига линий в спектре по принципу Доплера. Благодаря обширности излучающей атмосферы звезды Вольфа — Райе за телом звезды скрыты от нас лишь немногие атомы, удаляющиеся от нас с наибольшей скоростью. Атомы же, приближающиеся к нам с наибольшей скоростью, проектируются на звезду и потому, как полагается, дают темную линию поглощения в спектре. Она смещена, очевидно, к фиолетовому концу спектра на величину, соответствующую скорости их приближения к нам, т. е. на величину скорости, с которой атомы покидают поверхность звезды.

Как долго может истекать газом звезда типа Вольфа — Райе? Подсчеты привели ленинградского профессора Н. А. Козырева к выводу, что в год звезда Вольфа — Райе выбрасывает массу газа, равную примерно одной десяти- или стотысячной доле массы Солнца. Как говорится, «если дальше так пойдет — до чего ж это дойдет!», — и не истечет ли такая звезда газом нацело, без остатка? Масса звезд типа Вольфа — Райе в среднем в десяток раз превышает массу Солнца. Истекая газом с такой скоростью, звезда Вольфа — Райе не может просуществовать дольше, чем 104–105 лет, после этого от нее уже ничего не останется. Независимо от этого есть данные, позволяющие считать, что и в действительности звезды в подобном состоянии существуют не дольше десяти тысяч лет, скорее даже значительно меньше. Вероятно, с уменьшением их массы до некоторого значения температура их падает, выброс атомов прекращается, прекращается и дальнейшее саморазрушение звезды.

В настоящее время на всем небе известно всего лишь около сотни таких саморазрушающихся звезд, из которых в СССР ни одна, к сожалению, не видна невооруженным глазом. Вероятно, лишь немногие, наиболее массивные звезды достигают, как мы думаем, в своем развитии таких высоких температур, когда начинается потеря газа. Быть может, как думает автор этой книжки, это явление можно сравнить с кровопусканием, полезным для полнокровных и тучных людей, так что, освободившись этим путем от излишка своей массы, звезда может продолжать нормальное, «здоровое» развитие.

Большинство звезд типа Вольфа — Райе (имеющих массы в среднем раз в 10 больше солнечной) являются очень тесными спектрально-двойными звездами. Их партнер в паре всегда оказывается также массивной и горячей звездой класса О или В. Многие из таких звезд наблюдаются нами как «дьявольские», т. е. как затменно-двойные звезды, периодически загораживающие друг друга от нас.

Знакомство со звездами, имеющими яркие линии или полосы в спектре, хотя и редко встречающимися, во всяком случае значительно обогатило наши представления о звездах вообще.

Звезды типа Вольфа — Райе стали нам известны недавно, но они тесно связаны со звездами другого типа, известными еще две тысячи лет назад и остававшимися наиболее загадочными из всех звезд, какие только видело человечество.

Представьте мир древних — хрустальную небесную сферу, на которой неподвижно укреплены со дня творения загадочные светочи-звезды. Неподвижные, неизменные огоньки, сияющие нам так же, как и далеким предкам, нерушимые сочетания звезд в созвездиях Скорпиона, Возничего, Большой Медведицы и других!

И вот еще во II веке до нашей эры великий ученый древности Гиппарх замечает в Скорпионе яркую звезду, которой здесь никогда не видел ни он, ни его предшественники. Что это, — новый акт творения, происшедший на наших глазах, поправка к уже созданному неизменному миру? Новая звезда, появившаяся в Скорпионе, проблистала недолго и, угаснув, скрылась из глаз. Пораженный Гиппарх решил предпринять перепись звезд на всем небе, записать точно их места и блеск, чтобы потомки могли следить за тем, не появятся ли опять на небе новые звезды и не исчезают ли иногда давно известные. Так был составлен Гиппархом первый известный нам звездный каталог, а по его образцу впоследствии создавались и другие, значение которых оказалось несравненно шире и составило фундамент астрономии.

Случаи, подобные наблюденному Гиппархом, замечались и впоследствии. Их отмечали китайские и иные летописи. Такие случаи в Европе впервые были описаны в 1572 и в 1604 гг., накануне изобретения телескопа. И во всех случаях конец был один — внезапно вспыхнувшая звезда, это новое светило, оказывалась недолговечной и через несколько месяцев исчезала из взоров, ослабевая с каждым днем. Распространялось мнение, что новые звезды, как запоздалые творения в уже готовом и совершенном мире, непрочны и потому быстро разрушаются.

Современные методы изучения звезд позволили в значительной мере разоблачить тайну вспышек новых звезд, из которых последние, светившие некоторое время как звезды первой величины, наблюдались в 1918 г. в созвездии Орла и в 1934 г. в Геркулесе. Наблюдалось еще много более слабых новых звезд, и подсчитано, что в нашей звездной системе, Галактике, ежегодно вспыхивает до сотни новых звезд, хотя из них мы замечаем только наиболее яркие и притом далеко не ежегодно.

Многие новые звезды были открыты не специалистами, а астрономами-любителями. Например, Новую Живописца 1925 г. открыл почтальон, Новую Персея 1901 г. — киевский гимназист, Новую Короны 1946 г. — железнодорожник и т. д.

Коллекции фотографий неба, хранящиеся на обсерваториях (так называемые стеклянные библиотеки, потому что они составляются из стеклянных негативов), помогли установить следующий факт: новые звезды вовсе не новые. Они существовали и раньше, но как незаметные слабые звездочки. Когда мы замечаем яркую новую звезду, то в действительности оказывается, что это одна из слабых звездочек внезапно так усилилась в блеске. Вспышка происходит чрезвычайно быстро, обычно дня за два. За это время звезда становится ярче на 11 звездных величин, а иногда даже на 14 звездных величин. Это соответствует увеличению блеска в 25-400 тысяч раз! Если изображать блеск «новой» звезды столбиком соответствующей высоты и принять, что до вспышки это был столбик в 1 см высотой, то блеск в максимуме представится «столбиком» до 4 км высотой! Чтобы достать до верхушки этого «столбика», придется подняться на самолете; она будет выше большинства облаков и почти вровень с высочайшими вершинами Альп и Кавказа.

Иначе говоря, вспышка новой звезды равносильна тому, как если бы свеча, горящая у вас на столе, засверкала как прожектор. Конечно, тут надо еще иметь в виду масштаб явления. Звезда, как бы она ни казалась слаба до вспышки, все же звезда, а не свечка. Мало того, установлено, что светимость новых звезд (за которыми это название так и сохранилось) до вспышки б среднем того же порядка, что и светимость Солнца. Представьте себе, что наше Солнце вздумало бы так вспыхнуть! Если бы его излучение увеличилось в десятки тысяч раз, мы бы не только ослепли, но и сгорели бы.

Сразу же после того как новая звезда достигла максимума, блеск ее начинает спадать, сначала быстро, потом все медленнее, и через несколько лет звезда по блеску становится такой же, какой она была до вспышки. При спадании блеска часто наблюдаются вторичные вспышки, но при этих общих чертах нельзя найти две такие новые звезды, у которых кривые изменения блеска были бы совершенно одинаковы.

Такое чудовищно большое и быстрое изменение блеска уже само по себе говорит о его катастрофическом происхождении, но спектральные данные рисуют еще более интересную картину, детали которой стали понятны лишь за последние два десятилетия.

Незадолго до достижения своего наибольшего блеска новая звезда дает обычно нормальный звездный спектр с узкими яркими линиями на краю темных линий, по виду которых ее нужно отнести к сверхгигантам, т. е. к большим звездам с огромной светимостью и протяженными атмосферами. Это подтверждается также данными о ее светимости, выводимыми из оценок расстояния до новой звезды. В максимуме ее светимость в десятки и даже сотни тысяч раз превышает светимость Солнца. На короткое время новая звезда по светимости превышает все остальные известные нам звезды. Темные линии спектра в это время бывают смещены к фиолетовому концу спектра на величину, соответствующую скорости приближения к нам поштдка нескольких сотен километров в секунду. Температура же звезды в этот период почти постоянна и не слишком высока: 8-10 тысяч градусов. Класс спектра бывает А или F.

Все это говорит нам, что внезапное увеличение блеска звезды вызвано внезапным увеличением размеров звездных покровов или оболочек. Ее наружные слои вместе с фотосферой, обращающим слоем и хромосферой раздуваются как мыльный пузырь. Они несутся во все стороны от центра со скоростью сотен километров в секунду, но мы видим только те их части, которые обращены к нам, т. е. лишь приближающиеся к нам (остальные скрыты телом звезды). Оттого и линии спектра смещены к фиолетовому концу.

Сразу после максимума блеска в спектре новой звезды происходит удивительное явление — место темных линий занимают широкие яркие полосы, на фиолетовом краю которых находится резкая темная линия, смещенная с нормального положения на величину, соответствующую скорости приближения порядка тысячи километров в секунду и больше.

Объяснение этой картины то же, что и в случае звезд Вольфа — Райе: расширение во все стороны обширной атмосферы, прозрачной для своих собственных излучений, благодаря чему до нас доходит свет и от удаляющихся частей, формирующих, как говорят, красную половину ярких спектральных полос. Только тут основную роль играет не непрерывное выбрасывание атомов с поверхности звезды, а расширение атмосферы, оторвавшейся от звезды в момент максимума. Причиной отрыва является внезапное увеличение скорости атомов атмосферы под действием возросшего давления света.

Итак, в момент максимума блеска звезда, вздувшаяся как мыльный пузырь, сбрасывает с себя свои покровы. Эти покровы, удаляясь от звезды и расширяясь, становятся все разреженнее и прозрачнее, и сквозь них проглядывает обнаженная звезда.

Представьте себе опять, что наше Солнце вздумало бы раздуться как пузырь, — мы бы сгорели как соломинки, потому что вздутая звезда в максимуме имеет поперечник больший, чем поперечник земной орбиты. Мы оказались бы внутри звезды еще до того, как она собралась бы сбросить свои покровы! Но мы увидим, что с нашим Солнцем такая катастрофа невозможна. Начиная со времени максимума, в спектре звезды происходят непрерывные и сильные изменения, представляющие огромный интерес для специалиста. Но вы — не специалисты, и я не буду утомлять вас теми подробностями, которыми много лет увлекаюсь сам. Достаточно будет сказать, что изучение изменений спектра приводит к выводу, что с течением времени новая звезда нагревается все больше и больше и в конце концов доходит до температуры около 60–70 тысяч градусов и приобретает спектр типа Вольфа — Райе. Если бы мы не были свидетелями всей истории этой звезды, то могли бы думать, что это обычная звезда Вольфа — Райе. Впрочем, обычные звезды типа Вольфа — Райе почти в тысячу раз ярче, и это заставляет нас остеречься от зачисления всех их в список «бывших» новых звезд.

Но что происходит с газовой оболочкой, сброшенной звездой в момент максимума блеска? Расширяясь, увеличиваясь в размерах, она несется во все стороны в пространство, все больше удаляясь от звезды. Если вы сомневаетесь в правильности такого объяснения явлений, наблюдаемых в спектре, то последите за новой звездой через несколько лет после вспышки в большой телескоп. К этому времени ослабевшая в блеске, но расширившаяся оболочка новой звезды становится достаточно велика, чтобы ее можно было видеть непосредственно в телескоп даже на том огромном расстоянии, на каком мы от нее находимся. Такие туманные оболочки мы действительно видим теперь вокруг бывших новых звезд 1901 г. (в Персее), 1918 г. (в Орле), 1925 г. (в Живописце), 1934 г. (в Геркулесе). Из года в год мы измеряем непрерывное увеличение их размеров, происходящее с той самой скоростью, какая была определена нами в свое время из изучения спектра звезды. Сначала такая туманность имеет вид крохотного пятнышка, потом пятнышко увеличивается и превращается в колечко, в центре которого видна слабенькая звездочка — бывшая «новая». Подсчеты показывают, что масса покровов, сброшенных звездой, в десять или сто тысяч раз меньше масеы Солнца. Сброшенная оболочка состоит из водорода, гелия, азота, углерода, кислорода и других газов. И видом, и химическим составом, и физическим состоянием газовые туманности, образованные новыми звездами, похожи на встречаемые кое-где на небе маленькие туманности, неудачно названные когда-то планетарными за их внешнее сходство с зеленоватыми слабо светящимися дисками планет Урана и Нептуна.

Сходство туманностей, рожденных новыми звездами, с планетарными туманностями дополняется тем, что в центре и тех и других находятся звезды типа Вольфа — Райе и даже светимость их одинакова. Допустить, что известные нам планетарные туманности с их ядрами в виде звезд класса О и часто звезд Вольфа — Райе являются результатом вспышки новых звезд, нам мешает лишь то, что массы планетарных туманностей раз в сто больше, чем массы выброшенных оболочек этих звезд, и что они расширяются медленнее, чем атмосферы последних. Тут еще кроется какая-то загадка, но сходство этих двух видов небесных тел слишком велико, чтобы быть случайным.

Почему новые звезды сбрасывают свои покровы, со всякой ли звездой это может случиться, не может ли это случиться с Солнцем, меняются ли физиономия и «нутро» звезды после сбрасывания покрывал?

Увы, увы — все эти вопросы упираются в незнание точного спектра новой звезды до ее вспышки. Ах, если бы мы знали заранее, какая из слабых звездочек вскоре вспыхнет как новая! Мы бы во-время сняли ее спектр, сфотографировать же впрок, «на всякий случай», спектры сотен тысяч слабых звезд невозможно. Не зная же спектра новой звезды до вспышки, мы ничего не можем сказать и о ее физическом состоянии до катастрофы.

Все же есть данные, позволяющие сделать некоторые выводы. Оказывается, что и до и после вспышки многие новые звезды в небольших пределах неправильно меняют свой блеск. Солнце так себя не ведет. Есть звезды, названные автором этой книжки повторными новыми звездами. Их вспышки неправильно повторяются по прошествии нескольких десятилетий. Автор обратил внимание на тождественность их спектров до и после вспышки. Ничто не мешает предположить, что то же имеет место и для остальных новых звезд. От них новоподобные звезды отличаются лишь меньшим масштабом явлений, которые в остальном совершенно такие же, как у новых звезд.

Московские астрономы П. П. Паренаго и Б. В. Кукаркин нашли, что у полупериодических переменных звезд среднее время между вспышками тем больше, чем больше изменение их блеска. Этому соотношению удовлетворяют и новоподобные звезды. В частности, предсказывавшаяся ими повторная вспышка звезды, вспыхнувшей в Северной Короне, действительно произошла в 1946 г., и первым ее заметил астроном-любитель, обходчик железнодорожных путей Ка-менчук. Если эту зависимость распространить на новые звезды, то у них можно ожидать повторения вспышек примерно через три тысячи лет.

Повторение вспышек с такой частотой у некоторых звезд вполне может обеспечить наблюдаемую ежегодную частоту вспышек звезд в Галактике. Уже это, а также предполагаемый спектр новых звезд до вспышки (правильнее, пожалуй, было бы сказать между вспышками), характеризующий их как очень горячие звезды, исключает возможность вспышки Солнца.

Уокер в США сделал интересное открытие. Оказалось, что новая звезда, вспыхивавшая в Геркулесе в 1934 г., состоит из двух почти одинаковых звезд с массами меньше солнечной.

Но одна из этих звезд, вспыхивающая как новая звезда, — горячая, а другая — красный холодный карлик. Звезды этой пары очень близки друг к другу. Поэтому в силу взаимного сильного притяжения они обе имеют неустойчивые атмосферы. Из последних происходит истечение газа и его потоки, циркулируя, создают вокруг звезд еще и общую атмосферу. Интересное открытие принес электрофотометр. Из наблюдений Уокера оказалось, что все «бывшие новые» (новые звезды после вспышки) непрерывно «лихорадят». Блеск этих горячих звезд как бы трепещет. Мелкие колебания блеска имеют подобие периодичности порядка немногих минут. Кроме того, у них есть и более сильные, но более медленные колебания.

Замечательное открытие было сделано в 1966 г. Один из сильнейших источников излучения рентгеновских лучей называется Скорпион RX-1. Ожидалось, что это может быть крохотная нейтронная звезда, по теории — «конечная» стадия эволюции звезд, исчерпавших свои источники энергии. На месте этого источника неожиданно нашли довольно яркую (около 13m) звезду, которая по мелким и быстрым и более медленным колебаниям блеска, по цвету и по спектру очень сходна с бывшими новыми звездами. Однако среди них пока не известно ни одного сильного источника рентгеновских лучей, хотя некоторые из них находятся от нас не дальше и столь же ярки.

Заметим еще, что повторные новые звезды подобно Новой Геркулеса являются тесными двойными звездами. Их спутники тоже холодные. Возможно, что тесная двойственность звезд как-то связана с их вспышками.

Вся совокупность наших сведений о новых и новоподобных звездах отрицает мысль, чтобы причиной вспышек могли быть столкновения звезд друг с другом или падения планет на звезды. Первые, если и бывают в Галактике, то слишком редко.

Причина вспышек новых и новоподобных звезд должна быть в них самих, и теория внутреннего строения звезд приводит к выводу, что при известных условиях в процессе развития звезды в ней может наступить состояние неустойчивости. «Перепроизводство» энергии в ее недрах поведет тогда к срыву наружных слоев звезды, как это показали Л. Э. Гуревич и А. И. Лебединский.

Автор этой книги полагает, что вспышки происходят у звезд с довольно высокой температурой и средней светимостью, не позволяющей отнести их ни к белым звездам главной последовательности, ни к белым карликам. В процессе эволюции только небольшое число звезд проходит через подобное состояние или же это состояние проходит очень быстро. Вот почему мы их почти не встречаем на диаграмме спектр — светимость. Эти звезды неустойчивы и время от времени сбрасывают свои внешние слои до тех пор, пока благодаря этому звезда не приобретет устойчивость окончательно. После каждой вспышки звезда несколько сжимается и в конце концов, сжавшись и несколько охладившись, переходит в состояние белого карлика. Однако могут быть и другие «методы производства» белых карликов. В стадии звезды Вольфа — Райе она находится только в промежутках между вспышками, пока они происходят, да и то, вероятно, не все время.

В 1939 г. немецкий астрофизик Бирман пришел к выводу, что неустойчивость звезд наступает тогда, когда водород в их недрах исчерпан в процессе его превращения в гелий, в процессе, служащем источником энергии в обычных звездах. Когда выработка энергии в звезде становится недостаточной, излучение звезды ослабевает, т. е. ее блеск падает, и она, следовательно, переходит на диаграмме спектр — светимость в область, промежуточную между белыми гигантами и карликами, где с ней происходят вспышки, приводящие ее к состоянию белого карлика.

Автор этой книги в 1945 г. открыл, что белые и голубые звезды образуют на диаграмме спектр — светимость особую последовательность. Самые горячие звезды в порядке уменьшения светимости образуют на диаграмме непрерывный ряд. Он начинается с самых массивных и ярких среди известных звезд, переходит к менее массивным и ярким звездам Вольфа — Райе, затем к повторным, потом к типичным новым звездам, массы которых до сих пор не установлены, и заканчивается белыми карликами, самыми плотными звездами, наиболее скупо расходующими энергию.

Это открытие может быть истолковано так, что некоторые горячие звезды неустойчивы. Световое давление в них и неумеренный, может быть неравномерный, выход энергии в недрах приводят к истечению газа из их атмосфер, превращая их тем самым в звезды типа Вольфа — Райе. Мы не можем пока сказать, при каких условиях и со всеми ли горячими гигантами происходит такое изменение. Конечно, при этом теряется масса, а с нею уменьшается и светимость звезды. Ослабев, звезда становится более устойчивой. Ее равновесие нарушается все реже и реже, однако все сильнее и сильнее с течением времени, когда где-то внутри постепенно опять накапливаются условия, приводящие к неустойчивости. Мы получаем новую звезду с ее редкими вспышками. После каждой из них звезда сжимается и уплотняется, пока не перейдет в состояние белого карлика, настолько устойчивое, что вспышки уже прекращаются совсем (Подробнее об описанных здесь звездах вы узнаете из книги В. Г. Горбацкого «Новоподобные и новые звезды», «Наука», 1974)).

Если собрать лучших писателей-фантастов и сказочников всего мира и предложить им выдумать что-либо совершенно невероятное, то, наверное, ни один из них не придумает ничего более невероятного, чем то, что мы сейчас опишем. Но это не фантазия, не сказка, а быль, происходящая на наших глазах. «Чудеса» природа демонстрирует вокруг нас постоянно, мы являемся их свидетелями, но зачастую не понимаем или понимаем лишь гораздо позднее, какое чудо природы было пепдц нами. Читатели книг по астрономии, может быть? уже привыкли к кажущимся невероятными расстояниям в тысячи световых лет, к планетам, совершенно не похожим на Землю, к компаниям цветных солнц, в тысячи раз более ярких, чем наше. Но не только у них, а и у бывалых астрономов-специалистов начинает кружиться голова, когда они задумываются над тем, о чем сейчас будет речь. Невероятность и в то же время достоверность этих явлений стала нам ясна лишь за последнее время, но свидетелями их были многие люди с давних пор. Был их свидетелем и китайский летописец Мин-Туань-Линь. 4 июля 1054 г. он записал:

«В первый год периода Чи-хо, в пятую Луну, в день Чи-Чу появилась звезда-гостья к юго-востоку от звезды Тиен-Куан и исчезла более чем через год». Собрат же Мин-Туань-Линя записал: «Она была видна днем, как Венера, лучи света исходили из нее во все стороны, и цвет ее был красновато-белый. Так была видна она 23 дня». Подобные скупые записи сделали также японские летописцы и. арабские очевидцы. Эти записи были разысканы и прочитаны в 1942 г.

Немало подобных записей, хотя и не о столь ярких звездах-гостьях, т. е., по-видимому, о новых звездах, найдено в старых летописях. Но вот почти через тысячу лет после смерти Мин-Туань-Линя астрономы изучили подробно необычную туманность, видимую в телескоп к юго-востоку от китайской звезды Тиен-Куан. Мы называем ее Дзетой Тельца, а туманность за ее своеобразную форму наблюдатели прозвали Крабовидной. Как краб туманных очертаний в синеватой глубине моря, мерцает это слабое пятнышко света в синеватой бездне ночного неба, и в его центре на фотографиях видны две звездочки 16-й величины, т. е. в 10 000 раз более слабые, чем звезды, едва видимые невооруженным глазом в темную, безлунную ночь.

От обычных туманных пятен, десятками тысяч видимых на небе, Крабовидную туманность отличают две особенности. Во-первых, сравнение фотографий ее, сделанных с промежутком времени в 30 лет, позволило в 1942 г. подтвердить обнаруженный ранее факт: туманность заметно расширяется во все стороны от своего центра, занятого двумя звездочками. Во-вторых, спектр туманности необычен тем, что в нем на фоне яркого непрерывного спектра видны широкие и раздвоенные яркие линии химических элементов, среди которых водорода, не в пример другим газовым туманностям, очень мало. Вид спектральных линий показывает, что туманность расширяется со скоростью 1300 км/сек, т. е. раз в сто большей, чем у других газовых туманностей, также обнаруживающих расширение.

Сопоставляя видимую угловую скорость расширения туманности с его линейной скоростью, определенной по спектру, мы узнаем расстояние до туманности (5000 световых лет), а отсюда и светимость двух звездочек в ее центре (она та же, что у Солнца). Туманность огромна, свет от одного ее края до другого идет 6 лет, тогда как диаметр орбиты Плутона в Солнечной системе он пересекает за 11 часов.

Зная скорость видимого, углового расширения туманности, можно подсчитать, когда же все ее вещество было сосредоточено в одном месте — там, в центре, где видны две звездочки. И что же оказывается: это было около 800–900 лет назад, т. е. примерно в то время, когда китайские летописцы видели вблизи этого же места свою звезду-гостью!

Может ли это быть простым совпадением?! Может ли быть, чтобы такая исключительная туманность случайно возникла в то время и в том месте, где сияла исключительная новая звезда?

Да, после вспышки эта звезда оставила вместо себя Крабовидную туманность. Для создания такой колоссальной туманности должна была произойти катастрофа, по своей грандиозности далеко превышающая вспышки обычных новых звезд.

Сверхновая, сверхзвезда — из чего ты возникла и во что ты превращаешься, когда угасаешь? — задаемся вопросом мы, но он безответен… Если таким блеском могут засверкать солнца, подобные нашему, или если в звезды, подобные Солнцу, превращается сверхновая звезда, бывшая раньше чем-то другим, то увидеть их пока что безнадежно, — другие звездные системы, в которых также наблюдаются вспышки сверхновых звезд, слишком далеки от нас, чтобы можно было обнаружить в них звезду типа Солнца. Солнце, если бы оно находилось даже в ближайшей к нам звездной системе, светилось бы в несколько сотен раз слабее, чем самые слабые звезды, различимые в ней в настоящее время.

Надо, чтобы сверхновая вспыхнула к нам поближе, в нашей Галактике. К сожалению, за то время, как астрономы стали этим интересоваться, ни одного такого случая не было. Так как «звезда-гостья» 1054 г. была причиной возникновения Крабовидной туманности и, следовательно, находилась на том же расстоянии от нас, то получается, что ее блеск был такой же, как у сверхновых звезд. Это была «наша собственная», «домашняя» сверхновая звезда. Крабовидная туманность особенно сильно излучает красные лучи, обязанные некоторым линиям азота. Это внушило мысль поискать подтверждения тому, что яркая новая звезда, наблюдавшаяся в 1604 г. в созвездии Змеедержца, тоже была сверхновой. Окрестности этого места в 1943 г. сфотографировали на пластинках, чувствительных к красным лучам, и на снимке обнаружили невидимую ранее слабую расширяющуюся туманность. Спектр ее оказался похожим на спектр Крабовидной туманности, и центр ее совпал с местом вспышки новой звезды Кеплера. В центре туманности нет звезд ярче 18 1/2 звездной величины.

Новая звезда, бывшая ярче Венеры и наблюдавшаяся даже днем в 1572 г. в созвездии Кассиопеи, была тоже сверхновой звездой, вспыхнувшей в нашей Галактике и на ее месте тоже найдена расширяющаяся туманность. Все туманности, появляющиеся в результате вспышек сверхновых звезд, являются источниками мощного радиоизлучения, в особенности Крабовидная туманность. Это излучение создается тем, что магнитное поле, существующее в них, тормозит движение очень быстро движущихся электронов. Таких электронов, носящихся со скоростью, близкой к скорости света, в этих туманностях при взрыве сверхновой возникает очень много.

Такое излучение называется синхротронным и им же обусловлен непрерывный спектр Крабовидной туманности. Его излучает аморфная масса этой туманности, тогда как прожилки в ней дают газовое излучение в ярких линиях спектра. Эти прожилки пронизывают аморфную массу туманности, масса которой примерно равна массе Солнца, т. е. в 104 раз больше чем у оболочек, выброшенных обычными новыми.

Сильное радиоизлучение — характерный признак расширяющихся оболочек, выброшенных сверхновыми звездами. По этому признаку найден еще ряд таких оболочек сверхновых звезд, вспышки которых произошли слишком давно, или же по другим причинам не были замечены. Из них наиболее замечательна туманность Кассиопея А. Она, по-видимому, ближе к нам, чем остальные, так как является самым мощным из всех источников радиоизлучения при их наблюдении с Земли.

Существование сверхновых звезд вообще было выяснено раньше, чем за них в нашей звездной системе в сороковых годах были признаны звезды, вспыхивавшие в 1054, 1572 и 1604 гг. и считавшиеся сначала обычными новыми. Впервые сверхновыми назвали звезды, вспыхивавшие не в нашей Галактике, а в других звездных системах. По фотографиям еще в двадцатых годах были обнаружены вспышки звезд в далеких звездных системах, по размеру и по численности в них звезд сравнимых с нашей Галактикой.

В других, близких галактиках наблюдались вспышки новых звезд, и совершенно такие же, какие описаны в предыдущем разделе. Например, в спиральной галактике М 31 ежегодно вспыхивает около 30 новых звезд. В максимуме блеска они ярче всех остальных звезд галактики. Сверхновые же звезды, вспыхивающие несравненно реже, в максимуме блеска еще в десятки тысяч раз ярче. Их светимость в течение нескольких дней эквивалентна излучению нескольких миллиардов Солнц. Иногда это излучение превосходит излучение всей той звездной системы, в которой звезда вспыхнула. Как ни казалось это явление невероятным из-за мощности вспышки, а пришлось его реальность признать: с фактами, как известно, не спорят. Перед этим явлением совершенно стушевываются грандиозные катастрофы в обычных новых звездах.

Такие явления, более невероятные, чем сказки 1001 ночи, вскрывает перед нами наука!

Неудачно названные сверхновыми звезды вспыхивают крайне редко, в среднем в одной галактике, состоящей из миллиардов солнц, бывает одна такая вспышка за 300–400 лет, но в больших галактиках они бывают в несколько раз чаще, чем в маленьких. Это установил Цвикки, еще в тридцатых годах начавший систематически подстерегать такие вспышки. С 1961 г. по его предложению началась международная «служба сверхновых звезд», в которой участвуют 11 стран, в том числе СССР. В результате к 1967 г. было открыто более полутораста вспышек сверхновых, больше, чем в нашей Галактике было открыто вспышек обычных новых звезд. И это в условиях, когда сверхновые звезды в максимуме не ярче 13-и звездной величины, а открываемые новые обычно намного ярче.

Ввиду большой удаленности и слабости видимого света даже в максимуме блеска изучить подробно сверхновые звезды других галактик тоже трудно. Все же удалось получить много важных сведении. Будучи сопоставлены с данными о радиоизлучающих расширяющихся туманностях (выброшенных сверхновыми нашей Галактики еще до изобретения телескопа), эти сведения подводят нас к изучению рассматриваемых явлений в целом.

Минковский, изучивший кривые блеска и спектры сверхновых при помощи крупнейшего телескопа, установил существование двух типов сверхновых, различающихся кривыми блеска, спектрами и изменениями. Спектры сверхновых I типа не содержат явных линий и не расшифрованы. Спектры сверхновых II типа сходны со спектрами обычных новых и меняются сходным образом, только яркие пол в них шире и говорят о выбросе газов со скоростями в несколько тысяч километров в секунду. Сверхновые нашей Галактики в Тельце, Кассиопее и Змеедержце были, по-видимому, сверхновыми I типа. Они ного ярче сверхновых II типа, вспыхивают гораздо оеже но зато в любой части звездных систем, тогда как более частые сверхновые II типа вспыхивают только вблизи плоского слоя тех галактик, у которых такой слой есть. Поскольку звездное население плс ских слоев галактик отличается от населения 4 рического компонента их, звезды, вспыхивают» как сверхновые I и II типа, различны. Недавно Цвикки пришел к выводу, что существует не два, а пожалуй, даже пять типов сверхновых звезд, что еще больше осложняет проблему.

При вспышке сверхновой звезды выделяете; довищная энергия порядка 1050 эрг или больше.

В 1971 г. впервые было обнаружено теоретически давно ожидавшееся радиоизлучение при вспышке сверхновой звезды. Со времени изобретения телескопа ни одна вспышка сверхновой звезды не наблюдалась в нашей звездной системе — Галактике. Мы наблюдаем их пока оптически только в других неимоверно далеких звездных системах, столь далек, что даже в мощнейший телескоп звезду, подооную нашему Солнцу, нельзя было бы увидеть. Радиопоток в 1971 г удалось обнаружить от замеченной перед этим сверхновой звезды в спиральной звездной систе не, обозначаемой М 101. Свет от нее идет к нам сколько миллионов лет, и в ней звезд, даже в тысячу раз более ярких, чем Солнце, с такого расстояния видеть невозможно. Однако сверхновая звезда вблизи ее максимума блеска была видна на фотографиях, полученных мощным телескопом. Радиопоток от нее на длине волны 21 см составил около 10–28 вт/м2гц. Излучение это, по-видимому, нетепловое.

Цвикки предполагал, что освобождение энергии в виде тепла и света, наблюдаемое при вспышке сверхновой звезды, нельзя объяснить на основе обычно принимаемых источников звездной энергии. Он допускал, что в данном случае энергия освобождается при превращении звезды, состоящей в основном из атомных ядер, в спавшуюся звезду, состоящую из нейтронов. Когда весь водород превратился в гелий, у звезд вполне определенной массы вследствие чрезмерной плотности и температуры происходит, так сказать, втискивание свободных электронов в ядра атомов под действием высокого давления. Электроны, втискиваясь в ядра, нейтрализуют их заряд и превращают их в нейтроны. Нейтроны, обладая размерами атомных ядер, но не имея электрического заряда, препятствующего их сближению, могут быть сближены гораздо больше, чем электрически заряженные ядра штомов. Внешнее давление сжимает звезду с большой скоростью, и сразу же бурно освобождается энергия тяготения. Избыток излучения в недрах звезды срывает в пространство ее внешние слои, а остаток звезды спадает к центру, как карточный домик, и утрамбовывается до плотности нейтронов (порядка 1014 г/см3). Диаметр звезды, по мнению Цвикки, уменьшается до 10 км!

Такая звезда по величине была бы подстать астероидам. Наперсток с нейтронами весил бы сто миллионов тонн. Вся масса Земли, превращенная в нейтроны, поместилась бы внутри шара диаметром полтораста метров. Отсюда уже недалеко и до узелка, в котором была заключена вся земная тяжесть и который пытался поднять былинный богатырь Святогор.

Согласно расчетам нейтронная звезда должна была бы излучать мощный поток рентгеновских лучей, по которому такую крошку только и можно было бы обнаружить. В середине шестидесятых годов на небе впервые было обнаружено несколько самых мощных источников рентгеновских лучей. Один из них совпал с упоминавшейся выше туманностью Кассиопея А, а другой — с Крабовидной туманностью. Но рентгеновское излучение внутренних областей туманностей, оставленных сверхновыми звездами, относится к самим туманностям и, по-видимому, также имеет синхротронную природу.

«Оставим все это на суд будущего…» — так писал я в предыдущем издании этой книги. Но уже вскоре открытие радиопульсаров, из которых один оказался внутри Крабовидной туманности («по совместительству» он является также оптическим пульсаром и, наконец, рентгенопульсаром), блестяще оправдало предсказание моего покойного друга Фрица Цвикки. Нейтронные звезды, а затем и так называемые «черные дыры» оказались реальностью.

Первый пульсар был открыт английским радиоастрономом Э. Хьюишем и его сотрудниками в конце 1967 г… Это была крупнейшая, неожиданная «новинка». С «пустого» как будто места неба обнаружили идущие в Космос короткие радиоимпульсы, повторяющиеся с исключительной стабильностью с периодом не менее секунды. В начале можно было подумать, не искусственные ли это сигналы какой-нибудь внеземной цивилизации! Стабильность импульсов у известных нам пульсаров, число которых теперь перешло за сотню, сочетается с большими вариациями интенсивности их импульсов и степени поляризации их излучения. Периоды их пульсации от 4 до 1/50 секунды, т. е. довольно однообразны. Однако периоды обычно увеличиваются, реже уменьшаются и иногда скачками. Замечательно, что наряду с пульсацией радиоизлучения обнаружилось и пульсирующее рентгеновское излучение. Наконец, у пульсара, обозначаемого NP 0532, обнаружилась и оптическая пульсация — после того как он оказался тождественным со слабой звездочкой, которая является остатком сверхновой звезды, породившей при вспышке Крабовидную туманность в созвездии Тельца, о которой мы уже рассказывали. Но это пока единственный пульсар, который виден. У пульсаров иногда наблюдаются резкие, скачкообразные изменения периодов. Это может происходить от «звездотрясений», вызывающих быструю и резкую перестройку строения нейтронной звезды-карлика, либо от мощного выброса плазмы наружу. Пульсары заметно концентрируются к Млечному Пути, — следовательно, они находятся внутри нашей Галактики. Расстояния до них можно оценить лишь очень грубо, косвенными методами. Они составляют сотни, чаще несколько тысяч световых лет, и пульсары, кроме одного, пока невидимы потому, что их световое излучение, вероятно, очень — очень слабо. Большинство специалистов убеждены в том, что пульсары — это крохотные нейтронные звезды с диаметром в несколько километров, вращающиеся с периодами в доли секунды. Их вполне можно назвать «звездными волчками». Массы пульсаров должны быть сравнимы с массой Солнца, но при плотности в центре около 1015 г/см3 и сильнейшей намагниченности. (Магнитное поле пульсара может достигать напряжения 1013 эрстед.) Наблюдаемые нами пульсации излучения должны происходить от существования радиоизлучающих областей на поверхности, вращающихся вместе со звездой по отношению к нам. Вместе с тем вращается и магнитное поле. Модели пульсаров и механизмов излучения ими энергии изучаются теоретически.

Общая теория относительности допускает, что под действием силы тяжести, когда давление газа становится меньше гравитационного, сжатие происходит катастрофически — быстро наступает коллапс. Если масса звезды больше чем 1,2 массы Солнца, но меньше двух масс Солнца, сжатие приводит к превращению звезды в нейтронную. Но если масса звезды больше указанной, то сжатие происходит дальше, минуя так называемый радиус Шварцшильда. Ни луч света, ни вещество не могут из нее выйти наружу, она становится невидимой. Мы говорили выше о кометах — «видимом ничто», а здесь мы имеем невидимое «что-то» — принципиально невидимое, ничтожного размера, но с большой массой. Это «что-то» даже и звездой назвать неудобно. Это вначале чисто теоретическое образование стали называть «черной дырой» (не смешивать с понятием о «черном теле» в физике!), — «черной дырой» потому, что она не светится и потому что она представляет собой «особую точку» в пространстве. Обсуждение возможных свойств «черных дыр» и их поиски являются сейчас модной темой для физиков и астрономов.

Появились соображения, что при падении газа на «черную дыру» этот газ может излучать достаточно много энергии для того, чтобы быть видимым, и что «черная дыра», обращающаяся с коротким периодом в паре с видимой звездой, может быть обнаружена по ее движению. В случае некоторых затменных переменных звезд было обнаружено рентгеновское излучение, как у пульсара. При этом полагают, что вокруг звезды обычного типа обращается по орбите на близком расстоянии «черная дыра». Она излучает подобно пульсару, в который превращается звезда неизвестного типа, вспыхнувшая как сверхновая. Излучает здесь в рентгеновском диапазоне собственно диск горячего газа — плазмы, перетекающей к «черной дыре» от звезды видимой. Массы объектов, считаемых предварительно «черными дырами» (они входят в пары), определяются по периоду обращения и скорости движения — эти величины зависят от масс компонент. Оценки давали для «черных дыр» несколько масс Солнца. В 1974 г. был обнаружен радиопульсар с частотой излучения, меняющейся вследствие его орбитального движения. Изучение его движения приводит к массе, равной солнечной. Это согласуется с представлением о том, что «черные дыры» суть коллапсировавшие звезды, как бы мертвые звезды — последняя стадия их существования.

На Международном астрономическом съезде в Варшаве в 1973 г. специалисты сообщили, что по расчетам при начальной массе звезды более 10 масс Солнца термоядерный синтез в их ядрах приводит к образованию железного ядра внутри них с плотностью 8 г/см3. Цри повышении температуры свыше 5109 градусов происходит гравитационный коллапс в форме вспышки сверхновой звезды и образования нейтронного пульсара, если масса железного ядра меньше двух солнечных масс, и «черной дыры» при большей массе. Наблюдения пока ничего не могут сказать о том, что представляют собой звезды перед своей вспышкой как сверхновые.

Сказанное здесь сопоставьте с тем, что рассказывается об эволюции звезд вообще в главе 11. Для лучшего же ознакомления со сверхновыми звездами прочитайте книгу Ю. П. Псковского «Новые и сверхновые звезды» («Наука», 1974).

Глава 9. Мир звездных скоплении и рассеянных газов

Рассеянные и шаровые звездные скопления отличаются друг от друга по виду примерно так же, как неорганизованные толпы людей отличаются от дивизий солдат, построенных в строгом порядке.

Рассеянные скопления находятся внутри нашей звездной системы — Галактики и расположены в ней вперемежку с одиночными звездами: они как бы крупные населенные пункты внутри страны. За их положение в пространстве их иногда и называют галактическими, а за слабую концентрацию звезд к центру скопления их и назвали рассеянными. Звезд в них бывает тысячи, и разбросаны они в пространстве без особой правильности, как палатки цыганского табора.

Примером рассеянных скоплений являются Плеяды. В народе их называют где Стожарами, где — Утиным гнездышком, а где Волосожаром. Осенью они восходят вечером, а зимой вечером стоят уже высоко в небе. Невооруженный глаз средней зоркости видит в этой кучке шесть звезд, а зоркий глаз — от семи до одиннадцати. В поле же зрения телескопа здесь мерцают сотни звезд всевозможного блеска. Принадлежность звезд к данному скоплению обнаруживается из общности их движения в пространстве. Так можно бывает выделить звезды, более к нам близкие или далекие, случайно проектирующиеся на звездное скопление.

Измеряя видимые звездные величины звезд в скоплениях и их спектры или определяя цвета, что доступнее и проще, можно составить для них подобие диаграммы светимостей — спектров. Она чаще всего похожа на такую же диаграмму, составленную для ближайших окрестностей Солнца. Диаграмма эта обычно оказывается неполной из-за отсутствия ветви гигантов (и, конечно, из-за невозможности увидеть в далеких скоплениях белые карлики).

Сравнивая ее с диаграммой для окрестностей Солнца и, так сказать, приравнивая их друг к другу, можно определить разность m — М, т. е. разность между видимой звездной величиной звезд каждого спектрального класса в скоплении и их абсолютной

звездной величиной, а по этой разности, как мы видели, легко подсчитать расстояние до скопления. Зная же расстояние и измерив видимый угловой диаметр скопления, легко определить линейный диаметр скопления в световых годах. Например, Плеяды отстоят от нас на 320 световых лет, и диаметр этой группы звезд — около 30 световых лет.

Вокруг красного Альдебарана, самой яркой звезды в созвездии Тельца, легко заметить немногочисленную и более рассеянную, чем Плеяды, группу звезд скопления Гиад. Всего нам известно около 500 рассеянных скоплений, но мы не знаем еще множества более далеких и слабосветящихся или же скрытых от нас темными туманностями.

В. А. Амбарцумян выделил на небе группы звезд, которые он назвал ассоциациями. Звезды в ассоциации имеют одинаковые физические признаки и разбросаны гораздо сильнее, чем звезды рассеянных скоплений. Последние сами часто входят в состав ассоциаций. Амбарцумян назвал О-ассоциациями группы горячих звезд, содержащих звезды класса О или ранние звезды класса В, и Т-ассоциациями — группы, содержащие переменные звезды типа Т Тельца. Ассоциации выделяют на небе по видимому скучи-ванию таких немногочисленных звезд. Реальность такого видимого скучивания звезд классов О и В требует тщательной проверки. Дело в том, что в Млечном Пути много облаков темной материи. В прорывах между ними существуют просветы — «коридоры видимости». В таком коридоре далекие горячие звезды видны среди более близких и получается лишь видимая большая плотность их на данной площади, в то время как в пространстве такого тесного скучивания их нет.

Но даже тогда, когда оно есть, взаимное тяготение между звездами ассоциации мало, так как они далеки друг от друга и звезды из этой области будут постепенно разбредаться. Установить такое их разбегаыие пока трудно и его существование является предметом споров. По мнению В. А. Амбарцумяна, в О-ассоциациях рождаются и горячие звезды и более холодные — это колыбели их, наряду со звездными скоплениями. Размеры ассоциаций являются промежуточными между размерами рассеянных звездных скоплений и больших звездных облаков.

Шаровые звездные скопления, известные в числе около сотни, имеют своего типичного представителя в лице звездного скопления в Геркулесе, видимого в бинокль как туманная звездочка примерно 6-й звездной величины. Лишь сильный телескоп, а в особенности фотография, показывают, что тут существует целое скопление звезд в форме шара, сильно концентрирующихся к его центру. Тут сотни тысяч звезд, из которых мы видим только ярчайшие. Звезды более слабые по блеску, в частности такие, как Солнце, невидимы. Из-за удаленности от нас и многочисленности звёзды, особенно вблизи центра, сливаются в одно сплошное светлое сияние.

Расстояния до шаровых звездных скоплений долго были загадкой, пока среди их населения не были обнаружены цефеиды. Представьте себе, что в крошечной области неба, занятой скоплением, вы открываете одну, вторую, третью, наконец, десяток цефеид, тогда как вокруг скопления на большом расстоянии вы их не находите ни одной. Может ли это быть случайным совпадением?

Одна цефеида, более близкая к нам, чем скопление, или более далекая, может проектироваться на скопление — это будет «случайность». Если из всех цефеид в этой области и вторая проектируется там же, это можно назвать «совпадением». Но если их проектируется туда десяток и больше, это уже не может быть, как говорят, «привычкой», ибо привычек у звезд нет. Это может означать лишь то, что цефеиды действительно находятся в самом шаровом скоплении, являются его членами. Наличие цефеид дало возможность определить расстояния до ряда шаровых скоплений, а затем и их размеры. До тех из них, в которых цефеид не оказалось, расстояния, по предположению Шепли (США), можно было определить по видимому блеску наиболее ярких звезд. Для наиболее далеких скоплений, представляющихся пятнышками, в которых отдельных звезд не видно, расстояния можно было определить по видиглым угловым размерам и по видимому суммарному блеску, так как истинные линейные размеры и суммарная светимость у всех шаровых скоплений оказались примерно одинаковыми.

Одно из ближайших к нам шаровых скоплений — то, что находится в Геркулесе, отстоит от нас на 20 000 световых лет, его диаметр — сотня световых лет. Наиболее далекие из шаровых скоплений отстоят от нас на 230 000 световых лет.

Диаграмма спектр — светимость для звезд шаровых скоплений значительно отличается от такой диаграммы для рассеянных скоплений и для окрестностей Солнца. Там существуют и несколько иные типы звезд. Сравнение подобных диаграмм для разных звездных систем позволяет сделать важные заключения о жизненном пути звезд и их систем. Об этом мы узнаем из главы 11.

Немецкий астроном Бааде, работавший в США, впервые указал на существование двух типов звездного населения, имеющих различие и в их распределении в пространстве. Исследования советского астронома Б. В. Кукаркина и его сотрудников показали, что объекты с различными физическими характеристиками (например, переменные звезды различных типов, звездные скопления различного вида и т. п.) входят в состав более разнообразных составляющих нашей звездной системы: плоскую, сферическую и промежуточную. Имеются веские основания предполагать, что объекты, входящие в различные составляющие, имеют разное происхождение и возраст.

Так, например, шаровые скопления и короткопериодические цефеиды входят в состав сферической составляющей, заполняя пространство внутри шара с центром в центре нашей звездной системы. Другие небесные тела, например, горячие гиганты, пылевые и газовые туманности, входят в состав плоской составляющей, сосредоточиваясь преимущественно в тонком слое вдоль плоскости Галактики. Определение расстояний до шаровых скоплений говорит нам о том, что шаровые скопления концентрируются к центру Галактики, но простираются до границ нашей звездной системы, за которыми начинается лишенное звезд пространство. Таким образом, размер системы шаровых скоплений определяет внешние размеры Галактики — того звездного дома с многочисленным населением, в котором мы живем.

Что же находится за пределами этого дома? Есть ли там еще другие звездные дома, другие звездные вселенные, другие галактики, сходны ли они с нашей или не похожи на нее? Об этом читайте в главе 10.

Линии спектра показывают, что газовые туманности состоят из водорода, гелия, азота, кислорода, углерода и некоторых других химических элементов.

Но самыми яркими в спектре являются две зеленые линии, которые более полувека приписывались неизвестному газу, так как ни один химический элемент в лаборатории не обнаруживал этих линий ни при каких условиях. Как неизвестный газ на Солнце был назван «солнечным» или «гелием», так неизвестный газ туманностей был назван «туманным» или «небулием» (от латинского «небула» — туманность).

Годы шли, но загадка небулия не разрешалась. Только успехи теории спектров и теории атомов позволили разоблачить незнакомца.

Подобно коронию на Солнце, «туманный газ» вырядился в незнакомую одежду из зеленых линий спектра и под ними скрыл себя. Уже давно было ясно, что небулий — замаскировавшийся знакомец, так как для него не осталось места в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

Маску с небулия сорвал в 1927 г. Боуэн, вычисливший длины волн почти всех линий спектра, какие только могут когда бы то ни было давать химические элементы, уже обнаруженные в туманностях. Зеленые линии оказались «запрещенными» линиями дважды ионизованного кислорода. В туманностях дважды ионизованный кислород излучает как свои «разрешенные» линии, так и «неразрешенные», и последние у него даже ярче первых. В рассказе о разоблачении солнечного «корония» объяснялось, что такое запрещенные линии и отчего они почти не наблюдаются в лабораториях. Для их излучения газ должен быть крайне разрежен, а энергия, падающая на него от звезды, также должна быть крайне разрежена, т. е. газ должен находиться достаточно далеко от звезды, где освещение очень слабо. В лаборатории и до сих пор не удалось с уверенностью вызвать появление зеленых линий дважды ионизованного кислорода, потому что на Земле мы еще не можем предоставить ему для этого нужных условий. Лучшие наши воздушные насосы не в состоянии даже отдаленно создать такое разрежение газа, какое существует в газовых туманностях. А между тем этот газ, который с земной точки зрения гораздо разреженнее, чем то, что мы называем пустотой под колпаком воздушного насоса, ярко светится. Мы его видим на расстояниях в тысячи световых лет, а если говорить о газовых туманностях, обнаруженных в других галактиках, — то и на расстояниях в миллионы световых лет. В лаборатории до сих пор не наблюдаются многочисленные другие линии спектра туманностей, менее яркие, чем зеленые, и также приписывавшиеся все тому же небулию. Они оказались запрещенными линиями того же кислорода, но однажды ионизованного или нейтрального, а также запрещенными линиями других известных химических элементов.

Газовые оболочки, выбрасываемые новыми звездами, дают спектр совершенно такой же, как газовые туманности, и иногда в спектрах новых звезд все самые яркие линии, а в некоторых случаях даже и вообще все видимые линии — запрещенные.

В настоящее время все линии спектров газовых туманностей отождествлены. Их известно более сотни. По этим линиям мы узнаём качественный химический состав туманностей. В основном он характеризуется легкими элементами, но, как и в случае звездных атмосфер, в туманностях могут быть и некоторые другие химические элементы, хотя их линии в спектре и не наблюдаются. Причиной этого является либо слабость линий, либо их нахождение в области, недоступной для исследования в земных условиях: в ультрафиолетовой (которая поглощается в земной атмосфере) или в инфракрасной (где сильны линии поглощения водяными парами нашего воздуха).

Гораздо труднее определить количественный химический состав газовых туманностей, т. е. пропорцию разных химических элементов. При прочих равных физических условиях чем ярче, интенсивнее соответствующие линии спектра данных ионов, тем больше этих ионов, так как каждый квант света спектральной линии вызывается излучением одного иона. Но дело заключается в широких различиях физических условий, вызывающих излучение данной линии, и в том, что многие ионы не дают линий в наблюдаемой части спектра. Полное же число атомов данного элемента равно сумме всех нейтральных атомов и всех его ионов.

Можно считать, что в пределах точности расчетов нет существенного различия между количественным химическим составом туманностей и звезд. Было бы особенно интересно сравнить химический состав ядер туманностей и их оболочек, так как, несомненно, вещество оболочки (если учитывать факт ее расширения) отделилось когда-то и как-то от звезды. Это тем более интересно, что среди ядер со спектром типа Вольфа — Райе одни содержат углерод без азота, другие же содержат и углерод и азот, а в одном случае азот даже сильно преобладает. К сожалению, такое сравнение химического состава нелегко, в частности потому, что линии спектра туманности накладываются на линии спектра ядра, и без того малочисленные, и отделить их друг от друга трудно. Известно, что в солнечных протуберанцах аномально высоко содержание ионизованного кальция по сравнению с его содержанием в хромосфере, из которой они выбрасываются. Протуберанцы бывают водородные и металлические. Такого рода различие возможно и в планетарных туманностях.

Спектр излучения газовых туманностей и то, что их яркость больше, чем яркость соседних звезд, которые можно было бы заподозрить как причину их свечения, отвергает возможность их свечения отраженным светом. Однако доказываемая спектром разреженность газа не допускает, чтобы он был раскаленным и вполне самосветящимся. Американцы Хаббл, Боуэн и Мензел, голландец Занстра и советский ученый В. А. Амбарцумян установили основные черты свечения и природы газовых туманностей.

Газовые туманности светятся до некоторой степени подобно тому, как светятся кометы или как газ в газосветной трубке. Их свечение вынужденное.

Вынуждают их к этому звезды: в планетарных туманностях — находящаяся в их центре, а в диффузных — находящаяся где-либо в них, либо даже

по соседству. Но такая звезда должна быть непременно очень горячей. Так оно и есть, — звезды, возбуждающие свечение газовых туманностей, имеют спектральный класс О или В0, - никак не более поздний, т. е. их температура 25–30 тысяч градусов. При таких высоких температурах в спектре этих звезд максимум энергии лежит в невидимой глазу ультрафиолетовой области. Туманность поглощает невидимые глазом мощные потоки ультрафиолетовых лучей, и затем ее атомы излучают поглощенную энергию в области видимых глазом лучей, например излучают зеленые линии. Минимальная порция света или квант видимых лучей содержит меньше энергии, чем квант ультрафиолетовых лучей. Поэтому в силу закона сохранения энергии, чтобы излучить то же количество энергии, какое было поглощено, туманность должна излучить большее число квантов, чем ею получено. Впечатление яркости, воспринимаемое глазом, зависит от числа квантов, падающих на него в секунду. Вот почему газовые туманности в видимых лучах светятся ярче, чем звезды, вызывающие это свечение. Энергия же излученных туманностью видимых лучей равна энергии поглощенных ею ультрафиолетовых.

Под действием высокой температуры звезды газы туманности ионизуются очень сильно, например, там наблюдается четырежды ионизованный кислород. Водород светится, когда его ионы захватывают пролетающие мимо свободные электроны. Запрещенные же линии кислорода излучаются после того, как атомы или ионы кислорода возбудятся за счет энергии столкновения с медленно летящими свободными электронами. Чтобы испустить зеленую линию «небулия», ион кислорода должен быть в возбужденном состоянии сколько ему полагается, а именно не менее нескольких минут. За этот период, следовательно, его не должны потревожить толчком ни кванты света, ни другие атомы, ни электроны. Чтобы столкновения были так редки, число частиц в единице объема (т. е. плотность газа) должно быть очень малым. Вычисления показывают, что плотность газовых туманностей составляет 10-19-10-22 г/см3. При этой плотности от одного столкновения атома до другого проходят часы. Вследствие удаленности от звезды кванты ее света тоже летят далеко друг от друга и редко сталкиваются с ионами. Таким образом, у атомов есть все условия, нужные для излучения ими запрещенных линий, т. е. запрещенных в земных условиях, при большой плотности газов. В земных условиях атомы толкаются гораздо чаще, чем люди на толкучке, а в туманности по сравнению с этим они сталкиваются реже, чем бродячие музыканты встречались друг с другом. В воздухе молекулы от столкновения до столкновения проходят путь длиной в миллионные доли сантиметра, а в туманности длина, как говорят, такого «свободного пробега» измеряется миллионами километров.

Как мы говорили, масса колоссального объема газа, образующего планетарную туманность благодаря ее разреженности, составляет всего лишь одну сотую массы Солнца. Массы больших диффузных туманностей могут быть в сотни раз больше этого. О. Д. Докучаева, пользуясь теорией В. А. Амбарцумяна, оценила, например), массу туманности Ориона в 500 масс Солнца.

Очень часто диффузные газовые туманности перемешаны с пылевыми туманностями, светящимися отраженным светом, и даже с темными пылевыми туманностями. Не происходит ли кое-где сгущение газа в метеоритную пыль? На эту мысль наводят нас и другие соображения.

Некоторые планетарные туманности наряду с яркими линиями излучают и слабый непрерывный спектр. Казалось неправдоподобным, чтобы при большой прозрачности этих туманностей в них присутствовала в заметном количестве пыль, отражающая свет ядра. Эта загадка была решена в 1950 г. эстонским физиком А. Я. Киппером.

Еще раньше знали, что некоторые атомы могут совершить запрещенный переход, излучив не один, а два кванта сразу, причем сумма энергий этих двух квантов равна разности энергий двух соответствующих уровней в атоме. Вероятность такого двухквантового перехода мала, но не слишком. В атоме водорода время жизни на одном из подуровней второго состояния составляет 0,12 сек. Переход с него в основное состояние дает двухквантовое излучение, но в разных случаях сумма энергий распределяется между двумя квантами неодинаково. Так, при наличии множества атомов излучаются подобным образом всевозможные кванты разных частот. В результате излучается непрерывный спектр. Его могут давать в меньшей мере и атомы гелия: нейтрального и ионизованного. Яркость свечения непрерывного спектра водорода пропорциональна населенности второго уровня, а последняя пропорциональна числу рекомбинаций протонов, следовательно, яркости водородных линий. Эта теория и количественно согласуется с наблюдениями, особенно, если учесть еще некоторые тонкости процесса и то, что при рекомбинациях водородных атомов излучается некоторый слабый непрерывный спектр (его излучают также электроны, тормозящиеся при пролете вблизи атомов, не способных, однако их захватить). Так загадка непрерывного спектра в газовых туманностях тоже была разрешена теорией.

Газовые диффузные туманности, обычно весьма клочковатые, сильно концентрируются к галактическому экватору. Они бывают самых разнообразных размеров и неопределенных очертаний. Из них наиболее известны туманности Ориона (рис. 169 и на вклейке), Лагуна, Омега, Трехраздельная, Пеликан, Северная Америка. Но существуют и такие более ясно очерченные объекты с усилением яркости к периферии (периферические туманности), как Розетка. В ее середине находится рассеянное звездное скопление, состоящее из горячих звезд классов О и В. Существуют еще немногочисленные волокнистые туманности. Самая известная из них NGC 6960 и 6992, или Рыбачья сеть в созвездии Лебедя является, однако, как полагают, остатком сверхновой звезды (рис. 170).

Фотографии, сделанные через красный светофильтр, подавляют свечение ночного неба и позволяют выявить в лучах красной водородной линии очень слабые туманности. Много их открыл на Крымской обсерватории Г. А. Шайн со своими сотрудниками. Он, а также В. Г. Фесенков и Д. А. Рожковский издали прекрасные атласы фотографий этих объектов, показывающие их тонкие детали, в которых можно видеть явные признаки турбулентных движений.

В туманности Ориона такие движения проявляются и в различии лучевых скоростей от места к месту.

Насчитывают около 300 диффузных газовых туманностей, но их число и размеры в каталогах весьма произвольны в силу того, что часто встречаются комплексы туманностей и каждый такой комплекс можно считать одной туманностью; с другой стороны, можно считать самостоятельной туманностью каждую деталь сильно клочковатой, затейливой туманности.

Под туманностью Ориона, самой яркой, понимают обычно сияние, около одного градуса в поперечнике, окутывающее четыре звезды класса О, называемые «трапецией Ориона». Но слабые туманные области простираются и много дальше и окутывают почти все громадное созвездие Ориона.

Обширные области свечения с неопределенными границами часто встречаются в полосе Млечного Пути и называются водородными полями или областями НИ, так как в них светится в основном ионизованный водород в процессе рекомбинации, как и в планетарных туманностях.

Хаббл давно доказал, что источником свечения газовых туманностей является облучение их ультрафиолетовым светом горячих звезд классов О и В0 — В1, но не более холодных. Так как температура этих звезд ниже, чем температура большинства ядер планетарных туманностей, то в них ионизация и возбуждение ниже: яркие ультрафиолетовые линии λλ 3727–3729 кислорода сильны, а зеленые линии кислорода слабы.

Звезда (или ряд звезд), возбуждающая свечение, бывает и внутри туманности, и на ее краю, и даже вне ее, поблизости. Поэтому, а также иногда вследствие удаленности от нас, установить, какая звезда вызывает свечение туманности, не удается. Такие звезды не найдены для ряда волокнистых туманностей, свечение которых имеет, может быть, даже другое происхождение.

Свечение диффузных туманностей и водородных полей так слабо, что получить их спектры удается только при помощи особо светосильных небулярных спектрографов. Лучевые скорости их того же порядка, что и у звезд, их освещающих, но возможно, что взаимная связь туманности со звездой временная и случайная, а не генетическая, как у планетарных туманностей и их ядер, которые имеют большие пекулярные скорости, доходящие до 200 км/сек.

У Диффузных туманностей скорости меньше и в основном свидетельствуют об их участии во вращении вокруг центра Галактики в плоскости Млечного Пути по орбитам, близким к круговым, тогда как планетарные туманности имеют, вероятно, более вытянутые орбиты и большие хаотические скорости.

В своей совокупности диффузные газовые туманности и водородные поля образуют клочковатый слой газа, толщиной около 200 парсек (около 600 световых лет), в плоскости галактического экватора. Этот слой совпадает со слоем горячих гигантов и без них газовые облака не светились бы.

Горячий гигант внутри облака газа вызывает его свечение только в соответствии с размером обусловленной им зоны Стремгрена (зоны полной ионизации водорода). Вне ее газ невидим, и, вероятно, большинство светлых туманностей окружено зонами невидимого нейтрального водорода. По аналогии с диффузными туманностями, видимыми в ближайших к нам спиральных галактиках поздних типов и в нашей Галактике, считают, что они располагаются вдоль спиральных ветвей. Поэтому локализацию спиральных ветвей нашей Галактики стараются установить прежде всего по расположению в ней горячих гигантов и диффузных туманностей. Но часто забывают, что эти данные не независимы, так как за расстояние до туманностей принимают расстояние до звезд, возбуждающих их свечение и иногда, может быть, неверно признанных за таковые. Другого способа определения расстояний до диффузных туманностей нет.

Расстояние до горячих звезд оценивается довольно приблизительно из сравнения принятой для них абсолютной звездной величины с видимой звездной величиной. Абсолютные величины установлены еще не очень уверенно. Требуется также учесть влияние межзвездного поглощения света вблизи галактической плоскости и на большом протяжении. Этот учет еще неточен. Некоторое различие в пространственном распределении горячих гигантов и диффузных туманностей состоит в том, что иногда в местах большого скопления гигантов туманностей нет.

Массы диффузных туманностей определяют, анализируя «меру эмиссии». Так называют произведение n2еХl, где nе — электронная концентрация, а l — предполагаемая толщина туманности в парсеках. Следовательно, эта величина, пропорциональная поверхностной яркости, характеризует число атомов водорода на луче зрения в столбике сечением 1 см2 с длиной, равной толщине туманности.

Определив электронную температуру или приняв ее за 8000°, по мере эмиссии находят nе, подставляя принятое значение l. Можно обнаружить свечение с мерой эмиссии, равной всего лишь нескольким десяткам. Плотности диффузных туманностей обычно оказываются в пределах от десятка до сотни электронов (протонов) на 1 см3, а в центре туманности Ориона плотность доходит до 1000 и больше, но в общем плотности их ниже, чем в планетарных туманностях. В водородных полях плотность падает до nе=1.

Умножая массу протона на пе и на объем туманности (иногда условный), получаем массу последней. Первые такие определения были сделаны в лаборатории автора О. Д. Докучаевой для туманности Ориона и Д. П. Гук для туманности Омега. Получились массы 166 и 515 масс Солнца соответственно. Позднее Г. А. Шайн, В. Ф. Газе и другие нашли, что массы отдельных туманностей колеблются от 0,1 до сотен масс Солнца, а массы комплексов составляют тысячи масс Солнца. Наименьшие диффузные туманности близки по массе к планетарным. Что касается размеров, то они у диффузных туманностей колеблются от долей парсека до десятков парсек.

В газовых туманностях иногда наблюдается и непрерывный спектр той или иной интенсивности. Иногда он, несомненно, принадлежит пыли, особенно когда на фоне туманности видны темные прожилки, как в Трехраздельной туманности. В туманности Ориона много пыли; это видно из того, что погруженные в нее горячие звезды, как говорят, сильно покраснены. При такой плотности пыли на протяжении парсека она производила бы поглощение в 10 звездных величин!

В одних туманностях пыли больше, в других меньше, иногда одна часть туманности пылевая, другая газовая. Отсутствие следов газового спектра во многих пылевых туманностях не означает еще, что в них газа нет. Освещающие их звезды В1 и более поздних классов не могут вызвать нужную ионизацию и свечение газа, но все же его в пылевых туманностях мало, так как согласно расчетам даже при плотности ne=10–15 звезды В2-ВЗ вызвали бы заметное свечение газа. Но неясно обратное: почему нет чисто отражательных туманностей, освещенных звездами классов О и В0?

Во многих газовых туманностях, как показали наблюдения и расчеты Г. А. Шайна и С. Б. Пикельнера, непрерывный спектр обусловлен не пылью, а двухквантовыми переходами, как в планетарных туманностях, тогда как раньше этот спектр приписывали пыли. В ярких газовых туманностях, может быть, и есть пыль, но она светится отраженным светом так слабо, что ее непрерывный спектр не заметен на фоне яркого спектра, вызванного двухквантовыми переходами в газе.

Большие массы диффузных туманностей посылают весьма заметное тепловое радиоизлучение.

Много исследований посвящается сейчас газодинамическому исследованию судьбы диффузных туманностей. Тяготение может, конечно, удерживать от рассеяния большую массу холодного газа. Но в Галактике все находится в движении.

Недостаточное знание распределения плотностей и других условий в реальных туманностях, их разнообразие, различия в постановке и решении теоретической задачи не привели пока к однозначным выводам о том, рассеиваются ли диффузные туманности, либо в них происходит конденсация. Наблюдения также пока еще не могут ответить на этот вопрос. Согласно некоторым работам холодный газ может конденсироваться в звезды и в пылинки, если имеются ядра конденсации в виде сложных тяжелых молекул или иные. Горячий, ионизованный газ конденсироваться никак не может.

Зародыши пылинок, сталкиваясь друг с другом и с атомами холодного газа, могут в одних случаях сливаться и расти, в других случаях испаряться. Это влияет и на плотность окружающего газа. Получается очень сложная картина, в которой большое внимание привлекают вторжения темной материи в светлые области ионизованного газа. При этом свечение по периферии темной массы усилено, образуя светлый, резкий ободок вдоль ее края, всегда обращенного к звезде. Особенно узкие клинья темных вторжений получили за свой вид название «слоновые хоботы».

Плотность ионизованного газа в светлом ободке сильно повышена, а темная область содержит холодный газ, перемешанный с уплотненной пылью. Теоретическая трактовка описанного явления опирается на то, что когда горячая звезда облучает холодный газ, то ионизация в нем распространяется быстрее, чем волна давления нагреваемого газа. Светлый ободок получается, когда ионизационный фронт подходит к плотному облаку газа со стороны горячей звезды. Если на пути фронта встречается область очень большой плотности, она остается неионизованной, и фронт огибает эту флуктуацию. Это и приводит к включениям областей Н I в области Н II в виде «слоновых хоботов». Сжимание холодного газа в области «слонового хобота» давлением газа зоны Н II может привести к полной изоляции газового сгустка и дать начало возникновению глобулы. Сжатие глобул горячим газом и образование в них так называемой кумулятивной сходящейся ударной волны облегчают их гравитационную конденсацию.

Особый случай представляют собой волокнистые туманности округлых очертаний в целом, вроде Рыбачьей сети в созвездии Лебедя. Но они очень немногочисленны и, по-видимому, являются результатом вспышек сверхновых звезд. О них мы уже рассказывали. Но волокнистость часто проявляется в туманностях, вытянутых обычно вдоль Млечного Пути. Эта вытянутость не может объясняться действием

различия в скорости обращения туманностей около центра Галактики на разных от него расстояниях. По-видимому, вытянутость туманностей обусловлена характером магнитного поля Галактики, силовые линии которого лежат в ее плоскости и вдоль спиральных ветвей.

Г. А. Шайн нашел подтверждение этому предположению, сопоставляя направления вытянутостей туманностей с данными о поляризации света звезд. Магнитное поле допускает движение газа вдоль силовых линий и тормозит движение поперек них. При расширении туманности она и растекается вдоль линий поля, вдоль спиральной ветви. Сдерживающее действие магнитного поля, сгущение силовых линий в одних местах и их разрежение в других местах, по-видимому, и обусловливают волокнистую структуру больших туманностей, вытянутых вдоль Млечного Пути. Ионизованный проводящий газ удерживает в себе силовые линии поля и перемещается вместе с ними. При сильных хаотических движениях силовые линии вместе с потоками газа запутываются, напряжение поля усиливается, а вместе с ним уплотняются газовые потоки, что, вероятно, и создает волокнистую структуру в обширных газовых туманностях, как, например, в созвездии Лебедя.

Более внимательное изучение фотографий, на которых планетарные туманности видны лучше, показывает, что одни из них выглядят как равномерно светящиеся или как пятнистые диски, другие имеют вид колечка или колечка на фоне диска. Реже встречаются более сложные и даже загадочные формы, но, как правило, планетарная туманность симметрична и резко очерчена. Угловой диаметр самых гигантских планетарных туманностей составляет половину углового диаметра Луны, т. е. 1/4 градуса. Некоторые из них, более примечательные, получили забавные названия по сходству с чем-либо: Сова, Эскимо, Сатурн. Многие планетарные туманности так малы, что даже в наибольший телескоп неотличимы от звезды. Как же их тогда обнаруживают? Решает дело спектр.

Спектры подавляющего большинства звезд непрерывные, с темными линиями. Во всяком случае, они содержат обычные линии известных химических элементов. Спектры же газовых туманностей — это спектры разреженных газов; они содержат так называемые запрещенные линии, не наблюдаемые в земных лабораториях, и возникают лишь в крайне разреженных газах при условии, что газ облучают очень разреженные потоки света. Об этом мы уже говорили в разделе «История двух незнакомцев».

Среди запрещенных линий, наблюдаемых только в газовых туманностях, первыми были замечены самые яркие — две зеленые линии, которые были приписаны неизвестному газу, имеющемуся только в туманностях. От латинского слова «небула» (туманность) этот газ получил название небулий, а его линии называют небулярными. В планетарных туманностях зеленые линии небулия ярче, чем сине-зеленая линия бальмеровской серии водорода Нβ. Это их и выдает.

До второй мировой войны было открыто всего лишь около полтораста планетарных туманностей. Сейчас их известно уже более 700.

В 1887 г. Дрейер в Англии составил каталог, содержащий почти 8 тысяч звездных скоплений и разных туманностей. Туманности часто обозначаются номерами по этому каталогу, например NGC 6720, где NGC есть сокращенное обозначение «Нового генерального каталога» Дрейера. Дополнение к нему, опубликованное в 1894 и 1908 гг., обозначается IC.

В каталоге Дрейера в основном содержатся галактики, которых тогда не умели еще распознавать. Находить в нем немногочисленные планетарные туманности, где к тому же о них нет необходимых и известных сейчас сведений, крайне неудобно. Кроме того, в нем нет множества туманностей, открытых позднее. Поэтому автор этой книги, начиная с 1931 г., составлял уже три раза специальные каталоги планетарных туманностей, дающие о них все важнейшие сведения — положение на небе, размер, яркость, физические свойства и т. д. Из этих трех каталогов последний содержит около 600 туманностей и в литературе сокращенно обозначается VV. Некоторые планетарные туманности имеют еще другие обозначения, на которых мы останавливаться не будем.

Как их открывают? Фотографировать спектр каждой слабой звезды обычным спектрографом, чтобы узнать, не планетарная ли это туманность — безнадежно долгое занятие. Ведь известные ранее планетарные туманности имеют суммарный блеск звезд от 7-й до 13-14-й звездной величины. Звезд же 15-й звездной величины уже около 15 миллионов, а более слабых еще больше.

Для обнаружения планетарных туманностей часто применяют объективную призму. Это призма с углом преломления 3–7°, которую ставят теперь перед светосильным телескопом с отверстием 25–60 см. Он охватывает площадь неба порядка 3x5° и фотографирует в виде ниточек спектры всех звезд, которые при данной экспозиции оставляют в определенной области неба свой след. Получаются сразу ниточные спектры сотен звезд, среди которых спектры планетарных туманностей сразу выделяются тем, что они выглядят как цепочка бусинок. Бусинки — это монохроматические изображения планетарной туманности в лучах небулярных, водородных и других линий (см. рис. 168). От очень слабых планетарных туманностей получается только одно изображение самой яркой линии, которой бывает либо главная зеленая линия небулия, либо красная водородная линия На. Немало таких туманностей было открыто в Абастуманской обсерватории в Грузии.

Большие туманности с низкой поверхностной яркостью открывают по снимкам, полученным со светосильными телескопами, применяя иногда красный светофильтр, который ослабляет гяешающий выявлению туманностей фон ночного неба.

Из-за малости масштаба снимков, на которых делаются эти открытия, для большинства из найденных 700 планетарных туманностей известно, и то с недостаточной точностью, их положение на небе, да в лучшем случае их суммарный блеск. О диаметре же их, структуре, линиях спектра ничего не известно, и наши сведения опираются пока на наблюдение полусотни наиболее ярких или крупных объектов.

В центре достаточно крупных планетарных туманностей обычно видна слабая звездочка. Как правило, она слабее, чем суммарный блеск ее туманной оболочки. На основе известной сейчас причины свечения туманностей можно утверждать, что в каждой из них есть такая звездочка — ядро. Оно невидимо лишь из-за слабости блеска. Изучать ядра еще труднее, чем сами туманности, так как они редко бывают ярче 10m часто 16m-18m или вообще невидимы.

Спектры ядер бывают трех видов: класса О с темными линиями, типа Вольфа — Райе с яркими полосами и непрерывные, без всяких линий. Последнее может быть обусловлено как крайне высокой температурой, так и очень сильным эффектом Штарка (расширения спектральных линий в межатомных электрических полях), если атмосферы ядер очень тонки и сильно уплотнены. Таким образом, ядра являются, судя по типу их спектра, такими же горячими, как и самые горячие из обычных звезд. Ядра изучены пока еще мало. По наполовину гипотетическому расчету автора этих строк, основанному на статистике распределения планетарных туманностей в пространстве, масса ядер составляет в среднем около двух масс Солнца. Это много меньше, чем масса обычных звезд класса О и даже Вольфа — Райе.

Замечательное явление обнаружено в гигантской туманности NGC 7293, сфотографированной 5-метровым телескопом в красных лучах водорода. Вероятно, она наиболее близка к нам. Расстояние до нее едва ли больше 100 парсек, т. е. 300 световых лет. Поэтому только в ней пока и обнаружены сотни тончайших волокон, направленных строго радиально к ядру. Эти волокна, по-видимому, и составляют внутреннюю, более яркую половину ее кольца, но они наблюдаются и внутри него на темном фоне внутренности кольца, далеко не доходя до ядра. Толщина совершенно прямых волокон около 1",5 — на пределе разрешения телескопа, а длина порядка 1000 астрономических единиц. Эти тончайшие волокна, однако, грандиозны, если учесть расстояние до туманности. Их толщина вдвое больше, чем диаметр орбиты планеты Плутон, а длина составляет около светового месяца. Природа и происхождение волокон еще совершенно не известны. Несомненно, что они имеют самое прямое отношение к формированию оболочки и как-то связаны с ее ядром.

В общем планетарные туманности имеют простые очертания и четкий край. Однако это не всегда так. Например, туманность NGC 2440 затейливо хаотична. На ее периферии много растрепанных волокон. Увеличение экспозиции превращает ее в значительно большую по размерам и более правильную туманность, по очертаниям сходную с бабочкой. Наконец, передержанное изображение рисует ее как почти правильный эллипс с совершенно резким и ярким краем.

Туманность в Лире NGC 6720 сотни лет была известна как кольцевая с резким краем (см. цветной рис. в конце книги). Снимки 1964 г. показывают у нее вторую, внешнюю, очень слабую оболочку и третью оболочку с неровным краем, еще более слабую. В результате диаметр туманности «стал» в 2,5 раза больше.

У некоторых планетарных туманностей еще раньше были обнаружены очень слабые придатки, иногда в виде тонких и слабых прямых или эллиптических, иногда в виде спиральных волокон, как у NGC 650-1. При малой экспозиции она выглядит как неправильный четырехугольник, а при большой экспозиции волокна на ее краях похожи на «рукоятки», как бы приделанные к ней. Ионизация в придатках и волокнах меньше, чем в основной массе туманности. Они излучают преимущественно в лучах водорода и ионизованного кислорода.

Особо следует обратить внимание на ярко выраженную волокнистую структуру ряда дискообразных туманностей. Волокна коротки, имеют вид червячков и соответствуют местным уплотнениям газа. В промежутках между ними излучение слабо, что создает эффект так называемой скважистости. В промежутках между волокнами излучение ядра может уходить в пространство не использованным для свечения туманности. Это затрудняет определение истинной средней плотности и массы туманностей при применении некоторых методов. Когда в какой-либо части туманности плотность вдвое больше, то излучение в запрещенных линиях там больше вдвое, а в линиях водорода больше вчетверо. Считают, что оболочка туманности заполнена газом на 30–70 %, но в разных туманностях эта величина должна быть различна.

Одним из важнейших свойств планетарных туманностей является их расширение, открытое благодаря изучению линий их спектров, полученных с большой дисперсией. Когда дисперсия спектрографа достаточно велика, а линия спектра имеет заметную ширину, то можно изучить структуру планетарной туманности. При этом вскрываются важные дополнительные данные.

Если щель спектрографа покрывает целиком изображение туманности по диаметру, то линия спектра оказывается расщепленной посередине. С удалением щели от центра расщепление уменьшается, и на краях диска обе компоненты линии сливаются в одну. По малой ширине компонент расщепленной линии можно судить, что в слое газа, образующем оболочку туманности, скорости молекул соответствуют тепловым скоростям и что в туманности нет заметных турбулентных движений. Расщепление же всех линий спектра в середине можно объяснить только радиальным расширением туманности, которая представляет собой оболочку, полую внутри и прозрачную для собственных излучений. Эта прозрачность обусловлена крайне малой плотностью оболочки. Прозрачность планетарных туманностей в общих лучах видна из следующего факта: сквозь гигантскую планетарную туманность в созвездии Водолея NGC 7293 (Хеликс) видны далекие галактики.

При расширении центр поверхности полусферы, обращенной в нашу сторону, приближается к нам, а лучевая скорость его равна скорости расширения. Центр поверхности противоположной полусферы при расширении удаляется от нас, а его скорость по лучу зрения тоже равна скорости расширения. В этой точке линия спектра смещена максимально к красному концу спектра, тогда как от центра передней полусферы точка линии смещена максимально к синему концу спектра. Таким образом, половина расстояния между компонентами расщепленной линии, т. е. полуширина всей линии, соответствует истинной скорости расширения. В соответствий с принципом Доплера эта полуширина раздвоенной линии, выраженная в разности длин волн в ангстремах, может быть пересчитана в скорость, выраженную в километрах в секунду. Дальше от видимого центра скорость расширения направлена под углом к лучу зрения. Ее проекция на луч зрения меньше и смещение спектральной линии от нормального положения тоже меньше.

На краях видимого диска туманности скорость расширения перпендикулярна к лучу зрения и соответствующие точки линии спектра занимают нормальное положение. Впрочем, и эти точки смещены от нормального положения на величину, соответствующую скорости движения по лучу зрения всей туманности как целого. Эти лучевые скорости имеют также немалое значение для изучения туманностей, тем более, что вследствие удаленности от нас туманностей при движении они почти не перемещаются по небу. Вследствие этого полная (пространственная) скорость их определяется неточно. Если бы туманность не была совершенно прозрачной для собственных излучений из-за своего крайнего разрежения, мы не наблюдали бы красной компоненты расщепленной линии, образованной удаляющейся полусферой туманности.

Когда скорость расширения мала и велрхчина расщепления линии лишь не намного превосходит ширину компонент, обусловленную тепловым, хаотическим движением атомов в оболочке, то вместо явного расщепления наблюдается лишь расширение линий. Если толпщыа или плотность передней и задней полусферы сильно различаются, то интенсивности компонент расщепленной линии заметно различны.

Заметим, что общего наклона спектральных линий с достоверностью не обнаружено, что говорит об отсутствии у планетарных туманностей заметного вращения вокруг оси. Если бы туманности вращались, то в силу закона сохранения момента количества вращения в ранних стадиях расширения, когда туманность была в тысячи раз меньше, чем теперь, ее вращение было бы таким быстрым, что она вообще не могла бы существовать.

Что касается самих скоростей расширения, то в исследованных случаях они составляют 15–30 км/сек, достигая максимума 53 км/сек у NGC 2392. У туманностей малого углового размера расширение обнаружить нельзя.

Общая картина расширения, выводимая из вида спектра, осложняется в деталях. У некоторых туманностей, особенно у IC 418, существует общее уменьшение скорости расширения с ростом потенциала ионизации данных атомов, т. е. с ростом энергии, нужной для их ионизации. В то время как одни газы почему-то быстро расширяются со скоростью до 23 км/сек, другие, например водород, совсем не показывают расширения. Между тем и эта зависимость имеет исключения. Например, некоторые атомы с таким же потенциалом ионизации, как водород, удаляются от звезды со скоростью 10 км/сек. У других планетарных туманностей все газы в оболочке движутся наружу одинаково. Эти различия от туманности к туманности и от одного сорта атомов к другому, вместе с незнанием иногда точного их относительного распределения в оболочке, мешают дать всем этим фактам окончательное объяснение. Вероятно, описанные детали связаны с различием силы светового давления для разных атомов, со степенью их перемешанности или разделения в пространстве, с температурой ядра, а может быть, и с начальными условиями расширения.

Естественно желание проверить непосредственно расширение планетарных туманностей, установленное по спектру. Для этого надо обнаружить угловое увеличение диаметра туманностей. Наиболее обстоятельна последняя работа Лиллера и его сотрудников в США. Они сделали снимки некоторых туманностей, у которых, по расчету автора этих строк, сделанному еще в 1948 г., можно было ожидать наиболее заметное угловое расширение. Эти снимки они сравнили со снимками, сделанными на том же телескопе лет на 60 ранее.

В восьми случаях угловое расширение оказалось меньше ожидаемого, а в шести случаях вообще отсутствует и не может быть объяснено ошибкой в оценке расстояния до туманностей, но может объясняться предположением о поддержании плотности туманности за счет выброса вещества ядром (заметим, что ошибки, неизбежные при измерении любых малых величин, скорее бы преувеличили изменение диаметров туманностей, а не преуменьшили). В одном случае, по-видимому, наблюдается согласие углового и линейного расширений и зависимость расширения от расстояния вещества от ядра. При другой оценке расстояния опять требуется привлечение гипотезы пополнения массы оболочки непрерывным истечением газа из ядра.

Хотя масса ядер туманностей и неизвестна, а расстояния до них, а следовательно, и размеры оболочек известны неточно, несомненно следующее. Скорости расширения в 10 км/сек и более превосходят в оболочке скорость отрыва ее от ядра. Тяготение к ядру не может остановить их расширение, и они расширяются практически с постоянной скоростью. Несомненно также, что при постоянстве этой скорости уже через несколько десятков, максимум сотен тысяч лет оболочка планетарной туманности настолько расширится, что перестанет быть видимой и рассеется в пространстве. Итак, планетарные туманности, как впервые отметил автор этих строк еще в 1931 г., являются поставщиками рассеянного газа в мировое пространство.

Интересен также другой вывод. Очевидно, 104–105 лет назад расширяющаяся оболочка была размером со звезду, т. е. еще только отделилась от ядра и начала расширяться. Значит, в космическом смысле планетарные туманности — очень молодые образования, они возникли совсем недавно, они моложе даже, чем сверхгиганты, возраст которых оценивают в 106–108 лет. Сверх того, планетарные туманности эфемерны, их жизнь очень коротка. Эти космические мотыльки «живут» не более чем 105–106 лет. Это не значит, однако, что их ядра также эфемерны. Это могут быть старые звезды, которые будут светить, заметно не меняясь, еще долго после того как их оболочка рассеется. Впрочем, если иногда межзвездная среда тормозит расширение туманностей или если ядро пополняет оболочку газом, жизнь планетарной туманности может затянуться.

Температуру ядер планетарных туманностей нельзя определить способами, применяемыми к обычным звездам, потому что линии их спектра часто либо ярки и широки либо плохо видны, либо совсем не видны. По распределению энергии в непрерывном спектре температуру горячих ядер тоже нельзя определять, так как это распределение в видимой области спектра мало меняется с температурой.

Занстра указал на возможный способ определения температуры ядра. Идея его состоит в том, что яркость туманности в видимых линиях спектра отвечает энергии в далеком ультрафиолетовом спектре ядра, — там, где кванты достаточно мощны, чтобы ионизовать атомы оболочки туманности и отрывать от них электроны при столкновении. Так, по яркости туманности в видимых линиях водорода можно определить яркость далекого ультрафиолетового участка спектра ядра с длиной волны короче 912 А (более длинноволновые кванты уже не могут ионизовать водород). Сравнение числа этих квантов с числом квантов в видимой области спектра ядра позволяет уже точно определить температуру его, если ядро излучает как абсолютно черное тело (для последнего распределение энергии во всем спектре в зависимости от температуры известно теоретически).

Недавно Г. С. Хромов использовал размеры зон ионизации разных атомов и из них получил значения энергии в трех точках ультрафиолетового спектра ядра. Исходя из этих значений энергии и применив формулу Планка, он получил температуру, характеризующую ультрафиолетовый участок спектра, около 150 000°. В более длинноволновой области спектр ядра представится формулой Планка для более низкой температуры. В 1965 г. сотрудница лаборатории автора Р. И. Носкова нашла хорошее соответствие видимой части спектра десятка ядер формуле Планка при температурах от 15 до 65 тыс. градусов.

Вопрос о температуре ядер остается еще плохо разработанным. Надо ожидать большой ее дисперсии, потому что ядра со спектрами поглощения О9-О5, вероятно, имеют такие же температуры, как обычные звезды этого класса, т. е. не выше 35 000°.

Автор этих строк еще много лет назад нашел, что температуры ядер со спектром Вольфа — Райе выше, чем ядер со спектром классов О9-О5. Самые высокие температуры находят у ядер с непрерывным спектром, не имеющим никаких линий — ни темных, ни ярких. Первое согласуется с тем, что мы имеем для обычных звезд О и Вольфа — Райе, а горячие звезды с непрерывным спектром, помимо ядер планетарных туманностей, неизвестны, если не говорить о двух-трех белых карликах.

Каковы бы ни были окончательные данные о расстоянии отдельных конкретных планетарных туманностей, незыблемым остается вывод, сделанный еще 35 лет назад при первых оценках расстояния до этих объектов, о том, что светимости ядер в среднем гораздо ниже, чем светимости обычных горячих звезд с такими же спектрами и температурами, но не имеющих обширных туманных оболочек. Более того, учитывая бесспорно большую дисперсию светимости ядер, можно было сказать, что по крайней мере некоторые ядра сходны с белыми карликами типа спутника Сириуса.

Ядра еще более сходны с бывшими новыми звездами и по температуре, и по спектру, и по светимости. Их правильнее было бы даже назвать, как я предлагал, голубыми или ультрафиолетовыми карликами. Массы их не могут быть меньше массы Солнца, а светимости некоторых из них во много раз меньше, чем у Солнца, следовательно, при высокой температуре их объемы много меньше, чем у Солнца, а плотности громадны. Последние, вероятно, приближаются к плотностям белых карликов, хотя, может быть, и не достигают их.

Привести точные числовые данные их физических характеристик мы не можем ввиду ненадежности всех данных. В частности, неизвестны те поправки, которые надо придать к их видимой (визуальной или фотографической) светимости, чтобы получить их болометрическую светимость, выражающую их суммарное излучение во всех длинах волн. Причина этого в отклонении их излучения от законов излучения черного тела. По-видимому, болометрические светимости ядер имеют гораздо меньшую дисперсию светимостей, чем их фотографические светимости.

При большом напряжении силы тяжести на поверхности белых карликов в их спектрах, как известно, наблюдается смещение линий к красному концу, предсказываемое теорией относительности. Можно ожидать такого эффекта и у карликовых ядер туманностей. Для его обнаружения надо сравнивать длины волн спектра ядра с длиной волны концов тех же линий в спектрах оболочек (так как в середине линии расщеплены расширением). Такое сравнение практически трудно. В двух случаях результат оказался отрицательным, а у одной туманности красное смещение в ядре измерено, но полученные данные не заслуживают большого доверия. Значительное красное смещение не обязательно, так как линии спектра ядра могут возникать и на большой высоте в его атмосфере, где напряжение силы тяжести меньше и ядро может быть не очень малого радиуса.

Автор этих строк в двух случаях обнаружил изменения интенсивности линий спектра туманности, что можно объяснить только изменениями температуры ядра, вероятно, временного характера. Это указывает на возможность и быстрых эволюционных изменений ядер. Такие изменения, если они есть, существенно повлияют на картину эволюции и оболочки ядра, о которой скажем ниже. Колебаний блеска ядер или их двойственности пока не обнаружено с достоверностью.

Выяснение причины расширения и возможных изменений его со временем представляет сложную задачу. Предполагалось, что давление света со стороны ядра и вызывает расширение (оно различно для разных ионов). Теперь эти расчеты вызывают сомнения.

Более существенной является, по-видимому, роль газового давления. Скорости расширения близки к тепловым и к скоростям расширения газа в пустоту. Г. А. Гурзадян ввел впервые в рассмотрение гипотезу о большой роли магнитного поля внутри туманности, которое влияет на распределение и движение газов. Его теория встретила критику, но нам представляется, что без допущения магнитного поля многие детали структуры планетарных туманностей объяснить нельзя.

Обычно принимается, что планетарная туманность неограниченно расширяется; при этом ее светимость и поверхностная яркость очень быстро уменьшаются. Через несколько десятков или сотен тысяч лет она перестает быть видима и ее оболочка рассеивается в окружающем межзвездном пространстве.

Остается ядро — голубой карлик, если к этому времени оно не успевает изменить свои характеристики. Однако мы уже отмечали выше, что торможение межзвездной средой и другие факторы могут замедлить скорость эволюции, но насколько, сказать трудно.

Существенно, как это впервые еще 35 лет назад показали расчеты автора, что расширение большого числа планетарных туманностей является непосредственно наблюдаемым фактом рассеяния в пространстве газов, ранее входивших в состав ядер, т. е. звезд.

Из каких звезд и почему возникают планетарные туманности, пока совершенно не ясно. Попытки видеть в стадии, предшествующей планетарным туманностям, некоторые типы холодных переменных звезд, вспышки новых звезд или же выбрасывающие газ звезды Вольфа — Райе пока не убедительны. В двух последних случаях скорости выброса оболочек или постоянного истечения газа слишком велики, чтобы создать медленно расширяющуюся планетарную туманность. Но несомненно (по подсчету автора), что за срок существования Галактики планетарные туманности наполнили ее количеством газа, составляющим заметную долю от всех газов, наблюдаемых в Галактике сейчас. До сих пор «спорят» две гипотезы: возникают ли звезды из сгущения диффузной материи или, наоборот, они происходят из сверхплотного вещества. Между тем то, что диффузная материя хотя бы частично порождается звездами, уже стало общепризнанным фактом.

Газ, всюду газ! Собранный в гигантские раскаленные шары, он образует бесчисленные звезды — в них сосредоточена главная масса вещества во Вселенной. Разреженный холодный газ, заполняющий огромные пространства в виде газовых туманностей, обволакивающий десятки звезд, газ, образующий атмосферы планет! И все это в безвоздушном пространстве. Но подлинно ли в безвоздушном?

Наши понятия о вакууме, о безвоздушном пространстве относительны. В электрической лампочке старого типа «нет воздуха», говорим мы, он оттуда выкачан. Сравнительно о комнатным воздухом там вакуум. Но физик с помощью своих лучших насосов может так выкачать воздух из какой-либо стеклянной трубки, что по сравнению с пространством в ней пространство внутри электрической лампы кишит мириадами молекул.

Газовые диффузные туманности с их плотностью порядка 10–19 г/см3 раскинулись в безвоздушном пространстве. Но и оно, как мы убеждаемся, не совершенно пусто, в нем тоже есть газ. Газ ничтожной плотности, но все же газ, и между любыми двумя звездами есть газовая среда, как бы разрежена она ни была.

Но какой это газ? Это, конечно, не земной воздух, хотя бы и разреженный. История изучения этого газа принесла много интересного и неожиданного.

В 1904 г., изучая спектрально-двойную звезду Дельту Ориона, Гартман для большей точности определения ее лучевой скорости измерял положение в спектре всех темных линий, которые в нем были видны. Ведь если звезда движется как целое по своей орбите около центра тяжести системы, то все линии ее спектра должны смещаться одинаково в том смысле, что в пределах ошибок измерения смещение любой линии спектра должно соответствовать одной и той же скорости приближения или удаления от нас. Мы уже знаем, что при таком периодическом орбитальном движении линии спектра периодически же изменяют свое смещение. В спектре Дельты Ориона все линии вели себя «как следует», кроме линий ионизованного кальция. Эти две линии почему-то не участвовали в общем периодическом колебании положения линий в спектре, а упрямо стояли на месте. Неслась ли звезда на нас, удалялась ли она от нас в данный момент — линиям кальция это было безразлично.

Упрямые линии принадлежали атомам кальция, и Гартману ничего не оставалось, как заключить, что кальций почему-то не участвует в орбитальном движении звезды. Раз линии кальция видны как темные (в поглощении), то, очевидно, свет звезды проходит через него, поглощается в нем, но этот элемент не находится в атмосфере звезды, вызывающей появление в спектре остальных линий поглощения. Атмосфера звезды движется вместе со звездой, кальций же с ней не движется. Быть может, наша двойная звезда погружена в обширное облако разреженного кальция, в котором она и движется, не увлекая его с собой?

Такого рода линии кальция назвали стационарными, т. е. неизменными, неподвижными. В дальнейшем в спектрах многих других спектрально-двойных звезд были открыты стационарные линии кальция, но лишь в тех случаях, когда звезды были раннего спектрального класса В.

Слайфер, однако, нашел более вероятным, что стационарные линии производятся не облаком кальция, в которое погружена звезда, а облаками кальция или его непрерывной массой, расположенной на всем пути луча света от звезды к нам. Другими словами, кальций не околозвездный, а межзвездный газ. Этот взгляд был подтвержден. Тогда вместо «стационарные линии» стали говорить «межзвездные линии».

Выяснилось это так. Когда стало известно, что температура атмосферы звезды определяет вид ее спектра, стало возможно теоретически определять интенсивности разных линий, создаваемых атмосферой звезды определенного химического состава и определенной температуры. Выяснилось, что такие горячие звезды, как звезды класса В, не содержат в своей атмосфере атомов ионизованного кальция — для них там слишком горячо. Весь кальций там уже дважды ионизован, и его линий в спектре быть не может. Значит, ионизованный кальций, производящий в спектре горячих звезд стационарные линии, должен быть далеко от звезды, там, где не так горячо и где он может существовать.

Затем обнаружилось, что вовсе не одни лишь спектрально-двойные звезды обнаруживают эти линии кальция, — он есть в спектрах большинства горячих одиночных звезд. Там его линии вообще нельзя назвать стационарными, потому что одинокая звезда не совершает орбитального движения. По отношению к нам она движется постоянно с одной и той же скоростью, поэтому все линии ее спектра смещены по принципу Доплера на величины, соответствующие одной и той же скорости. Однако оказалось, что у таких горячих звезд смещение линий ионизованного кальция соответствует совершенно другой скорости, чем та скорость, с которой движется сама звезда.

Если ионизованный кальций заполняет все межзвездное пространство, то его линии, смещенные, как мы видим, всегда особенным образом, должны присутствовать в спектрах звезд любого типа. К сожалению, более холодные звезды сами содержат в своей атмосфере ионизованный кальций, а потому и его линии в спектре. Эти линии широки и сильны и маскируют тонкие, слабые линии межзвездного кальция. В некоторых случаях все же удалось обнаружить эти тонкие «межзвездные» линии, наложенные на более широкие «звездные» линии спектра.

Решающим оказалось выполненное в Канаде Пласкеттом и Пирсом сопоставление интенсивности линий межзвездного кальция с расстоянием до звезд. Чем звезда дальше, тем интенсивнее ее линии межзвездного кальция. Но так и должно быть, если кальций заполняет всю межзвездную среду. Чем дальше от нас звезда, тем длиннее путь ее луча, прежде чем он дойдет до нас, и тем больше поглощающих атомов кальция он встретит на своем пути. Чем больше атомов кальция поглотит свет звезды, тем больше он ослабится и тем темнее и интенсивнее будет линия поглощения в спектре. С этим объяснением пришлось согласиться.

Мало того, теперь мы имеем возможность, установив из наблюдений связь между интенсивностью линий ионизованного кальция и известными расстояниями до звезд, определять по интенсивности этих линий расстояние до тех горячих звезд, для которых они еще не известны. Спасибо межзвездному кальцию! — должны сказать мы во многих случаях, так как часто у нас не бывает другого способа определить расстояние до какой-нибудь звезды.

Пласкетт и Пирс сумели также доказать, что межзвездный кальций участвует в том общем вращении, которым охвачены все звезды нашей звездной системы. Сопоставляя лучевые скорости звезд, вызванные этим вращением, с лучевой скоростью межзвездного кальция (по сдвигу его линий в спектрах тех же звезд), убедились, что последняя вдвое меньше, чем та лучевая скорость, которая следует для данной звезды по теории вращения Галактики. Но вдвое меньшую скорость относительно Солнца при вращении Галактики должна иметь точка, вдвое более близкая. Вывод отсюда один: межзвездный кальций участвует во вращении всей звездной системы, вместе со звездами и по тем же законам, так как центр тяжести того столба газа, который находится между любой звездой и нами, во всех случаях совпадает с его серединой. Это значит, что в пространстве между звездами кальций расположен довольно равномерно.

Впрочем, позднее выяснилось, что, как и космическая поглощающая пыль, кальций концентрируется в плоскости Млечного Пути. Выяснилось и то, что он расположен не непрерывной средой, а скорее в виде многочисленных облаков. Размеры некоторых облаков кальция доходят до 2000 световых лет.

Пока свойства атомов не были хорошо изучены физиками, исключительное или по крайней мере преобладающее нахождение именно кальция между звездами вызывало недоумение. Потом выяснилось, что ионизованный кальций поглощает свет главным образом в тех двух своих линиях, которые находятся в легко наблюдаемой части спектра. Атомы других элементов поглощают свет либо в очень многих линиях, как, например, железо, либо в такой области спектра (ультрафиолетовой), которая недоступна для изучения из-за ее полного поглощения в нашей атмосфере. Поэтому-то линии других межзвездных атомов, если они и есть, либо вообще не могут быть обнаружены, либо они менее заметны, потому что их общее поглощение разбивается на много разных поглощений — в каждой линии понемногу. Таким образом, нет оснований считать ионизованный кальций единственным или преобладающим газом в межзвездных недрах, он только заявляет о своем присутствии «крикливее» других.

Можно все же попытаться найти и другие межзвездные газы, хотя бы слабые следы их, — «кто ищет, тот всегда найдет!». И действительно, после специальных поисков в спектрах звезд был найден межзвездный натрий, а в самые последние годы обнаружили еще нейтральный кальций, ионизованный титан, нейтральный калий и даже железо! Кроме того, в конце тридцатых годов были найдены еще межзвездные молекулы нейтрального и ионизованного углеводорода СН и СН+, циана CN, NaH, a также некоторые линии неизвестного еще пока происхождения. Средняя плотность поглощающего межзвездного газа в несколько тысяч раз меньше плотности излучающих свет газовых туманностей.

Все, что известно сейчас о межзвездном газе, хорошо укладывается в единую теоретическую картину, рисующую физику газовых туманностей следующим образом.

Атомы газа, так или иначе попавшего в межзвездное пространство, ионизуются и возбуждаются квантами света, излучаемого звездами. С этими квантами они изредка сталкиваются. Мы сказали — изредка, потому что вдали от звезд через квадратный сантиметр поверхности проходит очень мало этих квантов. Так же редко происходит встреча иона со свободным электроном, при которой он восстанавливает свою структуру, реже, чем в газовых туманностях с их большей плотностью. Пока атом ионизованного кальция странствует в пространстве, терпеливо ожидая встречи с каким-либо заблудшим электроном, на него может налететь какой-нибудь квант света звезды, соответствующий длине волны 3933 А, и возбудить его до высшего энергетического состояния. Не будучи в состоянии переживать такое возбуждение дольше одной десятимиллионной доли секунды, атом вернется к исходному нормальному или невозбужденному, состоянию. При этом он излучит обратно поглощенный было им квант энергии с длиной волны 3933 А. Но его он пошлет уже не в том направлении, откуда получил, а в каком-либо ином. Так ион кальция, находящийся между нами и звездой, перехватывая кванты ее света, идущие к нам, будет их отбрасывать то туда, то сюда, будет рассеивать свет, и до нас его дойдет меньше, чем дошло бы без этого вмешательства. В результате в этой длине волны свет звезды ослабится, и в ее спектре мы увидим темную линию. Подобно этому ведут себя и другие межзвездные атомы.

Зная структуру атомов и их способность к поглощению, можно по интенсивности линий оценить их число на пути звездного луча, а зная расстояние до звезды, вычислить и плотность межзвездного газа.

Первые шаги, сделанные в этом направлении, дают для межзвездного ионизованного кальция плотность порядка 410–32 г/см3. Полная же плотность межзвездного газа значительно больше и по оценке Эддингтона составляет не менее 10–24 г/см3. Если бы этот газ состоял из одного лишь водорода, то при такой плотности в одном кубическом сантиметре содержалось бы только по одному атому, тогда как в таком же объеме комнатного воздуха их содержится десять миллиардов миллиардов!

В действительности дело почти так и обстоит, так как водород на самом деле является главной составной частью межзвездного газа. Следующее за ним место занимают кислород и натрий, но на водород приходится более 90 % атомов всей межзвездной среды, включая космическую пыль и метеориты. На долю последних приходится, как оказывается, ничтожная доля массы всей межзвездной среды и больше всего в ней весит самый легкий из газов!

К сожалению, межзвездный водород в поглощении не обнаружен оптическими методами и едва ли даже будет обнаружен, потому что в большинстве уголков нашей Вселенной подавляющее число атомов водорода находится в невозбужденном состоянии и потому поглощает энергию в невидимой далекой ультрафиолетовой области спектра.

Некоторая надежда увидеть знакомые линии водорода, но не в поглощении, а в излучении, все же есть. Они могут возникать, когда свободные электроны будут захватываться ядрами водорода и возвращаться к ближайшей к ядру орбите с наименьшей энергией каскадами — со ступеньки на ступеньку, задерживаясь на время на второй от ядра орбите. Такие случаи будут не часты, и излучение ярких линий межзвездного водорода должно быть слабым.

Путем многочасовых экспозиций О. Струве удалось обнаружить в некоторых обширных областях Млечного Пути слабые линии излучения водорода. Это и есть сигнал в видимых лучах от межзвездного водорода, но автор этой книги думает, что нередко мы тут имеем дело с проекцией друг на друга больших, далеких от нас и очень разреженных диффузных газовых туманностей. Будучи слабы и неразличимы по отдельности, они-то и создают впечатление неопределенно широкой излучающей водородной области Н II.

Это подтверждается тем, что, кроме линий водорода, в тех же областях неба были обнаружены яркие линии запрещенного азота и кислорода, т. е. был получен обычный спектр газовых туманностей. К тому же в этих областях были как раз обнаружены и горячие звезды спектрального класса О, которые всегда возбуждают свечение газовых туманностей.

Однако не только существование, но и распределение в пространстве, и скорости движения межзвездного водорода в настоящее время надежно установлены по его радиоизлучению. Подробнее об этом мы расскажем в главе 10.

По оценке Дэнхема и О. Струве плотность отдельных газов в межзвездном пространстве, определенная по интенсивности как линий поглощения, так и излучения, такова:

Для межзвездного вещества, на основании анализа наблюдаемого движения звезд, нельзя допустить плотность больше чем 610–24 г/см3, и вероятнее всего именно эта величина, совпадающая с оценкой, приведенной выше. Любопытно, что по некоторым оценкам средняя плотность межпланетного пространства в Солнечной системе, если иметь в виду его заполнение метеоритной материей, составляет 510-5 г/см3. Это даже меньше, чем плотность межзвездного пространства. По оценке Гринстейна плотность межзвездной пыли (исключая газ) составляет 2•10-5 г/см3. Так, вероятно, пыль между звездами по своей массе уступает место межзвездным газам!

В 1932 г. американский радиофизик Янский обнаружил радиоизлучение Млечного Пути. В метровом диапазоне оно очень сильно. Как выяснилось, это радиоизлучение имеет два источника. Одним из них является скопление в полосе Млечного Пути множества газовых туманностей. Мы видим из них только самые близкие или самые яркие. Видеть их далеко от нас мешает и поглощение света космической пылью. Но радиоволны эта пыль почти не задерживает и радиоизлучение далеких туманностей сливается в сплошной «радиошум» вдоль полосы Млечного Пути. Составлены карты неба, показывающие его «яркость» в разных местах в радиодиапазоне на разных длинах волн.

Другим источником радиоизлучения является торможение релятивистских электронов в межзвездных магнитных полях. Существование межзвездных магнитных полей строго доказано к середине шестидесятых годов. Релятивистские электроны входят и в состав космических лучей. Как мы уже говорили, при торможении релятивистских электронов в магнитном поле возникает излучение, в частности, в радиодиапазоне.

Водород ионизуется горячими звездами, которых мало и которые образуют сравнительно тонкий слой, заполняя его далеко не целиком. Дальше от слоя и в этом слое, но ближе к центру нашей звездной системы, горячих звезд и ионизованного водорода тоже нет.

Там везде водород может быть, но он будет не ионизован. И. С. Шкловский предвычислил, что нейтральный водород должен испускать в радиодиапазоне линию излучения с длиной волны 21 см и что она должна быть достаточно яркой для ее обнаружения радиотелескопами. Наблюдения вскоре это подтвердили. Так холодный невидимый нейтральный водород стал доступен для изучения почти во всем объеме нашей звездной системы. Ведь на энергию волн длиной 21 см поглощение межзвездной пылью не влияет!

По смещению линии излучения, испускаемой облаком нейтрального водорода, можно установить скорость облака по лучу зрения. Зная закон вращения нашей звездной системы и скорость облака, можно вычислить и расстояние до него. По интенсивности линии определяют плотность облаков, а изучение их распределения в пространстве чрезвычайно обогащает наше представление о строении нашей звездной системы.

Пыль, межзвездный газ и горячие диффузные туманности концентрируются в плоском слое толщиной около 600 световых лет, что мало сравнительно с размерами всей нашей звездной системы. Но отдельные облака горячего и холодного газа встречаются и на больших расстояниях от этого слоя, где они имеют значительные хаотические движения.

В 1963 г. радиотелескоп принес открытие в межзвездном пространстве радиолинии гидроксила ОН. Возможность ее наблюдения предсказывалась. Ее длина волны около 18 см. Линия эта сложная и состоит из нескольких компонент. Она наблюдается и в поглощении, и в излучении, обычно в области горячих газовых туманностей, но далеко не всех. Комплекс линий ОН обнаружил ряд пока еще крайне загадочных явлений. В частности, обнаружилась переменность яркости, очень различная у разных компонентов линии ото дня ко дню. Будущее развитие науки вскоре, вероятно, даст объяснение этим загадкам.

Инфракрасными наблюдениями был обнаружен межзвездный гелий, а в 1965–1966 гг. он же был обнаружен и в радиоизлучении. Одна из главных его линий излучения имеет длину волны около 6 см, а другая находится вблизи радиолинии водорода с длиной волны 21 см.

В общем к 1976 г., помимо атомов, в межзвездном пространстве, преимущественно методами радиоастрономии, открыто около 25 молекул. Одна из них состоит из семи атомов, одна из шести, но большинство двух- и трехатомные.

Самая сложная из этих молекул метилацетилен (СН3С2Н), затем идут метилцианид (CH3CN) и метиловый спирт (СН3ОН), обнаружены также типичные для состава комет СО, CN. Из других назовем Н2О, Н2, аммиак NH3.

К 1976 г. стало возможно заключить, что содержание разных химических элементов в межзвездном газе заметно отличается от процента их в газах, содержащихся в атмосферах звезд и Солнца, хотя часть этих атмосфер постепенно рассеивается в пространстве, а часть межзвездной среды аккумулируется на звездах, захватывается ими (аккреция газов). Например, в некоторых направлениях обнаружен недостаток многих атомов — по отношению к водороду их число там в 3 и более раз меньше, чем в атмосфере Солнца. Такие аномалии носят, однако, местный характер.

Как могло межзвездное пространство наполниться газом? Что старше — рассеянный межзвездный газ и туманности или же звезды? К этому вопросу мы вернемся в главе 11.

Глава 10. Острова Вселенной

Нас интересует не только звездное население того дома, в котором мы живем. Нас интересует и архитектура этого дома и его размеры; интересует, как его обитатели расселены, где жилищная теснота звезд, какие жилплощади не заняты жильцами. И вот, глядя в звездную даль, в усыпанное звездами небо, мы должны это установить. От наивной древней картины мира, принимавшей за действительность кажущуюся одинаковую удаленность всех звезд и располагавшую их всех на поверхности хрустальной сферы, мы должны перейти к познанию истинной пространственной структуры грандиозной звездной системы.

Первое, что мы стремимся установить, — это общие контуры, общие очертания нашей звездной системы, хотя бы в самых грубых чертах. Это удалось сделать еще до того, как стало известно расстояние до ближайшей звезды. На первых порах совершенно правильно приняли для этой цели, что светимость всех звезд одинакова и что различие в их видимом блеске зависит исключительно от их расстояния до нас. Мы знаем теперь, что в действительности светимости звезд различаются прямо-таки чудовищно, но мы знаем также и то, что очень ярких звезд очень мало и что из очень слабых звезд видны лишь те, которые к нам совсем близки. Поэтому большинство видимых звезд — это средние звезды, и к ним в среднем наше предположение вполне применимо.

Допустим, вы стоите на высоком холме над равниной, на которой разбросаны купами старые и молодые деревья. Они различны по высоте, высоту каждого из них вы не знаете. Но, глядя на них с холма, вы по их кажущейся величине довольно правильно можете судить о расстоянии до каждой купы деревьев. Вы — разведчик Вселенной, холм — наша Солнечная система, деревья — это звезды. Применяйте к ним такой глазомер и изучайте местность. Такой путь изучения звездной Вселенной предложил Вильям Гершель. До него ограничивались наблюдением положения звезд на небе и изучением поверхности Луны и планет, а также увлекались изучением движения членов Солнечной системы.

Биография Гершеля стоит того, чтобы о ней сказать несколько слов. Музыкант, служивший вначале в Ганноверской армии, он переселился в Англию и там, урывая время от уроков музыки, посвящал вечера наблюдению неба. Открыв планету Уран, он приобрел большую известность, но все еще не имел средств на покупку большого телескопа и стал его делать сам. В этом он так преуспел, что впоследствии соорудил себе телескопы-рефлекторы, достигавшие 120 см в диаметре и долга бывшие наибольшими в мире. С ними он сделал множество открытий.

Для выяснения контуров Вселенной Гершель стал подсчитывать число звезд разного блеска, видимых в поле зрения его телескопа в различных участках неба, — в Млечном Пути и в стороне от него. Он обнаружил, что чем слабее звезды, тем быстрее возрастает их число по мере приближения к Млечному Пути. Сам же Млечный Путь, как открыл еще Галилей, состоит из бесчисленного множества слабых звезд, сливающихся в сплошную сияющую массу, которая как кольцо опоясывает все небо.

Из этих подсчетов Гершелю стало ясно, что дальше всего наша звездная система тянется во все стороны от нас по направлению к Млечному Пути в плоскости, проходящей через его среднюю линию. Так как Млечный Путь опоясывает все небо, деля его почти пополам, то, очевидно, наша Солнечная система находится вблизи этой плоскости (вблизи галактической плоскости, как ее называют).

Однако Гершель принимал, что он своим гигантским телескопом проник до границ нашей звездной системы, состоящей из звезд, расположенных в пространстве будто бы равномерно.

Основатель Пулковской обсерватории В. Я. Струве в 1847 г. пересмотрел расчеты Гершеля и, изучив распределение звезд, доказал ошибочность подобных выводов. Струве установил, что в пространстве звезды расположены не равномерно, а сгущаются к плоскости Млечного Пути, что наше Солнце вовсе не занимает центральное положение в этой звездной системе и что наибольшие телескопы Гершеля далеко еще не достигли ее границ, а потому и о форме ее говорить преждевременно. Гершель считал, что он как бы сидит со своим телескопом в центре правильно расположенной рощи, из которой обозревает все ее опушки, а Струве доказал, что Гершель сидел где-то в огромном лесу, полном чащ и разрежений, откуда опушки леса далеко еще не видны.

Чем дальше от плоскости Млечного Пути, тем меньше там видно слабых звезд и тем на меньшее расстояние в этих направлениях тянется звездная система. В общем наша звездная система, названная Галактикой, занимает пространство, напоминающее линзу или чечевицу. Она сплющена, толще всего в середине и утончается к краям. Если бы мы могли видеть ее «сверху» или «снизу», она имела бы, грубо говоря, вид круга (не кольца!). «Сбоку» же она выглядела бы как веретено. Но каковы размеры этого «веретена»? Однородно ли расположение звезд в нем?

Ответ дает уже простое рассматривание Млечного Пути, который весь состоит как бы из нагромождения звездных облаков. Одни облака ярче, в них больше звезд (как, например, в созвездиях Стрельца и Лебедя), другие же беднее звездами.

Видимая клочковатость Млечного Пути создается также и неравномерным распределением облаков космической пыли, темными туманностями разной плотности, поглощающими свет звезд, находящихся за ними. Но и с учетом этого наша звездная Вселенная неоднородна. Галактика состоит из звездных облаков, Солнечная система находится в одном из них, называемом «Местной системой». Самые мощные облака звезд находятся в направлении созвездия Стрельца; там Млечный Путь наиболее ярок. Он наименее ярок в противоположной части неба.

Из этого нетрудно вывести заключение, что Солнечная система не находится в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия Стрельца. Значит, Млечный Путь — это картина, видимая нами, находящимися внутри Галактики, вблизи ее плоскости, но вдали от ее центра.

Для получения более правильной картины мы должны учитывать распределение звезд по светимости и поглощение света в пространстве, которое, как мы видели, значительно и, вдобавок, различно по разным направлениям.

Для изучения изменения звездной плотности с расстоянием от нас по различным направлениям подсчитываем звезды на фотографиях различных участков неба. При этом надо еще учесть, что на каждой фотографии круглая площадка на небе соответствует в пространстве объему, заключенному Рис. 174. Млечный Путь, внутри конуса с вершиной в Солнечной системе, если хотите — в глазу наблюдателя, жителя этой системы.

Учет всего перечисленного делает изучение строения Вселенной довольно сложным и трудоемким делом. Для учета поглощения света надо определить спектральные классы и цвет множества звезд на каждой фотографии. Нормальные цвета звезд каждого спектрального класса известны из изучения близких к нам звезд, на цвет которых межзвездное поглощение света не влияет. Свет же далеких звезд из-за поглощения становится тем более красным, чем дальше от нас и чем ближе к плоскости Млечного Пути они расположены. Ослабление видимого блеска звезды пропорционально ее покраснению. По степени покраснения оценивают величину ослабления видимого блеска каждой звезды, взятой для подсчетов. Необходимость фотографирования спектров звезд еще больше ограничивает исследования лишь более яркими звездами и позволяет изучить их распределение лишь до расстояний в несколько сотен световых лет. Так, мы изучаем лишь ближайшие окрестности Солнца, лишь внутреннюю часть звездного облака — «Местной системы», внутри которой мы находимся.

Для изучения, так сказать, костяка всей нашей звездной системы, для определения ее формы, размеров и структуры мы прибегаем к другим способам. Как было бы легко составить план равнинного редколесья, если бы на нем по всем направлениям встречались деревья-гиганты с надписью, на каком они расстоянии от нас находятся! Во Вселенной мы нашли звезды-гиганты, имеющие вполне определенную, известную нам светимость и видимые нам благодаря своей большой светимости на огромном расстоянии. Среди них первое место занимают переменные звезды — цефеиды, которые можно назвать маяками Вселенной. Их светимость возрастает, как мы знаем, с увеличением периода изменения их блеска. Стоит определить период изменения блеска звезды, и мы по рис. 154 сразу можем сказать, каковы ее абсолютная величина и светимость.

Из наблюдений легко можно определить период изменения блеска цефеиды и ее видимый блеск. Сравнение же видимого блеска с истинным, т. е. со светимостью L, сразу же нам дает расстояние до данной цефеиды, так как в прозрачном пространстве видимый блеск меняется обратно пропорционально квадрату расстояния. С учетом поглощения света в пространстве дело обстоит несколько сложнее. Если пользоваться абсолютной и видимой звездной величиной звезды, то расстояние в прозрачном пространстве, как мы знаем, можно вычислить по простой формуле. По этой формуле находится логарифм расстояния в световых годах:

lgD=(m-M+7 1/2)/5

Кроме цефеид — маяков Вселенной, верстовыми столбами в Галактике, или указателями расстояний, мы можем считать все звезды с большой и известной светимостью: долгопериодические переменные звезды (в максимуме блеска) и белые звезды с известным спектральным классом. Для первых светимость, как и у цефеид, известным нам спбразом зависит от периода изменения их блеска, для вторых мы можем ее отсчитать по диаграмме светимость — спектр.

Зависимость между периодом и светимостью у цефеид и у так называемых долгопериодических переменных звезд, а также диаграмма светимость — спектр построены по тем сравнительно близким к нам звездам этих типов, для которых светимость известна на основании надежно определенных расстояний. Для близких звезд расстояния можно определить непосредственно, применяя классический способ измерения тригонометрического параллакса. Для тех же звезд, которые расположены от нас так далеко, что их параллакс меньше, чем ошибки его измерения, этот способ неприменим, и вот тогда-то мы пользуемся способом, который только что был описан.

Все сказанное мы можем применить (и это для нас особенно ценно) к рассеянным и к шаровым звездным скоплениям, расстояния до которых очень велики в сравнении с их размерами. Тогда, если в такой далекой звездной системе есть среди ее членов цефеиды или красные долгопериодические переменные или белые (несомненно, яркие) звезды, то мы можем считать, что расстояние до системы практически равно расстоянию от нас до этих ее членов, а их расстояния мы определять умеем. Лежит ли подобная звезда у переднего края системы или в дальнем ее конце, при большом расстоянии это уже не так важно. Если ваш приятель с группой товарищей во время загородной прогулки ушел далеко вперед, а вы видите, что отстали от них на 2–3 км, то вам безразлично, что эта группа растянулась по дороге на 10–20 м, и вы не будете особенно интересоваться тем, где ваш приятель — в голове или в хвосте группы. Вот в таком же положении бывают и астрономы, рассматривая далекую звездную систему.

В состав нашей Галактики, кроме отдельных звезд и звездных скоплений, входит еще диффузная материя в форме темных пылевых туманностей, общего слоя космической пыли, газовых диффузных и планетарных туманностей и общей массы газа. Последняя в основном является невидимым нейтральным водородом, обнаруживаемым по его радиоизлучению на длине волны 21 см. Расположение диффузной материи также нужно изучить. Как определяют расстояния до пылевых и газовых туманностей, пояснялось нами в главе 9.

Самыми далекими объектами нашей Галактики, как бы обрисовывающими главные черты ее строения и определяющими ее размеры, являются долгопериодические цефеиды, горячие звезды-гиганты, планетарные туманности, сгущения облаков нейтрального водорода и шаровые звездные скопления.

Для изучения движений населения нашей Галактики измеряются «собственные движения», т. е. видимые угловые перемещения (заметные на фотографиях лишь для ближайших звезд) и лучевые скорости очень далеких объектов. Для последней цели даже большой телескоп со спектрографом приходится иногда направлять точно на слабо видимый объект в течение многих часов или даже ночей. Скорости движения облаков нейтрального водорода определяют, изучая профили линии 21 см при помощи радиотелескопа. Тысячи накопленных во всем мире таких наблюдений исправляют с учетом различных влияний и подвергают затем столь же кропотливому изучению. Из этих материалов выясняются закономерности движений, масса нашей Галактики и распределение в ней плотности, создаваемой звездами, находящимися в единице объема.

В конечном счете выяснилось следующее. Большинство звезд-гигантов и звезд умеренной яркости концентрируется к плоскости нашей Галактики и в то же время к ее центру. Резкой границы у Галактики нет, все ее края постепенно сходят на нет. Поэтому, а также из-за неизбежных различий в выводах разных исследователей, размеры Галактики, приводимые разными авторами в книгах, изданных в разное время, бывают несколько различными. Можно принять, что диаметр Галактики составляет около 100 000 световых лет, а толщина ее раз в 10–15 меньше.

Однако распределение разных видов населения в Галактике различно. Самые яркие и массивные звезды — сверхгиганты — «жмутся» к плоскости Галактики сильнее остальных. То же надо сказать о слое космической пыли и межзвездного газа, уплотнения в которых наблюдаются как туманности. В окрестностях горячих звезд газ ионизован, и мы видим его как светлые туманности, а в остальном пространстве водород нейтрален и невидим, составляя основную массу газа. Плотность этой материи внутри слоя растет с приближением к плоскости Галактики. Однако отдельные облака газа, имеющие большую скорость, встречаются на расстояниях от галактической плоскости, превышающих 300 световых лет.

В середине Галактики находится ее ядро, которое по аналогии с ядрами других звездных систем (см. дальше) должно иметь вид немного сплюснутого эллипсоида вращения. Мы находимся от него несколько далее 25 000 световых лет. В ядре Галактики нет горячих сверхгигантов и возбуждаемых ими к свечению диффузных газовых туманностей. Нет там и пыли, но есть в нем нейтральный водород, который, по неясной еще причине, растекается оттуда в плоскости Галактики со скоростью около 50 км/сек. Ядро, вероятно, окружено быстро вращающимся кольцом нейтрального водорода. Основное излучение ядра создается, по-видимому, оранжевыми звездами-гигантами (не сверхгигантами) спектрального класса К и множеством звезд карликов класса М. По отдельности они все не видны, и этот вывод основан на анализе суммарного цвета и спектра ядра. В общих грубых чертах форма Галактики сходна с чечевицей или с тонкой линзой, в середине которой находится более толстое и яркое ядро. Это ядро должно было бы казаться очень ярким, если бы его не скрадывало, не затмевало поглощение света в массах космической пыли.

В 1948 г. советские ученые В. Б. Никонов, В. И. Красовский и А. А. Калиняк на Крымской обсерватории добились большого успеха. Применяя электронно-оптические преобразователи, они сфотографировали невидимое скопление звезд, являющееся ядром нашей Галактики. Своего успеха они добились потому, что космическая пыль слабо задерживает инфракрасные лучи, испускаемые, так же как и видимые лучи, звездами галактического ядра. Прибор советских ученых был способен реагировать на эти невидимые глазом лучи, почти беспрепятственно пронизавшие облака космической пыли и дошедшие до нас. Невидимое изображение центра Галактики можно было превратить в изображение, лучи которого запечатлеваются фотопластинкой; так впервые в мире центр Галактики был заснят сквозь скрывавший его занавес.

Для изучения структуры Галактики мы находимся в очень невыгодном положении. Мы живем в ней и видим ее изнутри. Это очень затрудняет установление того, что мы могли бы выявить, бросив на нее лишь мимолетный взор откуда-нибудь издали.

Догадаться о внешнем виде нашего дома, не выходя из него, можно, изучая другие дома, видимые нами из окна. Наш дом — Галактика, другие дома — другие галактики.

Опять-таки по аналогии с другими сплющенными звездными системами — галактиками давно уже предполагали, что наша Галактика в своей плоскости должна иметь спиральные ветви, выходящие из ядра и закручивающиеся вокруг него. Обнаружить эти длинные спиральные ветви, погруженные в основной звездный диск, в ее, как говорят, плоскую составляющую, было невозможно пока не смогли научиться определять расстояние до очень далеких объектов и находить их на небе. В других системах спиральные ветви, иногда очень широкие, выделяющиеся своей яркостью на фоне диска, обрисовываются лучше всего расположением горячих гигантов, рассеянных звездных скоплений и газовых диффузных туманностей. В своей же Галактике мы до сих пор, отчасти из-за мешающего влияния межзвездной пыли, не можем изучать эти объекты во всем объеме. Спиральные ветви часто не являются сплошными и геометрически правильными, нередко имеют ответвления. Поэтому относительно расположения спиралей нашей Галактики между учеными нет пока полного согласия. Радиометодами также обнаруживают спиральные ветви в расположении нейтрального водорода. Но эти ветви, прослеженные в большем объеме, пока еще не так легко согласовать с наметками ветвей, полученными из визуальных наблюдений. Может быть, их неполное совпадение реально.

Планетарные туманности и новые звезды являются промежуточными системами. Их концентрация к галактической плоскости умеренна, но она велика в направлении к центру Галактики. Эта система не плоская, она ближе к сферической. Почти сферическую звездную систему представляют собой немногочисленные шаровые скопления, сильно концентрирующиеся к центру Галактики. Они-то и распространяются до крайних границ Галактики, очерчивая ее максимальные размеры.

Наконец, сферическую систему образуют звезды умеренных светимостей — субкарлики и короткопериодические цефеиды, которых множество находится и в почти сферическом ядре Галактики. Таким образом, в слабо светящуюся сферическую корону, образованную этими звездами, погружено и ядро Галактики, и ее плоская составляющая, в которой выделяются своей яркостью спиральные ветви. Спиральные ветви, бросающиеся в глаза в других галактиках, — это эффектный, но легковесный (малый по массе) придаток внутри почти шарообразной системы, состоящей из слабых звезд, масса которых, однако, уступает массе сверхгигантов не так уж сильно, как уступает их светимость. Природа спиральных ветвей — этого украшения некоторых звездных систем — нам еще не ясна.

Масса нашей Галактики, оцененная несколькими способами, составляет 21011 масс Солнца. Около 1/100 этой массы составляет межзвездный водород, преимущественно нейтральный. Масса 21011 соответствует оценке числа звезд в Галактике, так что на долю несветящихся звезд, если такие вообще есть, приходится очень малая доля массы.

Оорту (Голландия) в 1927 г. удалось обнаружить обращение звезд и в том числе Солнце (вместе с его планетами) вокруг центра Галактики. Как можно обнаружить вращение нашей звездной системы, впервые указал еще в середине прошлого века казанский астроном М. А. Ковальский, но его открытие было забыто. Галактика вращается не как колесо, но и не так, как планеты обращаются вокруг Солнца. Закон ее вращения сложен и является сочетанием законов, представляющих указанные два типа вращения. Солнечная система обращается вокруг центра Галактики, лежащего от нас на расстоянии 25 000 световых лет со скоростью около 220 км/сек. Форма орбиты как следует еще не известна, но если она близка к окружности, что вероятно, то один оборот по ней Солнце завершает примерно за 270 млн. лет. Этот период, если хотите, можно принять за «космический год» для измерения очень больших промежутков времени. Вер история человечества в сравнении с таким периодом — только краткий миг! Если бы мы могли видеть, как Солнце несется и заворачивает по своей орбите, как мы видим поезд, заворачивающий на закруглении пути, то мы не могли бы уследить за оборотами планет около Солнца. Они казались бы вертящимися быстрее, чем лопасти электрического вентилятора.

Звезды обращаются вокруг центра Галактики с разными скоростями и, например, короткопериодические цефеиды отстают от Солнца на 100 км за каждую секунду! Движение нашей Солнечной системы со скоростью 20 км в секунду в направлении к созвездию Лиры — это ее движение внутри нашего звездного облака или Местной системы. Оно мало и не мешает нам вместе со всей Местной системой обращаться вокруг галактического центра.

Расположение невидимого нейтрального газа можно установить во всем объеме Галактики. При этом очень важно следующее. В галактической плоскости оптические исследования ограничиваются поглощением света в космической пыли. Это поглощение для радиоизлучения практически отсутствует, в радиолучах Галактика прозрачна. С другой стороны, доплеровские смещения водородных линий с λ=21 см от облаков, лежащих на разных расстояниях от нас и движущихся с разной скоростью, позволяют эти линии изучать раздельно. В результате нейтральный водород, не в пример туманностям и звездам, можно изучать до самых удаленных областей Галактики.

Исследования распределения газа в Галактике показали, что в длинных уплотненных волокнах шириной около 200 парсек средняя концентрация водорода — 1 атом в 1 см3, а между ними она раз в 10 меньше.

В центральной области Галактики масса газа составляет ничтожную долю от массы звезд, но на периферии его масса равна примерно 15 %, так как там звездная плотность падает. В целом масса газа составляет около 1–2 % от массы Галактики, остальное приходится на звезды. Более 90 % межзвездного водорода находится в нейтральном состоянии. Ионизован он лишь там, где много горячих гигантов, что бывает в основном в средних частях спиральных галактик. В нашей Галактике доля ионизованного водорода достигает 40 % на расстояниях между 3000 и 3500 парсек от центра.

Следовало ожидать, что в связи с этим светлые газовые диффузные туманности расположены там, где проходят волокна уплотненного нейтрального водорода. Ожидалось также, по аналогии с другими спиральными галактиками, что и светлые туманности, и нейтральный водород, и горячие звезды, в частности, скопления их, должны обрисовывать спиральные ветви нашей Галактики.

Такие сопоставления малоубедительны ввиду значительного произвола в объединении объектов в спиральные ветви. Основное расхождение состоит, объективно говоря, в том, что найденные волокна нейтрального водорода образуют скорее окружности, чем спирали. Мы полагаем, что расстояния до оптических объектов этого типа установлены еще ненадежно, как и расстояния до облаков нейтрального водорода, выведенные по экстраполяции закона вращения Галактики.

Спиральные галактики бывают и с широко открытыми двумя-четырьмя спиральными ветвями и со многими ветвями или с почти концентрическими дугами. Возможно, что наша Галактика принадлежит к последнему виду: ее спиральные рукава или сильно ветвятся или состоят из бесчисленных коротких дуг. Тогда понятно, что обрывки этих образований трудно уложить в правильные схематические кривые, каких у реальных галактик почти не бывает.

Голландские астрономы установили существование в центре Галактики диска толщиной около 130 и радиусом около 400 парсек. Он вращается со скоростью около 200 км/сек на периферии. На расстоянии 300 парсек от центра они же нашли кольцо, или часть спирали, удаляющуюся от центра со скоростью около 50 км/сек. Кроме того, найдено, что слой межзвездного газа имеет перекос относительно плоскости Галактики, будучи приподнят в направлении к Магеллановым Облакам и опущен в противоположном направлении. Вероятно, это объясняется эффектом влияния этих небольших неправильных галактик (наших спутников) на газовый слой нашей Галактики. Подобные явления перекоса мы обнаружили еще раньше в некоторых парах других галактик.

Радионаблюдения позволили установить и температуру межзвездного газа по интенсивности линии 21 см в слоях, где он достаточно непрозрачен и излучает как черное тело. Была найдена температура излучения в 125°К вместо 10–15° К, как считали раньше. Предполагают, что столкновения облаков ведут к их нагреву до 3000°, после чего происходит охлаждение до 25° К, так что температура разных облаков весьма различна.

В итоге всех исследований можно сказать, что в нашей Галактике космической пыли раз в 10 меньше, чем диффузного газа.

Вскоре после изобретения телескопа внимание наблюдателей привлекли многочисленные светлые пятна туманного вида, так и названные туманностями, видимые неизменно в одних и те же местах в разных созвездиях. Их заносили в каталоги, но главным образом с чувством досады на то, что они мешают открывать кометы, имеющие вид таких же туманностей, но отличающиеся своим перемещением на фоне звездного неба, подобно планетам.

Первый такой каталог составил в XVIII веке француз Мессье. По этому каталогу, включающему около сотни объектов, туманности и звездные скопления обозначаются номерами после буквы М. Например, шаровое скопление в Геркулесе М 13, большая туманность в Андромеде М 31, в Треугольнике М 33. О другом подобном каталоге (NGC) мы говорили ранее (стр. 567). С помощью светосильных телескопов Вильям Гершель и его сын Джон, а затем Росс (тоже в Англии) открыли множество таких туманных пятен, а к концу прошлого века у некоторых из них Россом была обнаружена спиральная форма. В таких спиральных туманностях из туманного ядра, более яркого к центру, выходят ветви или рукава, закручивающиеся вокруг ядра по спирали подобно часовой пружине. Что представляют они собой, — долго гадали, пока в 1924 г. Хабблу не удалось получить с помощью крупнейшего в то время телескопа исключительно резкие фотографии спиральных туманностей. Края этих туманностей оказались состоящими из множества чрезвычайно слабых звезд — туманность, как говорят, была разрешена на звезды. Стало ясно, что ближе к центру сплошное туманное сияние получается лишь вследствие слияния для нас в одну сплошную массу мириад звезд, расположенных очень тесно. Эти фотографии сразу показали, что перед нами не облака пыли, светящие отраженным светом, и не облака разреженного газа, а чрезвычайно далекие звездные системы, в которых звезд несравненно больше, чем в шаровых звездных скоплениях.

Те маленькие спиральные туманности, которые еще не разрешены на звезды, несомненно, такие же звездные системы, только слишком далекие от нас, чтобы их структуру могли различить современные телескопы.

В 1944 г. Бааде удалось разрешить на звезды и центральную часть спиральной туманности в Андромеде М 31 и две небольшие туманности эллиптической формы — ее соседки. До этого многие допускали, что эллиптические туманности и центральные части спиральных туманностей состоят не из звезд, а из газа или космической пыли.

Спектры подтверждают звездную природу ядер эллиптических и спиральных туманностей. Это спектры, очень похожие на спектр Солнца, показывающие, что большинство звезд в них — желтые и красные. Спиральные ветви состоят из более горячих белых звезд. По смещению темных линий в спектрах спиральных туманностей можно было определить скорости их движения. Как целое, они движутся со скоростями в сотни километров в секунду.

Окончательно природа спиральных туманностей вскрылась, когда в них на упомянутых фотографиях были найдены и цефеиды, и долгопериодические переменные, и яркие голубоватые звезды. Позднее открыли в спиральной туманности Андромеды шаровые звездные скопления, вполне подобные скоплениям нашей Галактики, но вследствие их дальности едва отличимые по своему виду от ярких звезд. Были открыты в спиральных туманностях и огромные клочья разреженного газа, дающие спектр из ярких линий и опять-таки подобные тем, какие кое-где встречаются в межзвездном пространстве внутри Галактики. Выяснилось, что в шаровых звездных скоплениях, а также в эллиптических звездных системах составляющие их звезды образуют другую диаграмму спектр — светимость, чем та, о которой мы говорили раньше и которая относится к звездам, составляющим спиральные ветви и неправильные, клочковатые звездные системы типа Магеллановых Облаков. Они видны невооруженным глазом и похожи на обрывки Млечного Пути.

Точнее всего расстояния, а следовательно, и размеры, определяются по видимому блеску цефеид, когда последние наблюдаются в данной галактике. Это возможно сделать только для ближайших галактик. До более далеких галактик расстояние определяют по видимому блеску находящихся в них наиболее ярких звезд-сверхгигантов. В эллиптических галактиках, похожих по виду на шаровые скопления нашей Галактики, но только гигантских размеров, звезд-сверхгигантов нет.

Из эллиптических галактик интересна самая яркая и большая галактика М 87, главная в скоплении галактик в Деве. Эта гигантская галактика имеет свиту из нескольких сотен шаровых звездных скоплений, которые на фотографии, ввиду их дальности, с трудом отличимы от звезд. С другой стороны, эллиптические галактики — спутники большой спирали в Андромеде (М 31) — гораздо меньше, чем М 87. Недавно открыты карликовые эллиптические галактики, лишь в несколько раз более крупные и яркие, чем типичное шаровое скопление.

Большинство галактик так далеки, что в них отдельных звезд не видно. Поэтому названные выше способы определения расстояний к ним неприменимы. В то же время светимости и линейные размеры галактик так разнообразны, что ни их видимый угловой диаметр, ни их видимый блеск не могут служить мерой расстояния. Расстояния до них оценивают по удивительному свойству совокупности всех галактик, открытому Хабблом.

По изучению галактик с уже известными расстояниями и скоростями движения по лучу зрения выяснилось, что линии их спектра смещены к красному его концу на величину, пропорциональную их расстоянию. Это удивительнейшее явление называется красным смещением. Его величину можно выразить по принципу Доплера скоростью движения по лучу зрения. Эта скорость удаления от нас накладывается, так сказать, на собственную лучевую скорость галактик, которая для всех их не превышает нескольких сотен километров в секунду. Для близких галактик такая собственная скорость и красное смещение по величине одного порядка, но для далеких из них красное смещение гораздо больше — тысячи и десятки тысяч километров в секунду. Поэтому расстояние до далеких галактик по их красному смещению определяется как раз с наименьшей относительной ошибкой. Например, если есть тесная группа галактик, то в ней относительно друг друга отдельные члены движутся со скоростью 200–400 км/сек, а в среднем группа, как целое, может иметь красное смещение 1000 или 10 000 км/сек. По современной оценке «постоянная Хаббла» — возрастание красного смещения на каждые 3 000 000 световых лет (на 1 000 000 парсек) составляет около 100 км/сек. Для приведенного примера в первом случае расстояние до галактик было бы около 10 млн. парсек, с возможной ошибкой не более 20–30 %. Во втором случае расстояние было бы 100 млн. парсек с ошибкой не более 2–3 %.

Спиральная туманность Андромеды кажется больше и ярче всех потому, что она крупная и ближе всего к нашей Галактике. Расстояние до нее составляет полтора миллиона световых лет — вот оно, это ближайшее расстояние! Свет ее, доходящий сейчас до нас, покинул туманность Андромеды в ту пору, когда на Земле не было еще человечества. Размер ее составляет более 100 000 световых лет по диаметру, но в направлении, перпендикулярном к плоскости ее наибольшего распространения, она во много раз тоньше, — она сильно сплющена. Сопоставляя вид туманностей, таких, как в Треугольнике (почти круглых внешних очертаний), в Андромеде (продолговатой) и в Деве (веретенообразной), мы должны заключить, что различие их вида определяется их поворотом (ракурсом) по отношению к нам. Очевидно, такие звездные системы (которые мы теперь имеем полное право называть галактиками, поскольку они такие же громадные звездные системы, как и наша Галактика) имеют сплющенную чечевицеобразную или линзообразную форму и зачастую спиральную структуру. Галактика в туманности Треугольника лежит перед нами «плашмя», галактика в созвездии Андромеды своей плоскостью симметрии наклонена к нам, а галактика в созвездии Девы повернута к нам ребром. Кстати сказать, вдоль веретена, каким она представляется, видна темная полоска. Такие темные полоски видны у многих галактик веретенообразного вида (см. рис. 113). Несомненно, что это, как показал Кэртис (США), — скопление темных туманностей, состоящих из пыли и концентрирующихся к плоскости их экватора. В других галактиках, менее к нам наклоненных, также можно заметить темные области на фоне сияющей массы ядра, в рукавах и между рукавами спиральных завитков. Поглощающее вещество есть во всех галактиках, а не только в тех, которые повернуты к нам ребром. Этим дополняется сходство далеких галактик с нашей Галактикой.

Устанавливая на щель спектрографа разные части изображения галактик, даваемые объективом телескопа, можно было измерить их лучевую скорость. Оказалось, что галактики вращаются вокруг своей короткой оси, перпендикулярной к плоскости их экватора. Спиральная галактика в Андромеде во внутренних своих частях вращается как твердое тело, например, как колесо телеги. Это означает, что внутренние ее части, дающие мало света и содержащие, казалось бы, поэтому мало звезд, тем не менее имеют большую массу. В галактике в созвездии Треугольника М 33 внутренние части, до расстояния в 3000 световых лет от центра, также вращаются как твердое тело. Наружу, наоборот, скорость вращения уменьшается очень быстро. Отсюда следует, что как и в галактике, находящейся в Андромеде, большая часть массы сосредоточена в центральной области звездной системы. Масса эта составляет почти сотню миллиардов масс Солнца, как это устанавливается вычислением на основании наблюденного закона и скорости вращения.

В. А. Амбарцумян рассчитал, какова была бы яркость той области нашей Галактики, в которой находится Солнечная система, если бы мы могли посмотреть на Галактику издали, так, как мы видим другие звездные системы. Сравнивая эту вычисленную яркость с яркостью различных мест в галактике Андромеды, он пришел к неожиданному выводу.

В галактике Андромеды плотность звезд в пространстве, соответствующая плотности звезд в нашей Галактике в окрестностях Солнца, имеется на расстоянии 5000 световых лет от ее центра, — там, где на фотографиях находятся едва-едва видимые края этой галактики.

Следовательно, по аналогии предполагает Амбарцумян, мы с вами живем на самой далекой окраине своей звездной системы, где население очень редкое. Вероятно, мы находимся за пределами спиральных ветвей, где звездная плотность уменьшена.

Звезды в пространстве группируются, как мы видим, в гигантские системы, часто спиральной формы. Они, как острова, раскинуты в безбрежном океане Вселенной. Острова Вселенной или островные вселенные — вот как часто именуются галактики. В некоторых местах, как, например, в созвездии Девы, галактики группируются в облака галактик — острова Вселенной образуют архипелаг. Облака галактик или группы островов Вселенной напоминают рассеянные звездные скопления, но неизмеримо большего масштаба.

Некоторое время астрономов смущало большое различие между размерами нашей Галактики и других галактик. История науки приучила астрономов к скромности, которой как раз не отличались их предки, считавшие свою Землю центром мира и свое положение во Вселенной особенным.

В тридцатых годах, как мы видели, было окончательно обнаружено поглощение света в Галактике. Учет его влияния на видимый блеск звезд привел к значительному сокращению размеров Галактики. С другой стороны, расстояния, а следовательно, и размеры других галактик оказались несколько большими, чем находили вначале, так как тщательное измерение фотографий выявило слабо светящиеся внешние части галактик, оставшиеся ранее незамеченными. В результате размеры нашей Галактики и других оказались менее отличными друг от друга. Галактика в Андромеде не уступает нашей.

Несомненно, что когда удастся исследовать подробнее более далекие от нас галактики, среди них окажутся такие, которые больше, чем наша. Но в конце концов, убедившись, что Земля — не центр мира, что она не наибольшая из планет, что наше Солнце не самое большое, не самое яркое, не можем ли мы после всех этих ударов по нашему ложному самолюбию, наконец, «позволить себе роскошь» считать, что мы живем в одной из наибольших галактик, хотя и у ее края? Мы с вами — жильцы крайнего флигеля, но одного из самых крупных домов страны, называемой Метагалактикой.

Изучение мира галактик является сейчас наиболее бурно развивающейся областью астрономии, так как именно оно приносит наиболее поразительные открытия и подводит нас к раскрытию самых общих свойств Вселенной, наиболее потрясающих воображение. Поэтому мы посвящаем им следующие разделы.

Хаббл в двадцатых годах составил первую, простую классификацию галактик, недостаточность которой стала осознаваться только в последнее время после знакомства с гораздо большим числом представителей этого вида населения Вселенной.

Хаббл выделил эллиптические галактики, обозначаемые Е, по виду сходные с шаровыми скоплениями нашей Галактики, но более грандиозные. Они бесструктурны, не содержат горячих звезд, сверхгигантов, пыли и газовых туманностей. Плотность звезд в них медленно и плавно падает с удалением от центра, в котором никакого ядра нет. Таких галактик множество. Их пример М 87.

Затем он выделил «неправильные» галактики, обозначаемые Ir, клочковатого строения и неправильной формы. Они меньше, чем эллиптические, и немногочисленны. Яркость их поверхности и светимость невелики, они сильно сплющены, но изобилуют горячими сверхгигантами, газовыми туманностями и пылью. Их пример — Магеллановы Облака: Большое и Малое.

Спиральные галактики Хаббл разбил на два семейства: обычные S и «пересеченные» SB. У первых из них ветви выходят непосредственно из ядра, у вторых ядро пересечено широкой, яркой полосой, называемой перемычкой или баром. Спиральные ветви отходят от концов бара. Кроме того, иногда через концы бара проходит светлое кольцо. В том и другом виде спиральных галактик Хаббл установил три типа, обозначаемые добавлением букв a, b и с. У галактик типа Sa и SBa ядро яркое и большое, а ветви слабые, бесструктурные, аморфные. В галактиках типа Sb и SBb ветви ярче и несколько клочковаты, а ядро сравнительно менее ярко и меньше. М 31 — галактика Sb. Галактики типов Sc и SBc имеют ядро маленькое и неяркое, а ветви мощные, яркие, сильно клочковатые. Галактика М 33 в Треугольнике типа Sc. Увеличение клочковатости ветвей идет за счет увеличения в них числа горячих гигантов и их групп, ярких газовых туманностей, рассеянных скоплений, а в типе Sc также и сверхассоциаций. Из-за присутствия в них горячих гигантов ветви голубее, чем ядро, и голубеют от типа Sa к типу Sc. Светимость и размеры самых гигантских галактик среди эллиптических и спиральных одинаковы. Абсолютная звездная величина их — 21m, Это значит, что они в миллиарды раз ярче нашего Солнца.

Важное значение имеет величина отношения М: L — массы к светимости. У эллиптических галактик М: L составляет десятки, меньше у спиралей, а у неправильных галактик падает примерно до 2–5. Это происходит в результате все большей роли сверхгигантов в общем свечении системы, так как светимость звезд растет гораздо быстрее, чем их масса.

Спиральные и неправильные галактики испускают умеренное радиоизлучение подобно нашей Галактике и оно обусловлено теми же причинами.

За последние два десятилетия, особенно за последние годы, выяснилось, что природа галактик гораздо разнообразнее, чем представлялось Хабблу, хотя позднее он и ввел типы So и SBo, «промежуточные» между Е и спиралями. Они характеризуются наличием плоского диска (плоской составляющей) вокруг большого и яркого ядра, но в этом диске нет пыли и газов и нет спиральных ветвей.

Прежде всего оказалось, что в наших окрестностях есть несколько очень слабых карликовых галактик. Некоторые из них неправильные, другие — сферические, но столь разреженные, что на фотографии выглядят как еле-еле уловимое пятнышко, хотя размер его не так уж мал. А недавно была открыта двойная галактика — пара пигмеев немногим ярче, чем ярчайшие шаровые скопления. От них эти пигмеи отличаются своим независимым положением в пространстве и наличием массы светящихся газов, которых в шаровых скоплениях не бывает. Так, по крайней мере, эллиптические и сферические галактики сильно различаются по светимости, по массе и по степени концентрации звезд — от сверхгигантских до сходных с шаровыми скоплениями и от крайне разреженных, прозрачных до крайне компактных, сильно концентрированных. К таким компактным галактикам, открытым Цвикки в 1964 г., принадлежат и упомянутые пигмеи. На фотографиях, полученных с наибольшими телескопами, компактные галактики еле-еле отличимы от звезд. Иногда их можно отличить только по большому красному смещению в спектре; и среди них многие имеют большую светимость.

В то же время Цвикки обнаружил, что галактики, которые при передержке центральных частей на фотографиях одинаково выглядят эллиптическими, различаются тем, что у одних в центре есть крохотное звездообразное ядро, а у других его нет. Автор этой книги тоже нашел много галактик, совершенно не укладывающихся в классификацию Хаббла или в ее видоизменения. Среди них интересны галактики, имеющие ветви с противоположным направлением закручивания, и многочисленные кольцевые галактики как с аморфной, так и с клочковатой структурой. Есть галактики с пылевой плоской составляющей, но без яркой компоненты то ли в виде диска, то ли в виде спиральных ветвей. Есть галактики со сложными ядрами, окруженные колоссальным ореолом. Еще раньше были найдены галактики неправильные по форме, но не клочковатые, а аморфные, т. е. лишенные горячих звезд и их скоплений; их обозначают Ir II.

У многих галактик автор этой книги нашел внутренние и внешние ветви совершенно разной структуры (аморфные и клочковатые), переплеты и пересечения ветвей, ветви, образующие восьмерки, превращающиеся в кольца или делающие петли. Эти формы не могут быть объяснены механическими процессами и напоминают возмущенные силовые линии магнитного поля намагниченного шара.

В общем мир галактик оказался поразительно разнообразным. Другие примеры этого многообразия мы увидим еще и в последующих очерках.

Недавно автором этой книги и его сотрудниками в Московском университете был издан каталог, содержащий 30 000 галактик и дающий их положение на небе, яркость, размеры, цвет, скорость движения, подробное описание и ссылки на все данные, известные о каждой из них. Этот каталог обозначается MCG (Морфологический каталог галактик). Он содержит все галактики ярче 15m до склонения — 45°.

Скажем теперь подробнее о некоторых ближайших к нам островах Вселенной.

Магеллановы Облака в созвездии Золотой Рыбы, спутники нашей Галактики, крайне интересны тем, что это ближайшие к нам Галактики, структуру и движение которых, а также самые яркие объекты в них можно изучать наиболее подробно. Так, например, в них (находящихся от нас на расстоянии около 44 000 парсек) доступны для измерения блеска и цвета звезды ярче +1-й абсолютной звездной величины. Те же, которые ярче — 6-й величины, могут быть изучены спектральными методами довольно подробно. Большая ось Большого Магелланова Облака (БМО) имеет длину 12 килопарсек, а Малого Магелланова Облака (ММО) — 4 килопарсека. Они окружены общей оболочкой из нейтрального очень разреженного водорода размером 3Х15 килопарсек. Оба облака погружены в нее, и это указывает на то, что они не только близки друг к другу, как мы их видим, но связаны более тесными узами. Этот вывод подтверждается обнаружением сравнительно плотной газовой перемычки между облаками. Скорости их относительно центра нашей Галактики составляют +40 (БМО) и -15 (ММО) км/сек. Определенная по вращению масса БМО составляет 1010 масс Солнца, т. е. в 15 раз меньше, чем масса нашей Галактики. Считаемые по форме неправильными галактиками, они, особенно БМО, носят явные черты структуры пересеченных спиралей. Изучается распределение внутри БМО более 200 000 звезд, имеющих абсолютную величину больше 0m.

В БМО наблюдаются долгопериодические и корот-копериодические цефеиды и другие типы переменных звезд, голубые гиганты различных типов, газовые и пылевые облака. Там же находится, между прочим, самая яркая из известных нам звезд — S Золотой Рыбы. Эта слегка переменная звезда примерно в миллион раз ярче нашего Солнца.

В Магеллановых Облаках видны и изучаются много десятков рассеянных и шаровых скоплений, среди них такие скопления, которые не только по размеру, но и по структуре и по составу звезд не имеют известных нам аналогов в нашей Галактике. Цефеиды в Магеллановых Облаках по светимости оказались несколько отлинными от цефеид того же порядка, известных в нашей Галактике. Словом, после важнейших открытий первого времени, говоривших о сходстве населения спиральных ветвей нашей Галактики и БМО, более детальное исследование показало второстепенные отличия. Однако эти отличия, по-видимому, характерные для галактик вообще, говорят о многообразии природы (что важно принципиально) и затрудняют точное определение расстояний до галактик по видимой яркости объектов, казалось бы, совершенно сходных между собой.

Доля нейтрального водорода относительно общей массы в Магеллановых Облаках является наибольшей среди известных галактик. Она составляет от 20 до 30 % их полной массы. Химический состав светящихся газовых туманностей в Облаках и в нашей Галактике оказался одинаковым.

Неправильные галактики имеют умеренные и малые светимости, большинство их — карлики, в среднем с абсолютной величиной — 14 м и с диаметрами 1,5–3 тысячи парсек.

Магеллановы Облака принадлежат к наиболее ярким и крупным неправильным галактикам.

М 31 — ближайшая к нам спиральная гигантская галактика, как полагают, крайне сходная с нашей Галактикой. Но она в 10 раз дальше от нас, чем Магеллановы Облака, и потому однотипные объекты в ней представляются нам в 100 раз более слабыми. Изучению структуры этой галактики мешает большой наклон ее плоскости к лучу зрения. Специальными поисками в ней обнаружено множество долго-периодических цефеид и других ярких переменных звезд, зарегистрировано около 170 новых звезд, — больше, чем в нашей Галактике (!), в которой мы видим лишь ближайшие к нам. В ней обнаружено несколько сотен диффузных газовых туманностей, которые с замечательной правильностью, как бусинки на нитке, обрисовывают расположение ярких спиральных ветвей.

За последние годы выяснилось, что волокна космической пыли, сопровождающие яркие наружные спиральные ветви, прослеживаются дальше к центру внутри бесструктурной, аморфной по виду «линзы», или главного тела галактики. Это дает повод некоторым ученым говорить, что спиральные ветви начинаются очень близко от ядра в форме темных, пылевых ветвей, превращающихся затем в светлые. Правильнее, однако, сказать, что эти темные волокна, сначала разбросанные и не связанные друг с другом, с удалением от центра утолщаются и потом начинают сопутствовать ярким, состоящим из звезд спиральным ветвям. Последние имеют сначала аморфный вид и не содержат звезд-сверхгигантов, постепенно появляющихся в ветвях по мере их удаления от линзы. Также растет число светлых газовых туманностей, и в конце концов ветви разрежаются, а спиральная структура как бы рассеивается, хотя области уменьшающейся звездной плотности простираются намного дальше. Сравнение показывает, что наша Солнечная система, помещенная от центра М 31 на такое же расстояние, на какое она отстоит от центра Галактики, находилась бы на границе еще ясно видимых спиральных ветвей, в области сравнительно очень низкой звездной плотности.

В М 31 существует маленькое ядро с чрезвычайно быстрым вращением. Это ядрышко выглядит совершенно звездообразным и лишь в самые крупные телескопы отличимо от одиночных звезд, а ведь это целое звездное скопление, необычайно сконденсированное! Его видимая звездная величина 14m,5, а абсолютная звездная величина — 10m, т. е. оно несколько ярче, чем самые яркие шаровые скопления, входящие в ту же галактику. Но здесь различие по составу звезд больше: ядро М 31 состоит, по-видимому, из красных и желтых гигантов обычного химического состава, а в шаровые скопления входят гиганты с пониженным содержанием металлов.

Другая ближайшая к нам спиральная галактика (М 33 в Треугольнике, типа Sc) в шесть раз слабее по светимости, чем М 31, и по диаметру в три с лишним раза меньше, чем наша.

Среди эллиптических галактик также есть гиганты и карлики. Самыми яркими и крупными из известных являются две эллиптические галактики в скоплении Девы: NGC 4486 (М 87) и NGC 4472 (М 49) с диаметрами 22 000 и 31 000 парсек. Границы эллиптических галактик еще условнее, чем границы спиральных. Если за границу брать места, где поверхностная яркость едва отличима от фона чистого ночного неба, то размеры сверхгигантских эллиптических и спиральных галактик оказываются примерно одинаковыми и составляют, как мы видим, около 30 000 парсек, или почти 100 000 световых лет. Однако вблизи нас гигантских эллиптических галактик нет, и их расстояния, а следовательно, и светимости и размеры определяются по красному смещению.

В наших окрестностях находятся только карликовые эллиптические галактики — спутники спиральной галактики М 31 в Андромеде. Их абсолютные величины около — 15m, а размер около 3500 парсек.

«Крайние карлики», какими являются слабые сфероидальные галактики в наших окрестностях — в Печи, в Скульпторе, а тем более открытые позднее системы Лев I и Лев II, очень слабы: от — 12 до — 8 абсолютной величины. Их размеры «всего» порядка 3000 световых лет.

Полная кривая светимости галактик вообще как следует еще не установлена и только для более ярких галактик в скоплениях известна более или менее надежно. Полагают, что в разных скоплениях она может быть различной. Выяснить этот вопрос трудно из-за того, что нельзя с полной уверенностью отделить галактики, принадлежащие скоплению, от галактик, случайно проектирующихся на него.

Наша Галактика находится в изолированной группе, называемой Местной группой или Местной системой галактик (рис. 183). В ней выделяются две главные группы со сверхгигантами в каждой. Это наша Галактика с ее спутниками — Магеллановыми Облаками и М 31 с ее несколькими эллиптическими спутниками. После открытия «крайних карликов» — сфероидальных галактик типа Скульптора и других неправильного типа, — оказалось, что в нашей Местной системе карлики преобладают. На две сверхгигантские системы приходится одна умеренная по размерам спираль (М 33 в Треугольнике), две компактные карликовые эллиптические галактики (NGC 205 и 221), две довольно разреженные (NGC 147 и 185), шесть сфероидальных крайне разреженных (в Печи, Скульпторе, Лев I, Лев II, в Малой Медведице, Драконе), неправильные галактики (Магеллановы Облака, NGC 6822, IC 1613, система Вольфа — Лундмарка, три системы Хольмберга и, может быть, три карлика в Секстане, еще мало изученные). Итак, у нас в Местной системе две гигантские спирали, одна средняя спираль и 17–20 карликов, преимущественно эллиптических и сфероидальных. Получается, что карлики являются преобладающими, и средняя абсолютная величина галактик теперь сильно сдвинулась в сторону малых светимостей.

В какой мере кривую светимости галактик в наших окрестностях можно приписать скоплениям галактик и всей Метагалактике, не ясно. В скоплениях преобладают эллиптические галактики и они же часто являются самыми яркими, а в наших окрестностях эллиптических сверхгигантов совсем нет. Автор этой книги обнаружил, что существуют группы больших галактик без карликовых спутников.

Поэтому и насыщенность карликами общего поля Метагалактики и скоплений галактик может быть иной, чем мы это находим в Местной системе. Слабые карлики, с трудом открываемые даже в нашем соседстве, на больших расстояниях не видны. Но ученые пытаются найти более яркие карлики в ближайших скоплениях. В скоплении в Деве в 1956 г. обнаружено полсотни карликов со слабой концентрацией яркости к их центру. Их абсолютная величина около — 13 га. Но они считаются не похожими на галактики типа Скульптора, которые на две-три звездные величины слабее. Их относят к новому типу — типу IC 3475. В скоплении в созвездии Печи тремя годами позднее также нашли 16 карликов с малой концентрацией света к центру. Таким образом, в больших, рассеянных скоплениях карлики есть, но их процент, видимо, меньше, чем в Местной системе.

Астроном Цвикки считает, что кривая светимости галактик должна продолжаться до таких малых систем, как шаровые звездные скопления в нашей Галактике и даже ниже, но его мнение, видимо, не разделяют другие исследователи.

Все сказанное имеет отношение и к статистике типов галактик. По Вокулеру, среди полутора тысяч ярких галактик на эллиптические приходится 13 %, на считаемые обычно переходными (типа SO) — 21,5 /о, на спиральные — 61,1 % и н-а неправильные — 4,4 % (самые немногочисленные). Спиральные же галактики наиболее многочисленны; среди них преобладают спирали Sb, Sc, SBb. «Ранние» спирали Sa редки, но ведь это большие по видимой яркости галактики. Они ярче 13-й звездной величины.

В наших окрестностях и в ближайших скоплениях преобладают эллиптические галактики.

Мы уже отмечали, что в спиральных галактиках, видимых с ребра, наблюдается экваториальный слой космической пыли в виде темной полосы. По нашему исследованию в разных галактиках толщина его весьма различна. Темную материю можно «ощутить» и в спиральных галактиках, видимых плашмя, в виде темных, разветвленных каналов (в М 33) или в виде отдельных пятен в спиральных ветвях, по их внутренней или по внешней стороне. Иногда пылевая материя тянется вдоль бара.

Комплексы светлых диффузных туманностей непосредственно видны даже в довольно далеких спиральных и неправильных галактиках, имеющих много горячих звезд и скоплений их. Такие галактики очень клочковаты. В некоторых ближайших галактиках, как в М 33 в Треугольнике, в М 31 в Андромеде, в Магеллановых Облаках, видны даже отдельные диффузные туманности.

В Большом Магеллановом Облаке есть гигантский комплекс газовых туманностей, окутывающий огромное скопление горячих гигантов. Туманность называют Тарантул, а подобные гигантские комплексы горячих звезд и газа В. А. Амбарцумян называет сверхассоциациями. Если бы Тарантул находился на месте туманности Ориона, предметы на Земле, освещенные им, отбрасывали бы тени.

В М 31 открыто несколько сотен диффузных туманностей и изучено их расположение, обрисовывающее спиральные ветви, но не вполне совпадающее со звездными ветвями. Они надежнее обнаруживаются (когда они малы из-за дальности расстояния) по снимкам в лучах красной водородной линии На(через красный светофильтр). Такими эмиссионными сгустками пользуются для изучения вращения периферических частей галактик, звездный спектр которых слишком слаб для его регистрации, тогда как яркие линии туманностей регистрируются легче.

В интегральном спектре многих галактик видны линии На и А, 3727-29 А (запрещенные линии ионизованного кислорода), профводимые суммарным светом входящих в них туманностей. Когда яркая линия На видна на всем протяжении галактики, ею пользуются для изучения вращения этой системы.

Статистика показывает, что чем более ранними являются типы галактик, т. е. чем меньше в них горячих гигантов, тем реже видны в их спектрах яркие линии. В эллиптических галактиках газа практически нет. Аро (Мексика) открыл несколько галактик, еще не изученных, в которых яркие линии сильнее, чем даже в неправильных галактиках.

Радионаблюдения уже позволяют обнаруживать тепловое излучение газов в ближайших галактиках и даже определять их скорости в разных местах, устанавливая вращение этих звездных систем по линии водорода 21 см.

Начинают строить, пока еще грубые, карты распределения нейтрального водорода в них. Согласно статистике полная масса газа составляет такой процент от общей массы галактик разных типов:

(наша Галактика относится к типу Sb или Sc).

Планетарные туманности в других галактиках с достоверностью уже обнаружены. Предполагают, что такими являются две-три маленькие туманности в М 31 и несколько десятков в Магеллановых Облаках. В пользу этого вывода говорят малые размеры туманностей и их повышенная ионизация. Их светимость велика- абсолютная звездная величина порядка — 3m.

Определение отношения количества водорода к количеству гелия в туманностях других галактик показало, что оно такое же, как в нашей Галактике, так что пропорция разных химических элементов в Метагалактике, по-видимому, одна и та же.

Таким образом, диффузная материя играет в Космосе огромную роль.

За последние годы с искусственных спутников Земли, специально созданных для этого, было открыто к 1975 г. почти 200 источников космического рентгеновского излучения. Его испускают оболочки, выброшенные сверхновыми звездами, нейтронные звезды — пульсары, в которые сверхновые звезды превратились, и спутники некоторых звезд. Возможно, что рентгеноизлучающая плазма у некоторых белых карликов тоже на это способна. Излучает рентгеновские лучи и наше Солнце.

Но есть много и внегалактических рентгеновских источников. Это некоторые радиогалактики, их ядра, а также протяженные источники, связанные с плазмой, рассеянной по объемам скоплений галактик.

Среди галактик известно немало двойных систем, сходных по яркости и размерам. Существуют и карликовые галактики — спутники, например, у М 31 есть два близких к ней спутника — карликовые эллиптические галактики.

К сожалению, расстояния подавляющего большинства галактик, находящихся на небе друг подле друга, неизвестны. Поэтому обычно неизвестно, является ли данная слабая галактика-соседка действительно спутником или же это более далекая галактика, проектирующаяся рядом с яркой совершенно случайно.

Статистические подсчеты говорят в пользу того, что кажущиеся двойными и кратными галактики в большинстве случаев, вероятно, и физически, реально, являются таковыми. Очень часто встречаются, по-видимому, кратные галактики, т. е. небольшие группы их.

Примером довольно рассеянной группы крайне разнообразных галактик служит наша Местная система галактик. Есть и более тесные группы.

Расстояния между членами двойных и кратных звезд обычно в сотни и тысячи раз превышают их диаметры, а расстояния членов в группах галактик превосходят их диаметры лишь в несколько раз. Нередки случаи, когда они касаются друг друга, а частично и проникают друг в друга!

В большинстве случаев кратные звезды имеют структуру такого рода. Одра тесная пара звезд обращается на большом расстоянии около общего центра масс с одиночной звездой или с тесной же парой звезд.

Кратные звезды, члены которых отстоят друг от друга на сравнимые расстояния, очень редки. Такие группы академик В. А. Амбарцумян назвал трапециями, так как к их типу принадлежит, например, четверная звезда, каждый член которой находится в вершине фигуры, называемой в геометрии трапецией.

В. А. Амбарцумян показал, что системы тел типа трапеции должны быть неустойчивы. Они достаточно скоро должны распасться, а члены их — удалиться друг от друга и потерять взаимную связь. Это произойдет оттого, что их взаимные притяжения по силе сравнимы друг с другом, действуют по разным направлениям и не в одной плоскости, и потому никакой устойчивый вид движения, никакие устойчивые орбиты у них невозможны.

Амбарцумян обратил также внимание на то, что в то время как среди кратных звезд преобладают системы с устойчивыми конфигурациями и видами орбит, среди кратных галактик преобладают неустойчивые конфигурации и орбиты. Он сделал вывод, что следовательно, те системы звезд и галактик, которые образуют трапеции, являются более молодыми образованиями (раз мы их видим и они еще не распались). Возраст таких кратных галактик должен быть много меньше, чем возраст нашей Галактики, который оценивается примерно в 1010 лет или больше.

Несравненно легче, чем реальные кратные галактики, выявляются облака и скопления галактик. Облаками галактик называют рассеянные скучивания их, а скоплениями — более компактные кучи, но и они делятся на концентрированные и рассеянные.

Первыми бросаются в глаза образования, более близкие к нам и состоящие из галактик, кажущихся более яркими и крупными. Это соседние облака галактик в созвездиях Большой Медведицы и Гончих Псов, рассеянное скопление в Деве и сконцентрированные скопления в Волосах Вероники и Северной Короне. В последних видна сферическая симметрия. Они состоят преимущественно из галактик типов Е и So.

Облака Большой Медведицы и Гончих Псов на небе занимают громадную площадь 30Х40°, скопление в Деве — не менее чем 25Х40°, скопление в Волосах Вероники диаметром 12°. В скоплениях и облаках, не имеющих сферической симметрии, заметно существование подсистем. Так, в Деве проектируются друг на друга два довольно близкие друг к другу скопления. Одно из них состоит преимущественно из спиральных галактик, другое преимущественно из эллиптических. Из последних состоят в основном компактные скопления.

Облака Большой Медведицы и Девы отстоят от нас примерно на 10 мегапарсек (миллионов парсек) — они ближайшие к нам. Первое насчитывает членов ярче 13-й видимой звездной величины более 200, второе более 150, а скопление в Волосах Вероники — 30 000 членов ярче 19-й звездной величины! Но в них должно входить много, может быть, еще гораздо больше, карликовых галактик! Ярчайшие из них недавно обнаружены в близких скоплениях — в Деве и в Печи.

Галактики обнаруживают сгущение к центру скопления, около которого нередко находятся ярчайшие и наиболее массивные его члены (распределение галактик вдоль радиуса компактных скоплений такое же, как распределение молекул в так называемом изотермическом газовом шаре и указывает на стационарность такого скопления).

В самое последнее время начато статистическое изучение скоплений (о детальном их изучении пока нельзя и мечтать!).

Оценены очень грубо число ярких членов, степень близости их к нам, размер и положение на небе почти 2000 скоплений, содержащихся в каталоге скоплений. В одной лишь (правда, из самых богатых) области, размером 6Х6°, Цвикки насчитал 120000 галактик, принадлежащих 100 скоплениям, находящимся от нас на расстоянии от 200 до свыше 600 млн. парсек.

Надежные определения расстояний до скоплений требуют длительной кропотливой работы как в виде ночных наблюдений, так и последующего изучения фотографий. Дело в том, что для определения расстояния по красному смещению надо сфотографировать спектры нескольких галактик далекого скопления, а это требует многих часов утомительного фотографирования спектра. Определение расстояния по видимой звездной величине 5-й (или другой, в порядке яркости) галактики требует правильного ее измерения и введения еще некоторых поправок, известных не очень точно. Например, надо учесть, что из-за красного смещения всего спектра далекая галактика кажется краснее, чем она есть на самом деле, а от этого она кажется и слабее, чем есть в действительности. Затем предполагается, что светимость 5-й или другой галактики в порядке яркости во всех скоплениях одинакова. Справедливость же этого предположения вызывает сомнение.

Уже давно все исследователи пришли к заключению, что большинство галактик находится внутри скоплений и что между ними в «общем поле» галактик меньше. Это создает неоднородную плотность внутри Метагалактики. Но существуют ли скопления скоплений? Или скопления заполняют видимую нами часть Метагалактики равномерно?

Вокулер привел убедительные доводы в пользу того, что яркие, ближайшие галактики образуют сверхсистему сплющенной формы — «сверхгалактику». В центре ее находится скопление Девы, играющее роль ее ядра. В нее входит облако Большой Медведицы и наша Местная группа галактик, находящаяся вблизи плоскости симметрии этой сверхсистемы. Поэтому яркие галактики образуют для нас кольцо, подобное Млечному Пути. Однако многие ученые считают, что сверхскопления, состоящих из многих скоплений галактик не существует. В то же время Цвикки утверждает, что скопления галактик разбросаны в пространстве довольно равномерно и вблизи нас и где угодно. Он же считает, что в пространстве между галактиками существует много звездных скоплений и отдельных звезд, а также облаков космической пыли. По его мнению, в богатых скоплениях много пыли и там она экранирует от нас более далекие скопления.

Неясность в вопросе о распределении скоплений в пространстве является серьезным препятствием для попыток сравнения с реальностью различных космологических моделей — конечной и бесконечной Вселенной с евклидовым или неевклидовым пространством, расширяющейся или стационарной и т. д.

В настоящее время наибольшему в мире телескопу доступны, вероятно, миллиарды галактик — точно подсчитать их было бы крайне трудно и едва ли это стоит делать. Важно то, что незаметно никакого уменьшения в числе галактик и их скоплений с увеличением расстояния до них. Другими словами, нет признаков того, чтобы мы приблизились уже к границам Метагалактики, — этого чудовищного архипелага островных вселенных, к которому принадлежат все видимые нами галактики. Мы изучаем пока только какую-то часть Метагалактики. Быть может, существуют и другие метагалактики.

Подведем итог развитию наших знаний о месте Человека во Вселенной, насколько мы представляем себе сейчас ее строение. Представим этот итог в виде вашего адреса, уважаемый Читатель:

Человек пытливым разумом проникает в тайны строения системы как невидимых глазу по всей малости, так и чудовищно громадных. Интересно сравнить, как далеко он проник в том и другом направлении. Изучая системы, из которых он состоит сам, человек дошел до атомного ядра, имеющего диаметр 10–13 см, т. е. примерно в 1015 раз меньшего, чем он сам. Изучая системы, частью которых он является сам, он встречает в 1015 раз большую систему уже в виде Солнечной системы (известный нам сейчас диаметр нашей Солнечной системы, строго говоря, меньше, — он составляет только 1015 см).

Диаметр известной нам сейчас части Метагалактики составляет около 1028 см. В области Космоса мы проникли, другими словами, в 100 миллионов раз дальше, чем в области микромира мельчайших частиц. Тем не менее, свойства величайших мировых систем делаются доступными астрономам лишь на основе изучения мельчайших частиц, исследуемых физикой. Но и в деле изучения этого микромира огромную помощь приносит наблюдение процессов в Космосе, заменяющих неосуществимые в лаборатории опыты. Великое и малое слиты в единстве природы.

В самом деле, для уяснения строения и свойств вещества необходимо изучать его во всевозможных условиях. Однако в земных лабораториях мы пока не можем создать таких разнообразных давлений и температур, какие существуют в звездах и туманностях. Вспомните изучение состояния недр звезд — белых карликов, открытие гелия на Солнце и уже впоследствии обнаружение его на Земле. Так, побеждая природу, человек в известном смысле заставляет служить ему и небесные тела, изучая которые он глубже познает законы природы.

Еще оба Гершеля и Росс (открывший в свой телескоп спиральную структуру ряда галактик) в первой половине XIX века обнаружили и зарисовали туманности, соединенные перемычками или почти сливающиеся друг с другом. Природа этих туманных пятен была тогда еще не известна, но в наше время внимание к ним привлек Цвикки из Паломарской обсерватории (США). Он описал ряд удивительных систем — галактик, соединенных узкими светящимися полосами, которые он назвал мостами или перемычками. Еще чаще бывает, что у близких друг к другу галактик, или у одной из них, наблюдаются яркие хвосты. Подобие такого хвоста, направленного прочь от нашей Галактики, было обнаружено у Большого Магелланова Облака — спутника нашей Галактики.

Автор этих строк, предприняв специальные поиски, нашел несколько сотен систем, где две или более галактик, близких друг другу, соединены перемычками, проникают друг в друга, имеют хвосты, погружены в общий светящийся туман или же имеют искаженную спиральную форму. Все это является следствием их взаимодействия и, несомненно, совместного их происхождения. Выяснилось, что перемычки, хвосты и обволакивающие «туманы», в которые иногда погружены целые группы галактик, в основном состоят из звезд и иногда имеют примесь светящегося газа.

Для примера назовем пару эллиптических галактик NGC 750-1, соединенных тонкой перемычкой. При длительной экспозиции вся эта система оказалась погруженной в обширный звездный туман.

Другой пример представляет пара спиральных галактик, соединенных перемычкой, которая тянется на 200 000 световых лет, что превышает размеры самих галактик. При этом у одной из галактик имеется почти такой же длинный хвост. В случае яркой и близкой к нам галактики М 51 в созвездии Гончих Псов перемычкой является одна из спиральных ветвей большей галактики. Автор нашел ряд подобных ей пар. Внимание обращает на себя тот факт, что хвосты встречаются гораздо чаще, чем перемычки, и обычно они ярче. Особенно резко это видно на примере системы NGC 4676 (Мышки), обнаруженной автором.

Объекты, изображенные в «Атласе взаимодействующих галактик», стали всесторонне изучаться в разных странах. Чрезвычайно интересен Атлас пекулярных (особенных) галактик, составленный в 1966 г. Арпом. Он сфотографировал на 5-метровом телескопе половину объектов из «Атласа взаимодействующих галактик» и одиночные необыкновенные галактики. Благодаря в пять раз большему масштабу и специальным мерам, потрясающие особенности их выявились особенно четко. Автор этой книги доказал, что описанные явления взаимодействия — это не приливные и антиприливные выступы, как до сих пор считали. Наоборот, прилив должен быть сильнее на стороне, обращенной к возмущающему телу. Кроме того, у пар галактик часто заметно, что они менее ярки на сторонах, обращенных друг к другу; ярких белых звезд, обрисовывающих спиральные ветви, там мало. Деформации подвергаются именно спиральные ветви, происхождение которых не получило еще удовлетворительного объяснения.

Изучение двух атласов взаимодействующих галактик, изданных в 1959 и 1976 гг., убедило автора зтих строк в том, что еще и сейчас происходит процесс фрагментации галактик. Некоторые крупные галактики распадаются на две-три части или же от них на периферии отпочковываются малые спутники. Начальной фазой фрагментации являются «гнезда» галактик (рис. 188 и 189), превращающиеся в рассеянные группы их. Надо думать, что формы взаимодействия галактик объясняются не только действием приливов по закону тяготения, но и еще не изученными электромагнитными взаимодействиями. Однако мы наблюдаем перемычки и хвосты и у эллиптических галактик, не содержащих газа. Это заставляет думать, что мы натолкнулись на какие-то свойства, которыми такая система, как галактика, обладает в целом.

Это какие-то совершенно новые свойства и между галактиками могут действовать силы иной природы, чем уже знакомые нам тяготение и магнетизм.

Нет ничего невероятного в этой возможности. Вместо тяготения в мире молекул возникают молекулярные силы, а в мире еще более мелких частиц, в ядрах атомов, — ядерные силы и квантовые процессы. Несомненно, что и в области систем все возрастающих размеров на смену тяготению, в основном определяющему движение планет и двойных звезд и их формы, где-нибудь выступят новые силы или формы взаимодействия.

Если эти представления подтвердятся, то окажется, что человек проник не только в особые законы, управляющие превращениями элементарных частиц в атомах, но и в особые законы наиболее крупных среди известных нам материальных систем.

Быстродействующие электронные вычислительные машины позволили рассчитать движение частиц, обращающихся в одной плоскости вокруг ядра галактики под действием приливного возмущения, производимого другой галактикой, пролетающей мимо нашей со скоростью, близкой к параболической. Выяснилось, что должны образовываться перемычки и хвосты, все же далеко не объясняющие многообразие наблюдаемых форм.

Нормальные спиральные и неправильные галактики испускают радиоизлучение, сравнимое с радиоизлучением нашей Галактики. Это радиоизлучение усиливается при переходе от галактик Sa к галактикам Sc и к неправильным, вместе с увеличением содержания в них горячего водорода. На это тепловое излучение, непрерывное по спектру, накладывается еще излучение нейтрального водорода на длине всйь ны 21 см и непрерывное нетепловое излучение, обусловленное торможением космических лучей в магнитном поле галактики.

Были обнаружены, кроме того, радиогалактики, посылающие необыкновенно много нетеплового радиоизлучения. Оно объясняется магнитным торможением чрезвычайно большого числа электронов и протонов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, и называемых релятивистскими.

Между светимостью галактики в оптических лучах и в радиодиапазоне нет пропорциональности.

Ближайшими к нам радиогалактиками являются NGC 5128 или Центавр А и М 87 (NGC 4486), или Дева А. Их видимый блеск 8 т и оптическая светимость велики. Расстояние до них равно 30 млн. световых лет.

Между тем самой мощной из известных радиогалактик и даже самым мощным внегалактическим видимым источником является очень далекая галактика Лебедь А. Она имеет звездную величину 16m, т. е. в полторы тысячи раз слабее предыдущих по видимому блеску и отстоит от нас в 20 раз дальше, чем Центавр А. Поток радиоизлучения от нее на Земле в 10 раз больше, чем от Центавра А, а радиосветимость больше примерно в 4000 раз.

Сейчас с каждым годом открывают все новые и новые, все более слабые источники радиоизлучения, которые постепенно отождествляются со все более слабыми, т. е. со все более далекими галактиками. Число известных радиогалактик быстро возрастает. Вначале предполагали, что колоссальное радиоизлучение возникает, когда сталкиваются газовые массы, которыми начинены две соударяющиеся галактики. Но автор этой книги еще в 1957 г. показал, что этого не может быть по ряду соображений. Постепенно всеми было признано, что мощное радиоизлучение свойственно одиночным галактикам, а не является следствием столкновения двух галактик. Однако, с другой стороны, оказалось, что большинство внегалактических источников являются двойными. Радиоизлучающие компоненты в среднем отстоят друг от друга на 600 000 световых лет, а оптически видимая галактика находится между ними и излучает радиоволны более слабо. Вообще, как правило, радиоизлучающая область оказывается гораздо большей, чем оптическая видимая галактика. Например, галактика NGC 5128 имеет размер около 90X70 тыс. световых лет, почти круглая, а связанный с нею радиоисточник Центавр А сильно вытянут и длина его свыше полутора миллионов световых лет! В случае Лебедя А два облака имеют диаметр по 200 000 световых лет, а расстояние между их центрами 300 000 световых лет. Находящаяся между ними оптически видимая галактика гораздо меньше. В 1966 г. вблизи нее были открыты еще четыре симметрично расположенных, почти точечных радиоисточника, чем ее радиоструктура осложняется еще больше.

У радиогалактик NGC 5128 и М 87 обнаружены в оптических лучах две особенности. Обе они по форме и структуре обычные эллиптические галактики, почти сферические, но первая из них пересечена необычайно мощной и клочковатой темной полосой, а вторая имеет отходящий рт ее центра узловатый отросток, считаемый выбросом. Большинство радиогалактик имеет в спектре яркие, иногда очень широкие полосы. Много усилий было затрачено на то, чтобы обнаружить у радиогалактик какие-либо общие особенности в их форме или в виде их спектра. Однако их не нашлось. Мы никогда не знаем, какая из галактик окажется радиогалактикой. Более того, автор этой книги показал, что среди обычных, не радиоизлучающих галактик многие при тщательном изучении обнаруживают такие же особенности, как и радиогалактики. В частности, он указал, что так называемые радиогалактики Сейферта также имеют очень широкие яркие полосы в спектре, говорящие о растекании газов со скоростями почти до 5000 км/сек. Позднее оказалось, что одна из таких галактик (NGC 1068), противопоставлявшихся радиогалактикам, является тоже радиогалактикой, что подтвердило внешнюю неразличимость обычных галактик от радиогалактик. Известны также галактики с очень сильными, но узкими линиями излучения в спектре, которые, однако, не являются радиогалактиками. Их открыл мексиканский астроном Аро.

Теперь известно уже много радиоизлучающих галактик Сейферта. Вероятно, радиоизлучение у них возникает по временам, так же как и мощные выбросы и истечение газов из ядра. Они-то и являются причиной появления широких ярких полос в их спектре. Голубоватый цвет этих галактик обусловлен не звездным, а синхротронным свечением их маленьких, но очень ярких ядер. Такой же аномально яркий конец спектра имеют далекие галактики, во множестве обнаруженные Б. Е. Маркаряном. Некоторые из них принадлежат к типу галактик Сейферта.

Самым удивительным открытием последних лет было обнаружение Сандейджем и Шмидтом (США) необычных источников радиоизлучения. После уточнения координат мощных источников радиоизлучения некоторые из них пришлось отождествить с очень слабыми точечными объектами, не отличимыми от звезд даже в самые сильные телескопы. Сомнения в правильности их отождествления отпали, когда удалось получить и расшифровать спектры этих голубоватых «звездочек» — они явно оказались не звездами. Эти объекты назвали квазизвездными («подобными звездам») источниками радиоизлучения или, сокращенно (на английском языке), квазарами. В их спектрах, как правило, видны яркие линии, которые долго не могли отождествить. Не могли их отождествить долго потому, что это были линии, находящиеся нормально в далекой ультрафиолетовой области спектра, которая в спектрах небесных тел недоступна для наблюдений из-за ее поглощения в земной атмосфере. Чудовищное красное смещение в спектре квазаров сместило эти линии в наблюдаемую область спектра. Красное смещение квазаров в большинстве случаев оказалось гораздо больше, чем у самых далеких галактик, у которых его удалось измерить. Например, линия водорода серии Лаймана Lα с длиной волны 1216 А, которую в спектре Солнца удалось сфотографировать только с высотных ракет, стала линией видимого спектра. Для таких объектов красное смещение выражают величиной Δz=Δλ:λ. Наибольшее измеренное сейчас у квазаров красное смещение превышает Δz=3,5. По закону Хаббла таким смещениям соответствуют расстояния в миллиарды световых лет. Однако точный перевод их в расстояние требует знания модели устройства нашей Вселенной.

Это происходит потому, что в теоретически мыслимых моделях разного типа красное смещение на больших расстояниях может меняться не пропорционально расстоянию, как для меньших расстояний. То же надо сказать и о переводе величины z в скорость по лучу зрения по формуле принципа Доплера.

Большинство квазаров обозначается номерами по третьему Кэмбриджскому каталогу источников радиоизлучения, обозначаемому сокращенно 3С. Ближайший и самый яркий квазар выглядит как звезда около 12m,7. Его красное смещение z=0,16 и скорость 48 000 км/сек. Открытие квазаров происходит с потрясающей быстротой. К 1976 г. стало известно уже более 200 квазаров, самые слабые из которых имеют звездную величину почти 19m. У одного из самых далеких квазаров, 3C 9 (z=2,012), лучевая скорость порядка 240 000 км/сек, т. е. очень близка к скорости света. Его расстояние (напоминаем, что это ориентировочно) порядка 9 млрд. световых лет (9 млрд. лет — это вдвое больше, чем возраст Земли). 3С 9 был одним из самых далеких объектов Вселенной. А сколько нового будет выяснено к тому времени, когда эта книга попадет вам в руки!

Если красное смещение в спектрах квазаров той же природы, что у галактик, то, значит расстояния до них громадны и, оказывается, что их оптическая светимость раз в 100 больше, чем у ярчайших галактик и радиогалактик! А их радиоизлучение почти такое же и не меньше, чем у радиогалактик, 1045–1046 эрг/сек, отчего их и назвали квази- (т. е. «как бы») звездными радиогалактиками или звездными источниками радиоизлучения. Природа их излучения, как и у радиогалактик, должна быть синхротронной, т. е. объясняться магнитно-тормозным излучением релятивистских электронов.

Быстро возросшая точность измерения угловых размеров источников радиоизлучения показала к 1976 г., что многие квазары имеют диаметры радио-излучающей области в доли секунды дуги, часто менее 0",1. И оптически они не отличимы от звезд. (Оптически диаметры менее 0",5 невозможно измерить из-за неспокойствия земной атмосферы.) Следовательно, оптические размеры квазаров не превышают нескольких сотен световых лет. Однако, смущая нас, около 3С 273 и 3С 48 имеются крайне слабо светящиеся полоски длиной около 200 000 световых лет. Точнее говоря, оптически видимое звездное изображение у 3С 273 окружено в радиолучах слабым ореолом, а на расстоянии 19",5 от него видна слабая полоска, дающая в девять раз более сильное радиоизлучение. В 3С 48 «звездочка» 16m окружена пятью туманностями на расстояниях до 12". Итак, вид квазаров различен, но ни один из них не похож на обычные галактики, а размеры в сравнении с последними крайне малы. Возможно, что и в оптическом излучении квазаров преобладает синхротронное излучение.

Новую неожиданность принесло открытие, что и видимый блеск, и радиоизлучение квазаров меняются очень заметно. Оказались меняющимися и профили ярких линий, принадлежащих горячим газам.

В 1965 г. Сандейдж в США сделал еще одно сенсационное открытие. Он обнаружил в направлении на полюс Галактики множество очень слабых голубых звездообразных объектов, по цвету сходных с квазарами. Он получил фотографии спектров шести из них. Один спектр принадлежал обычной, сравнительно близкой звезде, два спектра были без всяких линий, а в трех случаях обнаружились яркие линии с огромными красными смещениями, как у квазаров, хотя радиоизлучение от них пока не обнаружено.

Такие объекты Сандейдж назвал «квазизвездными галактиками» или, сокращенно, квазагами и из измерения числа голубых объектов заключил, что их должно быть в сотни раз больше, чем квазаров. (Этим объектам давали и другие названия, которыми лучше не пользоваться.) Последующие исследования показали, что большинство голубых объектов у полюса Галактики — это голубоватые звезды разных типов, принадлежащие к окраинам нашей Галактики, а квазагов в действительности раз в 10 меньше, но все же много больше в единице объема, чем квазаров. Цвикки считает, что квазаги Сандейджа тождественны тем его крайне компактным галактикам, которые голубоваты и имеют яркие линии в спектре. (Речь идет о тождестве типов, а не индивидуальных объектов.) Полагают, что, может быть, квазары являются кратковременной фазой бурного развития квазагов, отчего мощное радиоизлучение наблюдается только у немногих из них, когда мы их и регистрируем как квазары. Во всяком случае, открытие квазаров и квазагов явилось самым волнующим открытием в астрономии не только за последнее время. Ведь это какие-то совершенно новые виды небесных светил с загадочными свойствами, быть может, подводящими нас к открытию величайших законов природы.

Когда знакомишься с открытиями последних десятилетий в астрономии, можно перестать удивляться чему-либо. Взять хотя бы открытие гигантских взрывов в солнечной атмосфере. Но и они бледнеют перед взрывами на вспыхивающих звездах типаПУ Кита. А что сказать о взрывах в новых звездах, наконец, о взрывах в сверхновых звездах? И вот мы подошли к рассказу о взрывах в островных вселенных!

У большой и красивой спиральной галактики в Большой Медведице, М 81, есть спутник. Это невзрачная продолговатая туманность М 82, имеющая как бы «рваные» края. Она не привлекала к себе внимания, хотя и отличается от обычных неправильных галактик тем, что содержит много пыли и в то же время не содержит горячих, голубых гигантов, хотя ее спектр класса А. М 82 и явилась прототипом неправильных галактик Ir II. Сейчас М 82 стала самой «модной» галактикой, так как она впервые показала существование взрывов в масштабе галактик и помогла ближе подойти к пониманию двойных источников радиоизлучения и квазаров. У М 82 было обнаружено повышенное радиоизлучение, но знаменитостью ее сделали исследования Сандейджа и Линдса (1963 г.).

На снимках М 82, сделанных в лучах красной водородной линии Нα, четко выступили длинные волокна водорода, идущие в обе стороны от центра. Они тянутся перпендикулярно к плоскости галактики, которая образует малый угол с лучом зрения и оттого выглядит продолговатой. Оказалось, что газ этих волокон имеет тем большую скорость, чем он дальше от центра. Это значит, что перед нами последствия гигантского взрыва, выбросившего из центра галактики полтора миллиона лет назад со скоростями до 1000 км/сек массу газа порядка 5 1/2 млн. солнечных масс. Это равно массе нескольких шаровых звездных скоплений. Кроме красных водородных волокон, видны и голубоватые волокна, дающие непрерывный спектр, и их свет поляризован. Очевидно, это потоки быстрых электронов, дающие синхротронное свечение и в видимых лучах и излучение в радиодиапазоне. Они же при столкновении с атомами водорода ионизуют его. Потоки газа к полюсам этой вращающейся галактики, а не в ее плоскости, обусловлены тем, что они встретили в ней сопротивление спокойных газов, имевшихся там уже ранее. Там газ перемешан с поглощающей свет пылью, которую вы видите. Кинетическая энергия разлетающегося газа в М 82 составляет около 21055 эрг, а ее излучение с момента взрыва за истекшие полтора миллиона лет составляет почти 1056 эрг. Это в миллион раз больше, чем энергия, выделяемая при вспышке сверхновой звезды, — самого мощного взрыва, известного ранее. Сейчас выброшенный газ распространился на 10 000 световых лет от центра. Через 10 млн. лет он выйдет за границы галактики. Запасенная газом и электронами энергия израсходуется, плотность их упадет, они рассеются, и следов взрыва уже не будет видно. Взрыв и сопровождающее его радиоизлучение — явление скоротечное в сравнении с возрастом галактик, оцениваемым примерно в 10 млрд. лет.

Еще до исследования М 82 предполагали, что двойные источники радиоизлучения, между компонентами которых находится видимая галактика, образованы взрывами. В галактике происходит взрыв, выбрасывающий два огромных облака газа, начиненных релятивистскими электронами, как губка водой. По закону сохранения количества движения скорости облаков противоположны, а старый газ, находящийся в плоскости галактики, заставляет их двигаться к полюсам вращения. После выхода из галактики облаков, радиоизлучающих синхротронно, мы и видим два обширных радиоисточника по обе стороны от породившей их галактики. Явления, обнаруженные оптически в М 82, дали подтверждение этому объяснению. Только в радиогалактиках выход энергии еще грандиознее, чем в М 82. За период пребывания системы Лебедь А в стадии радиогалактики, оцениваемый в миллион лет, излучается 31058 эрг. Это энергия синхротронного излучения; вместе с кинетической, вместе с потерями энергии при ее переходе в кинетическую и т. д. энергия взрыва в системе Лебедь А была, вероятно, 1060–1061 эрг. Она равна энергии превращения в гелий водорода с массой в миллиард солнечных масс. Колоссальность этого почти мгновенного освобождения энергии и неизвестность физического механизма ее источника — все это и является главной загадкой происхождения и радиогалактик, и квазаров, энергии которых одинаковы.

На сходство спектров галактик Сейферта и некоторых радиогалактик автор этой книги указывал еще в 1956 г. Теперь на это сходство обращено еще большее внимание. Оказалось, что бурное истечение горячих газов из ядер галактик Сейферта имеет взрывное происхождение и напоминает то, что наблюдается во взрывающейся радиогалактике М 82. Выход энергии там тоже значителен, а ядра их звездообразны, т. е. очень малы. Более того, в центре двух галактик Сейферта обнаружены точечные источники радиоизлучения. Поэтому говорят, что в центре их находится подобие маленького квазара. Квазары — это как бы мощные взорвавшиеся ядра галактик Сейферта, но без окружающей их звездной галактики.

Особенную трудность представляет собой объяснение квазаров. К трудности найти для них нужные чудовищные источники энергии, механизмы ее освобождения и превращения в энергию релятивистских электронов и энергию их суммарного движения присоединяется трудность объяснения их малых размеров. Дело в том, что они не могут быть звездными системами. Большое собрание звезд не может испытывать те быстрые колебания суммарного блеска и радиоизлучения, какие наблюдаются. Это должно быть одно огромное тело. Вначале высказывалась гипотеза, что в большом облаке газа с массой около 108 масс Солнца происходит под действием тяготения катастрофическое сжатие, так называемый коллапс. Образуется сверхзвезда. Сжатие освобождает колоссальное количество гравитационной энергии. Но как она может перейти в энергию релятивистских электронов, неизвестно. Вначале квазары согласно этой гипотезе поторопились назвать сверхзвездами. Однако эта гипотеза не получила широкого признания, и для объяснения квазаров было выдвинуто около десятка разных гипотез, которые сейчас обсуждаются. Среди них есть группа гипотез, пытающихся рассматривать квазары как более близкие к нам объекты, а красное смещение в их спектрах объяснять иначе, чем эффектом их дальности от нас. Едва ли эти попытки будут иметь успех. Мы не имеем возможности перечислять, а тем более разбирать многочисленные гипотезы о квазарах, из которых ни одна не получила признания. Быстрое накопление фактических данных ускорит нахождение правильного объяснения их.

Заметим, что большинство ученых придерживается убеждения, что звезды и галактики возникают путем конденсации разреженного газа. Говоря о взрывах в галактиках, обычно не высказывают мнения о том, что же, собственно говоря, взрывается.

Более последовательную точку зрения занимает В. А. Амбарцумян, развивающий гипотезу, что вообще и звезды, и газ возникают при взрывах из сверхплотного вещества. Он считает, что в ядрах некоторых галактик существует занимающая малый объем огромная масса сверхплотного вещества, способного взрывоподобно делиться и образовывать пары и группы разбегающихся галактик. Мелкие выбросы образуют галактики-спутники. Радиогалактики, а может быть, и квазары, он рассматривает как галактики, ядра которых находятся в процессе катастрофического деления. Мы уже говорили, что найдено немало подтверждений тому, что многие группы галактик и даже скопления их распадаются, хотя неизвестно, откуда может взяться нужная для этого колоссальная энергия. Но этот же вопрос остается в силе относительно позднее открытых радиогалактик и квазаров. Как говорится: «невероятно, но факт». Правда, пока еще в ядрах галактик не обнаружено очень больших и крайне плотных масс, но теперь эта возможность представляется менее невероятной, чем казалось раньше. В связи с этими своими представлениями Амбарцумян первый обратил всеобщее внимание на активность ядер галактик и на их большую эволюционную роль. Теперь тезис об огромной активности ядер галактик приобрел общее признание. Еще в самом начале Амбарцумян обращал внимание на выброс из центральной части радиогалактики М 87 (аналогичные выбросы наблюдаются и в некоторых других галактиках). Излучение этого выброса оказалось синхротронным в оптической части спектра и связанным с радиоизлучением. Ядра галактик, их радиоизлучение и другие свойства подробно изучают в Бюраканской обсерватории, руководимой Амбарцумяном, Товмасян, Маркарян, Хачикян и другие армянские ученые.

Еще задолго до того, как были установлены огромные расстояния до галактик, человечество постоянно задавалось вопросом: «есть ли граница мира и если есть, то что за ней?». Учение о мире как целом составляет предмет космологии. По этому поводу вправе высказываться и философия, и математика, в которой трактуется понятие бесконечности, и астрономия, изучающая конкретные небесные тела. Вопрос этот оказывается очень сложным и многогранным. Философия диалектического материализма утверждает, что материя и ее движение вечны, хотя и меняют форму. В бесконечном многообразии явлений в природе, явлений всегда материальных, теперь едва ли сомневается кто-либо из естествоиспытателей, хотя защитники идеализма и пытаются всякое новое, еще не понятное явление природы истолковать идеалистически. В этом они терпят, однако, неудачу с каждым продвижением науки вперед. Сейчас, по-видимому, мало кто из ученых допускает, чтобы Вселенная имела границу — «стенку», в которую можно упереться. Однако вопрос о том, конечна ли Вселенная и каковы свойства пространства, в котором мы живем, можно попытаться проверить путем наблюдений в Космосе.

В школе изучают евклидово пространство, в котором две прямые никогда не пересекаются. Но наш великий математик Лобачевский показал, что мыслимо пространство с другими свойствами. Позднее Эйнштейн доказал в своей теории относительности, что реальное физическое, а не абстрактное пространство, заполненное материей, может иметь кривизну, обусловленную существованием материи. Советский ученый А. А. Фридман, а за ним другие ученые математически разработали модели вселенных, опирающихся на теорию относительности. Таких моделей создано немало и большинство их — это модели безграничной, но конечной Вселенной. Сочетание безграничности и в то же время конечности поясняют обычно на грубом примере шара. У него нет границ для двухмерного существа, могущего перемещаться только по поверхности шара. В то же время размер поверхности шара конечен. Размеры шара могут увеличиваться, уменьшаться или пульсировать, оставаясь конечными.

Свойства конечной Вселенной теоретически зависят от средней плотности вещества в ней, от степени однородности этой плотности от места к месту. Обращаясь к наблюдениям, мы можем изучать пока только часть Метагалактики, которую часто и неосновательно отождествляют со Вселенной в целом.

Мы узнали, что галактики удаляются друг от друга, судя по красному смещению в их спектрах, и тем быстрее, чем они друг от друга дальше. Мы имеем некоторые сведения о массах галактик и об их распределении в пространстве. Очевидно, Метагалактика расширяется, но какая модель Вселенной больше всего на это похожа? Оказывается, что это можно выяснить, если установить связь величины красного смещения с расстоянием до галактики, если его определить другим независимым путем (а не по величине того же красного смещения). Для той же цели может служить и распределение очень далеких галактик (или источников радиоизлучения) в пространстве. Расстояние до скоплений галактик, как мы говорили, можно определить по видимому блеску ярчайших галактик в них. Результаты наблюдений сравниваются с выводами теории для разных моделей Вселенной. Современное наше проникновение в глубину Метагалактики и точность наших данных еще недостаточны для уверенного, окончательного вывода. Все же большинство ученых склоняется сейчас к выводу, что Метагалактика конечна и расширяется с замедлением, которое создает взаимное тяготение. Вероятно, существует пульсация если не Вселенной, то Метагалактики, и когда-либо расширение сменится сжатием.

Из факта расширения Метагалактики можно сделать вывод, что несколько миллиардов лет назад ее объем был так мал, что галактики не могли существовать как отдельные объекты. Это, конечно, не означает, что тогда и было «сотворение мира», как хотят заключить идеалисты. Просто тогда вещество существовало в иной форме. Возможности превращения вещества безграничны и оно не всегда было и не всегда будет существовать в тех видах, в каких мы наблюдаем его вокруг себя сейчас.

Для более обстоятельного знакомства с состоянием космологии рекомендуем читателям статьи А. Л. Зельманова «Метагалактика и Вселенная» в сборнике «Наука и человечество», 1962, изд-во «Знание» и А. В. Засова «Космология и наблюдения» в № 4 журнала «Земля и Вселенная» за 1965 г.

«Последние известия сигналами с Марса! Радиоприемники Маркони принимают телеграммы с Марса на Землю!». Так в конце прошлого века писали зарубежные газеты. В ту пору был поднят большой шум по поводу наблюдения на Марсе каналов и их предполагаемого искусственного происхождения. И на эту благоприятную почву упали известия о том, что в Южной Америке один из инженеров фирмы Маркони слышал по радио трески. Но они оказались атмосферными помехами, известными теперь каждому радиолюбителю. Их создавали электрические разряды в земной атмосфере. Позднее тоже никаких радиосигналов искусственного внеземного происхождения так и не было обнаружено. Известный французский популяризатор Фламмарион шутил, что у марсиан давно должна была бы пропасть охота к попыткам наладить радиосвязь с Землей. В самом деле, еще миллионы лет назад предполагаемые марсиане могли посылать сигналы, на которые ни бронтозавры, ни птеродактили не реагировали ответом. Так же необщительны оказались и люди каменного века, и египтяне Рамзеса, строившие пирамиды. Тимур, Аттила и другие завоеватели были «не разговорчивее», чем «допотопные» жители нашей планеты.

А вот всего лишь несколько лет назад у нас некоторыми писателями-фантастами была раздута сенсация, будто бы некоторые религиозные легенды, рисунки дикарей на скалах и необъясненные постройки древности свидетельствуют… о посещении Земли «гостями из Космоса» — космонавтами других миров.

В принципе посещения Земли внеземными космонавтами возможны. Но то, что объявляется следами таких посещений, граничит с анекдотом. Так, например, рассказом о космонавтах называют легенды о вознесении святых на небо. Необъяснимая пока древняя постройка какого-либо грубого и большого каменного сооружения также этого не доказывает. Как могли, например полудикие люди на острове Пасхи установить гигантских каменных идолов, долго являлось полной загадкой. Но потомки этих людей показали Туру Хейердалу как это делалось без всякой техники, а не только без вмешательства космонавтов. Эта выдумка, как и фантазия о том, что Тунгусский метеорит был не метеоритом или кометой, а атомным космическим кораблем с Венеры или с Марса, лопается уже потому, что наука установила невозможность и отсутствие развитых цивилизаций на какой бы то ни было планете Солнечной системы. Такая цивилизация, которая могла бы послать к Солнечной системе межзвездные корабли, может быть только на тех планетах, которые обращаются вокруг далеких звезд. Но даже ближайшая звезда отстоит от нас на четыре световых года, а, как мы увидим дальше, можно ожидать существование ближайших к нам технически развитой цивилизации на расстоянии лишь в сотни световых лет. О полете к н|ш на кораблях с современными, даже атомными, видами топлива не может быть и речи. Мечтают о так называемых фотонных ракетах, которые летали бы со скоростями, близкими к скорости света. Но и им на путешествие туда и обратно понадобятся сотни лет. Правда, по теории относительности Эйнштейна время (в понимании механики!) может течь медленнее при ускоренном движении. Так, по расчетам, если корабль летит равномерно-ускоренно, с ускорением 10 м/сек2 до половины пути, а затем тормозится по тому же закону, то время по часам на корабле идет так медленно, что за полет к очень далеким звездам оно составит лишь несколько лет. Возможность создания таких кораблей весьма сомнительна. Кроме того, столкновение корабля на такой скорости с межзвездной средой приведет к его уничтожению. Нам кажется, что эти расчеты, может быть, и справедливые в рамках механики, неприменимы к живым и мыслящим существам.

Пусть даже можно было бы создать такие корабли, преодолеть все трудности и опасности полета и выжить при этом. Но за время путешествия на Земле-то пройдут сотни или тысячи лет. Земное общество за это время так разовьется, что информация, доставленная космонавтом на Землю, будет столь же малоценной, какой для нас было бы описание ханом Батыем того, что он увидел бы, пролетая мимо других звезд.

Этого мало. Вспомните, сколько запусков пришлось осуществить, прежде чем удалось посадить на Луну первую автоматическую станцию. Еще большего труда стоила высадка на Луну космонавтов. Каждый запуск ракеты с межпланетной станцией уже через несколько дней позволяет узнать их недостатки и учесть их при следующем запуске. В случае же полетов к звездам результатов каждого запуска нельзя будет узнать раньше, чем через сотни лет (а то и вообще никогда!). Стоит ли предпринимать такие затеи, да еще с учетом колоссальных энергетических и других затрат на каждый запуск к звездам?

Однако, отказываясь от мысли лично посещать другие цивилизованные общества, нельзя ли все же установить с ними контакт путем обмена радиосигналами? Каковы перспективы этого, мы узнаем, если попытаемся сделать некоторые расчеты.

Первый вопрос: какие расстояния в среднем можно ожидать между цивилизациями, способными и желающими осуществить радиосвязь друг с другом?

В нашей Галактике существует около 1011 звезд — надежно установленное число N, но дальше пойдут догадки. Число цивилизаций в ней п, способных осуществлять радиосвязь, равно

n=N X P X E X B X I X T.

Здесь Р — доля звезд, имеющих планеты, Е — доля планет, пригодных для возникновения на них жизни, В — вероятность того, что при этих условиях жизнь действительно возникнет, I — вероятность того, что развитие жизни приведет к возникновению достаточно высокой цивилизации, а Т — продолжительность ее существования. Ведь нас интересуют цивилизации, существующие только одновременно с нашей, а не прошлые и не будущие.

Какая доля Р звезд имеет планеты, мы не знаем. Как мы уже рассказывали, у некоторых близких к нам звезд обнаружены невидимые спутники малой массы. Говорилось также о возможности того, что в действительности наблюдаемый эффект производит не один спутник, а совокупность тел еще меньшей массы, которая уже близка к массе больших планет типа Юпитера. Итак, существование планетных систем помимо нашей несомненно, но все ли звезды их имеют или какие именно имеют их — вопрос спорный. Будем считать оптимистически, что планеты есть у всех звезд, т. е. что Р=1.

Какая доля Е планет пригодна для возникновения на них жизни? Об этом судить трудно, зная только планеты нашей Солнечной системы и то недостаточно. Оценки разных ученых колеблются в огромных пределах: от одной миллионной до одной двадцатой. Отсюда в нашей Галактике число планет, пригодных по своим условиям для возникновения жизни, оценивается от 105 до 1010. Допустим, кроме того, что при наличии этих условий жизнь на таких планетах непременно возникает, т. е. положим В=1. Это опять-таки завышает ожидаемое число обитаемых планет.

А на какой доле I обитаемых планет развитие жизни приводит к возникновению разумных существ, да еще достигших такого развития техники и энергетики, что им доступно осуществление радиосвязи с другими мирами? Совершенно не известно еще то, какая доля таких цивилизаций захочет тратить колоссальные запасы энергии очень длительное время, сотни лет, ожидая ответ с других планет на посланный запрос, причем вероятнее всего, что никакого ответа вообще не последует. Так может произойти либо потому, что вопрос адресатом не будет понят, либо потому, что отправлять его с таким запозданием не будет смысла. Надо иметь в виду, что затруднением может явиться не только отсутствие общего языка в прямом смысле, как, например, между двумя земными народами, айв том смысле, что уровень развития двух цивилизаций может быть слишком различен. Ведь могут же быть цивилизации, знания, понятия и психология которых будут отличаться от людских даже больше, чем людские отличаются от муравьиных. Лишь в самом благоприятном случае можно принять, что I=1 и что не требуется вводить в формулу еще другие множители, меньшие единицы.

Наконец, крайне неопределенна оценка величины Т — продолжительности существования цивилизаций, способных и желающих посылать сигналы в бездну Космоса. Для нас интересны не все такие цивилизации, возникшие в Космосе в прошлом, или будущие, а только современные с нами. Жизнь развивается на Земле около полумиллиона лет, а к мысли о принципиальной возможности связи с другими цивилизациями человечество пришло только несколько лет назад. В течение полумиллиона лет взывать к человечеству из Космоса было бесполезно. Да и завтра, приняв неожиданно искусственные радиосигналы, мы бы не могли на них ответить что-либо путное. Наша сегодняшняя цивилизация (е ее радиотехникой и космонавтикой) существует совсем немного лет. Сколько времени она просуществует еще? Кроме всяких опасностей для существования человечества в течение многих миллионов лет, недавно возникла новая опасность, порожденная тем, что развитие науки и техники опередило развитие психологии. Это опасность самоуничтожения. На всех ли мирах с цивилизацией до самоуничтожения дело не дойдет? На это ответить невозможно. (Заметим, что в результате посещения других планет может произойти занос смертоносных бактерий или вирусов, которые погубят цивилизацию раньше, чем будут найдены средства борьбы с ними.) Если развитые цивилизации самоуничтожаются, тогда n=0, и больше говорить не о чем. Оптимистические оценки дают для времени жизни цивилизаций от 102 до 109 лет, т. е. от ста лет до времени существования Земли с момента ее возникновения. Этим числам соответствует тогда число современных цивилизаций в нашей галактике от ста до миллиарда. Итак, даже при принятии самых оптимистических оценок, преувеличивающих заведомо эти окончательные числа, они остаются неуверенными (крайние оценки различаются в 107 раз!). Но в этих рассуждениях мы показали, как можно научно подходить к данной проблеме.

Отправляясь от хорошо известного нам среднего расстояния между звездами (семь световых лет), можно подсчитать среднее расстояние D между цивилизациями в зависимости от принятого числа современных цивилизаций d. Получаем следующее:

Итак, нижний предел среднего расстояния между цивилизациями составляет сотни или, скорее, тысячи световых лет. Столько времени надо, чтобы световой или радиосигнал пробежал это расстояние.

На таких расстояниях можно надеяться на «связь» только путем направленных радиопередачи и радиоприема. Прямые путешествия, как мы уже говорили, вероятно, утопичны при татсих расстояниях. Лишена смысла связь и в тех случаях, когда (как в первой строке таблицы) длительность обмена информации превышает продолжительность существования хотя бы одной цивилизации. В общем перспективы на возможность или смысл двусторонней связи малы. Остается односторонняя связь — посылка информации без ответа на нее или только прием.

Человечеству пока можно ставить вопрос только о приеме радиоинформации от других цивилизаций, но не о посылке ее другим мирам.

Могут ли современные радиотелескопы принять сигналы ближайших к нам цивилизаций? И как это сделать? Как их расшифровать?

При условии направления радиосигналов узким пучком современными средствами можно обнаружить передатчик мощностью 100 киловатт (1011 эрг/сек) с полосой излучения 10 килогерц при диаметре передающей антенны в 100 м, если передатчик находится на расстоянии таком, какое отделяет нас от соседних звезд. Но на какой волне надо ожидать сигналов? Едва ли передачу будут вести во всех длинах волн сразу, иначе их трудно будет отличить от естественного радиоизлучения светил. Предполагалось, что цивилизация изберет длину волны 21 см, так как на этой волне излучает холодный водород. Водород широко распространен во Вселенной и должен изучаться всеми цивилизациями, достаточно развитыми для радиосвязи с другими мирами.

В 1960 г. в США 27-метровым радиотелескопом на этой волне пробовали «прослушивать» Космос до расстояния в 16 световых лет. Ближе этого расстояния существуют три звезды, около которых можно было бы ожидать наличие обитаемых планет. За несколько месяцев «прослушивания» этих звезд ничего не было обнаружено. Однако чувствительность телескопа была недостаточна — успеха скорее можно ожидать, достигнув «радиуса слышимости» в сотни световых лет. С другой стороны, вблизи волны 21 см слишком много космического радиоизлучения — помех, могущих заглушить искусственные сигналы. Цивилизации могут избрать другую длину волны, в том числе даже не пропускаемую земной атмосферой, а радиотелескоп не может сразу принимать радиоэнергию в большом диапазоне длин волн. Это тоже усложняет задачу. Невозможно также подолгу наблюдать каждую из 10 млн. звезд, находящихся ближе 1000 световых лет, так как нельзя заранее установить, возле какой из них существует сигнализирующая цивилизация. По мнению академика В. А. Котельникова, если из миллиона планетных систем шлют сигналы только с одной планеты, с уровнем техники, близким к нашей, то обнаружить ее возможно. Для этого нужно иметь многоканальный радиоприемник и наблюдать по временам только те звезды, которые представляются наиболее вероятными для развития возле них цивилизации. Если таких цивилизаций только одна на 107 звезд, то обнаружить ее сигналы будет гораздо труднее.

Чтобы обеспечить заметные еще для нас сейчас сигналы с расстояний до 1000 световых лет, нужен передатчик мощностью в миллионы или миллиарды киловатт. Считают, что создание его было бы в принципе возможным сейчас и на Земле. Он стоил бы 200 млрд. долларов.

Оказывается, что дальность связи зависит еще от продолжительности посылки сигнала и растет вместе с нею, а с увеличением полосы частот при передаче (и затруднением поэтому ее приема) растет и быстрота передачи сигналов. Возможно, что пока опыт и знания одной цивилизации будут приняты и расшифрованы другой цивилизацией, первая из них уже перестанет существовать. Но эти данные помогут развитию цивилизации, принявшей информацию.

На каком «языке» может вестись передача и как ее расшифровать — никто не знает, но этот вопрос обсуждается. Не обсуждается, однако, вопрос о мере возможного сходства развития представлений и возможного развития психологии сообщающихся взаимно цивилизаций. Известно, что даже на Земле населения разных стран и даже разные ученые одной специальности не всегда достигают должного «взаимопонимания». Ну, а если з^ровень понятий и психологии будет так же различаться, как, скажем, человека и обезьяны, или птиц и рыб? Смогут ли они понять взаимную информацию?

Для того чтобы убедиться в искусственном происхождении принимаемых сигналов, надо, чтобы они были как-то закономерны, прерывисты, поляризованы и явно исходили из очень малого объема.

Один из наших молодых ученых высказал на наш взгляд фантастическое предположение, что существуют сверхцивилизации, потребляющие в миллионы миллиардов раз больше энергии, чем земная цивилизация, т. е. около 1033 эрг/сек. Для этого они должны полностью использовать энергию излучения своих звезд, например, окружив их искусственной сферой, задерживающей всю их энергию. (В. Д. Давыдов показал, что такая сфера была бы, по-видимому, неустойчива и едва ли возможна поэтому принципиально.) Такая сверхцивилизация могла бы посылать сигналы в широкой полосе частот (106–109 гц) и даже в самые далекие из известных сейчас звездных систем — галактик. Упомянутый выше автор фантазирует даже о сверхсверхцивилизациях с энергопотреблением 1045 эрг/сек, овладевших энергией целой галактики (и ничего не оставивших другим цивилизациям в миллиардах звезд галактик, также пожелавших забрать себе всю энергию мира!).

Когда в 1965 г. была заподозрена периодичность интенсивности радиоизлучения одного объекта, казавшегося очень слабой звездочкой, то автор названной гипотезы поспешил оповестить мир о приеме на Земле сигналов другой цивилизации. Исследование этого объекта вскоре показало, что он является одним из квазаров, т. е. одной из квазизвездных галактик, характерных крайне мощным радиоизлучением и удаленных от нас на миллиарды световых лет. Искусственные сигналы с такого расстояния могла бы посылать только фантастическая сверхцивилизация (Подробнее затронутые здесь проблемы освещены в книге И. С. Шкловского «Вселенная, жизнь, разум», изд. 4-е, «Наука», 1976, и в книге С. Доула «Планеты для людей», «Наука», 1974)). Мы уже знаем, что многие из таких объектов меняют силу своего радиоизлучения и излучения света по естественным причинам. Хотя в существование сверхцивилизаций трудно поверить, попытки обнаружить правдоподобные сигналы какой-либо более близкой к нам цивилизации следует все же продолжать — мало ли что может быть на свете…

Глaва 11. Рождение, жизнь и смерть звезд

Мы не удовлетворяемся, конечно, теми легендами, которые указывают год сотворения мира. По легенде иудейских жрецов мир был создан 5756 лет назад (если считать, что сейчас 1976 г.). Однако византийский церковный счет лет, которого придерживались и в России до Петра I, этот же год считает 7482 годом от сотворения мира. Кому же из них верить? Не приходится верить никому из них, потому что окаменевшие остатки растений и даже ^животных лежат в земле многие миллионы лет.

Расставшись с религиозными легендами, мы пытаемся научным путем восстановить историю нашей планеты и других светил, научно определить их возраст, хотя дату их рождения никто не запротоколировал. Да, кстати сказать, рождение миров было таким длительным процессом, что он растянулся не на часы и не на годы, а на миллионы лет, и «точный» возраст мировых тел — это вообще понятие, лишенное смысла.

Метрикой земных горных пород, как мы уже говорили, в известной мере являются продукты распада радиоактивных элементов, которые в них содержатся. Так было установлено, что возраст самых древних горных пород в земной коре составляет около 3–3 1/2 миллиардов лет.

Имея дело с такими большими периодами, можно было бы взять за единицу измерения вреглени не период обращения Земли около Солнца, а период обращения Солнечной системы около центра нашей звездной системы — Галактики. Он составляет около 270 миллионов земных лет. Если эту единицу и для измерения времени назвать космическим годом, то возраст земной коры будет равен (по порядку величины) 20 космическим годам.

Как же определить возраст звезд и Солнца, которое мы привыкли мыслить «отцом» планетной семьи и старшим по возрасту? Метод, использующий радиоактивные элементы и успешно примененный к Земле, ни к Солнцу, ни к звездам неприменим. Пробу их вещества мы взять не можем, а если бы и могли, то она бы нам ничего не сказала, так как эти тела состоят из раскаленных и все время перемешивающихся газов. Ясно, что оценить возраст Солнца и звезд с уверенностью очень трудно, но не безнадежно. За последнее время придуманы разные способы оценки, довольно хорошо согласующиеся друг с другом, а когда показания независимых друг от друга свидетелей, опрошенных по отдельности, сходятся, то приходится признать их за истину.

Возраст звезд и самой нашей звездной системы, как бы они ни стремились его скрыть, нам выдают строение звездной системы и изучение движений звезд.

Дело в том, что наша звездная система имеет определенную и довольно сложную структуру, а не представляется хаотическим скопищем звезд. Это — не толпа беспорядочно снующих людей, а походный боевой строй армейского корпуса, где проявляются сложная структура и соподчинение. Как место выбывших солдат, смыкая ряды, занимают здоровые, так, может быть, и звезды, выбывающие из какого-либо облака в Млечном Пути, заменяются другими, так что общая картина не меняется в течение десятков космических лет. Такое положение мы называем «динамическим равновесием системы». Это равновесие может быть нарушено.

Расстояния между звездами так велики в сравнении с их размерами, что модель звездной системы мы получим, если вместо звезд предоставим нескольким пылинкам носиться в просторном зале московского Большого театра. Каковы их шансы столкнуться?

Зная расстояния между звездами, их скорости и размеры, можно подсчитать, что столкновение Солнца с какой-либо звездой может случиться однажды за 200 000 000 млрд. лет, или однажды в миллиард космических лет!

В нашей звездной системе, насчитывающей до двухсот миллиардов звезд, одно столкновение каких-либо двух звезд происходит в среднем лишь однажды за миллион лет. Быть может, проще поэтому сказать, что столкновений звезд, которые привели бы, конечно, к гибели их планетных систем, практически совсем не происходит.

Даже близкие встречи звезд друг с другом, при которых их путь под действием взаимного тяготения изменился бы очень сильно, происходят исключительно редко. Далекие же прохождения звезд друг около друга, на расстояниях порядка одного светового года (т. е. меньших, чем средние расстояния между звездами, которые, как уже упоминалось, порядка 7 парсек) происходят достаточно часто, меняя направление их пути на угол порядка одной минуты дуги. Такие-то встречи и производят медленное, но неуклонное разрушение того порядка в звездной системе, который установился при ее рождении. Говорят, «и капля долбит камень». Такого же рода воздействие имеем мы и тут. За один космический год сумма воздействий звезд, проходящих от нашего Солнца на расстояниях от десяти до пятнадцати световых лет, будет так же велика, как если бы за это время оно однажды встретилось с другой звездой на расстоянии всего лишь в три-четыре раза большем, чем радиус орбиты Плутона (40 астрономических единиц).

Беспорядочные движения звезд в Галактике обнаруживают любопытные особенности, связанные с их физическими характеристиками. Массивные звезды с соответствующей солидностью движутся туда и сюда, в то же время обращаясь вокруг центра Галактики. Красные же карлики, холодные звезды с наименьшей массой, как шустрые мальчишки в толпе солидных людей, быстро шныряют по Галактике во всех направлениях, как бы нарушая общий чинный порядок, но тоже участвуя в общем вращении.

Встречи и взаимные притяжения звезд стремятся перераспределить энергию движения равномерно, так, чтобы энергия каждой из них (равная произведению ее массы на квадрат скорости) была одинакова, и все массивные звезды двигались бы медленнее, чем легкие. В хаотическом скопище газовых молекул так и происходит, как это хорошо известно физикам, только там молекулы обмениваются скоростями при прямых столкновениях. Такое равномерное распределение энергии между звездами (или молекулами, безразлично) может наступить только по истечении достаточно долгого промежутка времени.

Очевидно, Галактика вращается либо недостаточно долго для того, чтобы подобное перераспределение энергии успело в ней наступить, либо звезды имеют разный возраст, а некоторые из них образуются и сейчас. Если бы Галактика существовала в том виде, как мы ее видим теперь, и вращалась дольше десяти тысяч космических лет, разные звезды не обнаруживали бы в такой большой степени свои индивидуальные особенности.

Очевидно, что, действуя в течение космических веков, прохождения звезд друг около друга должны рассеивать звездные скопления. Среди таких звездных скоплений есть довольно рассеянные, не особенно плотные, как, например, Плеяды и Гиады. В Гиады входит около полутораста звезд, рассеянных до расстояния в 15 световых лет от центра скопления, который отстоит от нас на 130 световых лет.

Анализ В. А. Амбарцумяна показывает, что скопление Гиад предохранено от рассеивания по крайней мере на десяток космических лет, после чего притяжение ядра Галактики станет заметно угрожать его целости, а примерно через 50 космических лет группа Гиад перестанет существовать — ее члены рассеются в Галактике.

Но Гиады — уже и сейчас весьма рассеянное скопление. Другие его собратья, Плеяды и Ясли, имеют среднюю плотность, в десять раз большую. Их устойчивость больше, но и им не противостоять притяжению ядра Галактики дольше сотни космических лет, и через этот промежуток времени в Галактике не должно остаться ни одного рассеянного звездного скопления. В наше время процесс их разрушения идет так быстро, что, возникни подобные скопления более полусотни космических лет назад, их бы уже не было. Значит, эти характерные члены нашей звездной системы существуют не более 50 космических лет, но возраст самой Галактики и других составляющих ее звезд, в том числе Солнца, может быть больше. Солнце, многие звезды и наша звездная система в целом могут быть всего лишь в несколько раз старше земной коры, насчитывающей возраст в 20 космических лет. Наряду с этим горячие гигантские звезды и некоторые другие должны быть молодыми, — не старше 1 или 10 миллионов лет, а некоторые из них образуются и сейчас.

Источники энергии звезд, установленные нами, могут поддержать их излучение в течение такого периода времени. Мы не знаем такого источника энергии, который мог бы поддерживать их излучение в течение во много раз большего периода. Меньший срок существования Солнца тоже недопустим уже по тем свидетельствам его действия, которые мы находим на Земле.

Мы видим, что возраст небесных светил почтенен, и история нашей науки — это такой краткий миг в истории жизни звезды, что нам невозможно заметить никакого изменения звезд. За это время на их челе не успевает отложиться ни одной мельчайшей морщинки. Это очень мешает нам представить себе, как рождаются, растут и старятся звезды, каков их жизненный путь. То, что светлое Солнце не может нам рассказать о своем «темном» прошлом (темном для нас), не дает нам возможности рассказать с уверенностью и о его будущем. Для подобных попыток предсказания будущего нашего Солнца первостепенное значение имеет знание источников звездной энергии. Они были открыты в тридцатых годах, и к ним-то теперь и обратится наш рассказ, тогда как еще недавно поэт мог сказать об этом лишь следующее:

«Мы едим, чтобы жить», — говорит пословица. Усвоение пищи дает живым существам энергию, которую они и расходуют в движении. Всякая машина для работы требует, чтобы ее чем-либо питали в процессе работы. Станки потребляют электроэнергию, электростанции потребляют уголь — окаменелые растения далекого прошлого; эти растения потребляли солнечное тепло и свет, но что же потребляет само Солнце? За счет чего звезды расходуют такие чудовищные количества энергии? Она должна пополняться, ибо в природе «вечного двигателя» нет и быть не может, чего, к сожалению, не знают до сих пор некоторые горе-изобретатели.

Если бы Солнце состояло из лучшего донецкого угля и горело, то, даже, получай оно для этого в достаточном количестве кислород, оно сгорело бы целиком примерно за 1500 лет, да и кислорода для этого ему взять неоткуда.

Некогда существовало мнение, что энергия Солнца поддерживается падением на него метеоритов. Их кинетическая энергия превращается при падении в теплоту, поддерживающую излучение Солнца. Метеоритов должно было бы сыпаться на Солнце невероятно много, и они так быстро увеличивали бы массу Солнца, что это было бы заметно. Такой способ питания помог бы Солнцу не больше, чем нам, если бы мы вздумали вскипятить бочку воды, ставя на ее крышку горячие утюги.

Энергия должна в Солнце поступать изнутри к поверхности, как это показывают нам теперь все данные о природе Солнца.

С течением времени выдвигался еще ряд гипотез, отвергнутых впоследствии. Мы их перечислим вкратце, главным образом для того, чтобы кому-нибудь не пришло в голову взять на себя напрасный труд повторять ошибки прошлого.

Энергия Солнца могла бы пополняться за счет его сжатия, уменьшения в размерах. При этом энергия тяготения к центру переходила бы в энергию тепловую. Однако вычислено, что если бы даже Солнце было некогда бесконечно большим, то и в этом случае его сжатия до современного размера хватило бы на поддержание его энергии всего лишь в течение 20 миллионов лет. Между тем доказано, что земная кора существует и освещается Солнцем гораздо дольше. Сжатие может иметь и наверное имеет место, но не оно служит главным источником солнечной энергии.

Не состоят ли недра звезд из радиоактивных элементов таких, как торий, уран и радий? Распадаясь, они выделяют теплоту. Если бы Солнце целиком состояло из радия (а надо сказать, что на Земле его всего-навсего добыто только несколько десятков граммов), оно излучало бы больше энергии, чем действительное Солнце. Но при большой начальной расточительности, неизбежной при радиоактивном распаде, интенсивность его излучения спадала бы слишком быстро. Радий не мог бы поддерживать излучения Солнца так долго, как это необходимо. Допустить же существование тяжелых, «сверхрадиоактивных» элементов (не известных на Земле), да еще сконцентрированных в недрах Солнца, современная физика и теория внутреннего строения звезд не позволяют.

На наше счастье, физика атомного ядра, возникшая в двадцатых годах, указала нам источник звездной энергии, хорошо согласующийся с данными астрофизики и, в частности, с выводом о том, что большую часть массы звезд составляет водород.

Слышали ли вы о том, что водород горит? Да, водород в звездах «сгорает» и дает им нужное питание, но это совсем не то горение, т. е. не соединение с кислородом, которое известно из простого опыта. Горение — это химический процесс, т. е. перетасовка атомов между молекулами. Но энергии химических реакций недостаточно для поддержания солнечного тепла.

С другой стороны, при чудовищном жаре в недрах звезд невозможно существование ни молекул, ни атомов — они там распадаются. Там возможны только преобразования сложных систем, называемых ядрами атомов, когда-то считавшихся неделимыми. При температурах в миллионы градусов происходит распад не только атомов, но и их ядер и перетасовка продуктов распада, отчего образуются ядра новых элементов. Такие перетасовки называются ядерными реакциями.

Теория ядерных реакций привела к выводу, что источником энергии в большинстве звезд, в том числе и в Солнце, является непрерывное образование атомов гелия из атомов водорода.

Известно, что атом гелия имеет массу приблизительно в четыре раза большую, чем атом водорода. Однако мы не получим атома гелия, сложив попросту четыре атома водорода. Прежде чем материал четырех водородных атомов создаст атом гелия, должен произойти целый ряд чудесных превращений, напоминающих сказочные превращения оборотней. Но такие превращения не проходят «безнаказанно», при них выделяется энергия, что ведет к изменению массы. От того-то масса атома гелия получается несколько меньшей массы четырех атомов водорода.

Прежде чем ознакомиться подробнее, с тем, как происходят эти превращения и как работает фабрика гелия в недрах звезд, надо сначала мысленно «погрузиться» в недра крошечных атомных ядер.

Наш знаменитый соотечественник Д. И. Менделеев еще в 1869 г. распределил все известные в его время химические элементы в таблице, всему миру известной теперь под названием таблицы Менделеева.

Элементы расположены в ней в порядке весов их атомов, причем места элементов в таблице связаны с их химическими свойствами. Все открытые впоследствии химические элементы улеглись в клетки таблицы Менделеева, оставшиеся пустыми и ныне достигли числа 106 (В настоящее время искусственно получены новые элементы, более тяжелые, чем уран. Их назвали: нептуний (Np, Z=93), плутоний (Pu, Z=94), америций (Am, Z=95,), кюрий (Cm, Z-96), берклий (Bk, Z=97), калифорний (Cf, Z=98), эйнштейний (Es, Z=99), фермий (Fm, Z=100), менделевий (Md, Z=101), нобелий (No, Z=102), лоуренсий (Lr, Z=103), и курчатовий (Ku, Z=104). Кроме того, искусственным путем получены элементы: технеций (Тс, Z=43), прометий (Pm, Z=61), астат (At, Z=85) и франций (Fr, Z=87), не имеющие стабильных (т. е. не распадающихся) изотопов. Элементы 105 и 106 еще не получили официального наименования)). Порядковый номер элемента в этой таблице, начиная с 1 для водорода и кончая числом 106, называется атомным номером и обозначается Z. Впоследствии физики открыли, что существуют атомы, имеющие несколько различный атомный вес, но совершенно одинаковые химические свойства, и назвали их изотопами. Многие химические элементы представляют смесь таких изотопов, причем процент того и другого изотопа в их природной смеси оказывается почти всегда постоянным. Атомный вес каждого изотопа, обозначаемый А, по сравнению с весом атома водорода выражается почти точно целым числом. Неодинаковая доля участия изотопов в их смеси, известной химикам просто под названием того или другого элемента, и обусловила то, что в таблице Менделеева встречаются атомные веса, не выражаемые целыми числами. При этих исследованиях были открыты, в частности, изотоп водорода с атомным весом 2 (тяжелый водород, или дейтерий) и изотоп гелия с атомным весом 3, тогда как до этого считалось, что атомные веса этих элементов близки к 1 и к 4. «Тяжелого водорода» и «легкого гелия» встречается в природе очень мало, и потому вес «обычных атомов» (т. е. средний атомный вес) этих элементов очень близок к весу их основных изотопов, равному соответственно 1 и 4. Все это изменило прежние представления о том, что различие в атомном весе является главной причиной различия в химических свойствах элементов.

В помещенной здесь табличке приведены атомные номера Z и атомные веса А изотопов наиболее легких химических элементов, а также процентное участие каждого в их смеси, известной на Земле. Мы видим, например, что у бериллия нет изотопов, а у кислорода их целых три.

Представление об атомах как о маленьких неделимых шариках пришлось заменить более сложным. Нормальный атом с атомным номером Z состоит из крохотного ядра (диаметром порядка 10–13 см), окруженного свитой из Z электронов. Электрон несет наименьший возможный заряд отрицательного электричества. Заряд Z электронов уравновешивает такой же по величине, но положительный заряд ядра. Если такой нейтральный атом потеряет один-два электрона, он приобретает единичный или двойной положительный электрический заряд, становясь положительным ионом, а если ему удается завлечь в свою свиту лишний электрон, то, получив этим единичный отрицательный заряд, он становится отрицательным ионом. Так, нейтральный атом водорода имеет один электрон, атом гелия — 2 электрона и т. д. Масса электронов составляет 0,000544 массы атома (практически — массы ядра) водорода, и 1836 штучек их надо было бы насыпать на чашку весов, чтобы уравновесить одно водородное ядро. Потеря электронов мало влияет на массу атомов.

Химик, имея дело, скажем, с водородом или азотом, обозначает их Н и N. Физик различает их изотопы, отличающиеся по масое, и обозначает их Н1 и Н2, N14 и N15, ставя справа вверху химического символа атомный вес А. Имея при этом в виду ядра атомов, он ставит еще внизу слева их атомный номер, например 1H1, 1H2, 7N14 и 7N15, электроны же обозначает е-.

С 1932 г. в атомной физике пошло одно за другим открытие новых частиц, начиная с нейтрона, примерно равного по массе ядру водорода (названному протоном — «простейшим»), но лишенного электрического заряда.

«Простейший» оказался, однако, не так-то прост, и механически построить из него ядра других атомов оказалось невозможно даже в теории. Действительно, если бы ядро атома с массой А состояло попросту из А протонов, то его заряд Z равнялся бы А, тогда как на деле А всегда больше, чем Z (кроме как для самого водорода). Обычно А примерно вдвое превосходит Z. На самом деле оказалось, как это показали советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гайзенберг, что ядро атома состоит из Z протонов и А — Z нейтронов, тогда его заряд равен Z единиц, а атомный вес равен Z+(A-Z)=A.

Черное противоположно белому, светлое — темному, и в пару к отрицательному по заряду электрону была открыта такая же по массе частичка с таким же по величине, но положительным зарядом. Ее назвали позитроном. Позитрон скрывался до сих пор от нашего взора, пользуясь тем, что его жизнь недолговечна. В земных условиях уже через миллионную долю секунды он встречается с электроном, и… они оба превращаются в два фотона.

При химических реакциях атомы вступают в связь, оставаясь внутри молекулы неизмененными. При атомных или ядерных реакциях ядра атомов перестраиваются сами и дают новый атом с совершенно новыми химическими свойствами.

Химические реакции выражают формулами вида

2С+О2->2СО.

Это означает, что два независимых друг от друга атома углерода, соединившись с молекулой кислорода, состоящей из двух его атомов, дают в результате две молекулы окиси углерода, обозначаемой СО.

Сходные обозначения применяются для описания ядерных реакций.

Алхимики прежних времен долго искали «философский камень» — способ превращать в золото малоценные металлы. Их труды были тщетны, их мечты не сбылись, атомы не желали в их руках превращаться друг в друга, но в XX зеке наука обнаружила, что с некоторыми атомами эти «чудеса» происходят сами по себе, только золота при этом не получается. Так, например, атомы радиоактивных элементов урана и тория испытывают длинный ряд превращений в другие атомы. Эти необыкновенные превращения атомов урана и тория сопровождаются выбрасыванием из их недр ядер более легкого вещества — гелия и возникновением электронов и очень коротковолновых «жестких» (с малой длиной волны) электромагнитных лучей, называемых γ-лучами. В конце концов уран и торий превращаются в свинец.

Ядра атомов гелия или α-частицы (летящие со скоростью около 20 000 км/сек) оказались теми снарядами, которыми ученые смогли разрушить ядра некоторых других атомов и вскрыть для нас их природу. Налетая с большой скоростью на них, α-частицы разбивали эти ядра и образовывали из осколков новые химические элементы. Для этого надо было эти α-частицы добыть и направить в нужное место. Так английский физик Резерфорд в 1919 г. осуществил мечту алхимиков об искусственном превращении элементов.

Столкнув ядро гелия 2Не4 с ядром азота 7N14, ему удалось превратить их в два других ядра: водорода и кислорода, правда, в форме редкого изотопа с атомным весом 17. Но ведь от этого, как мы уже знаем, кислород не перестает быть кислородом!

Это чудесное превращение можно записать формулой

7N14+2H4->8O17+1H1.

Обратите внимание, что суммы значков как верхних, так и нижних в правой и левой частях этого уравнения равны.

Альфа-частицы поставляются радиоактивными атомами, но еще более «бронебойные», лучше сказать, «ядернобойные» снаряды получаются от искусственно получаемых и разгоняемых протонов и ядер тяжелого водорода (дейтронов).

Для этой цели служат мощные ускорительные установки: циклотроны, линейные ускорители, синхроциклотроны, бетатроны, синхрофазотроны. С их помощью протоны, дейтроны и электроны разгоняются до огромных энергий, сравнимых с энергией космических лучей.

Нейтроны, не имеющие заряда и не отталкиваемые ядрами, еще лучше проникают в их недра и действуют еще разрушительнее. Пригодны для этой цели и «жесткие» γ-лучи

За последние годы было искусственно произведено множество ядерных реакций. Из них особый интерес представили те, которые привели к новым радиоактивным ядрам. Новые ядра оказались крайне неустойчивыми, распадающимися уже самопроизвольно (т. е. без всякого внешнего воздействия, под влиянием внутренних причин) и очень быстро, отчего они и не встречались в природе. В конце концов у каждого элемента был найден один или несколько радиоактивных изотопов. Однако большинство этих «искусственных» радиоактивных ядер излучает не α-частицы, а выбрасывает только электроны либо позитроны.

При искусственном преобразовании элементов, связанном с разрушением ядер, разрушающая частица необходимо должна иметь большую энергию, она должна нестись быстро, и этот разгон ей придается в лаборатории искусственно созданным электрическим полем. В природе же необходимую для разрушения ядер скорость разрушающим частицам дает высокая температура. Повышение температуры газа, как известно из физики, приводит к более оживленным движениям составляющих его молекул или атомов. Их скорости можно вычислить, зная температуру газа, а отсюда, зная массу атомов, легко определить энергию их движения, которая потом идет на работу разрушения ядер.

Конструкторы бронебойного оружия, зная массу пули, рассчитывают ту скорость, которую ей надо сообщить, чтобы она могла пробить броню, заданной толщины. Подобно этому, мы можем рассчитать температуру, при которой энергия движения разрушающих частиц достаточна для проникновения их в недра атомных ядер.

Например два протона, несущихся навстречу друг другу, могут преодолеть взаимное отталкивание (усиливающееся при сближении) лишь при скорости, обусловленной температурой в 55 млн. градусов. Где же могут быть такие температуры?! Их нет не только в лаборатории, но и на поверхности звезд. Лишь в их недрах можем мы ожидать найти такие температуры, и к этому нас приводили любые теории внутреннего строения звезд еще задолго до того, как мы стали разбираться в ядерных реакциях. Там, в этих таинственных и невидимых недрах, вес вышележащих слоев звездной материи создает чудовищное давление и высокую плотность газа. В адской тесноте бешено носящиеся частички сталкиваются друг с другом и «обламывают друг другу бока» в том смысле, что уж внешние-то части атомов, т. е. их электронные оболочки, непрерывно от них отрываются. При этих температурах и давлениях ядра всех легких атомов должны обнажиться, так что в образовавшейся туче обломков оторванных, свободных электронов еще больше, чем ядер. Кому-нибудь из них удастся подхватить пролетающий мимо электрон, но ненадолго. Следующее же столкновение возвращает атомное ядро к его одиночеству. В земных и лабораторных условиях оболочки из внешних электронов, как щит, отчасти защищают ядра от роковых столкновений, в недрах же звезд только взаимное отталкивание служит этому помехой. Лучше всего защищены от ударов ядра тяжелых элементов, у которых большой заряд ядра и поэтому большая отталкивательная сила.

Интересно отметить следующее свойство этого как бы «искрошенного» вещества, составляющего самые недра звезд. При вычислении величин, характеризующих разные физические условия и события в недрах звезд, играет важную роль средний атомный вес частиц, их образующих. Казалось бы, он должен сильно зависеть от пропорции разных химических элементов, потому что атомный вес водорода 1, а урана 238. Это как будто напоминает задачу о среднем весе неизвестных фруктов в закрытой корзине, где могут быть и вишни, и яблоки, и арбузы. Однако при полной ионизации атомов в недрах звезд каждый из них раскалывается на Z+1 частицу (1 ядро и Z электронов), если атомный номер атома равен Z. Тогда атомный вес смеси атомных обломков получается не А, а А:(Z+1) и, например, для чистого водорода составляет 1/2, а для чистого урана 2,6.

Таким образом, незнание точного химического состава звездных недр мало влияет на оценку величины среднего атомного веса частиц. Тяжелых атомов там не может быть очень много, и главную роль играет то или иное содержание водорода. Ряд данных заставляет считать, что Солнце по крайней мере на 50 % состоит из водорода (по массе) и, следовательно, ввиду легковесности водородных атомов они составляют там подавляющее большинство, так что средний атомный вес в звездных недрах должен быть близок к 1.

Для того чтобы рассчитать скорость и действенность ядерных реакций в таком газе, надо знать структуру атомов, законы, действующие в их недрах, и притом все в численном виде, пригодном для математических расчетов, иначе мы будем иметь дело не с научной теорией, а с простыми предположениями.

Прелсде всего нужно ответить на вопрос, что произойдет с частицей, влетевшей в ядро. Оказывается, иногда частица может попросту пролететь сквозь ядро. Далее, ядро может удержать проникшую в него частицу, отдав принесенную ею энергию путем излучения v-лучей. Наконец, ядро, в которое проникла частица, может распасться, как в одной из реакций, описанных выше.

При разнообразии структуры ядер как своего рода крепостей можно ожидать большого разнообразия в типах столкновений и их последствий; опыты подтверждают эти ожидания и указывают, что для каждого данного типа ядер некоторые скорости столкновения для достижения желаемого результата благоприятнее, чем другие. Например, реакции, при которых сложное ядро, образовавшееся из двух столкнувшихся ядер, разломится на две (далеко не равные) части, гораздо вероятнее, чем реакции, при которых из сложного ядра выбросится только электрон или γ-луч.

Вычисления вероятности и скорости протекания различных ядерных реакций при разных температурах начались с 1929 г. Нас интересуют, конечно, те реакции, которые сопровождаются выделением энергии.

В ядрах атомов происходят удивительные превращения, которые показались бы нам невероятными, если бы мы не убедились в них непосредственно. Выделяющиеся при этих превращениях энергии даже трудно себе представить, так они огромны. Оказалось, что общая энергия какого-либо тела связана с его массой, причем эта связь выражается формулой

Е=mс²,

где Е — энергия, m — масса и с — скорость света.

Для того чтобы охарактеризовать величину выделяющейся энергии, достаточно сказать, что сжигание тонны угля в чистом кислороде освобождает только 5-Ю16 эргов энергии, тогда как, выделив всю энергию, заключенную в одной тонне (безразлично угля, соломы или чего-либо иного), мы получили бы в 18 миллиардов раз больше. Если выделить всю энергию, связанную с кусочком угля, величиной с горошину, то ее хватило бы для огромного океанского парохода, чтобы объехать кругом земной шар. Однако освободить всю энергию, связанную с какой-либо массой, мы пока не можем. В частности, убыль массы, связанная с превращением вещества в излучение при радиоактивном распаде, измеряется небольшими долями процента.

При радиоактивном распаде и при ядерных реакциях выделяется энергия, что связано с уменьшением массы участвующих в реакциях элементарных частиц. Совокупный результат таких событий, происходящих с мириадами атомов, дает ощутимый результат. Например, мы уверенно измеряем тепло, выделяемое в лаборатории радиоактивным веществом в объеме наперстка. Наконец, выделение тепла и вообще энергии при ядерных реакциях в недрах Солнца ощущается человечеством с первых дней его существо-вания. Тепло Солнца сделало возможным возникновение и развитие жизни на Земле, и в известном смысле мы можем сказать, что мы с вами обязаны своим существованием тому, что в недрах далекого от нас Солнца идет непрерывное выделение энергии вместе с ничтожным уменьшением массы ничтожных атомов.

Чтобы техника будущего могла воспользоваться чудовищными запасами энергии, скрытыми в атомах, чтобы вместо многих вагонов угля на океанские пароходы брать с собой в кругосветные плавания пробирку с каким-либо веществом, энергия которого должна быть использована в пути, надо будет пройти долгий путь. Еще не все тайны атомных ядер раскрыты, и раскрытию их помогает изучение небесных светил, бесконечно от нас далеких и, казалось бы, таких для нас бесполезных. К сожалению, многие люди не подозревают о том, что астрономия, считаемая ими занятием, далеким от жизни и праздным, является необходимейшим звеном в развитии и духовной и материальной культуры.

В звездах и в Солнце главным источником энергии являются ядерные реакции. При уменьшении массы частиц, участвующих в этих реакциях, уменьшается и связанная с ними энергия, а освободившаяся энергия излучается в мировое пространство. Следовательно, при излучении масса Солнца уменьшается.

Исходя из известной интенсивности излучения энергии Солнцем, мы приходим к заключению, что его масса ежесекундно убывает примерно на 4 миллиона тонн, которые уносятся излучением.

Чудовищное число! — но обнаружить подобное уменьшение непосредственно невозможно, так как оно ничтожно мало в сравнении с массой всего Солнца. За то время, что существует земная кора (3 миллиарда лет), Солнце потеряло только 1/7500 часть своей массы. Если бы кто-либо мог с современной точностью определить массу Солнца на заре жизненного пути нашей планеты, то, сравнив ее с теперешними определениями, мы бы все равно не установили ее уменьшения. Точность определения массы небесных тел не достигает 0,01 %, т. е. той величины, которой выражается относительное уменьшение массы Солнца за этот чудовищно долгий период времени.

При ядерных реакциях в лабораториях выделение энергии сопровождается уменьшением массы не на тонны, а на ничтожнейшие доли миллиграммов, но это составяет уже заметную долю массы самих атомов, тоже ничтожно малой. Умудрившись точно измерять массу атома, физики сумели определить и ее изменение в результате ядерных реакций.

Подобного рода изменения проявляются в том, что массы атомных ядер разных химических элементов относятся друг к другу не в точности как целые числа.

Если атомный вес кислорода О16 принять ровно за 16, как это всегда делается, то оказывается, например, что атомный вес водорода составляет не ровно 1, а 1,00812, атомный вес гелия Не4 не ровно 4, а 4,00390, дейтерия не ровно 2, а 2,01470. На последнем примере — простейшем — рассмотрим это подробнее. Два водородных ядра или протона ХНХ с массой 1,00812-0,00054=1,00758, соединяясь, образуют пару, состоящую из дейтрона 1Н2 и позитрона. (У каждого протона один положительный заряд и, соединяясь, они дали бы двойной заряд, у дейтрона же только один положительный заряд, как и у протона, отчего носитель лишнего положительного заряда — позитрон — выделяется при образовании ядра.) Эту ядерную реакцию можно изобразить формулой

1H1+1H1->1H2+e+

Выделенный при реакции позитрон, недолговечность которого уже отмечалась, быстро сливается с каким-либо свободным электроном. Слившись, они исчезают оба, превратившись в два кванта γ-излучения.

Таким образом, соединение двух протонов и чуждого им до этих пор отрицательного электрона приводит к рождению дейтрона и γ-излучения.

Масса образованного дейтрона вместе с позитроном составляет 2,01470 и на 0,00046 меньше массы двух протонов. За счет этой-то части, составляющей 0,00046:2,015 или 0,00022 (почти 0,02 %) от исходной массы двух протонов, и возникли γ-кванты. При превращении грамма протонов в дейтроны выделится 6,81017 эргов. Это примерно в тысячу раз меньше энергии, заключенной в одном грамме протонов, но все же в пять раз больше, чем энергия, отданная одним граммом солнечного вещества за всю его жизнь, т. е. за несколько миллиардов лет. Мы видим, что по порядку величины лишь ядерные реакции (реально существующие и наблюдаемые нами в лаборатории) могут (и вполне удовлетворительно) играть роль машины, накачивающей энергию к солнечной поверхности.

Уже с тридцатых годов астрофизики не сомневались, что из ядерных реакций у легких элементов единственной, способной достаточно долго и энергично поддерживать излучение звезд главкой последовательности диаграммы спектр — светимость, является образование гелия из водорода. Другие реакции либо продолжаются слишком короткое время (конечно, в космическом масштабе!), либо дают слишком малый выход энергии.

Однако путь прямого объединения четырех ядер водорода в ядро гелия оказался невозможным: реакция превращения в недрах звезд водорода в гелий должна идти «окольными путями».

Первый путь состоит в последовательном соединении сначала двух атомов водорода, потом присоединения к ним третьего и т. д.

Второй путь заключается в преобразовании водорода в гелий с «помощью» атомов азота и особенно углерода.

Хотя первый путь, казалось бы, более прост, в течение довольно длительного времени он не пользовался «должным уважением», и астрофизики считали, что основной реакцией, питающей звезды энергией, является второй путь — «углеродный цикл».

На постройку ядра гелия идет четыре протона, которые сами по себе ни за что не желают сложиться в а-частицу, если бы им не помогал углерод.

В цепи этих реакций углерод играет роль необходимого пособника и как бы организатора. В химических реакциях тоже встречаются такого рода пособники, называемые катализаторами.

При постройке гелия энергия не только не затрагивается, а наоборот, освобождается. Действительно, цепь превращений сопровождалась выбросом трех γ-квантов и двух позитронов, тоже превратившихся в γ-излучение. Баланс составляет: 10-5 (41,00758-4,00390)=0,0264210-5 единиц атомной массы.

Энергия, связанная с этой массой, и освобождается в недрах звезды, просачиваясь медленно к поверхности и излучаясь затем в мировое пространство. Фабрика гелия работает в звездах непрерывно до тех пор, пока не иссякнут запасы сырья, т. е. водород. Что происходит потом, мы скажем дальше.

Углерода, как катализатора, хватит на неограниченно долгий срок.

При температурах порядка 20 млн. градусов действие реакций углеродного цикла пропорционально 17-й степени температуры! При некотором удалении от центра звезды, где температура ниже только на 10 %, выработка энергии падает в 5 раз, а где она ниже в полтора раза — падает в 800 раз! Поэтому уже недалеко от центральной, наиболее раскаленной области образования гелия за счет водорода не происходит. Остальной водород обратится в гелий после того как перемешивание газов внесет его на территорию «фабрики» — к центру звезды.

В начале пятидесятых годов выяснилось, что при температуре в 20 млн. градусов, а тем более при более низких температурах еще эффективнее оказывается протон-протонная реакция, также приводящая к потере водорода и к образованию гелия. Вероятнее всего она протекает в такой цепи превращений.

Два протона, столкнувшись, испускают позитрон и квант света, превращаясь в тяжелый изотоп водорода с атомным весом 2. Последний после слияния с другим протоном превращается в атом легкого изотопа гелия с атомным весом 3, испуская при этом избыток массы в форме излучения. Если таких атомов легкого гелия накопилось достаточно, их ядра при столкновении образуют нормальный атом гелия с атомным весом 4 и два протона с квантом энергии в придачу. Итак, в этом процессе потерялось три протона, а возникло два — один протон убылг но зато трижды излучалась энергия.

По-видимому, Солнце и более холодные звезды главной последовательности диаграммы светимость — спектр черпают энергию из этого источника.

Когда весь водород превратится в гелий, звезда может еще существовать за счет превращения гелия в более тяжелые элементы. Например, возможны процессы:

Не42+ Не42->Be84+излучение,

He42+Be84->С126+излучение.

Одна частица гелия дает при этом выход энергии, в 8 раз меньший, чем ее дает та же частица при углеродном цикле, описывавшемся выше.

В последнее время физики находят, что в некоторых звездах физические условия допускают возникновение и еще более тяжелых элементов, таких, как железо, и вычисляют пропорцию возникающих элементов в согласии с той распространенностью элементов, которую мы встречаем в природе.

У звезд-гигантов средняя отдача энергии на единицу их массы гораздо больше, чем у Солнца. Однако общепринятой точки зрения на источники энергии в красных звездах-гигантах еще нет. Источники энергии в них и их строение нам еще не ясны, но, по-видимому, скоро станут известны. По расчетам В. В. Соболева красные гиганты могут иметь такое же строение, как горячие гиганты, и иметь те же самые источники энергии. Но они окружены обширными разреженными и холодными атмосферами, которые и придают им вид «холодных гигантов».

Ядра некоторых тяжелых атомов могут образоваться в недрах звезд за счет соединения более легких атомов, и при некоторых условиях, даже в их атмосферах.

Еще древние греки рисовали себе мир происшедшим из беспредельного хаоса. Эти представления о происхождении компактных мировых тел из разреженной и хаотической материи, обычно мыслимой как газ, бессознательно отражены и в идеях Гершеля о сгущении туманностей в звезды и в гипотезах Канта, Лапласа и других о рождении солнечной системы из туманности, в теориях Джинса об образовании спиральных звездных систем.

Трудно отрешиться от подобных представлений потому, что сейчас едва ли можно себе сколько-нибудь отчетливо представить какой-либо другой процесс образования звезд, помимо сгущения разреженного вещества в плотные тела. Из различных форм вещества во Вселенной в настоящее время мы, кроме больших тел (звезд и планет), знаем лишь диффузный газ и метеоритную пыль.

Как естественное следствие представления о сгущении газа в звезды, со времен Гершеля диффузные туманности, такие, как туманность Ориона, рассматривались как остатки пеьвичной туманности, как своего рода обрезки материи, из которой были скроены звезды. Более двух веков этот вопрос не пересматривался, но к настоящему времени накопилось множество фактов, которые позволили автору этой книги выступить в 1931 г. с гипотезой совершенно другого характера. Она вытекает сама собой из совокупности наблюдений.

Сущность дела состоит в том, что наблюдаемые сейчас диффузные туманности и межзвездный газ, а быть может, и межзвездную пыль следует рассматривать, по крайней мере в значительной своей части, как продукт деятельности звезд. Процесс образования масс диффузного газа происходит в настоящее время, можно сказать, на наших глазах. Он происходил и раньше и будет еще происходить долго в будущем.

Прежде всего укажем на то обстоятельство, что у многих планетарных туманностей обнаружено радиальное расширение со скоростью десятков километров в секунду. С космической точки зрения медленно, но неуклонно планетарные туманности, эти газовые скорлупки, окружающие свои звездные ядра, расширяются, как мыльные пузыри. Газовая оболочка, движущаяся со скоростью десятков километров в секунду и отстоящая от своей звезды на сотни и тысячи астрономических единиц, не может быть ею задержана. Расширение туманности, ее разрежение и растворение в межзвездном пространстве неизбежны. Рано или поздно планетарная туманность небольших размеров и четких очертаний расползется, превратится в межзвездный газ и утратит связь со своей звездой. Если масса планетарной туманности достаточно велика, то по прошествии некоторого времени, расширившись, она займет такое пространство, будучи еще в то же время достаточно плотной, что превратится в диффузную туманность. Диффузная туманность отличается от планетарной лишь своими большими размерами и неправильностью формы. Но при ничтожно малой вероятности совершенно симметричного расширения всех частей, имеющих разную плотность, правильная форма планетарной туманности с течением времени должна нарушаться все больше и больше.

Можно видеть на небе примеры туманностей типа переходного от планетарных к диффузным, и можно заметить, что в общем чем больше размеры планетарной туманности, тем больше приближается она к типу диффузной туманности.

Что планетарные туманности образованы за счет газов, выделенных когда-то самой звездой, сидящей внутри каждой из них, в этом нет никаких сомнений. Итак, за счет газов, выделенных когда-то звездами — ядрами планетарных туманностей, все время образуются разреженные межзвездные газы, а в некоторых случаях и диффузные туманности.

Уже через сто миллионов лет газы расширившейся планетарной туманности (считая время от начала ее возникновения) совершенно теряют связь с породившей их звездой и переходят в сферу действия других звезд. По оценке автора масса оболочки планетарной туманности составляет от 1/10 до 1/100 массы Солнца, и в нашей звездной системе — Галактике — в настоящее время содержится много тысяч таких туманностей. Допустив, что в Галактике всегда существовало только десять тысяч планетарных туманностей одновременно и что Галактика существует так же долго, как земная кора (а это наименьший возможный возраст Галактики), мы приходим к следующему заключению.

С тех пор как Галактика существует, звезды, образующие вокруг себя планетарные туманности, доставили в мировое пространство массу газов, по меньшей мере равную массе десяти миллионов солнц, — массу, весьма внушительную, а вероятно, в действительности она во много раз больше.

Кроме планетарных туманностей, непосредственно на наших глазах газы выбрасываются в мировое пространство новыми и сверхновыми звездами, о чем уже говорилось нами подробно. Даже если оставить в стороне мало еще изученные сверхновые звезды, выбрасывающие большие массы газа, то и тогда масса, даваемая обычными новыми звездааш, достаточно внушительна.

Каждая из них при вспышке выбрасывает массу в 10-4-10-5 масс Солнца, и таких вспышек в нашей Галактике ежегодно происходят десятки. Если за время существования земной коры новые звезды в Галактике всегда вспыхивали так же часто, как сейчас, то за это время они извергли в межзвездное пространство столько же газа, сколько его было поставлено планетарными туманностями. Еще столько же дают, по-видимому, и вспышки сверхновых звезд.

Звезда Вольфа — Райе теряет в год около 10-5 массы Солнца путем непрерывного выбрасывания атомов со своей поверхности. По-видимому, такой процесс длится у нее около десяти тысяч лет. Два разных способа оценки числа звезд Вольфа — Райе в Галактике согласно приводят к числу в четыреста тысяч. Если такая пропорция существовала в Галактике все время с тех пор, как родилась Земля, то, значит, за это время межзвездное пространство приобрело массу газа, из которой можно было бы сделать три миллиарда солнц.

Если звезды Вольфа — Райе способны так энергично выбрасывать атомы даже не десять тысяч лет, а только десять лет, то и тогда их роль как поставщиков газа в пространство не уступала бы роли планетарных туманностей и новых звезд. В какой-то мере даже наше Солнце и все звезды теряют вещество со своей поверхности, заполняя им окружающее пространство.

Если учесть еще, что, вероятно, все звезды, а не только указанные выше, поставляют в межзвездное пространство свой газ (путем выброса протуберанцев или иначе), то окажется, что масса газа, выброшенного звездами за время существования Галактики, может быть, даже превосходит наблюдаемую в ней теперь массу диффузной материи. А тогда нужно сделать вывод, что масса диффузной материи не только прибывает, но и убывает. Куда она может убывать? Очевидно, она снова конденсируется в более плотные тела — в звезды и т. п.

Итак, все перечисленные звезды, являющиеся источником разреженного газа, за время, несомненно меньшее, чем время существования Галактики, рассеяли в пространство массу газа, из которой колено было бы сделать по меньшей мере миллиарды солнц.

Различные способы оценки количества диффузной материи в Галактике (как в форме газа, так и в форме пыли) приводят к значениям, содержащимся между 108 и 1010 масс Солнца. Таким образом, газа, выброшенного звездами, совершенно достаточно, чтобы образовать все существующие газовые туманности и межзвездную газовую среду и даже пылевые туманности (светлые и темные). Изложенный выше вывод автора этой книги о большой космогонической роли диффузных туманностей и продолжающемся процессе их формирования в Галактике был отмечен Всесоюзным совещанием по звездной космогонии (происходившим в Москве в мае 1952 г.) в числе наиболее значительных достижений советской звездной космогонии.

К настоящему времени представление об огромности массы газа, выбрасываемой звездами, и о том, что она снова становится материалом, из которого конденсируются звезды, стало общепринятым. Конечно, возможно и необходимо, чтобы первые поколения звезд каждой галактики возникали из «первичного» газа, происшедшего не из звезд, а иным путем.

Не следует думать, что намеченный нами круговорот газа и звезд вызывает вечное повторение пройденного. Как и круговорот жизни на Земле, круговорот во Вселенной ведет к изменениям. Теперь на Земле растения и животные уже не те, какие, погибая, удобряли собой Землю миллионы лет назад. Излучение звезд сопровождается превращением их водорода в гелий, а в их недрах, по-видимому, происходит возникновение тяжелых химических элементов. Поэтому химический состав звезд изменяется, и потому меняется состав выбрасываемых ими газов, из которых потом возникают другие звезды. Состав рождающихся сейчас звезд иной, чем он был у звезд, рождавшихся ранее, и не все вещество звезд распыляется в пространство. Количество газа в звездных системах постепенно убывает. ^Наблюдения показывают, что есть звезды, богатые водородом или металлами или же бедные ими. По-видимому, это звезды разных периодов образования, сгущавшиеся из газа, имевшего разный химический состав и не всегда, или по-разному «варившегося» в недрах звезд.

В противоположность этому академик В. А. Амбарцумян полагает, что туманности и горячие звезды возникают одновременно из какой-то сверхплотной формы вещества, что в основном туманности образуются не за счет выброса газа звездами, хотя такой выброс значительных масс он не отрицает.

Возникает вопрос, могли ли газы образовать межзвездную космическую пыль? По этому поводу только совсем недавно кое-что выяснилось. На основе выводов о процессе конденсации металлических паров на твердых телах некоторые ученые считают возыэж-ным конденсацию газовых молекул на частицах космической пыли благодаря разности температур этих частиц и межзвездного газа. Энергия столкновения атома с пылинкой быстро излучается в пространство или частично переходит во внутриатомную энергию, так что пылинка, остается холодной. За миллиард лет масса частицы, которая вначале, может быть, чрезвычайно мала, достигнет 10–15 г, как показывают подсчеты, а это уже масса частиц темных туманностей.

Ядра конденсации ничтожно малых размеров могли возникнуть при разрушении таких тел, как ядра комет. Достаточно, чтобы ничтожная часть всей космической пыли имела такое происхождение, и это обеспечит дальнейший рост массы каждой пылинки.

Известный процент атомов с малыми скоростями может и непосредственно вступать в молекулярные соединения, а затем и в группы молекул, т. е. в зародыши пылинок.

Там, где выброшенные звездами газы собираются в облака и образуют таким образом диффузные туманности, они могут светиться, если есть достаточно горячая звезда, могущая возбудить их свечение. Когда в таких туманностях накопится достаточно много твердых частиц, образуется темная пылевая туманность, светящаяся, если поблизости окажется достаточно яркая, хотя бы и не горячая звезда. Некоторые ученые развивали теорию роста метеоритных пылинок путем соединения одних из них с другими, более мелкими пылинками.

Мы подошли к вопросу о происхождении звезд.

Вопреки упоминавшимся реакционным попыткам объявить весь мир и все звезды возникшими одновременно 2–3 миллиарда лет назад, мы имеем много свидетельств того, что все звезды, даже в нашей Галактике, не могли возникнуть в одно время. Среди звезд имеются, несомненно, и более «старые» и более «молодые».

Быть может, кое-где рождение звезд происходит в нашей Галактике и в настоящее время. Звезды, которые мы видим, — это по большей части не обитатели детского сада или дома для престарелых. Нашу звездную систему в целом надо считать находящейся в расцвете своей жизни, хотя в ней есть, несомненно, и зтарики и новорожденные, которых мы только учимся отличать друг от друга. Плодотворное представление о том, что звезды возникают в нашей Галактике и в настоящее время, впервые было высказано в 1947 г. В. А. Амбарцумяном. Это представление стимулировало развитие целого ряда исследований, подтверждающих различие возраста различных звезд и их систем.

Убедительным доводом в пользу молодости звезд являются случаи, когда они наблюдаются расположенными в ряд, цепочкой или же образуют кучку — ассоциацию, но не столь тесную, чтобы она сдерживалась взаимным тяготением. Особенный интерес представляет открытие, сделанное Хорбигом на Ликской обсерватории. Он обнаружил в созвездии Ориона несколько очень слабых звездочек, из которых каждая окружена крошечной туманной оболочкой с необычайным характером свечения. Звездочки эти довольно холодные и сходны с неправильными переменными звездами типа Т Тельца, имеющими небольшую светимость. В 1954 г. Хербиг обнаружил в этой тесной кучке туманных звездочек две новые звездочки такого же вида, которых на снимке 7 лет назад не было видно. С тех пор эти звездочки не меняют своего блеска.

Возможно, что в данном случае наблюдалось рождение звезд, которые со временем станут переменными звездами типа Т Тельца, также часто связанными с необычными слабыми туманностями.

Не сгущаются ли звезды из межзвездной пыли?

В обычных пылевых туманностях нет явных признаков превращения их вещества в звезды. Недавно были открыты очень маленькие, пылевые туманности, производящие однако, заметное поглощение света. Их назвали глобулами, и сравнительно небольшое число их видно только на фоне некоторых светлых и больших туманностей. Некоторые думают, что дальнейшее сжатие глобул, несомненно содержащих и газ, приводит к их разогреванию и свечению, к их превращению в газовые звезды. Но откуда в звездах, возникших таким путем из межзвездной пыли, возьмется такое большое количество водорода, какое обычно в них содержится, — неясно. Некоторые допускают, что среди межзвездной пыли должно быть много замерзших газов, содержащих очень обильный во Вселенной водород.

Одними из наиболее молодых звезд большинство астрономов считает также самые массивные и в то же время самые горячие звезды. Они расходуют свою энергию так щедро, так расточительно, что обанкротились бы давным-давно, если бы они давно и возникли. Если мы их еще видим сейчас в состоянии такого расходования энергии, значит, они вступили на путь мотовства лишь недавно, — не более 10 миллионов лет назад. Мы не знаем ведь других звезд со столь же большой или большей массой, но более бережливых, которые можно было бы считать находящимися на стадии развития, предшествующей горячим гигантам. К молодым звездам относят некоторые переменные звезды.

В. А. Амбарцумян предполагает, что видимое на небе окучивание гигантских горячих звезд отражает в точности их окучивание в пространстве. Эти группы горячих звезд, названные им О-ассоциациями, он считает системами по размерам своим промежуточными между звездными скоплениями и звездными облаками, причем системами неустойчивыми. Он предполагает, что образующие их горячие звезды возникли тут недавно из какого-то сверхплотного дозвездного вещества. После своего группового выброса они разлетаются в стороны и, расходясь в пространстве, уже через миллион лет превращаются в более холодные звезды.

В. А. Амбарцумян считает, что звезды более слабых светимостей возникают в виде неправильных переменных звезд типа Т Тельца, и места, где они скучиваются, назвал Т-ассоциациями, предполагая, что эти группы звезд тоже расширяются, образовавшись из некоторых сверхплотных дозвездных тел.

Автор этой книжки на основании своих исследований сомневается в существовании радиально разлетающихся групп горячих гигантов, имеющих размеры, указанные выше. Соглашаясь с тем, что эти звезды, вероятно, молодые, он считает, что они находятся лишь в составе обычных звездных скоплений и в составе огромных звездных облаков, образуя сравнительно немногочисленные группы, типа флуктуации. Видимое же скучивание таких звезд он объясняет тем, что в соседних с ним местах в зоне Млечного Пути подобные звезды, как и в^се другие далекие от нас звезды, скрыты облаками космической пыли.

В просветах же между облаками пыли возникают так называемые «коридоры видимости». В них мы видим горячие звезды и другие объекты, находящиеся на всевозможных расстояниях и проектирующиеся друг на друга, отчего и получается картина видимого скучивания их. Конечно, горячие звезды, как и все остальные, распределены в облаках неравномерно, но это уже другое дело.

Согласно исследованиям автора этой книги можно указать, как на преимущественные области зарождения горячих гигантов и других звезд в спиральных галактиках, на узкие и длинные гряды, расположенные часто в виде прямолинейных звеньев на ветвях спиральных рукавов в спиральных звездных системах. Здесь десятки и сотни тысяч гигантов, обволакиваемых порожденными ими же газовыми туманностями, своим расположением напоминают грозди винограда. Здесь же должно зарождаться и большинство рассеянных скоплений. Как все малыши, новорожденные гиганты и другие звезды стремятся расползтись по сторонам из отчего дома в силу различия скоростей, возникающих у них при рождении. В результате узкие и яркие спиральные ветви постепенно превращаются в обширные облака, состоящие, в частности, и из горячих гигантов, в облака, расположение которых по спирали становится менее отчетливым. За время этого процесса рождение гигантов и других звезд продолжается и в прежних местах и, в виде отдельных исключений, в обрывках от спиральных рукавов,

Современная теория эволюции, т. е. жизненного пути звезд, опирается на теорию их внутреннего строения и источники звездной энергии. Она опирается на физические теории: термодинамику, гидродинамику, ядерную физику, теорию излучения и его переноса и т. д., а для получения числовых результатов требует обширных вычислений. С пятидесятых годов последние очень облегчились с введением в практику быстродействующих электронных счетных машин.

Возникнув как сгущение в газово-пылевой среде, звезда имеет своим единственным источником энергии гравитационное сжатие, пока температура в центре не достигнет значения, при котором начинается термоядерная реакция превращения водорода в гелий. Уже давно было подсчитано, что у массивных звезд эта стадия занимает сотни тысяч лет, а у звезд с массой, меньшей чем у Солнца, эта стадия тянется сотни миллионов лет.

Когда температура центральной области уже достаточна для того, чтобы выделение энергии ядерных реакций компенсировало охлаждение звезды с поверхности, сжатие ее прекращается. Это равновесие прихода и расхода тепла наступает при тем большей температуре, чем масса звезды больше. Выход энергии ядерных реакций, как уже говорилось, очень сильно зависит от температуры. Этим и объясняется наблюдаемый рост светимости с массой звезды (если говорить об основной массе звезд).

Для дальнейшего важно, сохраняется ли достаточно постоянной масса звезды и есть ли в ней перемешивание вещества (конвекция), при котором топливо (водород) все время поступает из внешних частей к ядру, где оно «сгорает».

В 1942 г. Чандрасекар и Шенберг сделали важный шаг дальше. Приняв, как делают и сейчас, с достаточным основанием, что масса звезды постоянна, а перемешивания нет, они заключили, что вместо «сгоревшего» в центре водорода возникает гелиевое ядро, все время растущее. Светимость звезды при этом должна возрасти в 2 1/2 раза к той эпохе, когда масса гелиевого ядра достигает 10 % от полной массы. Водород выгорает долго: у массивных звезд сотни тысяч лет, у звезд с массой Солнца — несколько миллиардов лет. Ввиду этого большинство звезд на этой стадии мы и застаем.

Важным и неожиданным был результат расчетов М. Шварцшильда и Сандейджа в 1952 г. Они нашли, что гелиевое ядро, лишившееся источников энергии, станет сжиматься, а внешние слои будут расширяться. Энергия будет поступать только из тонкого водородного слоя вокруг ядра. При надлежащем подъеме температуры в ядре наступит реакция, при которой три ядра атома гелия превращаются в ядро атома углерода, и эта новая выделяющаяся энергия питает звезду, превращающуюся в красного гиганта (или сверхгиганта!). Это превращение идет тем быстрее, чем больше масса звезды.

Для сравнения данных теории с наблюдениями надо обратиться к диаграмме Герцшпрунга — Рессела (сокращенно — диаграмме Г — Р), иначе говоря, к диаграмме спектр (или цвет, или температура поверхности) — светимость. Мы о ней говорили уже вскользь в разделе «Перепись звездного населения на диаграмме светимостей — спектров». Эта перепись вместе с кривой, связывающей массы и светимости звезд, является важнейшим обобщением наблюдений — картиной существующих сочетаний основных физических характеристик звезд. Теории звездной эволюции должны ей удовлетворять. На рис. 152 схематически полосами изображено расположение звезд основных последовательностей, которые выявлены в общей массе изученных звезд. При этом по горизонтальной оси вместо спектров или температур отложен показатель цвета — разность звездной величины звезды в синих и в визуальных лучах. Использование фотоэлектрических фотометров позволило очень точно измерять эти величины. Очень важно, что их этим способом можно измерять и у очень слабых и далеких звезд. Увеличение точности измерения цвета звезд сыграло огромную роль в развитии теории звездной эволюции. Положение звезды на диаграмме должно зависеть от ее массы, начального химического состава и возраста.

Мы видим, что диаграмма Г — Р стала гораздо сложнее, чем казалось сначала. На помощь теории эволюции звезд пришло изучение яркости и цвета звезд в разных рассеянных и шаровых скоплениях.

На рис. 194 представлена знаменитая, классическая сводная диаграмма, составленная Сандейджем в 1957 г. по наблюдениям ряда рассеянных и шарового скоплений. Названия их указаны.

Мы видим, что все скопления имеют в нижней части диаграммы Г — Р общую главную последовательность звезд (отмечено, где на ней находилось бы наше Солнце). Но верхние концы последовательности в каждом скоплении простираются неодинаково далекой все отклоняются вправо, причем ответвление вправо происходит при разной абсолютной величине (при разной светимости) и при разных значениях показателя цвета.

Обратим внимание, например, на то, что скопления χ и h (хи и аш) Персея, имеющие очень яркие голубые звезды (слева вверху), имеют еще и ветвь красных сверхгигантов (справа вверху), что ярчайшие голубые звезды Плеяд менее ярки, а в NGC 752 совсем слабы и не голубые, а желтоватые. Правая ветвь у М 67 сильно отличается от остальных и сходна больше с ветвью для шарового скопления М 3. Все это крайне важно потому, что звезды одного скопления занимают малый объем и возникли из единого облака газа, а поэтому должны были иметь одинаковый начальный химический состав. Возраст звезд скопления должен быть примерно одинаковым. Спасибо природе за существование звездных скоплений. Они заменили астрономам лаборатории, в которых физики создают известные им условия и не допускают воздействия на вещество слишком многих факторов сразу.

С другой стороны, теория позволила вычислить положение на рис. 194 теоретической линии главной последовательности для недавно образовавшихся звезд (линия «нулевого возраста» или линии начальной главной последовательности), а также линии для звезд в возрасте одного и пяти миллиардов лет. Большинство ближайших к нам звезд оказывается тогда моложе пяти миллиардов лет, так как на диаграмме Г — Р они лежат левее кривой, соответствующей 5109 лет.

На рис. 195 показаны на диаграмме Г — Р теоретические кривые Шварцвальда, соединяющие звезды равного возраста (108 лет, 2108 лет и т. д.) и эволюционные пути (треки) звезд разной массы — от 2,5 до 5 масс Солнца. По вертикальной оси отложен логарифм светимости, по горизонтальной оси логарифм температуры, которая вместо цвета используется при подлинных расчетах.

Но на кривых для звездных скоплений на рис. 196 различие положений звезд одного скопления должно зависеть только от их массы, а различия между кривыми разных скоплений должны зависеть от различия возраста и начального химического состава.

Более массивные и более яркие звезды быстрее сжигают водород, и их жизнь короче, а звезды, подобные Солнцу, остаются на главной последовательности около 5 млрд. лет, тогда как звезды, в 10 раз более массивные — в 1000 раз меньше. Это объясняет различие высоты верхнего конца главной последовательности у разных рассеянных скоплений.

У очень молодого скопления звезды находятся на главной последовательности. С возрастом скопления более массивные звезды первыми покидают главную последовательность и смещаются на диаграмме вправо, как показывает рис. 194. Так, со старением скопления верхний уровень главной последовательности постепенно понижается. Этот возраст определяется временем нахождения звезды верхнего конца на главной последовательности. Иначе говоря, он определяется положением точки, где звезды начинают отклоняться вправо от главной последовательности.

Таким образом находят, что скопление NGC 2362 моложе миллиона лет, Плеядам около 20 млн. лет, а М 67 и М 3 более 10 млн. лет.

После того как звезды оставляют главную последовательность, они, по теории, перемещаются вправо в область красных гигантов или сверхгигантов, в зависимости от их массы. В каждом скоплении красные гиганты или сверхгиганты имеют светимости такие же, какова светимость звезд, начавших покидать главную последовательность и смещаться вправо. Зто соответствует замене водородного ядра звезды гелиевым.

Но между смещенным концом главной последовательности и звездами-гигантами виден перерыв, пробел. Он называется пробелом Герцшпруыга, впервые его заметившим. Этот перерыв велик у молодых рассеянных скоплений с горячими звездами и тем меньше, чем рассеянное скопление старее и чем холоднее и слабее его самые яркие звезды. Это объясняется тем, что массивные яркие звезды быстро переходят в состояние красных гигантов и застать их поэтому в промежуточном состоянии трудно. Мало массивные звезды переходят в ото состояние медленнее и для них пробел Герцкшрунга сокращается. У шарового скопления М 3 этого пробела нет совсем. Отклонение от главной последовательности для М 3 происходит уже у звезд, имеющих абсолютную звездную величину +4m, т. е. лишь вдвое более ярких, чем наше Солнце.

Различие начального химического состава сказывается в следующем. Диаграммы Г — Р у шарового скопления М 3 и очень старого рассеянного скопления М 67 очень сходны и возраст их близок, так как. главные последовательности их кончаются в одной точке, около М=+4m. Однако, в М 67 красные гиганты в. 10 раз слабее, чем в М 3.

Количественный химический анализ по спектрам показывает, что звезды в гало (в ореоле или короне) Млечного Пути и шаровые скопления раз в 100–500 беднее металлами, чем звезды, образующие диск Галактики. Это делает их атмосферы более прозрачными. Их излучение приходит к нам поэтому из более глубоких и горячих слоев и они белее и ярче, чем звезды, более богатые металлами, находящиеся в той же области диаграммы Г — Р.

Итак, оказывается, что рассеянные скопления и звезды, подобные находящимся в них, непрерывно образовывались в течение 10 млрд. лет, тогда как шаровые скопления и звезды галактической короны все возникли раньше, более 10 млрд. лет назад. (Некоторые оценивают их возраст даже в 1011–1013 лет.)

Такая связь между возрастом звезд и их положением в Галактике показывает, что когда Галактика была молода, звезды возникали во всем ее сферическом объеме и так же был распределен газ, из которого они сконденсировались. В дальнейшем вращение Галактики сплющивало массу находящегося в ней газа; он оседал к галактической плоскости, превращаясь в диск, и в нем продолжалось формирование звезд, тогда как в ореоле Галактики им стало уже не из чего образовываться.

Галактика до возникновения в ней звезд была газовой и содержала почти исключительно водород. Более тяжелые элементы могли возникнуть только в процессе ядерных реакций в недрах звезд и конвекцией выносились в их внешние слои. Выброс газов с их поверхности, особенно при катастрофических вспышках, обогащал галактические газы тяжелыми элементами. Поэтому звезды, возникшие позднее в диске, содержат больше тяжелых металлов.

Теперь легче понять диаграмму Г — Р наиболее молодых скоплений, таких как М16 (иначе NGC 6611), с возрастом всего лишь 200 000 лет, которые моложе, чем человечество! (Последнее возникло около 1 500000 лет назад.) На главной последовательности этого скопления лежат горячие звезды, классов примерно от АО до О5, а более слабые и холодные находятся правее, выше нулевой главной последовательности. Но это очень молодые звезды, еще продолжающие гравитационное сжатие. По последней теории японского астронома Хаяши можно вычислить время, необходимое звезде, чтобы она могла при данной массе, сжимаясь, дойти до радиуса и светимости, соответствующих данной последовательности. Среди таких молодых звезд много переменных типа RW Возничего и звезд с яркими линиями в спектре. Эти факты рассматриваются как признаки неустойчивости, проявляющейся при гравитационном сжатии.

После достижения звездами стадии красных гигантов, когда в их ядре идет выгорание гелия, звезды переходят на диаграмме опять налево, образуя более пологую последовательность. По новым расчетам Кипенхана это движение их сложно, с временными возвращениями по диаграмме назад; звезды эволюционируют с различной скоростью на разных участках этого пути. В некоторых областях они при этом на время становятся пульсирующими звездами — цефеидами разных периодев. Более массивные, бывшие когда-то яркими звездами спектрального класса В, становятся долгопериодическими цефеидами большой светимости, а менее массивные становятся корот-копериодическими цефеидами, особенно характерными для некоторых шаровых скоплений, и имеют периоды короче суток. Их светимость меньше. Наблюдался случай, когда переменность цефеиды почти сразу прекратилась. Цефеиды заполняют пробелы на диаграмме Г — Р, где нет обычных звезд. Это зоны неустойчивости в эволюции звезд.

Еще не все на диаграмме Г — Р ясно; требуются дополнительные наблюдения и расчеты. В частности, неуверенность есть в более поздних путях эволюции звезд. Предполагают, что, исчерпав весь гелий, звезда быстро сжимается — в этой фазе эволюции звезду трудно найти. Она не имеет уже источников энергии и превращается в крайне плотный белый карлик. Белый карлик расходует так мало энергии, что в этом состоянии может прожить много миллиардов лет и является, как шутят ученые, «горячим трупом». Неясно, может ли звезда уплотниться больше, чем белый карлик. Некоторые допускают, что он может превратиться в нейтронную звезду.

Но судьба превратиться в белого карлика возможна лишь для звезд с массой, меньшей чем 1,4 массы Солнца. При большей массе белый карлик неустойчив и, может быть, взрывается, как сверхновая звезда, что было бы концом более массивных звезд. А может быть, они неоднократно взрываются, как новые звезды, и, сбрасывая этим излишек массы, тоже превращаются в белые карлики.

Заметим, что мы не знаем пока ни одной «потухшей» звезды. Самые холодные из известных, инфракрасные звезды, не могут быть угасающими звездами. По всем признакам они еще будут разогреваться.

Из всего сказанного нами выше уже ясны современные представления о возникновении галактик. Вероятно, раньше Метагалактика являлась огромнейшим уплотненным облаком водорода, в котором одновременно шел распад на меньшие облака и их взаимное удаление со скоростью, убывающей по мере удаления. Неоднородности в облаках вели к гравитационной конденсации газа в звезды внутри сферических объемов. Так возникали эллиптические галактики. Их звезды теперь стары и бедны металлами. При наличии более быстрого вращения газовая масса, обогащаемая тяжелыми элементами, поступающими из старых звезд, сплющивалась. Возникали сжатые галактики с их диском, в котором рождались звезды более молодые и более богатые металлами. Вероятно, не без участия магнитного поля газ в диске концентрировался вдоль спиральных ветвей, выходящих из ядра, где процесс звездообразования шел наиболее интенсивно и где он продолжается и сейчас тем заметнее, чем там больше осталось газа. Таковы спирали «поздних типов» и неправильные галактики. В последних, как в Большом Магеллановом Облаке, есть молодые шаровые скопления, у которых диаграмма Г — Р более похожа на диаграммы рассеянных скоплений. Старые рассеянные скопления нашей Галактики с диаграммами, похожими на диаграммы старых шаровых скоплений, находятся далеко от плоскости Галактики. Там они меньше разрушались под действием притяжения проходящих звезд и, имея сами много звезд, были более устойчивы. Их звезды, расходясь, пополняют звездное население диска, а выбросы газов звездами дают материал для все нового, но уже замирающего звездообразования. Многое в картине развития миров нам еще не ясно.

Все сказанное рисует нам теперь, хотя и без подробностей, картину образования миров, своеобразный круговорот, в котором участвуют и газы, и метеориты, и звезды; одни миры в бесконечной Вселенной зарождаются, другие гибнут, давая материал для нового цикла грандиозных изменений в природе.

При этом развитие и круговорот, конечно, не представляют собой бесконечное повторение пройденного. В соответствии с ленинским учением мы можем представлять себе это вечное развитие и круговорот материи подобным движению по спирали. Но это развитие, как мы должны также помнить, происходит диалектически, в борьбе противоречий, нередко скачками.

Человеческое знание за срок, ничтожно короткий в сравнении с циклами развития мировых тел, проникло в тайны их строения и развития. Мы можем сказать словами поэта:

Глва 12. История Земли и планет

Рождение Земли… Дела давно минувших дней и не найти преданий старины глубокой…

Некому рассказать о них, если не считаться с теми легендами о сотворении мира, которые складывали в древности. Прошлое земной коры хранит в себе она сама, и мы научились расспрашивать ее об этом. Радиоактивные породы в ней разоблачили нам свой возраст — время, протекшее с момента их затвердевания, но что было раньше?

Знать прошлое Земли практически важно для понимания строения и изменения ее недр, а последнее важно при поисках полезных ископаемых и для возможности предвидеть землетрясения.

При установлении истории развития многолетних организмов мы можем сопоставлять разные экземпляры их. Дубы и дубочки, сгнившие деревья говорят нам о жизненном пути вековых деревьев, из которых ни одно не завершает его целиком на наших глазах. Можно сравнивать друг с другом планеты в их современном состоянии и пытаться судить по ним об эволюции Земли. Но нашу Солнечную систему нам сравнивать не с чем, ибо других, подобных ей, мы не знаем, хотя и уверены, что они должны быть. Солнечная система известна нам только в одном экземпляре.

Философ Кант в середине XVIII века четко высказал идею об эволюции мировых тел и, опередив ученых-астрономов, набросал мыслимую картину возникновения Солнечной системы из обширной туманности (Кант — немецкий философ-идеалист — в этой ранней своей работе выступает с прогрессивной теорией)). Он рисовал ее в соответствии с тем, что тогда было известно науке о строении Солнечной системы, планет и туманностей, о законах природы.

Кант смело отверг идею творения и нарисовал развитие миров происходящим в силу естественных законов природы. «Первая брешь в этом окаменелом воззрении на природу была пробита не естествоиспытателем, а философом. В 1755 г. появилась «Всеобщая естественная история и теория неба» Канта. Вопрос о первом толчке был устранен; земля и вся Солнечная система предстали как нечто ставшее во времени». (Ф. Энгельс, Диалектика природы, Госполитиздат, 1948, стр. 10.)

Независимо от Канта математик, механик и астроном Лаплас разработал подобную же картину происхождения Солнечной системы. Его рассуждения были строже и научнее. Мировоззренческое значение этих работ Канта и Лапласа было очень велико. Современники были потрясены величественной картиной мироздания, развернутой Лапласом.

Эти работы, а также разработка идеи эволюции, в частности в области геологии, великим русским ученым М. В. Ломоносовым способствовали тому, что позднее ученые и других областей науки убедились в существовании развития в природе. Понятие об эволюции постепенно вошло и в другие науки,

Лаплас, как и Кант, правильно подметил основные, известные в то время характерные черты Солнечной системы, которые должна объяснить теория их происхождения. Эти черты следующие:

1. Подавляющая часть массы системы (749/760) сосредоточена в Солнце.

2. Планеты обращаются по почти круговым орбитам и почти в одной и той же плоскости.

3. Все планеты обращаются в одну и ту же сторону; в ту же сторону обращаются вокруг планет их спутники и сами планеты вращаются вокруг своей оси.

Древним грекам и создателям библии начальный мир представлялся хаотическим облаком мелких частиц, о котором древнеримский поэт Овидий сказал:

Но во времена Лапласа уже отдавали себе отчет в том, что из совершенно хаотического движения частиц правильное вращение возникнуть не может, вопреки предположению Канта. Поэтоглу Лаплас начинает рассмотрение развития Солнечной системы с гигантской газовой туманности, уже вращающейся вокруг своей оси, хотя и очень медленно.

Она вращалась как твердое тело и в центре имела сгусток — «зародыш» будущего Солнца. Притяжение к центру частиц туманности, простиравшейся сначала за орбиту наиболее далекой из планет, заставляло ее сжиматься. Уменьшение размеров по законам механики должно было вести к ускорению вращения. Наступал момент, когда на экваторе туманности, где линейные скорости частиц при вращении больше всего, центробежная сила уравнивалась с тяготением к центру. В этот момент вдоль экватора туманности отслаивалось газовое кольцо, вращавшееся в ту же сторону, в какую вращалась туманность. Продолжавшееся сжатие и ускорение вращения приводили к отслоению кольца за кольцом. В силу неизбежной неоднородности каждого кольца какой-либо сгусток в нем притягивал к себе остальное вещество кольца, и образовывался один газовый клубок — будущая планета. Наружные части кольца, а впоследствии сгустка, при обращении забегали как бы вперед и приводили его во вращение вокруг оси в ту же сторону, куда двигался зародыш планеты.

При сжатии сгустков вследствие тяготения они сами могли отслаивать кольца и порождать себе спутников. Если же в подобном кольце не было резко преобладающего сгустка, «пожирающего» остальные, го оно разбивалось на множество мелких тел; так, например, образовалось кольцо Сатурна. Охлаждаясь, газовые сгустки затвердели, покрылись корой и превратились в современные планеты, а центральный сгусток породил Солнце.

Подкупающей простоте и логичности этой схемы (бывшей общепризнанной более столетия) были впоследствии противопоставлены серьезнейшие возражения. Выяснились, например, следующие обстоятельства, неизвестные во времена Лапласа:

1. Плотность воображаемой газовой туманности Лапласа должна была быть так мала, что она не могла бы вращаться, как твердое тело.

2. Отрыв вещества происходил бы не кольцами, а непрерывно.

3. Кольца с массой, равной массе планет, не могли бы сгуститься, а рассеялись бы в пространство.

4. Существуют планеты и спутники, вращающиеся или обращающиеся навстречу обращению планет около Солнца.

5. Один из спутников Марса обращается вокруг планеты быстрее, чем вращается сам Марс, чего не может быть по теории Лапласа.

Возник ряд и других ^теоретических возражений против теории Лапласа.

Многие пытались подправить эту теорию, но безуспешно. Наука лучше познала свойства Солнечной системы и законы природы — пришлось искать новое объяснение происхождению этой системы.

В 1919 г. английский астрофизик Джине выдвинул предположение, что Солнечная система — игра редкого случая сближения Солнца с какой-либо звездой.

Пройдя в далеком прошлом близко от Солнца и снова исчезнув в безвестной дали, пришлая звезда возбудила на Солнце мощную приливную волну. Притягиваемое ею вещество вырвалось из Солнца и потянулось к звезде длинной струей, в форме сигары. Солнце уже тогда состояло из плотных газов, так что, когда выброшенная струя распалась на куски, то они, будучи плотными, не рассеялись, а охладились и, застыв, образовали планеты. Встреча двух звезд на близком расстоянии, требуемая теорией Джинса, как мы уже видели и раньше, может произойти лишь чрезвычайно редко. Миллионы звезд возникнут и потухнут, ни разу не испытав такой встречи, и потому системы, подобные Солнечной, должны быть так же редки, как редки рождения людей с двумя головами. Как указал американский астроном Рессел, большая часть вещества, исторгнутого из Солнца, либо упала бы на него обратно, либо увлеклась бы вслед за набедокурившей и удравшей звездой, но не образовала бы ничего похожего на существующую систему планет.

В области космогонии все время велась и ведется упорная идеологическая борьба, так как здесь особенно резко сказывается мировоззрение ученых. Нерешенные вопросы науки используются реакционерами для попыток прямого или косвенного обоснования религии, для попыток борьбы с распространением материалистической философии, с марксизмом-ленинизмом.

Кант и Лаплас выдвинули прогрессивные гипотезы на материалистической основе. Но в XIX и XX веках, когда прямой возврат к библейской легенде творения мира был уже невозможен, ученые из лагеря реакции выдвигали гипотезы, пытавшиеся примирить науку с религией. Такой была, например, гипотеза Фая.

Для материалиста нет сомнения в познаваемости мира, хотя это познание должно быть длительным процессом постепенного приближения к истине.

В настоящее время ведется интенсивная работа по выяснению тех путей, по которым могла возникнуть и развиться Солнечная система.

Современные гипотезы о происхождении Солнечной системы не могут считаться с одними лишь механическими характеристиками Солнечной системы. Они должны учитывать и многочисленные физические данные о строении планет и Солнца, что особенно убедительно было показано в работах акад. В. Г. Фесенкова, разрабатывавшего вопросы космогонии в течение 35 лет.

Теория, основы которой были заложены академиком О. Ю. Шмидтом, является наиболее разработанной. Поэтому мы ее и приводим.

О. Ю. Шмидт исходил сначала из того, что метеоритное вещество как в форме более или менее крупных кусков, так и в форме пыли в изобилии встречается во Вселенной. Еще недавно это метеоритное вещество было известно нам только в пределах Солнечной системы, но теперь мы обнаруживаем его в огромных количествах и в межзвездном пространстве. Большей частью метеоритное вещество собрано в колоссальные космические облака — в диффузные светлые и темные туманности, содержащие также много газа.

Впоследствии различные соображения привели советских ученых Л. Э. Гуревича и А. И. Лебединского к выводу, что допланетное вещество было газово-пылевого состава. О. Ю. Шмидт согласился с таким представлением о состоянии допланетного вещества, но подчеркивал, что «ведущая роль» принадлежала пыли.

Совокупность газово$пылевых облаков вместе со звездами заполняет нашу звездную систему — Галактику, причем их вещество сильно концентрируется к плоскости ее симметрии — к плоскости экватора Галактики. Вместе со звездами газово-пылевые облака участвуют во вращении Галактики вокруг оси. Наряду с этим вращением вокруг центра Галактики и звезды, и газово-пылевые облака имеют свои собственные движения, которые приводят к тому, что и звезды и облака то сближаются друг с другом, то расходятся. Иногда та или другая звезда погружается на время в газово-пылевую туманность и пролагает в ней себе дорогу, как путник, попавший в густой туман. Как туман путнику, так и газово-пылевое облако — не препятствие для движения звезды; сбиваться же ей с пути не приходится, так как ее путь в туманности направляется все тем же законом тяготения.

Многие пылинки упадут на звезду в течение ее скольжения сквозь туманность, а другие, изменив свои орбиты вследствие мощного притяжения звезды, могут быть ею захвачены в плен и сделаются ее спутниками. Однако, чтобы такой захват произошел, необходимо наличие особых благоприятных условий — уменьшение относительной скорости пылинок благодаря притяжению близкой звездой или, как показал Т. А. Агекян, благодаря столкновению пылинок друг с другом. В подобном «удачном» случае огромное множество этих «благоприобретенных» спутников звезды, эта ее бесчисленная верная свита, по гипотезе Шмидта, не покидает ее и после выхода из туманности. Звезда оказывается окруженной огромным облаком частиц газа и пыли, описывающих вокруг нее различные орбиты. Позднее О. Ю. Шмидт считал, что более вероятным, мог быть захват облака из той самой диффузной среды, из которой возникло само Солнце.

Облако, образовавшееся вокруг звезд, постепенно приобретало линзообразную форму. Обращение частичек в нем вокруг звезды происходило преимущественно, хотя и не исключительно, в одном каком-либо направлении (под небольшими углами друг к другу), потому что пылевой слой, пронизанный звездой, не мог быть совершенно однородным.

В подобной звезде, окруженной линзообразным газово-пылевым облаком, О. Ю. Шмидт видел наше Солнце, в пору, предшествовавшую образованию планет.

Конечно, не одно наше Солнце могло испытать такую встречу с газово-пылевой туманностью. Множество звезд, быть может большинство, должны были пережить такое же приключение, а другим оно еще предстоит в будущем. Тем лучше, значит, кроме нашей Солнечной системы, в Галактике должно быть еще множество планетных систем. Этот неизбежный вывод из новой теории дает ей преимущество по сравнению со многими другими космогоническими гипотезами, в которых возникновение солнечных систем было редким явлением.

В сонме пылинок, обращающихся около Солнца по пересекающимся и различно вытянутым и наклоненным орбитам, неизбежно происходили столкновения и это вело к тому, что движения их осреднялись, приближались к круговым и лежащим в близких друг к другу плоскостях. От этого вокруг Солнца возник из облака газово-пылевой диск, становившийся все тоньше, но зато плотнее. Этот плотный слой частиц в частях, близких к Солнцу, поглощал его тепло. Поэтому дальше от Солнца внутри диска было очень холодно, и газы там намерзали на пылинках. Это объясняет, почему далекие от Солнца планеты богаче газом, чем близкие к нему. Это представление, как и теорию эволюции облака, развили Л. Э. Гуревич и А. И. Лебединский, и О. Ю. Шмидт нашел, что их картина эволюции облака вероятнее чем та, которая ему самому рисовалась раньше. Разработанная математически картина эволюции облака, хотя и содержащая ряд дополнительных гипотез, может быть названа теорией, лежащей в рамках гипотезы Шмидта. Основной же гипотезой Шмидта является предположение, что планеты возникли из холодного облака частиц, причем основную роль в нем играло поведение твердых пылинок и предположение, что облако было захвачено Солнцем и притом, когда последнее уже вполне сформировалось.

Дальнейшая картина эволюции газово-пылевого диска вкратце представляется так. В уплотнившемся облаке возникали пылевые сгущения, в которых столкновения пылинок вели к их слиянию в твердые тела с поперечниками, как у современных астероидов. Множество их сталкивалось и дробилось, но более крупные из них, «зародыши» планет, — выживали и «всасывали» в себя окружающие осколки и остатки пыли, сначала присоединяя их при соударениях, а потом во все большей мере за счет притяжения их. Плотные зародыши планет окружались при этом роями тел и их обломков, обращающихся вокруг них и давших при своем объединении рождение спутникам планет по тому же «рецепту», по которому эти планеты возникли сами.

Из линзообразной формы туманности, окружающей Солнце, и из преобладания в ней движений, параллельных друг другу и направленных в одну и ту же сторону, вытекают сразу основные характерные особенности строения Солнечной системы: вращение всех планет около Солнца в одну и те же сторону, малые углы между плоскостями их орбит, а также почти круговая форма орбит.

О. Ю, Шмидт в одной из своих первых работ рассчитал, с какой скоростью происходил бы процесс увеличения массы планеты за счет падения на нее метеоритов, если бы наблюдаемые сейчас в Солнечной системе метеориты были остатками того роя, который некогда окружал Солнце. Оказалось, что вначале рост планеты происходил бурно, а потом все медленнее и медленнее. Грубо говоря, на постройку Земли пошли все те «кирпичи» — тела астероидных размеров и их обломки, которые заполняли пространство между границами, лежащими посредине между орбитами Земли и Венеры и между орбитами Марса и Земли, ближе к последней.

Невозможно, конечно, определить, «когда был заложен первый камень» — фундамент будущей планеты, но теория Шмидта позволила подсчитать, за сколько времени масса Земли увеличилась вдвое и достигла своего современного значения. Это время «полуобразования», ввиду упомянутой быстроты роста планет, близко к тому, что можно назвать возрастом Земли. Во всяком случае, этот промежуток времени немногим меньше возраста Земли.

Полагая, что сейчас на Землю ежегодно падает более 1000 тонн метеоритного вещества, О. Ю. Шмидт нашел для времени полуобразования Земли около 7 млрд. лет. Этот результат близок (в астрономических масштабах) к возрасту земной коры — 3 млрд. лет, определенному по радиоактивности горных пород. Ясно, что возраст земной коры должен быть меньше возраста Земли в целом.

Поскольку, однако, современные метеориты в Солнечной системе, возможно, являются осколками планеты, находившейся между Марсом и Юпитером, а не остатками метеоритной туманности, этот подсчет теоретического возраста Земли носит лишь ориентировочный характер.

О. Ю. Шмидт предполагал, что от ударов метеоритов в процессе быстрого роста Земли, а главное вследствие выделения тепла при радиоактивных процессах внутри слипающихся метеоритов их вещество разогревалось настолько, что становилось пластичным. Для этого было бы уже вполне достаточно температуры порядка 1000°. При размягчении метеоритного вещества более легкие каменные массы всплывали на поверхность, а тяжелые железистые массы постепенно опускались вниз. Так и создалось постепенно разделение массы Земли на плотное ядро и более легкую оболочку, причем до сих пор должна была бы сохраниться, и действительно еще сохранилась, промежуточная область, где тягучие железные и каменные массы не разделились вполне.

В настоящее время существует взгляд, что ядро Земли не железное, а силикатное, как и земная кора, но находящееся в сильно уплотненном металлоподобном состоянии под действием высокого давления вышележащих слоев. В слое, где давление составляет 1 400 000 атмосфер, эти свойства силикатных недр Земли возникают скачком. Если принять эту точку зрения, то надо думать, что подъем легких и опускание тяжелых веществ в толще Земли идет медленно и далеко еще не закончился.

Разогревание внутренних частей Земли еще продолжается и возникло в ее толще вследствие накопления тепла, выделяемого радиоактивным распадом внутри ее вещества.

Остатки метеоритного вещества, не вошедшего в состав планет, продолжали обращаться около Солнца и, проходя вблизи сформировавшихся планет, захватывались ими з плен. В образовавшемся вокруг планет сплюснутом метеоритном облаке шел процесс столкновения метеоритов, подобный тому, что создал планеты, и так вокруг них создались спутники. Естественно, что в общем более массивные планеты, производя больше захватов, могли обзавестись для компании большим числом спутников.

Поскольку большинство метеоритов, пошедших как кирпичи на постройку спутников, двигалось все в том же прямом направлении около Солнца и преимущественно вблизи плоскости эклиптики, то и орбиты спутников расположились вблизи этой плоскости. Направления их обращения оказались в согласии с теми движениями, которыми объединены все члены Солнечной системы. Только в редких случаях, когда в распределении скоростей или плотностей метеорного роя появлялась большая асимметрия, возникали планеты и спутники с обратным вращением (Уран с его спутниками, спутник Нептуна и далекие спутники Юпитера и Сатурна).

Вращение планет вокруг своей оси, которое ни одна из прежних теорий не могла удовлетворительно объяснить, теория О. Ю. Шмидта объясняет так. Под влиянием падения метеоритов на планету она должна прийти во вращение, и притом именно в том же направлении, в каком она вращается вокруг Солнца. Если случайно в той области, где образовалась планета, метеориты с орбитами, мало вытянутыми и мало наклоненными к средней плоскости Солнечной системы, не были в достаточной мере преобладающими, могло возникнуть вращение планеты в обратном направлении, что и объясняет известный случай такого рода — вращение Урана.

В успешном объяснении направления вращения планет теорией О. Ю. Шмидта состоит ее большая заслуга.

Остановимся немного на вопросе, который, может быть, и не будет так интересен для читателя, как предыдущие, но который имеет огромное значение. Речь идет все о том же знаменательном моменте количества движения, который теория Джинса не могла объяснить.

Мы помним, что в Солнечной системе львиная доля момента количества движения (т. е. суммы произведений масс частиц на их скорости и на расстояния от центра вращения) приходится на планеты. На Солнце с его медленным вращением вокруг оси приходится очень малая доля общего момента.

О. Ю. Шмидт показал путем вычислений, что Солнце, если оно вначале не вращалось или вращалось еле-еле, должно было прийти во вращение под действием ударов падающих на него метеоритов.

О. Ю. Шмидту удалось получить из своей теории формулу, которая утверждает, что произведение должно быть постоянным или почти постоянным для всех планет. В этом произведении m означает массу планеты, R — ее расстояние от Солнца, r — ее радиус и Р — период ее вращения вокруг оси. Так это оказывается и на самом деле. Наибольшее уклонение от этого закона обнаруживают Юпитер и Сатурн. Но по ряду соображений мы уже и раньше были склонны думать, что видимый радиус этих планет, подставленный в эту формулу, не есть действительный радиус их твердой поверхности — это радиус видимой границы их обширной и плотной атмосферы. Чтобы получить величину ω для Юпитера, близкой к тому, что получается для планет типа Земли и Марса (не внушающих подобных подозрений), надо допустить, что у Юпитера средняя плотность та же, что у Земли, и что тогда сам он лишь в 6,8 раз больше Земли (по диаметру). Почти половину его видимого радиуса составляет в этом случае толщина его обширной непрозрачной атмосферы. Но почти в точности к такому же соотношению размеров планеты и ее атмосферы приходил раньше и Джефрейс, хотя его соображения были совершенно иные.

m2/3√RP/r2=ω

Что касается Меркурия и Венеры, то их первоначальное вращение к настоящему времени заторможено действием приливов, ибо приливное действие Солнца на эти ближайшие к нему планеты весьма велико.

Подобным же образом, но в меньшей степени, Луна и Солнце своим приливным воздействием затормозили суточное вращение Земли. Раньше Земля вращалась быстрее.

Слипание вместе метеоритов, двигавшихся по продолговатым эллипсам с различно расположенными большими полуосями, приведет после слияния их к движению по орбите, более близкой к окружности. Чем больше метеоритов слипается, т. е. чем больше разнообразие направлений больших полуосей их орбит, тем ближе будет к окружности орбита планеты. Действительно, орбиты крупных планет, Юпитера и Сатурна, менее продолговаты, чем орбиты Меркурия и Марса.

Но как распределяются планеты по своим расстояниям от Солнца? Ответ на этот вопрос, найденный О. Ю. Шмидтом, получился неожиданно простым. Оказывается, момент количества движения, рассчитанный на единицу массы планеты, будет возрастать в арифметической прогрессии при переходе от одной планеты к следующей. Для тел, движущихся по круговым орбитам, момент количества движения (на единицу массы) пропорционален корню квадратному из радиуса орбиты. Следовательно, корни квадратные из расстояний планет от Солнца (√R) должны возрастать в арифметической прогрессии.

Этот закон прекрасно согласуется с действительным распределением расстояний планет от Солнца, если только мы будем рассматривать отдельно группу планет, далеких от Солнца (от Юпитера до Плутона), и группу планет, близких к Солнцу (от Меркурия до Марса). Мы уже говорили, что часть метеоритов, находившихся в районе планет второй группы, упала на Солнце, и потому, рассматривая их расстояния от Солнца, нельзя объединять их с планетами, далекими от Солнца. Для планет, близких к Солнцу, √R возрастает в среднем на 0,20 при переходе от одной планеты к следующей. Гшэтому, взяв за исходное значение √R его истинное значение для Меркурия, можно построить следующую табличку:

Первая строка показывает метод вычисления √R, вторая строка дает вычисленные значения расстояний планет, а последняя строка — истинные расстояния. Согласие получается очень хорошим.

Для планет, далеких от Солнца, среднее возрастание Y~R получается равным 1,00 и потому, беря за исходное значение √R его истинное значение для Юпитера, получаем:

Согласие вычисленных и истинных расстояний получается прекрасным. Таким образом, О. Ю. Шмидту как будто удалось объяснить закон планетных расстояний, не получивший никакого теоретического обоснования в прежних космогонических теориях. Некоторые другие космогонические теории последнего времени также объясняют это явление, но иными путями.

Здесь мы дали представление лишь об одной из множества космогонических гипотез. Единого взгляда на процесс возникновения планет и спутников пока нет.