Но перо теоретика — это лишь перо теоретика. Теории требо­валось наблюдательное подтверждение.

Мыслилось следующее. Наверняка нейтронные звезды из­лучают очень слабо и не так уж часто встречаются, а значит, чересчур самонадеянно было бы искать нейтронную звезду на малом (скажем, 5-10 пк) расстоянии от нас. Следовательно, вряд ли возможно найти такой объект по его оптической све­тимости. Рентгеновская светимость очень горячей нейтронной звезды велика и могла бы быть обнаружена на очень значи­тельных расстояниях, но увы, расчеты показали, что первона­чально очень горячие нейтронные звезды остывают прискорб­но быстро и перестают эффективно излучать в рентгене. Какие еще параметры есть у нейтронной звезды? Масса, момент вра­щения и магнитное поле. Наиболее перспективным поиско­вым параметром астрономам казалась масса. Предполагалось, что некоторые невидимые спутники звезд могут быть нейтрон­

188

ными звездами, но проверить это не представлялось возмож­ным.

А между тем нейтронные звезды буквально «кричали» на всех длинах волн о своем существовании и были открыты во многом случайно.

С1964 года в Кавендишской лаборатории Кембриджского уни­верситета проводились исследования сцинтилляций (быстрых неправильных вариаций) потока радиоизлучения от космиче­ских источников. Сцинтилляции возникают при прохождении радиоизлучения через неоднородности плазмы внешней коро­ны Солнца и прилегающих областей. Для этих исследований ис­пользовался довольно большой по тем временам радиотелескоп метрового диапазона. Поскольку изучались быстротекущие про­цессы, постоянная времени («время накопления» сигнала) аппа­ратуры была очень малой, что, вообще говоря, совсем не харак­терно для радиоастрономии — ведь при уменьшении постоянной времени во столько же раз падает чувствительность аппаратуры! Естественно, постоянную времени увеличивали насколько воз­можно, чтобы «вытянуть» слабый сигнал из шума, но при этом теряли информацию о быстротекущих процессах. Впрочем, по этому поводу особенно не расстраивались...

И вот летом 1967 года аспирантка Джоселин Белл показала профессору Хыоишу сигналы от неизвестного источника, пока­зывающего сцинтиляцию ночью, что ни в какие ворота не лезло. В том же году после незначительной модернизации аппаратуры было установлено: сигнал имеет космическое происхождение и представляет собой короткие, длительностью около 50 миллисе­кунд, импульсы равной амплитуды, повторяющиеся через стро­го постоянный промежуток времени. К зиме того же года были открыты еще два аналогичных источника (сейчас они насчиты­ваются сотнями).

Чем бы это могло быть? После многих сомнений (не искус­ственного ли происхождения эти сигналы, не привет ли это нам от внеземных цивилизаций?) Хьюиш и его сотрудники все-таки опубликовали результаты. Таинственные источники периоди­

189

ческих сигналов были названы пульсарами. Но назвать-то про­сто — сложнее объяснить.

Не сразу, но все же довольно скоро пришло понимание: пуль­сарами могут быть только быстро вращающиеся намагниченные нейтронные звезды. Только у них период вращения может быть порядка секунды и даже сотых долей секунды — никакие дру­гие объекты не могут вращаться так быстро, а пульсация объекта не может объяснить строгую периодичность импульсов. Некие излучающие области бешено вращающихся нейтронных звезд работают по принципу проблескового маячка, и если мы оказы­ваемся в пределах конуса излучения, то принимаем периодиче­ские импульсы.

Короче говоря, нейтронные звезды искали не там, где нужно. Никому не приходило в голову, что эти объекты излучают столь­ко энергии, да еще и направленно.

Собственно, излучение возникает не на поверхности ней­тронной звезды, а в ее магнитосфере. Поясним. Если бы Солнце сжалось в нейтронную звезду, напряженность магнитного поля у его поверхности была бы огромна. Вращающийся намагни­ченный проводник создает вокруг себя электрическое поле. Составляющая этого поля, перпендикулярная к поверхности про­водника, будет стремиться вырвать из него заряды — электроны и ионы. И действительно вырывает. Электрическое поле разго­няет электроны и ионы «пульсарного ветра» до релятивистских энергий. Заряженные частицы вытекают из магнитосферы по силовым линиям, открытым в бесконечность. Но ведь нейтрон­ная звезда бешено вращается, и вместе с нею, разумеется, враща­ются вытекшие из нее заряды. Вблизи нейтронной звезды они будут вращаться с ее же угловой скоростью («твердотельное» вращение), но когда на некотором удалении линейная скорость вращения сравняется со скоростью света, релятивистские заря­ды уже не могут удаляться от нейтронной звезды по правильной спирали. У них появляется тангенциальная к силовым линиям магнитного поля составляющая скорости, рождая синхротрон- ное излучение огромной мощности. Его-то мы и наблюдаем

190

в импульсах от пульсара — конечно, если мы попадаем в конус излучения. Опять-таки, если полюса магнитного поля нейтрон­ной звезды совпадают с полюсами ее вращения, никаких импуль­сов не будет. Но так, по-видимому, бывает редко. Несовпадение магнитных полюсов с географическими — настолько заурядное явление, что ему не удивляется даже школьник, изучающий фи­зическую географию.

Вечно ли будем «мигать» пульсар? Нет. Теория предсказыва­ет, что примерно через ю млн лет нейтронная звезда перестанет быть пульсаром. Оно и неудивительно: ведь на поддержание из­лучения пульсар должен тратить энергию. Хуже того: теория ука­зывает на то, что лишь одна тысячная часть излучения пульсара наблюдается нами в виде импульсов, а остальные 99,9% прихо­дятся на излучение, не регистрируемое с Земли. Откуда же бе­рется энергия?

Из вращения. Хотя по стабильности посылки импульсов пуль­сары могут поспорить с молекулярными часами, все же наблю­дается постепенное увеличение их периодов. Например, пульсар в Крабовидной туманности «тикает» один раз в 0,033 секунды, однако этот период увеличивается на 0,0000000364 секунды в сутки. Теряемая энергия вращения заставляет пульсар «мигать», а Крабовидную (или какую-нибудь иную, если она вообще есть) туманность — светиться.

В1969 году был обнаружен прелюбопытный эффект: на фоне медленного увеличения периода пульсара PSR 0833-45 произо­шло скачкообразное уменьшение его периода. Следовательно, такое же скачкообразное ускорение вращения испытала ней­тронная звезда. Подобное явление с тех пор наблюдалось мно­го раз у самых разных пульсаров. С чего бы возникнуть таким сбоям? Предполагалось наличие у нейтронных звезд своео­бразной коры со свойствами твердого тела. А коли так, то за­медление вращения звезды меняет ее фигуру и приводит к на­растанию напряжений в коре, которые должны периодически сбрасываться. При вертикальных подвижках коры с амплиту­дой всего-навсего 1 мкм и должны наблюдаться скачки периода

191

вращения. Это явление моментально было окрещено «звездо- трясениями».

Однако в последние годы астрономы полагают, что причина по крайней мере некоторых звездотрясений лежит глубже, под корой нейтронной звезды, в плотной мантии, состоящей из тя­желых ядер и пронизанной потоками сверхтекучей нейтронной жидкости. Здесь существенны квантовые эффекты.

Конечно, звездотрясения и связанные с ними скачкообраз­ные ускорения вращения нейтронной звезды могут лишь немно­го притормозить общее замедление ее вращения, но не отменить его совсем. Со временем пульсар успокаивается. К тому времени его период составляет уже несколько секунд, и его скорость вра­щения недостаточна для генерации потока излучения, который мог бы регистрироваться на Земле. Старые нейтронные звезды успокаиваются, как и подобает трупам звезд.

Но не все из них. Некоторые, входящие в состав тесных двой­ных систем или имеющие планеты, могут преподнести удивлен­ному наблюдателю настоящую «пляску мертвецов». Например, планета, обращающаяся вокруг нейтронной звезды чрезвычайно быстро (такие известны), мало-помалу теряет гравитационную энергию за счет излучения гравитационных волн и понемногу приближается к нейтронной звезде. Кончиться это может только одним: разрушением планеты приливными силами и выпадени­ем ее материи на нейтронную звезду. Катаклизм еще больших масштабов может случиться при слиянии двух нейтронных звезд, образовывавших прежде двойную систему. Но даже если второй компонент тесной двойной системы — обычная звезда, ей уготованы неприятные сюрпризы, а нейтронной звезде — вторая молодость, или, если угодно, зомбификация. Струи вещества, вырванные из обычной звезды, образуют вокруг нейтронной звезды аккреционный диск, из которого происходит выпадение вещества на нейтронную звезду. Если падающее вещество име­ет скорость большую, чем скорость вращения нейтронной звез­ды, оно способно раскрутить ее до безумных скоростей порядка юоо оборотов в секунду! Нейтронная звезда может завертеть­

192

ся быстрее, чем в дни ее молодости, и, разумеется, снова станет пульсаром, если ее магнитное поле не сильно ослабло.

Такие двойные системы часто являются источниками пе­риодических рентгеновских вспышек. Механизм их в сущности тот же, что у новых звезд, — термоядерные взрывы обычного звездного вещества, накопившегося на поверхности нейтронной звезды.

Существуют ли звезды еще более плотные, чем нейтронные? Мы не имеем в виду объекты, широко известные публике под именем черных дыр, поскольку такие объекты уже не являются звездами. В принципе теория допускает существование кварко­вых звезд раза в два меньшего радиуса, чем нейтронные, при той же массе. Но пока такие объекты не выявлены.

Рассказ о Сверхновых в популярной литературе обычно начи­нается с летописных свидетельств о появлении «звезды-гостьи» в 1054 году. На этом месте в созвездии Тельца и сейчас можно видеть остаток катаклизма — знаменитую Крабовидную туман­ность, отмеченную номером первым еще в каталоге Шарля Мессье, и не менее знаменитый пульсар в ее середине.

Среди ученых мало беспочвенных фантазеров, поэтому к опи­саниям астрономических явлений в старинных хрониках у них отношение скептическое. Скальпель Оккама работает уверен­но, сводя неизвестное к известному. «Звезда-гостья»? По всей видимости, наблюдалась обычная вспышка новой звезды, рас­положенной сравнительно близко от Солнца. В конце XIX века феномен новых звезд был хорошо известен астрономам. Не по­нимая природы их вспышек (иногда до -7 абсолютной звездной величины), они тем не менее приняли новые звезды как объек­тивную реальность, подтвержденную многочисленными наблю­дениями.

Но в 1885 году астроном Гартвиг на обсерватории в Тарту обнаружил новую звезду в туманности Андромеды. Эта звезда имела светимость в 6,5^т, иначе говоря, была лишь на 2 звездные величины слабее (в 6,25 раз), чем вся туманность Андромеды. За две недели до максимума блеска звезда была д-й величины, а через год стала недоступной для земных телескопов. Следует сказать, что в 1885 году не существовало никаких проверяемых идей ни насчет природы туманности Андромеды, ни насчет рас­стояния до нее. Туманности спиральной формы считались газо­пылевыми образованиями, возможно, связанными с процессами рождения звезд, и уж во всяком случае принадлежащими нашей Галактике. Правда, гипотеза «островных вселенных» к тому вре-

194

мени существовала уже сотню лет, но по-прежнему носила чисто умозрительный характер. Поэтому логично было предположить, что открыта очередная новая, возможно, несколько необычная, но и только. Однако Гартвиг — и в этом его большая заслуга — продолжил наблюдения странной звезды и построил кривую из­менения ее светимости.

Позже было открыто еще несколько звезд того же рода в дру­гих туманностях — спиральных, эллиптических, неправильных. Случалось, что блеск звезды превосходил блеск туманности на несколько звездных величин. Но только когда окончательно выяснилось, что эти туманности являют собой галактики, по­добные нашему Млечному Пути, стал ясен масштаб явления. Вспыхивающие в этих галактиках звезды оказались пример­но на 12 звездных величин ярче обычных новых! Зато и вспы­хивали они на несколько порядков реже. Это значило, что на­блюдается нечто совершенно неординарное и, по всей види­мости, не имеющее к новым никакого отношения. Первым эту гипотезу выдвинул в 1919 году шведский астроном Лундмарк, а в 1934 году Цвикки и Бааде предложили для этих звезд термин «Сверхновые» (SuperNova). При всей бессмысленности это на­звание устоялось, и теперь, когда мы слышим о том, что где-то вспыхнула Сверхновая, мы понимаем: речь идет об особом явле­нии, характеризующимся прежде всего масштабом, а не потря­сающей внезапностью.

Для справки: в Галактике ежегодно вспыхивают десятки новых звезд. Что до Сверхновых, то считается, что в среднем в Галактике вспыхивает одна Сверхновая в 30 лет, но, конечно, далеко не все они наблюдаются. Звезда, вспыхнувшая в богатой пылью пло­скости галактического диска на расстоянии в несколько кпк от нас, не может быть наблюдаемой в оптическом диапазоне, а зна­чит, велика вероятность того, что она «ускользнет» от нас. Ведь нейтринные детекторы и приемники гамма-излучения по сути только регистрируют события, а рентгеновские, инфракрасные и радиотелескопы имеют узкую диаграмму направленности — как узнать заранее, в какую точку неба навести инструмент? Если мы

195

легко можем построить кривую блеска Сверхновой, отслеживая их вспышки в других галактиках (для этого, конечно, приходит­ся «держать под надзором» тысячи галактик, так как неясно, в которой из них произойдет вспышка), то как мы можем просле­дить за эволюцией остатков вспыхнувшей звезды? Ведь давно было ясно, что вспышки Сверхновых суть взрывы колоссальных масштабов, сопровождающиеся разрушением звезды.

Тут-то и пригодились сведения о Сверхновых, вспыхивавших в историческое время. Лундмарк и его последователи доказали, что в нашей Галактике в историческое время наблюдались по меньшей мере 5 Сверхновых: в 1006, 1054, 1181, 1572 и 1604 го­дах. На месте всех этих вспыхнувших звезд сегодня наблюдаются своеобразные светлые туманности, состоящие из быстро расши­ряющегося горячего газа. Известно немало остатков Сверхновых, вспыхнувших в доисторическое время; хороший пример — ту­манность «Рыбачья сеть» в Лебеде. Вид этих туманностей разли­чен. Иногда это более или менее сферические расширяющиеся оболочки; иногда же, напротив, яркость туманности повышается к центру — такие остатки Сверхновых называются пперионами. Встречаются и комбинации оболочки и плериона.

Интересен остаток Сверхновой, известный с 1948 года под именем радиоисточника Кассиопея А. В оптическом диапазоне на этом месте наблюдается какой-то неубедительный клочок газового волокна, тогда как в радиолучах источник необыкно­венно ярок и имеет структуру оболочки, что подтверждается и рентгеновским изображением. Но не надо думать, что взрывы различных Сверхновых породят одинаковые туманности. На вид туманности влияют не только динамические характеристики породившего ее взрыва, но и свойства среды, в которой произо­шел взрыв. Пресловутого «космического вакуума» не существу­ет — межзвездная среда, хотя материя в ней очень разрежена, вакуумом не является. Межзвездный газ можно сжать, уплот­нить взрывом, по нему могут распространяться ударные волны. В межзвездной среде существуют многочисленные неоднород­ности, уплотнения, и, как мы знаем из предыдущей главы, они

196

не имеют тенденции к «рассасыванию», скорее наоборот. Газ, расширяющийся со скоростью от юоо до Ю ООО км/с для разных типов Сверхновых, порождает ударную волну, обжимающую не­однородности, распределенные, естественно, случайным обра­зом, и в результате рождается светлая туманность своего, только ей присущего вида.

Наиболее хорошо изучена Крабовидная туманность — оста­ток Сверхновой 1054 года. Крабовидной ее назвал лорд Росс, усмотревший ее сходство с клешней краба. В этом сходстве мо­жет убедиться всякий, кто имеет телескоп с апертурой от юо мм и выберет прозрачную ночь без засветки. Крабовидная туман­ность — плерион, но необычный, В крупные телескопы стано­вится заметна волокнистая структура, погруженная в «аморф­ный» газ, а на фотографиях, сделанных через светофильтр, пропускающий красную линию водорода, волокна доминируют. Пространственная модель волокон сложна, и именно спектр во­локон содержит яркие линии излучения. Если сфотографировать «Краба» через светофильтр, вырезающий эти линии, то никаких волокон заметно не будет.

Это первая странность, а вот вторая: излучение Крабовидной туманности оказалось линейно поляризованным. Третья стран­ность: быстрые изменения распределения яркости «Краба». Все это можно объяснить следующим образом: в Крабовидной туманности имеется магнитное поле, и ее излучение является преимущественно не тепловым, а синхротронным. О том же го­ворит и спектр. Напомним: синхротронное излучение испускают заряженные частицы — электроны и протоны, — двигающиеся с релятивистскими скоростями по траекториям, искривленным магнитным полем. Напряженность поля может быть не очень большой — главное, чтобы заряженные частицы двигались с субсветовыми скоростями. Источником релятивистских частиц является знаменитый пульсар, находящийся в центре «Краба».

Крабовидная туманность расширяется — ведь в 1054 году вся она находилась в одной «точке». Логично было бы предпо­ложить, что расширение туманности постепенно замедляется

197

торможением о межзвездную среду. Тем неожиданнее оказал­ся вывод астрономов, сделанный на основе точных измерений скорости расширения: Крабовидная туманность расширяется ускоренно. Если бы туманность расширялась с постоянной ско­ростью, равной нынешней, то ее расширение началось бы около 1190 года, а не в 1054 году. Датировка «звезды-гостьи» сомнений не вызывает, а значит туманность расширяется с ускорением, равным 0,0016 см/с². Причина ускорения — давление реляти­вистских частиц, непрерывно выбрасываемых пульсаром.

Однако не во всех остатках Сверхновых имеются пульсары. Не так уж редко внутри «пузыря» расширяющейся после взрыва материи есть нейтронная звезда, а пульсара нет, причем объяс­нение этого феномена не обязательно заключается в том, что «проблесковый маячок» неудачно направлен. Объяснение в другом: некоторые молодые нейтронные звезды не являются пульсарами. Еще одно подтверждение того, что Природа сложна и горазда на выдумки...

Случается и так: остаток Сверхновой есть, а внутри него вооб­ще нет никакой нейтронной звезды. Этому может быть два объ­яснения. Первое исходит из того, что взрыв звезды никогда не бывает строго симметричным, а энергия взрыва такова, что даже небольшая асимметрия сообщает нейтронной звезде скорость порядка нескольких сотен километров в секунду. Высокая внача­ле скорость расширения оболочки постепенно уменьшается тор­можением о межзвездную среду, и рано или поздно наступает момент, когда скорость нейтронной звезды, не испытывающей торможения, уже превышает скорость расширения оболочки. С этого момента уже ничто не мешает звезде покинуть туман­ность, это только вопрос времени. Естественно, такой сценарий подходит прежде всего для старых остатков Сверхновых.

Возможен и более интригующий вариант: полное уничтоже­ние звезды в результате взрыва. Из теоретических выкладок сле­дует, что при сравнительно небольшой массе взорвавшейся звез­ды ее центральные области коллапсируют в нейтронную звезду. При большей массе — в черную дыру. При еще большей массе

198

звезда разлетается полностью. Но если масса исходной звезды еще больше, то в результате взрыва образуется опять-таки чер­ная дыра. Справедливы ли эти выкладки — покажет будущее.

Итак, феномен Сверхновых изучен хотя бы в первом прибли­жении, доступны для изучения и многие остатки их взрывов. Но возникает закономерный вопрос: в чем, собственно, кроется причина взрывов звезд?

Строго говоря, однозначного ответа на этот весьма непростой вопрос пока еще не существует. Ясно лишь, что сценарии взрыва различны для различных звезд. Астрономы уже давно раздели­ли Сверхновые на два типа — I и II — и каждый из них еще на несколько подтипов.

Сверхновые I типа вспыхивают повсеместно — и в спираль­ных галактиках, и в эллиптических, и в неправильных. В нашей Галактике они не тяготеют к спиральным рукавам и даже к га­лактическому диску, вспыхивая порой на значительной высо­те над ним. Это старые звезды с относительно небольшими (но более 1,2 солнечной) массами, добравшиеся до стадии красного гиганта. Именно по протяженной атмосфере красного гиганта первоначально распространяется ударная волна, и именно рас­ширяющиеся внешние слои красного гиганта, нагретые ударной волной до очень высокой температуры, обеспечивают высокую светимость Сверхновой. Все кривые блеска Сверхновых I типа схожи между собой, а Сверхновые подтипа 1а являются по сути «стандартными свечами», имея в максимуме одинаковую свети­мость. Это обстоятельство оказалось очень кстати для определе­ния расстояний до галактик, где вспыхивают такие Сверхновые.

Сверхновые II типа вспыхивают только в спиральных и непра­вильных галактиках. В спиральных системах они вспыхивают в рукавах. Уже одно это обстоятельство говорит о том, что в каче­стве Сверхновых II типа взрываются массивные звезды, родив­шиеся в рукавах и не успевшие за время своей короткой жизни покинуть рукав. Ясно, что и эти звезды взрываются на поздних стадиях своей эволюции, ибо молодой звезде, недавно «севшей» на главную последовательность, взрываться просто «не с чего».

199

Кривые блеска этих Сверхновых иные — максимумы уже, блеск после максимума спадает быстрее, иногда наблюдаются локаль­ные вторичные максимумы и т. д. Похоже, Сверхновые II типа не представляют собой однородной группы объектов.

Это тем более вероятно, что существуют по меньшей мере два остатка Сверхновых, вспыхнувших в относительно недавнее время и почему-то не наблюдавшихся. Первый — это уже упо­мянутый источник Кассиопея А. Сверхновая, давшая ему нача­ло, должна была вспыхнуть около 1670 года, однако ничего по­добного европейские астрономы не заметили. Можно, конечно, предположить, что в то время над Европой несколько недель стояла облачность, но все же выходит как-то странно, да и оста­ток Сверхновой совсем не типичный...

Еще один пример — рентгеновский источник в созвездии Парусов. Рентгеновское излучение испускает облако газа диаме­тром около 25 св. лет, а расстояние до облака всего 650 св, лет, что делает его ближайшим к нам остатком Сверхновой. Согласно расчетам, эта вспышка произошла около 1250 года — и снова не была отражена ни в каких письменных источниках. А ведь эта Сверхновая на ночном небе должна была уступать яркостью только Луне! Конечно, на это можно возразить, что китайцам (а наблюдать эту часть южного полушария неба могли по сути только они) в первые десятилетия монгольского владычества было не до астрономических наблюдений, а если наблюдения все-таки велись, то записи о них могли быть уничтожены в те бурные времена... но можно поискать и другую причину.

Например. Что произойдет, если взорвется не красный ги­гант (или сверхгигант), а звезда главной последовательности или компактная W-звезда, не имеющая внешней протяженной оболочки? Расчеты советских теоретиков B.C. Имшенника и Д.К. Надежина показали: в этом случае кривые блеска качествен­но отличаются от соответствующих кривых Сверхновых I и II ти­пов. Прежде всего, максимум блеска оказывается очень резким и длится не более 20 минут. Физический смысл прост: отсутствует среда, по которой распространяется и которую нагревает удар­

200

ная волна. «Из ничего не выйдет ничего», — говорил король Лир. Если нечего нагревать, то нечему и светиться. Похоже, речь идет о совершенно новом типе Сверхновых... Впрочем, данных пока недостаточно.

Но какие процессы идут в звезде в момент взрыва? И почему она, собственно говоря, может взорваться?

Одна из теоретических моделей такова. Предок Сверхновой — массивный красный сверхгигант (речь идет о Сверхновой II типа) с протяженной внешней оболочкой. Внутри сверхгиганта, как мы знаем, формируется весьма плотное горячее ядро — «зародыш» белого карлика. Но если его масса больше чандрасекаровского предела, ядро сколлапсирует в нейтронную звезду независимо от того, есть вокруг него протяженная оболочка или нет. Но в случае сверхгиганта оболочка, конечно, есть. Как она себя по­ведет?

Оболочка обрушится на ядро.

Важно, что химический состав оболочки уже совсем не тот, что был когда-то у молодой звезды, В падающем на ядро веще­стве относительно мало водорода, зато много гелия, а главное, более тяжелых элементов, накопившихся в звезде преклонного возраста: углерода, азота, кислорода, неона. На этих ядрах при достижении определенной температуры пойдут ядерные реак­ции. В отличие от знакомых нам протон-протонной реакции и углеродно-азотного цикла, эти реакции не сопровождаются бета- распадом, не зависящим от температуры, а значит, будут иметь бурный, по сути взрывной характер.

Массивное ядро предсверхновой должно иметь температуру порядка миллиарда градусов и состоять из элементов группы железа. Для образования более тяжелых ядер температуры в миллиард градусов уже не хватает. Ядро должно быть окружено внутренней оболочкой, или мантией, состоящей из ядер элемен­тов типа углерода, азота, кислорода и др., являющихся потенци­альной «взрывчаткой». Выше находится довольно разреженная водородно-гелиевая оболочка. Согласно расчетам английских теоретиков Хойла и Фаулера, при массе предсверхновой в 30 сол­

201

нечных масс на долю ядра придется з массы Солнца, на долю мантии — 15, а остальное достанется внешней оболочке.

Как только ядерные реакции в ядре иссякают и давление све­та перестает уравновешивать силу гравитации, ядро «обруши­вается внутрь себя» — коллапсирует в нейтронную звезду. Этот процесс занимает всего-навсего около одной секунды. Наружные слои звезды немедленно начинают падать к ее центру. Еще через секунду падающее вещество нагреется настолько, что создадутся условия для колоссального ядерного взрыва.

Важный момент: сжатие должно происходить катастрофиче­ски быстро, а этому может помешать выделяющаяся тепловая энергия. Если она не будет куда-то отводиться, то никакого взры­ва не произойдет. Один из возможных «холодильников» — дис­социация ядер железа на альфа-частицы и нейтроны. При этом процессе поглощается масса энергии. Второй возможный «холо­дильник» — это реакции позитронов с нейтронами с образовани­ем протонов и нейтрино, а также электронов с протонами с обра­зованием нейтронов и опять-таки нейтрино. Последние беспре­пятственно покидают звезду, унося массу энергии. Собственно, уже начиная с температуры в полмиллиарда кельвинов нейтрин­ное излучение звезды превосходит ее фотонное излучение.

Окончательные условия для взрыва создает резкая останов­ка падающего вещества. Когда температура сжимающегося ядра поднимается до десятков миллиардов кельвинов, а плотность приближается к плотности нейтронной звезды, вещество пере­стает быть прозрачным для нейтрино. Последние будут эффек­тивно поглощаться, что выключит «холодильник» и остановит сжатие как раз в нужный для взрыва момент. Другой причиной остановки сжатия могут служить центробежные силы, возника­ющие из-за вращения звезды. Так как существенную роль при этом играет магнитное поле ядра будущей сверхновой (по сути данное ядро представляет собой нейтронную звезду), то данный механизм получил название магниторотационного. Впервые он был предложен советским ученым Г.С. Бисноватым-Коганом в 1970 году. Часть вращательной энергии ядра переходит в ки­

202

нетическую энергию оболочки и происходит ее разлет. Звезда взрывается.

Драматичный финал, не правда ли? Разумеется, возникает «шкурный» вопрос: не может ли наше Солнце вспыхнуть как Сверхновая, если не теперь, так в будущем? Разумеется, речь идет о Сверхновой I типа, поскольку Сверхновые II типа — это массивные звезды, ничуть не похожие на Солнце.

По современным представлениям — нет, Солнце не может взорваться. И не только потому, что оно еще достаточно моло­до, а взрываются лишь старые звезды, да и то далеко не все из них. Масса Солнца чересчур мала для взрыва — она меньше чан- драсекаровского предела, а значит, не получится ни нейтронной звезды, ни падающего на нее перегретого вещества, готового к взрыву. Далекое будущее Солнца — белый карлик, а при их «про­изводстве» Природа обходится без впечатляющих эффектов...

Любопытнейшей оказалась Сверхновая 1987 года, вспых­нувшая в Большом Магеллановом Облаке. Подняв фотоснимки звездных полей в БМО, астрономы с удивлением обнаружили: взорвался голубой сверхгигант. Факт озадачил теоретиков: до той поры считалось, что предсверхновые — обязательно красные гиганты и сверхгиганты. Но недоразумение в конце концов раз­решилось. Когда в звезде загорается многослойный источник ядерных реакций, она начинает сдвигаться влево на диаграмме Герцшпрунга-Рессела и вполне может попасть из области крас­ных гигантов в область голубых звезд, но, конечно, не главной последовательности, а выше. По всей совокупности накоплен­ных данных, звезды главной последовательности взрываться как сверхновые не могут — в их недрах еще нет подходящей «взрыв­чатки», а если ее нет, то и взрываться нечему.

Напоследок осталось сказать, что вспышкам Сверхновых мы обязаны не чем-нибудь, а самим фактом своего существования. Ведь первоначальная газовая среда, имевшаяся во Вселенной до вспышки первой Сверхновой, химически была очень бедна. Без Сверхновых она и сейчас состояла бы из первичных элементов плюс рассеявшееся вещество планетарных туманностей, обога­

203

щенное элементами не тяжелее неона, да еще углеродных вы­бросов некоторых красных сверхгигантов, прозванных «коп­тящими» звездами. Из таких скудных ингредиентов даже при­личной планеты не слепишь, не говоря уже о жизни. Нет, это прекрасно, что физические законы нашей Вселенной позволяют некоторым звездам взрываться, обогащая межзвездную среду тяжелыми элементами!

И совершенно понятным становится тот факт, что одних тя­желых элементов во Вселенной много, а других, напротив, мало. Их обилие диктуется вероятностью той или иной ядерной реак­ции в момент вспышки Сверхновой. Мало подходящих ядер, нет достаточной температуры, продукт реакции готов немедленно прореагировать с образованием новых ядер — и вот результат: этого элемента во Вселенной мало по сравнению с его ближай­шими соседями по периодической таблице.

Да, после взрывов звезд часть их массы безвозвратно теряет­ся, идя на образование в сущности мертвого объекта — нейтрон­ной звезды. Но оболочки Сверхновых возвращаются в круго­ворот материи, не только подстегивая звездообразование, но и обогащая Вселенную новыми явлениями, подчас поразительной сложности.

Одним из этих явлений имеем удовольствие пользоваться мы с вами. Это — жизнь.

ЧАСТЬ IV ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Выделить разговор о черных дырах в особый, пусть малень­кий, раздел книги нас заставило вполне тривиальное соображе­ние: черная дыра — не звезда. По крайней мере — в том смыс­ле, какой мы вкладывали в это понятие в предыдущем разделе. Либо уже не звезда, подобно тому, как труп человека — уже не человек, либо она никогда и не была звездой.

Черные дыры — одни из наиболее популярных астрофизиче­ских объектов. Редкая научно-фантастическая книжка, хотя бы краешком затрагивающая космические проблемы, обходится без их упоминания. То же самое относится и к фильмам, и даже к компьютерным играм.

В научном же мире интерес к черным дырам то затихает (когда уже кажется, что все их тайны получили свое объяснение), то сно­ва разгорается (когда в очередной раз оказывается, что это было не совсем так). Впрочем, в последнее время от отсутствия внима­ния черные дыры явно не страдали. Мосты Эйнштейна-Розена (они же «кротовые норы»), «машины времени», возможное об­разование мини черных дыр в атмосферных ливнях частиц, по­рождаемых высокоэнергичными космическими лучами (если справедливы предположения о числе пространственных макро­измерений нашего мира, превышающем три общеизвестных). — вот лишь короткий список «горячих» научных тем последнего времени, в которых черные дыры принимают ключевое участие.

Насколько нам сейчас известно, исторически первым ученым, придумавшим объект, определенным образом напоминающий черную дыру, был английский священник и теолог, один из осно­вателей научной сейсмологии Джон Митчелл. В 1783 году он из­ложил свои соображения в докладе Лондонскому Королевскому обществу. Но, как это довольно часто происходило в истории науки, сообщение осталось практически незамеченным, так что долгое время первооткрывателем считался знаменитый фран­цузский ученый Лаплас, через одиннадцать лет после Митчелла пришедший к похожим выводам и опубликовавший их в своей

20б

книге «Изложение системы мира». Доклад же Митчелла был найден в «Философских трудах Лондонского Королевского об­щества» только лишь в 1984 году.

Идея Митчелла и Лапласа была очень простой: они предпо­ложили, что в природе могут существовать тела, для которых скорость, необходимая для преодоления гравитационного при­тяжения, превышает скорость света. Поэтому такие тела будут темными, невидимыми для наблюдателя, хотя и могут проявлять себя гравитационным воздействием на другие объекты. По словам Лапласа, «звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаме­тром в 250 раз большим диаметра Солнца, не дает никакому све­товому лучу достичь нас благодаря своему тяготению, а потому не исключено, что самые яркие тела во Вселенной по этой причине невидимы». А Митчелл предложил искать такие звезды по анали­зу движения второй звезды в двойной системе — метод, наиболее широко сейчас использующийся д ля нахождения черных дыр.

Математически же соображения двух ученых сводятся к на­хождению радиуса R звезды данной массы М, для которой вто­рая комическая скорость равна скорости света с.

Выражение для второй космической скорости можно полу­чить из условия равенства суммы потенциальной и кинетической энергии тела нулю, т. е. частица уходит с поверхности звезды на бесконечность и обладает там нулевой скоростью. Подставив в качестве значения начальной скорости скорость света, оконча­тельно получим: R_g = где R_g — так называемый гравита­ционный радиус тела, G — постоянная тяготения.

Увы, все эти рассуждения были не только очень простыми, но и неправильными тоже. При скоростях, близких к скорости света, формула для кинетической энергии будет весьма сильно отличать­ся от классического случая. Формула для потенциальной энергии в сильных гравитационных полях тоже меняет свой вид. Да и отно­шение к свету как к потоку маленьких пушечных ядер неправомер­но — в частности, скорость света, как известно, константа и не мо­жет, следовательно, стремиться к нулю (пусть и на бесконечности).

Решение для черной дыры, свободное от этих недостатков, было получено в 1916 году немецким астрономом Карлом Шварц-

207

шильдом на основе анализа уравнений Общей теории относитель­ности, незадолго до этого выписанных Альбертом Эйнштейном. Довольно неожиданно, но в этом точном решении появляется ве­личина размерности расстояния, выражение для которой в точно­сти совпадает с уже выписанной «неправильной» формулой.

Казалось бы, это не очень распространенный, но все же встреча­ющийся случай в науке, когда ошибки «упрощенного» решения в точности компенсируют друг друга. Но на самом деле это, конечно, не так. В решении Шварцшильда на радиусе R_g происходит нечто большее, чем просто выравнивание скорости света и второй кос­мической скорости. И даже не большее, а принципиально иное.

Существует несложный вопрос на сообразительность: мож­но ли долететь до Луны на ракете, летящей со скоростью «Запорожца»? Несмотря на то что вопрос несложный, очень ча­сто на него отвечают «нет». Нужна, дескать, вторая космическая скорость (или чуть меньшая при полете по эллипсу).

На самом деле ответ, конечно, неверный, улететь можно. Формулы для космических скоростей справедливы для тела, летя­щего свободно (после первоначального толчка). Если же двигатель ракеты будет работать непрерывно, то долететь до Луны можно бу­дет даже со скоростью черепахи (рано или поздно). Иное дело, что такой полет потребует слишком большого расхода горючего.

Другим примером подобного рода является подъем по лест­нице — никуда не спеша, можно подняться на высоту, до кото­рой никогда не получилось бы допрыгнуть. А располагая лест­ницей необходимой длины, можно повторить подвиг барона Мюнхгаузена из бессмертного кинофильма.

Все меняется, если перейти к рассмотрению черной дыры. Если мы находимся внутри так называемой сферы Шварцшильда (сферы радиуса R_g, описанной вокруг центра черной дыры), то вы­браться «наружу» нельзя никаким образом. Даже по лестнице...

Именно поэтому границу сферы Шварцшильда часто называют горизонтом событий. А также — односторонней проводящей мем­браной. Ведь, в отличие от известного анекдота, «выйти через вход» нельзя, чем горизонт событий очень похож на то самое анизотроп­ное шоссе из романа братьев Стругацких «Трудно быть богом».

208

Анализ решения Шварцшильда показывает, что силы гра­витации на горизонте событий стремятся к бесконечности, т. е. горизонт событий — это своего рода область «спрессованной» гравитации, что и обусловливает такую одностороннюю его про­водимость.

Но не следует думать, что некто, падающий в черную дыру, будет этими бесконечными силами расплющен. Данная так на­зываемая особенность является не физической, а лишь коорди­натной особенностью и существует только для внешнего непод­вижного наблюдателя. В системе координат, движущейся вместе с путешественником, данной особенности нет, и она не может ему помешать пересечь горизонт событий в целости и сохран­ности. Более того, сил гравитации он вообще чувствовать не бу­дет — так же, как в лифте, свободно падающем в поле тяготения Земли, будет царить невесомость (недолго, правда...).

Опасность для путешественника заключается в приливных силах, аналогичных по природе своей силам, поднимающим приливы в земных океанах и имеющим причиной разность гра­витационных сил, действующих на разные части тела. Этими силами путешественника будет стремиться вытянуть вдоль на­правления на центр черной дыры. Но максимум приливных сил не приходится на горизонт событий, они растут по мере прибли­жения к центру. Так что для черных дыр малой массы проблемы у путешественника начнутся еще до пересечения горизонта со­бытий, а для гигантских черных дыр — уже после.

Может возникнуть вопрос: если для путешественника осо­бенности на горизонте событий нет, то что может ему помешать выбраться из черной дыры наружу? Тут все дело в том, что, как показал советский астрофизик И.Д. Новиков, внутри черной дыры пространственные и временные координаты меняются местами.

Наглядно это можно представить следующим образом. Будем рассматривать не трех-, а двухмерное пространство, причем

209

вообразим его себе в виде куска гибкой пленки. Направим ось времени перпендикулярно этой пленке. А потом начнем по­мещать на пленку все более и более тяжелые шары (или, еще лучше, будем уменьшать размеры, увеличивая плотность, шара данной массы). Пленка будет изгибаться все сильнее и сильнее, пока наконец стенка «вмятины» не станет вертикальной. Мы получили модель черной дыры. Нетрудно заметить, что некто, путешествующий по стенке «вмятины», будет, таким образом, перемещаться по оси времени, т. е. центр черной дыры для пу­тешественника находится не на некотором расстоянии, а в непо­средственном будущем, и повернуть нельзя.

Другим интересным следствием данного обстоятельства яв­ляется то, что события, произошедшие во «внешнем» мире в те­чение определенного интервала времени, внутри черной дыры будут располагаться вдоль некоторого пространственного про­межутка. Иными словами, внутри черной дыры содержится ин­формация обо всех, даже еще не произошедших событиях в тече­ние всего времени существования Вселенной.

Уместным, пожалуй, будет развеять еще один распространен­ный миф, касающийся черных дыр, — о чудовищных плотно­стях, царящих внутри их. На самом деле это не совсем так, скорее даже, совсем не так.

Да, если в черную дыру превратить Солнце (гравитационный радиус для которого составляет з км) или тем более Землю (чуть меньше сантиметра), средняя плотность получившейся черной дыры превысит ядерную (ю¹⁴ г/см³). Но средняя плотность за­висит от массы по обратному квадратичному закону, так что для центральных черных дыр в ядрах галактик (в том числе и в на­шей), масса которых составляет порядка ю млрд масс Солнца, средняя плотность будет в несколько раз меньше плотности воз­духа.

К тому же, по современным представлениям, вся масса чер­ной дыры заключена в точечной сингулярности — бесконеч­но малой области пространства внутри черной дыры. Области пространства с бесконечно большой плотностью (и кривизной пространства-времени).

210

Впрочем... В физике любое появление бесконечно больших величин является признаком несовершенства теории. Не явля­ется исключением и сингулярность в черных дырах, причиной появления которой является отсутствие разработанной теории квантовой гравитации.

Вообще наглядно представить границу современных пред­ставлений о мире довольно просто. Очень хорошо этой цели слу­жит так называемый куб теорий, придуманный советским кос­мологом А. Зельмановым.

Представьте себе обычную трехмерную декартову систему ко­ординат, только вместо х, у, z по осям подписаны с (скорость све­та), G (гравитационная постоянная), h (постоянная Планка). Тогда вдоль оси G располагается классическая ньютоновская теория гравитации, вдоль оси с — специальная теории относительности, вдоль оси h — квантовая механика. Плоскость cG отвечает общей теории относительности, плоскость ch — не до конца еще разрабо­танной релятивистской квантовой теории (с ее наиболее успешной частью — квантовой электродинамикой). Всему кубу в целом отве­чает релятивистская квантовая теория гравитации, которая долж­на (по идее) описывать наш мир во всем его многообразии.

Из этих же констант (с, G, h) можно составить выражения для так называемых планковских величин — времени, расстояния, плотности. При выходе за границы, задаваемые этими величи­нами, мы должны использовать общую, еще не созданную тео­рию; так, для плотности граничное значение составляет порядка ю⁹³ г/см³. Пока же эта теория не создана, внутреннее устройство черной дыры в немалой степени остается предметом предполо­жений и домыслов.

К сожалению, именно в этой области лежат и наиболее «вкус­ные» идеи типа «машин времени», «пространственных мостов» и «ворот в другую Вселенную».

На внешний же мир гипотетическая внутренняя сингуляр­ность влияния оказать не может — по принципу «космиче­ской цензуры», разработанной английским ученым Роджером Пенроузом в 1969 году: прежде чем в результате гравитацион­ного коллапса неограниченно возрастет кривизна и разовьется

211

сингулярность, гравитационное поле достигнет такой силы, что перестанет выпускать информацию наружу, т. е. возникнет гори­зонт событий, окружающий сингулярность.

И вот теперь мы постепенно переходим к предпосылкам так называемого информационного парадокса черных дыр.

Черные дыры образуются на конечных стадиях эволюции мас­сивных звезд, причем массы, химический состав и внутреннее устройство этих звезд могут варьироваться в довольно широких пределах. Черные дыры ведут весьма бурную жизнь: они погло­щают окружающее вещество и целые звезды, излучают, могут сли­ваться, наконец. Существуют даже первичные черные дыры, об­разовавшиеся на начальных стадиях эволюции Вселенной. И если нижняя граница массы черной дыры (определенная из условия не­возрастания энтропии при коллапсе) определена довольно точно (примерно Ю¹⁵ г — впрочем, к первичным черным дырам это не от­носится), то верхняя до сих остается предметом предположений.

Казалось бы, такой разброс условий должен приводить к по­явлению разновидностей черных дыр, сильно отличающихся друг от друга — так же, как, например, отличаются звезды раз­ных спектральных классов и разных последовательностей.

Но на самом деле это не так. Усилиями многих ученых в 6о-х го­дах было показано, что черная дыра для внешнего наблюдателя характеризуется всего тремя величинами — массой М, моментом количества движения J (в случае вращающейся черной дыры) и электрическим зарядом Q (при его наличии). Все же осталь­ные индивидуальные особенности звезды-«родительницы» черной дыры в процессе гравитационного коллапса стираются. Отклонения от сферичности «высвечиваются» гравитационны­ми волнами, магнитное поле отрывается, остальная информа­ция исчезает под границей горизонта событий. Остается иде­ально сферичная область пространства (ведь никакой «твердой» поверхности у черной дыры, конечно же, нет).

Область идеально сферична даже в случае вращающейся чер­ной дыры, просто помимо горизонта событий у черной дыры по­является еще одна характерная поверхность — поверхность бес­конечного красного смещения, или же предел устойчивости. Она

212

совпадает с горизонтом событий на полюсах и, обладая централь­ноосевой симметрией, отходит на максимальное расстояние от него на экваторе. Решение для вращающейся черной дыры было получено Роем Керром в 1963 году, поэтому такие черные дыры зачастую называют керровскими (а невращающиеся, соответ­ственно, — шварцшильдовскими).

Между горизонтом событий и пределом устойчивости рас­полагается эргосфера. Обсуждение ее свойств — тема отдельного разговора, заметим лишь, что никакая материальная частица, попав в эргосферу, не может находиться в покое. Помимо этого, материальное тело способно не только проникнуть в эргосферу, но и выйти из нее за конечное время по часам далекого наблюда­теля. Причем при некоторых условиях — даже обладая энергией большей первоначальной. Впервые эти условия были определе­ны Роджером Пенроузом.

Таким образом, в мире черных дыр полностью отсутствует индивидуальность, все различие между ними может заключать­ся максимум в трех параметрах. Эта теорема получила широкую известность в шутливой формулировке, данной американским астрофизиком Джоном Уилером: «У черных дыр нет волос» (именно Уилеру, кстати, принадлежит авторство и самого тер­мина «черная дыра», впервые предложенного им в 1969 году. До этого использовались термины «темные» или «застывшие» звезды).

Вся же остальная информация, как уже было сказано, или вы­свечивается при образовании черной дыры, или бесследно ис­чезает в ее глубинах.

«Исчезновение» индивидуальных характеристик сколлпаси- ровавшего в черную дыру объекта не представляло проблемы, пока черные дыры считались вечными и неуничтожимыми. Ведь можно было считать, что информация не исчезла окончательно, она просто хранится в своего рода «законсервированном» виде.

Все изменилось, когда в рассмотрение стали вводить кван­товые эффекты в поле черных дыр. В 1970 году М.А. Марков и В.П. Фролов обнаружили, что из-за квантового рождения частиц из вакуума в поле заряженной черной дыры ее заряд уменьша­ется практически до полного его исчезновения. Почти сразу по­сле этого Я.Б. Зельдович и А.А. Старобинский показали, что ана­логичное явление происходит и вблизи вращающихся черных дыр, причем рождающийся поток частиц постепенно уменьшает энергию и угловой момент черной дыры.

Осенью 1973 года об этом результате было рассказано прие­хавшему в Москву Стивену Хокингу. И именно ему удалось сде­лать последний, решающий шаг и доказать, что излучают не только керровские, но шварцшильдовские черные дыры тоже. Поэтому такое излучение сейчас носит его имя.

Суть открытия Хокинга, математически довольно сложная, «на пальцах» может быть объяснена следующим образом.

Даже если мы рассмотрим совершенно пустой вакуум, это отнюдь не значит, что все поля в нем (гравитационные или, на­пример, электромагнитные) в точности равны нулю. Ведь к по­лям, как и к частицам, применим принцип неопределенности Гейзенберга, гласящий, что мы не можем одновременно точно измерить координату и импульс, т. е. произведение неопреде­ленности в импульсе на неопределенность в координате должно превышать постоянную Планка.

Таким образом, если сфокусировать внимание на опреде­ленной точке пространства, то мы увидим, что величина поля

214

— Черные дыры —

претерпевает некие небольшие флюктуации, называемые кван­товыми. А вакуум, в свою очередь, — не абсолютная пустота, а наинизшее состояние всех полей (хотя и малое, но отличное от нуля).

Данные квантовые флюктуации иначе можно интерпретиро­вать как рождение виртуальных частиц — пары частицы и анти­частицы, которая спустя очень короткий промежуток времени аннигилирует и возвращает взятую «взаймы» на свое рождение энергию, причем энергия и время существования пары связаны все тем же соотношением неопределенностей: чем больше энер­гия, тем короче время. И, хотя эти частицы и виртуальные, ока­зываемые их рождением эффекты вполне реальны — например, экранировка заряда протона, измеренная в эксперименте.

Но самое интересное начинается, если наложить на вакуум сильное внешнее поле. Это поле может «заплатить» за рожден­ные частицы долг, и они из разряда виртуальных перейдут в ре­альные. И это тоже было проделано в эксперименте, когда мощ­ным импульсом лазера из вакуума получилось «выбить» вполне реальные частицы.

Аналогичный процесс происходит и вблизи черных дыр, толь­ко роль внешнего играет гравитационное поле. Рожденная таким образом частица с положительной энергией может улететь от черной дыры, а частица с отрицательной — будет ею захвачена. И, воспользовавшись фундаментальной формулой Эйнштейна Е = тс², получим, что масса черной дыры в ходе этого процесса будет уменьшаться.

Иными словами, происходит постепенное «испарение» чер­ной дыры. И хотя природа излучения Хокинга, как мы видим, совершенно неклассическая и уж тем более не тепловая, при рас­четах можно считать, что черная дыра излучает как абсолютно черное тело, нагретое до определенной температуры, зависящей от массы черной дыры. Температура эта для черной дыры звезд­ной массы совершенно ничтожна — так, для Солнца она состав­ляет одну десятимиллионную часть кельвина, так что темп излу­чения Хокинга для таких черных дыр пренебрежимо мал.

215

Но при уменьшении массы черной дыры данная «эффек­тивная» температура растет, так что для черной дыры с массой

1 млрд т она превысит юо млрд К. Последние же тысячи тонн испаряются за одну десятую секунды, при этом выделяется энер­гия, эквивалентная одновременному взрыву миллиона мегатон- ных водородных бомб.

Интересно отметить, что, поставив в соотношение площадь поверхности черной дыры и меру ее энтропии, к выводу о не­избежности испарения черных дыр можно прийти практически с позиции классической термодинамики. И хотя такой подход имел неплохие шансы привести к успеху раньше (его развивал ученик Уиллера Джекоб Бекенштейн), последний шаг сделан им все же не был.

Итак, черные дыры излучают. До сих пор неизвестно, правда, что же происходит в самом конце испарения: исчезает ли чер­ная дыра полностью, или остается некая элементарная черная дыра планковских масштабов. Впрочем, в контексте «информа­ционного парадокса» это и не очень важно, ведь гипотетическая элементарная черная дыра не может, конечно же, вместить всего объема информации, попавшего в черную дыру на протяжении ее жизни. Излучение Хокинга в силу своего механизма инфор­мации тоже переносить не может.

Получается, информация необратимо теряется? Или, на язы­ке квантовой физики, чистое состояние переходит в смешанное?

Увы, это нарушает фундаментальный принцип все той же квантовой физики — требование так называемой унитарности любого преобразования. Применив обратное преобразование к полученному результату, мы должны вернуться к исходному со­стоянию. Или, иными словами, сумма всех вероятностей должна быть равна единице не только в исходный, но и в любой другой момент времени — информация должна сохраняться.

Это проблема и получила название «информационного пара­докса» черных дыр.

Его долго пытались решить с самых разных позиций. Например, выдвигались предположения, что внутри черной

216

дыры открываются своего рода «ворота» в другую Вселенную, куда информация и уходит. Сам Стивен Хокинг долго отстаивал идею, что сверхсильные гравитационные поля могут приводить к нарушению законов квантовой физики.

Его уверенность была столь велика, что он (на пару с Кипом Торном) даже заключил в 1997 году пари с Джоном Прескиллом на то, что информация все-таки теряется. Ставкой была энци­клопедия по выбору выигравшего — с аргументацией, что «уж из энциклопедии-то информацию выудить безусловно можно».

Заметим, что пари Хокинг заключает не в первый раз. В 1975 году он поспорил уже с Кипом Торном о том, что источ­ник Лебедь Х-1 не содержит черную дыру. Ставкой была годовая подписка на Penthouse против четырехгодичной подписки на PrivatEye.

То пари Стивен проиграл...

В июле 2004 года в Дублине, Ирландия, проходила очередная, 17-я по счету Международная конференция по общей теории отно­сительности и гравитации. Первоначально доклад Стивена Хокинга на ней не планировался, но незадолго до начала конференции он попросил у организаторов разрешения выступить с сообщением, посвященным решению «информационного парадокса». И, по словам Курта Катлера, германского ученого, исполнявшего роль председателя научного организационного комитета на конферен­ции, «хотя мне не был представлен даже препринт статьи, я решил положиться на научную репутацию Хокинга». 21 июля 2004 года Стивен Хокинг выступил на конференции с часовым докладом...

Надо сказать, выступление наделало много шуму. Информа­ция о нем промелькнула, пожалуй, в большинстве средств мас­совой информации, широко обсуждалась в Интернете. И это неу­дивительно, ведь помимо научной значимости предполагаемого решения проблемы с почти тридцатилетней историей, большое впечатление производит и сама личность Стивена Хокинга. Являясь одним из наиболее крупных современных ученых, че­ловеком с выдающимся интеллектом, физически он практиче­ски совершенно беспомощен. Тяжелое поражение центральной нервной системы (атрофирующий латеральный склероз) приве­ло к тому, что у него слегка действуют только пальцы на левой руке, которыми он управляет компьютером с синтезатором голо­са. Лекции в его исполнении производят незабываемое впечат­ление и навсегда остаются в памяти...

Но в изложении СМИ научные идеи зачастую предстают в не­узнаваемо искаженном виде. Например, тоже наделавшая много шума «Вселенная, имеющая форму футбольного мяча». В чем же на самом деле заключалась идея Хокинга?

218

Увы, это как раз тот случай, когда изложение в элементарном виде представляется практически невозможным. Ведь даже в на­учном сообществе единого мнения по поводу доклада Хокинга еще не сложилось. Этому в немалой степени способствует то обстоя­тельство, что статья Стивеном до сих пор еще не выпущена (хотя прошло уже более четырех лет), а сам доклад выполнен в стиле «легко видеть» с большим количеством логических скачков.

Однако сам Стивен совершенно уверен в правильности своей теории, и не только выразил желание выплатить свой проигрыш Джону Прескиллу, но даже уже выписал энциклопедию баскет­бола (заказанную Джоном) из Америки. По словам Стивена: «Я столкнулся с большими трудностями при попытке найти же­лаемую Джоном энциклопедию, так что попробовал предложить ему взамен энциклопедию по крикету. Однако убедить Джона в превосходстве крикета над баскетболом мне так и не удалось».

Так что сам Хокинг настроен весьма оптимистично. Однако наличие большого количества логических скачков в его доказа­тельстве не позволяет остальным ученым единогласно признать его правоту. Сложностью также является отсутствие (по крайней мере «классического») горизонта событий у «хокинговской» черной дыры, а ведь его существование следует из фундамен­тального принципа эквивалентности гравитационной и инерт­ной массы — основы Общей теории относительности.

Более того, даже в самом лучшем случае (если Стивен Хокинг во всем прав), в его работе не было предложено никакого кон­кретного механизма получения информации из черной дыры (за исключением общих слов). С этой точки зрения, интерес пред­ставляет подход к проблеме черных дыр с позиции теории струн, в рамках которого они рассматриваются как своего рода «скопи­ще» этих струн, а излучение Хокинга может содержать в себе ин­формацию о внутреннем устройстве дыры.

Но, как бы то ни было, черные дыры в очередной раз про­демонстрировали, что думать про окончательное раскрытие всех их загадок еще явно преждевременно. И, судя по всему, нас еще ожидает множество сюрпризов. Будем ждать...

219

Еще одним загадочным явлением, объяснить которое пы­таются в том числе с помощью черных дыр, являются гамма- всплески.

Вообще, надо признать, черные дыры в современной астрофи­зике часто играют роль своеобразных «палочек-выручалочек». Если мы что-то объяснить никак пока не можем — требуются, например, слишком большие уровни энергии, — то в качестве одного из вариантов возможного решения обязательно выступа­ют черные дыры. Так и получается: одну загадку мы объясняем через другую, пожалуй, не меньшую загадку.

Увы, другого выхода пока нет...

Итак, гамма-всплески. В 1963 году были запущены первые американские спутники-шпионы серии Vela, предназначенные для контроля за выполнением Советским Союзом Договора о за­прете ядерных испытаний. Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, так что замаскировать ту часть энергии, которая выделяется при взрыве атомной или термоя­дерной бомбы в этом диапазоне — невозможно. Даже при под­земном взрыве. И в 1967 году спутники серии Vela 4 эти гамма- вспышки действительно открыли.

Только не на Земле, а на небе.

А запущенные в 1969 году спутники серии Vela 5 набрали уже целую коллекцию таких событий. В связи с понятной секретно­стью, широкой научной общественности об открытии было со­общено только в 1973 году. И с тех самых пор гамма-всплески представляли (и, во многом, продолжают представлять) одну из наиболее жгучих астрономических загадок, на решение которой было потрачено очень много усилий.

Достаточно сказать, что к 1994 году было предложено свыше ста моделей гамма-всплесков!

220

И, конечно, одним из самых непонятных свойств гамма- всплесков была их громадная энергетика. Даже если считать, что они имеют галактическое происхождение, получается что энер­гия «вспышки» превышает ю⁴⁰ эрг. А так как гамма-всплески достаточно короткие — порядка секунд, то соответствующую ве­личину имеет и их светимость.

В одном только гамма-диапазоне!

Напомним, что общая по всем диапазонам светимость Солнца равна всего 4 х ю³³ эрг/с. А светимость всей Галактики в том же гамма-диапазоне не превышает 5 х ю³⁸ эрг/с.

Конечно, возможные механизмы, объясняющую такую энер­гетику (причем в «нужном» диапазоне), придуманы были. Почти все они были связаны с нейтронными звездами. Так, для объяс­нения привлекались, например, процессы быстрой перестройки магнитного поля нейтронной звезды, освобождение энергии при «звездотрясениях» и даже падение астероидов на нейтрон­ную звезду.

Гипотеза была довольно удобной, она позволяла объяснить в том числе и быструю переменность, наблюдаемую в гамма- всплеске. Переменность, указывающую на крайне небольшие размеры излучающей области.

Сильный удар по этой гипотезе нанес запуск в 1991 году американской орбитальной обсерватории «Комптон» с гамма- детектором BATSE. С помощью него было обнаружено огромное количество гамма-всплесков (около з тысяч) и окончательно подтвердилось то, что уже «вырисовывалось» раньше, на мень­шей статистике: гамма-всплески распределены по небу слишком изотропно, чтобы принадлежать нашей Галактике. Ведь наше Солнце находится не в самом ее центре, а достаточно суще­ственно «сбоку». Да и сама Галактика — отнюдь не сферически- симметрична.

Таким образом, оставалось три возможности.

1. Источники гамма-всплесков находятся от нас очень близ­ко — или в самой Солнечной системе, или внутри облака Оорта.

221

2. Источники «сидят» в весьма протяженном (не менее 200 кпк) гало вокруг Галактики.

3. Они удалены от нас на космологические расстояния (по­рядка гигапарсек).

Чтобы сделать однозначный выбор между этими возмож­ностями, требовалось «отождествить» гамма-всплеск с каким- нибудь астрономическим объектом. Увы, разрешение гамма- детекторов слишком мало (около углового градуса), в такую огромную зону попадает слишком много объектов, и ученые ока­зываются в положении человека, ищущего иголку в стоге сена.

Решающую помощь в выборе оказал запущенный в 1996 году итало-голландский спутник BeppoSax. Полученные им результа­ты стали настоящим прорывом в области исследования гамма- всплесков — и это несмотря на его вполне скромный бюджет.

Как видим, даже в современной науке такая ситуация еще возможна.

А причиной успеха стало то, что, помимо гамма-детектора, на борту BeppoSax был размещен и рентгеновский телескоп, а сам спутник был способен достаточно быстро «разворачи­ваться» в нужную сторону. И, обнаружив 28 февраля 1997 года гамма-всплеск, получивший обозначение GBR 970228 (принци­пы нумерации понять нетрудно), BeppoSax совершил маневр и «поймал» всплеск рентгеновским телескопом, имевшим угло­вое разрешение около угловой минуты. А такое разрешение уже позволяло «выдать целеуказание» оптическим телескопам, что и было сделано.

И успех не замедлил последовать. Очень скоро в так называе­мом «квадрате ошибок» рентгеновского телескопа BeppoSax был обнаружен затухающий оптический источник, расположенный в галактике с красным смещением (как было определено еще не­много позднее), равным 0,7.

Иначе говоря, этот гамма-всплеск действительно распола­гался от нас очень далеко, на космологических расстояниях. Наблюдения новых гамма-всплесков подтвердили тенденцию — как правило (с немногими исключениями) красное смещение

222

их «родительских» галактик находилось в районе единицы, а то и превышало ее.

Еще более расширить статистику позволил запуск в 2004 году космической обсерватории Swift (совместный проект США, Великобритании и Италии), несущей на борту гамма-детекторы, а также рентгеновский и оптический телескопы. Кроме того, Swift способен практически в режиме реального времени пере­давать информацию наземным роботизированным сетям опти­ческих телескопов. Так что сейчас космологическую природу гамма-всплесков можно считать доказанной.

На всякий случай заметим, что ничто, конечно, не мешает гамма-всплескам рождаться и в близких галактиках — и даже в нашей. Просто чем больше расстояние, тем больше галактик мы видим, и тем больше вероятность обнаружить что-то интересное. При условии достаточной светимости, конечно, но уж с этим-то у гамма-всплесков никаких проблем нет, скорее напротив.

Именно поэтому решение вопроса о природе гамма-всплесков немедленно вызвало к жизни новую загадку. Если даже из пред­положения о галактической природе гамма-всплесков получи­лись громадные энергии, то теперь энергии эти становились и вовсе запредельными! Тот же GRB 970228 в одном только гамма- диапазоне «высветил», получается, около 1,6 х ю⁵² эрг, если счи­тать, что энергия была выделена во все стороны равномерно. А еще более энергичный GRB 990123 — выделил аж 2 х ю⁵⁴ эрг.

Если бы такая вспышка произошла на другом конце нашей Галактики, то на небе она бы «сияла» (в гамма-диапазоне) как полуденное Солнце!

Помочь объяснить светимость, сравнимую со светимостью всей видимой Вселенной, скорее всего, не способен ни один из­вестный нам физический механизм. «Спасуют», думается, даже черные дыры. Поэтому общепринятой сегодня является модель «несимметричного» взрыва.

То, что мы видим, выделяется в достаточно узкой «струе»- Джете. Более того, есть модели, где таких джетов — два, «вло­женных» друг в друга.

223

Таким образом, около трех четвертей всей энергии выделяет­ся во все стороны примерно равномерно. Но энергия эта, конеч­но, гораздо меньше, чем получалась из прямого пересчета види­мой части на сферически-симметричный взрыв. Еще 20 процен­тов выделяется в джете с углом раствора примерно 20 градусов, а оставшиеся 5 процентов — в «центральном» джете с углом рас­твора не более з градусов. И в этом, центральном джете, — самые большие энергии гамма-квантов и самые высокие скорости ча­стиц, их излучающих.

Так называемый гамма-фактор этих частиц, характеризу­ющий их скорость, может превышать 200, т. е. отношение скоро­сти частиц к скорости света отличается от единицы лишь в пятом знаке после запятой!

И это еще одно объяснение огромных наблюдаемых энергий. То, что частицы излучали на протяжении дней или, возможно, даже месяцев, мы «принимаем» всего за несколько секунд. И эф­фект получается поразительный — так, когда мы, судя по всему, попали в «центральный» джет гамма-всплеска GRB 080319В, произошедшего в 2008 году, Swift на некоторое время «ослеп».

Кстати, оптическое послесвечение этого гамма-всплеска тео­ретически можно было наблюдать невооруженным глазом — оно достигло примерно 5,3 звездной величины.

С учетом всех эффектов — несимметричности взрыва и боль­ших гамма-факторов — энергетика гамма-всплеска становится сравнимой с энергетикой Сверхновой. И, скажем сразу, именно со Сверхновыми и связывают так называемые «длинные» гамма- всплески.

Дело в том, что гамма-всплески четко делятся на две большие группы. «Короткие» гамма-всплески имеют продолжительно­сти в районе секунды, «длинные» — до десятков и даже сотен секунд. Кроме того «короткие» гамма-всплески более «жесткие» (больше энергии находится в более энергичной части спектра), «длинные» — более мягкие.

На связь «длинных» гамма-всплесков и сверхновых указы­вает много факторов. Начиная от того, что «длинные» гамма-

224

— Черные дыры —

всплески наблюдаются только в галактиках с сильным звездоо­бразованием (причем, как правило, именно в областях звездоо­бразования), и заканчивая тем, что в пределах одного дня после гамма-всплеска в его «родительской» галактике Сверхновая действительно обычно наблюдалась.

Так что сомнений в их связи у ученых практически не осталось. Более того, была разработана даже единая модель для гамма- всплесков, рентгеновских вспышек и собственно Сверхновых, на­поминающая единую модель для активных галактических ядер, о которой еще будет рассказано в соответствующем разделе кни­ги. А именно: если мы смотрим «вдоль» джета — видим гамма- всплеск, чуть «со стороны» — видим рентгеновскую вспышку, наконец, если «сбоку» — то Сверхновую.

Однако все оказалось не так просто. Если каждый, по- видимому, «длинный» гамма-всплеск — Сверхновая, то далеко не каждая Сверхновая — гамма-всплеск.

Во-первых, гамма-всплески, судя по всему, дают не просто Сверхновые, а Гиперновые. Это очень яркие Сверхновые с массой звезды больше 25 масс Солнца, остатком которых после взрыва является черная дыра.

А, во вторых, и не каждая Гиперновая дает гамма-всплеск. У многих Гиперновых при наблюдении в радиодиапазоне не уда­лось найти даже следов джета — непременного атрибута гамма- всплеска¹.

По-видимому, для образования гамма-всплеска требуются не­кие дополнительные условия, на роль которых обычно выводят очень большой момент вращения звезды-«прародительницы» и/или ультрасильное магнитное поле.

А что же с «короткими» гамма-всплесками? Такие гамма- всплески образуются во всех типах галактик, и никакой связи со Сверхновыми обнаружить не удалось. Так что самая популярная гипотеза об их происхождении — это слияние двух нейтронных

¹ Чтобы увидеть джет в радиодиапазоне он необязательно должен быть направлен в нашу сторону. — Примеч. авт.

225

звезд в черную дыру. Модель была предложена еще в 1984 году советским ученым С.И. Блинниковым, но своей актуальности не потеряла и поныне. Не столь уж частое явление в быстро меня­ющемся мире современной астрофизики!

Ну, и в завершении разговора о гамма-всплесках коснемся не­много вопроса (уже возникшего, думаем, у многих читателей) об их возможной угрозе для жизни на Земле.

Увы, тут нам утешить «любопытных» нечем. Если нас накро­ет «прожектором» даже не очень мощного, но близкого гамма- всплеска с расстоянием до него около ю световых лет, то эффект будет эквивалентен взрыву атомной бомбы на каждом гектаре земной поверхности. Последствия, думаем, можно не комменти­ровать.

Увеличение расстояния в юо раз, до достаточно солидной дистанции в 300 пк, снизит эффект до одной бомбы на квадрат со стороной ю км. Что тоже, прямо скажем, положение сильно не облегчает.

Однако события эти вполне редкие. По оценкам, гамма- всплески происходят с частотой примерно один всплеск на одну галактику раз в миллион лет, максимум — юо тысяч. Плюс — надо учитывать уже упомянутую сильную несимметричность взрыва, с достаточно малыми шансами попасть в самое «горя­чее» место даже при относительно близком взрыве.

И хотя (как же без этого-то?) гамма-всплески тоже уже успели «назначить» на роль причины вымирания все тех же несчастных динозавров, волноваться на этот счет читателям мы не советуем. Вероятность погибнуть в любом из вполне «земных» катаклиз­мов неизмеримо выше.

А учитывая уже упомянутые огромные гамма-факторы в дже- те вспышки, даже если нам очень, очень сильно не повезет — тут не получится даже испугаться.

Просто не успеть...

ЧАСТЬ V МИР ГАЛАКТИК

Как мы знаем, звездную природу Млечного Пути установил еще Галилей, имея в своем распоряжении очень несовершенный телескоп с весьма скромной апертурой. Неровная, не имеющая резких границ полоса Млечного Пути, временами разделен­ная на отдельные рукава облаками пыли, простирается через все небо, достигая наибольшей ширины и яркости в созвездии Стрельца. В противоположной точке небосвода Млечный Путь, напротив, какой-то «неубедительный» — менее широкий и ме­нее яркий. Из этого наблюдательного факта последовал законо­мерный вывод: мы живем в огромном сплюснутом звездном об­лаке и наблюдаем его с ребра.

Уильям Гершель, список научных заслуг которого громаден, используя метод «звездных черпков», первым попытался опре­делить форму и размеры нашей огромной звездной системы, на­званной Галактикой — от греческого «галактиос», что означает «млечный». Задача была непростая и чреватая ошибками, по­скольку У. Гершель еще не имел представления о межзвездной поглощающей материи. В конце концов у него получилась струк­тура наподобие толстой линзы с сильно изрезанными краями, причем Солнце оказалось почти точно в центре Галактики. Хорошо зная, что это не так, воздержимся все же от насмешек по адресу великого астронома. Пожалуй, на современном ему уров­не знаний нельзя было достичь большего.

Догадка о том, что звездная система Млечного Пути может быть всего лишь одной из бесчисленного множества подоб­ных систем, была высказана в 1734 году шведским философом Эммануилом Сведенборгом. У. Гершель также предположил, что по крайней мере некоторые светлые туманности, трактуемые в то время как сравнительно близкие к нам протозвездные обла­ка, на деле могут являться очень далекими «звездными остро­вами», неразрешимыми на звезды по причине громадного рас-

228

стояния до них, — галактиками (с малой буквы, в отличие от нашей Галактики). Правда, наблюдая в 1785 году планетарную туманность NGC 1514, он отчетливо увидел в центре ее одиноч­ную звезду, окруженную туманным веществом. Существование подлинных туманностей, заведомо находящихся в пределах Галактики, было таким образом подтверждено, и отпала необ­ходимость думать о туманностях как о далеких звездных систе­мах. Уже на закате жизни, в 1820 году, У. Гершель говорил, что за пределом нашей собственной системы все покрыто мраком неизвестности.

На самом деле среди наблюдаемых Гершелем туманностей было немало галактик. Проблема заключалась лишь в том, что­бы отождествить их. Величайший астроном Уильям Гершель, имевший в своем распоряжении крупнейшие на то время теле­скопы, не смог решить эту проблему. По-настоящему открытие галактик состоялось только в XX веке...

И неспроста. Сколько галактик, не считая Млечного Пути, можно увидеть на небе невооруженным глазом? Туманность Андромеды, Туманность Треугольника (только при очень хоро­шем небе), а в южных широтах — Большое и Малое Магеллановы Облака (БМО и ММО). И только. Уже хо-см телескоп покажет десятки галактик, 20-см — многие сотни. Начиная с 16-й звезд­ной величины количество галактик в поле зрения телескопа начинает превышать количество звезд. Но и телескоп с метро­вой апертурой, которому доступно великое множество слабых галактик, не сможет разрешить на звезды даже близкую га­лактику, если в качестве приемника света использовать глаз. Фотография с длительной экспозицией — совсем иное дело. Но фотография начала широко применяться в астрономии лишь на рубеже XIX-XX веков.

В 1890 году Агния Клерк в книге о развитии астрономии в XIX веке писала: «Можно с уверенностью сказать, что ни один компетентный мыслитель перед лицом существующих фак­тов не будет утверждать, что хотя бы одна туманность может быть звездной системой, сравнимой по размерам с Млечным

229

Путем». Курьез? Конечно. Но история науки полна таких курье­зов. Профессор ГАИШ¹ Ю.Н. Ефремов, приведший эту цитату в своей книге «Звездные острова», замечает далее: «Хотелось бы знать, какие из нынешних столь же категоричных утверждений окажутся со временем столь же неверными...»

Какие — не знаем. Но в том, что какие-нибудь да окажутся, нет сомнений. Жаль разочаровывать тех читателей, которые не­пременно желают получить точные и окончательные ответы на все имеющиеся у них вопросы, но с «окончательными» ответа­ми у науки всегда дело обстояло неважно. Тому, кто не мыслит жизни без знания «истины в последней инстанции», лучше об­ратиться не к науке, а к религии — любой, на выбор. Или посе­тить ясновидца.

Но вернемся к теме. Как только в близких галактиках, разре­шенных на звезды с помощью крупнейших на то время телеско­пов, оснащенных фотокамерами, были найдены цефеиды, все стало на свои места. Многие туманности с эллиптической, спи­ральной или неправильной структурой оказались не жителями Млечного Пути, а самостоятельными «звездными островами» — галактиками. Учет поглощающей свет материи, сплошь и рядом довольно произвольный, не менял картину качественно — галак­тики могли находиться дальше от нас, могли ближе, но все равно оставались вне пределов Млечного Пути. По сути только тогда была открыта и наша Галактика — вовсе не одинокий «звездный остров» в безбрежном океане пустоты, а рядовая структура, одна из очень и очень многих. К слову сказать, количество галактик, находящихся в той части Вселенной, которая в наше время до­ступна изучению, оценивается примерно в ЮО млрд. Галактик в ней не меньше, чем звезд в крупной галактике.

Несмотря на такое изобилие галактик, им совсем не тесно: даже наблюдаемая доля Вселенной достаточно велика, чтобы галактики могли удобно в ней разместиться, и при этом оста­

¹ Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга. —

Примеч. авт.

230

нется еще много свободного пространства. Типичное расстояние между яркими галактиками составляет 5-10 млн световых лет; оставшийся объем занимают карликовые галактики и межга­лактическая среда. Однако если принять во внимание размеры галактик, то окажется, что галактики относительно гораздо бли­же друг к другу, чем, например, звезды в окрестностях Солнца. Диаметр звезды пренебрежимо мал по сравнению с расстояни­ем до ближайшей соседней звезды. Диаметр Солнца немногим меньше 1,5 млн км, а расстояние до ближайшей к нему звезды в 50 млн раз больше.

Иное дело — мир галактик. Расстояния между ними огромны в абсолютном исчислении, но велики и сами галактики. Для на­глядности мысленно уменьшим их размеры до размера среднего человека. Тогда в типичной области Вселенной яркие галактики будут находиться примерно вюом друг от друга, а карликовые, конечно, ближе, поскольку и в мире галактик выполняется уни­версальный закон, согласно которому крупных объектов намно­го меньше, чем всякой мелюзги. Вселенная в этой модели напо­минает футбольное поле с большим свободным пространством между игроками. Лишь в некоторых местах, где галактики соби­раются в тесные скопления, наша модель Вселенной была бы по­хожа на спокойную пешеходную улицу, и только в центрах неко­торых скоплений — на оживленную пешеходную улицу. Но даже и там не было бы ничего похожего на давку в метро в час пик.

Галактики удивительно разнообразны. Как классифициро­вать их?

Прежде всего по массе и светимости. Коль скоро мы можем (не всегда, впрочем, уверенно) оценить расстояние до галактики, то найти ее абсолютную светимость, являющуюся совокупной светимостью всех ее звезд, не составит труда.

Деление галактик на гигантские, средние и карликовые поя­вилось давно. В i960 году Сидней ван дер Берг предложил раз­делить галактики по светимости на 5 классов: сверхгигантские, яркие гигантские, гигантские, субгигантские и карликовые. К сверхгигантским он отнес галактики ярче -20,5^т; к карлико­

231

вым — слабее -15,5"\ Любопытно, что наша Галактика, имеющая светимость -20,6^т, относится к сверхгигантским галактикам, хотя и на грани с яркими гигантскими. Желающие могут уте­шиться тем, что хотя наше Солнце — самая заурядная звезда, зато наша Галактика не какая-нибудь, а сверхгигантская! Впрочем, ее ближайшая яркая соседка М31 (Туманность Андромеды) ярче на целую звездную величину, т. е. в 2,5 раза, а светимость галактики NGC6166 еще выше: -22,о^т. На другом конце шкалы находятся убогие карликовые системы вроде галактики GR8 с ее абсолют­ной звездной величиной -и,о^т и еще более слабые.

Гораздо труднее оценить массу галактики. Впрочем, для мно­гих галактик это уже сделано. Особых сюрпризов не возникло: в общем-то, как и следовало ожидать, яркие галактики оказались более массивными, а карликовые — менее массивными. Хотя здесь есть особенности, о которых пойдет речь ниже.

Галактики не похожи друг на друга и чисто внешне. Некоторые из них ровные и круглые, другие имеют вид пушистых спира­лей с разным количеством спиральных рукавов, а у некоторых не наблюдается никакой или почти никакой структуры. Следуя пионерской работе Эдвина Хаббла, опубликованной в 20-х годах XX века, астрономы подразделяют галактики по форме на три основных типа: эллиптические, спиральные и неправильные, обозначаемые соответственно Е, S и 1гг. С тех пор появились и иные классификации галактик, но хаббловская классификация все еще остается актуальной.

Эллиптические галактики характеризуются в целом эллип­тической формой и не имеют никакой другой структуры, кроме общего падения яркости по мере удаления от центра. Падение яркости описывается простым математическим законом, ко­торый открыл Хаббл. На языке астрономов это звучит так: эл­липтические галактики имеют концентрические эллиптические изофоты — условные линии, проведенные через точки с равной яркостью. Изофоты эллиптической галактики похожи на изо­бражение округлого холма на топографических картах — те же вложенные друг в друга эллипсы с общим центром.

232

Подтипы эллиптических галактик обозначаются буквой Е, за которой следует число п, определяемое по формуле п = ю(а — b)fa, где а и b — большая и малая полуоси какой-либо изофоты галакти­ки. Таким образом, эллиптическая галактика круглой формы будет отнесена к типу Ео, а сильно сплюснутая может быть классифици­рована как Е6. Предел — Еу. Более сплюснутые эллиптические га­лактики не обнаружены. По-видимому, их просто не бывает.

Причина сплюснутости Е-галактик не имеет отношения к их вращению, довольно медленному, надо сказать. По-видимому, сплюснутость определяется характером орбит входящих в эти галактики звезд. Каждая звезда эллиптической галактики об­ращается вокруг центра массы по своей орбите, имеющей свой наклон к галактическому экватору, причем могут быть звезды, обращающиеся даже в противоположную сторону, но все же эл­липтическая галактика как целое имеет некое преимуществен­ное направление вращения и некий интегральный момент вра­щения. Но возникает вопрос о действительной, а не кажущейся сплюснутости. В самом деле: коль скоро ориентация галактики к наблюдателю произвольна, то, может быть, шарообразных галактик Ео вообще не существует, а существуют только чече­вицеобразные, одни из которых мы видим сбоку, а другие — плашмя?

Помочь разобраться могут только статистические методы. Для простоты предположим, что все эллиптические галактики во Вселенной принадлежат к типу Е7, а ориентация их к наблю­дателю случайна. Не составит большого труда вычислить, какой процент эллиптических галактик при данном предположении мы увидим как Ео, El и т. д. Классифицировав несколько со­тен (чем больше, тем лучше) Е-галактик по их внешнему виду, мы неизбежно придем к выводу: малосплюснутые и вообще не сплюснутые эллиптические галактики существуют на самом деле, а не только вследствие «удачного» расположения наблю­дателя.

Диапазон масс Е-галактик огромен: от ю⁵ до ю¹³ масс Солнца. Упомянутая выше галактика NGC6166, чья масса оценивается

233

в 1,4 х ю¹³ (14 триллионов!) масс Солнца, является эллиптиче­ской. Будь эта галактика спиральной, ее и без того колоссальная светимость была бы еще выше!

Факт есть факт: эллиптические галактики светят минимум на порядок тусклее, чем равные им по массе спиральные и непра­вильные системы. В чем причина такой «несправедливости»?

В возрасте звездного населения. В эллиптических галактиках практически нет газа, и уже очень давно. Новым звездам про­сто не из чего образовываться. Звезды эллиптических галактик очень стары — большинству из них свыше ю млрд лет. Это зна­чит, что яркие, массивные звезды в эллиптических галактиках уже давно «выгорели», превратившись либо в черные дыры, либо в нейтронные звезды, либо в белые карлики, а остались лишь звезды с массами порядка солнечной и ниже. Вспомним, что светимость звезды зависит от ее массы резко нелинейно, т. е. звезд в Е-галактиках может быть много, но это тусклые звезды. Вдобавок подавляющая часть их относится к субкарли­кам, а мы помним, что они «при прочих равных» светят слабее. Эллиптическим галактикам приходится «расплачиваться» сла­бой светимостью за бурное звездообразование в начале их жиз­ни, не оставившее свободного газа.

Впрочем, бывают исключения. Если эллиптическая галак­тика наберет откуда-нибудь газа, (например, при столкновении с другой, богатой газом, галактикой), то звездообразование в ней может возобновиться. Такова, например, галактика NGC205 (Мно), являющаяся спутником Туманности Андромеды (рис. 21, цв. вклейка). В NGC205 есть небольшое количество бело-голубых звезд, явно молодых. Этого достаточно, чтобы отнести указанную галактику к разряду так называемых пекулярных — немногочис­ленных «уродцев», выбивающихся из общего правила, — и обо­значить ее как Espec.

У спиральных галактик хорошо заметно плоское спиральное распределение яркости вокруг утолщенного ядра, проще говоря, они имеют спиральный узор, если смотреть на них «анфас», и хорошо заметную полосу темной материи вдоль галактическо­

234

го экватора, если смотреть с ребра. Идеальные спиральные га­лактики имеют две спиральные ветки (рукава), исходящие либо прямо из ядра, либо из двух концов бара (перемычки), в центре которого расположено ядро. Английское слово «бар» помимо значений «прилавок», «стойка», «питейное заведение» имеет также значения «полоса», «брус». Отсутствие либо наличие бара позволило разделить спиральные галактики на два основных подтипа: нормальные спиральные галактики (S) и пересеченные спиральные галактики (SB). Нормальных спиральных галактик раз в сто больше, чем пересеченных. Дальнейшее разделение спиральных галактик на подтипы проводится по следующим трем критериям: l) относительной величине ядра по сравнению с размерами всей галактики; 2) по тому, насколько сильно или слабо закручены спиральные ветви, и з) по фрагментарности спиральных ветвей.

К типу Sa (или SBa) относят галактики с очень обширной ядер­ной областью и сильно закрученными, почти круговыми ветвя­ми — непрерывными и гладкими, а не фрагментарными (рис. 22, цв. вклейка). Если такая галактика наблюдается с ребра, то пре­жде всего виден хорошо выраженный балдж — центральное утолщение, отчасти напоминающее эллиптическую галактику. Также можно видеть довольно узкую полосу пылевой материи, протянувшуюся вдоль галактического экватора. Спиральные ру­кава не отходят далеко от балджа.

Галактики Sb и SBb имеют относительно небольшую ядер- ную область при не очень сильно закрученных спиральных ветвях, которые разрешаются на отдельные яркие фрагменты (рис. 23, цв. вклейка). Если спиральные рукава имеют ответвле­ния, то их количество мало. «В профиль» эти галактики более сплюснуты, а темная полоса вдоль галактического экватора вы­ражена более резко.

Наконец, галактики Sc и SBc (рис. 24, цв. вклейка) характери­зуются сильно фрагментированными обрывочными спиральны­ми рукавами. У галактик SBc даже бар разрешается на отдельные фрагменты. Ядерная область весьма мала по сравнению с разме­

235

рами галактики, балдж иногда едва выражен, рукава отходят от него резко и на большое расстояние, число ответвлений от них велико. С ребра видно, что галактика сильно сплющена, а пере­секающий ее по экватору пылевой диск густ и широк.

Диапазон масс спиральных галактик не столь велик — мас­сы большинства из них заключены в пределах от ю⁹ до ю¹¹ масс Солнца. В среднем наиболее массивны галактики Sa и SBa, а наи­менее — галактики Sc и SBc (рис. 25,26, цв. вклейка).

Массы неправильных галактик еще меньше — опять-таки в среднем. К неправильным галактикам Хаббл отнес все объек­ты, которые не удавалось причислить ни к эллиптическим, ни к спиральным. Большинство неправильных галактик очень по­хожи друг на друга — в том смысле, что примерно так же похожи друг на друга все на свете кучи мусора. Индивидуальные разли­чия между кучами могут быть велики, но мы никогда не примем кучу мусора за сарай или, например, за трактор. Отсутствие упо­рядоченной структуры — вот первый и самый наглядный атри­бут мусорной кучи. Неправильные галактики в большинстве своем фрагментарны до чрезвычайности, в них можно разли­чить отдельные наиболее яркие звезды, скопления и сверхско­пления, а также области горячего излучающего газа. Некоторые неправильные галактики имеют хорошо заметный бар, или, во всяком случае, структуру, которую можно трактовать как бар, и есть неправильные галактики (рис. 28, цв. вклейка), в которых наблюдаются обрывки структуры, напоминающей фрагмен­ты спиральных рукавов. В некоторых вариантах хаббловской классификации существовал особый тип Sd, предназначенный для чрезвычайно сильно растрепанных спиралей. По мнению Хаббл а, неправильные галактики, являющиеся, условно говоря, «кучей мусора», пусть и с остатками структуры, и названные им типом Irr I, являются крайним продолжением типа спиральных галактик, но уже не являются спиральными. В самом деле, если в куче мусора мы обнаружим разбитый кинескоп от телевизора и задний мост грузовика, это не превратит кучу ни в телевизор, ни в грузовик.

236

Другие необычные галактики, отнесенные в исходном ва­рианте хаббловской классификации к неправильным, похоже, никак не связаны с более привычными неправильными объек­тами — из-за неправильной формы, наличия большого количе­ства пыли и других аномалий. Эти объекты были объединены в тип Irr II, но в ходе последующих пересмотров хаббловской классификации многие из них были отнесены к другим типам. Например, галактики с плоским диском, напоминающим диски спиральных галактик, но без спиральных ветвей, были объеди­нены в тип So. Некоторые галактики до сих пор не удается клас­сифицировать, и многие из них, как оказалось в дальнейшем, представляют собой взаимодействующие пары либо являются местом бурных процессов.

Еще со времен Хаббла астрономы пытались установить, под действием каких процессов галактики принимают ту или иную форму. В некоторых ранних теориях предполагалось, что разные типы галактик представляют собой эволюционную последова­тельность. Считалось, что галактики возникают как объекты одного типа и постепенно в ходе эволюции превращаются в га­лактики других типов. Согласно одной из таких гипотез, галак­тики начинают свой путь как эллиптические, постепенно сплю­щиваясь от Ео к Е7, затем у них развивается спиральная струк­тура, и галактики эволюционируют от Sa к Sc (или от SBa к SBc), после чего эта структура распадается, вследствие чего объект превращается в хаотическую неправильную галактику. Другие астрономы предполагали противоположное направление эво­люции: галактики возникают как неправильные, закручиваясь, превращаются в спиральные и завершают свою эволюцию в простой и симметричной эллиптической форме. В основе обе­их теорий лежал ошибочный постулат о том, что тип галактики связан с ее возрастом. Ни одна из этих теорий не опиралась на какой-либо физический фундамент, и обе были опровергнуты многолетними исследованиями. Как только астрономы поняли процесс звездной эволюции и научились определять возраст звезд (это стало возможным в 50-х годах XX века), оказалось, что галактики всех типов имеют примерно одинаковый возраст. Почти в каждой галактике присутствует хотя бы несколько звезд с возрастом в несколько миллиардов лет. Отсюда следует, что ни эллиптические, ни неправильные галактики не могут быть стар­ше остальных.

Пусть читателя не вводят в заблуждение сказанные ранее сло­ва о старости звездного населения в Е-галактиках и молодости по крайней мере части звезд в S- и Irr-галактиках. Мы говорим здесь о возрасте галактики как объекта, единой системы звезд.

238

Элементы же, составляющие эту систему, могут быть значитель­но моложе. Хорошая аналогия: возраст деревьев в лесу может совпадать с возрастом леса, а может быть и значительно мень­ше его.

Еще одно затруднение для теорий перерождения галактик из одного типа в другой связано с небольшой, как правило, массой неправильных галактик. Трудно ответить на вопрос, куда девает­ся большая часть массы спиральной галактики при ее перерож­дении в неправильную галактику. В конце концов от плодотвор­ной, казалось бы, идеи объединить разные типы галактик в еди­ную эволюционную последовательность астрономам пришлось отказаться точно так же, как несколько ранее они отказались от наивных представлений об эволюции звезд вдоль главной после­довательности диаграммы Герцшпрунга-Рессела...

Зато не вызывал сомнений наблюдательный факт: форма га­лактики связана со скоростью образования в ней молодых звезд уже после ее рождения, а следовательно, и с распределением звезд по возрастам. Прямой зависимости здесь нет, скорее, речь идет о двух следствиях, вытекающих из одной причины. В совре­менную эпоху звездообразование наиболее бурно протекает в га­лактиках типа Irr I, менее активны галактики Sc, еще менее — Sb и т. д., вплоть до эллиптических галактик, настолько не склон­ных порождать звезды, что наличие хоть какого-то количества молодых звезд в такой галактике уже дает повод причислить ее к пекулярным.

Эти результаты навели исследователей на мысль о том, что последовательность хаббловских типов упорядочивает галак­тики по степени сохранения ими газа и пыли. Неправильные галактики сберегли значительную часть своего газа и своей пыли для постепенного рождения все новых и новых звезд, в то время как эллиптические галактики израсходовали почти весь свой исходный газ на первую взрывную вспышку звездообра­зования. Согласно современным представлениям, теперь уже подтвержденным результатами всевозможных исследований, два важнейших фактора, определяющих форму галактики, —

239

это, во-первых, начальные условия (масса и момент вращения)

и, во-вторых, окружение (т. е. членство в скоплениях галактик или наличие близких спутников). В этом отношении галактика похожа на человека: ее характер зависит как от «наследствен­ности», так и от «воспитания», т. е. «общества», в котором она «росла».

Общепринятая (хотя есть и альтернативные теории) в на­стоящий момент времени теория Большого Взрыва предпола­гает, что расширение Вселенной началось с состояния исклю­чительно высокой плотности и температуры. Уже разбегание галактик и наличие реликтового излучения говорят о том, что Вселенная в начале своей истории была весьма горяча и весьма мала — этакая гипермассивная «капля». По какой-то причине она взорвалась, и результаты этого процесса, случившегося, по современным оценкам, около 14 млрд лет назад, мы наблюдаем в виде всей совокупности населяющих Вселенную объектов — от галактик и диффузной материи до нас с вами.

Для сегодняшнего читателя это сплошная банальность, но 50-60 лет назад идея о начале Вселенной плохо укладывалась в головах, ушибленных однобоко понятым диалектическим мате­риализмом. Если Вселенная возникла «вдруг», то что же было до нее? Тот следующий из ОТО Эйнштейна факт, что в колоссаль­ном поле тяготения первичной «капли» понятие времени теряет смысл, не принимался во внимание. К тому же в те годы неко­торые группы исследователей определили постоянную Хаббла (коэффициент, связывающий скорость галактики с расстоянием до нее) с большой ошибкой, что привело их к ошеломляющему выводу: возраст Вселенной не превышает 2-3 млрд лет!

Это уже ни в какие ворота не лезло. Впрочем, критиков Хаббла и его последователей взбеленила не ошибочная датиров­ка, а сам вывод о «начале Вселенной». Теории расширяющейся Вселенной именовались мракобесными попытками подпольно протащить бога в естествознание. Известный советский астро­ном Б.А. Воронцов-Вельяминов писал в те годы о «мракобесах» вроде Хаббла: «Стараясь такими теориями поддержать отми­

240

рающее, реакционное идеалистическое мировоззрение, они нередко доходят до полной поповщины и абсурда. Так, англий­ский астрофизик Милн договорился до того, что с серьезным видом преподнес результат своих расчетов: расширяясь, вселен­ная была раньше сосредоточена в одной точке, где она возникла вся сразу (т. е. в согласии с Библией), и было-де это... как раз 2-3 млрд лет тому назад, когда, по всем данным, сформирова­лась земная кора. “Вот она, дата сотворения мира”, — говорит Милн».

Характерно, что в этой цитате слово «вселенная» было напи­сано со строчной буквы, поскольку советская астрономическая наука того времени отрицала саму возможность существова­ния иных вселенных и, следовательно, не видела необходимо­сти выделять нашу Вселенную написанием с прописной буквы. Вселенная считалась единственной, бесконечной в простран­стве и времени. Разлет галактик трактовался либо как местная флуктуация, либо как результат каких-то еще не понятых изме­нений в свойствах света на больших расстояниях, а в борьбе с необратимостью эволюции материи во Вселенной постулирова­лось существование каких-то неведомых источников поступле­ния газа.

Сейчас нам известно, во-первых, что земная кора образова­лась значительно раньше, чем 2-3 млрд лет назад, а во-вторых, что прав оказался все-таки Хаббл, хотя путаница в датировке Большого Взрыва продолжалась еще долго (строго говоря, не­которая неопределенность значения постоянной Хаббла со­храняется и теперь). И поповщина тут совершенно ни при чем. Замечательный советский астроном И.С. Шкловский высказал­ся четко и лаконично: с точки зрения материалиста, главными критериями Вселенной являются ее объективное существование и познаваемость. И только. Вселенная совершенно не обязана подстраиваться под наши сплошь и рядом наивные представле­ния о ней. Ей в высшей степени безразличны все на свете фило­софские доктрины. Приходится изучать и осмысливать то, что есть на самом деле, а не то, что нам хотелось бы.

241

Итак, сверхплотное и сверхгорячее состояние Вселенной за­вершилось Большим Взрывом. Физические процессы, описыва­ющие эволюцию Вселенной, могут быть довольно надежно про- слежены до момента, когда плотность и температура становятся достаточно низкими, чтобы стало возможным образование га­лактик. Примерно 300 тыс. лет потребовалось для того, чтобы Вселенная расширилась и остыла настолько, что вещество стало играть в ней важную роль. До этого преобладало излучение, и сгустки вещества, такие как звезды и галактики, не могли обра­зовываться. Однако, когда температура понизилась примерно до 3000 К, а плотность — до ~Ю"²¹ г/см³ (значительно меньше плот­ности земной атмосферы, но по меньшей мере в миллиард раз больше современной плотности Вселенной), вещество наконец смогло формироваться. В это время в достаточных количествах могли образовываться лишь атомы водорода и гелия.

Если бы распределение вещества и температуры во Вселенной было полностью однородным, никакие галактики образоваться бы не смогли. Следовательно, должны были существовать некие начальные неоднородности. Что это за неоднородности и откуда они взялись?

В длинном перечне научных заслуг Джеймса Джинса осо­бое место занимает его теория конденсации вещества под дей­ствием гравитации. Правда, идеи Джинса основывались не на релятивистской модели, а на более простой ньютоновской, но с некоторыми оговорками они актуальны и сейчас. По Джинсу, гравитационная неустойчивость возникает, когда сгусток более плотного вещества (называемый возмущением) становится до­статочно малым и плотным. Характерный размер возмущений плотности, которые являются только слегка неустойчивыми, называется джинсовской длиной, и, как было установлено, она зависит от скорости звука в среде, постоянной тяготения и плот­ности вещества.

Джинсовская масса определяется как масса вещества, ко­торая может стать неустойчивой и начать сжиматься под дей­ствием собственного гравитационного поля. Согласно расчетам,

242

в начале «эры вещества» джинсовская масса составляла около юо тыс. солнечных масс, следовательно, в тот период истории Вселенной возмущения с такими массами и больше (что включа­ет все известные галактики) должны были стать неустойчивыми и сжаться.

Нам «на бытовом уровне» умозрительно понятно, что на свете нет ничего строго однородного. Особенно неоднородны системы, находящиеся в динамике. Неоднородна вода в реке, неоднородна земная атмосфера, угощающая нас то циклоном, то антицикло­ном, а то и ураганом, и уж подавно неоднородно расширяющееся облако продуктов взрыва. Но к образованию галактик должны были привести не любые неоднородности, а только те, которые имели тенденцию не сглаживаться, подстраиваясь под общий фон, а усугубляться.

В поисках типа неустойчивости, которая приводит к совре­менной Вселенной, состоящей из галактик, астрономы исследо­вали много других видов неустойчивости, помимо гравитаци­онных. Среди них — возможное отсутствие баланса вещества и антивещества, тепловые неустойчивости, флюктуации, связан­ные с ионизацией и ее зависимостью от температуры, вариации распределения заряда и др.

Тепловая неустойчивость, по-видимому, сыграла некоторую роль. Области с повышенной плотностью остывают быстрее, чем их окружение. Снаружи более горячий газ сжимает эти области, повышая их плотность. Таким образом, небольшое локальное возмущение может становиться все более неустой­чивым. Подготавливаются предпосылки для гравитационного сжатия.

Об антивеществе следует сказать особо. Собственно, ниоткуда не следует, что Большой Взрыв породил только вещество и не породил антивещества. Тут есть две возможности.

Первая: изначально количество вещества равнялось количе­ству антивещества. Если бы они были перемешаны равномерно, то полностью аннигилировали бы. Как следствие, Вселенная оказалась бы населена только фотонами разных длин волн, а не

243

веществом, и некому было бы читать эту книгу, во-первых, по­тому что ее не существовало бы, а во-вторых, потому что фотоны неграмотны. Но если в распределении вещества и антивещества имелись исходные неоднородности, то аннигиляция не была бы полной. В этом случае часть материи Вселенной состоит из веще­ства, а другая часть с ее звездами и галактиками — из антивеще­ства. Эти части будут разнесены в пространстве.

Вторая и более вероятная гипотеза предполагает, что вначале количество вещества немного превосходило количество анти­вещества. После аннигиляции осталось ровно столько вещества, сколько надо для образования галактик.

После достижения индивидуальными протогалактиками гра­витационного обособления через какую-либо форму неустойчи­вости они коллапсируют с образованием галактик значительно меньших размеров, чем размеры первоначальных возмущений, и с большими плотностями, оставляя межгалактическое про­странство почти пустым.

Для того чтобы протогалактическое облако сжалось, его ки­нетическая, магнитная и гравитационная энергии должны быть соответствующим образом сбалансированы. От этого баланса также зависит, какого типа галактика получится из нашего об­лака после его сжатия.

Это можно объяснить просто — «на пальцах». Пусть мы име­ем вращающееся облако газа, сжимающееся под действием соб­ственной гравитации. Из соображений простоты будем считать облако сферическим. Из-за неупругих столкновений между ато­мами газа оно будет приобретать все более сплюснутую форму. При большой плотности газа и малой скорости вращения актив­ное (даже очень активное) звездообразование в облаке начнет­ся рано, когда сплюснутость будет еще мала. Когда практически весь газ превратится в звезды, облако перестанет сжиматься — ведь звезды, в отличие от атомов, практически никогда не стал­киваются друг с другом. Получится эллиптическая галактика. При малой исходной плотности газа и более солидном моменте вращения активное звездообразование начнется позже, когда

244

система уже будет сильно сплюснутой. В ней разовьется спираль­ная структура, и получится спиральная галактика. В обоих случа­ях первые очаги звездообразования возникают в центре облака и местных локальных уплотнениях, из которых формируются ша­ровые скопления. Последние всегда концентрируются к центру даже самой плоской спиральной галактики, а не к ее экватору, поскольку они сформировались еще в те времена, когда протога­лактика была более или менее сфероидальным объектом.

Наконец, теоретически возможен и третий вариант: полный коллапс облака в сверхмассивный объект — черную дыру, неви­димую и практически необнаружимую.

«Зародышами» большинства неправильных галактик стали медленно вращающиеся маломассивные облака. Сжатие их за­медлено, звездообразование в них не было «взрывным» и про­должается до сих пор. Можно с натяжкой предположить, что у этих маломассивных объектов (по крайней мере у некоторых из них) все впереди — авось через несколько миллиардов лет они станут более похожи на спиральные галактики.

Конечно, галактика может стать неправильной и при разру­шении ее структуры крупной галактикой-соседкой.

Эллиптические галактики, однако, задали астрономам за­дачку. Слишком уж мал у их звезд общий момент вращения. Существует гипотеза, что Е-галактики (по крайней мере не­которые) образовались в результате слияния двух или больше S-галактик или их «зародышей». Наличие второго центра массы увеличивает дисперсию скоростей звезд, происходит хаотиза- ция их орбитальных движений. Газовые облака сталкиваются, приводя к резкому ускорению темпов звездообразования, часть газа оседает к центру. В результате может получиться спираль­ная галактика со странностями, но при некоторых условиях мо­жет образоваться эллиптическая галактика. В целом похоже на то, что на практике реализуются оба сценария формирования Е-галактик.

После обретения галактикой формы следующие стадии ее эволюции являются медленными и гораздо менее эффектными.

245

Звезды образуются, умирают и выбрасывают богатое Тяжелы­ми элементами вещество, образующее новые звезды, галактика постепенно тускнеет и краснеет, химический состав ее звезд­ного населения медленно меняется по мере обогащения газа и пыли, из которых образуются последующие поколения звезд, тяжелыми элементами. Этот процесс завершится тогда, когда в галактиках уже не останется пригодной для звездообразования материи. Наступит время, когда галактики будут состоять лишь из нейтронных звезд, черных дыр, остывших белых карликов и многочисленных слабых красных карликов, чей срок пребыва­ния на главной последовательности достигает триллиона лет. Но в конце концов погаснут и они.

К какому хаббловскому типу относится наша Галактика? То, что она, скорее всего, спиральная, подозревалось давно, но для доказательства долго не хватало наблюдательных фактов. Сто лет назад было известно следующее: мы живем в гигантской звезд­ной системе, насчитывающей сотни миллиардов звезд, эта си­стема, грубо говоря, имеет вид сплюснутого диска поперечником около 30 кпк (юо тыс. световых лет). Центр системы находится в созвездии Стрельца. Солнце располагается довольно далеко от центра системы, зато почти точно в плоскости галактическо­го экватора. Последнее обстоятельство не должно нас радовать, поскольку именно в экваториальной плоскости Галактики нахо­дятся плотные пылевые облака. Для внегалактических объектов давно известна «зона избегания», простирающаяся градусов на 20 в обе стороны от галактического экватора, — другие галактики в этой зоне практически не наблюдаются. Не потому, что их там нет, а потому, что увидеть их мешает пыль. Поглощение света в пылевом слое Галактики чудовищно, поэтому «дальнозоркость» самых крупных оптических телескопов вблизи галактического экватора невелика. Поперек пылевого слоя или под заметным углом к нему — иное дело. Здесь свет хотя и ослабляется пылью, но далеко не так сильно.

В итоге мы не можем видеть (в оптическом диапазоне) центр Галактики. Тем более мы не можем рассмотреть спиральные ру­кава Галактики — по той же причине, по которой нельзя увидеть звуковую дорожку на старой виниловой грампластинке, если держать ее к себе строго ребром. В финале знаменитого романа И.А. Ефремова «Туманность Андромеды» земляне получают от разумных обитателей Большого Магелланова Облака замеча­тельный подарок — снимок нашей Галактики со стороны упомя-

247

нутого БМО. И хотя наша Галактика снята «из неудобного пово­рота», ценность такого подарка чрезвычайно велика.

Но пока — увы — нам ничего не известно ни о существовании внегалактических цивилизаций, ни об их готовности вступить с нами в контакт. Поскольку множественность цивилизаций во Вселенной вообще не доказана, разумнее не ждать подарков от добрых и бескорыстных «андромедян», а искать ответы самим. Они нашлись главным образом с помощью инфракрасной и ра­диоастрономии.

Нельзя сказать, что пылевая материя совсем уж прозрачна для электромагнитных волн инфракрасного диапазона, одна­ко их поглощение в ИК-диапазоне значительно меньше, чем в оптическом. Используя инфракрасные телескопы, мы можем видеть галактический диск практически насквозь, изучать ядро Галактики, обнаруживать внегалактические объекты, скрытые от нас толщей пылевого диска, и т. д. Однако это мало прибли­жает нас к раскрытию спиральной структуры Млечного Пути.

Наличие спиральных рукавов удобнее фиксировать в радио­диапазоне. Известно, что в спиральных рукавах концентрируют­ся не только группы молодых звезд, но и материя, идущая на их создание, — облака газа. Для простоты предположим, что газ со­стоит исключительно из водорода, имеющего, как известно, ли­нию поглощения на волне 21 см. Если газ движется относитель­но нас, то в соответствии с эффектом Доплера сдвинется и линия поглощения. Радиальная скорость каждого рукава относительно нас разная, следовательно, при наблюдении удаленного радио­источника (например, пульсара, находящегося где-нибудь на краю Галактики) мы получим в его спектре несколько сдвину­тых относительно друг друга линий поглощения водорода, и ко­личество их будет равно количеству спиральных рукавов между радиоисточником и нами.

Реальная картина, конечно, много сложнее, но принцип ясен. Мы можем подсчитать количество спиральных рукавов в направ­лении на каждый удаленный радиоисточник, лежащий вблизи галактической плоскости. Точнее, мы можем лишь определить,

248

сколько раз пришедшее к нам радиоизлучение пересекало ру­кава, но не можем сказать, сколько всего спиральных рукавов в Галактике — ведь какой-нибудь сильно закрученный рукав луч может пересечь и дважды. У большинства спиральных галактик два рукава. У Туманности Треугольника (тип Sc) — три главных и еще с десяток обрывочных. У галактики М63, известной так­же под именем «Подсолнух», — десятки. Но сколько рукавов у Млечного Пути? Например, если спектр удаленного источника имеет четыре провала вблизи длины волны 21 см, это может с равным успехом означать, что Галактика имеет либо 4 рукава, либо 2, но более длинных и более сильно закрученных. А может быть, более четырех, но менее закрученных? Или всего-навсего один, но обернувшийся вокруг ядра 4 раза?

Эта проблема оказалась, мягко говоря, не из легких. Ключ к решению дали работы Вальтера Бааде на юо-дюймовом реф­лекторе в 1945-1949 годах. Бааде установил, что в Туманности Андромеды в спиральных рукавах концентрируются прежде все­го горячие звезды высокой светимости и эмиссионные туманно­сти, а также пыль и сверхоблака неионизованного газа. Теперь требовалось проделать огромную работу по определению рас­стояний до этих объектов в Млечном Пути — работа чрезвычай­но трудная, скрупулезная и чреватая ошибками. Вдобавок зона, скрытая ядром Галактики, оставалась (и по-прежнему остается) недоступной — не зря она называется «Zona Galactica Incognita».