Вселенная. Вопросов больше, чем ответов 2009

249

Итак, Млечный Путь — большая, но довольно типичная спи­ральная галактика. Как таковая она должна иметь два типа звезд­ного населения — сферическую и плоскую подсистемы (прежде их называли звездным населением I и II типов соответственно). Выше мы уже указывали на то, что балджи спиральных галак­тик напоминают сплюснутые эллиптические галактики. Балджи состоят из звезд, большей частью старых, концентрирующихся к центру, что тоже роднит их с Е-галактиками. Балджи окруже­ны обширными галактическими гало, являющимися их про­должением и также состоящими из звезд. Гало Млечного Пути далеко простирается за его пределы — найдена, например, при­надлежащая гало звезда, расстояние до которой оценивается в 400 тыс. св. лет. Форма гало — несильно сплюснутый сфероид. Концентрация звезд в нем ничтожна по сравнению с балджем и падает по мере приближения к краям гало. Можно представить себе, что мы увидели бы, будь Солнце одной из звезд гало! Вряд ли наше ночное небо украшала бы хоть одна звезда, зато зрели­ще Галактики, раскинувшейся по всему небу, бесспорно, было бы самое что ни на есть феерическое.

Хотя, конечно, мы даже теоретически не могли бы находиться в гало. Ведь составляющие его звезды — субкарлики, родившие­ся из бедной тяжелыми элементами газовой среды и заведомо не имеющие планет земного типа.

К сферической подсистеме относятся также некоторые пе­ременные звезды, а главное, шаровые скопления (рис. 31, 32, цв. вклейка), не обнаруживающие заметной концентрации к галактической плоскости, зато весьма сильно концентрирую­щиеся к центру. Млечный Путь окружен шаровыми скопления­ми, словно роем мошкары. Всего в Галактике их насчитывается около 150, но, несомненно, открыты еще не все. Типичное ша­ровое скопление — это круглое или слегка сплюснутое сферои­дальное образование, состоящее из старых звезд (субкарликов) и отличающееся от эллиптических галактик только размерами (от 11 до 590 пк) и количеством звезд. В типичном шаровом ско­плении находится юо тыс. звезд, иногда несколько миллионов,

250

тогда как в «нормальной» Е-галактике их по меньшей мере миллиарды.

Шаровые скопления сыграли важную роль в открытии вра­щения Галактики. В 1925 году была установлена странная асим­метрия в направлении движения шаровых скоплений: все они движутся в одну сторону, и скорости их при этом очень вели­ки, по крайней мере в сравнении с собственными скоростями близких к Солнцу звезд, — порядка 200 км/с. Небольшая доля звезд также обладает высокими скоростями и показывает ту же асимметрию движения. Вскоре шведский астроном Б. Линдблад объяснил это тем, что две подсистемы звездного населения Галактики — сферическая и плоская — вращаются по-разному. Плоская — гораздо быстрее. Солнце, входящее в плоскую подси­стему, движется по своей галактической орбите со скоростью не­сколько более 200 км/с. Таким образом, не шаровые скопления движутся «согласованно» и асимметрично, а движется Солнце! И точно так же быстро движутся звезды галактического диска, обращаясь вокруг центра Галактики. Полный оборот Солнце де­лает примерно за 200 млн лет.

Вообще ситуация с вращением спиральных галактик не­которое время оставалась непонятной: а в какую сторону они, собственно говоря, вращаются? Закручиваются при вращении спиральные ветви или, наоборот, раскручиваются? Бытовые соображения (например, наблюдение за водой, вытекающей в сливное отверстие ванны) говорили о том, что ветки, скорее все­го, закручиваются, однако полной ясности все же не было. На первый взгляд, вопрос решался тривиально: надо взять спираль, повернутую к нам под острым углом, и получить спектр одного из его краев — направление доплеровского сдвига тотчас ука­жет направление вращения. Однако не все так просто — мы ведь не знаем, «верхом» или «низом» к нам повернута галактика. Для решения этого вопроса пришлось искать такую галактику, У которой, во-первых, ясно различается спиральный узор, а во- вторых, не менее ясно видна экваториальная полоса пылевой материи. Только у такой галактики понятно, где «верх», а где

251

«низ». Когда искомая галактика была найдена, вопрос решил­ся: галактики вращаются так, что их рукава закручиваются, а не раскручиваются. Здравый смысл, почерпнутый близ сливного отверстия ванны, победил.

Однако позвольте: ведь за время существования Галактики (не менее 12 млрд лет, по любым современным оценкам) спираль­ные ветви должны были закрутиться вокруг центра Галактики несколько десятков раз! А этого не наблюдается ни в других га­лактиках, ни в нашей. В1964 году Ц. Лин и Ф. Шу из США, разви­вая идеи Б. Линдблада, выступили с теорией, согласно которой спиральные рукава представляют собой не некие материальные образования, а волны плотности вещества, выделяющиеся на ровном фоне галактики прежде всего потому, что в них идет ак­тивное звездообразование, сопровождающееся рождением звезд высокой светимости. Вращение спирального рукава не имеет ни­какого отношения к движению звезд по галактическим орбитам. На небольших расстояниях от ядра орбитальные скорости звезд превышают скорость рукава, и звезды втекают в него с внутрен­ней стороны, а покидают с внешней. На больших расстояниях все наоборот: рукав как бы набегает на звезды, временно вклю­чает их в свой состав, а затем обгоняет их. Что до ярких ОВ-звезд, определяющих рисунок рукава, то они, родившись в рукаве, в нем и заканчивают свою короткую жизнь, попросту не успевая покинуть рукав.

О причине возникновения спиральных рукавов нельзя ска­зать ничего, кроме того, что рукава (а при некоторых начальных условиях и бары) возникают при численном моделировании рождения галактики всегда, если заданы достаточно большие масса и момент вращения. Попробуйте сами ответить на вопрос о причине возникновения медленно вращающихся спиральных волн вокруг уже упоминавшегося сливного отверстия в ванне. Вряд ли в голову придет что-либо, кроме глубокомысленного: «Турбуленция...» Само по себе это верно, но процессами, по­добными турбуленции, ведают настолько специальные разделы математики, что описать в удобопонятных терминах, почему

252

— Мир галактик —

9

она возникает, мы не беремся. Отметим только, что турбулент­ность — не всегда хаос. Сплошь и рядом она способна создавать структуры вроде конвективных ячеек (помните гранулы на по­верхности Солнца?) или спиральных рукавов галактик.

Лишь в галактиках типа Sa (SBa) мы не видим фрагментации рукавов. В галактиках Sb (SBb) и Sc (SBc) рукава фрагментирова­ны. Они фрагментированы и в нашей Галактике. Клочковатость Млечного Пути, представляющего собой по сути ближайший к нам рукав, бросается в глаза и большей частью объясняется распределением вблизи Солнца облаков межзвездной пыли. Большей частью, но не полностью! Известны реальные звездные облака, молодые звезды в которых имеют генетическую связь друг с другом. Например, на расстоянии в 1,5 кпк от Солнца в направлении созвездия Стрельца находится компактное звезд­ное облако размером около 50 пк. Известны и значительно бо­лее крупные группировки молодых звезд, иногда достигающие размера в 1 кпк и содержащие миллионы звезд. Такие группи­ровки — их характерный диаметр около 600 пк — называются звездными комплексами.

Звездные комплексы буквально нанизаны на спиральные ру­кава, как бусины на нить. Нет сомнения в том, что своим происхо­ждением они обязаны втеканием в спиральный рукав большого количества газа и последовавшими за тем волнами звездообра­зования. Звездный комплекс содержит в себе большое количе­ство рассеянных звездных скоплений, родившихся в результате гравитационного сжатия небольших по сравнению с размерами комплекса газово-пылевых облаков и насчитывающих от десят­ка до тысячи звезд, несколько звездных ассоциаций большего размера, а также один или несколько звездных агрегатов, под которыми понимаются большие полицентрические ассоциа­ции вроде той, что наблюдается в Орионе. Разумеется, в том же объеме пространства находится множество более старых звезд, не обязанных своим рождением данному комплексу, а просто путешествующих сквозь него. Одна из таких звезд нам хорошо известна — это Солнце.

253

Еще в 1879 году американский астроном Бенджамин Гулд об­ратил внимание на то, что яркие звезды на небе распределены не равномерно, а концентрируются в некоторую полосу или пояс. Не было бы ничего удивительного в том, если бы его плоскость совпадала с плоскостью Млечного Пути, но дело в том, что между ними угол в 18 градусов. Пояс Гулда представляет собой дискоо­бразную структуру (точнее, грубый сплюснутый сфероид), центр которого лежит примерно в 150 пк от нас, диаметр оценивается в 750 пк, а возраст — в 30 млн лет. Это типичный звездный ком­плекс, один из многих, и в него входит 6о% ярких звезд нашего неба. Агрегат в Орионе с большим количеством молодых звезд и знаменитой туманностью тоже в него входит. Солнце с его орби­тальной скоростью, не сильно отличающейся от скорости враще­ния спиральных рукавов, еще долго останется в пределах пояса Гулда.

На вопрос о том, вокруг чего происходит вращение всех под­систем Галактики, можно ответить так же тупо, как и на вопрос о происхождении рукавов: вокруг ядра. Но что такое галактиче­ское ядро вообще и ядро нашей Галактики в частности?

Долгое время было ясно лишь то, что плотность звезд в ядре на порядки больше, чем в том относительном захолустье, где на­ходится Солнце. Если вблизи Солнца звездная плотность состав­ляет примерно од звезды на кубический парсек, то в ядре — не­сколько тысяч звезд на кубический парсек. Внутренняя область ядра еще на два-три порядка плотнее. В ядре изредка могут про­исходить даже прямые столкновения звезд. А представьте себе тамошнее ночное небо! Понятие «ночь» будет весьма относи­тельным за отсутствием темноты — уж слишком много ярчайших звезд усеют небо невиданной россыпью, и рисунки созвездий бу­дут меняться быстро, на протяжении жизни одного поколения гипотетических аборигенов...

В конце 50-х годов прошлого века в направлении галактиче­ского центра был обнаружен радиоисточник, получивший назва­ние Стрелец А. Были все основания полагать, что он находится в самом ядре. Положение источника было определено с точностью

254

до десятой доли градуса, и Вальтер Бааде начал безуспешные по­пытки обнаружения ядра в оптическом диапазоне — сначала на 48-дюймовой камере Шмидта с длительными экспозициями, за­тем на 200-дюйм0вом Паломарском рефлекторе. Отчаявшись, Бааде утверждал, что поглощение света перед ядром составляет 9 или ю звездных величин.

Реальность оказалась еще хуже: позднейшие исследования выявили на месте радиоисточника Стрелец А точечный инфра­красный источник, и оказалось, что поглощение света в оптиче­ском диапазоне составляет 27 звездных величин! Надо заметить, что в настоящее время астрономы могут зафиксировать точеч­ный источник оптического излучения примерно 30-й величины. С протяженными источниками дело обстоит хуже. Но даже ядро было бы точечным источником с яркостью — 2^т, галактическая пыль все равно сделала бы ядро невидимым в оптическом диа­пазоне. Детальные исследования ядра, в частности слежение за движением отдельных звезд, проводятся при помощи инфра­красных телескопов.

Строго говоря, радиоисточник Стрелец А состоит из двух компонентов — западного и восточного. Западный как раз и яв­ляется сердцевиной Галактики, а восточный — просто молодой остаток Сверхновой. Как ни удивительно, в радиусе юо пк от центра Галактики обнаружено множество признаков продолжа­ющегося звездообразования. Хотя, если подумать, это не долж­но нас удивлять. В Галактике еще достаточно газа (~ю% веще­ства, которое может быть обнаружено современными методами). Столкновение газовых облаков между собой приводит к потере ими момента вращения, из-за чего газ (или по крайней мере его часть) стекает к галактическому ядру. То же самое, причем еще более эффективно, происходит при попадании в Галактику газа извне. Если разобраться с балансом газовой материи в Галактики, то окажется, что на звездообразование ежегодно тратится масса газа, примерно равная солнечной массе и в то же время Галактика ежегодно «насасывает» из межгалактиче­ской среды, по разным оценкам, от 0,2 до 1 массы Солнца. В куда

255

больших масштабах присвоение Галактикой чужого газа проис­ходит при прохождении сквозь нее другой галактики и при актах галактического каннибализма, о чем пойдет речь ниже. Словом, наличие в ядре газа, пригодного для звездообразования, вполне объяснимо.

То, что в центре ядра находится сверхмассивная черная дыра, подозревалось давно, но лишь к 2003 году были получены убе­дительные доказательства. Удалось проследить орбиты восьми звезд высокой светимости, расположенных близ галактического центра. Их орбитальные скорости столь велики, что нет нужды завещать продолжение исследования их движений следующим поколениям астрономов. У одной из этих звезд период обраще­ния составляет всего 15 лет. В 1999 году другая звезда промча­лась со скоростью 9 тыс. км/с на расстоянии всего лишь 6о а.е. от центрального объекта Галактики. Орбиты всех восьми просле­женных звезд — эллиптические, параметры их найдены, а зна­чит, можно вычислить массу центрального объекта по третьему закону Кеплера. Она составляет около 3 млн масс Солнца. Не чем иным, кроме как черной дырой, такой объект являться не может.

Черная дыра в центре нашей Галактики — довольно скром­ное по массе образование для подобных объектов и очень спо­койное по сравнению с активными ядрами некоторых галактик. Поглощаемая черной дырой материя «кричит от ужаса», пре­образуя в излучение до 15% своей массы. Разумеется, электро­магнитный «вопль», состоящий в том числе из квантов жесткого излучения, тем сильнее, чем больше вещества падает в черную дыру. Нет сомнений, что в прошлом, когда в центре молодой еще Галактики было гораздо больше диффузной материи, ее «цен­тральный монстр» вел себя гораздо активнее.

Но вернемся к галактической периферии. В последние годы публике стали широко известны понятия «темная энергия» и «темная материя». Эта материя темная не в том смысле, что не пропускает излучения, а в том, что «дело ясное, что дело темное». Любое излучение она как раз пропускает беспрепятственно, ни­

256

как не взаимодействуя ни с ним, ни с веществом, если не считать единственного взаимодействия — гравитационного. Имеется ли темная материя в нашей Галактике?

Да, имеется, причем ее масса по меньшей мере в разы пре­вышает массу видимого вещества. С некоторых пор астрономы стали замечать, что с вращением периферийных частей спи­ральных галактик творится что-то несообразное. Близ центра с вращением как раз все в порядке: балдж нашей Галактики вра­щается как твердое тело до расстояния в i кпк от центра (если не считать самых внутренних областей, где сильно влияние «цен­трального монстра»), т. е. скорость орбитального движения звезд линейно возрастает по мере удаления от центра. Далее линия скорости вращения на графике испытывает перегиб и по идее должна уменьшаться в соответствии с кеплеровским зако­ном по мере приближения к краю галактики. Оно и понятно: если некий объект, допустим звезда или облако молекулярного водорода, находится близ края галактики, то гравитационные силы должны действовать на этот объект преимущественно в одном направлении — к галактическому центру, а притяжени­ем со стороны более отдаленной периферии можно уже прене­бречь.

Однако реальность в очередной раз преподнесла астрономам сюрприз, и, пожалуй, не из приятных. Строгая и красивая фор­мула для орбитальных скоростей галактических объектов, вы­веденная замечательным голландским астрономом Я. Оортом, вдруг «захромала» на больших расстояниях от центра. Оказалось, что периферийные области многих спиральных галактик, в том числе и нашей, вращаются с гораздо большей скоростью, чем предписывает им формула Оорта. Речь, конечно, идет не о ско­рости вращения спирального узора, а о подлинных орбитальных скоростях звезд, газовых облаков и т. д. Ошибка исключалась: ведь определить лучевую скорость той или иной части галакти­ки, развернутой к нам ребром, проще простого по доплеровско- му сдвигу. Для Млечного Пути это сделать сложнее, но тоже не а^ти какая проблема.

257

Единственное разумное объяснение состояло в следующем: галактики — по крайней мере спиральные — значительно мас­сивнее и протяженнее, чем было принято считать. Наблюдаемая часть галактик — только «верхушка айсберга». Реальные разме­ры галактик в разы превышают их видимые размеры, и обшир­ная, никак себя не проявляющая, кроме гравитации, темная ма­терия окружает видимое вещество, как мякоть сливы окружает косточку.

Физическая сущность темного вещества все еще остается неяс­ной, хотя недостатка в гипотезах не ощущается. Что ж, Вселенная в очередной раз подбросила нам загадку из числа тех, что застав­ляют пересмотреть прежние представления о Мироздании. Не в первый и явно не в последний раз.

Среди всех наблюдаемых галактик 77% составляют спираль­ные, на долю эллиптических приходится 20%, и только 3% от­носятся к неправильным. Но ведь эллиптические галактики, лишенные молодых звезд высокой светимости и ярких эмисси­онных туманностей, светят гораздо слабее, чем спиральные га­лактики той же массы. Кроме того, очень многочисленны кар­ликовые эллиптические галактики, никакими средствами не об­наруживаемые на больших расстояниях. То же касается многих неправильных галактик, зачастую высокой поверхностной ярко­сти, но в большинстве своем небольших. Невзрачно-серого сло­на мы увидим издалека, а яркая бабочка на том же расстоянии останется незамеченной.

То, что указанная выше процентовка является следствием наблюдательной селекции, становится ясным при взгляде на Местную группу. Это небольшая, более-менее обособленная куч­ка галактик, куда входит и наш Млечный Путь. Помимо галак­тик Местная группа содержит несколько шаровых скоплений, не связанных с галактиками, но не о них сейчас речь. Всего в Местной группе более 40 членов, и несомненно будут открыты новые. Собственно, астрономы еще в начале прошлого века убе­дились в том, что лишь немногие галактики находятся «в груст­ном одиночестве» — большинство же предпочитает группиро­ваться в гравитационно связанные «кучки». И наша Галактика совсем не исключение.

В Местную группу входят три спирали: наша Галактика, Туманность Андромеды (М31) и Туманность Треугольника (М33). Остальные галактики Местной группы — эллиптические и не­правильные, причем эллиптические преобладают.

Наиболее удаленные члены Местной группы находятся от нас ^на расстоянии в 4 млн световых лет. От неправильной галакти­ки WLM (Вольфа-Лундмарка-Мелота) тянется почти прямоли-

259

нейная цепочка карликовых галактик к спирали IC342, уже не являющейся членом Местной группы. Эта цепочка галактик яв­ляется «мостом», соединяющим Местную группу с группой M8i. Такая структура вообще типична для распределения галактик в наблюдаемой части Вселенной. Другими близкими группами га­лактик являются группа Скульптора и группа М83 — обе на юж­ном небе.

Местная группа — очень типичное образование. Мы остано­вимся на ней подробнее главным образом потому, что надо знать своих соседей. Кроме того, многие особенности строения галак­тик изучены именно на членах Местной группы — они ведь бли­же к нам.

Девять десятых массы Местной группы заключены в двух га­лактиках — М31 и нашей, причем Туманность Андромеды раза в два массивнее. Половина, если не больше, других галактик Местной группы — спутники М31 и Млечного Пути.

Оценить расстояние до близкой к нам галактики и установить таким образом ее принадлежность к Местной группе в принципе не так уж сложно, если в распоряжении занятого этой задачей астронома имеется крупный телескоп, а в галактике — цефеиды. Последние встречаются не так уж часто, и в какой-нибудь карли­ковой галактике их может не оказаться вовсе. Тогда приходится ориентироваться на ярчайшие звезды в скоплениях, что гораздо менее надежно. Поглощение света тоже вносит свои коррективы и т. д. Все же оказывается, что измерить расстояние до ближай­ших галактик можно довольно точно, а все последующие уточне­ния расстояний обычно не играют решающей роли.

Туманность Андромеды находится на расстоянии 2,2 млн све­товых лет от нас. Следовательно, мы видим свет, излученный ею в то время, когда на Земле еще не началось Четвертичное оледе­нение, а в Африке первые представители рода Homo, пришед­шие на смену вымершим австралопитекам, еще только учились ударять камнем по камню.

Маленькое невзрачное облачко М31, едва заметное на темном небе, при взгляде в небольшой телескоп оказывается огромной

2бО

звездной системой, протянувшейся на целый градус и вдвое пре­вышающей диаметр Луны. Фотоснимки с большим временем экспозиции, полученные на крупных телескопах, убеждают нас в том, что с учетом слабых периферийных частей поперечник М31 достигает з градусов. М31 — сверхгигантская галактика типа Sb, видимая от нас под очень неудобным углом в 12 градусов. Спиральная структура ее несомненна и может быть обнаружена даже с помощью любительских телескопов, но конкретный рису­нок спиралей выглядит настолько невнятно, что велись споры: а сколько все-таки спиральных рукавов в М31? Два или, может быть, всего один?

Похоже, что все-таки «по проекту» было два рукава — просто на современном этапе структура рукавов М31 искажена посто­ронними возмущениями. На роль «возмутителей спокойствия» лучше всего подходят эллиптические галактики М32 и М110, особенно первая. Маленькая, но яркая М32 находится на пери­ферии М31, от этой эллиптической галактики остались лишь центральные области с высокой звездной плотностью — наруж­ные же части были «ободраны» притяжением более массивной соседки. М31 «без зазрения совести» присвоила себе чужие звез­ды, зато «не осталась в долгу» и М32, нарушив спиральный узор «обидчика».

Возможно, несколько раньше в непосредственной близости к М31 прошла другая эллиптическая галактика-спутник — М110. Звездообразование в ней прямо указывает на то, что сравни­тельно недавно эта галактика где-то поживилась газом. Уж не У Туманности ли Андромеды?

В М31 наблюдаются те же типы звездного населения, что и в Млечном Пути. Шаровых скоплений в ней к настоящему вре­мени известно без малого боо. Спиральная структура обрисо­вана почти двумястами звездными ассоциациями, содержащи­ми горячие ОВ-звезды и яркие газовые облака, но все же, если взять усредненную звезду Туманности Андромеды, то она ока­жется краснее и слабее усредненной звезды нашей Галактики. В М31 очень много звезд — по-видимому, более триллиона про­

26l

тив 400 млрд звезд Млечного Пути, но звезды М31 в среднем тусклее.

Помимо близких спутников М32 и М110 у Туманности Андромеды есть два далеких спутника — карликовые эллип­тические галактики NGC185 (Езрес) и NGC147 (Е5). Они резко отличаются от «нормальных» эллиптических галактик общей рыхлостью и низкой поверхностной яркостью. NGC185 счита­ется пекулярной из-за прослоек пыли и некоторого количества молодых горячих звезд. Где эта галактика набралась диффузной материи — неясно. На небе обе эти галактики расположены до­вольно далеко от М31.

Если условную линию, проведенную от М31 к звезде Бета Андромеды, продолжить еще примерно на столько же, мы по­падем почти точно в М33 — Туманность Треугольника. Это не­большая спиральная галактика типа Sc, выглядящая на небе как большое пятно низкой поверхностной яркости. Чтобы уверенно обнаружить ее и как следует рассмотреть, полезно вооружить глаз биноклем и дождаться очень темной и очень прозрачной ночи. Она 6-й звездной величины, но ее свет «размазан» по большой площади. Поэтому настоящее представление о ее структуре дает только фотография (рис. 33, цв. вклейка).

В М33 много облаков ионизованного водорода, три из них особенно большие и яркие. Крупнейшее и ярчайшее из них, удо­стоенное собственного обозначения NGC604, содержит гнездо

0-звезд с температурами порядка 50 тыс. К. Некоторые из них являются звездами Вольфа-Райе (класс W), горячие внешние атмосферы которых «выкипают» в интенсивном поле тепла и излучения. Совершенно ясно, что в этих областях идет активное звездообразование. Ярчайшая звезда в М33 имеет абсолютную величину -9,4, что не абсолютный рекорд для звезды, но все же ни одна из ярких звезд, видимых на нашем небе, не сравнится с ней. Даже Денеб, светящий как 270 тыс. солнц, имеет абсолют­ную величину всего -8,8.

В 1983 году в ядре М33 был обнаружен рентгеновский источ­ник, похожий на рентгеновские источники, связанные с актив­

262

ными ядрами некоторых галактик. Такой же, но в ю раз более слабый источник находится в центре М31, а рентгеновский ис­точник в центре нашей Галактики слабее в ю тыс. раз. Похоже, «центральному монстру» М33 есть что кушать — ведь в галакти­ках типа Sc больше свободного газа. Как ни странно, этот объ­ект проявляет себя только в рентгене — а ведь газ, падающий в черную дыру, по идее должен излучать на всех диапазонах волн. Разгадку еще предстоит найти.

Расстояние до М33 лишь немногим больше, чем до М31, —

2,5 млн св. лет. Учитывая их близость на небе, можно быть уве­ренными, что гравитационные узы между ними теснее, чем меж­ду любой из этих галактик и Млечным Путем.

Наша Галактика, подобно М31, тоже имеет в качестве спут­ников две близкие, относительно крупные галактики, только, в отличие от М31, они не эллиптические, а неправильные. Это Большое и Малое Магеллановы Облака. Португальским море­плавателям они были известны по меньшей мере с XV века и на­зывались тогда Капскими Облаками. Магеллановыми их пред­ложил назвать Антонио Пигафетта, спутник и официальный ле­тописец экспедиции Магеллана. Название прижилось.

Большое Магелланово Облако, расположенное большей ча­стью в созвездии Золотой Рыбы, а меньшей частью в созвездии Столовой Горы, имеет видимый поперечник в целых 5 граду­сов, что вдесятеро больше диаметра Луны. Малое Магелланово Облако, находящееся в созвездии Тукана, скромнее размера­ми — его видимый поперечник около 2 градусов. Впрочем, на фотографиях, полученных с высокой чувствительностью, БМО прослеживается до диаметра ю градусов, а ММО — до 6 граду­сов. Магеллановы Облака прекрасно видны на небе, лишенном засветки; БМО раза в 4 ярче, чем ММО. БМО находится от нас на расстоянии 50 кпк; ММО несколько дальше — 60-70 кпк.

Если в балджах спиральных галактик преобладают желтые тона, а в эллиптических галактик желто-оранжевые, то цвет БМО и ММО весьма голубой. Это связано с большим количеством со­держащихся в Облаках очень горячих молодых звезд.

263

В БМО отчетливо видна некая барообразная структура, но чтобы различить хотя бы обрывки спиральных ветвей, надо при­звать на помощь воображение. Значительно сильнее напоминает спиральный узор распределение нейтрального водорода в этой галактике. В БМО наблюдается регулярное вращательное дви­жение, характерное для спиральных галактик, но скорость вра­щения мала, поскольку мала масса галактики раз в 2 о меньше массы Млечного Пути. БМО чрезвычайно богато всеми видами звездных скоплений — рассеянными скоплениями, ассоциация­ми и др. Любопытно, что некоторые шаровые скопления в БМО гораздо голубее шаровых скоплений Млечного Пути. Это значит, что они образовались в сравнительно недавнее время. Казалось бы, нонсенс! Всякому, кто учил астрономию в школе, должно быть известно, что молодых звезд в шаровых скоплениях быть не должно. Шаровые скопления Млечного Пути — старые объ­екты, образовавшиеся одновременно с нашей Галактикой. Газа в них нет, и пополнения населения молодыми звездами ждать не приходится. С другой стороны, новых шаровых скоплений в Галактике не возникает — облаков газа хватает только на обра­зование рассеянных скоплений, иногда содержащих до тысячи звезд, но все же крайне бедных по сравнению с шаровыми.

Совершенно ясно, что в БМО иная ситуация. По-видимому, там еще относительно недавно имелись огромные облака газово­пылевой материи, способные порождать шаровые скопления.

И все же в нашу эпоху звездообразование в БМО протекает в более привычных нам местах, представленных звездными ас­социациями и комплексами. Особенно выделяется сверхассоциа­ция зо Золотой Рыбы, известная также под именем Туманности Тарантул. Простираясь на юоо световых лет, она содержит мас­су газа, равную 5 млн солнечных масс, и множество ярчайших бело-голубых звезд. Именно в Туманности Тарантул находится упоминавшийся нами ранее знаменитый объект Ri36a, порази­вший астрономов невиданной светимостью. Наиболее яркие бело-голубые сверхгиганты БМО оказались ярче крупнейших сверхгигантов нашей Галактики. Разумеется, такие звезды на­

264

гревают и ионизуют газ на большом расстоянии вокруг себя, пре­вращая обычные облака газа в эмиссионные туманности — про­ще говоря, заставляя их излучать. Если бы Туманность Тарантул находилась от нас на расстоянии Большой Туманности Ориона, то она была бы ярче на ю звездных величин, занимала бы все созвездие Ориона и светила ярче Венеры. Предметы в ее свете отбрасывали бы тени безлунной ночью!

В Туманности Тарантул и сейчас идет активное звездообра­зование, причем рождается много массивных короткоживущих звезд. Неудивительно, что структура туманности очень сложная, со взаимно переплетенными петлями и кольцами. Это, по всей видимости, результат взрывов Сверхновых.

Но 30 Золотой Рыбы — только один пример светящегося об­лака, правда, самый яркий, а вообще в БМО их тысячи. Зато тяжелых элементов в межзвездной среде БМО меньше, чем в нашей Галактике; меньше и пыли. Даже гелия — и то меньше. Объяснение напрашивается само собой: у карликовых непра­вильных галактик, подобных БМО, «затянувшееся детство» — скорость звездообразования в них более постоянна, чем в круп­ных системах, и они уж точно не испытали ничего похожего на взрывное звездообразование на ранней стадии существования спиральных и особенно крупных эллиптических галактик. Если каждый из атомов, составляющих Солнце, Землю и все ее объек­ты, включая живые существа, побывал в среднем в разное время в недрах трех звезд, то типичный атом в БМО от силы может «по­хвастать» лишь одним пребыванием в звезде.

ММО во всем уступает своей соседке — у нее меньше и ярких туманностей, и звездных ассоциаций, и ярчайшие звезды имеют меньший блеск, а признаков спиральной структуры не наблюда­ется вовсе.

Нейтрального водорода, еще не израсходованного на форми­рование звезд, много не только в Магеллановых Облаках, но и во­круг них. Еще в 50-е годы XX века австралийские радиоастрономы °бнаружили, что на волне 21 см Магеллановы Облака в действи­тельности представляют собой единый объект. Между Облаками

265

простирается «мост» из разреженного газа, в котором наблюда­ется мало звезд. Но все-таки они наблюдаются! Позднее было от­крыто тонкое газовое волокно огромной протяженности, начина­ющееся в Магеллановых Облаках и доходящее почти до противо­положных им точек небесной сферы. Эта полоса газа, называемая Магеллановым Потоком, по-видимому, соединяет несколько других очень маломассивных галактик. Причину возникнове­ния Магелланова Потока, пожалуй, наиболее разумно объяснить приливным воздействием. Взаимодействующие галактики вовсе не редкость во Вселенной; их касательное соприкосновение при близком пролете часто приводит к образованию длинных тонких «хвостов» и «антихвостов» (рис. 34, цв. вклейка). Эти «хвосты» состоят из газа и звезд. В некоторых случаях в наиболее плотных частях «хвостов» формируются карликовые галактики.

По-видимому, нечто подобное произошло и у нас, когда 2 млрд лет назад Магеллановы Облака пересекли внешние ча­сти нашей Галактики. Вряд ли это случилось в первый и послед­ний раз. Сейчас Облака продолжают удаляться от нас, но когда- нибудь вновь начнут приближаться, и никто пока не может ска­зать, каковы будут последствия нового тесного сближения.

Магеллановы Облака — не единственные спутники нашей Галактики. Они лишь единственные, видимые невооруженным глазом. В1938 году в Бойденской обсерватории в Южной Африке во время рутинного обзора неба на 24-дюймовом телескопе было получено изображение, принятое сначала за отпечаток пальца на фотопластинке или иной дефект. Проще всего было отмах­нуться от него и выбранить ассистента за неаккуратность, но X. Шепли распорядился поискать: нет ли чего в этой точке неба (находящейся в созвездии Скульптора) на снимках, получен­ных ранее? Оказалось — есть. Шепли назвал объект «Системой в Скульпторе» и не мог решить, чем он является — необычным скоплением звезд в нашей Галактике, отдельной галактикой, состоящей из слабых звезд, или, может быть, даже скоплением галактик? Но он предпринял действенные шаги, а именно: по­просил сделать снимки Системы в Скульпторе на бо-дюймовом

266

телескопе и загрузил ассистентов работой по поиску похожих объектов на старых фотопластинках.

Система в Скульпторе оказалась галактикой, причем далеко не слабой — 9-й величины, хотя и очень низкой поверхностной яркости. Она была отнесена к типу Е3. В ней не оказалось звезд ярче 21-й величины, но среди них нашлись цефеиды, подтвер­дившие: Система в Скульпторе — член Местной группы, причем близкий к нам.

Довольно скоро был найден второй объект такого рода — Система в Печи, а затем еще несколько. Все они представляют собой округлые образования очень низкой поверхностной яр­кости, и все находятся рядом с нашей Галактикой. Слабейшие из этих галактик имеют неприлично малую яркость, сопо­ставимую с яркостью галактических шаровых скоплений. Из них ближайшей к нам является Система в Стрельце, открытая только в 1994 ^г0ДУ ^по той причине, что она находится за цен­тром Галактики. Расстояние до нее всего 24 кпк, и, возможно, ее следует рассматривать не как самостоятельную галактику, а как структурную деталь на периферии Млечного Пути.

Происхождение этих карликов неясно. Возможно, они порож­дены столкновением Галактики с Магеллановыми Облаками, породившим Магелланов Поток. Существует и другая гипотеза: карликовые эллиптические галактики являются скелетами не­правильных галактик. Возможно, их газ был выметен при стол­кновении с внешними частями Млечного Пути. Обе эти гипоте­зы уязвимы для критики.

Вопрос о том, являются ли эти убогие объекты галактиками, был решен положительно после того, как в Системе в Печи были обнаружены 6 шаровых скоплений. Шаровые скопления — атри­буты нормальной галактики. Американский астроном и популя­ризатор Пол Ходж приводит в связи с этим афоризм: «У собак бывают блохи, но у блох не бывает блох». Разумеется, любой биолог скажет, что у блох тоже бывают паразиты, однако эти па­разиты — не блохи. Коль скоро в состав некой звездной системы входят шаровые скопления, эта система — галактика.

267

Кстати о шаровых скоплениях в Млечном Пути. Ярчайшее из них — Омега Центавра, видимое на южном небе как слегка туманная звезда и получившее за это «звездное» обозначение. Оно минус десятой абсолютной звездной величины и содержит 20 млн звезд. Обычно шаровые скопления содержат десятки и сотни тысяч звезд, редко миллионы, и Омега Центавра вы­глядит на их фоне как слон в крольчатнике. Не так давно была высказана гипотеза о том, что Омега Центавра — не «настоя­щее» шаровое скопление, а ядро небольшой эллиптической галактики, некогда поглощенной Млечным Путем. Внешние звезды этой галактики были, конечно, оторваны и смешались с общим звездным фоном Млечного Пути, а сплоченное ядро осталось в качестве ярчайшего шарового скопления. Так ли это на самом деле, пока неясно, но в подобном сценарии нет ни­чего удивительного. Галактический каннибализм — явление распространенное, большие галактики нередко «закусывают» галактиками-карликами, так почему же нашей Галактике, от­носящейся, напомним, к сверхгигантским, вести себя иначе? Из опасения «испортить фигуру»? Но спиральная структура каннибала, нарушенная «съеденной» галактикой, спустя мил­лиарды лет восстанавливается, а газ галактики-жертвы, стол­кнувшийся с газом галактики-каннибала, приводит к интен­сивному звездообразованию. Самое время еще раз заметить: в смерти — жизнь.

Другие члены Местной группы не столь интересны. Ярчайшей карликовой неправильной галактикой является NGC6822, из­вестная также как галактика Барнарда. Именно она стала пер­вой галактикой, для которой было установлено (Хабблом), что она находится за пределами Млечного Пути. В остальном эта га­лактика напоминает БМО — с той разницей, что масса и размер NGC6822 поменьше, звездных ассоциаций и ярких звезд в ней также меньше, чем в БМО, меньше и пыли, а свободного водо­рода больше. Другая карликовая неправильная галактика IC1613 в целом напоминает ММО, но тоже имеет меньшие размеры. Это довольно «скучная» галактика — в ней отсутствуют яркие ско­

268

пления. Аномально мала неправильная карликовая галактика GR8. Ее размеры всего-навсего 1500 св. лет, а светимость лишь немного больше светимости ярчайшей одиночной звезды в нор­мальной галактике. На нее похожа галактика LGS-з, а больше в Местной группе нет ничего заслуживающего внимания.

За одним только исключением — впрочем, актуальным ско­рее для любителей. В бедном яркими звездами (но зато бога­том внегалактическими объектами) созвездии Рыси находится «Межгалактический скиталец» — шаровое скопление NGC2419, не принадлежащее ни нашей Галактике, ни какой-либо другой. Оно примерно Ю-й звездной величины и при хороших условиях доступно для наблюдений в небольшие телескопы.

Рядом с красивой спиральной галактикой M8i находится гравитационно связанная с ней неправильная галактика М82 (рис. 35, цв. вклейка), известная также как «Сигара». Лет со­рок назад эта галактика чрезвычайно интриговала астрономов, поскольку были обнаружены мощные веерообразные выбросы нейтрального водорода из ее центральной области, сравнимые по размерам с самой галактикой. Картина походила на разлет газовой материи в результате взрыва, случившегося порядка миллиона лет назад. К тому времени был уже основательно из­учен феномен Сверхновых звезд, но ядра галактик хранили еще много тайн. Занимавший умы астрономов вопрос был в сущно­сти закономерен: коль скоро некоторые звезды взрываются, то не могут ли неизмеримо более масштабные взрывные процессы идти в ядрах галактик?

Вообще-то с поиском четко выраженных ядер неправильных галактик дело обстоит неважно. Сплошь и рядом найти ядро та­кой галактики не легче, чем найти «ядро» большой неупорядо­ченной толпы. Что принять за ядро — центр толпы? Или сгуще­ние, наиболее близкое к центру? Но сгущений может быть не­сколько, и никто не доказал, что в неправильной галактике, как и в толпе, сгущения стабильны...

Но — так уж и быть — пусть мы «назначили» ядро волевым ре­шением. Правильность нашего решения по идее подтверждается активностью ядра (если она наблюдается). Но в чем заключает­ся природа активности? Цепная реакция взрывов Сверхновых? Полно, да возможно ли такое? Или активность проявляет некий объект незвездной природы?

Ситуация с М82 в конце концов разъяснилась довольно ба­нальным образом. Богатые неизрасходованным газом непра-

270

вильные галактики сплошь и рядом демонстрируют вспышеч- ное звездообразование, когда за ничтожный по астрономиче­ским меркам срок рождается целая звездная сверхассоциация, а то и комплекс. Нечто подобное, хотя и в меньшем масштабе, демонстрирует нам Большое Магелланово Облако — речь идет главным образом о сверхассоциации в Туманности Тарантул. Вспышка звездообразования в центральной части М82 оказалась гораздо мощнее, чем в БМО. Наблюдаемое истечение газа — ре­зультат светового давления на среду со стороны очень большо­го количества молодых горячих звезд. Никаких «центральных монстров» для объяснения данного феномена привлекать не по­надобилось.

Можем ли мы считать М82 активной галактикой? В опреде­ленном смысле — да. Но сегодня, говоря об активных галактиках (точнее, об активных ядрах галактик), астрономы имеют в виду нечто совершенно другое. Другие объекты и совсем другие про­цессы.

В чем наиболее заметное сходство этих объектов между со­бой и отличие от галактик вроде М82? Прежде всего в том, что ядра активных галактик — источники сильнейшего радиоизлу­чения. Именно по радиоизлучению они и были «выловлены» на небе.

Чувствительности первых приемных устройств, появившихся на заре радиоастрономии, в принципе хватало для того, чтобы фиксировать достаточно сильные радиосигналы, пришедшие из космоса, зато угловое разрешение оставляло желать много луч­шего. Ни о каких радиоизображениях космических источников радиосигналов тогда не могло быть и речи. Радиоастрономы могли лишь указать, из какого примерно участка неба исходит радиосигнал. Иногда лишь с точностью до созвездия, если ис­точник находился в малом по площади созвездии. Так появи­лись обозначения Лебедь А, Кассиопея А и др. Самому яркому в радиолучах объекту данного созвездия присваивался индекс А, следующему В и т. д.

271

По мере роста размеров приемных «тарелок» радиотеле­скопов их угловое разрешение увеличивалось. Первые свиде­тельства того, что некоторые радиоисточники могут быть да­лекими галактиками, появились в 1949 году, когда австралий­ские радиоастрономы отождествили сильный радиоисточник Центавр А с необычной галактикой NGC5128. Частенько, одна­ко, вблизи яркой в радиолучах области не наблюдалось ничего оптически яркого. Дела пошли лучше, когда к поискам опти­ческих объектов, неумеренно много излучающих в радиодиа­пазоне, подключились астрономы Паломарской обсерватории, имевшие в своем распоряжении крупнейший тогда 200-дюй- мовый (5-м) телескоп. После значительных усилий они нашли несколько подходящих оптических кандидатов в радиоисточ­ники. У одного из них — Лебедя А — оказался спектр, похо­жий на спектр галактики, удаленной от нас на 700 млн св. лет. Другие кандидаты тоже оказались необычными галактиками. Астрономы пришли к выводу, что по крайней мере некото­рые радиоисточники могут быть галактиками, правда весьма странными.

Некоторые источники выглядели как сталкивающиеся галак­тики. Другие — как типичные одиночные галактики. Наконец, на небе существует достаточно много сталкивающихся галактик, и далеко не все из них являются мощнейшими радиоисточни­ками. Неистощимая на выдумку Природа подбросила еще одну проблему: как разобраться в наблюдаемой картине? Некоторые галактики оказались настолько яркими в радиолучах, что было совершенно непонятно, как столкновение между облаками газа может породить такую энергетику излучения? К тому же некото­рые из радиоисточников оказались одиночными эллиптически­ми галактиками, почти начисто лишенными газа. Что же в них излучает радиоволны?

В гипотезах недостатка не ощущалось. Среди них были мо­дели с галактиками из антивещества, магнитными вспышками, аккрецией межгалактического вещества, образованием новых

272

— Мир галактик —

галактик, цепной реакцией взрывов звезд, возникновением (из чего?) нового вещества и действием центрального сверхмас- сивного объекта. Почти все эти гипотезы не выдержали «испыта­ния на прочность». Развитие радиоастрономии сопровождалось увеличением размеров и чувствительности радиотелескопов, применением новых методов, открытием тысяч новых радиога­лактик и, как следствие, отпадением ошибочных гипотез. Сейчас осталась только одна — не стопроцентно доказанная (кто там, в самом деле, видел, что происходит в отдаленных галактиках?), но по крайней мере способная объяснить удивительно мощное излучение этих галактик в радиодиапазоне.

Согласно этой модели, в ядре галактики находится «цен­тральный монстр» — черная дыра с массой порядка миллио­нов масс Солнца. Другие возможные кандидаты на роль цен­трального монстра не обеспечивают наблюдаемой энергетики. Центральный монстр опустошает свои окрестности, жадно за­глатывая газ (а если попадется звезда, то и звезду), излучающий во время падения энергию, эквивалентную (по соотношению Эйнштейна) примерно 15% своей массы. Выражаясь фигураль­но, мы слышим в радиодиапазоне предсмертные вопли погиба­ющей материи.

Материя, однако, не падает в черную дыру сплошным рав­номерным потоком, как вода в Ниагарский водопад. Если мы рассмотрим одиночный атом водорода в пустоте, окружающей черную дыру, то не найдем причин для быстрого падения ато­ма в черную дыру, если только составляющая скорости атома, перпендикулярная силе тяготения черной дыры, достаточна для того, чтобы он вышел на эллиптическую орбиту. По ней он будет обращаться вокруг черной дыры весьма долгое время, опреде­ляемое в конечном счете эффектами ОТО.

Так и хочется сказать: «Этого не может быть, потому что это­го не может быть никогда». В действительности черная дыра окружена, конечно, не единичными атомами водорода, а более или менее плотной газовой средой, для которой весьма суще­

273

ственны столкновения между атомами, сопровождающиеся по­терей ими энергии. Как следствие, вокруг черной дыры форми­руется очень быстро вращающийся аккреционный диск, а уже из него газ, потерявший вращательный момент, падает в чер­ную дыру.

Уже простой здравый смысл подсказывает, что этот колос­сальный по масштабам энерговыделения процесс не может течь равномерно. И действительно, многие отождествленные с галактиками радиоисточники демонстрируют быструю (иногда в течение часов) неправильную переменность, что однозначно свидетельствует о малых размерах излучающей области. Более того, бурные процессы в окружающем черную дыру газе приво­дят к тому, что некоторая часть материи не пропадает в черной дыре, а выбрасывается прочь в виде джетов — длинных и тонких струй излучающего газа. Мы познакомились с джетами, когда говорили о фуорах, но джеты, наблюдаемые в радиогалактиках, естественно, неизмеримо мощнее.

Джетов обычно два — направленных в противоположные сто­роны. В некоторых галактиках эти струи вытягиваются наружу от ядра, образуя двойную структуру, наблюдаемую в оптиче­ском, радио- и рентгеновском диапазонах. В других случаях дже­ты простираются далеко за пределы видимой части галактики, выходя в межгалактическое пространство. Излучение джетов — синхротронное, обусловленное движением заряженных реля­тивистских частиц (электронов и протонов) в магнитном поле. Джеты вырываются из полюсов вращения аккреционных дисков и тянутся иногда на мегапарсеки.

Один из первых галактических джетов был обнаружен еще в 1919 году у эллиптической галактики М87 (она же NGC4486). Эта колоссальная галактика расположена близ центра скопле­ния галактик в созвездии Девы и намного массивнее других чле­нов скопления. Достаточно сказать, что одних только шаровых скоплений у этой галактики насчитывается около ш тыс. С виду это нормальная галактика типа El — суперсверхгигантская,

274

правда, но должны же хоть изредка попадаться суперсверхги­ганты! До 1919 года эта галактика казалась замечательной лишь своей величиной. И вот — у нее был обнаружен короткий голу­бой джет, вырывающийся из ядра и «не достреливающий» до края галактики, а потому теряющийся в общем свечении мно­гих миллиардов звезд. Удивительное образование! В эллипти­ческой галактике — газ, да еще выброшенный из ядра! Чем бы это могло быть?

Позднее с М87 был отождествлен мощный радиоисточ­ник Дева А. В 1954 году И.С. Шкловский объяснил свечение джета продолжением спектра синхротронного излучения, а в 1956 году В. Бааде на 5-м Паломарском рефлекторе обнаружил поляризацию излучения в узлах джета, чем подтвердил гипо­тезу о синхротронной природе его излучения. Но откуда в М87 взялся газ?

На современном уровне знания, когда отпали «экзоти­ческие» гипотезы, ответ может быть только один: М87 — галактика-каннибал. В прошлом она проглотила несколько галактик-соседок, среди которых были богатые газом и пы­лью спиральные и неправильные галактики. Пыли в М87 уже нет, но запасы газа, постепенно стекшие к ядру, еще остались. Именно этот «конфискованный» у соседок газ, взаимодействуя со сверхмассивной черной дырой в центре М87, большей ча­стью погибает, излучая электромагнитные волны в широчай­шем диапазоне частот, а меньшая его часть формирует джет, также излучающий.

Чуть позже астрономам удалось разобраться со знаменитым радиоисточником Лебедь А. На метровых волнах этот радио­источник лишь в несколько раз уступает Солнцу, хотя расстоя­ние до него около 340 Мпк. Это попросту означает, что яркость его в радиолучах примерно в ю²⁷ раз превышает радиояркость Солнца. Бааде обнаружил в этом месте крошечную двойную га­лактику. «Двойную» — в этом слове оказался ключ к разгадке. Взаимодействующие галактики обмениваются материей, в том

275

числе, конечно, и газово-пылевой. Ее облака, сталкиваясь, те­ряют момент вращения и оседают к галактическим ядрам, где образуют аккреционные диски вокруг «центральных монстров». Если не питать этих «монстров» материей, то никакого электро­магнитного излучения от них не будет — по той же самой при­чине, по какой не сдвинется с места автомобиль с сухим бензо­баком.

Еще один яркий (в буквальном смысле; он 7-й звездной ве­личины) пример — галактика NGC5128, известная также как радиоисточник Центавр А (рис. 36, цв. вклейка). На фон этой слабосплюснутой эллиптической галактики накладывается ши­рокая полоса пыли. И здесь мы имеем дело со столкновением галактик — эллиптической и спиральной, наблюдаемой с ребра. Вопрос дефицита газа для активных эллиптической галактики больше не стоит.

Итак, в активных галактиках имеется материал, безвозврат­но исчезающий в центральной сверхмассивной черной дыре. В нормальных галактиках этого материала уже нет или почти нет, он практически весь израсходован. К примеру, в нашей Галактике «центральный монстр» явно сидит на очень голод­ном пайке. Конечно, сколько-то вещества он все равно заглаты­вает, и это вещество излучает, но интенсивность его излучения не идет даже в отдаленное сравнение с тем, что мы наблюдаем в ядрах активных галактик. Мало «топлива» — мала и мощ­ность.

Нельзя сказать, что все активные галактики похожи друг на друга. В 1940-х годах Карл Сейферт открыл класс необычайно ярких галактик с широкими эмиссионными линиями в ядре. При этом они не являлись особенно мощными радиоисточника­ми. Сейчас эти галактики называются сейфертовскими (или по­просту Сейфертами) и являются предметом многих интересных исследований. Их принято делить на два подтипа: Сейферт I и Сейферт II. Разница между ними заключена в ширине эмиссион­ных линий — у первого подтипа они шире, чем у второго.

276

— Мир галактик —

Самая яркая из сейфертовских галактик на небе — спиральная система М77 в созвездии Кита, легко различимая в небольшой телескоп как пятнышко д^т. Другой пример — спираль NGC1068, являющаяся не только сейфертовской галактикой, но и радио­источником. В ее ядре находится очень яркое и горячее облако газа с турбулентными скоростями в несколько тысяч километров в секунду. По энергетике она напоминает радиогалактики и, по­хоже, находится на нижнем конце диапазона таких объектов, простирающегося до мощных радиогалактик и квазаров. Общим для всех этих источников является наличие в ядре резко очер­ченного возмущения с очень большой энергией. Астрономы ча­сто называют эти возмущенные области АЯГ — активными ядра­ми галактик.

Открытие этих объектов в очередной раз продемонстриро­вало справедливость утверждения: «Видеть — еще не значит открыть». В оптических лучах квазар неотличим от бесчислен­ного множества слабых звезд Галактики. Астрономов могли бы заинтриговать спектры квазаров, совсем не похожие на спектры звезд, но кто стал бы заниматься исследованием спектров всех звезд 13-й величины (а ведь именно на такую звезду похож яр­чайший из известных квазаров!)? Изображения квазаров много раз попадали на фотопластинки и принимались за звезды — в общем-то в полном соответствии с принципом Оккама. Ну чем еще может быть точечный источник света, ничем не выделя­ющийся на звездном фоне, как не звездой?

Оказалось — может и чем-то принципиально иным. Правда, открытие затянулось до бо-х годов XX века, когда радиоастро­номия начала понемногу изживать свою «детскую болезнь», связанную с низким угловым разрешением. Напомним: пре­дельное угловое разрешение зависит от апертуры антенного устройства (прямо пропорционально) и длины волны при­нимаемого излучения (обратно пропорционально). Поэтому, между прочим, антенные устройства радиотелескопов низких частот представляют собой не параболические чаши, похожие на увеличенные спутниковые «тарелки», а просто обширные поля, уставленные дипольными антеннами, связанными друг с другом в так называемую фазированную решетку, и чем боль­ше поперечник поля, тем лучше. Если еще учесть, что больше всего энергии от космических радиоисточников поступает к нам на низких частотах — на метровых, декаметровых и еще бо­лее длинных волнах, — то картина складывается удручающая. Несколько минут дуги — вот типичная разрешающая способ­ность радиотелескопа.

278

Удачное паллиативное решение было найдено в виде радио­интерферометрии, когда два разнесенных в пространстве радио­телескопа работают совместно. В i960 году американские спе­циалисты начали измерения координат источников радиоиз­лучения с использованием двух 27-м антенн Калифорнийского технологического института. Точность определения координат достигла 5 угловых секунд, и сразу же выяснилось, что неко­торые радиоисточники имеют очень малые угловые размеры. Первоначально предполагалось, что найдены — наконец-то! — нейтронные звезды, оставшиеся после взрывов Сверхновых. Но до открытия пульсаров, оказавшихся нейтронными звезда­ми, оставалось еще 7 лет. На месте первого из «точечных» ра­диоисточников (им оказался радиоисточник № 48 по Третьему Кембриджскому каталогу радиоисточников, имевший обозначе­ние 3С48) астрономы обнаружили внешне ничем не примеча­тельную звезду 16-й величины. Правда, вокруг были следы сла­бой небольшой туманности, но сам объект выглядел безусловно звездообразным.

Открытие радиозвезды? Существование этих объектов пред­сказывалось многими астрономами. В самом деле, по мере уменьшения температуры поверхности звезды ее цвет меняет­ся по закону Вина от голубого к красному. При еще меньших поверхностных температурах звезды должны были бы излу­чать большую часть энергии в инфракрасном диапазоне — и так далее, вплоть, возможно, до радиодиапазона. Но что за не­понятное событие должно было заставить звезду так изменить свою структуру, чтобы излучать преимущественно в радиодиа­пазоне?

Спектр этой странной звездочки представлял собой нео­бычную комбинацию широких эмиссионных линий и не под­давался идентификации. Обычно обнаруживаемые в звездах и газовых облаках химические элементы имеют свои, только им присущие наборы длин волн эмиссионных линий, и, казалось, пи один из них не имел соответствия в линиях спектра 3С48. К 1962 году были отождествлены еще два радиоисточника того

279

же типа — 3С196 и 3С286. Спектры звездочек, наверняка яв­лявшихся источниками радиоизлучения, оказались столь же странными...

Головоломка вышла на славу. Новые объекты на вид были звездообразными, но казались состоящими из непонятного ма­териала.

В 1963 году во время покрытия Луной источника 3С273 его координаты были определены с высокой точностью. Источник оказался двойным, причем один из его компонентов совпадал со звездой 13^т. Голландский астрофизик Маартен Шмидт на обсер­ватории Маунт Паломар получил спектр 3С273, с которым опять творилось нечто непонятное. Но Шмидт догадался о причине: эмиссионные линии можно отождествить с самой обычной баль- меровской водородной линией, если допустить красное смеще­ние, равное 0,158. Но в этом случае звездоподобный источник должен был находиться очень далеко за пределами Галактики, а его светимость раз в юо превышать светимость гигантских га­лактик.

Нетрудно найти, если знать, где искать. Буквально сейчас же были найдены красные смещения и для других «квазизвездных источников» — квазаров (вольное сокращение от qasistellar radio sourse). Например, для 3С48 красное смещение оказалось рав­ным 0,367.

Страсти закипели с новой силой. Необычайно высокий блеск квазаров в предположении, что их красное смещение вызва­но большим расстоянием до них, многим астрономам казалось неправдоподобным. Предпринимались попытки объяснить фе­номен квазаров выбрасыванием из Галактики с большой ско­ростью каких-то звездообразных объектов. Но объяснение при­роды этих объектов и их невероятно большой скорости, иногда превышающей половину скорости света, наталкивалось на не­преодолимые трудности. А между тем открывались все новые и новые квазары. К 1967 году их было найдено уже около 150, а к настоящему времени астрономам известны уже сотни тысяч квазаров. Красное смещение некоторых из них превышает 6,

280

т. е. их скорость уже сравнима со скоростью света!¹ Если принять гипотезу о выбрасывании этих объектов из Галактики, то наш Млечный Путь становится похож просто на какой-то сверхмощ­ный фейерверк или фонтан...

Нам неизвестно, вспомнил ли кто-нибудь из астрономов в свя­зи с этим афоризм Козьмы Пруткова: «Если у тебя есть фонтан, заткни его; дай отдохнуть и фонтану», — но выводы были сдела­ны верные, пусть и не сразу. Мешал звездообразный вид кваза­ров и обнаруженная переменность некоторых из них. Например, квазар 3С48 менял блеск на одну звездную величину за несколь­ко лет, а некоторые квазары и быстрее. Это означало, что раз­меры излучающей области сравнительно небольшие — уж никак не галактические...

Одним из доказательств космологических расстояний до ква­заров стало их обнаружение в скоплениях галактик с тем же зна­чением красного смещения. Другое доказательство, найденное в 1973 году, состоит в том, что если квазар является активным ядром галактики и если расстояние до него позволяет обнару­жить эту галактику, то она и обнаруживается на самом деле. На множестве фотографий, полученных с тех пор, квазары выгля­дят окруженными туманным ореолом. Кстати, в спектре слабой туманности, окружающей 3С48, в 1982 году были обнаружены линии поглощения кальция, типичные для звезд класса А7.

Итак, квазары оказались активными (даже очень активны­ми!) ядрами далеких галактик. «Вмещающая галактика» — ныне вполне законный астрономический термин. Вмещающие галак­тики слабы (что и неудивительно: на таких-то расстояниях!), во Вселенной миллиарды подобных галактик. Разница только в следующем: в некоторых из них «работает» квазар, ежесекунд­но излучая колоссальную энергию — много больше всей вмеща­ющей галактики.

¹ На самом же деле — даже превышает ее. Почему тут нет противоречия с Теорией Относительности — будет рассказано в главе, посвященной космологии. — Примеч. авт.

281

Громадные светимости квазаров играют астрономам на руку. То и дело приходится слышать об открытии самого далекого объекта Вселенной, и этим объектом всегда является квазар. Причина, думаем, понятна. Если квазар излучает в юо раз боль­ше энергии, чем вмещающая галактика, то это как-никак разни­ца в 5 звездных величин. Вдобавок слабое излучение галактики «размазано» по некоторой площади, тогда как квазары выглядят звездообразными, а значит, легче обнаруживаются на снимках неба, будь то снимки, сделанные с помощью крупнейших назем­ных телескопов или «глубокие проколы» Космического телеско­па им. Хаббла. Обнаружив квазар, можно поискать вокруг него невидимое прежде скопление галактик — с большой долей веро­ятности, оно там существует.

В настоящее время почти все астрономы считают, что при­чина и механизм излучения квазаров в сущности те же, что в активных галактиках, — разница только в масштабах энерговы­деления. В обоих случаях источником излучения является ак­креционный диск вокруг сверхмассивной черной дыры, погло­щающий оседающий к центру галактики газ и выбрасывающий узкие плазменные струи (джеты) в направлении оси вращения. В результате трения газовых облаков в аккреционном диске этот диск нагревается, гравитационная энергия переходит в энергию излучения, а потерявший гравитационную энергию газ засасы­вается черной дырой.

Помимо квазаров в ядрах галактик наблюдаются источники несколько иного рода — блазары, называемые также лацерти- дами. Последнее название происходит от созвездия Ящерицы (Lacertae), где был найден первый из блазаров. Объект RL Ящерицы некогда считался переменной звездой, но был позд­нее идентифицирован как ядро эллиптической галактики. Блазары — мощные источники в ядрах галактик, характеризу­ющиеся непрерывным спектром во всех диапазонах электромаг­нитных волн — от радио- до гамма-. Для блазаров типичны бы­стрые и значительные (до 4^-5^т) изменения светимости во всех диапазонах спектра за период в несколько суток или даже часов.

282

В спектрах блазаров — в отличие от квазаров — отсутствуют яр­кие эмиссионные линии.

Радиогалактики, сейфертовские галактики обоих типов, ква­зары, блазары... есть ли между этими объектами генетическая связь?

Установлено, что пространственная плотность квазаров рас­тет по мере увеличения расстояния. Свет от самых дальних объектов Вселенной, известных нам на сегодняшний день, идет к нам более 12 млрд лет. Мы видим удаленные галактики чрез­вычайно молодыми, еще сохранившими много газа для питания ненасытного «центрального монстра». Следует закономерный вывод: на ранних стадиях эволюции Вселенной квазаров было больше, чем сейчас. И понятно почему. Понятно также, что по мере уменьшения поступления в аккреционный диск еще не «съеденного» газа яркость квазара должна уменьшаться — если только он не получит «гуманитарной помощи» газом и пылью от другой, взаимодействующей с ним галактики...

Все ли ядра молодых, только-только сформировавшихся га­лактик проявляли активность? По-видимому, да. Во всяком слу­чае, это касается тех галактических ядер, в которых образовались сверхмассивные черные дыры. Все ли ядра молодых галактик были квазарами? Почти наверняка нет. Все зависит от двух фак­торов: количества свободного вещества, способного стать «пи­щей» для «центрального монстра», и массы самого «централь­ного монстра». Поэтому не все радиогалактики и Сейферты обо­их подтипов, не говоря уже о нормальных галактиках, прошли в ранней юности через стадию квазара. В частности, есть косвен­ные данные о том, что наша Галактика никогда в прошлом не была квазаром. Да и на самых дальних задворках Вселенной, до­ступных изучению, количество квазаров намного уступает коли­честву заурядных галактик.

Похоже, существует и третий фактор, отчасти сближающий радиогалактики и квазары, которые формально относятся все- таки к разным классам объектов. Среди астрономов давно суще­ствует подозрение, что различие между ними только кажущееся,

283

возникающее в зависимости от того, под каким углом повернут к нам объект. Если смотреть точно вдоль оси аккреционного диска, т. е. вдоль джета, то объект является быстро переменным, «радиоушей» не видно, и такой объект выглядит как блазар (ла- цертида). Если объект повернут к нам так, что мы смотрим под не очень большим углом к оси, то мы видим генератор энергии в центре — это квазар. Если мы смотрим на объект сбоку, когда пыль в аккреционном диске закрывает центр, то называем его радиогалактикой.

Подобная же картина, по-видимому, наблюдается в сейфер- товских галактиках. Очень может быть, различие между двумя их подтипами заключается только в том, что Сейферты II повер­нуты к нам так, что их ядра прикрыты пылью.

Словом, Вселенная в очередной раз оказалась не столь про­стой, как нам хотелось бы. Отдельного туману напустило откры­тие квазагов.

В 1965 году известнейший американский астроном Алан Сэн- дидж искал квазары по ультрафиолетовому избытку излучения. Им было найдено много голубых звездообразных объектов с большим красным смещением. Эти объекты, названные кваза- гами (квазизвездными галактиками), отличались от квазаров только одним: они не обнаруживали мощного радиоизлуче­ния. Любопытно, что квазаги избегают богатых скоплений га­лактик и обычно встречаются в бедных скоплениях и группах. Пространственная плотность квазагов раз в 500 превышает про­странственную плотность квазаров. Что же это за объекты?

Ясности нет и по сей день. Высказывалось предположение, что квазары являются представителями более обширного класса квазагов, находящимися в фазе активности. Существует и другое объяснение: вмещающая галактика у квазаров чаще всего эллип­тическая, в то время как у квазагов — спиральная. А известно, что активные спиральные галактики излучают в радиодиапазоне слабее, нежели активные эллиптические. Однако остается еще много непонятного. В связи с квазагами вновь всплыли старые гипотезы о рождении галактик из гипотетических сверхплотных

284

объектов, появились теории, требующие полного пересмотра на­ших представлений о Вселенной; популяризировать эти воззре­ния мы не будем.

Осталось сказать несколько слов о роли квазаров в космо­логии. Основываясь на ОТО Эйнштейна, сэр Артур Эддингтон предсказал, что сила тяготения массивных объектов может фо­кусировать свет, подобно гигантскому космическому телескопу- рефрактору, создавая сложные изображения далеких объектов. В 1979 году первая гравитационная линза была открыта при на­блюдении двойного квазара. Оба объекта, выглядевшие прак­тически как близнецы-братья, были разнесены всего лишь на несколько угловых секунд, а их красное смещение оказалось одинаковым. В принципе это действительно мог быть двойной объект, но сразу же возникло подозрение, что на самом деле это один объект, раздвоенный гравитационной линзой, т. е. наблю­даются два изображения одного и того же квазара. При тщатель­ном исследовании между ними был обнаружен слабый объект со свойствами галактики. Именно эта галактика, находящаяся гораздо ближе к нам, чем квазар, действует как гравитационная линза, увеличивая изображение квазара и отбрасывая в нашем направлении две его копии.

В дальнейшем было обнаружено еще немало таких экземпля­ров, большей частью представляющих собой фиктивно-двойные квазары. Может возникнуть вопрос: почему гравитационная линза формирует, как правило, два изображения? Это зависит от свойств линзы и ее положения между нами и квазаром. Трудно ожидать, что гравитационное поле галактики-линзы будет строго радиально-симметричным, как у линзы, вышедшей из хорошей оптической мастерской. Чаще галактики бывают вытянутыми. Да и квазар совершенно не обязан лежать точно на оптической оси. Тем не менее после долгих поисков все-таки были найдены «крест Эйнштейна» — учетверенное изображение квазара, рас­щепленное более близкой к нам галактикой, и почти идеальное «кольцо Эйнштейна» — гравитационно-линзированное изобра­жение далекого объекта, имеющее вид кольца.

285

От внимательного читателя, конечно, не укрылось, что в ка­честве объектов, подвергшихся гравитационному линзирова- нию, мы говорили о квазарах. А что же другие объекты? Разве обыкновенная, только очень далекая галактика не может быть линзирована более близкой галактикой?

Может, конечно. И такие объекты наблюдаются. Все дело в том, что квазары — яркие источники, а гравитационное линзи- рование по закону вероятности чаще всего проявляется на гро­мадных расстояниях. Обнаружить линзированный квазар про­ще по той же самой причине, по какой свет прожектора виден с гораздо большего расстояния, чем свет карманного фонарика. Все остальные свойства квазаров в данном случае совершенно ни при чем.

Галактики неоднородно распределены по небу. Всякий, кто наблюдал их в телескоп, знает, что в областях, далеких от по­лосы Млечного Пути, т. е. там, где свет не сильно ослаблен по­глощением галактического пылевого диска, ярких галактик много в созвездиях Девы, Волос Вероники, Льва и Малого Льва, Рыси, Большой Медведицы, Гончих Псов, зато мало, к примеру, в созвездиях Геркулеса и Волопаса. Это явление уже невозмож­но объяснить наблюдательной селекцией. Не только для земно­го наблюдателя, но и в действительности существуют как доста­точно небольшие регионы с высокой плотностью галактик, так и обширные области, содержащие относительно небольшое число галактик.

Проще говоря, галактики в большинстве своем собраны в некие объединения — группы, скопления и сверхскопления (рис. 37). Если построить трехмерную модель известной нам ча­сти Вселенной, то окажется, что распределение галактик напо­минает структуру пчелиных сот или рыбачьей сетки — сравни­тельно тонкие «стенки» и «волокна» окружают большие «пузы­ри» практически пустого пространства, так называемые войды (от англ. void — пустота). Скопления галактик являются «узла­ми» этой «сетки» (рис. 38, цв. вклейка).

Самая низшая ступень объединения — группа. Обычно груп­пы состоят из небольшого (не более 50) числа галактик всех ма­стей и имеют размер от 1 до 2 Мпк. Масса группы галактик не превышает, как правило, ш¹³ солнечных масс, а индивидуаль­ная скорость галактик в группе составляет примерно 150 км/с. Хорошим примером является Местная группа, рассмотренная нами выше. На рис. 39 показана группа галактик в созвездии Печь.

287

— Часть V —

Рис. 39. Группа галактик в созвездии Печь 288

Скоплениями называют объединения галактик большие, чем группа, хотя четкого различия между этими двумя классами нет. В скопление могут входить и сотни, и десятки тысяч галактик. Известно много скоплений галактик; их каталогом, составлен­ным Дж. Абелем, астрономы пользуются и сейчас. Лишь для ис­следования ближайших к нам скоплений подойдет небольшой телескоп — другие (и их подавляющее большинство) настолько далеки от нас, что для их исследования требуются крупнейшие из существующих на сегодняшний день инструментов. Кстати, в упомянутых чуть выше созвездиях Геркулеса и Волопаса есть скопления галактик, и даже не самые далекие, правда, очень близкими их тоже не назовешь, поэтому украшениями неба они не служат. Ближайшие к нам скопления галактик находятся в Деве и Волосах Вероники.

Как сравнивать скопления между собой? Ответ довольно оче­виден: по населенности и морфологии. Населенность скопления определяется его богатством. Это не метафора, а строгий па­раметр. Еще Абель предложил определять богатство скопления как количество галактик скопления в интервале двух звездных величин слабее третьей по блеску галактики скопления. Абель выбрал третью по блеску галактику, а не первую, чтобы избежать проблем, связанных с тем, что ярчайшие галактики скопления могут не входить в него, а являться галактиками переднего фона. В эпоху Абеля расстояния до галактик еще не были известны. По критерию Абеля скопления галактик в его каталоге имеют бо­гатство от 50 до юо. Разумеется, полное количество галактик в этих скоплениях гораздо больше и для большинства скоплений достигает тысяч объектов.

Индивидуальные характеристики скопления не исчерпыва­ются его богатством. Абель разделил скопления галактик на два класса: правильные и неправильные (иногда называемые регу­лярными и нерегулярными). Позднее было придумано несколь­ко других классификаций, но все они признают связь типов пре­обладающих в скоплении галактик (эллиптические, спиральные, неправильные) с формой скопления. Скопления правильной

289

формы можно уподобить шаровым скоплениям, где роль звезд играют галактики. Эти скопления обладают достаточно плотным ядром и ярко выраженной сферически-симметричной струк­турой. Их дальнейшая классификация по богатству оперирует числом галактик внутри сферы радиуса 1,5 Мпк от центра — так называемого абелевского радиуса. Обычно они имеют размер

1-ю Мпк и массу порядка ю¹⁵ солнечных.

В правильных скоплениях преобладают эллиптические га­лактики и галактики типа So. Последние чаще всего встреча­ются в центральных областях правильных скоплений, где плот­ность галактик высока. Это и неудивительно: ведь, согласно наиболее популярной версии, галактики типа So происходят от обычных спиральных галактик, из которых выметена газово­пылевая материя. Это прискорбное событие может случиться, например, при «лобовом» столкновении двух галактик. При этом звездное население обеих галактик нисколько не страда­ет, и галактики спокойно проходят друг сквозь друга. Но при­надлежащие галактикам газ и пыль, столкнувшись, остаются на месте, где-то между расходящимися в пространстве галактика­ми. В дальнейшем эта газово-пылевая материя может полно­стью рассеяться, а может и образовать карликовую неправиль­ную галактику — это не важно. Важно то, что в испытавших столкновение галактиках больше нет ни пыли, ни газа. В них прекращается звездообразование, а главные его области — спи­ральные рукава — постепенно тускнеют по мере выгорания в них массивных горячих звезд, а затем и вовсе пропадают. Разумеется, при взгляде «в профиль» на экваторе такой галак­тики нет пылевой полосы.

Что до настоящих спиралей, то их в правильных скоплени­ях мало, они чаще всего невелики и расположены на периферии скопления — там, где плотность галактик невелика и их структу­ре ничто не угрожает. Мало и неправильных галактик.

Наиболее эффектный пример правильного скопления — ско­пление в Волосах Вероники (рис. 40, цв. вклейка), расположенное примерно в 100 Мпк от нас. Оно компактное и концентрируется

290

к центру, где находятся несколько ярких гигантских галактик. Внутри его абелевского радиуса находятся не меньше тысячи га­лактик! Ярчайшая из них имеет достаточно высокую светимость и большие размеры, чтобы считаться галактикой типа cD. В этот тип выделяют чрезвычайно большие эллиптические галактики, часто оказывающиеся радиоисточниками (вроде уже знакомой нам М87). Это галактики-каннибалы, пожравшие нескольких более мелких соседок и иногда многоядерные по причине не­полного переваривания.

В центрах правильных скоплений много межгалактического газа, отчасти, по-видимому, потерянного галактиками, а отча­сти, возможно, натекшего в скопления извне. Как ни мало газа в межгалактическом пространстве, особенно между скоплениями галактик, а все-таки он есть и подчиняется законам тяготения. В центрах скоплений газ нагрет и излучает в радиодиапазоне, а иногда его можно даже «увидеть»: продираясь сквозь него, ра­диогалактики оставляют за собой закрученные шлейфы — газо­вые струи.

Примерно треть всех правильных скоплений являются еще и рентгеновскими источниками. И в этом случае излучение ис­ходит от газа в центрах скоплений, но уже нагретого до безумных температур порядка юо млн К. Такую температуру облака газа могут приобрести при бурных столкновениях друг с другом.

Неправильные скопления галактик не демонстрируют нам никакой внятной структуры. Они слабо концентрированы к центру, состоят из субскоплений и окружены многочисленны­ми группами типа нашей Местной группы. Центр такой систе­мы выражен крайне слабо, часто наблюдаются локальные цен­тры и т. д. П. Ходж приводит аналогию: правильные скопления похожи на города типа Нью-Йорка с сильной концентрацией к центру города — Манхэттену, где расположено много похожих друг на друга гигантских зданий. Неправильные же скопления больше походят на Лос-Анджелес, расползшийся по пригоро­дам и со слабой концентрацией в центре. Трудно понять, где находится центр Лос-Анджелеса, и еще труднее решить, где же,

291

собственно, заканчивается город и начинаются пригороды, — город постепенно сходит на нет на больших расстояниях от центра.

Хороший пример — скопление в Деве (хотя часть его залезает в соседнее созвездие Волос Вероники) (рис. 41, цв. вклейка). Оно удалено от нас всего на 18 Мпс. В этом неправильном скоплении есть и эллиптические галактики, в том числе сверхгигантские, но последних мало. При взгляде на скопление в Деве прежде все­го бросаются в глаза великолепные спирали — такие, например, как М61 (рис. 42, цв. вклейка) и Мюо (рис. 43, 44, цв. вклейка). Поскольку в этом скоплении нет областей, где плотность галак­тик была бы очень высока, то и столкновения между галактика­ми происходят редко. Отсюда и редкость галактик-каннибалов типа cD.

Межгалактического газа в неправильных скоплениях, по- видимому, тоже относительно немного, и он менее нагрет. Лишь каждое четвертое из них излучает радиоволны, и менее 10% яв­ляются рентгеновскими источниками. Мало и галактик типа So, что вполне понятно — мало столкновений.

Также примером неправильного скопления является скопле­ние в Геркулесе Abell 2151 — не путать со знаменитым шаровым скоплением в Геркулесе М13, оно же NGC6205. Оно удалено от нас примерно на 200 Мпк и не отличается богатством — в нем порядка Юо галактик. Однако его особенностью является раз­нообразие галактического населения — и спиральные, и эллип­тические, н неправильные, и линзовидные типа So, и даже взаи­модействующие галактики нашли приют в его границах. Плюс — это скопление является частью сверхскопления в Геркулесе, образованного помимо него скоплениями Abell 2147, Abell 2152 и еще несксолькими.

В свою сэчередь, данное сверхскопление вместе с еще одним, более близким (несколько более юо Мпк) сверхскоплением опять же в Геркулесе, ядро которого составляют скопления Abell 2197 и Abell 2199, а также скоплением в Волосах Вероники (Abell 1656) и скоплением в созвездии Льва (Abell 1367) образуют структуру,

292

получившую название Великая Стена (рис. 45), которая является частью крупномасштабной структуры Вселенной.

Размеры Великой Стены поистине огромны. По небу она простирается от 8 до 16 часов прямого восхождения и от 26,5 до

42,5 градусов северного склонения, а в пространстве ее длина превышает 500 млн св. лет.

А что же мы? Где мы находимся? Чудовищно громадный масштаб космических расстояний сам по себе может вогнать в ступор (не астронома — они к таким порядкам цифр относятся спокойно). Указание нашего адреса во Вселенной — хоть какая- то психологическая зацепка, которая, будем надеяться, поможет успокоиться чересчур трепетным натурам.

Итак, где мы находимся?

Близ скопления в Деве. Наша Местная группа галактик — дальний и малочисленный «выселок» этого скопления. Участвуя в общем расширении Вселенной, Местная группа удаляется от скопления в Деве, но, испытывая его гравитационное воздей­ствие, удаляется менее быстро, чем полагалось бы, учитывая расстояние до скопления и закон Хаббла. Между прочим, это об­стоятельство серьезно затрудняло и затрудняет до сих пор точ­ное определение постоянной Хаббла. На сравнительно близких расстояниях до галактик, которые (расстояния) могут быть опре­делены по ярчайшим звездам в галактиках, всегда приходится

293

принимать во внимание гравитационные эффекты. Полную же массу скоплений галактик оценить непросто, так как значитель­ную часть этой массы составляет уже знакомая нам (хотя и не ставшая от этого более понятной) темная материя. Напомним, она взаимодействует с видимым веществом только гравитацион­но и больше никак.

Что только ни предлагалось на роль темного вещества — от мириадов коричневых карликов и планет до облаков нейтри­но. Последнее предположение продержалось дольше всех, но в конце концов было отброшено, как и все остальные: выясни­лось, что требуемый для исполнения такой роли размер вклада массивных нейтрино (и, соответственно, получающаяся масса нейтрино) входит в противоречие с другими наблюдательны­ми данными.¹ Таким образом, нейтрино не могут объяснить силу тяготения темной материи. А она велика! Еще в 1933 году Цвикки обнаружил, что скорости галактик в скоплении Волос Вероники ненормально велики — порядка юоо км/с. Из пред­положения о гравитационной связности этого скопления следо­вала очень большая масса галактик в скоплениях — много боль­ше, чем получалось из обычного для галактик отношения массы к светимости. Аналогичный результат был позднее получен для скопления в Деве. Цвикки не смог найти объяснения этой стран­ности. На проблему не обращали внимания до 1959 года, когда В.А. Амбарцумян предположил, что массы галактик в скопле­ниях нормальные, но сами скопления гравитационно неустой­чивы и должны распадаться точно так же, как понемногу рас­падаются рассеянные скопления звезд, к примеру Плеяды. Но тогда, согласно расчетам, сроки жизни скоплений галактик по­

¹ Интересным будет отметить, что именно наблюдательные данные по крупномасштабной структуре Вселенной — а не данные наземных экс­периментов с использованием нейтринных детекторов, реакторов и ускорителей — являются на данный момент одними из наиболее точных источников информации о массе нейтрино. Так смыкается самое малое и самое большое! — Примеч. авт.

294

рядка одного миллиарда лет, что противоречит представлениям о звездной эволюции. Ведь возраст старейших звезд в галакти­ках оценивается, грубо говоря, в 10-15 млрд лет, стало быть, воз­раст галактик не меньше. Достаточно очевидно, что галактики в скоплениях не «скучковались» случайным образом, а образова­лись более или менее одновременно из единого облака материи. За предположение о гравитационной несвязности скоплений пришлось бы заплатить слишком большую цену — полный пере­смотр уже хорошо разработанной и, главное, находящей массу подтверждений в наблюдательном материале теории звездной эволюции...

Оставалось принять гипотезу темного вещества, не только окружающего галактики (хотя, возможно, не все), но и находя­щегося между ними в скоплениях. Ведь полную массу галактики (включая принадлежащее ей темное вещество) можно вычислить по скорости ее вращения, а просуммировав массы галактик, най­ти полную массу скопления. Увы, концы с концами не сходились. Масса скоплений неизменно оказывалась значительно больше массы находящихся в нем галактик. Оставалось признать, что темное вещество распределено также между галактиками, кон­центрируясь к центру, особенно в правильных скоплениях.

Очень важным является вопрос о том, как темное вещество распределено в пространстве вне скоплений и сверхскоплений — там, где в ячеистой структуре Вселенной имеются обширные «пустоты», практически лишенные галактик. Избегает ли тем­ное вещество столь ненаселенных мест? Может ли оно образовы­вать сгущения там, где нет сгущений видимого вещества? Вопрос еще далек от ясности. Похоже, решить его можно только наблю­дением за гравитационно-линзированными источниками (вот и опять пригодятся квазары!). Если наблюдается линзированный объект, а «линза» никак не выявляет себя, она может оказаться сгустком темного вещества, по какой-то причине одиноким.

Но хватит пока о темном веществе, вернемся к структуре на­ших «ближайших» окрестностей. Помимо Великой Стены в числе близких к нам элементов крупномасштабной структуры

295

Вселенной можно выделить так называемый Великий Аттрактор (от англ. attract — притягивать). О его существовании астро­номы подозревали с 1986 года, когда выяснилось, что помимо скопления в Деве существует еще один мощный центр притяже­ния, влияющий на движение Местной группы. Он был открыт косвенным путем — по анализу движения галактик. В конце концов удалось установить, что Великий Аттрактор — не просто умозрительная точка равнодействия приложенных гравитаци­онных сил, а реальное сверхскопление, закрытое от нас рукавом Млечного Пути. Поначалу его масса казалась явно недостаточ­ной для объяснения столь мощной гравитации, но позднейшие исследования выявили в'нем великое множество слабых галак­тик. Слабые они, собственно, только потому, что их заслоняет пылевая толща Млечного Пути. Уже в XXI веке выяснилось, что масса сверхскопления как раз достаточна.

Великий Аттрактор удален от нас на 250 млн св. лет в направ­лении созвездия Центавра и имеет размеры около 400 млн св. лет. Масса Великого Аттрактора так велика (порядка 5 х ю¹⁶ сол­нечных масс, причем по меньшей мере 9/10 этой массы состав­ляет темная материя), что своим притяжением он вмешивается в хаббловское расширение Вселенной. За счет этого притяжения Местная группа приближается к Великому Аттрактору со скоро­стью боо км/с (в системе отсчета, связанной с фоном реликтово­го излучения). Соответственно, на такую же величину уменьше­на скорость удаления Великого Аттрактора, обусловленная рас­ширением Вселенной (около четырех с половиной тысяч км/с на такой дистанции). Весьма значительная «поправка»!

В центральной части Великого Аттрактора находится сверх­скопление Норма (Abell 3627). Если бы не маскирующие эф­фекты Млечного Пути, это сверхскопление не уступало бы ско­плению в Волосах Вероники, находясь при этом ближе к нам (рис. 46, цв. вклейка).

Великая Стена и Великий Аттрактор — всего лишь ближай­шие к нам детали структуры Вселенной. Букашке, сидящей на кирпичной стене, легче всего увидеть ближайшие швы кладки,

296

окружающие избранный букашкой кирпич. Разглядеть более да­лекие швы ей уже трудно.

Но можно. Время от времени на Космическом телескопе им. Хаббла делаются «глубокие проколы» Вселенной — снимки с длительной экспозицией какого-либо (по необходимости очень узкого) участка неба. На них обнаруживаются очень далекие ско­пления и сверхскопления, свои великие стены и великие аттрак­торы. К сожалению, таким образом пока еще нельзя получить полную карту неба — только на одну эту работу ушло бы больше времени, чем существует космический телескоп. Астрономы вы­нуждены исследовать дальние области Вселенной отдельными «глубокими проколами», но и они приносят массу бесценной информации.

Основная цель астрономии — изучение эволюции Вселенной. Для этой задачи исключительно важность скоплений галактик обусловлена следующими обстоятельствами.

1. Скопления очень медленно изменяются — требуется вре­мя, сопоставимое с возрастом Вселенной, чтобы эти из­менения стали сколько-нибудь существенными. Таким образом, скопления сохраняют следы особенностей своего формирования, что делает их важным источником сведе­ний об образовании галактик и крупномасштабной струк­туры Вселенной.

2. В отличие от галактик, газ в которых может «выдуваться» за их пределы взрывами Сверхновых и иными процессами, скопления галактик удерживают весь газ в своих границах. Иными словами, скопления являются замкнутыми систе­мами, и путем их изучения можно воссоздать историю ну­клеосинтеза во Вселенной.

3. Так как основную часть массы скоплений галактик состав­ляет темная материя, исследование скоплений является одним из способов получения информации об этой зага­дочной субстанции, играющей одну из ключевых ролей в эволюции нашей Вселенной — как прошлой, так и бу­дущей.

297

Вряд ли очень далек тот день, когда старичка «Хаббла» сменят более совершенные космические инструменты, и есть все основа­ния надеяться, что в наших знаниях о Вселенной произойдет ка­чественный скачок. И все же ощущение ничтожности человече­ства перед колоссальными масштабами Вселенной остается. Что уж говорить о каждом человеческом индивиде в отдельности, о его счастье и несчастье, удачах и неудачах! Это даже не возня ин­фузорий в пруду — это нечто неизмеримо более мелкое!

Может быть, и так. А может быть, и иначе. Ведь никто еще не доказал повсеместной распространенности разумной жизни во Вселенной. Может статься, что человечество со всеми его не­достатками, и прежде всего с ограниченным разумом, — самый первый эксперимент Вселенной по созданию инструмента для ее познания и преобразования. Если это так, то мы не «бедные родственники», а зерно чрезвычайно могучей силы, которая — имеем основания надеяться — разовьется в будущем.

ВСЕЛЕННАЯ КАК ОНА ЕСТЬ

Хотя мысли об устройстве Вселенной волновали человека всегда, с самых древних времен, в современном виде история космологии начинается с первых десятилетий XX века. Если переводить слово «космология» буквально — а происходит оно от греческих слов «kosmos» (порядок, гармония, мир) и «logos» (слово, рассуждение), — то у нас получится «рассуждение о миро­вом порядке». В принципе под это определение можно подвести практически любую науку, не говоря уже о философии. Однако общепринятый ныне смысл термина «космология» несколько более узкий — так называется раздел науки, занимающийся про­исхождением, строением и эволюцией всей нашей Вселенной в целом.

Но доля правды в буквальном переводе есть — современ­ная космология является синтезом многих естественных наук¹ (в первую очередь, конечно, астрономии, физики и химии) и ак­тивно использует их инструменты и методы исследования. Более того, космологические открытия зачастую поднимают большое количество мировоззренческих вопросов, так что, получается, космология представляет интерес даже для философов.

При этом есть одно принципиальное отличие современной космологии от остальных наук. Как известно, основой науки является эксперимент, его проверяемость и повторяемость. Но Вселенная у нас существует в одном экземпляре (впрочем, в даль-

¹ В дальнейшем под словом «науки» всегда будут пониматься «естествен­ные науки». С сожалением вынуждены признаться, что по крайней мере один из авторов целиком и полностью разделяет точку зрения велико­го нашего физика Льва Ландау: что науки бывают «сверхъестественные, естественные и неестественные». Причем стоит заметить, что к сверхъес­тественным наукам он относил одну лишь математику. В другой же ре­дакции высказывание звучит еще более жестко: «естественные, неесте­ственные и противоестественные». — Примеч. авт.

300

нейшем будет рассказано о гипотезах, данный постулат слегка корректирующих), и никакое экспериментирование с ней — к со­жалению или, скорее, к счастью — невозможно.

Данное обстоятельство не столь умозрительно, как это может показаться с первого взгляда. Так, в качестве иллюстрации, ка­кие реальные проблемы оно порождает, можно привести следу­ющий пример. Чуть дальше будет рассказано о реликтовом излу­чении — «эхе» Большого Взрыва, дошедшем до наших времен, и о его анизотропии (т. е. о неоднородности распределения темпе­ратуры реликтового излучения по небу). Так вот, при изучении данной анизотропии на больших масштабах (когда два направ­ления на небе разделяет большой угол) возникает так называе­мая проблема cosmic variance.

Cosmic variance в буквальном переводе с английского означа­ет «космическое отклонение» (или — для знакомых с основами математической статистики это скажет больше — «космическая дисперсия»), но общепринятого русскоязычного термина до сих пор не существует. Смысл данной проблемы заключается в следу­ющем: процессы, приведшие к образованию анизотропии, носят вероятностный характер. Таким образом, все измеряемые нами величины неизбежно будут иметь статистическую (т. е. неустра­нимую в принципе) ошибку, уменьшить которую можно, только увеличивая число экспериментов. Например, если мы бросим монетку два раза, то не будет ничего удивительного, если оба раза выпадет «орел». Добиться, чтобы «орел» выпал примерно в половине случаев, как это предсказывает теория вероятности, можно лишь большим числом подкидываний (экспериментов).

Но Вселенная, как уже было сказано, у нас всего одна. Все, что произошло, — произошло один раз, переиграть нельзя. Для анизотропии на малых масштабах положение спасает то, что та­ких маленьких пятнышек на небе можно выделить много, так что усреднять можно по ним. А вот с анизотропией на больших масштабах помочь не может ничто. И это очень жаль, потому что (как, опять же, будет рассказано далее) влияние загадочного лямбда-члена («темной энергии») на анизотропию реликтового

301

— Часть VI —

излучения наиболее явно проявляется именно на больших мас­штабах.

Впрочем, мы немного забежали вперед. Итак, космология в современном понимании, как уже было сказано, возникла в на­чале XX века. Вообще начало XX века было поистине «золотым веком» физики. Ведь именно тогда были созданы две теории, ко­торые легли в фундамент всего современного здания физики, — теория относительности и квантовая теория. Разумеется, не ста­ла исключением и космология, ныне она широчайшим образом использует весь аппарат, результаты и выводы этих двух теорий. Однако, не умаляя роли квантовой теории, не будет преувеличе­нием сказать, что именно теория относительности не просто лег­ла в основу, а была тем самым решающим толчком, приведшим к созданию космологии как науки.

Как известно (но будет нелишним еще раз напомнить), тео­рия относительности была создана гениальным немецким физи­ком Альбертом Эйнштейном. Сначала, в 1905 году, была создана Специальная Теория Относительности (СТО), которая изуча­ет движение тел со скоростями, близкими к скорости света, но при этом не рассматривает эффекты гравитации и процессы в неинерциальных (ускоренных) системах отсчета. Так как в по­следнее время «опровергатели Эйнштейна» опять сильно акти­визировались, полезным будет сказать, на каких очень простых постулатах базируется СТО.

А постулатов этих всего два.

Первое. Все законы природы одинаковы для всей инерци- альных (т. е. движущихся без ускорения) наблюдателей. Это — известный задолго до Эйнштейна принцип относительности Галилея, правоту которого подтверждают не только точные фи­зические эксперименты, но и весь наш повседневный опыт. Не случалось ли вам, читатель, сидя в поезде, гадать: то ли тихо тро­нулся ваш поезд, то ли — соседний? А ведь тронувшийся поезд хоть небольшое, да испытывает ускорение. Если же ускорение (и разнообразную тряску с вибрацией) совсем убрать (и не апел­лировать к априори неподвижной для нас Земле), то отличить,

302

какой поезд едет, а какой стоит, — будет невозможно в принци­пе, никаким мыслимым и немыслимым опытом. Как говорится, кто едет, кто стоит — «зависит от точки зрения».

Второе. Существует максимальная (предельная) скорость распространения взаимодействий. И, так как это тоже закон природы, ясно, что скорость эта одна и та же для всех инерци- альных наблюдателей, с какой бы скоростью (меньшей макси­мальной, понятное дело) они мимо друг друга ни двигались бы. Это экспериментальный факт, впервые обнаруженный в опыте Майкельсона-Морли в 1887 году и многократно потом воспро­изведенный.

Второй постулат часто формулируется в виде «скорость света является константой». Но такая «краткая формулировка» может привести (и зачастую приводит) к недопонимаю, а то и является источником нездоровых сенсаций для журналистов (вида «уче­ные изменили скорость света!»). На самом же деле константой является скорость света в вакууме — а еще точнее, скорость света в вакууме этой константе (максимальной скорости распростра­нения взаимодействий, как уже было сказано) равна. Точна так же ей будет равна скорость любых безмассовых частиц (правда, после открытия у нейтрино массы число кандидатов на эту роль к одним только фотонам и сводится)¹.

А вот в среде (например, в воздухе) скорость света может быть и меньше — причем в принципе весьма значительно меньше. Так, в 1999 году группа ученых из Стэнфордского и Гарвардского университетов (умела «замедлить» свет до скорости всего 17 м/с (чуть больше 6о км/ч) — и это еще, по их уверениям, не предел. Причиной тут является поглощение и последующее переизлуче- ние фотонов атомами среды.

Так что в среде можно двигаться со скоростью, большей ско­рости света (в этой же среде!). Существует явление черенковско-

Имеются в виду уже открытые элементарные частицы. Теоретические же кандидаты имеются в количестве — начиная с гипотетических грави­тонов. — Примеч. авт.

303

— Часть VI — /

го (по имени первооткрывателя — советского ученого Федора Черенкова) излучения, которое возникает при движении заря­женной частицы (например, электрона) в среде со скоростью, превышающей скорость света. И данное явление, как уже тоже было сказано, используется в экспериментах по нейтринным осцилляциям, а также при регистрации космических лучей.

При анализе движения далеких галактик тоже возникают эф­фекты «сверхсветового» движения. Причем эффекты эти могут быть как «видимыми» (т. е. кажущимися, не существующими на самом деле), так и истинными. Но рассказ об этом (и почему тут нет противоречия с теорией относительности) тоже будет чуть позже.

Итак, как видим, постулатов, легших в основу СТО, — всего два. И все выводы СТО, связанные с «замедлением времени» для движущихся тел, «сокращением расстояний», «парадоксом близнецов» (который, впрочем, корректно может быть разре­шен только в рамках Общей Теории Относительности), «ростом массы»¹, — однозначным образом выводятся из этих двух впол­не элементарных постулатов. Так что лично нам все потуги «ни­спровергателей Эйнштейна» представляются априори обречен­ными на провал.

Но для целей космологии более важным оказалось создание в 1915 году Общей Теории Относительности (ОТО), введшей в рассмотрение эффекты гравитационного взаимодействия. При всей математической сложности ее аппарата (опирающегося на тензорное исчисление) от Специальной Теории Общую отличает добавление всего одного постулата — так называемого принципа эквивалентности гравитационной и инертной массы. Он гласит, что та (инертная) масса, которая фигурирует во втором законе Ньютона («Сила равна произведению массы на ускорение»), и гравитационная масса из закона всемирного притяжения («Тела

¹ Впрочем, масса как раз на самом деле не растет, это один из видов так называемого научного жаргона. Но это уже тема совсем другого разгово­ра. — Примеч. авт.

304

притягиваются с силой, прямо пропорциональной произведе­нию их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними») — одно и то же.

Ну и, как иллюстрация данного принципа эквивалентно­сти, — знакомый, думаем, многим читателям этой книги «лифт Эйнштейна». Человек, находящийся в закрытом со всех сторон непрозрачном лифте, не сможет определить — стала ли лифт притягивать какая-либо планета либо его потащило некое кос­мическое чудовище¹. Или же, в другом варианте, — что в свобод­но падающем в поле тяготения лифте должна наступить невесо­мость.

Безусловно, принцип эквивалентности тоже многократно под­твержден самыми разнообразными физическими эксперимента­ми, начиная с хрестоматийного опыта Галилея по бросанию ядер с Пизанской башни. Среди же современных экспериментов мож­но выделить готовящиеся к запуску спутниковые миссии STEP (Satellite Test of the Equivalence Principle — Спутниковый Тест Принципа Эквивалентности), разрабатываемый в Стэнфордском университете, французский проект MICROSCOPE (Micro-Satellite a trainee Compensee pour 1’Observation du Principe d’Equivalence) и итальянский Galileo Galilei. Они должны проверить точность выполнения принципа эквивалентности вплоть до 18-го знака после запятой!

Таким образом, все поразительные выводы ОТО, как и выводы СТО, имеют в своей основе не менее поразительно простой базис. Ясно поэтому, что шансы на пересмотр Теории Относительности с чистой совестью можно считать абсолютно нулевыми. Возможно лишь создание более общей теории, которая будет включать в себя ОТО в качестве предельного случая — так же, как СТО сво­

Тут, опять же, есть одна тонкость, заключающаяся в том, что действие гравитационного поля от действия ускорения нельзя отличить только в одной точке. Для протяженного тела появятся так называемые при­ливные силы, так что различие будет. Но это уже тема совсем, совсем Другого разговора. — Примеч. авт.

305

— Часть VI — j

дится к классической механике в случае малых скоростей, а сама ОТО сводится к ньютоновской теории гравитации в случае сла­бых гравитационных полей.

Первым, кто применил аппарат ОТО к анализу всей Вселенной в целом, был сам Альберт Эйнштейн. Его работа «Вопросы кос­мологии и общей теории относительности» вышла в 1917 году, вскоре после создания самой ОТО. Однако Эйнштейн находился в плену господствующих на тот момент времени представлений о стационарности Вселенной, т. е. о ее неизменности во времени. Вряд ли его можно за это винить, так как на начало XX века на­ходились ученые, которые отрицали даже существование других звездных систем за пределами нашей Галактики!

Но тем большим было удивление Эйнштейна, когда оказа­лось, что из уравнений ОТО следует принципиальная невозмож­ность пребывания Вселенной в стационарном состоянии. Она неизбежно должна так или иначе эволюционировать. Кстати, на качественном уровне довольно легко понять — почему. Ведь если Вселенная наполнена неподвижными друг относительно друга телами и между ними действует сила всемирного притяжения, то они, разумеется, должны притягиваться друг к другу. Ведь силы гравитации, хотя и ослабляясь по закону обратных квадра­тов, все-таки действуют на расстояниях вплоть до бесконечных. Таким образом, единственным вариантом, позволяющим суще­ствовать стационарной Вселенной, являлся вариант с нулевым давлением и плотностью вещества — т. е. совершенно пустая Вселенная, что вряд ли могло удовлетворить Эйнштейна.

Позволим себе еще одну ремарку. На самом деле многие (хотя и не все) классические космологические модели, речь о которых пойдет далее, как оказалось, могут быть выведены без привле­чения ОТО, с помощью одной лишь классической ньютоновской механики и теории тяготения (к сожалению, рамки этой книги заставляют нас воздерживаться даже от самых простых формул). Однако возможность эта, полезная в педагогических целях и по­тому часто встречающаяся на страницах популярной литерату­ры, должна быть обязательно подкреплена точными расчетами

306

теории относительности! Точно так же, как уже приведенная ра­нее формула для гравитационного радиуса черной дыры — он может быть получен из простых «классических» принципов, ко­торые на самом деле к черной дыре неприменимы. Так что та­кая возможность является своего рода счастливым совпадением (отражающим, впрочем, глубинные свойства нашего мира, явля­ющиеся темой другого рассказа).

Итак, стационарной Вселенной у Эйнштейна не получилось. Однако его вера в неизбежность именно такого вида мирозда­ния была столь велика, что он решился на «исправление» своей только что созданной теории: «Я пришел к убеждению, что урав­нения гравитационного поля, которых я до сих пор придержи­вался, нуждаются еще в некоторой модификации»¹.

Модификация свелась к добавлению к уравнениям еще одной постоянной величины — так называемого лямбда-члена. Таким образом, число констант в уравнениях расширилось до трех — постоянная тяготения G, скорость света с и лямбда-член Л. Но если первые две константы были уже очень хорошо известны из наблюдений, то лямбда-член был добавлен, еще раз повторим, совершенно произвольным образом, что, конечно, не могло не напрягать Эйнштейна. И, судя по всему, действительно силь­но напрягало — ведь последние фразы его статьи звучат почти как попытки оправдания: «Во всяком случае, это представление логически непротиворечиво и с точки зрения Общей Теории Относительности является наиболее естественным. Мы не будем здесь рассматривать вопрос, приемлемо ли это представление с точки зрения современных астрономических знаний. Правда, для того чтобы прийти к этому непротиворечивому представле­нию, мы должны были все же ввести новое обобщение уравне­ний гравитационного поля, не оправдываемое нашими действи­тельными знаниями о гравитации».

Исторические цитаты в данной части книги, как правило, проводятся по книгам И.Д. Климишина «Релятивистская астрономия» и А.М. Черепащука и А.Д. Чернина «Вселенная, жизнь, черные дыры». — Примеч. авт.

307

— Часть VI —

/

Однако своей цели тем не менее Эйнштейн добился — постро­енная им модель Вселенной с лямбда-членом действительно была стационарной. Причиной этого было то обстоятельство, что лямбда-член (с тем знаком, который выбрал для него Эйнштейн) на больших расстояниях действует как сила отталкивания, т. е. как эффективная антигравитация, уравновешивая таким обра­зом силу притяжения¹.

Кстати, слово «эффективная» используется нами не зря. «Истинной» антигравитации, исходя из современных представ­лений о природе тяготения, существовать не может. Роль же именно «эффективной» антигравитации для тяжелого предмета в повседневных условиях с успехом выполняет прочная веревка. Это грубая, но наглядная демонстрация отличия «истинного» от « эффективного ».

Что же представляла собой «Вселенная Эйнштейна»? Это была замкнутая статичная трехмерная сфера (называемая гиперсферой), вложенная (точнее — изучать ее свойства удоб­нее, считая ее вложенной) в некое фиктивное четырехмерное пространство (не путать с четырехмерным пространством- временем\). Привычным нам двухмерным аналогом гиперсферы является обычная сфера — воздушный шарик, например, если пренебречь толщиной его пленки. И так же, как треугольник, нарисованный на поверхности воздушного шарика, будет иметь сумму углов большую, чем имеет треугольник на плоской поверх­ности (180 градусов, как известно), треугольник во Вселенной Эйнштейна (образованный, например, световыми сигналами) тоже будет «поупитанней» своего плоского собрата.

Гипотетическое двухмерное существо, отправившееся в пу­тешествие по поверхности воздушного шарика, через некото­рое время вернется обратно, в ту же точку, откуда начало свое

¹ На самом деле, конечно, действовать как эффективная антигравитация лямбда-член будет на любых расстояниях, но на малых расстояниях эф' фект от его наличия, в силу малости, не представляется возможным из­мерить. — Примеч. авт.

308

путешествие, нигде не встретив при этом никакой границы. Аналогичным образом, световой луч (или, например, косми­ческий корабль) во Вселенной Эйнштейна, двигаясь все вре­мя «прямолинейно», тем не менее вернется обратно — тоже не встретив никакой преграды, не испытав никакого отражения!

Таким образом, мир оказывается замкнутым, имеющим ко­нечные размеры и конечный объем — но при этом безгранич­ным. И не знаем, как вам, читатели, а нам эта мысль доставляет определенное беспокойство — как о самой совершенной в мире тюрьме, откуда невозможно сбежать, ведь в ней нет стен, под ко­торые можно подкопаться, и решеток, которые можно перепи­лить. Не возбраняется куда-то двигаться, но тебя все равно рано или поздно вернет обратно.

И пусть со стороны такие слова кажутся несколько наивными в устах людей, априори запертых на одной-единственной плане­те, — вы-то, думаем, нас понимаете? Ведь это чуточку печальная, но все-таки необъяснимо притягательная возможность и даже своего рода привилегия для всех, интересующихся подобными вопросами, — размышлять о несопоставимо огромных, казалось бы, величинах времени и пространства и даже принимать их близко к сердцу.

Если же попытаться численно оценить размеры Вселенной Эйнштейна, то для плотности вещества ю~²⁹ г/см³ мы получим «радиус» Вселенной около з Гпк, а полную массу — ю²³ масс Солнца, т. е. «кругосветное путешествие» со скоростью света за­няло бы (по часам оставшихся на Земле, конечно) около 70 млрд лет, а число галактик составляло бы порядка одного триллиона. Это вполне значительная (но конечная!) величина, что должно было бы немного утешить Эйнштейна, придерживавшегося в то время так называемого принципа Маха, по которому инерция тела (т. е. сохранение им своей скорости в отсутствии действия внешних сил) обеспечивается гравитационным воздействием °стальных тел Вселенной.

Интересно отметить, что всего через несколько месяцев по- ^Сле опубликования статьи Эйнштейна появилась работа нидер­

309

ландского астронома Виллема де Ситтера, в котором было най­дено другое статическое решение для космологической модели с лямбда-членом — а именно решение с плотностью и давлени­ем вещества равным нулю, т. е. совершенно пустой Вселенной с одним только лямбда-членом. Статической она будет, потому что в ней совершенно ничего со временем не меняется — ведь плотность лямбда-члена, в отличие от плотности любых других компонент вещества и излучения, от времени не зависит. Не рас­тет при расширении, не уменьшается при сжатии — ни в целом (в среднем по Вселенной), ни в отдельных ее частях. Он не об­разует никаких пространственных сгущений или разрежений. Именно поэтому лямбда-член зачастую называется космологи­ческой постоянной.

Таким образом, Вселенная де Ситтера, как и Вселенная Эйнштейна, тоже будет вечной и неизменной. Но если в такую Вселенную поместить несколько пробных (т. е. не оказывающих никакого влияния ни на получившуюся модель, ни друг на дру­га) частиц, то они будут удаляться друг от друга по экспоненци­альному закону.

Забегая немного вперед, скажем, что судьба модели де Ситтера в современной космологии, несмотря, казалось бы, на значительную искусственность (полное отсутствие вещества!), оказалась определенно удачнее судьбы модели Эйнштейна.

Смертельным ударом для модели Эйнштейна оказалось от­крытие Эдвином Хабблом разбегания галактик. Впрочем, стро­го говоря, первым был американский астроном Весто Слайфер. Исследование спектров других галактик (хотя в то время их на­зывали «внегалактическими туманностями» и кипели споры об их природе) он начал еще в 1912 году. А в том же 1917 году, в кото­ром вышла вышеописанная работа Эйнштейна, он опубликовал статью, где на основе красного смещения линий в измеренных спектрах «туманностей» сделал вывод об их удалении от нас.

Однако, повторим еще раз, так как, ни природа данных «ту­манностей», ни расстояние до них известны еще не были, ника­ких «космологических» выводов в его статье не делалось. Так что лавры первооткрывателя Эдвин Хаббл все же носит по пра­ву. Своими наблюдениями 1927-1929 годов на 250-см телескопе- рефлекторе (самом большом телескопе того времени) обсерва­тории Маунт Вилсон он убедительно доказал, что загадочные «спиральные» туманности на самом деле являются гигантскими звездными системами — галактиками, такими же, как и наша Галактика. Самой первой «туманностью», в которой Хаббл разглядел отдельные звезды, была знаменитая Туманность Андромеды.

Но этим открытия Хаббла отнюдь не ограничились. Он су­мел измерить расстояние до этих галактик! Хаббла «выручили» Цефеиды — звезды типа дельты Цефея, которые изменяют свой блеск по периодическому закону. Ранее было показано (по звез­дам нашей Галактики), что светимость и период изменения бле­ска цефеид находятся во взаимосвязи. Таким образом, измеряя период, мы можем получить светимость звезды-цефеиды. А зная светимость и видимую звездную величину, мы можем вычислить Расстояние (разумеется, здесь есть свои сложности, мы связан­ные, например, с межзвездным поглощением света).