I. Солнце и солнечная система

В настоящее время каждому известно, что Земля, на которой мы живем, входит в состав целой системы планет. В центре этой системы находится звезда — Солнце. Вокруг этой звезды обращаются следующие планеты: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон (названия приведены в порядке возрастания расстояний от Солнца). Последняя планета, Плутон, наиболее удаленная от Солнца и пока еще наиболее плохо изученная, была открыта в 1930 г. Вокруг большинства планет движутся небольшие небесные тела, называемые спутниками планет. Например, Луна есть спутник Земли. Спутники движутся вокруг своих планет аналогично тому, как сами планеты движутся вокруг Солнца. К большим планетам, которые мы только что перечислили, следует добавить небесные тела, называемые малыми планетами или астероидами. По своим размерам астероиды гораздо меньше Земли. Их число очень велико (в настоящее время известно около 2000). Что касается расстояний астероидов от Солнца, то их, за редким исключением, следовало бы все поместить в приведенном выше списке планет между Марсом и Юпитером. К солнечной системе следует отнести также небесные тела, весьма отличные от планет по своему физическому строению и носящие название комет.

Рис. 1. Вид участка лунной поверхности. Отчетливо заметны цирки или кратеры

С точки зрения космогонии интересны следующие особенности солнечной системы:

1. Все небесные тела солнечной системы — за исключением комет — имеют почти сферическую форму. Согласно имеющимся данным, эти небесные тела не состоят из других химических элементов, отличных от тех, какие имеются у нас на Земле.

2. Центры различных планет остаются все время в неизменных плоскостях, проходящих через центр Солнца. Эти плоскости располагаются весьма близко друг к другу. В целях простоты изложения мы будем в дальнейшем предполагать, что все эти плоскости совпадают с плоскостью, в которой движется центр Земли и которая называется плоскостью эклиптики. Кривые, описываемые центрами планет в этой плоскости, представляют собой эллипсы] однако эти эллипсы очень мало вытянуты и, следовательно, очень мало отличаются от окружностей (исключение составляют эллиптические пути некоторых малых планет). Таким образом, если мы вырежем на доске вдоль ряда концентрических окружностей канавки, поместим в центр этих окружностей шарик, и пустим катиться по нашим канавкам шарики гораздо меньших размеров, то мы получим приблизительное представление о расположении планет в их движении вокруг Солнца. Если мы захотим оживить нашу модель с целью копировать настоящие движения планет, то обнаружится исключительно важный факт: необходимо заставить катиться все шарики, представляющие планеты, в одном и том же направлении вокруг центра. Действительно, все планеты обращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении.

3. Каждая планета вращается вокруг оси, проходящей через ее центр. Направления осей вращения планет в общем мало отличаются от направления перпендикуляра к плоскости эклиптики, и, кроме того, все планеты вращаются в одну и ту же сторону (два последних замечания не применимы к Урану). Например, Земля вращается вокруг оси, составляющей угол в 23° с перпендикуляром к плоскости эклиптики и делает полный оборот менее чем за одни солнечные сутки.

Рис. 2. План солнечной системы

Ось вращения Земли проходит через полюсы Земли; если бы наблюдатель, находящийся на северном полюсе, сам не участвовал бы во вращении Земли, то он бы заметил, что Земля поворачивается против часовой стрелки. Это направление собственного вращения, которое является общим почти для всех планет, называется прямым. Именно в прямом направлении обращаются вокруг Солнца планеты. (В нашей модели, описанной выше, следует предположить, что наблюдатель стоит на доске, а планеты и Земля расположены так, что северный полюс Земли виден над столом.) Направление, противоположное прямому, называется обратным; оно совпадает с направлением вращения стрелок часов.

Солнце также обладает собственным вращением в прямом направлении; его ось вращения составляет 5–6° с перпендикуляром к плоскости эклиптики.

4. Движение большинства спутников планет обладает теми же свойствами, которые перечислены выше. Другими словами, центры спутников перемещаются вокруг своих планет почти по окружностям, оставаясь в плоскостях, наклоненных довольно мало к плоскости эклиптики (за исключением спутников Урана). Направление обращения спутников также прямое. Спутники также обладают собственным вращением в прямом направлении. Однако у спутников далеких от Солнца планет мы встречаемся с существенными отклонениями от этих правил.

5. Близкие к Солнцу планеты имеют примерно ту же среднюю плотность, что и Земля. Более далекие планеты (начиная с Юпитера) имеют гораздо меньшую плотность, хотя по массе они гораздо больше Земли.

6. Каждая комета движется в плоскости, проходящем через центр Солнца, однако в отличие от планет плоскости движения комет располагаются как угодно по отношению к плоскости эклиптики.

Траектории комет, как правило, очень вытянуты; встречаются движения как в прямом, так и в обратном направлении. Сопоставляя эти факты со сделанным выше замечанием об отличии комет от планет в отношении физического строения, мы можем сразу предположить, что и условия происхождения комет были также иными.

7. Все небесные тела солнечной системы подчиняются в своем движении трем законам, открытым Кеплером и сведенным к единому принципу — закону всемирного тяготения — Ньютоном.

Размеры солнечной системы

Прежде чем расстаться с солнечной системой, мы приведем некоторые числа, позволяющие составить представление о ее размерах.

Радиус Земли равен 6370 км. Расстояние Луны от Земли составляет 60 земных радиусов, т. е. около 380 000 км. Расстояние Земли от Солнца составляет 23 000 земных радиусов или 150 млн. км. Свет, пробегая 300 000 километров в секунду, затрачивает на путь от Солнца до Земли восемь минут. Поэтому говорят также, что Земля находится на расстоянии восьми световых минут от Солнца.

Расстояние Плутона от Солнца, определяющее внешнюю границу планетной системы (на сегодняшнем уровне наших знаний), в 40 раз больше. Оно составляет примерно шесть миллиардов километров или несколько более пяти световых часов.

По сравнению с этими числами радиус Солнца, составляющий 700 000 км (109 земных радиусов), покажется весьма малым. Юпитер, следующее по своей величине тело солнечной системы, лишь в 11 раз больше, чем Земля.

Если мы захотим, возвращаясь к нашей модели, воспроизвести солнечную систему, сохраняя правильный масштаб расстояний и размеров, то при расстоянии Плутона до Солнца в 60 см Солнце должно представляться маленьким зернышком диаметром в 1/7 миллиметра. Земля же выглядела бы как микроскопическая пылинка размером в сто раз меньше, помещенная на расстоянии полутора сантиметров от Солнца. Глядя на эту модель, можно понять, насколько невелика плотность материи в солнечной системе, которая является, однако, одной из наиболее «занятых» областей вселенной.

 

II. Звезды

Звезды являются небесными телами, подобными нашему Солнцу, однако вследствие их очень большой удаленности от нас они даже в самые мощные телескопы кажутся светящимися точками. При наблюдениях невооруженным глазом можно видеть несколько тысяч звезд, и кажется, что они движутся по небесному своду в обратном направлении вокруг некоторой точки, близкой к Полярной звезде. Однако при этом звезды всегда сохраняют одни и те же положения относительно друг друга, образуя различные созвездия (Большая Медведица, Малая Медведица, созвездия Кассиопеи, Андромеды и т. д.), которые были известны с глубокой древности. Древние народы полагали, что звезды неподвижно прикреплены к хрустальной сфере, которая вращается вокруг оси, проходящей через Землю и Полярную звезду.

Мы знаем теперь, что эта знаменитая хрустальная сфера в действительности не существует и что движутся не звезды, а сама Земля, совершающая полный оборот вокруг своей оси за одни звездные сутки (несколько меньшие, чем обычные наши сутки). Видимое движение звезд представляет собой, следовательно, оптическую иллюзию, обязанную вращению Земли в прямом направлении. В самом деле, всякий знает, что когда он из поезда видит, как соседний поезд движется, то (если он не смотрит на рельсы и не ощущает сотрясений) он не в состоянии решить, движется ли в самом деле этот чужой поезд, или же это движется его поезд в обратном направлении.

Число звезд и расстояния до них

С помощью современных мощных телескопов и фотографирования с большой выдержкой мы можем непосредственно наблюдать более миллиарда звезд. Их имеется, конечно, гораздо больше, и можно вычислить, что Млечный путь, эта светлая полоса, пересекающая все ночное небо, состоит примерно из 100 миллиардов звезд.

В некоторых случаях можно определить довольно точно расстояния звезд от Земли. Эти расстояния для различных звезд весьма отличаются друг от друга, но все они чрезвычайно велики. Самая близкая к нам звезда находится на расстоянии, равном примерно четырем световым годам или 40 триллионам километров. Если бы мы захотели изобразить эту звезду на доске с нашей моделью солнечной системы, то надо было бы поместить эту звезду (при сохранении того же масштаба) на расстоянии около четырех километров от центра. Таким образом, наша планетная система действительно является одной из наиболее «занятых» областей вселенной.

Мы говорили выше, что положения звезд относительно друг друга неизменны. Однако в действительности это совсем не так. Было обнаружено, что звезды слегка перемещаются по отношению друг к другу, хотя в силу большой удаленности звезд их видимые перемещения происходят очень медленно. Были вычислены скорости звезд по отношению к солнечной системе, предполагаемой неподвижной. Полученные для скоростей значения составляют около нескольких десятков километров в секунду (скорость Земли в ее движении вокруг Солнца равна 30 км/сек, т. е. примерно 10 000 км/час). Детальное изучение движений звезд показывает, что звезды движутся не как попало и что их скорости по отношению к Солнцу распределяются не случайным образом.

Точные астрономические наблюдения показывают, что созвездия, близкие к созвездию Лиры, как бы растягиваются во все стороны, а созвездия, находящиеся в диаметрально противоположной стороне неба (например, созвездие Большого Пса), как бы сжимаются. Такие изменения вида созвездий легко объяснить эффектом перспективы, вызванным движением Солнца среди звезд.

В самом деле, путнику, идущему по туннелю, кажется, что то отверстие, через которое он вошел, все более и более уменьшается по мере удаления от него, в то время как выход из туннеля, к которому он приближается, вес более и более увеличивается.

Таким путем установили, что солнечная система в целом перемещается по отношению к соседним звездам со скоростью около 20 км/сек в направлении некоторой точки в созвездии Лиры.

Оказалось также возможным определить движения других звезд по отношению к той же системе близких к Солнцу звезд, рассматриваемых как неподвижные. Эти звезды, как и Солнце, имеют вполне заметные движения.

Но являются ли неподвижными эти «соседние» звезды? Совсем нет. Очень далеко от нас находятся гигантские скопления звезд, называемые спиральными туманностями, о которых мы будем вскоре говорить более подробно… Эти спиральные туманности настолько удалены от нас, что направления на них можно считать почти неизменными. Изучение движений различных звезд Млечного пути и других небесных тел позволило сделать вывод о том, что местное скопление звезд, к которому принадлежит Солнце, перемещается все в целом по отношению к системе спиральных туманностей, рассматриваемых как неподвижные, описывая круговое движение вокруг оси, проходящей через центр Млечного пути.

Таким образом, астрономы постепенно пришли к следующим выводам:

1. Не небесная сфера вращается вокруг оси, проходящей через центр Земли, но сама Земля вращается вокруг этой оси в противоположном направлении.

2. Не Солнце движется вокруг земного шара, но наш земной шар описывает вокруг Солнца эллипс.

3. Само Солнце не остается неподвижным, но перемещается по отношению к соседним звездам.

4. Скопление, образованное этими близкими к Солнцу звездами, в свою очередь не неподвижно, но все в целом обращается вокруг оси, неподвижной по отношению к известным спиральным туманностям.

Ничто не говорит также в пользу того, что эта последняя система, которую мы посчитали неподвижной, будет рассматриваться таковой завтра, так как известные спиральные туманности, если верить некоторым теориям последнего времени, сами удаляются от нас с исключительно большой скоростью, увеличивающейся пропорционально расстоянию туманностей до нас. Несомненно, этот пример лучше, чем какой-либо другой, иллюстрирует необходимость рассматривать проблему покоя и движения с диалектической точки зрения. Идея об абсолютном движении, которая была так дорога нашим предкам, не имеет с астрономической точки зрения никакого смысла.

Невозможно думать о движении, не относя его к некоторой «неподвижной системе», и, наоборот, состояние покоя можно представить, лишь сравнивая его с состоянием движения. Этот факт был уже подчеркнут Энгельсом со свойственной ему отчетливостью в книге «Анти-Дюринг»: «Всякий покой, всякое равновесие только относительны, они имеют смысл только по отношению к той или другой определенной форме движения. Так, например, известное тело может находиться на земле в состоянии механического равновесия, т. е. в механическом смысле — в состоянии покоя, но это не мешает тому, чтобы данное тело принимало участие в движении земли и в движении всей солнечной системы, как это совершенно не мешает его мельчайшим физическим частицам совершать обусловленные его температурой колебания или же атомам его вещества — совершать известный химический процесс. Материя без движения так же немыслима, как и движение без материи».

Однако утверждение об относительности движения не должно привести нас к тому выводу, что выбор системы отсчета диктуется только соображениями «удобства» и что можно в конце концов возвратиться в астрономии к прежней точке зрения, согласно которой Земля неподвижна, а звезды и Солнце вращаются вокруг Земли. Напротив, последовательный переход в астрономии от одной системы отсчета к другой (от Солнца к соседним звездам, а затем к далеким спиральным туманностям) соответствовал углублению наших знаний о вселенной. Выражаясь точнее, можно сказать, что если всякое движение является относительным по своему внешнему проявлению, то оно имеет абсолютный характер в силу своей обусловленности определенным законом природы.

Двойные звезды

Интересные факты, имеющие большое значение, были открыты благодаря детальному изучению движений звезд и свойств света, излучаемого звездами (спектроскопическими методами).

В частности, было обнаружено существование пар близких друг другу и взаимно притягивающихся звезд (так называемых двойных звезд). Некоторые двойные звезды были обнаружены непосредственно при визуальных наблюдениях в телескоп, но гораздо больше — с помощью спектроскопических методов, и Анри Пуанкаре мог уже в 1911 г. в своих «Лекциях о космогонических гипотезах» утверждать, что из каждых трех звезд одна является двойной. Большинство астрономов в настоящее время полагает, что это отношение на самом деле еще больше и, например, в окрестности Солнца достигает двух третей.

Во многих случаях оказалось возможным весьма детально изучить движения звезд, составляющих пару, относительно друг друга. Полученные результаты показали, что закон тяготения, открытый Ньютоном, действует не только в солнечной системе, но и во всей доступной наблюдениям области вселенной.

Заметим также, что наряду с двойными звездами существуют более сложные системы, состоящие из трех, четырех и большего числа звезд и объединенные в единое целое законом тяготения.

Открытие новых планетных систем

Изучение двойных звезд привело к еще более поразительным результатам: были открыты новые планетные системы. Действительно, в 1943 г. сначала Стрэнд, а затем Рейл и Холмберг обнаружили существование двух новых планетных систем: одной в созвездии Лебедя и другой — в созвездии Змееносца. В обоих случаях изучалась система двойной звезды, в которой наблюдаемое движение одной звезды относительно другой испытывало небольшие отклонения от движения, вычисленного в соответствии с законом тяготения. Изучение этих неправильностей в движении звезд показало, что они обусловлены существованием небесных тел сравнительно небольших размеров, обращающихся вокруг одной из звезд каждой пары. В предположении, что имеется не несколько таких тел, а лишь одно, можно было вычислить, какова должна быть масса этого тела, его расстояние от звезды и период обращения вокруг звезды.

Найденные числа сравнимы с теми, которые характеризуют крупнейшие планеты нашей солнечной системы. Следовательно, мы можем предположить, что небесные тела, о которых идет речь, также являются планетами.

Эти исследования были продолжены, и в настоящее время можно предполагать, что в сфере с радиусом в 17 световых лет и центром в Солнце, содержащей всего тридцать восемь звезд, имеется, кроме нашей, три планетные системы. Были открыты также четыре другие планетные системы, находящиеся на более далеком расстоянии от нас. Но следует при этом заметить, что чем далее мы удаляемся от Солнца, тем труднее становится задача обнаружения планетных систем. Поэтому нет никаких оснований полагать, что относительно большая распространенность планетных систем в окрестности Солнца является исключением из общего правила.

Классификация звезд по их различным характеристикам

а) Массы и размеры. Благодаря изучению двойных звезд астрономы смогли определить массы ряда звезд и установить, что эти массы заключены в пределах между одной десятой массы Солнца и пятьюдесятью массами Солнца.

С помощью иных методов были приближенно определены размеры некоторых звезд. Самый большой радиус, а именно у звезды Возничего, оказался в несколько тысяч раз больше радиуса Солнца; это значит, что объем этой звезды в несколько миллиардов раз превышает объем Солнца (объем сферы пропорционален кубу ее радиуса). Радиус самых маленьких звезд оказался меньше радиуса Земли, т. е. меньше сотой доли радиуса Солнца, так что объем этих звезд составляет менее миллионной доли объема Солнца.

Если бы все звезды были по плотности близки к плотности Солнца, то их массы также должны были бы меняться в пределах от одной миллионной доли массы Солнца до нескольких миллиардов масс Солнца. Однако, как мы отметили выше, таких колебаний совсем нет. Масса самых больших по своим размерам звезд превышает массу Солнца не в несколько миллиардов, а всего лишь в десять-двадцать раз. Следовательно, вещество, из которого состоят эти звезды, находится в очень разреженном состоянии. Рассуждая аналогичным образом, мы придем к выводу, что вещество, из которого состоят самые маленькие звезды, должно находиться в очень плотном состоянии.

Таким образом, различают звезды-гиганты, имеющие очень большие размеры, значительную массу, но очень малую плотность, и звезды-карлики, имеющие небольшой радиус, сравнительно малую массу, но очень большую плотность.

Для уточнения этой классификации астрономы различают среди звезд-гигантов так называемые сверхгиганты и «обычные» гиганты, а среди звезд-карликов — так называемые субкарлики, «обычные» карлики и, наконец, белые карлики — наиболее плотные из известных звезд. Изученном последних много занимался американский астроном Койпер. Белый карлик, открытый Койпером в 1934 г., состоит из вещества, плотность которого в 6500 раз больше средней плотности Земли: кубический дециметр такого вещества должен весить около 36 000 тонн, в то время как кубический дециметр вещества Земли весит в среднем около пяти с половиной килограммов. Но Койпер, а также Лейтен открыли белые карлики, плотность которых еще в сотни раз больше.

Заметим, что Солнце относится к «обычным» карликам.

б) Физическое строение и светимость. Благодаря методам спектроскопии астрономы смогли составить довольно точное представление о физическом строении звезд, которое в общем подобно строению Солнца. Помимо этого, оказалось возможным оценивать температуру внешних слоев звезд, т. е. тех слоев, которые излучают свет. Полученные значения температуры колеблются между 1700° для красных звезд, являющихся наиболее холодными, и несколькими десятками тысяч градусов для голубых звезд, являющихся самыми горячими. Различают также промежуточные типы звезд: оранжевые, желтые и белые, расположенные между двумя крайними типами в порядке возрастания их температуры. Заметим, что различие в цвете, по которому классифицируются звезды в астрономии, заметно и при наблюдении невооруженным глазом. Солнце является желтой звездой.

Что касается температуры внутри звезд, то согласно самым последним теориям она достигает многих миллионов градусов. До недавнего времени такие температуры были недостижимы в земных условиях. Только в реакциях, происходящих при взрывах атомных и водородных бомб, развиваются температуры в миллионы градусов.

Зная температуру звезды и количество света, доходящего от нее до нас, легко вычислить общее количество лучистой энергии, излучаемой звездой за определенный промежуток времени. Можно определить таким образом так называемую светимость или абсолютную яркость звезды. Сравнивая светимость различных звезд, например, со светимостью Солнца, можно ввести новую их классификацию. Звезды наибольшей светимости излучают в пространство в сотни тысяч раз больше света, чем Солнце. С другой стороны, имеются также звезды, абсолютная яркость которых в 10 000 раз меньше яркости Солнца.

Рис. 3. Диаграмма Рессела

в) Диаграмма Рессела. Вполне естественными были попытки найти связь между указанными различными характеристиками звезд. В 1912–1913 гг. американский астроном X. Р. Рессел и голландский астроном Герцшпрунг обнаружили связь между цветом звезд, т. е. их поверхностной температурой, и их абсолютной яркостью. Полученные результаты Рессел представил в виде диаграммы, которая была уточнена в ходе многочисленных позднейших работ. На этой диаграмме (рис. 3) по горизонтали нанесены значения температур, убывающие слева направо от 30 000 до 2500°. По вертикали нанесены абсолютные яркости звезд, причем абсолютная яркость Солнца принята за единицу. Каждой звезде соответствует на диаграмме точка, расстояние которой от левого края диаграммы определяется температурой звезды, а от нижнего — абсолютной яркостью звезды.

Таким образом, если у нас имеется диаграмма Рессела, на которой нанесены положения различных звезд, то мы можем узнать, какова температура этих звезд, проводя вертикальные прямые через соответствующие точки на диаграмме и замечая, где пересекаются эти прямые с нижним краем диаграммы. Обратившись к рис. 3, мы видим, например, что Солнце имеет температуру, равную примерно 6000°. Одна же из самых ярких звезд ночного неба — Капелла — имеет температуру около 5000°. Аналогичным образом можно узнать по диаграмме Рессела абсолютную яркость звезд, проводя через соответствующие точки горизонтальные прямые. Как мы уже отмечали, абсолютная яркость Солнца принята за единицу. Капелла имеет абсолютную яркость, превышающую 100 единиц (а именно 130).

Глядя на диаграмму, можно сразу заметить, что точки, представляющие положения звезд на диаграмме, образуют некоторое число линий, соответствующих различным группам звезд. По диагонали таблицы располагается линия, идущая из правого нижнего края к левому верхнему. Верхняя часть этой линии соответствует наиболее ярким белым и голубым звездам; все остальное — классу карликов. Две линии, расположенные правее и выше этой диагонали и идущие более или менее горизонтально, соответствуют классам гигантов и сверхгигантов. Мы видим, что светимость звезд этих двух классов довольно мало зависит от их цвета и температуры. Для звезд же, расположенных па диагонали диаграммы, имеет место вполне отчетливое уменьшение светимости с уменьшением температуры. Тем же свойством обладают и субкарлики.

В левом нижнем углу диаграммы помещаются белые карлики. Долгое время считали, что белые карлики не подчиняются какому-либо определенному закону распределения. Однако в 1946 г. советский астроном П. П. Паренаго обнаружил возможность построить для белых карликов две определенные линии, располагающиеся, за исключением их правого конца, довольно близко к горизонтали.

Согласно статистическим подсчетам Койпера подавляющее большинство (95 %) наблюдаемых звезд может быть представлено точками, расположенными по диагонали диаграммы. Эта совокупность звезд образует так называемую главную последовательность. Следующей наиболее многочисленной группой являются белые карлики (3 %).

Были проведены также исследования связи между массой и светимостью звезд. Эти исследования показали, что, за исключением белых карликов (а также субкарликов), для звезд каждого класса светимость растет одновременно с массой. Эта закономерность особенно отчетливо выражена для звезд главной последовательности. В целях наглядности мы приводим на рис. 3 значения нескольких масс для звезд, принадлежащих главной последовательности и классу гигантов (цифры, обведенные маленькими кружочками, указывают массу звезды по сравнению с массой Солнца, принятой за единицу; например, масса Капеллы составляет 4,2 массы Солнца).

Первые теории эволюции звезд

Весьма специфическое расположение точек, представляющих различные звезды на диаграмме Рессела, очевидно, не является простой случайностью, и астрономы сразу же попытались вывести отсюда законы эволюции звезд.

Сначала предположили, что основная часть звезд рождается в виде голубых гигантов, затем, постепенно охлаждаясь, проходит различные этапы главной последовательности и кончает свой путь в виде угасающих красноватых карликов. Однако ветвь гигантов, открытая в то же время, что и главная последовательность, оставалась вне этой эволюционной схемы. Астроном Локьер предложил поэтому другую схему. Согласно этой схеме звезды рождаются в виде красных гигантов, имея небольшую температуру; затем они начинают сжиматься, и по мере сжатия все более разогреваются и приобретают последовательно все цвета, какие можно наблюдать, например, при раскаливании в горне куска железа. Звезда становится сначала желтой, затем белой и, наконец, голубой, пробегая линию гигантов справа налево. После того как звезда приобретает максимальную температуру (несколько десятков тысяч градусов), она продолжает сжиматься, но при этом уже охлаждается: из голубой она постепенно превращается в красную, проходя все промежуточные стадии и опускаясь вдоль диагонали главной последовательности слева направо.

Локьер основывал свою схему на теории диссоциации, которая, как выяснилось позднее, является ошибочной. В настоящее время решение проблемы звездной эволюции связывается с новыми теориями об источниках энергии излучения звезд. Ниже мы возвратимся к этому вопросу, а сейчас лишь заметим, что, по-видимому, не существует единого пути эволюции для всех звезд.

Новые, сверхновые и переменные звезды

Самую большую услугу современной космогонии призваны оказать две категории звезд: новые и переменные звезды, изменения которых проявляются не в течение исключительно больших по сравнению с человеческой жизнью промежутков времени, а легко наблюдаются на протяжении дней или месяцев.

Новые звезды представляют собой звезды небольшой светимости, которые внезапно как бы «вспыхивают», становятся необычайно яркими, но затем в течение нескольких недель или месяцев их яркость постепенно уменьшается, и звезды приобретают почти прежний вид. Внимательное изучение этого явления показывает, что мы имеем дело с настоящим взрывом на звезде и с выбросом газов со скоростью до 1000 км/сек.

Переменные звезды — это звезды, яркость которых также испытывает заметные изменения, хотя и не такие резкие. У одних звезд изменения яркости носят периодический характер, у других такая периодичность отсутствует (неправильные переменные). Как показали работы советских астрономов Кукаркина и Паренаго, неправильные переменные по своим свойствам несколько похожи на новые. Действительно, можно рассматривать новые звезды как переменные, вспышки которых следуют через неодинаковые интервалы (в среднем через сотни или тысячи лет). Были уже отмечены две последовательные вспышки одной звезды в созвездии Северной Короны в 1866 г. и в 1946 г. При каждом взрыве такая звезда выбрасывает лишь весьма небольшое количество своей массы — примерно одну стотысячную долю. Следовательно, это не изменяет существенно физического состояния звезды. Добавим также, что новые звезды образуют специфическую группу, так что не всякая звезда может стать новой.

Но наряду с новыми звездами существуют звезды, встречающиеся гораздо реже и теряющие при взрыве до одной десятой массы самой звезды. Их абсолютная яркость в несколько дней может настолько вырасти, что она превысит абсолютную яркость Солнца в несколько сот миллионов раз. Это — так называемые сверхновые звезды.

 

III. Звездные системы и туманности

На ночном небе можно наблюдать простым глазом некоторое количество объектов, имеющих вид светлых пятнышек с размытыми краями. Благодаря использованию телескопов и особенно спектроскопических методов наблюдений, о которых мы выше говорили, эти объекты удалось разделить на две категории, резко отличающиеся друг от друга:

1. Звездные системы, которые образованы совокупностью сравнительно близких друг к другу звезд.

2. Туманности в собственном смысле этого слова, представляющие собой нечто вроде гигантских газовых облаков весьма малой плотности; их называют также диффузными туманностями.

Звездные системы

а) Млечный путь. Наиболее известной и имеющей для нас наибольшее значение звездной системой является Млечный путь. Первоначально это название относилось лишь к широкой светлой полосе, которая, как можно видеть в ясную ночь, пересекает все небо от одного до другого края горизонта. Если бы мы могли заглянуть за горизонт, то увидели бы, что эта полоса продолжается далее и образует нечто вроде пояса, делящего все нёбо вокруг Земли на две половины.

Исследование астрономами этого «пояса» показало, что он состоит из очень большого числа звезд. Звезды этого «пояса», а также все звезды, которые видны на небе (за исключением тех, которые принадлежат к так называемым спиральным туманностям — о них мы будем говорить ниже), собраны в единую систему, напоминающую по своей форме двояковыпуклую линзу или гигантскую лепешку, слегка вздутую в центре. Наше Солнце находится внутри этой «звездной лепешки», которую и называют Млечным путем или Галактикой (в научной литературе употребляется обычно последнее название). Солнце находится не в центре Галактики, но располагается примерно в той же плоскости, что и большинство звезд. Если наблюдатель, находясь на Земле, смотрит вдоль этой плоскости, где сосредоточена основная масса звезд, то его луч зрения должен встретить большое количество звезд.

Напротив, в перпендикулярном направлении луч зрения пройдет через сравнительно очень тонкий слой Галактики, и наблюдатель увидит мало звезд.

Этим и объясняется вид Галактики с нашей Земли. Если мы смотрим вдоль экваториальной плоскости Галактики, то видим большую светящуюся дугу, которая, собственно, и получила первоначально название «Млечного пути». В направлении же, перпендикулярном к плоскости Галактики, мы видим лишь отдельные, изолированные друг от друга звезды.

Размеры Галактики колоссальны, хотя надо сказать, что имеющиеся оценки ее размеров довольно сильно колеблются. Не так давно считалось, что свет пересекает Галактику от одного ее края до другого в ее наиболее широкой части за 250 000 лет, а наибольшая толщина Галактики составляет 30 000 световых лет. В настоящее время астрономы стали уже более «скромными» и считают, что первое число следует уменьшить по крайней мере в два раза. Правда, при выводе новой оценки не учитывались некоторые очень удаленные изолированные звездные скопления, относящиеся, однако, к Млечному пути. Более точно известно расстояние Солнца до центра Галактики; оно равно примерно 25 000 световых лет.

Чтобы изобразить Галактику на модели, которую мы рассматривали выше и в которой 1 км соответствует примерно одному световому году, надо было бы «соорудить» звездную лепешку диаметром более чем 100 000 км. В ней поместилось бы около пяти тысяч наших земных шаров, а ведь Солнце все равно изображалось бы в виде пылинки диаметром в одну седьмую миллиметра!

Количество всех звезд, принадлежащих Галактике, оценено примерно в сто миллиардов. Следует, однако, сказать, что это число дает лишь порядок величины и нельзя ручаться за его точность в пределах одного миллиарда или даже десяти миллиардов. Это есть лишь наиболее вероятный результат, полученный при различных оценках. Но, во всяком случае, мы можем быть уверены, что количество звезд в Млечном пути измеряется именно миллиардами, а не миллионами или триллионами.

б) Другие галактики. Среди крупных звездных скоплений были обнаружены так называемые спиральные туманности. Они состоят из очень яркого и плотного центрального ядра, от которого отходят, закручиваясь по спирали в одном и том же направлении, два светящихся рукава. Спиральные туманности представляют собой звездные системы, напоминающие по своей форме, как и Млечный Путь, двояковыпуклую линзу. Спиральные туманности исключительно многочисленны. Согласно имеющимся оценкам мы можем наблюдать сейчас в наиболее мощные телескопы около ста миллионов таких звездных систем. Все они находятся вне нашей Галактики и отделены от нее пространством, лишенным звезд, где плотность вещества исключительно мала; становится понятным поэтому название «острова вселенной», которое присвоил спиральным туманностям Гершель. Наиболее близкая к нам спиральная туманность находится на расстоянии 1 700 000 световых лет. В нашей модели это расстояние соответствовало бы 1 700 000 километров, т. е. величине, превышающей почти в пять раз истинное расстояние Луны от Земли.

Наиболее далекие из известных нам спиральных туманностей находятся на расстоянии многих сотен миллионов световых лет. Согласно самым последним оценкам некоторые расстояния достигают миллиарда световых лет.

Долгое время считалось, что эти звездные системы гораздо меньше по своим размерам, чем наша Галактика. Но как выяснилось около десяти лет Назад, астрономы допускали двойную ошибку. С одной стороны, они преувеличивали размеры нашей Галактики; с другой стороны, как показали точные измерения, спиральным туманностям приписывались размеры в два и даже три раза меньшие тех, которые они имеют на самом деле. В настоящее время мы можем утверждать, что размеры Млечного Пути сравнимы с размерами самых больших спиральных туманностей.

Аналогия между Млечным Путем и спиральными туманностями подтверждается рядом других факторов. Например, в спиральных туманностях наблюдаются такие же появления «новых» звезд, как и в нашей Галактике. Все астрономы в настоящее время считают, что наша Галактика представляет собой лишь одну из спиральных туманностей. Если предположить, что каждая из ста миллионов спиральных туманностей, доступных наблюдениям, содержит также многие миллиарды звезд, то общее число звезд в той части вселенной, которую мы можем исследовать, должно оцениваться многими сотнями миллионов миллиардов.

Следует заметить, что спиральные туманности обладают собственным вращением, хотя и очень медленным. На их полный оборот уходит очень много времени — сотни миллионов лет. Однако вследствие больших размеров спиральных туманностей скорости областей, достаточно удаленных от центра, весьма значительны: они могут достигать сотен километров в секунду. Между прочим, это относится и к тому местному скоплению звезд, к которому принадлежит наше Солнце.

Рис. 4. Малое Магелланово облако, представляющее собой галактику неправильной формы. Наблюдается в южном полушарии

Необходимо также отметить, что наряду со скоплениями, имеющими вид спиральных туманностей, существуют другие скопления, также богатые звездами и имеющие разнообразные формы. Встречаются сферические и эллиптические скопления, лишенные спиральных рукавов; встречаются скопления, имеющие совсем неправильные контуры, как, например, так называемые Магеллановы облака, находящиеся на расстоянии 160 000 световых лет от Солнца.

Все эти небесные объекты — как спиральные туманности, так и другие скопления, содержащие миллиарды звезд каждое, — носят общее название галактик.

При изучении распределения галактик в пространстве можно заметить, что они располагаются далеко не равномерно. Некоторые галактики являются изолированными, но большинство их образует группы. Местное скопление галактик, к которому принадлежит наш Млечный путь, насчитывает 19 галактик; его размеры (в наиболее широкой части) оцениваются в два миллиона световых лет. Среди этих 19 галактик три принадлежат к спиральным туманностям, причем одна из них превышает по своим размерам нашу Галактику. Другие члены этого местного скопления имеют меньшие размеры и принадлежат к сферическим, эллиптическим или к галактикам неправильной формы.

Разумеется, ставился вопрос о том, не являются ли группировки галактик в свою очередь элементами гораздо более обширной группы, т. е. «скопления скоплений», которому можно дать название Метагалактики.

Если бы это имело место, то при исследовании небесных глубин все более и более мощными телескопами пришлось бы констатировать, что, начиная с некоторого расстояния, число наблюдаемых галактик определенно уменьшается и даже стремится к нулю.

Наблюдения Хаббла и Шепли показали, что галактики не распределены равномерно в пространстве: по одну сторону от экваториальной плоскости Млечного пути их гораздо больше, чем по другую сторону. Можно, очевидно, предположить, что речь идет о нерегулярности местного характера: наиболее близкие скопления галактик в одной области более богаты галактиками, чем в другой. Если бы, однако, позднейшие наблюдения подтвердили существование этой асимметрии на более далеких расстояниях и показали, что она увеличивается, то можно было бы истолковать этот результат таким образом, что в том направлении, где галактики становятся все менее я менее многочисленными, мы приближаемся к границе гигантской группировки скоплений галактик. Тогда Метагалактика стала бы реальностью. Но, несомненно, пройдет еще очень много времени, прежде чем мы сможем с уверенностью сказать о существовании Метагалактики и вычислить ее размеры; еще больше времени понадобится для открытия других метагалактик, которые могут населять бесконечное пространство.

в) Типы звездного населения Бааде. Мы уже видели, что галактики можно прежде всего классифицировать по форме. Имели место также исследования с целью определить, в какой пропорции распределяется в различных галактиках распыленная материя и звезды. В течение долгого времени полагали, что в галактиках со спиральными рукавами гораздо больше звезд, чем распыленной материи, а сферические или эллипсоидальные галактики, наоборот, состоят в основном из рассеянной газо-пылевой материи. Но в 1945 г. американскому астроному Бааде удалось установить, что эллиптические галактики также состоят из звезд, причем в них не наблюдается никаких следов распыленной материи.

Продолжая развивать свои исследования, Бааде пришел к разделению всех звезд, входящих в состав галактик, на два типа: а) звезды типа II, из которых целиком образованы сферические или эллиптические галактики и шаровые скопления; они встречаются также в ядрах спиральных галактик; б) звезды типа I, которые обнаруживаются лишь в спиральных рукавах галактик; звезды этого типа никогда не встречаются отдельно, но всегда перемешаны со звездами, принадлежащими к типу II.

Уточняя это деление, отметим, что среди звезд типа II, наиболее многочисленных во вселенной, не встречаются голубые пли белые сверхгиганты очень большой светимости. Системы, состоящие из звезд этого типа, лишены также распыленной материи. Самыми большими звездами этого типа являются красные гиганты. Напротив, белые и голубые сверхгиганты, а также звезды главной последовательности, принадлежат к звездам типа I. В тех областях, где имеются звезды этого типа, присутствует также распыленная материя.

Ниже мы увидим, что эта классификация представляет большой интерес с точки зрения воссоздания эволюции галактик, так как продолжительность жизни звезд типа I гораздо меньше, чем звезд типа II.

Следует, однако, указать, что такое разделение звезд лишь на два типа рассматривается некоторыми астрономами (в частности, советскими) как слишком схематичное.

г) Звездные скопления (входящие в состав Галактики). Скопления звезд можно наблюдать также внутри нашей Галактики и в ее «окрестностях». Одни скопления имеют почти сферическую форму; это — так называемые шаровые звездные скопления. Их насчитывают в Галактике около сотни, и каждое шаровое скопление содержит несколько десятков тысяч звезд, причем в центральной части скопления звезды расположены гораздо теснее, чем в окрестностях Солнца. Другие скопления содержат гораздо меньше звезд и имеют неправильную форму; это так называемые рассеянные звездные скопления.

В центральных областях Галактики шаровых скоплений нет. Ближайшее скопление удалено на 18 000 световых лет от центра. Наиболее удаленное от центра шаровое скопление находится почти в десять раз дальше. Некоторые астрономы полагаю, что под воздействием притяжения центральных областей, наиболее богатых звездами, шаровые скопления, находящиеся вне этих областей, могли когда-то приблизиться к центру Галактики, а затем распасться и превратиться в рассеянные скопления (которые гораздо менее удалены от центра).

Туманности в собственном смысле этого слова

В настоящее время мы имеем данные о сравнительно небольшом числе (нескольких сотнях) таких туманностей; большинство их принадлежит нашей Галактике.

Их можно разбить на две категории:

а) Планетарные туманности, названные так потому, что при наблюдении в небольшой телескоп они имеют подобно планетам вид светящихся дисков, в центре которых находится звезда.

Рис. 5. Планетарная туманность в созвездии Лиры

б) Диффузные туманности, т. е. туманности, не имеющие определенной формы. По своим размерам эти туманности больше планетарных; некоторые из них светятся, другие же являются темными. Последние были обнаружены благодаря тому, что они образуют на фотографиях некоторых участков звездного неба ясно очерченные темные пятна. Темные туманности располагаются вблизи плоскости Галактики и образуют на небе как бы пояс, проходящий вдоль светлой полосы Млечного пути. Присутствие аналогичного темного «пояса» обнаруживается и при наблюдениях других галактик. Возможно, что здесь речь идет об остатках вещества, из которого формировались звезды. Но возможно также, что материалом для образования некоторых диффузных туманностей послужило вещество, извергаемое в пространство некоторыми неустойчивыми звездами, в частности сверхновыми, в момент их взрывов.

Рис. 6. Газовая туманность М8 в созвездии Стрельца

Все диффузные туманности имеют низкую температуру и должны быть, вообще говоря, темными. Если среди них все же имеются светящиеся, то это либо вследствие того, что они попросту отражают свет других звезд, либо вследствие «возбуждения» атомов составляющего их газа излучением какой-либо соседней очень горячей звезды.

Интересно отметить тот факт, что вопреки мнению, существовавшему несколько лет назад, спектроскопические исследования не обнаружили в туманностях присутствие каких-либо химических элементов, не имеющихся на Земле. Знаменитый «небулий» не существует.

 

IV. Возраст небесных тел

Данные о «возрасте» небесных тел являются с космогонической точки зрения такими же важными, как и астрономические данные в собственном смысле этого слова.

Проблема о «возрасте» может показаться совершенно отличной от тех, которые мы только что рассматривали, поскольку она относится к времени, а мы до сих пор как будто занимались только пространством. Но в действительности различие не является очень большим. В предыдущих параграфах мы видели, как астрономы смогли постепенно распространить законы, открытые на Земле, на все пространство, куда достигает наш глаз, вооруженный совершенными телескопами. С помощью этих законов ученые могут вполне удовлетворительно объяснять процессы, происходящие в различных звездах и даже в наиболее далеких спиральных туманностях.

Правда, астрономы наблюдают небесные тела, от которых свет идет до нас тысячи и миллионы лет. Следовательно, явления, которые изучаются в этих звездах, происходят не сейчас, но происходили ровно столько лет назад, сколько необходимо для того, чтобы луч света, который нам про это рассказывает, — прошел путь от небесного светила до нас (так же, как письмо, присланное например, из Москвы, приносит нам в Париже не свежие известия, но с опозданием на несколько дней). Таким образом, к явлениям, происходившим тысячи и миллионы лет назад, можно с успехом применять законы, имеющие место сегодня на нашей планете и сведения о которых приобретены на основании опыта в течение только двух-трех веков.

Ученые, желая вычислить возраст небесных тел, исходят из фактов, наблюдаемых в настоящее время, и стараются объяснить эти факты на основании предполагаемой эволюции мира, сообразуясь с известными им законами природы. Несомненно, что применение подобного метода не может пройти без некоторых затруднений, тем более, что рассматриваемые промежутки времени здесь в тысячи раз больше. Наши знания о законах природы есть и всегда будут лишь приближением к действительности, и ничто не говорит о том, что все законы, справедливые сегодня, могут быть применены без всяких изменений к эпохам, удаленным от нашей на миллиарды лет. Тем не менее имеет место тот замечательный факт, что различные ученые, используя целиком отличные друг от друга методы, пришли к согласующимся результатам, касающимся возраста Земли. Что касается возраста звезд, то в этом вопросе еще не достигнута такая же ясность, но тем не менее получены очень важные результаты.

Возраст Земли

Первые методы, к которым прибегали при определении возраста Земли, были «геологическими». Именно геология первая показала, что земная кора не имела один и тот же самый вид в течение всех веков, но непрерывно изменялась и претерпевала гигантские катастрофы — поднятия и оседания.

Проблема состояла в том, чтобы определить, сколько времени понадобилось для формирования земной коры (в том виде, в каком она находится сейчас). Это время и называют «возрастом Земли».

Первые способы вычисления возраста Земли опирались на законы геологии. Было, например, замечено, что соль, содержащаяся в морской воде, принесена в море реками, которые растворяют на своем пути грунтовые соли. Зная, с одной стороны, количество соли, приносимой различными реками, и колебания этого количества в течение геологических периодов и, с другой стороны, полное количество соли, содержащейся в настоящий момент в океанах, можно легко получить представление о времени, необходимом для накопления этого количества соли в океанах.

Удалось определить также толщину различных слоев грунта, постепенно отлагавшихся в результате речных наносов па дне бывших морей. В то же время другие исследования позволили вычислить скорость роста этих отложений. Простое деление дало после этого число лет, необходимых для их образования.

Эти различные геологические методы привели к заключению, что возраст Земли должен измеряться по меньшей мере сотнями миллионов лет.

Позднее для определения возраста Земли стали применять методы, основанные на изучении распада радиоактивных элементов, имеющего исключительно регулярный характер. Например, в результате радиоактивного распада уран постепенно превращается в свинец, причем при этом процессе выделяется некоторое количество гелия (газа, служащего для наполнения дирижаблей). По соотношению между количествами урана и свинца, содержащихся в некоторых горных породах, можно определить возраст этих пород. С помощью подобных методов оценивают не только возраст Земли, но и продолжительность формирования отдельных пластов земной коры.

Анализируя совокупность результатов, полученных указанным методом, английский ученый Холмс определил, что наиболее вероятный возраст земной коры составляет 3 миллиарда 300 миллионов лет. Само собой разумеется, что не следует создавать иллюзий относительно точности этого числа; во всяком случае, ошибка в несколько сотен миллионов лет вполне допустима. Можно только утверждать, что все оценки, заслуживающие внимания, которые получены в настоящее время, заключены между 3 и 5 миллиардами лет.

Добавим, что эти результаты полностью удовлетворяют биологов. Действительно, по мнению последних, эволюция живой материи длилась примерно в течение 500 миллионов лет.

Возраст звезд

а) Длинная и короткая шкалы времени. Проблема определения возраста звезд возбудила гораздо более горячие дискуссии. Именно в связи с этой проблемой столкнулись между собой сторонники длинной шкалы времени (которые оценивают продолжительность эволюции небесных тел триллионами лет) и сторонники короткой шкалы (ведущие счет миллиардами лет).

Несмотря на то, что сторонники короткой шкалы одержали некоторый перевес (например, при оценке возраста наиболее ярких звезд Галактики), их победу нельзя считать полной, и поэтому необходимо осветить некоторые детали этого конфликта, упомянув сначала о методах, используемых для оценки искомых промежутков времени. Эти методы двух видов: одни оценивают время внутренних физических изменений, которые приводят к изменениям звезд, и пытаются определить продолжительность «жизни» звезд; другие ставят себе задачу вычислить время, которое понадобилось для установления в звездных системах (скоплениях звезд, двойных звездах) характеристик их нынешнего состояния в результате взаимного притяжения звезд.

б) Источники лучистой энергии звезд. Теория Бете. Когда говорят о «жизни» звезды, то подразумевают продолжительность такого состояния звезды, в течение которого она обнаруживает свое присутствие благодаря световому и тепловому излучению. Следовательно, проблема возможной длительности жизни звезды тесно связана с проблемой источников излучаемой ею энергии. Эта энергия исключительно велика. Например, каждый квадратный сантиметр поверхности Солнца излучает непрерывно энергию, достаточную для того, чтобы заставить работать двигатель мощностью восемь лошадиных сил.

Сначала хотели объяснить выделение энергии Солнца обыкновенным горением, затем постепенным сжатием Солнца под влиянием сил тяготения. Но эти гипотезы приводили к слишком малому возрасту Солнца: в соответствии с первой гипотезой он оценивался в тысячи лет, в соответствии со второй — в миллионы лет.

Теория, принятая в настоящее время всеми учеными, опирается на один из фундаментальных результатов теории относительности, открытый в 1905 г. одновременно Эйнштейном и Ланжевеном: «масса тела в состоянии покоя представляет собой не что иное, как меру внутренней энергии этого тела». Другими словами, вещество (материя в корпускулярном состоянии) может частично или даже полностью «исчезнуть» (т. е. перейти в другую форму существования — в излучение), причем это явление сопровождается выделением энергии.

Эта гипотеза была предложена впервые французским физиком Жаном Перреном в 1919 г., который имел в виду значительное выделение энергии в процессе превращения водорода в гелий. Она была подхвачена и доведена до самых крайних следствий («полное уничтожение» материи в результате превращения ее в энергию) различными учеными, в частности, английским астрономом Джинсом.

Энергия, выделяющаяся благодаря таким процессам, колоссальна. При полном превращении вещества угля в излучение можно получить в три миллиарда раз больше энергии, чем при обычном его горении, и Джинс вполне справедливо говорил, что небольшого кусочка каменного угля величиной в горошину достаточно для путешествия на самом большом океанском пароходе из Европы в Америку и обратно.

Заметим для сравнения, что при распаде урана, который имеет место в обычной атомной бомбе и который соответствует лишь частичному превращению вещества в излучение, освобождается в два с половиной миллиона раз больше энергии, чем при сгорании такого же количества угля. Что касается превращения водорода в гелий, который имеет место в водородной бомбе, то при этом освобождается в 10 миллионов раз больше энергии, чем при сгорании такого же количества угля.

Некоторые виды превращения вещества (материи в корпускулярной форме) в излучение, которые до недавнего времени мы никогда не наблюдали на Земле, происходят внутри звезд, где царят температуры порядка миллионов градусов.

В предположении, что в звезде произойдет превращение всего количества вещества, из которого она состоит, можно подсчитать, что выделяющаяся при этом энергия может поддерживать ее излучение, т. е. звезде есть на что «жить», в течение триллионов лет. Например, Солнце при этом предположении может жить еще 10 триллионов лет, и если оно «родилось» в виде красного гиганта обычных размеров, то это «рождение» произошло около восьми триллионов лет назад.

Сторонники длинной шкалы времени, как например, Джинс, поддерживали гипотезу полного распада вещества, которая приводит к промежуткам времени, укладывающимся в их космогонические гипотезы. В то же время сторонники короткой шкалы, считавшие на основании различных соображений, что эти промежутки времени слишком велики, придерживались точки зрения Жана Перрена.

Казалось, что решить этот спорный вопрос будет трудным делом, но незадолго до войны 1939 г. успехи атомной химии, в частности, открытия Фредерика и Ирен Жолио-Кюри, пролили некоторый свет на эту проблему. Создание циклотрона, с помощью которого можно было подвергать вещество действию значительных электрических и магнитных полей, позволило частично реализовать в лабораториях условия, аналогичные тем, которые существуют внутри звезд. Действительно, в этих приборах можно было разгонять заряженные частицы до таких скоростей, что они приобретали энергию, сравнимую с той, которую они (в среднем) имеют, находясь в центре такой звезды, как Солнце при температуре в миллионы градусов.

Благодаря этому исключительно могущественному средству, ученые могли создать теорию превращений вещества внутри звезд; она была разработана американским астрофизиком Бете.

Существенным агентом этих превращений является водород. Окончательным результатом совокупности этих ядерных реакций является превращение четырех ядер водорода в одно ядро гелия.

Что касается продолжительности этих процессов, то превращение водорода в гелий, соответствующее потере только 1/14 доли массы (преобразованной в излучение), занимает гораздо меньший промежуток времени, чем то, которые получаются в гипотезах, исходящих из предположения о полном превращении вещества в излучение. Согласно новой точке зрения наблюдаемые нами звезды начали излучать свет лишь несколько миллиардов лет назад.

Некоторые звезды — белые и голубые гиганты, масса которых достигает двадцати масс Солнца, — излучают настолько интенсивно, что не могут существовать в таком состоянии более нескольких десятков миллионов лет, так что они, вероятно, прошли пока не слишком длинный «жизненный путь».

Следовало бы теперь показать, как можно с помощью теории Бете истолковать диаграмму Рессела. Мы возвратимся к этому вопросу несколько позднее, когда будем излагать новейшие космогонические теории. Заметим, однако, уже сейчас, что если ядерные реакции, предложенные Бете, позволяют хорошо объяснить наблюдаемые факты относительно звезд главной последовательности, то в отношении гигантов оказывается необходимым предположить существование иных ядерных превращений, далеко еще не вполне установленных. Что касается белых карликов, то лишь в 1946 г. французский астроном Шацман смог уточнить наше представление о процессах, происходящих внутри этих звезд.

Возраст Галактики

Среди различных методов оценки возраста звезд, входящих в состав нашей Галактики, использовались также статистические методы. В этом случае учитывалось влияние на двойные звезды притяжения соседних звезд, производимое в среднем за очень большие промежутки времени. Можно, например, зная теперешнее расстояние между звездами пары, приближенно оценить промежуток времени, протекший после образования звезд пары, если, конечно, предположить, что обе звезды пары имеют общее происхождение (как это и считается в настоящее время) и если знать достаточно точно средние значения расстояний масс и скоростей соседних звезд. Можно также оценить время, необходимое для того, чтобы некоторые шаровые скопления, имеющие небольшую плотность, рассеялись вследствие притяжения проходящих вблизи звезд.

Эти вычисления достаточно деликатны и здесь легко сделать ошибки. Например, Джинс, изучая некоторые пары звезд, пришел к выводу, что возраст этих пар должен составлять несколько триллионов лет. В этом он находил подтверждение своим взглядам о длинной шкале времени. Однако в действительности, как доказал несколькими годами спустя В. А. Амбарцумян, возраст этих пар не превосходит нескольких миллиардов лет.

Как правило, самые последние вычисления как в отношении двойных звезд, так и в отношении шаровых скоплений, приводят к оценкам, выражающимся миллиардами лет. Но нельзя еще отсюда вполне определенно заключать, что именно таким должен быть фактический возраст нашей Галактики. Этот вывод был бы справедлив лишь в том случае, если бы все пары звезд, все шаровые скопления, которые нам известны, сформировались одновременно с нашей Галактикой. Недавние работы Амбарцумяна, напротив, показали, что происходит непрерывное формирование новых звезд в Млечном пути. Поэтому ничто не мешает предположить, что наряду с двойными звездами и шаровыми скоплениями, которые нам сейчас известны, существовали также другие пары и другие шаровые скопления, полностью в настоящее время рассеявшиеся и превратившиеся в одиночные звезды. Следовательно, можно лишь утверждать, что действительный возраст Млечного пути не меньше нескольких миллиардов лет.

Предварительные соображения об эволюции галактик

Можно ли идти дальше и пытаться оценить время полной эволюции какой-либо галактики так же, как мы определяли продолжительность всей «жизни» звезды? Разумеется, такая проблема является гораздо более сложной. Однако при сравнении различных известных типов галактик можно все же получить некоторые интересные данные (рис. 7). Действительно, уже простое сопоставление форм галактик заставляет подозревать, что мы имеем здесь дело с различными этапами эволюции. Правда, сейчас же возникает вопрос, в каком направлении идет эта эволюция: от сферических к спиральным туманностям или наоборот.

Рис. 7. Эволюция спиральной туманности по Хабблу. (Наблюдатель находится в экваториальной плоскости). Более темные участки на фигурах IV и V соответствуют областям, где имеется темная материя

Сначала была принята первая гипотеза, высказанная Хабблом, и соответствующая, грубо говоря, эволюции жидкой быстро вращающейся массы (сплющивание, а затем выброс материи по направлению касательной). Но наблюдения показали, что, с одной стороны, эллиптические туманности имеют размеры того же порядка, как и спиральные туманности, а с другой стороны (работы Бааде 1943 г.), они «перенаселены» звездами, но лишены каких бы то ни было следов рассеянной материи. Поэтому большинство ученых склонно считать, что галактики развиваются в противоположном направлении, т. е. их эволюция начинается с галактики неправильной формы и заканчивается гигантским шаровым скоплением. В этой схеме спиральная форма галактики является лишь промежуточным этапом, довольно близким к началу эволюционного пути и, следовательно, вопреки тому, что думали ранее, наша Галактика должна быть относительно «молодой».

Рис. 8. Вид спиральной туманности с образовавшимися рукавами. (Наблюдатель находится на оси вращения туманности)

Что касается оценок полной продолжительности жизни одной галактики, то они еще весьма ненадежны, но не ниже десятков миллиардов лет. Наконец, распределение галактик в скоплениях указывает, по мнению некоторых астрономов (например, Цвикки), что возраст скоплений галактик составляет десятки триллионов лет.

Таким образом, вопреки преждевременным заключениям некоторых сторонников короткой шкалы, вполне определенно вырисовывается следующая идея: в астрономии нет единственной шкалы времени, а имеется много шкал. Возраст планет солнечной системы отличается от продолжительности жизни большинства звезд Млечного Пути, а последняя не может, по-видимому, оцениваться такой же величиной, что и возраст больших скоплений галактик.