Солнце — это звезда, горячий газовый шар, светящийся благодаря собственной энергии ядерного синтеза, т. е. процесса слияния легких атомных ядер в более тяжелые ядра. Эта энергия питает не только само Солнце, но и все планеты и другие космические тела, вращающиеся вокруг Солнца, — т. е. всю Солнечную систему, частью которой является Земля (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Планеты Солнечной системы

Солнце производит энергию с огромной скоростью, что эквивалентно взрыву 92 миллиардов мегатонных ядерных бомб каждую секунду. Но эта энергия производится за счет использования топлива. Если бы Солнце состояло из угля, то оно полностью растратило бы свою энергию всего за 4600 лет. Но окаменелости, которые найдены на Земле, свидетельствуют о том, что Солнце светит уже больше 3 миллиардов лет, и астрономы уверены, что оно будет светить еще столько же и даже больше. По некоторым оценкам, возраст Солнца превышает 4,6 миллиарда лет, и оно все еще светит очень хорошо.

 Только ядерный синтез может обеспечить выделение Солнцем такой огромной энергии, благодаря которой оно светится уже миллиарды лет и продолжает светиться. В центре Солнца огромное давление и температура около 16 миллионов градусов Цельсия (°С) заставляют атомы водорода превращаться в гелий (т. е. происходят реакции термоядерного превращения водорода в гелий), в результате чего высвобождается огромная энергия. В центре Солнца около 700 миллионов тонн водорода каждую секунду превращаются в гелий, а 5 миллионов тонн — в чистую энергию.

Научись мы таким способом производить энергию на Земле, все наши проблемы с топливом, включая загрязнение воздуха и потребление невозобновляемых ресурсов, были бы решены. Но, несмотря на десятилетия исследований, ученые до сих пор не могут воспроизвести то, что на Солнце происходит естественным путем. Поэтому очевидно, что Солнце заслуживает дальнейшего изучения.

 

Размер и форма Солнца: что заставляет все эти горячие газы держаться вместе?

Когда я преподавал астрономию, всегда задавал студентам вопрос: "Почему у Солнца именно такой размер?" Я видел открытые от удивления рты, глаза, шарящие по потолку в поисках ответа, но едва ли хоть кто-нибудь когда-нибудь давал внятное объяснение. Мой вопрос даже не казался логичным. Ведь все имеет размер, не так ли? И что из того?

Но если Солнце на 100 % состоит из горячего газа, что заставляет этот газ удерживаться в одном месте? Почему он не развеивается, как дым от сигареты? А ответ очень прост: гравитация удерживает Солнце от того, чтобы "развеяться по ветру". Гравитация — это сила, о которой я говорил в главе 1; сила, влияющая на все во Вселенной. Масса Солнца настолько велика — в 330 тысяч раз больше массы Земли, — что его мощное тяготение в состоянии удержать весь горячий газ в одном месте.

Вы можете спросить: если солнечная гравитация притягивает все газы, то почему она не сожмет их в шар намного меньшего размера? Ответ таков: все дело в высоком давлении. Чем горячее газ и чем больше он сжат гравитацией или любой другой силой, тем выше давление. И это давление газа "раздувает" Солнце (точно так же как оно заставляет надуваться автомобильные шины, поскольку воздух — это тоже газ).

Таким образом, гравитация сжимает, а давление раздувает. И на определенном уровне (соответствующем шару с некоторым диаметром) эти две силы уравновешиваются. Поэтому Солнце имеет определенный размер; его диаметр равен 1 391 000 км, т. е. он примерно в 109 раз больше диаметра Земли. Внутри Солнца можно поместить 1 300 000 планет Земля (не знаю только, где их столько взять).

Круглая форма Солнца во многом обусловлена той же причиной: гравитация притягивает вещество к центру одинаково во всех направлениях, а давление точно так же одинаково отталкивает вещество во всех направлениях от центра. Если бы Солнце быстро вращалось, оно было бы более выпуклым на экваторе и немного сплющенным на полюсах из-за центробежной силы. Но Солнце вращается очень медленно, делая полный оборот за примерно 25 дней на экваторе и за 35 дней на полюсах, так что выпуклости на его "талии" совсем малы.

 

Ядро и корона Солнца

Внутри Солнца есть две основные зоны, а снаружи — три (рис. 10.2). Внутренняя часть Солнца называется звездными недрами (stellar interior), а его центр называется ядром. Внутри ядра происходят процессы ядерного синтеза, в результате чего генерируется вся солнечная энергия. Эта энергия выделяется в виде гамма-излучения. Гамма-лучи движутся в разные стороны, но чаще всего вверх и наружу. Чем дальше от ядра, тем ниже становится температура.

Рис. 10.2. Солнце — это источник энергии для Солнечной системы

На расстоянии примерно 494 000 км (примерно 71 % расстояния от центра до поверхности) ядро переходит в следующую основную зону, которая называется зоной конвекции. Здесь мощные потоки газа переносят генерируемую в ядре энергию наружу. Горячие потоки газа поднимаются вверх, перенося с собой тепловую энергию; затем, по мере набора высоты, они охлаждаются и снова опускаются вниз. Точно так же происходит процесс переноса тепла со дна чайника с кипящей водой на поверхность и образования облаков в атмосфере Земли. Ученые, изучающие Солнце, считают, что его магнитное поле, причина появления солнечных пятен и взрывов различного рода в верхних слоях солнечной атмосферы, генерируется внизу зоны конвекции.

 Внутри солнечного ядра тоже есть отдельные зоны. Внутренняя часть генерирующего энергию ядра простирается на 173 000 км от центра. А остальная, внешняя часть ядра называется излучающей зоной.

Температура внизу конвекционной зоны — 2,2 миллиона градусов Цельсия. Над этой зоной находится видимая поверхность Солнца, которая называется фотосферой (т. е. "сфера света"). Это слой газа с температурой примерно 5500 °C, который создает весь видимый свет Солнца. Темные пятна на фотосфере называются солнечными пятнами; это детали Солнца, которые увидеть легче всего.

Глядя на яркий диск Солнца — разумеется, строго соблюдая технику безопасности (об этом я расскажу в этой главе), вы на самом деле видите часть фотосферы.

Следующие, верхние зоны над фотосферой Солнца горячее, а не холоднее, чем нижние. Это одна из самых больших тайн Солнца, над которой астрономы бьются уже на протяжении многих десятилетий. Хромосфера, или цветовая сфера, находится прямо над фотосферой. Ее толщина — примерно 1000 км, а температура достигает 10 000 °C.

 Хромосферу можно увидеть на краешке Солнца, если использовать дорогой Н-альфа фильтр (о нем я более подробно расскажу в этой главе во врезке "Если цена не имеет значения, то можно увидеть больше") или посмотреть изображения, сделанные с помощью профессионального телескопа и отображенные на Web-сайтах NASA и NOAA (см. раздел "Изображения Солнца в Web"), а также на различных Web-сайтах профессиональных обсерваторий. Хромосферу можно также увидеть во время полного затмения Солнца (об этом тоже речь пойдет в этой главе). Во время затмения хромосфера может выглядеть в виде тонкой красной полоски по контуру Луны, которая закроет собой свет фотосферы.

Над хромосферой находится корона, состоящая из газа настолько разреженного и электризованного, что ее форму определяет магнитное поле Солнца. Там, где линии магнитного поля вытягиваются и выходят в космическое пространство, слой газа короны очень тонок и едва виден. Он легко высвобождается и превращается в солнечный ветер. А там, где линии магнитного поля достигают короны, а затем опускаются на поверхность, они удерживают газ короны. Здесь его слой толще и ярче. Температура короны достигает миллиона градусов Цельсия, а в некоторых местах даже превышает этот уровень.

 Между хромосферой и короной, которая в сотни раз горячее, находится очень тонкий граничный слой, который называется областью перехода. Но увидеть этот слой чрезвычайно трудно.

 

Солнечный ветер

Солнечный ветер — это поток ионизованной водородной плазмы, т. е. газа, состоящего из электронов и протонов примерно одинаковой плотности, который движется от Солнца со сверхзвуковой скоростью; на орбите Земли его скорость составляет примерно 470 км/с.

Солнечный ветер — это поток заряженных частиц, которые постоянно возмущают и пополняют магнитосферу Земли. (Магнитосфера — это огромный окружающий Землю слой, в котором электроны, протоны и другие заряженные частицы перемещаются от высоких северных широт к высоким южным, захваченные магнитным полем Земли.) Как уже говорилось в главе 5, магнитосферу сначала называли поясами Ван-Аллена, в честь Джеймса Ван-Аллена из Университета Айовы, открывшего этот слой с помощью первого американского искусственного спутника Explorer-1.

Магнитосфера Земли испытывает постоянные возмущения из-за изменчивой природы солнечного ветра и солнечных бурь, которые деформируют ее после вспышек на Солнце. Магнитосфера сжимается и снова расширяется; ее изменения вызывают геомагнитные бури, которые, в свою очередь, возмущают окружающую среду на Земле.

 

Солнечная активность и солнечные циклы

На Солнце время от времени случаются разнообразные возмущения, включая те, которые происходят вблизи групп солнечных вспышек (о них мы поговорим еще в этой главе). Некоторые виды солнечной активности оказывают влияние на Землю.

Солнечные вспышки в большинстве случаев нельзя увидеть в любительский телескоп, но зато они отлично видны в телескопы, установленные на спутниках. Эти вспышки выбрасывают сгустки солнечной плазмы весом в миллиарды тонн в Солнечную систему, где некоторые из них сталкиваются с защитным "магнитным зонтиком" Земли — ее магнитосферой. В результате этого взаимодействия на Земле возникают северные и южные полярные сияния, а также геомагнитные бури. Эти бури могут привести к неприятным последствиям: сбоям в работе электросетей (и отсутствию электрического освещения), сбоям в электронных системах на газо- и нефтепроводах, помехам радиосвязи, а также нарушению нормального функционирования искусственных спутников.

 Солнечные возмущения и их воздействие на магнитосферу называют космической погодой. Последние официальные отчеты о космической погоде, а также прогнозы можно посмотреть на Web-сайте Space Environment Center, подразделения National Oceanographic and Atmospheric Administration (Национальное управление по исследованию океанов и атмосферы) по адресу .

Все виды солнечной активности, включая 11-летний цикл и некоторые более продолжительные циклы, похоже, имеют магнитную природу. Глубоко внутри Солнца естественная динамо-машина постоянно генерирует новые магнитные поля. Эти магнитные поля поднимаются к поверхности Солнца и в более высокие слои солнечной атмосферы, где в них происходят завихрения, вызывающие различного рода возмущения.

Астрономы с помощью магнитографов измеряют магнитные поля на Солнце по их влиянию на солнечную радиацию. На многих Web-сайтах профессиональных обсерваторий можно увидеть изображения, сделанные с помощью этих устройств (см. раздел "Изображения Солнца в Web"). Наблюдения этих магнитных полей показали, что солнечные пятна — это области усиленного искаженного магнитного поля, что группы солнечных вспышек имеют магнитные полюса — северный и южный. Но, с другой стороны, общее магнитное поле Солнца довольно слабое.

Похоже, что многие быстро меняющиеся детали на Солнце и, вероятно, все взрывы и извержения связаны с солнечным магнетизмом. Когда есть меняющиеся магнитные поля и электрические токи и когда два магнитных поля наталкиваются одно на другое, происходит короткое замыкание, — которое называется перезамыканием магнитных полей, когда внезапно высвобождается огромное количество энергии.

Выбросы корональных масс: причина солнечных вспышек

Сейчас я скажу то, что противоречит написанному в большинстве учебников, за исключением некоторых, опубликованных сравнительно недавно. В течение десятилетий астрономы считали, что наблюдаемые взрывы на Солнце — это, в основном, солнечные вспышки. Мы думали, что солнечные вспышки происходят в хромосфере и что именно они — причина взрывов на Солнце.

Солнечные вспышки можно увидеть на многих изображениях профессиональных астрономических Web-сайтов. И по мере того, как в течение 11-летнего цикла солнечной активности (или цикла пятнообразования) количество солнечных пятен увеличивается, увеличивается также количество вспышек.

Но теперь астрономы знают, что они были подобны слепому, который ощупывал хвост слона и думал, что это и есть весь слон. Наблюдения Солнца из космоса показали, что основная причина солнечных вспышек — это выбросы корональных масс (coronal mass ejections), т. е. гигантские извержения, происходящие высоко в короне, самой тонкой и самой удаленной от центра зоне Солнца. Очень часто выброс корональных масс вызывает солнечную вспышку в нижнем слое короны и в хромосфере.

В течение многих лет ученые не знали о выбросах корональных масс, потому что никто не мог их увидеть. Астрономы получали возможность наблюдать корону только иногда в течение короткого промежутка времени — во время полного солнечного затмения. И видели они только солнечные вспышки, поэтому и приписали им больше значения, чем они того заслуживали.

Некоторые протуберанцы, которые можно увидеть на краешке солнечного диска с помощью Н-альфа фильтра, время от времени извергаются. Эти извергаемые протуберанцы могут быть одним из этапов процесса выброса корональных масс.

Когда на изображениях, сделанных с искусственного спутника, на восточной или западной стороне Солнца виден выброс корональных масс, который не ослабевает, а формирует вокруг Солнца гигантское расширяющееся кольцо, или гало, дело плохо. Появление гало означает, что выброс корональных масс направляется прямо к Земле.

 Если на одном из изображений, сделанных с искусственного спутника, вы видите гало, обязательно проверьте сообщения на Web-сайте NOAA Space Environment Center (); возможно, там будут прогнозы NOAA об очень неблагоприятной космической погоде.

Циклы внутри циклов: может ли Солнце менять свои пятна?

Солнечные пятна — это области на Солнце, выглядящие как темные пятна на его фотосфере (рис. 10.3), где магнитное поле очень сильное. Солнечные пятна холоднее окружающей атмосферы и часто появляются группами.

Рис. 10.3. Солнечные пятна

Фотография любезно предоставлена Джерри Лодригессом

На протяжении 11-летнего цикла, этого знаменитого цикла солнечной активности, количество солнечных пятен на Солнце существенно меняется. Когда у американцев еще не было такой темы для обсуждения, как Ричард Никсон или Эль-Ниньо, они обвиняли солнечные пятна абсолютно во всем, начиная от плохой погоды и заканчивая падением цен на акции на фондовой бирже. Обычно между последовательными пиками (когда появляется наибольшее количество пятен) проходит 11 лет, но этот период времени может меняться. Более того, количество пятен, появляющихся на каждом пике, может меняться в широких пределах от одного цикла к другому. И никто не знает — почему.

Когда группа солнечных пятен перемещается по солнечному диску из-за вращения Солнца, самое большое пятно с той стороны, в которую происходит движение (т. е. пятно, которое движется по диску впереди, "ведя" за собой остальные), называется ведущим пятном (leading spot). А самое большое пятно с противоположной стороны называется ведомым пятном (following spot).

Наблюдения с помощью магнитографа показали, что в большинстве групп солнечных пятен существуют определенные схемы и закономерности. В течение 11-летнего цикла солнечной активности все ведущие пятна в северном полушарии Солнца имеют северную магнитную полярность, а ведомые пятна — южную магнитную полярность. В то же время в южном полушарии Солнца ведущие пятна имеют южную полярность, а ведомые пятна — северную.

Вот как определяется эта полярность: компас, стрелка которого на Земле указывает на север, называется ориентированным на север. Такой компас на Солнце будет указывать на северную магнитную полярность. А южная магнитная полярность на Солнце — это направление, противоположное тому, на которое будет указывать компас, ориентированный на север.

Вам все это кажется простым и естественным? Тогда вот что я вам скажу. Когда начинается новый 11-летний цикл, эти полярности меняются местами. Теперь в северном полушарии ведущие пятна имеют южную полярность, а ведомые — северную. И в южном полушарии магнитные полярности тоже меняются местами. Если бы вы были компасом, то не смогли бы понять, что происходит.

Чтобы как-то систематизировать эту информацию, астрономы определили магнитный цикл Солнца. Он длится примерно 22 года и состоит из двух циклов солнечной активности. Каждые 22 года вся схема изменения магнитных полей на Солнце повторяется снова — приблизительно.

Солнечная постоянная или не постоянная?

 Общее количество энергии, генерируемой Солнцем, называется солнечной светимостью (solar luminosity). Но нас, землян, больше интересует количество солнечной энергии, которое получает Земля. Оно называется солнечной постоянной (solar constant) и определяется как суммарное количество энергии солнечных лучей, попадающей за 1 секунду на 1 см2 площадки, перпендикулярной направлению лучей и расположенной вне земной атмосферы на расстоянии 1 а.е. от Солнца. Солнечная постоянная приблизительно равна 1386 Вт/м2.

Измерения, сделанные с помощью спутников, запущенных NASA в 1980-х годах, выявили очень небольшие изменения солнечной постоянной по мере вращения Солнца. Вы, наверное, думаете, что, когда на солнечном диске есть темные пятна, Земля получает меньше энергии, чем когда этих пятен нет. Но все обстоит как раз наоборот. Чем больше солнечных пятен, тем больше энергии Земля получает от Солнца. И это еще одна загадка, которую предстоит решить астрономам.

 Согласно астрофизической теории, когда Солнце было очень молодым, оно было немного ярче, чем последние несколько миллиардов лет, и через много лет, когда оно станет красным гигантом, то будет отдавать Земле больше энергии.

Поэтому, говоря "солнечная постоянная", мы принимаем желаемое за действительное. Хотя, конечно, ведя отсчет в масштабе дней, а не тысячелетий, да еще используя любительское оборудование, мы получим значение солнечной постоянной с достаточной точностью.

 

Тайна солнечных нейтрино. Куда они деваются?

Ядерный синтез в самом сердце Солнца — это больше, чем превращение водорода в гелий и выделение энергии в виде гамма-лучей для нагрева всего Солнца. При этом высвобождается также огромное количество нейтрино, нейтральных субатомных частиц, которые не имеют (или почти не имеют) массы, перемещаются со скоростью света (или близкой к ней, в зависимости от того, есть ли у них масса) и могут проходить почти сквозь все.

Нейтрино — как горячий нож в масле, очень легко разрезающий его.

На самом деле, нейтрино могут беспрепятственно вылетать прямо из центра Солнца и выходить в космическое пространство. Причем те, которые направляются к Земле, пролетают ее насквозь и выходят с противоположной стороны. Некоторые из таких солнечных нейтрино подсчитывают в огромных подземных лабораториях, которые называются нейтринными обсерваториями и расположены, в основном, в глубоких шахтах и туннелях под горами. Но одна новая лаборатория под названием AMANDA построена под полутора километрами льда на Южном полюсе.

Подсчитывать нейтрино непросто, но отчеты нейтринных обсерваторий говорят о нехватке солнечных нейтрино. Дело в том, что количество нейтрино, проходящих сквозь Землю, гораздо меньше того количества, которое должно быть, если исходить из интенсивности генерации Солнцем энергии.

Правда, нехватка солнечных нейтрино — это наименьшая из наших земных проблем. Она отходит на задний план на фоне таких проблем, как недостаток продовольствия в Африке, уничтожение лесов, исчезновение ценных биологических видов и потребление невозобновляемых топливных ресурсов.

Однако проблема солнечных нейтрино тревожит ученых, побуждая их создавать новые теории физики элементарных частиц и проверять теоретические модели процессов, происходящих в солнечных недрах. Недостаток нейтрино может сказать ученым нечто такое, что совершит переворот в физике или астрономии.

Что ж, подождем и посмотрим, как дальше будет развиваться дело о пропавших нейтрино. Но несомненно одно: астрономы будут продолжать изучать Солнце до тех пор, пока не решат его загадки, в том числе о недостатке нейтрино.

 

Продолжительность жизни Солнца

Рано или поздно Солнце должно исчерпать свое топливо, поэтому настанет день, когда оно умрет. Что поделать, всему хорошему рано или поздно приходит конец.

Представляется, что без солнечной энергии и тепла жизнь на Земле станет невозможной: все на нашей планете замерзло бы. Но на самом деле произойдет следующее: Солнце увеличится в размерах и станет красным гигантом. Оно будет таким огромным, что просто высушит океаны — вода в них испарится до того, как у нее появится возможность замерзнуть.

Внимательно прочитайте предыдущий абзац: я не сказал, что океаны замерзнут; я сказал, что они замерзли бы без солнечной энергии и тепла. Но на самом деле перед "смертью" Солнца получаемая Землей энергия возрастет настолько, что мы умрем от жары (если к тому времени человечество еще будет существовать), а не от холода. Это к вопросу о глобальном потеплении!

Будущий красный гигант-Солнце раздуется и превратится в красивую расширяющуюся туманность. Оно станет сияющим газовым облаком, которое астрономы называют планетарной туманностью. Но увы, восхищаться им будет некому. Поэтому, чтобы понять, что мы потеряем, посмотрите на изображения некоторых планетарных туманностей, которые сформировались из других звезд; я расскажу о них в главах 11 и 12.

Эта туманность постепенно рассеется, и в ее центре от Солнца останется только крохотный "уголек" — маленький горячий объект, который называют белым карликом (это один из типов звезд). Эта звезда будет ненамного больше Земли. Она будет хотя и горячей, но настолько маленькой, что сможет отдавать Земле очень мало энергии. Поэтому все, что к тому моменту останется на Земле, замерзнет. И этот белый карлик будет похож на тлеющий уголек в угасающем костре. Он будет медленно-медленно гаснуть.

К счастью, у нас есть еще примерно 5 миллиардов лет до того, как это случится. Оставим эту проблему будущим поколениям, наряду с государственным долгом и вопросом о том, как приобрести редкое первое издание Астрономии для "чайников"

 

Галилей был не дурак. И после того как он на своем горьком опыте понял, что нельзя в телескоп смотреть прямо на Солнце, он изобрел метод проекции, когда простой телескоп используется для перевода изображения Солнца на экран — так, как это делается с помощью проектора слайдов. Но этот метод безопасен, только если правильно использовать его для простых телескопов, таких как рефлектор Ньютона или рефрактор.

Как я объяснял в главе 3, в рефлекторе Ньютона, помимо окуляра, используются только зеркала. И вы смотрите через окуляр под прямым углом к трубе телескопа. В рефракторе используются линзы, и зеркал в нем нет.

Не используйте метод проекции с телескопами, в которых, помимо окуляра, есть и линзы, и зеркала. Другими словами, не используйте проекционный метод с телескопами моделей Шмидт-Кассегрен и Максутов-Кассегрен, включая очень популярный телескоп Meade ЕТХ-90/ЕС, в котором есть и линзы, и зеркала (обо всех этих телескопах говорилось в главе 3). Сфокусированные солнечные лучи могут повредить аппаратуру внутри герметичной трубы телескопа, что в дальнейшем станет источником опасности.

 

Наблюдение Солнца методом проекции

Вот метод безопасного наблюдения Солнца с помощью проекции.

1. Установите телескоп-рефлектор Ньютона или рефрактор на треножник.

2. Установите на телескопе маломощный окуляр.

3. Направьте телескоп примерно на Солнце, не глядя в телескоп; держитесь сами и удерживайте других подальше от окуляра и не находитесь на одной линии с ним.

4. Найдите на земле тень от трубы телескопа.

5. Перемещайте телескоп вверх-вниз и вперед-назад, при этом наблюдая за тенью, чтобы получить тень как можно меньшего размера.

Лучший способ сделать это — держать под телескопом кусок картона перпендикулярно трубе телескопа, чтобы тень от трубы падала на картон. Передвиньте телескоп, чтобы форма тени от трубы как можно больше походила на однородный темный круг.

6. Держите картон у окуляра так, чтобы изображение Солнца появилось на картоне.

Если изображения Солнца нет на картоне, то сбоку от картона появится яркое солнечное пятно. В этом случае перемещайте телескоп, пока изображение Солнца не появится на картоне.

Схема использования этого метода показана на рис. 10.4. Самый простой и безопасный способ освоить данный метод — проконсультироваться с опытным наблюдателем из местного астрономического клуба.

Рис. 10.4. Проекция изображения Солнца

 Но у проекционного метода есть и другие опасности, которым вы подвергаетесь, даже если не смотрите прямо в телескоп. Однажды я видел одного упрямого парня из бруклинской школы, который проецировал изображение Солнца с помощью телескопа с диаметром 17,5 см. Он не приближал свое лицо к окуляру, но в какой-то момент его рука попала под проецируемый луч света очень близко от окуляра, где солнечное изображение маленькое. Понятно, что луч прожег маленькое отверстие на рукаве его черного кожаного пиджака.

Чтобы избежать травм, не смотрите на Солнце сквозь окуляр и не допускайте, чтобы какая-либо часть вашего тела, тела другого человека или любые вещи попадали под проецируемый луч солнечного света.

 При использовании телескопа в качестве проектора солнечного изображения нужно быть очень осторожным и ни в коем случае не допускать, чтобы ребенок без присмотра или другой человек, не обученный данному методу, самостоятельно управлял телескопом. Не смотрите на Солнце в телескоп, в малый вспомогательный телескоп или в видоискатель, которым оснащен ваш телескоп. Следите за тем, чтобы никакая часть вашего тела, тела другого человека или любые вещи не попадали под проецируемый луч солнечного света. На пути луча должен быть только ваш картонный экран.

Теперь можете попробовать поискать пятна на солнечном диске (это научный термин, обозначающий видимую поверхность Солнца, обращенную к Земле). Если вы обнаружите какие-либо пятна, продолжайте наблюдать несколько дней подряд (2–3 дня), и вы увидите, что они как будто перемещаются по солнечному диску. Хотя они немного перемещаются сами по себе, на самом деле их движение обусловлено в основном вращением Солнца. Таким образом, вы повторили открытие Галилея, причем сделали это абсолютно безопасно.

Если вы не хотите использовать проекционный метод или у вас просто более современный телескоп (имеющий и линзы, и зеркала), который нельзя использовать для данного метода, то для безопасного наблюдения Солнца вам необходим специальный солнечный фильтр. Конечно, это потребует денежных затрат, но поверьте: дело стоящее.

#i_002.jpg  Если цена не имеет значения, то можно увидеть больше

Специальные солнечные фильтры, которые называются Н-альфа фильтрами, позволяют увидеть намного больше деталей Солнца. Особенно хорошо использовать их для наблюдения солнечных протуберанцев, которые выглядят как огненные дуги на краешке, или лимбе, солнечного диска. К сожалению, эти фильтры очень дорого стоят (больше 1000 долларов).

Но если такая цена вас не пугает, сначала попрактикуйтесь в обычном наблюдении Солнца (без фильтров), а затем уже попробуйте Н-альфа фильтры. Их продают две фирмы-производителя: Thousand Oaks Optical ( www.thousandoaksoptical.com ) и Coronado Instrument Group в Пирсе, штат Аризона ( www.coronadofiIters.com ).

Возможно, для присоединения одного из этих Н-альфа фильтров к телескопу вам понадобится переходник. Дело в том, что эти фильтры не всегда легко соединять со всеми моделями телескопов.

 

Как наблюдать Солнце через внешний фильтр

Единственные солнечные фильтры, которые я рекомендую, — это внешние по отношению к телескопу, т. е. свет не может проникнуть в телескоп, не пройдя через фильтр.

 Фильтры, которые расположены на окуляре, около или вместо него, во многих случаях могут повредиться сильным нагревом от сфокусированных лучей, и, в свою очередь, будут представлять большую опасность для вашего зрения. Поэтому используйте только фильтры, расположенные на входе лучей в телескоп.

Ниже перечислены фильтры, входные по отношению к телескопу, которые я рекомендую использовать при наблюдении Солнца.

 Полноапертурные фильтры. Подходят для телескопов с апертурой 10 см или меньше (напоминаю, апертура — это диаметр светособирающего зеркала или линзы телескопа), таких как Meade ЕТХ-90/ЕС. Этот фильтр полностью покрывает зеркало (линзу) телескопа, так что вся поверхность зеркала (линзы) получает фильтрованный солнечный свет.

 Внеосевые фильтры. Это самые лучшие фильтры для телескопов с апертурой 10 см или больше, которые не относятся к рефракторам. Внеосевой фильтр меньше апертуры телескопа, но он устанавливается на пластине, которая покрывает всю апертуру. Солнце очень яркое и потому нет необходимости, чтобы свет собирала вся апертура телескопа. Вы и так хорошо его увидите. Это правда, что большая апертура позволяет получить более четкое изображение. Но в большинстве мест наблюдения состояние земной атмосферы не позволит получить такое резкое солнечное изображение, какое дает полная апертура телескопа размером 10 см или больше. Чем меньше ненужного света попадет в ваш телескоп, тем в большей безопасности будете и вы, и телескоп.

Затемнение

Когда вы преграждаете (полностью или отчасти) солнечным лучам путь в телескоп (например, используя фильтр, который позволяет свету проходить только через часть апертуры), это называется затемнением телескопа . Если вы скажете кому-нибудь в астрономическом клубе, что наблюдали Солнце "в затемненный телескоп", они подумают, что вы — настоящий профи! Знаете, кто придумал затемнить телескоп? Конечно, Галилей! Так что вы можете повторить его путь, наблюдая солнечные пятна в затемненный телескоп.

Для большинства телескопов не-рефракторов вам понадобится внеосевой солнечный фильтр, потому что в не-рефракторах обычно есть малые зеркала или механические устройства, которые находятся в центре внутри трубы телескопа и преграждают путь части лучей, попадающих в центр трубы телескопа.

В особом случае — если у вас рефрактор с апертурой 10 см или больше, т. е. довольно дорогой телескоп, — используемый фильтр должен надеваться на верхушку телескопа, быть меньше апертуры телескопа, но присоединяться в центре на пластине, закрывающей телескоп. Фильтр необходимо присоединять в центре, потому что, вообще говоря, качество оптики в центральной части главной линзы или линзы объектива телескопа (большой линзы) обычно лучше, чем по контуру линзы.

Солнечные фильтры можно найти в разных местах. Я расскажу о двух фирмах, имеющих репутацию производителей высококачественной продукции.

 Фирма Roger W. Tuthill, Inc. из Маунтинсайда, штат Нью-Джерси, продает фирменные фильтры Solar Skreen Sun Filters для телескопов, биноклей, фотоаппаратов и портативных видеокамер различных типов, включая фильтры, изготовленные специально для многих популярных моделей телескопов линий Celestron и Meade. Эти фильтры состоят из двух особых пластин Mylar, покрытых алюминием.

Фильтры для особых телескопов и другого оборудования встроены в опору, установленную на телескопе или объективе. Но фирма Tuthill также продает отдельные фильтры Solar Skreen. В моем недавнем круизе, целью которого было наблюдение полного солнечного затмения, я прикрепил эти фильтры к каждой из больших линз бинокля с помощью резинок, чтобы они прочно держались. И, сидя на палубе в шезлонге, я наслаждался зрелищем затмения, потягивая коктейль.

Но только используйте Solar Skreen или любые другие солнечные фильтры в соответствии с инструкциями фирмы-производителя. Их можно найти на Web-сайте фирмы Tuthill по адресу .

 Фирма Thousand Oaks Optical из Саузенд-Оакс, штат Калифорния, производит полноапертурные и внеосевые стеклянные солнечные фильтры под названием Туре 2 Plus. Эти фильтры хорошо подходят для наблюдения в телескоп.

Фильтры фирмы Thousand Oaks Optical используются для фотографирования Солнца в телескоп, но они недостаточно темные, чтобы их можно было применять для наблюдения Солнца в телескоп.

Фирма Thousand Oaks также продает фильтры Polymer Plus на основе полимерной пленки. Это их ответ фирме Tuthill с ее фильтрами Solar Skreen. И, конечно, совершенно естественно, что каждая фирма-производитель считает свой продукт самым лучшим. Посетите Web-сайт фирмы Thousand Oaks по адресу .

 

Солнце — потрясающий объект для наблюдения! Этот постоянно меняющийся горячий газовый шар может очень многое дать осторожному наблюдателю. Если принимать необходимые меры предосторожности (см. предыдущий раздел), то можно проводить наблюдения самостоятельно. В дополнение к наблюдению Солнца с помощью проекционного метода или телескопов, оснащенных солнечными фильтрами, можно также посетить Web-сайты, на которых представлены впечатляющие, профессионально сделанные изображения. В данном разделе я расскажу о некоторых способах, которые вам подойдут для самостоятельного наблюдения Солнца.

 

Наблюдение за солнечными пятнами

Когда вы будете уверены в том, что научились наблюдать Солнце безопасно для себя, — т. е. используя проекционный метод или телескоп, оснащенный солнечным фильтром, можете приступать к наблюдению солнечных пятен по следующему плану.

 Наблюдайте Солнце как можно чаще.

 Отмечайте размер и расположение пятен и групп пятен на солнечном диске. Некоторые солнечные пятна выглядят как крохотные темные точки. Если даже в мощный телескоп обсерватории эти объекты выглядят как маленькие темные точки, то они называются порами. Но если пятно достаточно большое, то вы сможете различить его отдельные участки. Темная часть в центре называется тень (umbra), а окружающая область, которая темнее солнечного диска, но светлее тени, — это полутень (penumbra).

 Зарисуйте схему движения солнечных пятен по мере совершения Солнцем одного полного оборота, который оно делает от 25 дней (на экваторе) до примерно 35 дней (на полюсах). Да, Солнце на разных широтах вращается с разными скоростями; это одна из многих его тайн и неожиданных свойств.

Сами посчитайте солнечные пятна

Вычисляйте свое собственное количество солнечных пятен для каждого дня наблюдения по следующей формуле:

R = 10g + s

где R — это количество "ваших" солнечных пятен, g — количество групп солнечных пятен, которые вы видите на Солнце, a s — общее количество солнечных пятен, которое вы подсчитали, включая пятна в группах.

Одни солнечные пятна кажутся изолированными одно от другого и находятся в различных местах солнечного диска, а другие — расположены рядом. Пятна, расположенные рядом в одном месте солнечного диска, называются группой. А пятно, которое находится отдельно от других, считается как собственная группа (обоснования такого метода подсчета могут быть самыми разнообразными, но именно его используют на протяжении уже многих лет).

Рассмотрим это на примере. Предположим, вы различили пять солнечных пятен; три из них расположены рядом в одном месте Солнца, а еще два достаточно отдалены одно от другого. Это значит, что вы обнаружили три группы солнечных пятен (группа, состоящая из трех близлежащих пятен, и две группы, каждая из которых содержит по одному пятну), поэтому g = 3. А количество отдельных пятен — 5, т. е. s = 5. Тогда

R = 10 × 3 + 5;

R = 30 + 5;

R = 35.

Подсчет официального количества солнечных пятен

В один и тот же день разные наблюдатели получают различные значения количества собственных солнечных пятен. Причем, чем лучше условия наблюдения и телескоп и живее воображение, тем больше солнечных пятен вы получите. Скажем, вы получили R = 35, а ваш сосед — только R = 22. По количеству солнечных пятен вы не только не отстаете от соседа, но и опережаете его! Ура!

Официальные астрономические организации, которые сводят все данные в таблицы и усредняют отчеты множества различных обсерваторий, знают по опыту, что одни наблюдатели получают достаточно низкие значения (как ваш сосед), потому что просто не могут увидеть так много пятен, а другие далеко опережают всех остальных по своим значениям. Учитывая этот опыт, официальные организации присваивают некоторый коэффициент каждой обсерватории или наблюдателю и учитывают это в будущих подсчетах, чтобы усреднить отчеты и получить наилучшую оценку количества солнечных пятен каждый день.

 Если вы хотите узнать профессионально определенное количество солнечных пятен, посетите Web-сайт Национальной солнечной обсерватории (National Solar Observatory) по адресу .

 

Изображения Солнца в Web

 В Web можно найти самые последние или недавние профессиональные фотографии солнечного диска и солнечных пятен (то, что астрономы называют фотографией в белом свете; весь видимый свет Солнца — это белый свет). Очень хороший в этом отношении сайт итальянской астрофизической обсерватории в Катании по адресу . Астрономы этой обсерватории называют количество солнечных пятен числом Вульфа в честь знаменитого астронома, занимавшегося изучением Солнца. На этом сайте есть таблицы количества солнечных пятен и их групп, а также фотографии Солнца. Изучая эти фотографии, вы попрактикуетесь в определении групп и подсчете солнечных пятен.

 Когда вы станете опытным астрономом и научитесь фотографировать в телескоп небесные объекты, попробуйте сфотографировать также Солнце. Надеюсь, вас вдохновят снимки, сделанные в обсерватории Маунт-Вилсон, в которой занимаются фотографированием Солнца с 1905 года. Оцените потрясающую фотографию силуэта самолета на фоне пятнистого Солнца, а также фотографию самой большой группы солнечных пятен изо всех, когда-либо сфотографированных, начиная с 7 апреля 1947 года. Если вам повезет настолько, что вы увидите группу солнечных пятен размером хотя бы в половину этой, то, вероятно, она будет видна через солнечный фильтр и телескоп вам даже не понадобится. Фотографии Солнца в белом свете, сделанные в обсерватории Маунт-Вилсон, можно посмотреть по адресу .

Но иногда небо Италии укрыто облаками, так что придется искать другое место, где есть профессиональные фотографии всего солнечного диска. Можно посетить, например, Web-сайт Австралийского агентства космической погоды (). Если термин "белый свет" явно не указан, ищите изображение, в названии которого есть буквы GONGWL. Они расшифровываются так: GONG — это проект, который проводят астрономы всего мира, занимающиеся изучением Солнца, a WL— означает "белый свет". Заметим, что в рамках этого проекта регулярно получают новые результаты.

 На самом деле астрономы изучают Солнце при всех видах освещения, а не только в белом свете. Эти исследования включают фотографии, сделанные в ультрафиолетовом, в крайней части ультрафиолетового и в рентгеновском диапазоне; все эти виды излучения невидимы для глаза и фактически задерживаются атмосферой Земли. Поэтому подобные фотографии сделаны с помощью телескопов, установленных на искусственных спутниках, вращающихся вокруг Земли на большой высоте, или космических аппаратов, находящихся далеко от Земли и вращающихся вокруг Солнца, как и Земля. Изображения Солнца, сделанные с помощью спутников и множества других телескопов, находящихся на поверхности Земли, можно найти на Web-сайте NASA "Текущие изображения Солнца" по адресу .

 Если у вас достаточно широкий канал в Internet, который позволяет смотреть видеоролики через Web, посмотрите сделанный с помощью спутника SOHO фильм, в котором видно, как меняется "лицо" Солнца, на сайте NASA SOHO Movie Theatre (Кинотеатр спутника SOHO) по адресу .

 

Наблюдение полного солнечного затмения

Лучший способ ежедневно наблюдать самую внешнюю, самую изменчивую и самую красивую зону Солнца, т. е. корону, — это следить за изображениями, сделанными с помощью спутников и опубликованными на Web-сайтах, указанных в предыдущем разделе.

Но непосредственное, "живое" наблюдение короны — это зрелище, в котором не стоит себе отказывать. Достаточно сказать, что это одно из самых красивых и захватывающих природных явлений. Поэтому многие астрономы-любители годами копят деньги, чтобы потратить их на великое путешествие для наблюдения солнечного затмения. И профессиональные астрономы тоже ищут способы попасть в ту точку Земли, где будет наблюдаться полное солнечное затмение, несмотря на все свои спутники и космические телескопы.

Бывает частичное (partial), кольцеобразное (annular) и полное (total) затмения (eclipse) Солнца (рис. 10.5). Конечно, самое потрясающее зрелище — полное затмение, но некоторые кольцеобразные затмения тоже стоят того, чтобы отправиться в путешествие. Во время кольцеобразного затмения вокруг контура Луны видно тонкое светлое кольцо фотосферы. Частичное затмение — не то, ради чего я проехал бы сотни километров, поскольку нельзя увидеть хромосферу или корону. Но, конечно, если такое затмение произойдет там, где вы живете, то зачем упускать случай попрактиковаться? В конце концов, первая и последняя стадия полного или кольцеобразного солнечного затмения — это частичные затмения! Поэтому вы должны уметь наблюдать и эти стадии тоже.

Рис. 10.5. Что происходит во время затмения Солнца

Наблюдение полного солнечного затмения

Чтобы наблюдать частичное затмение или частичные фазы полного солнечного затмения, используйте Solar Skreen или другие солнечные фильтры, которые я описывал в предыдущем разделе. Затмение можно наблюдать в бинокль или телескоп, оснащенные таким фильтром, либо через фильтр, если держать его перед глазами.

Полное затмение обычно начинается с частичной фазы. Сначала происходит первый контакт (first contact), когда край Луны наползает на край Солнца. Теперь наблюдатель видит частичное затмение Солнца; это значит, что он находится в полутени или более светлой внешней части тени Луны. Во время второго контакта (second contact) движущийся вперед край Луны достигает противоположного края Солнца, так что теперь Солнце полностью закрыто. Вы стали свидетелем полного затмения и находитесь в темной тени, или центральной тени Луны. В этот период можно опустить солнечный фильтр или бинокль с фильтром и просто, не отрываясь, смотреть (не рискуя повредить зрение) на фантастическое зрелище полного солнечного затмения. Но когда период полного затмения пройдет, не смотрите пристально на Солнце без фильтра.

Корона формирует вокруг Луны яркое белое гало, из которого иногда на запад и восток простираются длинные "языки". С южной и северной стороны лимба Луны, а также вокруг всего лунного диска можно увидеть тонкие яркие полярные лучи. Ищите маленькие ярко-красные точки — это солнечные протуберанцы, видимые невооруженным глазом в краткие моменты затмения. Во время пика 11-летнего цикла солнечной активности корона обычно круглая, но в периоды минимума пятнообразования она вытянута с востока на запад. Нужно отметить, что во время каждого затмения форма короны разная.

 Некоторые люди снимают солнечные фильтры со своих биноклей и телескопов и наблюдают полное солнечное затмение через эти инструменты, не пользуясь фильтрами. Это очень опасно, если:

 вы снимаете фильтр слишком рано, до того как Солнце действительно войдет в фазу полного затмения;

 вы смотрите без фильтра слишком долго (очень простой способ нарваться на неприятности) и продолжаете смотреть сквозь оптический инструмент без фильтра и тогда, когда Солнце уже начинает появляться из-за Луны.

 Предупреждаю! Не советую смотреть на Солнце через бинокль или телескоп без фильтра даже во время фазы полного солнечного затмения, если вы не находитесь под непосредственным контролем специалиста. Например, иногда опытный руководитель группы, совершающей путешествие для наблюдения затмения, использует звукоусилительную аппаратуру (микрофон, усилитель, динамик), компьютерные вычисления и собственные "ноу-хау", чтобы объявлять группе, когда можно смотреть на солнечное затмение без фильтра, а когда нужно прекратить это делать, дает советы и предостерегает.

На собственном (горьком) опыте я знаю, что самый простой способ нанести себе вред — это прильнуть к биноклю или телескопу, чтобы посмотреть еще "только пару секундочек", в то время как тонкий и яркий краешек солнечного диска уже начинает выходить из-за Луны. Этот тонкий краешек не заставит вас немедленно отвести взгляд, потому что он не кажется особенно ярким. Но вы не отдаете себе отчет, что инфракрасные лучи от этой маленькой части солнечного диска повреждают ваше зрение, не слепя вас и не вызывая мгновенной боли. Всего через несколько минут (или еще быстрее) вы начнете ощущать боль. Но будет поздно: зрение уже повреждено.

#i_007.jpg  Такое яркое, что нужно носить солнцезащитные очки

Компания Rainbow Symphony, Inc . из Реседы, штат Калифорния, — это известный производитель солнечных фильтров, вставленных в недорогую оправу для очков (это похоже на очки для просмотра стереоскопических фильмов). Кстати, компания Rainbow продает также стереоскопические очки, но для наблюдения затмения они не помогут. Компания производит продукцию под названием Eclipse Shades. Эти очки достаточно недороги, поэтому советую приобрести их каждому члену вашей компании, даже если вы покупаете более дорогие солнечные фильтры для своих оптических инструментов. Обычно организаторы туров и круизов для наблюдения затмения распространяют специальные очки, но они не всегда так удобны, как Eclipse Shades. Более подробно об этих очках вы можете узнать на Web-сайте компании Rainbow Symphony по адресу www.rainbowsymphony.com/soleclipse.html .

Соблюдайте меры предосторожности, следуйте всем инструкциям, не смотрите прямо на Солнце без фильтра — и тогда вы с нетерпением будете ожидать новых и новых полных затмений Солнца!

Поиск полос тени и четок

Еще одна причина, по которой не следует смотреть на Солнце во время фазы полного затмения через оптические инструменты, состоит в том, что в это время можно увидеть в небе много интересного невооруженным глазом.

 Прямо перед фазой полного затмения так называемые полосы тени (shadow bands) — мерцающие малоконтрастные узоры темных и светлых полос — могут пробегать по земле или по палубе вашего корабля. Это оптические эффекты, порождаемые в атмосфере Земли, когда от яркого солнечного диска затмевающая его Луна оставляет только последнюю маленькую частичку, но когда она еще не затмила его полностью.

 Четки Бейли (Baily's Beads) — это еще одно удивительное, но быстротечное зрелище, которое происходит во время фазы полного затмения. Всего на несколько мгновений до и после фазы полного затмения на краю лунного диска появляются яркие точки ("четки"), когда солнечный свет проходит между горами или краями кратеров Луны.

 И не забывайте наблюдать за дикими животными (а также домашними, если будет такая возможность). Куры возвращаются в курятник, коровы — в хлев и т. д. Во время одного затмения в XIX веке астрономы установили свои инструменты в хлеву и направили телескопы наружу через дверь. Как же они удивились, когда во время фазы полного затмения коровы вернулись домой!

Во время фазы полного затмения посмотрите на темное небо вокруг Солнца. Это редкая возможность увидеть звезды днем. В специальных статьях, публикуемых в астрономических журналах или на Web-сайтах, обычно сообщают, какие звезды и планеты искать. Вы можете также узнать это самостоятельно, введя дату и время затмения в программу-планетарий и выбрав режим отображения неба в том месте Земли, где вы собираетесь наблюдать затмение.

Путь полного затмения

В конце фазы полного затмения наступает третий контакт, когда ведущий краешек Луны выходит за пределы солнечного диска. Теперь вы снова находитесь в полутени и наблюдаете частичное затмение. Четвертый, или последний контакт происходит, когда ведомый краешек Луны сползает с солнечного диска. Увы, затмение закончилось.

Все затмение, от первого до последнего контакта, может продолжаться несколько часов, но самая интересная часть, фаза полного затмения, длится от одной до семи минут или чуть больше.

И есть только одно место на пути полного затмения — следа центра тени Луны на поверхности Земли, — где продолжительность полного затмения наибольшая. Во всех других местах на этом пути фаза полного затмения короче. Конечно, место, где затмение имеет максимальную продолжительность, может находиться не там, где прогноз погоды наилучший, или не там, куда легко и безопасно добраться. Поэтому очень важно планировать "путешествие за затмением" заранее. В любом хорошем месте все номера в отелях, автомобили напрокат и т. д. будут заказаны по меньшей мере за один или даже за два года до затмения.

Чтобы спланировать путешествие для наблюдения затмения, выберите в табл. 10.1 подходящее затмение и начинайте искать оптимальный способ увидеть его.

 За несколько лет до затмения в астрономических журналах начнут появляться статьи с информацией о прогнозах погоды в месте затмения и о том, как наблюдать его в различных точках земного шара. Читайте Web-сайты журналов Sky & Telescope и Astronomy. Ищите объявления об организации "путешествий за затмением" в журналах и в Web. Самые надежные прогнозы о затмениях можно найти на Web-сайте NASA, посвященном затмениям, по адресу .

Удачи!

 

Самые важные категории звезд соответствуют последовательным этапам их жизненных циклов: дети, взрослые, пожилые и умирающие. (Что? А подростки? Вселенная отказалась от категории "молодежь" после ее ужасных разгульных выходок!) Конечно, ни один астрофизик, имеющий степень Ph. D. (д-ра философии), не будет использовать такие простые термины. Поэтому астрономы называют эти типы звезд так: молодые звездные объекты (YSO), звезды главной последовательности, красные гиганты и звезды, находящиеся на завершающих этапах своей эволюции соответственно. (Наверное, вам будет приятно узнать, что ни одна звезда не умирает полностью; как правило, она переходит в новое состояние, завершающее ее эволюцию, и становится белым карликом или черной дырой.)

Перечислим этапы жизненного цикла нормальной звезды примерно такой же массы, как у Солнца.

1. Звезда "рождается", когда газ и пыль в холодной туманности сжимаются, формируя молодой звездный объект (YSO).

2. Сжимаясь, звезда разгоняет остатки породившего ее облака и начинаются реакции горения водорода. Другими словами, происходит ядерный синтез (об этом подробнее говорилось в главе 10).

3. По мере постепенного сгорания водорода звезда переходит в разряд главной последовательности (об этом этапе жизни звезд я расскажу позже в этой главе).

4. Когда звезда израсходует весь водород в своем ядре, начнется горение водорода, содержащегося в оболочке (большой внешний слой, окружающий ядро).

5. Энергия, выделяющаяся при горении водорода оболочки, приведет к тому, что звезда станет ярче и расширится. Звезда станет больше, холоднее и приобретет красный оттенок, т. е. превратится в так называемый красный гигант.

6. Звездные ветры, овевающие звезду, постепенно оторвут от нее внешние слои, которые сформируют планетарную туманность вокруг остатка горячего звездного ядра.

7. Туманность расширяется и рассеивается в космосе, и от звезды остается только маленькое горячее ядро.

8. Это ядро, которое теперь называется белым карликом, постепенно остывает и угасает навсегда.

У звезд с массой, намного большей, чем у Солнца, другой жизненный цикл. Вместо того чтобы породить планетарную туманность и превратиться в умирающего белого карлика, они взрываются как сверхновые и в конце концов после них остаются нейтронные звезды или черные дыры. Причем происходит это довольно быстро. Продолжительность жизни Солнца должна составить примерно 10 миллиардов лет, а звезда, масса которой в 20–30 раз превышает массу Солнца, взорвется всего через несколько миллионов лет после своего рождения.

А у звезд с массой, намного меньшей, чем у Солнца, другая судьба. Они начинают как YSO, затем присоединяются к главной последовательности звезд и навсегда остаются красными карликами. В основе всех описанных фактов лежит фундаментальный принцип астрофизики: чем больше масса, тем быстрее выгорает ядерное топливо и тем короче жизнь звезды. И, наоборот, чем меньше масса, тем медленнее происходит процесс сгорания водорода и тем дольше живет звезда.

К тому времени, когда Солнце исчерпает весь водород своего ядра, ему будет по меньшей мере 9 миллиардов лет. А у красного карлика водород сгорает так медленно, что такое положение сохраняется почти навечно (с практической точки зрения).

В последующих разделах мы более подробно рассмотрим этапы жизненного пути звезд.

 

YSO: первые шаги

#i_003.jpg  Молодые звездные объекты (YSO) — это новорожденные звезды, которые еще окружены шлейфом породивших их облаков или тянут его за собой. К ним относятся звезды типа Т Тельца, названные по имени первой найденной звезды этого типа — Т из созвездия Тельца; и объекты Хербига-Аро (Herbig-Haro, сокращенно Н-Н), названные в честь двух открывших их астрономов. (На самом деле объекты Н-Н — это сверкающие газовые шары, выброшенные в противоположных направлениях от самой молодой звезды, которая обычно не видна, так как ее скрывает пыль из породившего ее облака.) YSO можно обнаружить в районах молодых звезд, которые астрономы называют районами НП, например, в туманности Ориона (рис. 11.1), где за последние пару миллионов лет родились сотни звезд.

Рис. 11.1. Туманность Ориона относится к туманностям, где рождается много звезд, которые сначала скрываются за завесой межзвездной пыли

Фотография Джерри Лодригесса

Многие изображения эффектных туманностей с выбросами — это на самом деле "портреты" YSO. Выбросы и другие элементы туманностей сразу бросаются в глаза, но сами звезды иногда едва заметны (если заметны вообще), поскольку их скрывает окружающее их газо-пылевое облако.

 

Звезды главной последовательности: долгая зрелость

Звезды главной последовательности, к которым относится Солнце, отбрасывают породившие их облака и ярко светят в небе благодаря реакциям ядерного синтеза (т. е. превращению водорода в гелий), идущим в их ядрах (более подробно о реакциях ядерного синтеза на Солнце говорилось в главе 10). В прежние времена астрономы классифицировали звезды, еще не зная и не понимая различий между ними, поэтому звезды главной последовательности также называют карликами (dwarfs). Так и получилось, что звезду главной последовательности называют карликом, даже если ее масса в 10 (или даже больше) раз превышает массу Солнца.

Когда астрономы и авторы научно-популярных статей говорят "нормальные звезды", они, как правило, имеют в виду звезды главной последовательности. Когда они пишут о "солнце-подобных" звездах, то имеют в виду звезды главной последовательности примерно такой же массы, как у Солнца (больше или меньше не более чем в 2 раза).

Самые малые звезды главной последовательности — это красные карлики (red dwarfs), которые имеют тусклый красный оттенок.

У красных карликов малая масса, но их великое множество. Подавляющее большинство звезд главной последовательности — это красные карлики. Они — как мелкие мошки, которые окружают вас со всех сторон, но едва заметны. Красные карлики настолько тусклые, что даже ближайшую звезду этого типа, Проксиму Центавра (ближайшая к Солнцу звезда), нельзя увидеть без телескопа.

 

Красные гиганты

Красные гиганты (red giant) — это звезды совершенно другого типа; они намного больше Солнца. Диаметр некоторых из них примерно равен диаметру орбиты Венеры или даже орбиты Земли. Они представляют собой более поздний этап жизни звезд промежуточной массы (т. е. имеющих массу от чуть меньшей массы Солнца до превышающей ее в несколько раз), после того как она выйдет из категории главной последовательности ("перерастет" ее).

У красного гиганта сгорание водорода происходит не в ядре, а в сферической области сразу за пределами ядра, которая называется слоем водородного горения. У такой звезды водород не может сгорать в ядре, потому что весь ее водород ядра уже выгорел и в результате реакций ядерного синтеза превратился в гелий. Звезды, масса которых намного превышает массу Солнца, не становятся красными гигантами; они раздуваются настолько, что мы называем их красными сверхгигантами (red supergiant). Типичный красный сверхгигант в тысячу или в две тысячи раз больше Солнца; он велик настолько, что может простираться за орбиту Юпитера или даже Сатурна, будь он на месте Солнца.

 

Звезды на завершающем этапе эволюции

Завершающий этап звездной эволюции — это вежливый термин для обозначения этапа жизни звезд, чьи лучшие годы далеко позади. Этим термином называют такие объекты:

 белые карлики;

 центральные звезды планетарных туманностей;

 нейтронные звезды;

 сверхновые звезды;

черные дыры.

Чем больше, тем реже

Участники программы SETI (подробности — в главе 14) не направляют свои радиотелескопы на массивные звезды, чтобы обнаружить радиосигналы от развитых цивилизаций. Дело в том, что массивные звезды взрываются и умирают после настолько короткой жизни, что трудно представить, чтобы на любой из окружающих их планет за это время успела развиться жизнь.

Массивные звезды встречаются гораздо реже, чем звезды малой массы. Чем массивнее звезды, тем их меньше. Поэтому в конце концов, когда существующие звезды постареют и исчерпаются порождающие облака новых звезд, Млечный Путь будет состоять, в основном, только из двух типов звезд. Это будут красные карлики, которые живут практически вечно (во всяком случае, очень долго по сравнению с другими), и белые карлики, которые ведут себя примерно так же, но постепенно угасают. Да, будет много нейтронных звезд и черных дыр, но, поскольку они представляют собой остатки более массивных звезд, их будет немного по сравнению с количеством красных и белых карликов, которыми станут представители самых многочисленных типов звезд главной последовательности.

Звезды — как люди, если говорить о том, что самые большие из них (например, ростом 2,20 м, как голландский баскетболист Рик Смите) встречаются очень редко.

Белые карлики

Белые карлики (white dwarfs) на самом деле могут быть голубыми, белыми, желтыми или даже красными, в зависимости от того, насколько они горячие. Они представляют собой остатки солнцеподобных звезд и похожи на старых генералов, которые, по словам генерала Дугласа Мак-Артура, не умирают, а просто угасают.

Белый карлик похож на тлеющий уголек из костра, который вы только что загасили. Он еще горячий, хотя больше не горит. Он будет угасать целую вечность по мере остывания. Белые карлики — это компактные звезды, так как они маленькие и очень плотные. Типичный белый карлик может иметь такую же массу, как у Солнца, но при этом по размерам быть чуть больше (или даже не больше) Земли. Белые карлики практически не видны. Это самые распространенные звезды после красных карликов, но даже ближайший к Земле белый карлик слишком тусклый, чтобы его можно было увидеть без телескопа. В белом карлике так много вещества упаковано в малом объеме, что "чайная ложка белого карлика" весила бы на Земле около тонны. Вот что по этому поводу говорится в университетском учебнике Jeffrey Bennett, Megan Donahue, Nicholas Schneider, Mark Voit, The Cosmic Perspective (Addison-Wesley Publishing Company, 1999): "Две игральные кости, сделанные из материала белого карлика, весили бы пять тонн, т. е. как три автомобиля". Попробуйте-ка сыграть в такие кости!

Центральные звезды планетарных туманностей

Центральные звезды планетарных туманностей — это малые звезды, находящиеся в центре небольших красивых туманностей, таких как знаменитая Кольцевая туманность (Ring Nebula) в созвездии Лиры, показанная на цветной вклейке в этой книге.

Центральные звезды планетарных туманностей во многом похожи на белых карликов и действительно превращаются в них, если еще не стали ими. Так что они тоже представляют собой остатки солнцеподобных звезд. Туманности, состоящие из газа, выброшенного из звезды, расширяются, угасают, рассеиваются и в конце концов оставляют после себя звезды, которые уже не являются центрами чего-либо, — теперь они просто белые карлики.

Нейтронные звезды

Нейтронные звезды очень малы, даже меньше белых карликов, но зато они весят больше их. (Точнее, они превосходят их по массе. Вес — это сила, с которой планета или другое тело действует на объект определенной массы. Ваш вес на Луне, Марсе или Юпитере будет отличаться от вашего веса на Земле, хотя ваша масса при этом останется неизменной.)

Нейтронные звезды — как Наполеон: рост маленький, но недооценивать не стоит. Диаметр типичной нейтронной звезды — всего один-два десятка километров, но зато ее масса в полтора-два раза превосходит массу Солнца. "Чайная ложка нейтронной звезды" весила бы на Земле около миллиарда тонн. Авторы книги The Cosmic Perspective подсчитали, что "обрывок бумаги, сделанный из материала нейтронной звезды, весил бы больше Эвереста".

Некоторые нейтронные звезды называют пульсарами (pulsars). На рис. 11.2 показана Крабовидная туманность, в центре которой находится пульсар.

Рис. 11.2. Крупный план Крабовидной туманности (сверху); стрелка указывает на пульсар, находящийся в центре этой туманности

Фотография любезно предоставлена NASA

Пульсар — это нейтронная звезда с высокой намагниченностью, которая быстро вращается и излучает пучки энергии (это могут быть радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-лучи и/или видимый свет). Когда такие лучи проносятся мимо Земли, наши телескопы фиксируют кратковременные скачки излучения, которые мы называем импульсами, или пульсациями. Теперь вы понимаете, почему пульсары получили свое название. Частота вашего пульса говорит о том, насколько быстро бьется ваше сердце. А частота испускания лучей пульсаром говорит о том, насколько быстро он вращается. Эта частота может составлять несколько сотен раз в секунду или всего один раз за несколько секунд.

Сверхновые

Сверхновая (supernovae) — это мощнейший взрыв, в результате которого звезда полностью разрушается (рис. 11.3).

Рис. 11.3. Сверхновая в спиральной галактике М51

Фотография любезно предоставлена NASA

Сначала давайте познакомимся со сверхновой типа II. Сверхновая типа II (type II supernova) — это ослепительный, невероятной силы взрыв звезды, намного более массивной, крупной и яркой, чем Солнце. До взрыва это был красный сверхгигант и, возможно, даже достаточно горячий, чтобы его можно было назвать голубым сверхгигантом. Когда сверхгигант, какого бы цвета он ни был, взрывается, после него остается небольшой сувенир на память — нейтронная звезда. Может произойти также сжатие звезды, причем настолько сильное, что после нее останется еще более странный объект — черная дыра.

Второй тип сверхновой, который особенно важен, — это тип Iа. Сверхновая типа Ia (type Ia supernova) даже ярче сверхновой типа II, и ее взрыв происходит вполне предсказуемо и закономерно. Наблюдая сверхновую типа Iа, астрономы по степени ее яркости могут определить, на каком расстоянии она находится. Чем тусклее выглядит сверхновая, тем она дальше. Поэтому астрономы используют сверхновые типа Iа для измерения расстояний во Вселенной и степени ее расширения. В 1998 году две группы астрономов, изучая тип Iа, обнаружили, что расширение Вселенной вовсе не замедляется, а наоборот, ускоряется. Это открытие заставило специалистов пересмотреть свои теории космологии и Большого Взрыва (подробности вы узнаете в главе 16).

У всех сверхновых типа Iа наблюдаются аналогичные картины взрывов, поскольку они представляют собой извержения в системах двойных звезд, когда газ от одной звезды стекает на другую (белый карлик), создавая внешний горячий слой, в результате чего накапливается что-то вроде критической массы и происходит взрыв. Когда есть критическая масса, происходит стандартный взрыв, а когда есть больше критической массы… подождите — нельзя получить больше критической массы, потому что звезда уже взорвется! Так что астрофизика не так уж сложна.

Черные дыры

Черные дыры (black holes) — объекты настолько плотные и компактные, что по сравнению с ними нейтронные звезды и белые карлики кажутся чем-то очень неплотным и разреженным, как "сахарная вата". В черных дырах в малом объеме упаковано так много вещества, что огромная сила гравитации не дает ничему, даже световым лучам, вырваться из них. По мнению физиков, то, что попало внутрь черной дыры, покинуло нашу Вселенную. Так что если вы вдруг попадете в черную дыру, можете послать нашей Вселенной прощальный поцелуй.

Увидеть свет, исходящий из черной дыры, невозможно, потому что свет из нее не может выйти наружу. Возникает вопрос: как же обнаружить черную дыру? Оказывается, ученые определяют черную дыру по ее воздействию на окружающее пространство. Вблизи черной дыры вещество раскаляется и хаотично движется с бешеной скоростью, но из него никогда ничего не образуется. В конце концов это вещество попадает в черную дыру "и — привет". И такая ситуация обусловлена мощнейшей гравитацией черной дыры.

Но на самом деле я слишком упрощаю: иногда некоторой части вещества, движущегося вокруг черной дыры, удается "спастись". Оно выбрасывается в мощных потоках на огромной скорости.

Ученые обнаруживают черные дыры так: они видят газ, вращающийся вокруг некоего участка, причем этот газ оказывается слишком горячим для обычных условий. Они обнаруживают потоки частиц высоких энергий, которым удалось ускользнуть из черной дыры. И наконец, ученые видят звезды, мчащиеся по орбитам с фантастической скоростью, как будто их приводит в движение чудовищная гравитация невидимого объекта огромной массы. Все это признаки черной дыры.

До апреля 1999 года, когда астрономы объявили об открытии третьего класса черных дыр — черных дыр промежуточной массы, — различали два типа черных дыр:

 черные дыры звездной массы;

 сверхмассивные черные дыры.

Черная дыра звездной массы (stellar mass black hole), как вы уже догадались, имеет массу звезды. А точнее, масса таких объектов варьируется примерно от трех до ста солнечных масс, хотя черные дыры с массой, соответствующей верхнему из указанных пределов, пока не обнаружены. Эти черные дыры имеют примерно такой же размер, как нейтронные звезды. Черная дыра, масса которой примерно в 10 раз превышает солнечную, имеет диаметр около 60 км. Если бы можно было сжать Солнце до достаточно малого размера, так чтобы оно превратилось в черную дыру (к счастью, это вряд ли возможно), то его диаметр составил бы примерно 6 км. Черные дыры звездной массы образуются в результате взрыва сверхновых и, возможно, какими-то другими способами.

Сверхмассивные черные дыры (supermassive black hole) имеют массу от сотен тысяч до нескольких миллиардов масс Солнца. Как правило, они расположены в центре галактик. Например, в центре нашей родной галактики Млечный Путь находится черная дыра, которая называется Стрелец А* (заметьте, звездочка здесь — не ссылка на комментарий, а составная часть названия). Ее масса составляет примерно миллион солнечных масс. Наша Солнечная система совершает полный оборот вокруг этой черной дыры в центре Галактики примерно за 226 миллионов лет. Это последние данные, полученные с помощью радиотелескопа Very Long Baseline Array (система телескопов со сверхдлинной базой), состоящего из 10 радиотелескопов, расположенных на линии, протянувшейся по всей территории США, от Виргинских островов через Северную Америку и до Гавайских островов. Некоторые астрономы считают, что в центре каждой галактики или по крайней мере каждой галактики нормального размера находится черная дыра. По поводу карликовых галактик полной уверенности нет. Более подробно о сверхмассивных черных дырах я расскажу в главе 13.

Черным дырам промежуточной массы (intermediate mass black holes) их умное название досталось от специалистов, которые их открыли, но пока слабо представляют, что же они открыли. Одни ученые считают, что это "подростковый" этап развития будущих сверхмассивных черных дыр и их масса намного меньше той, которая у них будет в будущем. По мнению этих ученых, проглатывая все вокруг, они неизбежно в будущем приобретут огромную массу. Другие ученые полагают, что эти черные дыры — нечто совершенно особенное, но что? Конечно, очень хотелось бы это знать, но увы, пока данных недостаточно и необходимы новые исследования. Эти черные дыры имеют массу, примерно в 500-1000 раз превышающую массу Солнца.

По правде говоря, сверхмассивные черные дыры — это не звезды. И, скорее всего, не являются ими и черные дыры промежуточной массы. Но я все-таки решил уделить им немного внимания. Не зная о черных дырах, нельзя называть себя астрономом. Как только вы начнете выдавать себя за астронома, вам сразу начнут задавать всевозможные вопросы о черных дырах. А теперь угадайте, много ли вопросов вам зададут о звездах главной последовательности и о молодых звездных объектах?

 

Чтобы лучше понять, что представляют собой различные типы звезд, на основании данных наблюдений построим графики. Отложим значения звездной величины (или степени блеска) звезды по вертикальной оси, а цвет (или температуру) — по горизонтальной. Такой график называется диаграммой "цвет— звездная величина", или диаграммой Герцшпрунга-Ресселла, сокращенно H-R-диаграммой, в честь двух астрономов, которые первыми ее построили (рис. 11.4).

Рис. 11.4. Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла

Читая курс астрономии в Калифорнийском университете (Лос-Анджелес) и университете Мэриленда, я всегда могу сказать, кто из студентов учится, а кто — нет. Когда на коллоквиуме я спрашиваю, какие параметры отображены на H-R-диаграмме, некоторые студенты отвечают: "Н и R". И мне сразу все становится ясно.

 

Спектральные типы: какого цвета моя звезда?

 У Герцшпрунга и Ресселла не было достаточной информации о цветах или температурах звезд, поэтому по горизонтальной оси первоначальной диаграммы они отложили значения спектральных типов. Спектральный тип (spectral type) — это параметр, присваиваемый звезде в зависимости от ее спектра. А спектр (spectrum) — это составляющие, на которые раскладывается свет звезды, проходя через призму или другое оптическое устройство в приборе под названием спектрограф.

Сначала астрономы понятия не имели, что представляют собой различные типы звезд, поэтому они просто группировали их вместе (именуя их тип А, тип В и т. д.) на основе сходства их спектров. Впоследствии астрономы поняли, что спектральные типы отражают температуры и другие физические условия в атмосфере звезд, где их свет выходит в космическое пространство. Как только ученые поняли, что означают цвета, они упорядочили спектральные типы в зависимости от температуры, а Герцшпрунг с Ресселлом построили диаграмму. При этом некоторые лишние типы они исключили.

Основные спектральные типы, отображенные на H-R-диаграмме, — это О, В, А, F, G, К, М, от самых горячих звезд до самых холодных. Студенты университетов запоминают эту последовательность букв с помощью следующей фразы: "Oh, be a fine girl (guy), kiss me" (первые буквы этих слов составляют нужную аббревиатуру).

В табл. 11.1 перечислены общие свойства звезд каждого спектрального класса.

 

Классификация светимости

У каждого спектрального класса есть подразделения. Например, Солнце имеет спектр G2V, т. е. считается звездой типа G, немного более холодной, чем звезда типа G0 или G1, и немного более горячей, чем звезда типа G3. Но Солнце намного холоднее звезды типа К и считается карликом главной последовательности, на что указывает римская цифра "V". "V" называется классом светимости Солнца. Каждая звезда относится к некоторому классу светимости, который обозначается римской цифрой.

Сверхгиганты относятся к классам светимости I и II, гиганты — к классу III, а субгиганты (промежуточный этап между звездами главной последовательности и красными гигантами) — к классу светимости IV. Все красные карлики относятся к классу светимости V, а белые карлики — к классу D.

Сегодня можно найти H-R-диаграммы, которые отличаются по форме, но представляют одни и те же данные: относительные свойства звезд, определяемые их температурой и блеском.

Некоторые H-R-диаграммы откалиброваны, так что на них отображены действительные значения блеска или светимости звезд, а не видимые звездные величины или уровни блеска с точки зрения наблюдателя на Земле.

 

Масса определяет класс

У звезды большей массы в ядре идут более интенсивные ядерные реакции и она выделяет больше энергии, чем звезда меньшей массы. Так что более массивная звезда главной последовательности ярче и горячее, чем менее массивная звезда главной последовательности. К тому же более массивные звезды больше по размерам. На основании этой информации можно вывести фундаментальное положение астрофизики, отраженное на H-R-диаграмме: масса определяет класс.

На H-R-диаграмме (см. рис. 11.4) звездные величины, соответствующие большему блеску (т. е. с меньшими числовыми значениями) находятся на диаграмме выше, спектральные классы горячих звезд — слева, а холодных — справа. Так что температура возрастает справа налево, а звездная величина — сверху вниз.

Если отобразить на H-R-диаграмме реальные данные наблюдений, где каждой точке соответствует одна звезда, это очень многое даст внимательному читателю.

 Многие или даже большинство звезд расположены в полосе, идущей по диагонали от верхнего левого угла в правый нижний. Эта диагональная полоса соответствует главной последовательности звезд и все находящиеся в ней звезды — нормальные звезды типа Солнца, в ядрах которых происходят термоядерные реакции горения водорода.

 Некоторые звезды находятся в более широкой и разреженной, приблизительно вертикальной полосе, протянувшейся от диагональной полосы вверх и немного вправо (т. е. в сторону большего блеска и более низких температур). В этой полосе находятся красные гиганты.

 Небольшое количество звезд разбросано по всей верхней части диаграммы, Н слева направо. Это полоса сверхгигантов; слева находятся голубые, а справа — красные сверхгиганты (превосходящие голубые по численности).

 Еще немного звезд находится намного ниже диагональной полосы— внизу слева и в центре диаграммы. Это белые карлики.

Звезда главной последовательности отображена на H-R-диаграмме в соответствии с ее блеском и температурой, но и ее блеск, и температура зависят только от одного — массы. Диагональная форма главной последовательности отображает движение от звезд с большей до звезд с меньшей массой. У звезд, расположенных в левом верхнем углу главной последовательности, масса больше, чем у Солнца, а у звезд в правом нижнем углу — меньше, чем у Солнца.

Астрономы обычно не отображают молодые звездные объекты на одной H-R-диаграмме с остальными звездами. Но если бы они это сделали, то YSO находились бы в правой части диаграммы, над главной последовательностью, но совсем не так высоко, как сверхгиганты. Нейтронные звезды и черные дыры слишком трудно различимы для того, чтобы помещать их на H-R-диаграммах, где отображают обычные звезды.

 

Интерпретация H-R-диаграммы

Еще немного объяснений — и вы, как заправский астрофизик, будете знать, почему все эти звезды попадают в различные части диаграммы. Исследователи потратили десятки лет, чтобы это понять, а вы с помощью книги Астрономия для "чайников" получите все объяснения на блюдечке с голубой каемочкой. Для простоты мы рассмотрим калиброванную H-R-диаграмму, на которой все звезды отображены в соответствии с их истинным блеском.

Попробуйте ответить на вопрос: почему одна звезда ярче или тусклее другой? Блеск звезды определяют два простых фактора— температура и площадь поверхности. Чем больше звезда, тем больше у нее площадь поверхности, и каждый квадратный сантиметр этой поверхности излучает свет. Таким образом, чем больше квадратных сантиметров поверхности, тем больше света. Но возникает также вопрос о количестве света, которое излучает данный квадратный сантиметр поверхности. Горячие звезды ярче холодных, поэтому чем горячее звезда, тем больше света излучает каждый квадратный сантиметр ее поверхности.

Ну как, все понятно? А теперь разложим все по полочкам, применив эти знания к различным типам звезд.

 Белые карлики находятся в нижней части диаграммы, потому что они очень малы. Имея очень малую площадь поверхности (по сравнению с нормальными звездами, такими как Солнце), они просто не могут светить очень ярко. По мере угасания они сдвигаются по H-R-диаграмме вниз (поскольку становятся более тусклыми) и вправо (поскольку становятся холоднее). Их немного в правой части H-R-диаграммы, потому что холодные белые карлики настолько тусклые, что они обычно оказываются уже под осью абсцисс, и астрономы не могут ни увидеть многие из них, ни оценить их параметры.

 Сверхгиганты находятся в верхней части H-R-диаграммы, потому что они очень велики. Красный сверхгигант иногда больше, чем в 1000 раз превышает размер Солнца, так что если поместить его на место Солнца, то он может протянуться за орбиту Юпитера. Естественно, что с такой площадью поверхности сверхгиганты светят очень ярко.

То, что сверхгиганты находятся на диаграмме примерно на одинаковой высоте и слева, и справа, означает, что голубые сверхгиганты (расположенные слева) меньше красных (расположенные справа). Откуда нам это известно?

Голубые сверхгиганты потому голубые, что они горячее, а если они горячее, то каждый квадратный сантиметр их поверхности излучает больше света. Но, поскольку их звездные величины примерно одинаковы (все сверхгиганты находятся в верхней части диаграммы), у красных площадь поверхности должна быть больше. Только в этом случае они могут излучать такое же общее количество света, как и голубые, при том, что от каждого квадратного сантиметра поверхности красных исходит меньше света, чем у голубых.

 Звезды главной последовательности находятся на диагональной полосе, проходящей от верхнего левого угла диаграммы до правого нижнего, потому что у всех звезд главной последовательности происходит горение водорода в ядрах, независимо от их размера. Но различие в размерах звезд главной последовательности влияет только на то, где они находятся на H-R-диаграмме. Горячие звезды главной последовательности, которые находятся в левой части диаграммы, больше холодных звезд главной последовательности. Так что для горячих звезд главной последовательности характерны две особенности — у них больше площадь поверхности и каждый сантиметр их поверхности излучает больше света, чем у холодных звезд. А звезды главной последовательности, расположенные с правого края диаграммы, очень тусклые и холодные. Это красные карлики.

То, что звезды главной последовательности находятся посредине H-R-диаграммы, — вполне естественно, потому что все остальные звезды ярче или холоднее их (и, соответственно, находятся выше или ниже на диаграмме).

 

Около половины всех звезд двойные, причем эти двойные звезды — одного возраста, т. е. "рождены вместе". Звезды, которые рождаются вместе и которых во время образования из первичного облака объединяет взаимная гравитация, обычно так и остаются вместе. А то, что объединяет гравитация, мало что в космосе может разорвать. У "взрослой" звезды из двойной системы никогда не было другого партнера.

 Физическая двойная звезда (binary star) состоит из двух звезд, вращающихся вокруг общего центра масс. Центр масс двух звезд, имеющих одинаковую массу, находится точно посредине между ними. Но если масса одной звезды в два раза больше массы другой, то центр масс находится ближе к звезде большей массы. Более того, он расположен в два раза дальше от звезды меньшей массы, чем от звезды большей массы. Если же одна звезда в три раза больше другой, то центр масс находится в три раза ближе к ней, чем к ее партнеру и т. д. Пару звезд можно сравнить с детьми на качелях (представьте себе доску, качающуюся на опоре). Чтобы уравновесить качели, более тяжелый ребенок должен сесть ближе к центру.

Если у звезд из двойной системы одинаковые массы, то их орбиты одинакового размера, а если массы разные, то и орбиты разные. Общее правило таково: большая звезда имеет меньшую орбиту. Вы можете решить, что двойная система звезд аналогична нашей Солнечной системе, в которой чем ближе планета к Солнцу, тем быстрее она движется и тем меньше времени ей требуется на то, чтобы совершить полный оборот вокруг Солнца. Идея, конечно, хороша, но увы, неправильная.

В двойных системах большая звезда, которая имеет меньшую орбиту, движется медленнее, чем меньшая звезда по большей орбите. Причем их относительные скорости зависят от соотношения масс. Звезда, масса которой в три раза меньше массы "партнера", движется в три раза быстрее. Таким образом, измеряя скорости движения звезд двойной системы по орбитам, астрономы могут определить их относительные массы.

 

Кратные звезды

Оптическая двойная звезда (double star) — это две звезды, который с точки зрения наблюдателя на Земле кажутся очень близкими одна к другой. Некоторые из них действительно являются физическими двойными звездами, вращающимися вокруг общего центра масс. Но некоторые просто кажутся расположенными рядом наблюдателю с Земли, но на самом деле находятся на большом расстоянии одна от другой. У таких звезд нет ничего общего; они даже "не знакомы".

Оптическая тройная звезда (triple star) — это три звезды, которые кажутся расположенными рядом и, как и в предыдущем случае, могут действительно быть членами тройной звездной системы (triple star system) или находиться очень далеко одна от другой. А тройная звезда, аналогично двойной, состоит из трех звезд, которых удерживает вместе взаимная гравитация и которые вращаются вокруг общего центра масс.

Здесь кстати может быть сравнение со счастливой супружеской жизнью. "Третий — лишний" — вот самое распространенное объяснение нестабильности романтических отношений, в которые вмешивается третий человек. То же самое верно и по отношению к тройной звезде: на самом деле она состоит из прочной пары (или двойной звезды) и третьей звезды, которая движется по гораздо большей орбите. Если бы все три звезды находились рядом, то их гравитационное взаимодействие носило бы хаотичный характер и группа очень быстро распалась бы так, что по меньшей мере одна звезда улетела бы, чтобы никогда не вернуться. Поэтому тройная звезда — это, в сущности, двойная система, один член которой на самом деле представляет собой очень прочную звездную пару.

Четверная звезда (quadruple stars) часто представляет собой систему "два на два", т. е. состоит из двух прочных двойных звездных систем, каждая из которых вращается вокруг общего для четырех звезд центра масс.

Кратная звезда (multiple star) — это собирательное название для всех звездных систем, в которых больше двух членов, т. е. для тройных, четверных звезд и т. д. И на каком-то этапе становится уже трудно различить звездную систему большой кратности от малого звездного скопления. Получается, что в сущности, это одно и то же.\\

 

Эффект Допплера, или Как важно быть двойной звездой

Зависимость орбитальных скоростей членов двойной звездной системы от их масс — вот что вызывает большой интерес к ним со стороны астрономов. У нас есть множество теорий о массах различных типов звезд, но мало способов их проверить. Что поделаешь, так мало способов взвесить звезду! Но, к счастью, астрономы так легко не сдаются. Они научились определять массу звезд, изучая двойные системы и используя простое физическое свойство наблюдаемого источника света.

 Если масса одной звезды в три раза больше массы другой, то она движется по своей орбите в двойной системе со скоростью, в три раза меньшей скорости звезды-партнера. Поэтому, чтобы узнать относительные массы звезд (т. е. во сколько раз одна тяжелее другой), достаточно измерить их скорости. Только в очень редких случаях удается непосредственно следить за движением звезд, поскольку большинство двойных звезд настолько удалены, что мы не можем наблюдать за их перемещением по орбите. Но даже на большом расстоянии можно изучить спектр света, излучаемого двойной звездой. В этом спектре могут быть линии обеих звезд двойной системы.

А теперь давайте поговорим об эффекте Допплера, названного в честь физика XIX века Кристиана Допплера.

Частота, или длина волны, звука или света, регистрируемого наблюдателем, меняется в зависимости от скорости излучающего (или издающего) его источника по отношению к наблюдателю. Если говорить о звуке, то в качестве примера издающего его источника можно привести гудок паровоза. А источником, излучающим свет, может быть звезда. (О звуках более высокой частоты говорят, что они высокие; например, сопрано — это более высокий голос, чем тенор. У световых волн более высокой частоты длина волны меньше, и они смещены в фиолетовую область спектра, в то время как у световых волн более низкой частоты длина волны больше, и они смещены в красную область спектра.)

#i_006.jpg  Коротко о спектроскопии звезд

Спектроскопия звезд — это анализ линий в спектре звезд. Это, без преувеличения, самый лучший инструмент астрономов для изучения физической природы звезд. С помощью спектроскопии можно определить следующее:

#i_012.jpg  радиальные скорости звезд (движения по направлению к Земле или от нее);

#i_012.jpg  относительные массы, орбитальные периоды и длины орбит звезд из двойных систем;

#i_012.jpg  силу тяжести на поверхности звезд;

#i_012.jpg  направления и напряженность магнитных полей звезд;

#i_012.jpg  химический состав звезд (атомы каких элементов присутствуют и в каких состояниях они находятся);

#i_012.jpg  циклы активности (т. е. пятнообразовательной деятельности) звезд (по аналогии с циклом солнечной активности).

Всю эту информацию получают, измеряя положение, ширину и интенсивность цвета (насколько он темный или светлый) маленьких темных (а иногда светлых) линий в спектре звезд. Ученые анализируют спектры звезд с помощью эффекта Допплера, чтобы узнать, насколько быстро движутся звезды, насколько протяженны их орбиты и каковы их относительные массы. Существуют и другие эффекты — Зеемана (Zeeman) [34] и Штарка (Stark) [35] , которые влияют на внешний вид спектральных линий. Используя эти знания, с помощью эффекта Зеемана можно определить напряженность магнитного поля звезды, а с помощью эффекта Штарка — плотность атмосферы звезды и силу тяжести на ее поверхности. Само присутствие конкретных спектральных линий, каждая из которых соответствует атому определенного элемента, поглощающему (темные линии) или излучающему (светлые линии) свет в атмосфере звезды, говорит нам о присутствии некоторых химических элементов и температуре звезды.

Спектральные линии говорят даже о том, в каком состоянии находятся атомы, ионизированы ли они. Звезды настолько горячи, что атомы железа, например, могут лишиться одного или нескольких своих электронов. Тогда они превращаются в ионы железа. Для каждого типа ионов железа, в зависимости от того, скольких электронов он лишился, характерны особые узоры спектральных линий и положение в спектре. Сравнивая спектры звезд, полученные с помощью телескопов, со спектрами химических элементов, и ионов, полученными в результате лабораторных экспериментов или вычисленными на компьютерах, астрономы могут изучать характеристики звезд, находящихся на огромных расстояниях от Земли.

В холодных звездных газах многим атомам железа недостает только одного электрона, поэтому они создают спектр однократно ионизированного железа. Но в самых горячих зонах звезд, таких как солнечная корона, температура которой достигает миллионов градусов, атомы железа могут терять 10 электронов. Это значит, что железо находится в высоко ионизированном состоянии; оно создает соответствующий рисунок спектральных линий, который ясно говорит о том, что в этой зоне звезды очень высокая температура.

Некоторые участки солнечного спектра меняются в зависимости от изменения районов возмущений на Солнце, причем пик этих возмущений наблюдается каждые 11 лет. Аналогичные изменения происходят в спектре других солнцеподобных звезд. Поэтому с помощью спектроскопии астрономы могут даже определить продолжительность цикла активности далекой звезды, причем настолько далекой, что нечего и мечтать хоть краешком глаза увидеть пятна на ее поверхности.

Эффект Допплера заключается в следующем.

 Если источник движется по направлению к вам, то частота повышается, поэтому:

• кажется, что высота звука гудка поезда выше;

• свет звезды кажется более голубым.

 Если источник движется от вас, то частота понижается, поэтому:

• кажется, что высота звука гудка поезда ниже;

• свет звезды кажется более красным.

Гудок паровоза — это стандартный пример, который приводили для объяснения эффекта Допплера многим поколениям школьников и студентов, даже если их это иногда совершенно не интересовало. Но где сейчас услышишь гудок паровоза?

Возможно, более близкая аналогия — ощущение морских волн при движении на моторной лодке. Когда от берега вы движетесь в том направлении, откуда приходят волны, то чувствуете, что лодка быстро качается под ударами волн. Но когда вы направляетесь обратно к берегу, качка заметно уменьшается. В первом случае вы двигались навстречу волнам, сталкиваясь с ними раньше, чем это произошло бы, будь вы неподвижны. Поэтому частота ударов волн о лодку была выше, чем в случае, когда лодка находится в покое.

В спектре звезды есть несколько темных линий. Эти линии указывают на поглощение света различными атомами в атмосфере звезды. Так формируются узнаваемые спектральные рисунки. И когда звезда движется по орбите, эффект Допплера заставляет эти узоры линий перемещаться по спектру.

Поэтому, изучая спектры двойных звезд и наблюдая, как по мере движения звезд по орбитам их спектральные линии смещаются из красной области спектра в фиолетовую и обратно, астрономы могут сказать, насколько быстро они движутся и каковы их относительные массы. И отмечая, сколько времени требуется спектральной линии, чтобы достичь своего крайнего положения в красной области спектра, затем — крайнего положения в фиолетовой области спектра и, наконец, снова вернуться в красную область, можно определить продолжительность движения двойной звезды по орбите.

Если вы знаете, что полный оборот по орбите занимает, например, 60 дней, и знаете скорость движения звезды, то можете вычислить длину окружности орбиты, а значит, и радиус этой окружности.

 

Увы, не все звезды, как говорил Шекспир, так же "постоянны, как Полярная". Но на самом деле Полярная звезда вовсе не постоянна. Это переменная звезда, т. е. такая, блеск которой время от времени меняется. В течение многих лет астрономы думали, что они знают причину изменений блеска Полярной звезды. Казалось, она становилась немного ярче, а затем немного тусклее, и все это повторялось снова и снова. Но затем ожидаемые изменения, хм! тоже изменились. Это изменение закономерности может означать произошедшее со временем физическое изменение, и в настоящее время ученые пытаются понять, что это означает.

Переменные звезды делятся на два основных типа.

 Физические переменные звезды (intrinsic variable stars) — те, изменение блеска которых вызвано физическими процессами, происходящими в самих звездах.;

Они подразделяются на три основные категории:

• пульсирующие звезды;

• вспыхивающие звезды;

• эруптивные (взрывные) звезды.

 Существуют также переменные звезды (extrinsic variable stars), изменение, блеска которых вызвано какими-то внешними причинами. Они подразделяются на две основные категории:

• затменные звезды;

• звезды с эффектом микролинзирования.

 

Пульсирующие звезды

Пульсирующие звезды расширяются и сжимаются, становясь больше и меньше, горячее и холоднее, ярче и тусклее. Физические свойства этих звезд таковы, что они просто переходят из одного состояния в другое и обратно, как будто совершают некие колебания или пульсируют, совсем как бьющиеся в небе сердца.

Переменные звезды-цефеиды

Самые важные для науки пульсирующие звезды — это цефеиды, названные в честь первой изученной звезды такого типа, Дельты Цефея (δ Цефея).

 Американский астроном Генриетта Ливитт обнаружила, что у цефеид существует зависимость между периодом изменения блеска и светимостью (period-luminosity relation). Этот термин означает, что, чем дольше период изменения блеска (интервал между последовательными пиками блеска), тем выше средний истинный блеск звезды. Поэтому, если измерять видимую звездную величину переменной звезды-цефеиды по мере ее изменения с течением дней и недель и затем определить период изменения блеска, то можно легко вычислить истинный блеск звезды.

Зачем это нужно? А затем, что, зная истинный блеск звезды, можно определить расстояние до нее. Ведь чем дальше звезда, тем более тусклой она выглядит, но это все та же звезда с тем же истинным блеском.

 Удаленные тусклые звезды подчиняются закону обратных квадратов (inverse square law). Это значит, что если звезда в 2 раза дальше, то она выглядит в 4 раза более тусклой. А если звезда в 3 раза дальше, то она выглядит в 9 раз тусклее. Если же звезда в 10 раз дальше, то она выглядит в 100 раз более тусклой.

Недавно в СМИ появились сообщениях о том, что с помощью космического телескопа "Хаббл" удалось определить масштабы и возраст Вселенной. На самом деле это результат исследования с помощью телескопа "Хаббл" переменных звезд-цефеид. Эти цефеиды находятся в далеких галактиках. Но, наблюдая за изменением их блеска и используя зависимость между периодом изменения блеска и светимостью, астрономы определили расстояние до этих галактик.

Звезды типа RR Лиры

Звезды типа RR Лиры подобны цефеидам, но они не такие большие и яркие. Некоторые из них расположены в шаровом звездном скоплении в нашей галактике Млечный Путь, и у них тоже существует зависимость между периодом изменения блеска и светимостью.

Шаровые скопления — это огромные сферические образования, заполненные старыми звездами, рожденными еще в период формирования Млечного Пути. Это участки космоса шириной всего лишь 60-100 световых лет, в которых "упаковано" от нескольких сотен тысяч до миллиона звезд. Наблюдая за изменением блеска звезд типа RR Лиры, астрономы могут оценить расстояние до таких звезд. А если эти звезды находятся в шаровых скоплениях, то можно определить расстояние до этих шаровых скоплений.

 Почему так важно знать расстояние до звездного скопления? А вот почему. Все звезды, расположенные в одном скоплении, образовались одновременно из общего облака. И все они расположены примерно на одинаковом расстоянии от Земли, поскольку находятся в одном и том же скоплении. Поэтому, когда ученые строят H-R-диаграмму для звезд из скопления, в ней не будет ошибок, вызванных разницей расстояний до различных звезд. А если мы знаем расстояние до звездного скопления, то все нанесенные на диаграмму значения звездных величин можно преобразовать в светимость, т. е. в интенсивность излучения звездой энергии в секунду. И эти значения можно непосредственно сравнить с теоретическими данными. Именно этим и занимаются астрофизики.

Долгопериодические переменные звезды

В то время как астрофизики обрабатывают информацию, полученную от цефеид и переменных звезд типа RR Лиры, астрономы-любители наслаждаются наблюдением долгопериодических переменных звезд, так называемых переменных звезд типа Мира Кита. Мира — это другое название звезды Омикрон Кита (ο Кита), первой известной звезды данного типа.

Переменные звезды типа Миры Кита пульсируют, как цефеиды, но у них намного большие периоды изменения блеска, в среднем 10 месяцев и больше, и, кроме того, у них больше амплитуда изменения блеска. Когда блеск Миры Кита достигает максимального значения, ее можно увидеть невооруженным глазом, а когда блеск минимален, необходим телескоп. Изменение блеска долгопериодических звезд также происходит гораздо нерегулярнее, чем у цефеид. Максимальная звездная величина, которой достигает некоторая звезда, может очень сильно меняться от одного периода к другому. Наблюдения таких звезд, проводить которые совсем нетрудно, позволяют ученым получить важную научную информацию. И вы тоже можете внести свой вклад в исследование переменных звезд (более подробно я расскажу об этом в последнем разделе данной главы).

 

Вспыхивающие звезды

Вспыхивающие звезды — это маленькие красные карлики, на которых происходят сильные взрывы, подобные вспышкам на Солнце, но только более мощные. Большинство вспышек на Солнце нельзя увидеть без помощи специальных цветных фильтров, поскольку свет от вспышки — это всего лишь крохотная доля общего света Солнца. Только очень редкие крупные вспышки "белого света" можно увидеть на Солнце без специального фильтра. (Но по-прежнему необходимо использовать метод проекции или фильтр для безопасного наблюдения, о чем подробно говорилось в главе 10.) Но взрывы на вспыхивающих звездах настолько яркие, что при этом заметно изменяется звездная величина звезды в целом. Не для всех красных карликов характерны эти частые взрывы, но, например, Проксима Центавра, ближайшая к нашему Солнцу звезда, — вспыхивающая.

 

Взрывные звезды: сверхновые и катастрофические переменные

Взрывы новых и сверхновых звезд настолько сильны, что я не хочу смешивать их со вспыхивающими звездами.

Новые звезды

Новые звезды взрываются после постепенного накопления вещества на белом карлике, входящем в состав двойной звездной системы, как на сверхновых типа Iа, о которых уже говорилось в этой главе. Но только в данном случае белый карлик не разрушается. Во время взрыва он просто сбрасывает накопившуюся верхнюю оболочку, затем возвращается в первоначальное "спокойное" состояние и снова начинает получать вещество от своего "партнера" по двойной системе, накапливая его на поверхности. Мощная гравитация белого карлика сжимает и нагревает этот поверхностный слой и по прошествии столетий или тысячелетий снова сбрасывает его! По крайней мере теория именно такова. Увы, еще никому не удавалось прожить так долго, чтобы дважды увидеть взрыв обычной, или классической, новой звезды. Но существуют аналогичные двойные системы, взрывы в которых не такие мощные, как у классических новых звезд, но зато они повторяются достаточно часто, так что астрономы-любители могут наблюдать за ними, объявить об открытии нового взрыва и вдохновить профессиональных астрономов на изучение данного явления. Эти объекты известны под разными названиями, такими как карликовая новая звезда (dwarf nova) и системы типа AM Геркулеса [36]Названы по имени звезды, рассматриваемой как прототип этого класса.
(AM Herculis systems).

Классические новые звезды, карликовые новые звезды и подобные им объекты имеют собирательное название катастрофические переменные звезды (cataclysmic variables).

Существуют достаточно яркие новые звезды, которые можно увидеть невооруженным глазом примерно раз в 10 лет (± пару лет). Я изучал одну такую из созвездия Геркулеса во время работы над докторской диссертацией в 1963 году. Если бы она не взорвалась как раз в нужный момент, то, возможно, мне пришлось бы искать другую тему диссертации. А совсем недавно, в 1999 году, астрономы обнаружили яркую новую звезду в созвездии Парусов.

Сверхновые звезды

Сверхновые звезды, взрываясь, выбрасывают в космическое пространство большую часть своей массы. Из этого вещества формируется туманность, называемая остатками сверхновой (supernova remnants), и эти остатки на огромной скорости разлетаются во всех направлениях (рис. 11.5). Туманность сначала состоит из вещества взорвавшейся звезды, но никак не из вещества того, что после нее осталось, т. е. центрального объекта, будь то нейтронная звезда или черная дыра. Но по мере перемещения в космическом пространстве эта туманность подбирает по пути межзвездный газ, точно так же как лопасть снегоочистителя собирает снег. Так что через несколько тысяч лет остатки сверхновой состоят из собранного по пути газа в большей степени, чем из осколков взорвавшейся звезды.

Рис. 11.5. Часть Петли Лебедя, остатка сверхновой

Фотография любезно предоставлена NASA

Сверхновые звезды невероятно яркие, но это довольно редкое явление. По оценкам астрономов, в галактике Млечный Путь сверхновая появляется каждые 25-100 лет, но мы не были свидетелями вспышки сверхновой в своей родной галактике со времени Звезды Кеплера в 1604 году, еще до изобретения телескопа. Вероятно, были и другие случаи, но вспышки скрывали пылевые облака галактики. Огромная южная звезда η Киля выглядит так, как будто она вот-вот станет сверхновой галактики Млечный Путь. Но имейте в виду, что "вот-вот" на языке астрономов означает, она может взорваться в любой момент — в пределах следующего миллиона лет.

 

Затменно-двойные звезды

Затменно-двойные звезды — это двойные системы, блеск которых не меняется (если только одна из двух звезд не окажется пульсирующей, вспыхивающей или переменной звездой другого типа), но которые наблюдателю на Земле кажутся переменными звездами. Причина в том, что орбитальная плоскость этой системы — т. е. плоскость, в которой лежат орбиты обеих звезд двойной системы, — ориентирована таким образом, что в ней лежит также линия прямой видимости двойной системы с Земли.

 Если орбитальные периоды обеих звезд двойной системы равны 4 дням, то каждые 4 дня более массивная звезда этой системы, обычно называемая "А", проходит прямо перед другой звездой, с точки зрения наблюдателя с Земли. Это преграждает путь к нам всему свету или большей его части, идущему от звезды "В" (в зависимости от того, звезда "В" больше или меньше звезды "А"; иногда менее массивная звезда больше своего более тяжелого партнера), поэтому двойная звезда выглядит более тусклой. Такое явление называется звездным затмением. А спустя 2 дня после этого затмения звезда "В" пройдет перед звездой "А", и снова произойдет затмение.

В разделе "Двойные и кратные звезды" я упоминал о том, как с помощью орбитальных скоростей оценить массы звезд. Оказывается, таким способом можно также узнать диаметры звезд. Анализируя спектр, ученые определяют, насколько быстро звезды движутся по орбите, с помощью эффекта Допплера. Можно измерить также продолжительность затмений в затменно-двойных системах. Затмение звезды "В" начинается, когда ведущий край звезды "А" начнет проходить перед ней. А закончится оно, когда ведомый край звезды "А" закончит прохождение перед звездой "В". Поэтому, умножив орбитальную скорость на продолжительность затмения, получим размеры звезды "А". Замечу, что во всех этих методах детали несколько сложны, но основные принципы можно понять без труда.

Самая знаменитая затменно-двойная звезда — это Бета Персея (β Персея), известная также как Алголь, или Звезда Демона (Глаз Дьявола).

Если вы живете в Северном полушарии, то, наблюдая затмения Алголя, получите массу удовольствия. Это яркая звезда, расположенная в небе так, что ее очень удобно наблюдать осенью в небе Северного полушария. Ее затмения можно увидеть без телескопа и даже без бинокля. Каждые 2 дня и 21 час блеск Алголя примерно на 2 часа снижается на значение чуть больше одной звездной величины — больше, чем в 2,5 раза. Но нужно знать, когда наблюдать это затмение. Нельзя же торчать на улице почти три дня. Поэтому постарайтесь найти информацию об этом в астрономических журналах или на Web-сайтах.

Минимум (minima) — это время, когда переменные звезды достигают наименьшего блеска в текущем цикле, а максимум (maxima) — время, когда блеск достигает наибольшего значения.

 

Микролинзирование

 Иногда звезда, которая находится далеко от Земли, проходит точно перед другой звездой, которая находится еще дальше. Эти две звезды совершенно не связаны, и могут быть на расстоянии тысяч световых лет одна от другой. Но гравитация звезды, проходящей впереди, искривляет лучи света, идущие от звезды сзади, так что эта далекая звезда в течение нескольких дней или недель кажется нам, на Земле, гораздо более яркой. Этот эффект следует из общей теории относительности Эйнштейна и действительно подтверждается практикой, так как регулярно наблюдается. Он называется гравитационным линзированием (gravitational lensing). Когда "линза" или тело, гравитация которого искривляет световые лучи, — это просто звезда, данный эффект называют микролинзированием (microlensing). А когда лучи искривляет гравитация целой галактики или еще более масштабного объекта, то слово линзирование (lensing) употребляют без приставки "микро".

Вы, наверное, думаете: очень маловероятно, чтобы две никак не связанные между собой звезды идеально выравнивались на одной линии с Землей, и вы правы! Поздравляю вас, прекрасная мысль. Чтобы регулярно обнаруживать такое редкое явление, астрономы используют цифровые фотоаппараты для телескопов, которые могут снимать от сотен тысяч до миллионов звезд одновременно. Когда под наблюдением находится так много звезд, какая-нибудь звезда на переднем плане время от времени проходит перед одной из них, хотя мы даже не знаем, перед какой.

Все дело в том, чтобы направить телескоп в район неба, где в поле зрения одновременно находится огромное количество звезд. К таким районам относятся Большое Магелланово Облако (ближайшая галактика к Млечному Пути) и центральная выпуклость самого Млечного Пути, где находится целое море звезд.

 

Ясной летней или зимней ночью вы наверняка видели широкую полосу, протянувшуюся через все небо. Это и есть Млечный Путь.

"Молочная река, текущая через Вселенную". Что ж, такая трактовка Млечного Пути была не лучше и не хуже других до 1610 года, когда Галилей разглядел его в телескоп. Он обнаружил, что Млечный Путь не имеет с молоком ничего общего; что он состоит из колоссального количества тусклых звезд, которые объединяются в одно огромное расплывчатое облако. Таким образом, телескоп позволил значительно продвинуться в деле изучения космоса в целом и Млечного Пути в частности.

Как я объясняю в этой главе, галактики — это основные структурные элементы ("кирпичики") Вселенной, и Млечный Путь среди них — "кирпичик" очень приличного размера. Он содержит почти все, что можно увидеть невооруженным глазом, и очень много такого, что увидеть нельзя, — от Земли и Солнечной системы до звезд из окрестностей Солнца, видимых звезд созвездий и всех звезд, которые вместе создают в ночном небе картину молочной реки. Помимо этого, Млечный Путь содержит почти все туманности, которые можно увидеть без телескопа, и множество других, которые невооруженным глазом увидеть не получится.

Млечный Путь — это большая галактика! Помимо отдельных звезд, он содержит сотни звездных скоплений, таких как Плеяды и Гиады в созвездии Тельца, а также множество других.

 

Какая форма у Млечного Пути

Млечный Путь— это спиральная галактика. Она содержит состоящую из миллиардов звезд структуру в форме блина (галактический диск, galactic disk), у которой есть спиральные рукава (или ветви). По форме эти рукава можно сравнить со струями воды, вылетающими из вращающейся системы для поливки газонов. В них множество ярких, молодых, голубых и белых звезд и газовых облаков. Спиральные рукава галактического диска усеяны группами молодых горячих звезд (которые называются ассоциациями, associations); здесь много также светлых и темных туманностей. Между рукавами находятся межрукавные пространства (увы, не все астрономические термины удачны и легки для запоминания).

Где и когда лучше наблюдать Млечный Путь

В былые времена все видели и знали Млечный Путь, но теперь все изменилось. Сегодня многие люди не видят и не знают его, потому что живут в городах или пригородах, где яркие огни мешают хорошей видимости Млечного Пути.

Чтобы увидеть Млечный Путь без "светового загрязнения" (уличным освещением и т. д.), нужно во время отпуска отправиться в горы или на море. Там небо будет намного темнее, чем в городе, и вы сможете в полной мере насладиться невыразимой красотой космоса! Полная Луна тоже мешает наблюдению Млечного Пути, поэтому постарайтесь так спланировать свой отпуск, чтобы это было время новолуния, когда лунного света мало или совсем нет. Млечный Путь лучше всего виден в небе летом и зимой и хуже всего — весной и осенью.

А что за Млечным Путем?

Три объекта за пределами Млечного Пути, которые легко увидеть невооруженным глазом, — это Большое и Малое Магеллановы Облака, две соседние галактики, которые можно увидеть в Южном полушарии, и галактика Андромеды (или туманность Андромеды). Некоторые люди, которым повезло с хорошим зрением (и многие другие, которые просто пытаются произвести впечатление на друзей), утверждают, что видят также галактику Треугольник. И галактика Андромеды, и галактика Треугольник находятся примерно в двух миллионах световых лет от Земли, но первая гораздо больше и ярче.

Я считаю Большое Магелланово Облако единым объектом, но на самом деле оно содержит огромную яркую туманность Тарантул, которую тоже можно увидеть невооруженным глазом. В течение нескольких месяцев 1997 года в Большом Магеллановом Облаке была видна яркая сверхновая 1987А.

В центре нашей галактики находится место, которое называется (как вы уже догадались) галактическим центром (galactic center). А в самом центре (т. е. в центре этого центра) — галактическая выпуклость (или балдж) (galactic bulge). Это приблизительно сферическое образование, состоящее из миллионов, в основном, оранжевых и красных звезд. Вообще форму нашей галактики можно сравнить с двумя яичницами, сложенными желтками наружу; белок — это галактический диск, а образующие сферическую структуру желтки, — выпуклость в центре диска. Это форма летающей тарелки, которую можно примерно получить, если сложить два блюдца выпуклостями наружу. Надеюсь, я объяснил достаточно понятно и вы представили себе форму этого гигантского космического объекта. Тогда остается добавить, что в центре нашей галактики находится сверхмассивная черная дыра — Стрелец А* (Sagittarius А*). На рис. 12.1 показана структура Млечного Пути и его компоненты.

Рис. 12.1. Млечный Путь — это спиральная галактика с рукавами, вращающимися вокруг галактического центра

 Плоская воображаемая поверхность, или срединная плоскость, галактического диска называется галактической плоскостью (galactic plane). Если мысленно продолжить эту плоскость до пересечения с небесной сферой (с точки зрения наблюдателя на Земле), то получим окружность, которую называют галактическим экватором (galactic equator).

Иногда положение небесного объекта дается в галактических координатах, а не с помощью прямого восхождения и склонения (об этих координатах подробно говорилось в главе 1). Галактические координаты— это галактическая широта (Galactic Latitude), измеряемая в градусах в направлении на север или на юг от галактического экватора, и галактическая долгота (Galactic Longitude), измеряемая в градусах вдоль галактического экватора.

Точка отсчета галактических долгот — направление на галактический центр, который проектируется на 27-й градус Стрельца. В этой точке долгота равна нулю. (На самом деле нулевая отметка галактической долготы немного смещена от галактического центра. Дело в том, что в 1959 году считали, что галактический центр находится именно в этом месте. Но теперь мы знаем гораздо больше.) Отметки галактической долготы проходят вдоль галактического экватора от созвездия Стрельца до Орла, Лебедя и Кассиопеи; затем идут через созвездия Возничего, Большого Пса, Киля и Центавра, и так до долготы 360°, т. е. обратно к галактическому центру. Если вы посмотрите в бинокль на созвездия, которые я только что перечислил, то увидите больше звезд, звездных скоплений и туманностей, чем в любом другом месте неба.

Как оказывается, созвездия, которые пересекает галактическая плоскость, — одни из самых прекрасных в небе.

 

Где находится Млечный Путь

Если вы думаете, что Млечный Путь находится на некотором расстоянии от Солнца и Земли, то вы ошибаетесь. И Солнце, и Земля сами входят в Млечный Путь. Но галактический центр находится на расстоянии примерно 25 тысяч световых лет от Земли. Последние измерения с помощью радиотелескопа Very Long Baseline Array показали, что Солнечной системе требуется около 226 миллионов лет, чтобы совершить один оборот вокруг галактического центра. С помощью этой информации было устранено большое расхождение в цифрах: до сих пор ученые не знали точной продолжительности галактического года; по разным оценкам, она составляла 200 или 250 миллионов лет. А теперь астрономы могут правильно устанавливать календари. Окраины галактики поклонники научной фантастики называют галактическим ободом (galactic rim). Диск Млечного Пути — во многом и есть та "молочная полоса", которую мы видим в небе.

Млечный Путь находится примерно в 169 тысячах световых лет от Большого Магелланова Облака, в 2 миллионах световых лет от Андромеды и примерно в 50 миллионах световых лет от ближайшего большого скопления галактик, Скопления Девы. Он также находится прямо посредине маленького скопления галактик (упоминаемые размеры, конечно, относительны) — Местной Группы. Обо всех этих объектах я расскажу в этой главе.

 

Как и когда сформировался Млечный Путь

Млечный Путь, вероятно, почти так же стар, как Вселенная. Ему наверняка больше 12 миллиардов лет; по оценкам ученых, именно таков возраст некоторых самых старых из его звезд, причем, по другим оценкам, некоторые звезды еще старше. Увы, никто из тех, кого мы знаем, не был свидетелем его рождения. В то время даже Земли еще не существовало, поэтому оценки очень приблизительны.

 Форма и размеры Млечного Пути обусловлены действующими во Вселенной законами гравитации. Давным-давно под воздействием гравитации гигантское облако первичного газа собралось воедино и начало сжиматься. Когда небольшие сгустки внутри этого облака сжимались еще быстрее, чем все облако в целом, формировались звезды. Большое облако начинает вращаться очень медленно, но, по мере уменьшения, его вращение ускоряется, происходит уплощение его формы и получается нынешняя форма спирального диска. И вот вам Млечный Путь!

Если у вас есть другая теория на сей счет, попробуйте сами стать астрономом и, быть может, однажды вы напишете собственную книгу.

 

Звездные скопления (star clusters) — это просто группы звезд, расположенных внутри и вокруг галактики. Это не случайные группы, поскольку они вместе сформировались из общего облака и, в большинстве случаев, удерживаются вместе силами гравитации.

Существует три основных типа звездных скоплений: открытые скопления, шаровые скопления и ОВ-ассоциации.

 Великолепные изображения звездных скоплений можно найти на Web-сайте Англо-австралийской обсерватории по адресу . Можно также обратиться к книге David Malin, The Invisible Universe (Bulfinch Press, 1999), в которой собрана коллекция прекрасных фотографий из этой обсерватории.

 

Открытые скопления

Открытые скопления (open clusters) содержат от десятков до тысяч звезд, не имеют определенной формы и расположены на диске галактики Млечный Путь. Ширина типичного звездного скопления — 30 световых лет. В отличие от шаровых скоплений, у них нет высокой концентрации звезд по направлению к центру (если такая концентрация есть вообще) и обычно они намного моложе. Это прекрасные объекты для наблюдения в малые телескопы и бинокли, и некоторые из них можно увидеть невооруженным глазом.

 Рассмотрим самые знаменитые и легко видимые открытые скопления в Северном полушарии.

 Плеяды, расположенные в северо-западной части созвездия Тельца.

Если на Плеяды, известные также как Семь Сестер, смотреть невооруженным глазом, то они похожи на крошечный ковшик. Вы можете оценить остроту своего зрения по тому, сколько звезд сумеете сосчитать в Плеядах. Заметим, что это 45-й объект каталога Мессье, М45 (о каталоге Мессье говорилось и в главе 1). Затем посмотрите на Плеяды в бинокль и снова посчитайте количество звезд, которые вы видите. Самая яркая звезда в созвездии Плеяд — Эта Тельца (η Тельца) 3-й звездной величины, известная также под именем Альциона. (Если вы забыли, что такое звездная величина, обратитесь к главе 1.)

 Гиады, также расположенные в созвездии Тельца.

Это также прекрасный объект для наблюдения невооруженным глазом. В него входит большинство звезд, составляющих букву "V" в голове Тельца. Вы не пропустите это скопление, потому что в букву "V" входит яркая красная звезда (красный гигант) Альдебаран, или Альфа Тельца 1-й звездной величины (рис. 12.2). На самом деле Альдебаран не находится в Гиадах, он далеко за их пределами, но наблюдателю с Земли кажется, что он входит в это звездное скопление.

Рис. 12.2. В созвездии Тельца есть яркая звезда (красный гигант) Альдебаран

Гиады выглядят намного больше Плеяд, потому что от Земли до них только около 150 световых лет, а не 400 световых лет, как до Плеяд.

 Двойное Скопление в созвездии Персея.

Двойное Скопление прекрасно выглядит в бинокль и особенно в малый телескоп. Это два звездных скопления под номерами NGC 869 и NGC 884, каждое из которых, видимо, находится на расстоянии свыше 7000 световых лет от Земли. NGC расшифровывается как New General Catalogue (Новый общий каталог), который впервые появился в 1888 году.

 Улей (Beehive) в созвездии Рака.

Улей (М44, т. е. 44-й объект по каталогу Мессье) — это самый привлекательный объект в созвездии Рака, которое состоит из тусклых звезд. Если смотреть невооруженным глазом, то это скопление выглядит как красивое размытое пятно, а если в бинокль — то как бесчисленный рой звезд.

А теперь перечислим самые красивые открытые скопления, видимые в Южном полушарии.

 NGC 6231 в созвездии Скорпиона.

NGC 6231 — это "южный" объект, но летними вечерами он виден в большей части Северного полушария. Нужно только находиться в темном месте, вдали от городских огней, там, где южную часть неба ничто не заслоняет.

 Шкатулка Драгоценностей (Jewel Box) в созвездии Южного Креста.

В скопление Шкатулка Драгоценностей входит яркая звезда Каппа Креста (κ Креста). Южный Крест — неизменный любимец наблюдателей из Южного полушария. Если будете совершать круиз по южным морям, постарайтесь настоять на том, чтобы на борту находился лектор по астрономии. Он с радостью покажет вам Южный Крест. А с помощью бинокля вы сможете насладиться прекрасным видом Шкатулки Драгоценностей.

 

Шаровые скопления

Шаровые скопления (globular clusters) — это "дома для престарелых" галактики Млечный Путь. Они почти так же стары, как сама галактика (некоторые специалисты полагают, что это были первые сформировавшиеся объекты галактики Млечный Путь), состоят из очень старых звезд, среди которых много красных гигантов и белых карликов (см. главу 11). Звезды, которые можно увидеть в шаровом скоплении в телескоп, — это, в основном, красные гиганты. В больший телескоп можно уже наблюдать оранжевых и красных карликов главной последовательности. И только с помощью космического телескопа "Хаббл" и других очень мощных инструментов можно различить большее количество более тусклых белых карликов.

Типичное шаровое звездное скопление содержит от сотен тысяч до миллиона и больше звезд, и все они "упакованы" в шаре (отсюда название "шаровое") диаметром 60-100 световых лет. И чем ближе к центру, тем более плотно упакованы звезды (рис. 12.3). Таким образом, шаровое скопление отличается от открытого высокой концентрацией и большим количеством звезд.

Рис. 12.3. Шаровое скопление G1 в галактике Андромеды

Еще одно важное отличие заключается в том, что открытые скопления распределены по галактическому диску, т. е. практически лежат в плоскости, а шаровые скопления находятся в центре Млечного Пути и заполняют сферу, т. е. множество звезд находятся высоко над галактической плоскостью и глубоко под ней. Концентрация этих скоплений тоже возрастает по мере приближения к центру, но многие шаровые скопления, которые легче всего увидеть, находятся значительно выше галактической плоскости или ниже нее.

 Вот самые лучшие шаровые скопления для наблюдения в Северном полушарии:

 Мессье 13 (M13) в созвездии Геркулеса;

 Мессье 15 (M15) в созвездии Пегаса.

И М13, и М15 можно увидеть невооруженным глазом, если небо достаточно темное, но необходимо проверить себя с помощью бинокля или малого телескопа; тогда эти скопления будут видны как размытые пятна, по размеру больше звезд. Чтобы найти эти объекты в небе, используйте звездные диаграммы или атласы (например, Звездный атлас Нортона).

Наблюдатели из Северного полушария обманывались относительно самых лучших шаровых звездных скоплений, потому что, без сомнения, два самых крупных и ярких из них находятся в южном небе:

 Омега Центавра в созвездии Центавра;

 47 Тукана в созвездии Тукана.

Если смотреть на эти скопления в бинокль, то перед вами предстанет эффектное зрелище. Возможно, ради этого стоит даже совершить путешествие в Южную Америку, Южную Африку, Австралию или другие места Южного полушария, откуда они видны.

 

ОВ-ассоциации

ОВ-ассоциации (OB associations) — это неплотные группировки десятков звезд спектрального типа О и В, а иногда и более тусклых, холодных звезд (более подробно о спектральных типах говорилось в главе 11). В отличие от открытых и шаровых скоплений, силы гравитации не удерживают вместе эти ассоциации. Со временем находящиеся в них звезды удаляются одна от другой и ассоциации рассеиваются. ОВ-ассоциации расположены рядом с галактической плоскостью.

Многие из ярких молодых звезд в созвездии Ориона (оно находится совсем рядом с галактической плоскостью в юго-западном направлении) — члены ОВ-ассоциации этого созвездия.

 

Туманность — это газо-пылевое облако в космическом пространстве. (Пыль — это микроскопические твердые частицы силикатов, углерода, льда или разнообразных сочетаний этих веществ.) Как я уже говорил в главе 11, одни туманности играют важную роль в процессе формирования звезд, а другие сами остались "продуктом жизнедеятельности" умирающих звезд. Существует несколько разновидностей туманностей, в зависимости от этапа их жизненного цикла.

 Зоны Н II (Н II regions) — это туманности, в которых водород находится в ионизированном состоянии, т. е. потерял свой электрон. (У атома водорода один протон и один электрон.) Газ в зоне Н II горячий, ионизированный и светящийся от ультрафиолетового излучения, исходящего от находящихся поблизости звезд спектрального типа О или В. Все крупные и яркие туманности, которые можно увидеть в бинокль, — это зоны Н II, т. е. ионизированного водорода.

 Темные туманности (dark nebulae) — это плотные и непрозрачные газопылевые облака, которые не светятся. Водород в них находится в нейтральном состоянии, т. е. он не потерял свой электрон. Зона H I — это туманность, водород в которой находится в нейтральном состоянии; т. е. это просто другое название темных туманностей.

#i_012.jpg  Отражающие туманности (reflection nebulae) состоят из пыли и холодного нейтрального водорода. Они светятся отраженным светом соседних звезд. А если бы этих звезд поблизости не оказалось, то данные объекты были бы темными туманностями.

 Гигантские молекулярные облака (giant molecular clouds) — это самые крупные объекты Млечного Пути. Но они темные и холодные, и мы даже не знали бы о их существовании, если бы не данные, полученные с помощью радиотелескопов, которые могут обнаруживать излучения слабых радиоволн от молекул, таких как окись углерода (СО). Как и все остальные туманности, гигантские молекулярные облака, в основном, состоят из водорода, но часто их изучают с помощью компонентов, содержащихся в очень малых количествах, таких как СО. Водород в этих гигантских облаках находится в молекулярной форме (и обозначается Н2), т. е. каждая его молекула содержит два нейтральных атома водорода.

 Одно из самых поразительных открытий последних десятилетий в изучении туманностей состояло в том, что яркие зоны Н II, такие как туманность Ориона, — это только маленькие горячие участки на окраинах гигантских молекулярных облаков. На протяжении столетий люди смотрели на туманность Ориона и даже не представляли, что это — не более чем яркий "пупырышек" на огромном невидимом объекте, молекулярном облаке Ориона. Но теперь мы это знаем. Новые звезды рождаются в молекулярных облаках, и когда они становятся достаточно горячими, ионизируют окружающее пространство вокруг себя, превращая его в зону Н II. Если в молекулярном облаке пылевой слой достаточно толстый для того, чтобы преградить путь свету многих или большинства звезд, расположенных за этим облаком (с точки зрения наблюдателя на Земле), то эта часть молекулярного облака называется темной туманностью.

 Планетарная туманность (planetary nebulae), как уже упоминалось в главе 11, — это атмосфера старой звезды типа Солнца, которая в предсмертной агонии сбросила свои внешние слои. Более подробно о планетарных туманностях мы поговорим в следующем разделе.

 Остатки сверхновой (supernova remnants) — это туманность, образованная из вещества, извергнутого при взрыве массивной звезды (об этом я тоже говорил в главе 11). Более подробно о сверхновых речь пойдет дальше в этой главе.

Зоны Н II, темные туманности, гигантские молекулярные облака и многие отражающие туманности расположены на галактическом диске Млечного Пути или рядом с ним.

 

Планетарная туманность

Итак, планетарная туманность — это атмосфера старой звезды типа Солнца, которая затем сбросила свои внешние атмосферные слои. Такая туманность ионизирована и светится ультрафиолетовым светом, исходящим от расположенной в ее центре маленькой горячей звезды, т. е. того, что осталось от прежнего "солнца". Эти туманности распространяются в космос и, по мере такого расширения, угасают.

На протяжении десятилетий астрономы считали, что многие или большинство планетарных туманностей имеют приблизительно сферическую форму. Но теперь известно, что большинство их них биполярны, т. е. они состоят из двух круглых долей, выступающих с противоположных сторон от центральной звезды. Некоторые планетарные туманности, которые выглядят сферическими, как, например, Кольцевая туманность (Ring Nebula) из созвездия Лиры (рис. 12.4), на самом деле тоже биполярные. Дело в том, что ось, проходящая через центры этих долей, направлена на Землю, поэтому они и кажутся сферическими, — как гантель, если смотреть на нее с торца. Но, чтобы понять это, астрономам понадобилось много лет. Заметим, что, в отличие от зон Н II, планетарные туманности могут находиться достаточно далеко от галактической плоскости.

Рис. 12.4. Кольцевая туманность в созвездии Лиры

Фотография любезно предоставлена NASA

Галактика-неудачник

В 1950-е годы термином "туманность" называли также галактики, поскольку до 1920-х годов считалось, что галактики за пределами Млечного Пути — это туманности Млечного Пути. Астрономы верили в существование только одной галактики, в которой находится планета Земля, т. е. Млечного Пути.

Потребовалось несколько десятков лет, чтобы в астрономическом языке отразилось изменение понятий и представлений. Авторы астрономических книг совсем недавно перестали называть галактику Андромеды привычным именем — "Туманность Андромеды".

Эдвин П. Хаббл (Edwin P. Hubble), в честь которого назван знаменитый космический телескоп, написал замечательную книгу The Realm of the Nebulae. Она полностью посвящена галактикам, а не туманностям (в том смысле, в каком мы используем этот термин сегодня). Наряду со многими достижениями, Э. Хаббл доказал, что туманность Андромеды — это галактика, полная звезд, а не большое газовое облако. Бывший боксер, он воевал в Первую мировую, курил трубку и, говорят, был груб с другими астрономами обсерватории Маунт-Вилсон. Но его исследования действительно внесли большой вклад в науку.

Любопытная деталь: существуют также протопланетарные туманности (protoplanetary nebulae), в значительной степени изученные астрофизиками. Один тип протопланетарной туманности представляет собой начальный жизненный этап планетарной туманности, т. е. определенную стадию умирания звезды. Другой тип — это порождающее облако системы, состоящей из звезды и ее планет. Конечно, со стороны астрономов не слишком остроумно использовать один и тот же термин для обозначения двух совершенно разных видов объектов, но увы, нет совершенства в этом мире. Видимо, нужен другой Эдвин Хаббл, который бы заставил нас выработать более правильную терминологию.

 

Остатки сверхновой

Остатки сверхновой на начальном этапе представляют собой вещество, извергнутое при взрыве массивной звезды. Молодые остатки сверхновой состоят почти исключительно из осколков взорвавшейся звезды. Но по мере продвижения по межзвездному пространству газ начинает собирать все на своем пути, как снежный ком. И к тому времени, когда остатки сверхновой станут старыми, т. е. спустя десятки тысяч лет, туманность будет до краев заполнена этим собранным по пути межзвездным газом, и сами осколки взорвавшейся звезды будут составлять незначительную долю общей массы.

Остатки сверхновых обнаружены в галактической плоскости Млечного Пути или рядом с ней.

 

Туманности, которые стоит наблюдать

 Ниже перечислены некоторые из самых лучших и ярких (или, наоборот, самых темных, для темных туманностей) и красивых туманностей, которые видны в северных широтах, а также некоторые объекты, которые ненамного южнее небесного экватора.

 Туманность Ориона (Orion Nebula), М42, в созвездии Ориона.

Зону Н II, туманность Ориона, очень легко увидеть невооруженным глазом. Эта туманность кажется размытым пятном в Мече Ориона. Она прекрасно выглядит в бинокль и очень эффектно — в малый телескоп. В телескоп также видна Трапеция (Trapezium), яркая четверная звезда (см. главу 11) в этой туманности.

 Кольцевая туманность (Ring Nebula), М57, в созвездии Лиры.

Кольцевая туманность — это планетарная туманность, которая летними ночами видна высоко в небе северных умеренных широт. Чтобы найти в небе эту туманность и разглядеть ее в телескоп (как и все планетарные туманности), вам понадобится звездная диаграмма. Но, конечно, если у вас телескоп с компьютерным управлением, такой как Meade ЕТХ-90/ЕС (см. главу 3), который по команде будет направлен прямо на нужную туманность, то никакие диаграммы вам ни к чему.

 Туманность Гантель (Dumbbell Nebula), М27, в созвездии Лисички.

Туманность Гантель и Кольцевая туманность относятся к планетарным туманностям, которые легче всего обнаружить в малый телескоп. Они удачно расположены в небе летом и осенью.

 Крабовидная туманность (Crab Nebula), M1, в созвездии Тельца.

Крабовидная туманность— это остаток сверхновой, взорвавшейся в 1054 году (с точки зрения наблюдателя на Земле). Если смотреть на эту туманность в малый телескоп, то вы увидите еще одно размытое пятно, но в большой телескоп видны две звезды рядом с центром туманности. Одна из них никак не связана с Крабовидной туманностью, а просто находится на одной линии прямой видимости. Другая звезда — пульсар, оставшийся после взрыва сверхновой. Это звезда с пульсирующим излучением, вращающаяся со скоростью 30 оборотов в секунду.

 Североамериканская туманность (North American Nebula), NGC 7000, в созвездии Лебедя.

Североамериканская туманность — это тусклая, но большая зона Н II, которую внимательный наблюдатель увидит темной летней ночью невооруженным глазом. Чтобы легче обнаружить эту туманность, используйте боковое зрение — смотрите уголком глаза. Название туманность получила благодаря своей форме.

 Северный Угольный Мешок (Northern Coal Sack) в созвездии Лебедя.

Северный Угольный Мешок — это темная туманность недалеко от Денеба, Альфы Лебедя, самой яркой звезды созвездия Лебедя. Ее легко обнаружить невооруженным глазом; это темное пятно на более светлом фоне Млечного Пути.

А теперь перечислим туманности умеренных южных широт, которые, тем не менее, видны на большей территории и Южного, и Северного полушарий и заслуживают внимания.

 Туманность Лагуна (Lagoon Nebula), М8, в созвездии Стрельца.

 Трехраздельная туманность, М20, в созвездии Стрельца.

Обе эти туманности — большие и яркие зоны Н II, которые можно одновременно увидеть в бинокль. Летними ночами их положение в небе очень удобно для наблюдения. На цветной фотографии видно, что у Трехраздельной туманности есть яркая красная область и отдельная, более тусклая, голубая область. Красная область — это зона Н II, а голубая — отражающая туманность.

К самым знаменитым туманностям высоких широт Южного полушария относятся следующие.

 Туманность Тарантул (Tarantula Nebula) в созвездии Золотой Рыбы.

Туманность Тарантул вообще находится не в Млечном Пути, а в галактике Большое Магелланово Облако. Но это такая большая и яркая зона Н II, что ее можно увидеть невооруженным глазом в умеренных и высоких южных широтах. Туманность Тарантул — еще один интересный объект для наблюдения во время круиза по южным морям. Поверьте мне — вы не пожалеете.

 Туманность Киля (Carina Nebula) в созвездии Киля.

Туманность Киля, расположенная в районе огромной нестабильной звезды Эты Киля (см. главу 11) — это большая и яркая зона Н II.

 Туманность Угольный Мешок в созвездии Креста.

Темная туманность Угольный Мешок — это большое черное пятно в Млечном Пути, в созвездии Креста. Вы не пропустите его, если ясной темной ночью будете смотреть на небо высоких широт Южного полушария.

 Туманность Восьми Вспышек (Eight-Burst Nebula), NGC 3132, в созвездии Парусов.

Это планетарная туманность, которую можно увидеть в небе высоких южных широт.

 

Большая галактика содержит тысячи звездных скоплений и от миллиардов до триллионов отдельных звезд, удерживаемых вместе силами гравитации. Существуют галактики разнообразных форм и размеров. В 1920-х годах астроном Эдвин Хаббл разделил их на четыре основные группы: эллиптические (Е), спиральные (S), пересеченные спиральные, или линейно-спиральные (SB), и неправильные (Irr) (рис. 12.5).

Рис. 12.5. Различные типы галактик

Основными типами галактик (в зависимости от формы и размера) являются:

 спиральные;

 пересеченные спиральные;

 линзообразные;

 эллиптические;

 неправильные;

 карликовые;

 низкой поверхностной яркости.

 

Спиральные, пересеченные спиральные и линзообразные галактики

Спиральные галактики (spiral galaxies) имеют форму диска и спиральные рукава, изогнутые по этому диску. Эти галактики похожи на Млечный Путь, но их спиральные рукава могут быть свиты более или менее туго, чем рукава нашей галактики. И полная звезд центральная выпуклость спиральной галактики может быть более или менее рельефной, по сравнению с рукавами.

Спиральные галактики отличаются большим количеством межзвездного газа, туманностей, ОВ-ассоциаций, открытых и шаровых скоплений.

Пересеченные спиральные галактики (barred spiral galaxies) — это спиральные галактики, в которых рукава кажутся выходящими не из галактического центра, а из концов звездного облака, напоминающего по форме линию или эллипс и накрывающего центр. Это звездное облако называется поперечиной (bar). Газ из внешних областей галактики иногда проходит к центру через эту поперечину. За счет этого формируются новые звезды, составляющие центральную галактическую выпуклость, т. е. галактика становится еще более выпуклой в центре.

Линзообразные галактики (lenticular galaxies) — это плоские системы с галактическими дисками, как у спиральных галактик, но только без рукавов. Они состоят из газа и пыли. Их обозначение — SO.

 

Эллиптические галактики

Эллиптические галактики (elliptical galaxies) имеют форму эллипса. Причем это определение охватывает как эллипсоидные, так и сферические по форме галактики. Это великолепное зрелище, от которого я получил море удовольствия. Такие галактики содержат множество старых звезд и шаровых звездных скоплений, но мало чего помимо этого.

Эллиптические галактики — это системы, в которых формирование звезд в основном или полностью прекратилось. Здесь нет зон Н II, молодых звездных скоплений или ОВ-ассоциаций. Представьте, каково жить в одной из таких тусклых галактик, где нет ничего похожего на Туманность Ориона, которой можно было бы порадоваться, и ничто не дает рождения новым звездам. И, наверное, по телевизору тоже нечего смотреть.

Возможно, процесс образования новых звезд в эллиптической галактике прекратился, потому что использован весь имевшийся для этого газ. Или потому, что нечто развеяло или унесло весь оставшийся газ, пригодный для формирования новорожденных звезд. Я делаю такое предположение потому, что в некоторых эллиптических галактиках, хотя и не имеющих зон Н II или групп молодых звезд вообще, есть некоторое количество газа, но слой его так тонок и он настолько горяч, что излучает только в рентгеновском диапазоне. Подобному газу не так-то легко сжаться и превратиться в звезды. И, по правде говоря, в некоторых эллиптических галактиках есть ряд голубоватых звездных скоплений, которые, похоже, относятся к очень молодым шаровым звездным скоплениям, значительно моложе каких-либо других в Млечном Пути.

 Основная на сегодня теория об эллиптических галактиках, или по меньшей мере о некоторых из них, говорит о том, что они сформировались в результате столкновения и слияния меньших галактик. Например, столкновение двух спиральных галактик может породить большую эллиптическую галактику, и образовавшиеся ударные волны могут сжать большие молекулярные облака в спирали, порождая огромные скопления горячих молодых звезд, возможно, те самые голубоватые звездные скопления, которые обнаруживают в некоторых эллиптических галактиках. Но столкновение малой галактики с большой спиральной может просто привести к тому, что вторая поглотит первую. И тогда выпуклость в центре спиральной галактики еще больше увеличится.

Астрономы, изучающие космос, видят много примеров сталкивающихся и сливающихся галактик; причем чем дальше мы заглядываем, тем больше таких примеров наблюдаем. Очевидно, что столкновение галактик было распространенным явлением на ранних этапах развития Вселенной, и это внесло вклад в формирование многих галактик, которые мы видим сегодня.

Галактика — это галактика

Слово "галактика" приходится повторять слишком часто, но, увы, у него нет других синонимов. Некоторые несведущие люди пишут "звездные скопления", чтобы как-то разнообразить свой текст, но это совершенно неправильно. И большая группа галактик — это не "галактическое скопление"; этот термин обозначает открытое звездное скопление внутри галактики. А большая группа галактик — это скопление галактик (cluster of galaxies).

 

Галактики неправильные, карликовые и низкой поверхностной яркости

У неправильных галактик (irregular galaxies), как правило, очень неправильная форма. Возможно, в какой-то из них вы обнаружите намек на небольшую спиральную структуру, а может, и нет. Обычно в них много межзвездного газа и новые (т. е. новорожденные) звезды формируются постоянно. Обычно неправильные галактики меньше спиральных и эллиптических галактик, в которых звезд гораздо меньше.

 Карликовые галактики (dwarf galaxies) полностью соответствуют своему названию — это крошечные галактики, имеющие всего несколько тысяч световых лет в поперечнике или даже меньше. Они подразделяются на подтипы: карликовые эллиптические (dwarf elliptical), карликовые сфероидальные (dwarf spheroidal), карликовые неправильные (dwarf irregular) и, видимо, карликовые спиральные (dwarf spiral), хотя это спорный вопрос.

В нашей родной Местной Группе Галактик (более подробно о ней мы поговорим в следующем разделе), как и в Млечном Пути, самыми распространенными являются карликовые галактики, а самыми распространенными звездами — наименьшие звезды, т. е. красные карлики. Вероятно, это справедливо и для дальнего космоса, но утверждать это трудно, потому что карликовые галактики гораздо труднее увидеть и сосчитать на больших расстояниях, чем галактики нормального размера.

 Галактики низкой поверхностной яркости (low surface brightness galaxies) были признаны важным классом объектов в 1990-е годы. Они могут быть такими же крупными, как большинство других галактик, но почти не светятся. Хотя они полны газа, звезд в них образуется мало, поэтому их свет неярок. Астрономы не замечали их в течение многих десятилетий и только сейчас начинают находить их с помощью современных цифровых фотоаппаратов. Это не слишком подходящие объекты для наблюдения в домашний телескоп, но я решил, что вы должны знать о них. Кто знает, что еще находится рядом с нами, чего мы пока не обнаружили?

Некоторые астрофизики думают, что значительную часть массы Вселенной составляют галактики низкой поверхностной яркости, которых пока еще просто не подсчитали должным образом.

 

Знаменитые галактики

Перечислим самые лучшие галактики для наблюдения в Северном полушарии.

 Галактика Андромеды (М31) в созвездии Андромеды, названном в честь эфиопской царевны из греческой мифологии (эта галактика показана на рис. 12.6).

Рис. 12.6. Галактика Андромеды

Галактику Андромеды также называют Великой спиральной галактикой Андромеды, и в течение долгого времени она носила название Великой спиральной туманности Андромеды. Это еще одно размытое пятно, видимое невооруженным глазом; его можно увидеть в небе Северного полушария осенними ночами. Если небо в месте наблюдения будет достаточно темным, то в бинокль можно проследить эту галактику размером в три градуса на небе, что примерно в 6 раз больше диаметра полной Луны. Но не пытайтесь разглядеть галактику Андромеды в полнолуние, подождите, пока Луна не станет узким серпом, или, еще лучше, скроется под горизонтом. Чем темнее ночь, тем большую часть галактики Андромеды вы увидите.

 Галактики NGC 205 и М32 в созвездии Андромеды.

NGC 205 и M32 — это небольшие эллиптические галактики по соседству с галактикой Андромеды. Одни специалисты называют их обеих карликовыми эллиптическими галактиками, а другие — нет. (Было бы неплохо, чтобы они пришли к общему мнению.) М32 — сфероидальная по форме, a NGC 205 — эллипсоидальная.

 Галактика Треугольник (Triangulum), МЗЗ, в созвездии Треугольника.

Треугольник — это еще одна большая и яркая соседняя спиральная галактика, чуть меньшая и чуть более тусклая, чем галактика Андромеды. Она тоже прекрасно выглядит в бинокль темными осенними ночами.

 Галактика Водоворот (Whirlpool Galaxy), М51, в созвездии Гончих Псов.

Галактика Водоворот более далекая и тусклая, чем галактики Андромеды и Треугольника, но это восхитительное зрелище в высококачественный малый телескоп. Это спиральная галактика, галактический диск которой находится практически под прямым углом к нашей линии зрения с Земли. Мы смотрим на нее прямо сверху (или снизу). Если у вас будет возможность воспользоваться большим телескопом, то вы сможете разглядеть ее спиральную структуру с расстояния около 15 миллионов световых лет. Именно у объекта М51 ученые открыли спиральную галактическую структуру, причем задолго до того, как мы узнали, что эти "туманности" — на самом деле галактики. Ищите эту галактику в небе весенними ночами.

 Галактика Сомбреро (Sombrero Galaxy), M104, в созвездии Девы.

Галактика Сомбреро — это яркая спиральная галактика, которую мы видим сбоку. "Поля шляпы" — это галактический диск, а темная полоса на поле видна потому, что мы смотрим прямо на темную туманность, расположенную на галактическом диске. Попробуйте наблюдать эту туманность также весной; она почти в три раза дальше, чем галактика Водоворот, но, тем не менее, прекрасно выглядит в телескоп.

А теперь перечислим самые эффектные галактики для наблюдения в Южном полушарии.

 Большое и Малое Магеллановы Облака (Large, Small Magellanic Clouds — LMC, SMC) — это неправильные галактики, спутники Млечного Пути. Большое Магелланово Облако не только больше по размеру, но и ближе к Земле. От нас до него всего лишь 169 тысяч световых лет (или чуть больше, или чуть меньше). На самом деле долгие годы считалось, что Большое Магелланово Облако — это ближайшая галактика к Млечному Пути. Но сегодня ученым известно, что тусклое и жалкое подобие галактики под названием Карликовая галактика Стрельца (Sagittarius Dwarf Galaxy) еще ближе к нам. Но эту галактику еле-еле можно различить на фотографиях, сделанных с помощью телескопа, потому что ее постепенно поглощает Млечный Путь. Так что прощай, галактика Стрельца, мы даже не успели как следует с тобой познакомиться!

Большое и Малое Магеллановы Облака действительно похожи на облака в ночном небе. Они большие и яркие и расположены рядом с небесным полюсом, если смотреть с большей части территории Южного полушария. Другими словами, в высоких южных широтах они никогда не садятся за горизонт. Поэтому, если отправиться, например, в южную часть Южной Америки, то можно наслаждаться зрелищем Большого и Малого Магеллановых Облаков каждой ясной ночью. Изучите их в бинокль и постарайтесь определить, сколько в них звездных скоплений и туманностей.

 Галактика Скульптор (Sculpter Galaxy), NGC 253, — это большая и яркая спиральная галактика.

 Галактика Центавр A (Centaurus A), NGC5128, — это гигантская галактика, имеющая необычный внешний вид. Она сфероидальная, но через ее центр проходит толстая полоса темной пыли. Здесь находится мощный источник радиоволн, принимаемых радиотелескопами. Теоретики размышляли о том, не видят ли они перед собой пример сталкивающихся галактик. Я думаю, что, вероятно, эта галактика в свое время поглотила одну-две мелкие галактики, так что советую вам наблюдать ее с безопасного расстояния.

 

Местная Группа Галактик (Local Group of Galaxies), которую для краткости именуют просто Местной Группой, состоит из двух больших спиральных (Млечный Путь и галактика Андромеды) и меньшей спиральной галактики (галактика Треугольник), галактик-спутников (включая Большое и Малое Магеллановы Облака, а также галактики М32 и NGC 205) и около двух десятков карликовых галактик.

Местная Группа Галактик не так велика, как другие скопления галактик, но это наш дом. Это самая крупная структура, с которой наша Земля связана гравитационными силами. Это означает, что в процессе расширения Вселенной Земля не улетит от Местной Группы. Так же как Солнечная система не становится больше — потому что гравитация Солнца не позволяет планетам удаляться или вообще улететь, — все объекты Местной Группы удерживаются вместе гравитацией трех спиральных галактик и более мелких объектов. Но все остальные группы и скопления галактик, а также далекие отдельные галактики Вселенной, которые находятся вне воздействия гравитации Местной Группы, удаляются от Местной Группы со скоростью, определяемой законом Хаббла. Более подробно об этом удалении говорится в главе 16.

Размер Местной Группы — примерно один мегапарсек в ширину. Ее центр находится возле Млечного Пути. Парсек (parsek) — это единица измерения расстояния в космосе, равная 3,26 световых года. А приставка мега означает "миллион". Таким образом, ширина Местной Группы — примерно 3,26 миллиона световых лет. Но если вам кажется, что это очень много, замечу, что это лишь крохотная часть по сравнению с размерами остальной обозримой Вселенной за пределами Местной Группы.

Скопления и сверхскопления галактик намного больше Местной Группы и их легко обнаружить в космосе на расстоянии миллиардов световых лет от нас. Но большинство галактик во Вселенной, по меньшей мере из тех, которые легко увидеть, входят в небольшие группы, насчитывающие только десятки членов (или даже меньше), как и Местная Группа (в которой около 30 объектов). Так что, похоже, мы находимся в "средних" условиях.

 

Скопления галактик

Большинство галактик входят в небольшие группы, такие как Местная Группа, но когда астрономы наблюдают далекий космос в профессиональные телескопы обсерваторий, на общем фоне резко выделяются скопления галактик. Самые заметные так называемые богатые скопления (rich clusters), в которые входят сотни и даже тысячи галактик, каждая с собственным "комплектом" из миллиардов звезд.

Ближайшее к нам большое скопление галактик — это Скопление Девы, простирающееся через одноименное и соседние созвездия. Это скопление находится на расстоянии около 50 миллионов световых лет и содержит сотни известных галактик.

Некоторые из самых больших и ярких галактик, входящих в состав Скопления Девы, вы можете наблюдать в свой собственный телескоп. М87 (т. е. 87-й объект по каталогу Мессье) — это одно из красивейших зрелищ. Это гигантская эллиптическая галактика сфероидальной формы, в центре которой рядом со сверхмассивной черной дырой происходит мощный выброс вещества. М87 можно увидеть в любительский телескоп, но разглядеть выброс вещества в ее центре вам вряд ли удастся, если вы еще не приобрели достаточного опыта. Похоже, эта галактика поглотила несколько мелких галактик. Возможно, поэтому она такая большая. Наверное, сначала она была небольшой, а затем увеличилась за счет поглощения других малых галактик. М49 и М84 — это еще две гигантские эллиптические галактики Скопления Девы, которые вы можете увидеть, a M100 — большая спиральная галактика в этом скоплении.

Вопрос о количестве существующих скоплений галактик упирается в возможности телескопов. В настоящее время современная аппаратура позволяет сделать следующую оценку: в обозримой Вселенной существует около 150 миллиардов галактик, хотя их никто не считал.

 

Сверхскопления, Великие Стены и космические пустоты

Вы, наверное, думаете, что огромные скопления галактик, размером до 3 миллионов световых лет в поперечнике, — это самые крупные структурные единицы Вселенной. Но исследования дальнего космоса показывают, что большинство или даже все скопления галактик сами группируются в еще более крупные структуры — сверхскопления (superclusters). Они не удерживаются вместе силами гравитации, но и не распадаются. Похоже, они имеют нитевидную и в то же время плоскую форму. Сверхскопление может содержать десятки или сотни скоплений галактик и иметь размер 100–200 миллионов световых лет в длину.

Мы находимся в окраинной части Местного Сверхскопления (Local Supercluster), который иногда называют также Сверхскоплением Девы (Virgo Supercluster), потому что его центр находится рядом со Скоплением галактик Девы.

Похоже, сверхскопления расположены по краям огромных пустых районов Вселенной, называемых космическими пустотами (cosmic voids). Ближайшая из них, Пустота Волопаса (Bootes Void), имеет примерно 3 миллиона световых лет в поперечнике. Большинство галактик расположено по ее контуру, и только очень немногие, главным образом мелкие, находятся внутри нее. Пустоту Волопаса открыл астроном Роберт Киршнер.

Некоторые из самых больших сверхскоплений, или группы сверхскоплений, называются Великими Стенами (Great Walls). Первая открытая такая структура имеет около 750 миллионов световых лет в длину. Но, возможно, другие Великие Стены, находящиеся в далеких глубинах Вселенной, еще больше. Насколько известно астрономам, на Великих Стенах нет никаких Великих Надписей. Но если мы поймем их язык, они смогут многое рассказать нам о происхождении крупных космических структур и о начальных этапах развития Вселенной.

 

Упасть в черную дыру можно, а вот выбраться из нее — нет, даже если очень сильно захотеть. Вы не успеете даже крикнуть "мама!". Инопланетянину повезло, что он попал на Землю, а не в черную дыру, потому что он хотя бы мог позвать на помощь.

Черная дыра (black hole) — это космический объект, имеющий настолько мощную гравитацию, что из него не могут вырваться даже световые лучи; именно поэтому черные дыры невидимые.

 Любому объекту, попавшему в черную дыру, нужно больше энергии, чем у него было когда-либо, чтобы вырваться из этой дыры. Формальное название этой "энергии" — скорость убегания (escape velocity). Ракетостроители под термином "скорость убегания" понимают скорость, с которой должна двигаться ракета или любой другой объект, чтобы преодолеть земное притяжение и выйти в межпланетное пространство. Аналогично этот термин применяется к любому объекту во Вселенной (т. е. как скорость преодоления притяжения какого-либо космического объекта).

На Земле скорость убегания (или вторая космическая скорость) равна 11 км/с. Для объектов с более слабой гравитацией нужна меньшая скорость убегания (например, на Марсе она равна всего 5 км/с), а для объектов с более сильной гравитацией — большая (например, на Юпитере она составляет 61 км/с). Но чемпионом Вселенной по скорости убегания всегда будет черная дыра. Ее гравитация настолько велика, что для ее преодоления нужна скорость убегания, превышающая скорость света (т. е. больше 300 000 км/с). Ничто не может вырваться из черной дыры, даже свет (так как никто и ничто, включая свет, не может двигаться быстрее скорости света.)

 

Типы черных дыр

Ученые обнаруживают черные дыры, когда видят, что газ, вращающийся вокруг них, слишком горячий для нормальных условий. Мы замечаем потоки частиц высокой энергии, которые как будто стремятся избежать попадания в черную дыру, а также звезды, летящие по своим орбитам с невероятной скоростью, как будто движимые чрезвычайно мощным притяжением невидимого объекта колоссальной массы (как оно и есть на самом деле).

Как я уже говорил в главе 11, существует два основных типа черных дыр — черные дыры звездной массы, имеющие массу нормальной звезды, и сверхмассивные черные дыры, масса которых может составлять от миллиона до нескольких миллиардов масс Солнца.

Черные дыры промежуточной массы, масса которых составляет 500-1000 масс Солнца, были открыты в 1999 году. Их роль во Вселенной ученые понимают еще хуже, чем черных дыр звездной массы и сверхмассивных черных дыр.

 

Что у черных дыр внутри?

Черная дыра имеет три части:

 "горизонт событий", или внешняя граница черной дыры по периметру;

 сингулярность, т. е. центр дыры, сформированный за счет предельного сжатия всего вещества, находящегося внутри нее, за исключением:

 вещества, падающего с горизонта событий в сингулярность.

В последующих разделах эти части черной дыры мы рассмотрим более подробно.

Горизонт событий

Горизонт событий (event horizon) — это граница черной дыры (рис. 13.1). Если объект попадает внутрь горизонта событий, то он уже никогда не сможет вырваться из черной дыры и снова стать видимым для наблюдателей, находящихся снаружи. Аналогично те, кто попал внутрь горизонта событий, не видят ничего из того, что находится снаружи.

Рис. 13.1. Одна из концепций строения черных дыр. Стрелками обозначено обреченное вещество, падающее внутрь

Размер горизонта событий пропорционален массе черной дыры. Например, если удвоить массу черной дыры, то ее горизонт событий станет в два раза шире. Если бы ученые знали способ сжать Землю так, чтобы превратить ее в черную дыру (успокойтесь, мы такого способа не знаем, а если и знали бы, то я вам его не рассказал бы), то ее горизонт событий составил бы всего около 2 см в поперечнике. Основные параметры черных дыр приведены в табл. 13.1.

Масса малых черных дыр, или черных дыр звездной массы, составляет от трех солнечных масс и выше. Масса сверхмассивных черных дыр в сотни тысяч или даже в несколько миллиардов раз превышает массу Солнца. Черные дыры звездной массы появляются в результате смерти больших звезд, как я описывал в главе 11. А сверхмассивные черные дыры, похоже, находятся в центрах галактик и, возможно, образовались за счет слияния множества плотно упакованных звезд примерно в то время, когда происходило формирование галактик. Но наверняка этого не знает никто.

Черных дыр, масса которых меньше трех солнечных, а диаметр — меньше 18 км, пока не обнаружено.

Сингулярность и падающие объекты

Все, что попадает внутрь горизонта событий, движется вниз по направлению к сингулярности. Здесь оно вливается в сингулярность, которая, по мнению ученых, имеет бесконечную плотность. Мы не знаем, какие законы физики действуют в местах такой колоссальной плотности, какая достигается в точке сингулярности или рядом с ней, поэтому не можем описать характеристики данного места. Это буквально "черная дыра" (или белое пятно?) в наших знаниях.

Некоторые математики считают, что в сингулярности находится так называемая червоточина (wormhole), или пространственно-временной туннель, т. е. переход из черной дыры в другую вселенную. Концепция туннеля вдохновила многих писателей и кинорежиссеров на создание множества фантастических произведений на данную тему. Но цель у них одна — заработать деньги, и больше ничего. Большинство специалистов считают, что никаких туннелей-червоточин не существует. Но даже если бы они существовали, мы не знаем способа ни увидеть их внутри черных дыр, ни проникнуть к ним другим путем. Но есть и другая теория, которая заключается в следующем: там, где гипотетическая червоточина соединяется с другой вселенной, существует белая дыра (white hole), т. е. место, где колоссальная энергия выливается из нашей вселенной в другую. Скорее всего, эта теория тоже неверна, но даже если она верна, то мы должны совершить путешествие в другую вселенную, чтобы увидеть эту белую дыру.

О путешествиях в другие вселенные не может быть и речи (по крайней мере, пока). Но, конечно, у нас есть другая возможность: поискать белые дыры в нашей вселенной, где могут возникнуть туннели из других вселенных. Однако ученые пока ничего подобного не обнаружили. Кто-то когда-то предположил, что квазары — это, возможно, червоточины. Но в настоящее время у ученых есть достаточно хорошая теория квазаров (о ней я расскажу в этой главе), никак не связанная с червоточинами.

 

Что находится снаружи черной дыры

В реальных небесных объектах, которых, по мнению ученых, можно считать "кандидатами в черные дыры", обычно происходит следующее.

1. Газообразное вещество, движущееся по направлению к черной дыре, кружится вокруг нее в плоском облаке, называемом аккреционным диском (accretion disk).

2. Чем ближе газ в аккреционном диске подходит к черной дыре, тем плотнее и горячее он становится.

Газ нагревается, поскольку его сжимает гравитация черной дыры; причина в том, что по мере увеличения плотности газа трение возрастает. (Это похоже на принцип работы кондиционеров воздуха и холодильников: когда газ расширяется, он становится холоднее, а когда сжимается, — горячее.)

3. Когда газ приближается к черной дыре и нагревается, он ярко светится. Излучение от аккреционного диска может быть разным, но чаще всего — это рентгеновское излучение. Рентгеновские телескопы, такие как новейшая обсерватория на орбите, CHANDRA, регистрируют эти рентгеновские лучи, что позволяет ученым определить черную дыру.

Так что, хотя мы не видим черную дыру в телескоп непосредственно, мы можем зарегистрировать излучение от аккреционного диска, который вращается вокруг нее, с помощью рентгеновского телескопа, летающего в космосе. Дело в том, что рентгеновские лучи не проходят, слава Богу, через атмосферу Земли, поэтому для их обнаружения астрономы используют телескопы, находящиеся в космосе.

Могут существовать также голые черные дыры, в которые не попадает вращающийся газ. В этом случае астрономы не смогут обнаружить такую дыру, если только она не пройдет прямо перед звездой или галактикой, которую в данный момент наблюдают. Тогда можно предположить, что черная дыра существует, поскольку мы увидим влияние ее гравитации на внешний вид объекта на заднем плане. Но это очень редкое совпадение. Поэтому не очень-то на него рассчитывайте.

 

Искривления пространства и времени

Черную дыру определяют также как место, где структура пространства и времени сильно искривлена. Прямая линия — ее в физике определяют как путь, по которому свет движется в вакууме, — вблизи черной дыры становится кривой. И по мере приближения объекта к черной дыре с самим временем тоже происходят странные вещи, по крайней мере с точки зрения наблюдателя, находящегося на безопасном расстоянии.

Предположим, что, находясь на безопасном расстоянии, вы запустили автоматический космический зонд в черную дыру. На большой электронной панели сбоку от зонда высвечивается время, которое показывают его бортовые часы.

По мере того как зонд движется к черной дыре, вы наблюдаете за этими часами в телескоп. И вот вы видите, что чем ближе зонд подходит к черной дыре, тем все больше и больше отстают часы, замедляется время. На самом деле вы никогда не увидите момент, когда зонд попадет в черную дыру. Вы увидите, что он становится все краснее и краснее, поскольку мощная гравитация черной дыры смещает свет в красную область спектра. Через некоторое время свет от электронной панели будет смещен в инфракрасный диапазон, который ваши глаза уже не воспримут. (Об эффекте Допплера и красном смещении читайте в главе 11.)

А теперь давайте представим, что вы увидели бы, находясь в самом зонде, направляющемся к черной дыре. (Только не пытайтесь это осуществить на самом деле.) Предположим, вы можете наблюдать за часами внутри зонда. И вот вы, несчастный астронавт, видите, что часы идут вполне нормально. И вам вовсе не кажется, что они хоть немного отстают. Когда вы выглядываете в иллюминатор, чтобы посмотреть на космический корабль-носитель и на звезды, то вам кажется, что на все вокруг действует фиолетовое смещение. И вам самому грустно от мысли о том, что вы никогда не вернетесь домой. Вы очень быстро, почти незаметно для себя, пересекаете невидимую границу вокруг черной дыры. Эта граница — горизонт событий; попав внутрь него, вы уже никогда не увидите ничего, что находится снаружи, как и никто снаружи никогда не увидит вас.

Наблюдателям на корабле-носителе будет казаться, что вы никогда не войдете в черную дыру; им кажется, что вы просто подлетаете все ближе и ближе. Но вы, находясь на космическом зонде, можете сказать, что попали прямо в черную дыру. Конечно, если к этому моменту вы еще сможете что-то сказать (т. е. останетесь в живых). В конце концов, все, что попадает в черную дыру, разрывается на части приливными силами, результатом действия мощнейшей гравитации черной дыры. Вы будете разорваны на части, по меньшей мере, в одном измерении. И, что еще хуже, в двух других пространственных измерениях приливные силы безжалостно вас сожмут.

Если вы войдете в черную дыру "вперед ногами", то вас растянет (если еще не разорвало на части), пока вы не станете достаточно высоким, чтобы стать центральным нападающим баскетбольной сборной (шутка). Но от живота до спины и от одного бока до другого вас сожмет так же, как невероятное давление в глубинах Земли сжимает уголь, превращая его в алмаз. И даже сильнее.

Черные дыры малой или звездной массы — самые смертоносные, так же как некоторые маленькие паучки ядовитее больших тарантулов. Если вы движетесь в черную дыру звездной массы, то вас разорвет на части и сожмет еще до того, как вы упадете внутрь, и вам не удастся увидеть исчезающую Вселенную перед тем, как все будет кончено. Попасть в сверхмассивную черную дыру совсем не так страшно. Начав падать внутрь горизонта событий, вы увидите меркнущий свет Вселенной, прежде чем вас накроют приливные силы.

Учитывая, что черные дыры окружают нас во Вселенной со всех сторон, становится понятно, почему ученые стараются обнаружить и изучить их, оставаясь при этом на безопасном расстоянии.

 

Определения квазаров

 Существует по меньшей мере два определения квазаров — первоначальное и современное.

 Первоначальное определение. Квазар (quasar) — это сложносокращенное слово от выражения "квазизвездный источник радиоизлучения". Под этим термином имеется в виду небесный объект, который излучает сильные радиоволны, но в обычный телескоп (работающий в видимом диапазоне) выглядит как звезда (рис. 13.2).

Рис. 13.2. Квазар (ниже и левее центра)

В этом первоначальном определении квазара нет ничего неправильного, за исключением следующего факта. Как оказалось, изо всех объектов, которые мы сегодня называем квазарами, этому определению соответствуют максимум 10 %. А остальные 90 % не излучают сильных радиоволн. Такие объекты астрономы называют радиоспокойными квазарами.

 Современное определение. Квазар — это яркий объект в центре галактики, который производит примерно в 10 триллионов раз больше энергии в секунду, чем наше Солнце, и чье излучение очень изменчиво во всем диапазоне длин волн.

Через несколько десятилетий поисков ответа на вопрос, что же такое квазары, астрономы пришли к выводу, что они являются "полномочными представителями" гигантских черных дыр в центре галактик. Вещество, попадающее в черную дыру, выделяет колоссальную энергию, и именно эти наблюдаемые источники энергии астрономы и называют квазарами.

Все квазары — мощные источники рентгеновского излучения. Примерно 10 % из них излучают сильные радиоволны, и все они излучают в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазоне. Причем эти излучения меняются с течением недель, месяцев, лет, а иногда даже в течение одного дня.

 Тот факт, что блеск квазаров существенно меняется в течение одного дня, дает в руки ученых чрезвычайно важную информацию: это значит, что размер квазара не больше одного светового дня (light-day), т. е. расстояния, которое проходит свет в вакууме за один день. А один световой день — это всего 26 миллиардов километров. Другими словами, квазар, который дает в 10 триллионов раз больше света, чем Солнце, или в 100 раз больше света, чем Млечный Путь, по размерам ненамного больше нашей Солнечной системы, которая составляет крошечную долю галактики.

Если бы размеры квазара намного превышали световой день, то с ним не происходили бы заметные изменения всего за такое короткое время — по аналогии, слон не может хлопать ушами так же быстро, как колибри взмахивает крыльями.

Квазары — это мощные источники радиоволн, в которых часто наблюдаются струйные выбросы частиц (или джеты) (Jets), т. е. длинные узкие лучи, в которых энергия выбрасывается из квазаров в виде скоростных потоков электронов и, вероятно, других быстрых частиц. Как правило, эти выбросы неравномерны; по всей их длине видны выступающие пятна вещества. И иногда кажется, что эти пятна движутся быстрее скорости света. Это движение со сверхсветовой скоростью (superluminal motion) — иллюзия, связанная с тем, что эти потоки в подобных случаях почти в точности направлены на Землю; вещество в них действительно движется со скоростью, близкой к световой, но не быстрее света.

 Во многих книгах говорится, что у квазара очень широкие линии в спектре, соответствующие красному и фиолетовому смещениям газа, движущегося внутри квазара со скоростью до 10 000 км/с. Но это утверждение не всегда верно. Существуют разные типы квазаров, и у некоторых нет широких спектральных линий.

Но широкие спектральные линии — это важная особенность многих квазаров и ключ к разгадке их отношений с другими объектами. (Более подробно об этом я расскажу в следующем разделе.)