Основные вехи астрономической науки

Полное описание такой бескрайней науки, как астрономия, не может найти места в этом повествовании. Но без общих представлений о ней, без самых основных понятий нельзя понять изложение астрономического материала, и это заставляет нас привести здесь некоторые сведения из астрономии. Читатели, знакомые с астрономией, могут эту главу пропустить. А изложение в ней истории развития астрономических идей необходимо для понимания значения и правильной оценки работ Амбарцумяна. Многие из вопросов, затронутых в этой главе, до сих пор являются предметом ожесточённых, непрекращающихся споров между астрономами.

Человечество давно ищет правильное представление о своём месте во Вселенной, и в этом поиске были созданы поразительные гипотезы, концепции и теории, касающиеся происхождения и развития Вселенной. Споры на эту тему доходят до непримиримых научных баталий.

Первый известный звёздный каталог, содержащий положения восьмисот звёзд, был составлен в Китае в IV веке до н. э.

Самые древние археологические данные — это астрономические сюжеты, обнаруженные на надгробиях в Египте. Они датируются 2000 годом до н. э. Древнейшей обсерватории Стоунхендж в Англии, состоящей из гигантских, специально установленных камней, в частности, для определения момента солнцестояния, — четыре тысячи лет. Самая ранняя гипотеза, не утратившая своего значения в научной космогонии, наверное, принадлежит Пифагору (580–500 годы до н. э.), который учил, что Земля имеет форму шара и вращается вокруг своей оси. Идеи Пифагора радикально расходились с господствующим тогда представлением о том, что Земля — плоская. Пифагор внёс в космологию мысль о том, что движение небесных тел подчиняется определённым количественным законам. Он считал, что все тела, в том числе и Земля, вращаются вокруг гипотетического центрального огня (не Солнца) по концентрическим сферам.

Вызывает удивление, как ещё во II веке до н. э. древнегреческий астроном Гиппарх с острова Родос составил звёздный каталог из 1022 звёзд, отличающийся высокой точностью координат. В 134 году до н. э. он был настолько поражён появлением новой звезды в созвездии Скорпиона, что составил свой каталог для того, чтобы будущие астрономы могли следить за появлением новых и исчезновением старых звёзд. Сравнивая долготы звёзд этого каталога с долготами, определёнными на 150 лет раньше греческими астрономами Аристиллом и Тимохарисом, Гиппарх обнаружил и определил величину прецессии — годового отклонения земной оси. Гиппарх оценил это смещение в 36 секунд дуги в год. Вычислил продолжительность тропического года с погрешностью не более 6 минут. Ввёл в географию способ определения места на земной поверхности по широте и долготе (географические координаты) и многое, многое другое. Поэтому Гиппарх по праву считается одним из основоположников астрономии.

Первая в мире научная астрономическая обсерватория возникла в Египте, в городе Александрии, основанном в 332 году до н. э. Александром Македонским. Здесь была создана своего рода академия наук с богатейшей, прославленной библиотекой.

Астрономические инструменты, созданные здесь древними греками, служили прообразом всех астрономических инструментов вплоть до появления оптических телескопов. Это трикветрумы, стенные и перекладывающиеся квадранты, секстанты, астролябии, армиллярные сферы и т. д. Все эти инструменты хотя и совершенствовались сначала арабами, а позже европейцами, но сохранили принцип действия, заложенный ещё в александрийской школе. Так, в XV веке в Самаркандской обсерватории Улугбек соорудил секстант радиусом в 40,2 метра. А Тихо Браге в 1600-х годах работал на шестиметровом стенном квадранте с одноминутной точностью, поразительной для того времени. Во II веке н. э. Птолемей предложил геоцентрическую модель мира, которая всерьёз не подвергалась сомнению на протяжении четырнадцати веков. Он предполагал, что Солнце движется вокруг Земли по гигантской окружности, а планеты — по меньшим окружностям (эпициклам), центры которых лежат на этой окружности.

Величайший Николай Коперник в 1540 году без оптического телескопа, с помощью своего визирного прибора «трикветрума», с огромной для того времени точностью проанализировал видимые движения планет вокруг Солнца и, «включив» свою гениальную интуицию, обосновал гелиоцентрическую систему, совершив революцию в астрономической науке. Допустив движение планет, в том числе и Земли, вокруг Солнца, он показал, что можно гораздо проще и изящнее объяснить наблюдаемые движения планет. Однако Коперник сохранил в своей модели идею круговых орбит, поместив Солнце в центр земной орбиты. Вследствие этого Коперник был вынужден сохранить некоторые из эпициклов Птолемея. Своё учение он изложил в сочинении «Об обращении небесных сфер» (1543). Книга вышла в свет в день его смерти. Этот величайший труд надолго был запрещён католической церковью.

Следующий шаг был сделан датским астрономом Тихо Браге, которому удалось с величайшей точностью определять положения планет. Его судьба сложилась иначе. Датский король Фридрих II подарил ему целый остров Гвеен, назначил ему постоянное годовое содержание, построил ему на этом острове великолепную обсерваторию Ураниенбург, оснастив её самыми лучшими инструментами того времени. Учёные дальних стран и даже многие государи посещали Браге на его острове. Его постоянно окружали студенты, приходившие учиться под его руководством. Ему удалось определить продолжительность года — 365 суток, 5 часов, 48 минут и 45 секунд. Это измерение на одну секунду отличается от современных измерений. Вот что означает астрономическая точность великого наблюдателя! Но вот беда: из своих сверхточных измерений (в 1 минуту дуги) он не извлёк ни одного астрономического закона.

После кончины Тихо Браге архив его наблюдений оказался в руках Иоганна Кеплера. Именно эти точные астрономические наблюдения, выполненные Тихо Браге, привели Кеплера к открытию кинематических законов движения планет, а Исаака Ньютона к закону всемирного тяготения и созданию основ небесной механики. Кеплер доказал, что планеты движутся по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце. Более того, он заметил, что планеты, приближаясь к Солнцу, движутся быстрее, а удаляясь от него, замедляют своё движение. Ему удалось заметить, что воображаемая линия, соединяющая планету с Солнцем, описывает за одинаковые промежутки времени одинаковые площади внутри эллипса. Но самое поразительное соотношение, которое получил Кеплер, это то, что квадрат периода обращения по орбите каждой планеты пропорционален кубу её среднего расстояния от Солнца. Он окончательно избавил астрономов от необходимости вводить эпициклы для объяснения строения Солнечной системы. Но стоит заметить, что ещё Тихо Браге не принимал гелиоцентрическую систему.

Гелиоцентрической системе суждено было достичь полного признания благодаря Галилео Галилею, который первым наблюдал за планетами систематически. В его время, около 1600 года, в Голландии появились умелые стекольных дел мастера и, как гласит легенда, дети стекольщиков случайно заметили «увеличение» предметов с помощью выпуклых стёклышек. Голландские стеклоделы догадались изготовлять и продавать мореплавателям зрительные трубы. Галилей воспользовался идеей голландских мастеров и в 1609 году самостоятельно изготовил первый телескоп с трёхкратным увеличением. Впоследствии он изготовил телескоп с 30-кратным увеличением, с помощью которого открыл пятна на Солнце, лунные горы, спутники Юпитера — Ио, Европу, Ганимед и Каллисто.

До Галилея было общепринятым представление Аристотеля о «спокойном небе». Считалось, что раз и навсегда сотворённый мир живёт неизменной жизнью. Все замеченные изменения в звёздном мире считались незакономерными, курьёзными явлениями. Великому астроному Галилею принадлежала мысль о нестационарности «звёздного мира». Католическая церковь жестоко преследовала Галилея за провозглашение нестационарности мироздания. Нестационарность Вселенной впоследствии стала основным объектом астрофизических исследований Амбарцумяна.

Универсальность закона всемирного тяготения Ньютона получила подтверждение в работах Уильяма Гершеля по исследованию двойных звёзд, вращающихся одна вокруг другой. Гершель наметил общую форму нашей Галактики, оценив её размеры, и сделал вывод, что она является одним из многочисленных звёздных «островов» во Вселенной.

Нестационарность расширяющейся Вселенной и теория Большого взрыва

После открытия Гершелем галактик одной из насущных проблем космогонии стала проблема расстояний до них. Первоначально для определения расстояний до галактик астрономы изучали в этих галактиках новые звёзды и цефеиды. Однако фундаментальному решению этой проблемы способствовало появление в XIX веке спектральных методов исследования. Её решил в 1920 году американский астроном Эдвин Хаббл, анализируя смещения спектральных линий далёких галактик. Он установил прямую пропорциональность красного смещения (смещения спектральных линий в сторону длинных волн) скорости удаления галактик, а также и расстояния до них (закон Хаббла). Этот закон является одним из фундаментальных законов астрономии. Он же с помощью наблюдений установил факт разбегания галактик. Оказалось, галактики удаляются со скоростями, пропорциональными их расстояниям от нас. Это означает, что если одна из них расположена от нас в сто раз дальше, чем другая, то она удаляется от нас в сто раз быстрее, чем первая.

Таким образом, Хабблом было установлено, что Вселенная не статична, а находится в состоянии расширения.

Сравнение расстояний, измеренных различными методами, подтвердило безукоризненную точность метода определения расстояний по величине красного смещения спектров звёзд. Современная астрофизика при определении расстояний пользуется в основном этим методом, особенно для самых далёких объектов, находящихся на «краю» Вселенной.

Современные крупные наземные и орбитальные телескопы способны прощупать край Вселенной, простирающийся почти до двадцати миллиардов световых лет, и измерить скорость самого далёкого, быстро удаляющегося объекта, приближающуюся к скорости света (300 ООО км/с), но не превышающую её. Блез Паскаль, блестяще опередив своё время, прекрасно сказал: «Не огромность мира вызывает восхищение, а человек, который измерил её».

Неоспоримый факт расширения Вселенной многими исследователями был принят в штыки. Долгое время упорно отвергал возможность расширения Вселенной Альберт Эйнштейн, так как это противоречило его теоретическим исследованиям.

Естественно, заманчиво «пустить» мысленно расширение Вселенной в обратном направлении и проследить эволюцию Вселенной во времени в прошлое (экстраполяция назад). Несмотря на то, что при этом возникает масса сомнений, такой подход создаёт некую полезную методическую наглядность в представлении возможной картины происхождения и эволюции Вселенной.

Тогда мы можем по измеренному расширению Вселенной (разбеганию галактик) прийти к тому, что примерно 20 миллиардов лет назад Вселенная была сосредоточена в малом сверхплотном теле и в результате его катастрофического взрыва образовалась наша Вселенная. Это — так называемая теория Большого взрыва. Впервые об этом догадался блестящий физик XX века Георгий Гамов. Этой теории отдаётся сейчас большее предпочтение, чем альтернативным теориям. Она действительно даёт сравнительно удовлетворительную схему для объяснения многого из того, что наблюдают астрономы. Итак, будем считать, как общепринято в научной литературе, что Вселенная (точнее её наблюдаемая часть — Метагалактика) возникла 20 миллиардов лет назад. Вначале она была невероятно горячей и плотной. Температура и давление были столь высоки, что она взорвалась, и осколки взрыва всё ещё разлетаются. Астрономы рассчитали подробные варианты развития Большого взрыва и в целом согласны с этой картиной, но всё ещё серьёзно расходятся в массе вопросов.

Многие до сих пор считают, и не безосновательно, что Вселенная имеет бесконечную историю, а её расширение, возможно, является просто иллюзией. Однако открытие в 1960-х годах реликтового излучения в известной степени подтвердило расширение Вселенной. В настоящее время современная физика пытается доказать гипотезу Большого взрыва.

Для наглядности процесс Большого взрыва делится на отдельные этапы — эры.

В первую мельчайшую долю секунды происходили флюктуации времени, вызванные тем, что физики называют квантовой природой мелких частиц. Что это такое, объяснить очень сложно, но смысл состоит в том, что если вы хотите оценить состояние вещества в момент, когда время точно соответствовало нулю, то вы ничего об этом сказать не можете, так что вопрос повисает в воздухе. К счастью, эта неразбериха продолжалась лишь очень короткий период (10-44 секунд). Мы ничего не можем сказать о Вселенной в это краткое мгновение. Этот, такой короткий период времени в начале Вселенной является первой из пяти эр, на которые мы можем разделить историю Вселенной. Первая эра хаоса была самой короткой и самой загадочной. Но сразу же после её окончания началась новая эра, названная эрой элементарных частиц — адронов. Этот период продолжался значительно дольше и проходил в условиях, которые астрофизики смогли рассчитать, понять и описать. Плотность вещества Вселенной в начале эры адронов составляла 1094 граммов на кубический сантиметр — невероятная, невообразимо высокая плотность. Можно вычислить и температуру в начале эры адронов, и результаты этих вычислений приводят к значению в 1033 градусов.

Элементарные частицы нельзя разделить на ещё меньшие. Физики открыли, что в природе существует множество разнообразных элементарных частиц и что при необычайно высоких температурах и плотности должно встречаться бесконечное количество их видов. Это ещё новая и плохо разработанная часть фундаментальной физики. К адронам относятся те частицы, которые сильно взаимодействуют друг с другом. Именно адроны представляли собой частицы, которые доминировали в первичном огненном шаре во время эры адронов, как по количеству, так и по активности. В течение периода распада адронов кванты излучения (фотоны) в первичном огненном шаре были фантастически энергичными, а по мере расширения теряли свою энергию, и температура упала до 1012 градусов. Плотность в конце эры адронов составляла 1014 г/см3. Весь период адронов был чрезвычайно мал: всё произошло за 1/10 000 секунды.

Следующий этап в истории Вселенной длился значительно больше — целых 10 секунд. Он называется эрой лептонов. Понятие лептонов объединяет электроны, как обычные отрицательные, так и положительные (позитроны) и другие менее тяжёлые частицы. В итоге во Вселенной осталось очень мало тяжёлых частиц, и существенной составляющей развивающейся Вселенной были по-прежнему высокоэнергичные фотоны. В конце десятой секунды температура упала в 100 раз до 10 миллиардов градусов. Плотность понизилась до 10 000 г/см3, а количество электронов, игравших в эту эру основную роль, стало примерно равным количеству нейтронов и протонов. Так наступил конец эры лептонов.

Во время четвёртого периода излучение одержало победу над веществом. Его называют эрой излучения, потому что Вселенная была наводнена фотонами, и плотность излучения превосходила плотность вещества. Это был гораздо более длинный период, чем предшествующие, и длился он миллион лет от Большого взрыва. За это время температура понизилась с 10 миллиардов до примерно 3000 градусов. А плотность упала до 10-21 г/см3. Конец этой эры наступил тогда, когда плотность излучения стала меньше плотности вещества. В это время протоны, нейтроны и электроны стали объединяться, образуя атомы, и начало появляться вещество в том виде, в каком мы его знаем. Вещество и свет разъединились, так что они больше не взаимодействовали друг с другом. Наступила эра вещества. Она началась через миллион лет после Большого взрыва, продолжается до сих пор и ещё не окончилась. Сейчас излучение равномерно распределено по всей Вселенной, и, что сразу бросается в глаза, вещество собрано в скопления звёзд и галактик. Если атомы водорода и гелия, самых лёгких химических элементов, образовались во время эры излучения, то другие элементы, хорошо теперь нам знакомые и входящие в состав наших организмов, возникли только в эру вещества.

Механизмы, благодаря которым водород и гелий во Вселенной объединились, образовав звёзды и галактики, до сих пор до конца не ясны. Было предложено много теорий с подробными расчётами того, как большие газовые сферы конденсируются во вращающиеся объекты типа галактик, состоящие из звёзд. Но окончательной уверенности эти умозрительные теории не внушают.

Хотя мы называем эпоху, в которую мы живём, эрой вещества, во Вселенной всё же ещё значительно преобладает излучение. В то время как средняя плотность вещества в современной Вселенной составляет примерно 10-31 г/см3, средняя плотность фотонов во Вселенной достигает 1000 г/см3. На каждую ядерную частицу приходится миллиард фотонов и миллиард нейтрино. Эти нейтрино, обладая фактически скоростью света, несутся во Вселенной, не оказывая практически никакого влияния на вещество. Нейтрино, образовавшиеся в раннюю эпоху, преимущественно в эру лептонов, и уже в то время потерявшие всякую связь с остальной Вселенной, встречаются в количестве, соответствующем прохождению 1013 частиц в секунду через один квадратный сантиметр.

Мы вкратце изложили историю Вселенной, как её видит современная физика. Следует помнить, что излагаемая чрезвычайно сложная теория основывается на таких последних результатах физики, которые ещё не вышли из стадии экспериментальной проверки. Более того, она связана с малоизвестными физическими свойствами материи.

Сегодня большинство астрономов принимают космологическую теорию Большого взрыва в качестве описания развития доступной нам Вселенной, начиная с эпохи ядерного синтеза, когда возраст Вселенной составлял около одной минуты. Но, когда речь идёт о более ранних моментах существования Вселенной, рассуждения уже выходят за пределы области знаний современной физики.

Теория Большого взрыва не разрешила трёх фундаментальных проблем: что было до начального момента, какова природа сверхплотного первоначального объёма — сингулярной «точки» — и каким образом сформировались галактики? На последний вопрос попытался ответить В. А. Амбарцумян, обнаружив активные процессы в ядрах галактик.

Окончательное слово в этом сложном вопросе за будущими поколениями астрономов. О несостоятельности экстраполяционных методов в исследовании эволюции Вселенной говорит то обстоятельство, что физические процессы и, следовательно, законы физики, начиная от сингулярной точки (если она действительно существовала) до развитой Вселенной, тоже могли меняться, но неизвестным нам образом. Таким образом, механической экстраполяцией назад, без учёта качественной эволюции материи, эту сложную проблему так просто решить не удастся. Это дело будущего.

Установлено, что Вселенная или, как говорят астрономы, имея в виду наблюдаемую, исследуемую её часть, Метагалактика, содержит примерно 100 миллиардов галактик, а каждая галактика примерно столько же звёзд. Самое главное: как галактики во Вселенной, так и звёзды в галактиках распределены неравномерными отдельными группами — скоплениями. И, что существенно, скопления звёзд и галактик находятся на различных этапах своего развития, то есть скопления звёзд и галактик могут быть молодыми и старыми.

По мере увеличения количества астрономических наблюдений «спокойное небо» Аристотеля переставало казаться спокойным. Конечно, изменения светимости и движения небесных объектов во Вселенной трудно обнаружить, так как они происходят в течение сотен и миллионов лет, не считая быстропеременных звёзд и галактик. Однако астрономы со времён Гиппарха научились оставлять информацию о небесных объектах (координаты и яркость) своим последователям, и новые поколения астрономов, составляя новые каталоги небесных объектов и сравнивая свои наблюдения с наблюдательными данными прежних эпох, получали неоценимые сведения о их перемещениях и изменениях яркости звёзд за много сотен лет.

Чтобы не запутаться в основных астрономических понятиях и величинах, мы совершим небольшой поверхностный экскурс по страницам описательной астрономии, чтобы читатель мог лучше почувствовать, что такое звёзды и галактики, как они светят, с какими энергиями излучения мы имеем дело, какими величинами их описывают.

За несколько тысячелетий до нас внимательные наблюдатели неба — пастухи, мореплаватели и участники караванных переходов — приходили к убеждению, что звёзды и планеты (так же как Луна и Солнце) по-разному меняют своё положение на небе. Планеты перемещаются из одного созвездия в другое, а звёзды неподвижны одна относительно другой. Солнце занимает центральное положение и выделяется своими размерами и массой, превосходя во много раз все остальные вместе взятые тела Солнечной системы. Планеты тоже излучают энергию, но это лишь ослабленная энергия излучения Солнца, отражённая от их холодной поверхности. Звёзды не принадлежат Солнечной системе. На самом деле и звёзды перемещаются в пространстве относительно друг друга, но они так далеки от нас, что видимые их перемещения ничтожны. Но если звёзды так далеки, что излучают почти так же, как планеты, они должны излучать во много раз мощнее, чем планеты. Такой ход рассуждений привёл к мысли, что звёзды — это тела, по своей природе сходные с Солнцем. Галилей в 1718 году сравнил наблюдаемые им положения ярких звёзд с положениями этих же звёзд, которые были определены ещё древнегреческими астрономами. Оказалось, хотя древние греки не очень точно определяли их положение (ошибка составляла несколько минут), что за прошедшие почти две тысячи лет Сириус сместился почти на полградуса, а Арктур — на целый градус. Ещё более существенные заключения удалось сделать после получения и анализа спектров звёзд. Впервые их получил в 1824 году Фраунгофер, а в 1864 году Секки пришёл к выводу, что звёзды, как и Солнце, состоят из газа, имеющего высокую температуру, и что по температуре звёзд можно построить их спектральную классификацию. Это значит, что звёзды излучают огромное количество энергии в пространство и поэтому, теряя эту энергию, не могут не изменяться. Они должны проходить какой-то путь эволюции. Значение исследования звёзд велико также для успешного изучения природы самого Солнца, сыгравшего решающую роль в возникновении и поддержании жизни на Земле. И, самое главное для нашего повествования, возникает новый вопрос: связаны ли каким-нибудь образом между собой звёзды? Влияют ли они друг на друга? Не образуют ли звёзды, в свою очередь, обособленные системы, различного типа звёздные скопления, эволюционирующие по каким-то своим законам?

Видимые звёздные величины и светимость звёзд

Остановимся ещё на таком важном вопросе — как в астрономии определяют яркость звёзд и галактик. Если в безлунную ночь взглянуть на небо, то наряду с яркими звёздами глаз видит менее яркие звёзды и множество совсем слабых. Это различие блеска при некоторых оговорках подчёркивает самую замечательную особенность звёздного неба — его глубину. Но эта глубина или, точнее, определение расстояния до звёзд — важнейшая и сложная проблема.

Световым потоком (I) называется количество энергии излучения звезды, падающее на единицу поверхности, перпендикулярной к лучу зрения в единицу времени. Оказалось, что световые потоки звёзд сильно отличаются друг от друга. Например, световой поток Солнца в 2·1010 раз больше светового потока Сириуса. Столь большое различие в световых потоках звёзд делает неудобным использование этой величины. Вместо неё употребляют так называемую видимую звёздную величину m, которая определяется соотношением:

m = -2,5 lg I + C.

Здесь C — некоторая постоянная, выбранная так, чтобы видимые звёздные величины соответствовали шкале древнегреческого астронома Гиппарха, который во II веке до н. э. впервые разделил звёзды на шесть величин в зависимости от их блеска. Разделение на звёздные величины Гиппарх производил на глаз, причём так, чтобы звёзды первой величины казались настолько ярче звёзд второй величины, насколько те кажутся ярче звёзд третьей величины, и т. д. Гиппарху не было известно свойство человеческого глаза воспринимать геометрические соотношения яркости, как арифметические. Человеческий глаз устроен так, что, если в люстре последовательно зажигается 1, 3, 9, 27, 81…, то есть в каждый следующий раз в три раза больше одинаковых лампочек, то нам кажется, что освещённость в комнате всё время увеличивается на одну и ту же величину. Это свойство не только зрения, но и других органов чувств, которое выработалось в процессе эволюции, чтобы, с одной стороны, воспринимать слабые раздражения и, следовательно, обеспечивать нужную реакцию организма на эти раздражения, а с другой стороны, чтобы смягчить влияние сильных раздражений и тем самым оберегать организм от их травмирующего действия. Приведённая формула как раз обладает тем свойством, что если световой поток (/) изменяется в геометрическом отношении, то видимая звёздная величина (m) изменяется в арифметическом отношении, то есть увеличение светового потока в 100 раз соответствует уменьшению видимой звёздной величины m ровно на пять единиц. Согласно предложению Гиппарха, назвавшего самые яркие звёзды звёздами первой величины, чем больше блеск звезды, тем меньше её видимая звёздная величина. Наибольшим блеском обладает Сириус, звёздная величина которого отрицательна: —1,6. Видимая звёздная величина Солнца — 26,7, а Луны в полнолуние — 12,5. Различие видимых звёздных величин не может быть объяснено одним различием расстояний до них. Например, Сириус вдвое дальше, чем α Центавра, а его видимая звёздная величина меньше, то есть блеск больше. Очевидно, это можно объяснить тем, что Сириус излучает больше световой энергии, чем α Центавра. Количество световой энергии, излучаемой звездой в единицу времени, называется её светимостью. Световой поток звезды зависит от её расстояния до наблюдателя. Светимость же звезды от положения наблюдателя не зависит. Это непосредственная важнейшая физическая характеристика звезды. Например, светимость Солнца равна 4·1026 джоулей в секунду.

Известно, что для удобства сравнения предметов их располагают мысленно на одном и том же расстоянии — разница тотчас определяется. Расположим все звёзды от нас на расстоянии 10 парсек. Для этого ближайшим звёздам пришлось бы отодвинуться, а большинству звёзд приблизиться к нам. Сравнивая теперь видимые звёздные величины звёзд, мы могли бы судить о том, какая звезда излучает больше энергии в пространство. Звёздные величины звёзд, находящихся на одном расстоянии, могли бы служить мерой их светимости. Звёздная величина звезды, находящейся на расстоянии 10 парсек, называется абсолютной звёздной величиной (М).

Самую большую информацию дают спектры небесных объектов. Если на пути света от его источника поставить стеклянную призму, лучи с большей длиной волны отклонятся на меньший угол, а лучи с меньшей длиной волны отклонятся на больший угол. В результате на экране появится радуга — спектр источника излучения, — чередующаяся от красного до фиолетового цвета: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. Дети легко запоминают последовательность чередования красок по мнемонической присказке: К-аждый — Охотник — Ж-елает — 3-нать — Г-де — С-идит — Ф-азан. За фиолетовым краем находятся ещё более коротковолновые области: ультрафиолетовая, рентгеновская и область у-излучения. За красным краем ещё более длинноволновые области, чем красная: инфракрасная и радиоволны. Эти области спектра глаз не воспринимает. Их излучение регистрируется только приборами. На непрерывном фоне спектров звёзд появляются тёмные, а у некоторых звёзд ещё и яркие линии. Эти линии показывают, что над ослепительно светящейся поверхностью звёзд имеется атмосфера, состоящая из различных газов. Каждый газ даёт линии в определённых местах спектра. Сравнивая положение этих линий с лабораторными спектральными линиями, астрономы определяют состав и температуру звёздных атмосфер. Спектры всех звёзд различны. Однако, расположив их в определённом порядке, получим ряд спектров, где любые два соседних будут очень мало отличаться друг от друга. Для удобства вся последовательность звёздных спектров разбита на семь участков (спектральная классификация): О — В — A — F — G — К — М — N. Запоминают так: O — B(б) — оже — А — F(ф) — G(г) — анистан — K-уда — M-ы — N(н) — есёмся. Или: О — В-е — А — F-air — G-irl — К-iss — М-е. (Группа N не всегда фигурирует в спектральной классификации.) Эта классификация часто подвергается более тонкой градации. Например, А0, А7, F1 и т. д. Явление линейной последовательности спектров указывает на то, что спектры звёзд зависят главным образом от какого-то одного фактора. Этим фактором оказалась температура звезды, которая согласуется с механизмом образования линий в спектрах звёзд.

Известно, что атом всякого элемента может поглощать свет. При этом он поглощает свет совершенно определённых частот. Когда атом поглотит порцию световой энергии или, как говорят, световой квант данной частоты, он переходит в возбуждённое состояние, определяемое тем, что его внешний электрон удаляется от ядра атома. В возбуждённом состоянии атом находится ничтожную долю секунды, после чего электрон возвращается на своё обычное место, а атом при этом излучает порцию световой энергии. Когда свет от раскалённой поверхности звезды проходит через её более холодную атмосферу, находящиеся там атомы различных элементов поглощают свет определённых, свойственных этим атомам, частот. Если атом поглотит квант достаточно высокой частоты, обладающий высокой энергией, то внешний электрон будет не просто перемещён несколько дальше, а будет оторван от ядра; атом станет ионизированным. С другой стороны, чем выше температура звезды, тем больше световой энергии она излучает. Но от температуры звезды зависит и состав квантов её излучения. Чем выше температура, тем больше доля высокочастотных квантов и меньше доля низкочастотных, что определяет разнообразие спектров звёзд.

Чтобы иметь представление о цвете звёзд, проследим, как меняется цвет раскалённого металлического слитка по мере повышения его температуры. Он меняется от тускло-красного к жёлтому, а затем к ослепительно белому цвету. Так и звёзды. У холодных звёзд класса М цвет красноватый. У класса К — оранжевый. Наше Солнце и другие звёзды класса G — жёлтые. У класса F светло-жёлтый цвет. Звёзды класса А кажутся совершенно белыми, а B и O голубоватыми. Звёзды класса O, имеющие очень высокую температуру, будут иметь фиолетовый оттенок. Но в астрономии, как в любой точной науке, все понятия выражаются количественно, и поэтому цвет в астрономии не только качество, но и величина (количество). Цвет в астрономии измеряют. Делают это очень просто. Фотографируют звезду на двух пластинках. Одна из них обыкновенная, чувствительная к синим и фиолетовым лучам. Вторая пластинка покрыта особым светочувствительным слоем, более чувствительным к жёлтым и красным лучам и менее чувствительным к синим и фиолетовым лучам. Такая пластинка по способности воспринимать свет различных цветов близка к человеческому глазу. Ведь глаз человека в ходе эволюции выработал наибольшую чувствительность к лучам того цвета, который преобладает в излучении освещающего нашу планету Солнца, — к лучам жёлтого цвета. По почернению на той и другой пластинке определяют видимую звёздную величину звезды. Видимая звёздная величина, определённая при помощи обыкновенной пластинки, обозначается m pg и называется фотографической звёздной величиной, а видимая звёздная величина, полученная при помощи второй пластинки, обозначается m pv и называется фотовизуальной звёздной величиной. Разность этих величин называется показателем цвета:

CI = m pg — m pv .

Следовательно, у красной звезды показатель цвета CI положительный, а у голубых звёзд — отрицательный. По показателю цвета можно приближённо определить спектральный класс и температуру звезды.

Исследования Крабовидной туманности

А теперь перейдём к изложению замечательной истории возникновения и развития Крабовидной туманности. Эта туманность в астрономической науке играет исключительную роль. Недаром среди астрономов бытует шутка, что современную астрофизику можно разделить на физику Крабовидной гуманности и… всё остальное.

Дело в том, что Крабовидная туманность возникла и развивалась на глазах у астрономов — уникальный случай! — и, более того, в ней был обнаружен весь спектр загадочных астрономических явлений, которые присутствуют во многих объектах Вселенной.

В 1054 году, тогда, когда ещё не было ни телескопов, ни фотографии, китайские и японские астрономы, каждую ночь внимательно наблюдая за изменениями, происходящими в звёздном мире, обнаружили в созвездии Тельца новую звезду, назвали её «звездой — гостьей», срисовали её, установили её координаты и продолжали за ней наблюдать.

На глазах у ошеломлённых наблюдателей эта звезда, с каждым днём увеличивая свой блеск, превзошла по яркости Венеру — самое яркое светило неба после Солнца и Луны — и была видна даже днём.

Это было всего 950 лет тому назад и, как выяснилось в дальнейшем, это был, выражаясь современным языком, мощный взрыв сверхновой.

С тех пор астрономы не переставали следить за «звездой — гостьей». Дальнейшие наблюдения показали, что в окрестности этой звезды начала образовываться расползающаяся туманность, а яркость звезды начала убывать. Поскольку туманность расположена от нас далеко — на расстоянии 1000 парсек, то заметное, хотя и медленное, увеличение туманности означало, что скорость удаления образующих её газов огромна. Последние точные измерения установили, что газы от центральной звезды выбрасываются со скоростью свыше 1000 км/с.

Так «на наших глазах», всего за 950 лет, в результате вспышки сверхновой звезды образовалась Крабовидная туманность, которая теперь уже досконально изучена.

Чем же она замечательна?

В первую очередь, конечно, тем, что туманность, бесспорно, образовалась в результате мощного взрыва звезды. Кстати, гипотеза о том, что туманности образуются из активной звезды, а не наоборот, была высказана в начале XX века замечательным математиком, физиком и астрономом Анри Пуанкаре. Очень интересно то, что нигде в современной астрономической литературе этот факт не упоминается. Единственную ссылку на эту гипотезу можно обнаружить только у Амбарцумяна.

Затем астрономы заметили в центральной части Крабовидной туманности две близко расположенные друг к другу слабые звёздочки 16-й величины. И вот оказалось, что южная из этих звёзд — отнюдь не обычная звезда, а нечто совершенно особенное. Это был пятый «кембриджский» пульсар [21]Пульсирующие источники радиоизлучения были открыты в 1967 году. Импульсы пульсаров повторяются с периодом от нескольких сотых долей до сотен секунд.
.

Пульсары

Оказалось, что период колебания излучения «кембриджского» пульсара рекордно мал — 0,033 секунды. Первым объяснением, которое пришло в голову, была идея, что эти импульсы — искусственные сигналы, посылаемые внеземными цивилизациями. Их регулярность и казавшиеся закономерными модуляции наводили на мысль о сверхмощных радиомаяках, передающих межзвёздную навигационную информацию. Против этого выдвигался, в частности, следующий аргумент: если маяк посылает свои сигналы во всех направлениях, то и излучаемая мощность должна быть невероятно велика — 1020 ватт, что более чем в миллион миллиардов (1015) раз превышает мощность обычной радиостанции. Для того чтобы выработать такую энергию, космическая станция должна была бы сжигать в виде топлива целые планеты. Но если это радиоизлучение имеет направленное действие (работает, как грандиозный параболоид), то почему узкий пучок направлен именно на нас? Если же пульсары нацелены на нас случайно, и имеются другие такие же, действующие в разных других направлениях, то можно сделать вывод, что их общее число в Галактике невообразимо велико — в таком случае Галактика должна кишеть сверхцивилизациями. Есть и другие аргументы, исключающие отождествление пульсаров с внеземной цивилизацией.

Есть теория, которая полагает, что пульсары — это быстро вращающиеся белые карлики. На одной стороне такой звезды имеется взрывающаяся область (происходит инжекция материи в одном направлении), интенсивно излучающая радиоволны, которые мы принимаем лишь тогда, когда звезда обращена к нам этой стороной. Но и у этой теории имеются свои трудности: никак нельзя представить себе обычный белый карлик, который вращался бы так быстро. Звезда размером с Землю, вращающаяся с периодом 0,033 секунды, имела бы на поверхности скорость около 1 300 000 км/с, то есть намного больше скорости света. Можно представить пульсар, как многоинжектирующую систему ситоподобной конфигурации (многопрожекторного типа) и т. д.

Пульсар интерпретируется сейчас как быстро вращающаяся намагниченная нейтронная звезда малого размера (она плотнее, чем белый карлик). Однако механизм его мощного рентгеновского и радиоизлучения до сих пор окончательно не ясен.

Установлено, что пульсар в Крабовидной туманности, инжектируя релятивистские электроны или, по некоторым гипотезам, испуская гравитационное излучение, со временем замедляется, вызывая тем самым и радио- и рентгеновское излучение туманности. Если бы пульсар «выключился», то через несколько месяцев прекратилось бы жёсткое рентгеновское излучение туманности, а через сотню лет кончилось бы её оптическое излучение.

В 1953 году И. С. Шкловский предположил, что механизм оптического излучения Крабовидной туманности, по крайней мере, на 95 процентов обусловлен сверхэнергичными (релятивистскими) электронами, движущимися в магнитном поле туманности. Таким образом, было показано, что излучение Крабовидной туманности является синхротронным (или, как говорят физики, магнитно-тормозным, или, как говорят «оптические» астрофизики, является нетепловой непрерывной эмиссией).

Шкловским были предсказаны наличие магнитного поля туманности и, следовательно, поляризация её излучения. Вскоре в Бюракане ленинградским астрофизиком В. А. Домбровским впервые была обнаружена поляризация этой туманности, а молодым астрофизиком Э. Е. Хачикяном (ныне академиком) было исследовано распределение поляризации по туманности. В 1957 году к анализу механизмов непрерывной эмиссии Крабовидной туманности и к проблеме её нетеплового излучения обратился Виктор Амазаспович в работе «О плотных облаках релятивистских электронов».

Он подтвердил мнение Шкловского, что в Крабовидной туманности значительная и даже основная часть тормозного излучения в магнитном поле испускается в оптических частотах.

Однако Амбарцумян указал на возможность существования и другого механизма возникновения излучения. А именно, если имеется сравнительно плотное облако релятивистских электронов достаточно большого размера, то концентрация фотонов, испускаемых при тормозном излучении, увеличивается, и эффект рассеяния электронов на этих фотонах (обратный Комптон-эффект) становится весьма значительным. В результате излучение, являющееся следствием рассеяния электронов на фотонах, может во много раз превзойти тормозное излучение, особенно если при заданном магнитном поле энергия электронов велика.

Виктор Амазаспович в этой работе напоминает о том, как В. Бааде в 1942 году обнаружил появляющиеся время от времени в Крабовидной туманности новые яркие сгущения и волокна, которые, вероятно, являются довольно плотными облаками релятивистских электронов.

Аналогичным примером, где можно подозревать существование сравнительно плотных облаков релятивистских электронов, являются вспышки нетепловой непрерывной эмиссии иррегулярно переменных звёзд типа Т Тельца. Светимость у отдельных звёзд типа Т Тельца становится в 20 или 30 раз больше, чем в минимуме. У этих звёзд во время вспышки возникает нетепловая непрерывная эмиссия. Изучение этих загадочных переменных объектов находится в центре внимания астрофизиков мира.

В упомянутой работе Виктора Амазасповича впервые рассматривается вопрос о том, с каким из двух возможных механизмов излучений мы имеем дело в этих явлениях: со случаем, когда преобладает тормозное излучение в магнитном поле, или со случаем, когда, наоборот, преобладает излучение из-за рассеяния на собственных фотонах облака. Решение этого вопроса существенно, так как продолжительность излучения в этих случаях оказывается совершенно разной.

В результате Виктором Амазасповичем было получено фундаментальное соотношение параметров обоих явлений — формула, позволяющая по наблюдаемым величинам получить ответ на вопрос: какой из процессов (магнитно-тормозной или обратный Комптон-эффект) является преобладающим.

С развитием астрофизических методов наблюдений и вводом в строй крупнейших телескопов во многих обсерваториях мира количество обнаруженных разнообразных туманностей, образовавшихся в результате активности центральной звезды, сильно увеличилось (планетарные, кометарные туманности и т. д.). Большой вклад в эти работы сделали бюраканские астрофизики. Таким образом, можно утверждать, что именно Крабовидная туманность своим наглядным примером взрыва сверхновой и образования туманности из звезды указала путь к познанию космогонической эволюции Галактики.

Но многие исследователи считали появление Крабовидной туманности явлением редким, уникальным и не могущим служить примером для космогонических обобщений. Требовались новые доказательства универсальности факта образования туманностей из звёзд. Особое место среди нестационарных объектов занимают переменные звёзды с разнообразными и фантастическими проявлениями вспышечной активности.

Такими объектами являются, например, звёзды типа FU Ориона (Фуоры), которые вдруг, за короткий промежуток времени, повышали свою светимость в наблюдаемой части спектра более чем в 100 раз, после чего удивительным образом долгие годы сохраняли повышенную светимость.

Ни одна из теорий внутреннего строения звёзд не в состоянии объяснить подобное явление. Обнаружение новых Фуоров до сих пор является важным и престижным делом в астрофизике нестационарных объектов.

Были обнаружены удивительные переменные звёзды. Так, например, стало известно, что одна из вспышек сверхновой в соседней галактике превысила суммарную мощность излучения миллиардов звёзд этой галактики! А за период яркого свечения сверхновой, который длится около года, она излучает такое количество энергии, на которое нашему Солнцу понадобилось бы свыше миллиарда лет. При этом сверхновая выбрасывала огромные массы газа с космическими скоростями. Изучение таких удивительных механизмов излучения становится главной задачей астрофизиков — единомышленников Амбарцумяна.

В 1934 году Виктор Амазаспович создал в Ленинградском государственном университете, впервые в СССР, кафедру теоретической астрофизики, а в 1946 году Бюраканскую астрофизическую обсерваторию в Армении.

Как в Ленинграде, так и в Бюракане, определяя область астрофизических исследований и направление работ, он нацеливал своих сотрудников исключительно на решение самых важных и злободневных проблем астрофизики — на совершенствование методов теории переноса излучения и на их приложение в астрофизике, а также методов обнаружения и исследования нестационарных объектов Вселенной. Эти бурно развивающиеся области астрофизики в конечном счёте имели космогоническую направленность, которую мы подробно рассмотрим.

Научное творчество Амбарцумяна началось именно тогда, когда бушующая Вселенная во всём своём неспокойном, поражающем многообразии лежала перед учёными. Астрономия созрела для новых фундаментальных открытий. Здесь уместно вспомнить высказывание великого Ампера: «Счастливы те, кто развивает науку в годы, когда она не завершена, но когда в ней назрел уже решительный переворот».

Да, но каким образом черпали такое же вдохновение в бушующей Вселенной замечательнейшие русские поэты? Фёдор Тютчев:

Или Борис Пастернак:

А теперь попробуем рассказать, какими судьбами в этот фантастический и сказочный мир прекрасного, в мир астрономии, пришёл Виктор Амбарцумян и совершил столько удивительных открытий.