Тёмное манит и завораживает. Темнота - друг молодёжи. Нас тьмы, и тьмы, и тьмы. В кино циничные остроумные Тёмные зачастую более симпатичны, чем правильные занудные Светлые. Несмотря на многочисленные астрофизические загадки, связанные со светящимся веществом, воображение сильнее волнует тёмная материя. Разбор нестыковок с излучением кажется не более чем уточнением уже известных деталей, темнота же обещает приоткрыть дверь в новую физику.

Неудивительно, что исследованиям тёмной материи (ТМ) посвящено огромное количество статей, публикуемых в профессиональной литературе. (Кстати, по-русски, наверное, правильнее говорить «тёмное вещество», однако Гугл даёт на порядок больше ссылок по запросу «тёмная материя», что есть калька с английского «dark matter».) Как можно исследовать то, что не светится, если единственный источник информации в астрономии - электромагнитное излучение? Да так же, как и многое другое, - по косвенным признакам.

Напомню вкратце суть проблемы. Основным фактором, двигающим предметы на больших масштабах, в нашей Вселенной является гравитация. Наблюдая за движением тел, можно делать выводы о гравитационном поле, в котором они движутся, и о массе, которая порождает это поле. Так вот, в целом ряде случаев гравитационное поле как будто бы есть, а источник его увидеть не удаётся. В частности, движение звёзд в галактиках и галактик в скоплениях происходит со скоростями, сильно не соответствующими распределению «светлого» вещества, которое можно наблюдать непосредственно. Отсюда и возникает предположение о наличии ещё и «тёмного» вещества, которое само не светится, но проявляет себя через гравитационное воздействие на светящиеся тела.

На существование тёмного вещества указывает несколько разных свидетельств, согласующихся между собой. Поэтому для отказа от предположения о тёмном веществе недостаточно найти иное объяснение, например, только движению звёзд в галактиках. Тем не менее попытки «закрыть» тёмное вещество не прекращаются. Только за последние десять дней появилось два крупных исследования, так или иначе «копающих» под ТМ.

Одна из важнейших мировоззренческих задач астрономии состоит в поисках ответа на вопрос, одиноки ли мы во Вселенной. В отсутствие прямого контакта со внеземным разумом нам приходится довольствоваться косвенными аргументами.

Мы не знаем, конечно, насколько широк диапазон физических условий, в котором возможно зарождение жизни, но зато с определённостью можно сказать, что уж хотя бы на одной конкретной планете у одной конкретной звезды в одной конкретной галактике появление жизни и разума оказалось возможным. Если мы докажем, что такие планеты, звёзды и галактики во Вселенной встречаются часто, возникнет надежда, что не редкость и конечный итог их эволюции, схожий с земным.

До недавнего времени казалось, что в этом отношении со всеми тремя слагаемыми – планета, звезда, галактика – дела обстоят хорошо. По крайней мере, неплохо. Мы, правда, не можем пока с уверенностью судить о том, насколько типична Земля – как планета, попавшая в зону обитаемости своей звезды. Но оснований считать, что она нетипична, нет. Такие основания могут, конечно, появиться в будущем (кто знает?). Однако имеющиеся на сегодняшний день сведения о планетных системах говорят, что их образование – процесс вполне рутинный.

Солнце тоже экзотичностью не отличается. Во многих популярных книгах, да и в учебниках, его часто называют самой обычной, ничем не примечательной звездой. Эта, казалось бы, уничижительная характеристика очень важна с точки зрения эволюции жизни: на протяжении четырёх с половиной миллиардов лет Землю греет спокойно гудящая печка, которая всё это время передаёт нам ровно столько энергии, сколько нужно, без резких спадов и мощных вспышек. Любая особенность, “необычность”, сделала бы Солнце весьма интересным объектом для стороннего исследователя, но для нас, живущих рядом, скучная стабильность лучше увлекательной переменчивости. И таких звёзд “без особых примет”, подобных нашему центральному светилу, в Галактике ещё много.

Такой же уютной и “скучной” оказывается и в целом вся наша Галактика (Млечный Путь). То есть десяток миллиардов лет назад в ней происходили весьма бурные события: именно тогда в результате сжатия вращающегося протогалактического облака возник гигантский звёздно-газовый диск, в котором мы теперь живём и проекция которого на небосвод и называется собственно Млечным Путём. Но после формирования диска ничего “интересного” с нашей Галактикой не происходило. Нет, конечно, в ней по-прежнему есть места, куда небольшой звезде с обитаемыми планетами лучше не соваться. Жёстким излучением заполнены окрестности горячих массивных светил, сильные ударные волны разбегаются от вспышек сверхновых… Но таких опасных мест мало, и шансы, что в одно из них залетит, например, наше Солнце, очень невелики.

Такое спокойствие связано с тем, что процессы звёздообразования в Млечном Пути давно уже приняли “вялотекущий” характер. Сопоставление количества звёзд разных возрастов показывает, что средний темп звёздообразования в нашей Галактике на протяжении последних 10 млрд лет остаётся почти одним и тем же, на уровне нескольких рождающихся звёзд в год. И вот это постоянство может оказаться не то чтобы выходящим из ряда вон, но, по крайней мере, достаточно необычным свойством нашего звёздного острова.

С точки зрения внешнего вида Галактика представляет собой очень тонкий диск (соотношением “толщина-диаметр” сравнимый, например, с компакт-дисками), пересечённый несколькими (двумя или четырьмя) спиральными рукавами. Этот диск погружён в разреженное сферическое звёздное облако – гало. Если ориентироваться только на внешний вид, то таких систем во Вселенной не просто много – их большинство. По современным данным к подобным спиральным дисковым системам относится около 70 процентов всех галактик. Это приятно по двум причинам. Во-первых, типичность Галактики делает маловероятным наше одиночество во Вселенной. Во-вторых, результаты изучения Галактики мы можем спокойно распространять на большую часть остальной Вселенной. Но и это ещё не всё. Благосклонная судьба поместила прямо рядом с нами ещё одну подобную галактику – Туманность Андромеды (она же M31, NGC 224), которая считалась, да и сейчас иногда считается чуть ли не близнецом Млечного Пути. Чего ещё желать? Если нам хочется деталей, смотрим на нашу Галактику, если хочется общей картины, смотрим на Туманность Андромеды – и 70 процентов Вселенной у нас в кармане!

Исследования последних лет показывают, увы, что эта радость преждевременна. Чем больше мы узнаем о Туманности Андромеды, тем меньше она кажется двойником Млечного Пути. Нет, общее сходство, конечно, имеется; М31 гораздо больше похожа на Млечный Путь, чем, скажем, на карликовую галактику Большое Магелланово Облако. Но вот в частностях наблюдаются некоторые важные расхождения. Хотя Галактика и Туманность Андромеды, скорее всего, образовались почти одновременно, М31 выглядит более… как бы это сказать… потрёпанной. Сейчас газа в ней осталось меньше, чем в нашей Галактике; соответственно и рождение звёзд происходит менее активно, но это только сейчас! В диске и гало Туманности Андромеды видны следы многочисленных мощных всплесков звёздообразования, последний из которых произошёл, возможно, всего лишь 200 млн лет назад (незначительное время по сравнению с полным возрастом галактики). Наблюдения звёздных систем показывают, что причиной таких всплесков почти всегда являются столкновения галактик. Значит, история Туманности Андромеды существенно богаче крупными и мелкими катаклизмами, чем история Млечного Пути.

С учётом этой несхожести становится неясно, которую из двух галактик следует брать за эталон. Проблема в том, что никакую другую спиральную галактику мы с подобной степенью детальности исследовать не можем. (Точнее, у нас есть ещё одна спиральная соседка – M33, но она значительно меньше, чем М31 и Млечный Путь.) В 2007 году Франсуа Хаммер (Парижская обсерватория) и его коллеги решили проверить, какие параметры для Млечного Пути и М31 мы получили бы, если бы наблюдали их с большого расстояния, и сравнить эти параметры со свойствами других далёких спиральных галактик. Оказалось, что более типичной системой является отнюдь не Млечный Путь! Из всех окрестных спиральных галактик к нему близки по параметрам не более 7 процентов. Остальные напоминают, скорее, Туманность Андромеды: они бедны газом, более богаты звёздами и обладают большим, чем у Млечного Пути, удельным моментом импульса, то есть, говоря попросту, быстрее вращаются. Для Туманности Андромеды все эти свойства, а также особенности распределения звёзд вокруг диска удаётся объяснить произошедшим несколько миллиардов лет назад крупным столкновением со звёздной системой, масса которой составляла не менее миллиарда солнечных масс (порядка нескольких процентов от массы самой галактики). Сходство М31 с другими спиральными галактиками указывает, что подобные мегастолкновения происходили почти со всеми из них – за исключением небольшой группы, к которой принадлежит Млечный Путь.

Здесь уместно вспомнить ещё об одной странности нашей Галактики – о двух её спутниках, Магеллановых Облаках. Они мало похожи на типичные спутники спиральной галактики. Обычно эти спутники – небольшие и тусклые эллиптические или сфероидальные галактики. Компаньоны наподобие Магеллановых Облаков, массивные, яркие, с собственной бурной историей звёздообразования, наблюдаются также лишь у нескольких процентов спиральных галактик. Возможное объяснение этой странности состоит в том, что Магеллановы Облака могут и не быть спутниками Млечного Пути. Измерение скорости их движения при помощи Космического телескопа им. Хаббла показало, что для спутников, то есть гравитационно привязанных к Галактике тел, они летят слишком быстро. Появилась мысль о том, что Облака, возможно, всего лишь пролетают мимо Млечного Пути.

Возникает, конечно, искушение связать все эти факты в единую картину. В декабре 2010 года Й. Янг и Ф. Хаммер предположили, что Магеллановы Облака прилетели к Млечному Пути из Туманности Андромеды, вырвавшись из неё в результате того самого мегастолкновения. Надо сказать, что траектория Облаков известна пока плохо, но то, что о ней известно, не противоречит гипотезе об их «андромедянском» происхождении.

В целом картина может выглядеть так. Из двух основных галактик Местной группы (так скучно называются Млечный Путь, М31 и окружающие их спутники) лишь одна пережила крупное столкновение. Из вещества, вырванного из М31 в результате этого катаклизма, образовались две галактики поменьше. Они сейчас пролетают мимо Галактики и, возможно, будут захвачены ею, с тем чтобы через несколько миллиардов лет слиться-таки с Млечным Путём, позволив ему, наконец, пережить катастрофу, которая в жизни других подобных систем случилась гораздо раньше.

Так или иначе, последние исследования указывают, что до сих пор эволюция Млечного Пути оказалась существенно более невзрачной, чем эволюция большинства дисковых галактик, что подарило земной жизни несколько миллиардов лет тишины для спокойного развития.

Мир галактик поражает причудливостью форм: от незатейливых прямоугольников до кружева спиральных рукавов. Cтранно, что для обозначения столь разных объектов используется одно и то же слово.
Среди прочих астрономических новостей последнего времени видное место принадлежит прямоугольной галактике. Система сама по себе необычная, но не особенно. У галактик различных типов «ящикообразные» (boxy) изофоты (линии равной поверхностной яркости) встречаются не так уж редко. Считается, что подобная угловатость возникает в результате слияния галактик, а эти события во Вселенной не исключение, а, скорее, правило (хотя в пресс-релизе и присутствует в мягкой форме традиционное «shouldn’t exist»). Так что, если галактике LEDA 074886 и присуща некоторая уникальность, то заключается она не столько в её форме, сколько в сочетании формы с другими свойствами, в частности с наличием внутреннего звёздного диска.

Но интересно другое: галактика «изумрудной огранки» по виду и прочим характеристикам даже близко не напоминает гигантскую спиральную звёздную систему, которая дала жизнь термину «галактика». Строго говоря, изначально слово «галактика» вообще было не термином, а именем собственным, обозначавшим шикарную белёсую полосу, которая перечёркивает всё звёздное небо. Греческая мифология связывает её происхождение с молоком, брызнувшим из груди богини Геры во время попытки кормления Геракла, и слово «галактика» родственно, например, словам «лактоза» или «лактация».

Со времён Галилея известно, что Галактика есть «эклиптика для звёзд», то есть проекция на небосвод гигантской плоской звёздной системы, членом которой является Солнце. Мысль о том, что таких «звёздных островов» во Вселенной должно быть множество, посещала умы на протяжении столетий, но научный фундамент под ней появился лишь в начале XX века, когда удалось различить в Туманности Андромеды отдельные звёзды. По ним было определено расстояние до Туманности Андромеды, и оно заведомо превысило самые смелые оценки размеров Галактики. К середине 1920-х годов была доказана внегалактическая природа и многих других туманностей.

Первоначально они так и назывались — внегалактические туманности. Со временем для них стал повсеместно использоваться термин «галактики», с тем отличием, что наша Галактика пишется с большой буквы, а остальные - с маленькой. Галактики казались естественной следующей ступенью иерархии самогравитирующих систем: одиночные и кратные звёзды, рассеянные звёздные скопления (сотни и тысячи звёзд), шаровые звёздные скопления (сотни тысяч звёзд), галактики (миллиарды звёзд), и далее, к группам и скоплениям галактик.

Со временем наблюдательные инструменты и методики совершенствовались, что позволило открывать всё более мелкие и (или) тусклые галактики. Появилось множество классов карликовых галактик - эллиптические карлики, сфероидальные карлики, синие компактные карлики, неправильные карлики, ультракомпактные карлики, приливные карлики… Похоже на классификацию драконов из «31 июня» Пристли: мечехвостый, копьехвостый, рогохвостый, рыбохвостый, свирепый исполинский винтохвостый…

С позиций классификации важно, что чем мощнее наши телескопы, тем сильнее население карликовых галактик перекрывается с населением шаровых скоплений. И тем очевиднее встаёт вопрос несовершенства терминологии, подобный тому, что в начале 2000-х годов встал перед людьми, желающими корректно использовать термин «планета».

Конечно, проблема с галактиками не такая животрепещущая, как проблема с планетами. Одно дело - решать, восемь или девять планет в Солнечной системе. Другое дело — галактики, которых, хоть так их определи, хоть эдак, всё равно неисчислимое множество. Тем не менее галактика — один из фундаментальных объектов Вселенной, и понимание того, что мы, оказывается, не можем толком сказать, что это такое, приводит к некоторому дискомфорту. В результате в астрономической литературе нет-нет да и появятся рассуждения на эту тему.

Последнее опубликовано в архиве препринтов в середине марта. Авторы — Бет Уиллман и Джей Стрейдер — считают, что в определении галактики важно уйти от каких-то численных ограничений. Потому что как только ты решишь называть галактикой всё, что имеет диаметр больше, скажем, ста парсеков, как тут же открывают нечто меньшего размера, что тоже, вроде бы, должно относиться к галактикам. Уиллман и Стрейдер предлагают такое определение: галактикой называется гравитационно связанная группа звёзд, свойства которой не могут быть описаны сочетанием барионного вещества и ньютоновской гравитации.

Казалось бы, с первой частью всё относительно понятно. Настоящая галактика состоит из звёзд, которые удерживаются от разлёта силами тяготения. Тут, правда, есть потенциальные эволюционные шероховатости. Изначально в галактике (в частности, в Галактике) звёзд нет; она состоит только из газа, который постепенно переходит в звёзды в процессе эволюции системы. Стало быть, галактика становится галактикой не сразу, а постепенно. Но на это, в конце концов, можно закрыть глаза. Над моментом перехода не-галактики в галактику должны были ломать голову цивилизации, жившие миллиарды лет назад, а сейчас в большинстве галактик доминируют именно звёзды, а не газ.

Со второй частью несколько сложнее. Уиллман и Стрейдеру кажется некорректным отличать галактики от скоплений по наличию тёмного вещества, поскольку его пока никто не видел, поэтому они предлагают более осторожную формулировку. Массу звёздной группировки можно оценить двумя способами — по суммарной светимости звёзд и по скоростям их движения (предполагая, что группировка находится в динамическом равновесии и звёзды движутся по законам ньютоновской гравитации). Первая оценка даёт массу видимого, барионного вещества, вторая — «гравитационную» массу. Если обе оценки примерно совпали, значит, система описывается сочетанием видимых барионов и закона всемирного тяготения и на галактику не тянет.

А вот если гравитационная масса оказалась больше массы видимого вещества, объект следует считать галактикой! Хотя даже сами авторы признают, что во многих случаях этот критерий может оказаться обманчивым. В частности, оценка гравитационной массы справедлива лишь для систем, в которых движение звёзд «устаканилось», пришло в равновесие с собственным гравитационным полем системы. А если система в недалёком прошлом прошла через какой-то катаклизм, о котором мы не знаем, например, испытала тесное сближение или столкновение с другой системой? Звёзды в ней будут двигаться быстрее, чем при равновесии, и оценка гравитационной массы окажется сильно завышенной.

Кроме того, скорости звёзд очень трудно измерить, поэтому иногда предлагается косвенный критерий: наличие звёзд нескольких поколений. В маломассивных скоплениях первый эпизод звёздообразования оказывался и последним, поскольку первые же вспышки сверхновых выбрасывали из скопления остатки газа, не вошедшего в звёзды. В более массивных галактиках часть газа сохранялась после первого эпизода и становилась сырьём для последующих вспышек звёздообразования. По этому критерию в галактики пришлось бы переквалифицировать самое массивное шаровое скопление в нашей Галактике — Омега Центавра. Но его гравитационная масса согласуется с видимой, как положено как раз скоплению!

Ещё одна близкая система, которую по наличию нескольких поколений звёзд следует отнести к галактикам, — Willman 1 (по имени Бет Уиллман). Но какая же это галактика?! Это недоразумение, светимость которого лишь в несколько сотен раз превосходит светимость Солнца. По всей видимости, в данном случае мы наблюдаем не полноценную галактику, а руины, оставшиеся на месте некогда существовавшей «нормальной» галактики. Но нужно ли называть систему галактикой только за то, что в каком-то далёком прошлом она и на самом деле ею была? Пока же получается, что мы одним и тем же термином обозначаем даже не группы, а группки из нескольких тысяч звёзд и системы-монстры, количество звёзд в которых исчисляется триллионами.

Может показаться, что это не такая уж большая проблема. Мы же не мучаемся сомнениями, называя деревом и стометровую секвойю, и саженец яблони. (Правда, даже скромная ромашка и секвойя различаются по массе в меньшее количество раз, чем самая большая и самая маленькая галактика.) Но за поисками корректного определения скрывается не просто желание разложить всё по полочкам, а желание разделить два (или более) кардинально различных пути образования структур во Вселенной.

http://www.computerra.ru/own/wiebe/668671/

Но есть такие люди - они прекрасно слышат,
Как звезда с звездою говорит.
- Ю. Ким

Вид ночного неба, усыпанного звездами, с давних пор вселяет в душу человека благоговение и восторг. Потому даже при некотором снижении общего интереса к науке астрономические новости иногда просачиваются в средства массовой информации, чтобы встряхнуть воображение читателя (или слушателя) сообщением о таинственном квазаре на самой окраине Вселенной, о взорвавшейся звезде или о черной дыре, затаившейся в недрах далекой галактики. Вполне естественно, что рано или поздно у заинтересованного человека возникает законный вопрос: «Да полно, уж не водят ли они меня за нос?» Действительно, по астрономии написано множество книг, снимаются научно-популярные фильмы, проводятся конференции, постоянно растут тиражи и объемы профессиональных астрономических журналов, и всё это - продукт простого разглядывания неба?

На этом снимке показана оболочка, сброшенная во время вспышки повторной новой Т Компаса (T Pyxidis). Яркая точка в центре оболочки - двойная звезда, состоящая из обычной звезды и звездного остатка (белого карлика). Вещество звезды перетекает на белый карлик, постепенно накапливаясь на его поверхности. Когда масса накопленного вещества превышает некий критический предел, в системе происходит взрыв. По каким-то причинам (возможно, в результате взаимодействия с остатками предыдущих взрывов) сброшенная оболочка распадается на тысячи крохотных светящихся узелков. Помимо спектроскопического исследования этих узелков, наблюдая за ними на протяжении нескольких лет можно непосредственно видеть, как они разлетаются прочь от системы. © Shara, Williams, Gilmozzi, and NASA. Изображение с сайта hubblesite.org

Возьмем, к примеру, физику, химию или биологию. Там всё понятно. Предмет исследования этих наук можно «потрогать» - если не непосредственно подержать в руках, то, по крайней мере, подвергнуть всестороннему исследованию в экспериментальных установках. Но как могут астрономы с такою же уверенностью утверждать , например: «В двойной системе, удаленной от нас на 6 тыс. световых лет, вещество срывается с красной звезды, закручивается в тонкий диск и накапливается на поверхности белого карлика», предъявляя в качестве доказательства снимок, на котором не видны ни красная звезда, ни карлик, ни тем более диск, а наличествует лишь яркая точка в окружении еще нескольких таких же, разве что не столь ярких? Эта уверенность - не следствие завышенной самооценки. Она проистекает из умения связать мириады разрозненных наблюдательных фактов в единую, взаимосвязанную, внутренне непротиворечивую картину Мироздания, при этом успешно предсказывая открытие новых явлений.

Основу основ наших познаний о Вселенной составляет убежденность в том, что вся она (или, по крайней мере, вся ее видимая часть) управляется теми же физическими законами, что открыты нами на Земле. Это представление возникло не на пустом месте. Нельзя даже сказать, что физические законы сначала открывались на Земле, а потом находили подтверждение в Космосе. Физики никогда не рассматривали нашу планету в отрыве от остальной Вселенной. Закон всемирного тяготения был выведен Ньютоном по наблюдениям Луны, а первым его «триумфом» стал расчет орбиты кометы Галлея. Гелий был обнаружен сначала на Солнце и лишь потом на Земле.

От радиоволн до гамма-лучей

Представление о единстве физических законов позволяет сделать очень важное допущение. Пусть мы не можем, например, проникнуть в недра звезды или в ядро галактики, чтобы непосредственно увидеть происходящие там процессы. Но мы можем логически вывести эти процессы, наблюдая производимый ими результат. Результатом этим в подавляющем большинстве случаев оказывается свет, точнее электромагнитное излучение в очень широком диапазоне частот, которое мы непосредственно и регистрируем. Всё остальное - помимо излучения - представляет собою продукт теоретической интерпретации наблюдений, суть которой заключена для астрономов в простой формуле «О – С», то есть «наблюдаемое» (o bserved) минус «вычисленное» (c omputed). Чтобы понять природу какого-либо объекта, нужно построить его модель , то есть физико-математическое описание происходящих в нём процессов, а затем с помощью этой модели вычислить, какое излучение должно рождаться в этом объекте. Дальше остается сравнить предсказания модели с результатами наблюдений и, если сравнение оказалось не вполне убедительным, то либо изменить параметры имеющейся модели, либо придумать новую, более удачную.

Сравнивать есть с чем, ибо свет несет в себе колоссальный объем информации. Даже беглого взгляда на звезды достаточно, чтобы заметить - они различаются по цвету. Это уже очень важная информация, так как цвет зависит от температуры. Иными словами, просто посмотрев на звёзды невооруженным взглядом и предположив, что на них действуют известные нам законы излучения (скажем, закон смещения Вина), мы уже можем сказать, что поверхности звезд имеют различную температуру - от двух-трех тысяч градусов (красные звезды) до десятков тысяч градусов (белые и голубые звезды).

Цвет и температура Самым простым видом излучения является тепловое - то есть излучение, связанное с температурой тела. Тепловое излучение греет замерзшие ладони усталого путника, разведшего на обочине дороги небольшой костерок; тепловым излучением освещают наши жилища лампочки накаливания; именно тепловое излучение миллиарды лет несет на Землю солнечную энергию. Формально нагретое тело излучает во всём диапазоне длин волн (или частот), но есть определенная длина волны, на которую приходится максимум излучаемой энергии. Для источника излучения с максимально простыми свойствами, который в физике называется абсолютно черным телом , эта длина волны обратно пропорциональна температуре: λ = 0,29 / T, где длина волны выражена в сантиметрах, а температура - в Кельвинах. Это соотношение называют законом смещения Вина . Зрительно именно эта длина волны (разумеется, в сочетании с кривой спектральной чувствительности глаза) определяет видимый цвет нагретого тела. В спектрах звезд распределение энергии излучения по длинам волн несколько отличается от «чернотельного», однако связь между «цветом» и температурой сохраняется. Слово «цвет» здесь взято в кавычки, поскольку вместо субъективного описания (красный, желтый, голубой и пр.) в астрономии используются менее живописные, но куда более четкие численные характеристики - так называемые показатели цвета.

Конечно, в реальности всё сложнее, поскольку излучение тела не всегда связано с тем, что оно имеет определенную температуру. Иными словами, оно может иметь и нетепловую природу, как, например, синхротронное или мазерное. Однако это можно легко установить, определив не только «цвет», то есть частоту, на которую приходится максимум излучения, но и всю форму спектра, то есть распределение излучаемой энергии по частотам. Современная аппаратура позволяет регистрировать излучение в огромном частотном диапазоне - от гамма- до радиоволн.

Хотя общая форма спектра звезды или другого объекта уже говорит о многом (например, о природе излучения - тепловое оно или нет и если тепловое, то какой температуре соответствует), в спектре есть и значительно более емкий носитель информации - линии. При определенных условиях вещество излучает (если оно излучает само) или поглощает (если его освещает другой источник) свет лишь на определенных частотах. Конкретный набор частот зависит от индивидуального распределения энергетических уровней атомов, ионов или молекул вещества, а это означает, что по наличию той или иной спектральной линии можно сделать вывод, что в излучающем или поглощающем веществе присутствуют эти атомы и молекулы. По интенсивности линии, по ее форме, поляризации, а также по отношению интенсивностей разных линий одного и того же атома или молекулы можно определить содержание данного элемента в атмосфере звезды, степень ионизации, плотность вещества, его температуру, напряженность магнитного поля, ускорение силы тяжести... Если вещество движется, его спектр, в том числе линии, сдвигается как целое из-за эффекта Доплера: в синюю сторону спектра, если вещество приближается к нам, в красную - если вещество удаляется. Это означает, что по смещению линий относительно «лабораторного положения» мы можем делать выводы, например, о движении как звезды в целом, если смещается весь спектр, так и отдельных слоев ее атмосферы, если линии, образующиеся на различных глубинах, смещаются по-разному.

Первую карту солнечного спектра построил в начале XIX века знаменитый оптик Йозеф Фраунгофер. Наиболее заметным темным линиям в спектре Солнца он присвоил буквенные обозначения, некоторые из которых применяются астрономами до сих пор (верхний рисунок ). Во второй половине XIX века выяснилось, что положение линий поглощения (темных ) в спектре Солнца совпадает с положением линий излучения (светлых ) в лабораторных спектрах различных химических элементов. Из сравнения приведенных здесь спектров видно, что фраунгоферовы линии h, G", F и C принадлежат водороду, а двойная линия D - натрию. Рис. с сайта optics.ifmo.ru

В спектре звезды, подобной Солнцу, количество спектральных линий (в данном случае, линий поглощения) измеряется многими тысячами, поэтому можно без преувеличения сказать, что о звездных атмосферах (где находится вещество, которое проявляет себя в виде линий) мы знаем почти всё. Почти - потому что сама теория образования спектров неидеальна, хотя и продолжает непрерывно совершенствоваться. В любом случае, излучение звезд несет в себе огромное количество информации, которую нужно только уметь расшифровать. Недаром в популярных текстах спектры любят сравнивать с отпечатками пальцев.

Гори, гори, моя звезда

Но атмосфера - лишь небольшая доля вещества звезды. Что мы можем сказать о ее недрах? Ведь заглянуть туда можно только теоретически - вооружившись физическими законами. (Впрочем, сейчас астрономы активно осваивают методы сейсмологии, по «дрожанию» спектральных линий изучая особенности распространения звуковых волн в недрах звезд и так восстанавливая их внутреннее строение.) Зная температуру и плотность на поверхности звезды (например, Солнца), а также предположив, что ее собственная гравитация уравновешивается тепловым и световым давлением (иначе бы звезда расширялась или сжималась), можно просчитать изменение температуры и плотности с глубиной, добравшись до самого центра светила, и заодно попытаться ответить на вопрос, что именно заставляет Солнце и другие звезды светиться.

Конвективные движения в приповерхностных областях Солнца генерируют звуковые волны, которые уходят вглубь звезды, пронзают ее насквозь, отражаются от поверхности и снова погружаются в недра (см. рисунок слева). Этот процесс повторяется многократно, в результате чего каждый участок солнечной поверхности словно «дышит», или вибрирует. На рисунке справа показан один из режимов сейсмологических колебаний поверхности Солнца (синие участки поднимаются, красные - опускаются). По данным измерений с борта космической солнечной обсерватории SOHO частота колебаний в этом режиме примерно равна 3 миллигерцам. © GONG (Global Oscillation Network Group). Изображения с сайта gong.nso.edu

Изучение истории Земли показало, что энерговыделение Солнца на протяжении нескольких миллиардов лет оставалось почти неизменным. Это означает, что предполагаемый источник солнечной (звездной) энергии должен быть очень «долгоиграющим». В настоящее время известен только один подходящий вариант - это цепочка термоядерных реакций, начинающаяся реакцией превращения водорода в гелий. Предположив, что именно она составляет основу звездной энергетики, можно построить теоретические модели эволюции звезд различных масс - эволюционные треки, которые позволяют описать изменение внешних параметров звезды (ее светимости и поверхностной температуры) в зависимости от процессов, происходящих в ее недрах. Конечно, мы лишены возможности наблюдать за звездой на протяжении всей ее жизни. Зато в звездных скоплениях мы можем наблюдать, как выглядят звёзды различных масс, но примерно одного возраста.

Расстояния и возрасты Определение расстояний в астрономии - это, как правило, многоступенчатая процедура, поэтому систему астрономических «эталонов длины» иногда образно называют «лестницей расстояний». В ее основе лежат определения расстояний в Солнечной системе, точность которых благодаря радиолокационным методам в ряде случаев достигла уже миллиметровых значений. Из этих измерений выводится величина главного астрономического эталона длины, который без особых изысков так и называется - «астрономическая единица ». Одна астрономическая единица представляет собою среднее расстояние от Земли до Солнца и равна примерно 149,6 млн км. Следующая ступенька «лестницы расстояний» - метод тригонометрических параллаксов. Орбитальное движение Земли приводит к тому, что в течение года мы оказываемся то по одну сторону Солнца, то по другую и в результате смотрим на звезды под немного разными углами. На земном небосводе это выглядит как колебания звезды вокруг некоторого среднего положения - так называемый годичный параллакс. Чем дальше звезда, тем меньше размах этих колебаний. Определив, насколько сильно меняется видимое положение звезды из-за годичного движения, можно определить расстояние до нее с помощью обычных геометрических формул. Иными словами, расстояние, определенное по параллаксу, не отягощено никакими дополнительными предположениями, а его точность ограничена только точностью измерения параллактического угла. С методом параллаксов связана еще одна единица измерения астрономических расстояний: парсек . Один парсек - это расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом в одну секунду. Беда в том, что даже для ближайших звезд параллактический угол очень мал. Например, для α Центавра он равен всего лишь трем четвертям угловой секунды. Поэтому с помощью даже самых современных угломерных инструментов удается определить расстояния до звезд, удаленных от нас не более чем на несколько сотен парсек. Для сравнения, расстояние до центра Галактики равно 8–10 тыс. парсек. На следующей ступеньке лестницы находятся «фотометрические» расстояния, то есть расстояния, основанные на измерении количества света, поступающего от источника излучения. Чем дальше от нас он находится, тем тусклее становится. Поэтому, если нам каким-то образом удастся определить его истинную яркость, то мы, сравнив ее с видимой яркостью, оценим расстояние до объекта. На относительно небольших расстояниях вне конкуренции с начала XX века остаются цефеиды - особый род переменных звезд, у которых истинная яркость связана простым соотношением с их периодом. На более значительных расстояниях в качестве «стандартных свечей» применяются сверхновые типа Ia . Наблюдения свидетельствуют, что в максимуме блеска их истинная яркость всегда примерно одна и та же. Наконец, на самых больших удалениях единственным указанием на расстояние до объекта служит пока закон Хаббла - обнаруженная американским астрономом прямая пропорциональность между расстоянием и смещением линий в красную область спектра. Важно отметить, что вне Солнечной системы единственным прямым методом определения расстояний является метод параллаксов. Все остальные методы в той или иной степени опираются на различные предположения. С возрастами ситуация гораздо менее определенная. Настолько менее, что не всегда бывает понятно даже, что именно называть возрастом. В пределах Солнечной системы помимо обычных геологических методов для оценки возраста поверхностей небесных тел используется, например, степень их покрытия метеоритными кратерами (при условии, что известна средняя частота падения метеоритов). Цвет поверхности астероидов постепенно меняется под воздействием космических лучей (это явление называется «космической эрозией»), поэтому ее возраст можно примерно оценить по цвету. Возраст остывающих космических объектов, лишенных источников энергии, - коричневых и белых карликов - оценивают по их температуре. Оценки возрастов пульсаров опираются на скорости замедления их периодов. Примерно определить возраст разлетающейся оболочки сверхновой можно, если удается измерить ее размер и скорость расширения. С возрастами звезд дело обстоит получше. Правда, большую часть времени жизни звезды она проводит на стадии центрального горения водорода, когда внешне с ней происходит очень мало изменений. Поэтому, глядя, например, на звезду, подобную Солнцу, трудно сказать, образовалась она 1 млрд лет назад или 5 млрд лет назад. Ситуация упрощается, если нам удается наблюдать группу звезд примерно одного возраста, но различных масс. Такую возможность нам предоставляют звездные скопления. (Звезды в них, конечно, образуются не совсем одновременно, но в большинстве случаев разброс возрастов отдельных звезд меньше среднего возраста скопления.) Теория звездной эволюции предсказывает, что звезды различных масс эволюционируют по-разному - чем массивнее звезда, тем быстрее она заканчивает свой «звездный путь». Поэтому чем старше скопление, тем ниже опускается планка максимальной массы населяющих его звезд. Например, в очень молодом звездном скоплении Arches (Арки), расположенном вблизи центра Галактики, есть звезды с массой в десятки солнечных масс. Такие звезды живут не более нескольких миллионов лет, стало быть, именно таков максимальный возраст этого скопления. А вот в шаровых скоплениях наиболее тяжелые звезды имеют массу не более 2 масс Солнца. Это говорит о том, что возрасты шаровых скоплений измеряются миллиардами лет.

Теоретические модели звездной эволюции предсказывают, что звезды разных масс выстраивают свою жизнь по-разному: массивные звезды быстро сжигают отведенные им большие запасы топлива, живя ярко, но недолго. Звезды малых масс, напротив, расходуют себя очень экономно, растягивая свое скромное количество водорода на миллиарды лет. Иными словами, теория предсказывает, что чем старше звездное скопление, тем меньше будет в нём массивных звезд. Именно такую картину дают нам наблюдения. В молодых звездных скоплениях (с возрастами порядка нескольких миллионов лет) попадаются иногда звезды с массами в несколько десятков масс Солнца; в скоплениях среднего возраста (десятки и сотни миллионов лет) верхняя граница масс звезд опускается до десятка масс Солнца; наконец, в самых старых скоплениях мы практически не видим звезд массивнее Солнца.

Конечно, на это можно возразить, что мы используем для подтверждения теории звездной эволюции возрасты звездных скоплений, определенные с помощью этой самой теории. Но правильность определения возрастов скоплений подтверждается и другими фактами. Например, скопления, которые с точки зрения теории звездной эволюции кажутся самыми молодыми, практически всегда окружены остатками молекулярного облака, из которого они образовались. Самые же старые скопления - шаровые - стары не только с точки зрения теории звездной эволюции, они еще и очень бедны тяжелыми элементами (по сравнению с тем же Солнцем), что вполне согласуется с их почтенным возрастом. В ту далекую эпоху, когда они родились, тяжелые элементы в Галактике еще не успели синтезироваться в больших количествах.

Звездные скопления, населяющие галактический диск, астрономы называют рассеянными. Входящие в них звезды (как правило, не более нескольких сотен) довольно сильно разбросаны в пространстве, так что иногда бывает даже трудно отличить реальное скопление от случайного группирования звезд на небосводе. Эти скопления в большинстве своем очень молоды. Иногда в них еще можно наблюдать остатки вещества, из которого сформировались звезды скопления. На снимке слева показано одно из известнейших рассеянных скоплений - NGC 346 в спутнике нашей Галактики Малом Магеллановом облаке (удаленном от нас на 210 000 световых лет) в созвездии Тукана (Tucana). Снимок получен при помощи Космического телескопа им. Хаббла в июле 2004 года (© NASA, ESA, and A.Nota, STScI/ESA). Справа мы видим совсем иное звездное семейство - шаровое скопление M15 в созвездии Пегаса (Pegasus) в 40 000 световых лет от Земли (© NASA and STScI/AURA). Звезды шаровых скоплений очень стары (см. врезку «Расстояния и возрасты») и маломассивны, зато их очень много. Если типичное рассеянное скопление включает в себя сотни звезд, то в шаровом их счет может идти на миллионы - и это при сопоставимых размерах! Ареал обитания шаровых скоплений не ограничен диском - они образуют вокруг нашей Галактики своеобразное сферически-симметричное облако радиусом в десятки тысяч парсеков. (Изображения с сайта hubblesite.org)

Правда, синтез тяжелых элементов - это тоже предсказание теории звездной эволюции! Но и оно подтверждается независимыми наблюдениями: с помощью спектроскопии мы накопили множество данных о химическом составе звезд, и теория звездной эволюции прекрасно объясняет эти данные не только с позиции содержания конкретных элементов, но и с позиции их изотопного состава.

В общем и целом можно, наверное, закончить разговор о теории звездной эволюции так. В ней вряд ли можно найти какое-то одно конкретное предсказание, которое подтверждало бы какой-то один аспект теории. Скорее, мы имеем в своем распоряжении сложную теоретическую картину жизни звезд различных масс и химического состава, начиная от ранних эволюционных стадий, когда термоядерные реакции в звезде только загорелись, до последних этапов эволюции, когда массивные звезды взрываются как сверхновые, а маломассивные сбрасывают оболочки, оголяя компактные горячие ядра. Она позволила сделать неисчислимые теоретические предсказания, которые находятся в прекрасном согласии с весьма сложной наблюдательной картиной, заключающей в себе данные о температурах, массах, светимостях, химическом составе, пространственном распределении миллиардов звезд самых различных типов - от ярких голубых гигантов до белых карликов.

Рождение звезд и планет

Теория звездной эволюции достигла таких впечатляющих высот не без причины. Звезды ярки, компактны, многочисленны, поэтому их легко наблюдать. К сожалению, далеко не во всём Вселенная делится информацией столь же охотно. Картина Мироздания становится существенно более расплывчатой и фрагментарной, когда мы переходим, например, от звезд к межзвездной среде - газу и пыли, заполняющим большую часть пространства в дисковых галактиках, подобных Млечному Пути. Излучение межзвездного вещества очень слабо, потому что вещество это либо очень разрежено, либо очень холодно. Наблюдать его гораздо сложнее, чем излучение звезд, но, тем не менее, оно тоже очень информативно. Просто инструменты, позволяющие в деталях исследовать межзвездную среду, появились в распоряжении астрономов лишь недавно, буквально в последние 10-20 лет, поэтому неудивительно, что в этой области остается пока много «белых пятен».

Одно из самых значительных «пятен» связано, как ни странно, тоже со звездами - мы до сих пор толком не знаем, откуда они берутся. Точнее сказать, у нас есть общее представление о звездообразовании, но далеко не такое ясное, как о последующей эволюции звезд. Можно с уверенностью говорить о том, что звезды образуются в молекулярных облаках в результате сжатия газо-пылевых конденсаций. Из наблюдений мы знаем, что, во-первых, молодые звезды всегда находятся в молекулярном газе, а во-вторых, рядом с уже «готовыми» молодыми звездами в молекулярных облаках наблюдаются и так называемые дозвездные ядра - плотные газо-пылевые сгустки, спектры которых явно указывают на то, что эти сгустки сжимаются. Однако мы не можем пока сказать, как появляются эти сгустки и почему они начинают сжиматься. Точнее, есть две основные версии звездообразования. Согласно одной из них, молекулярные облака удерживаются от сжатия магнитным полем (магнитное поле в молекулярных облаках действительно имеется), а дозвездные ядра появляются там, где поддержка магнитного поля по каким-то причинам ослабевает. Согласно другой версии, движущей силой звездообразования является наблюдаемая в облаках турбулентность: дозвездные ядра образуются там, где случайно сталкиваются хаотические потоки вещества. Однако объем наблюдательных данных пока слишком мал, чтобы можно было с уверенностью отдать предпочтение одному из этих механизмов (или предложить третий, четвертый...).

Немногим лучше обстоят дела с теорией образования планет: по современным представлениям, они образуются в газо-пылевых дисках у молодых звезд. Опять же, напрямую образование планет в них никто не видел, но сами эти диски наблюдаются во множестве. Благодаря этому получены косвенные свидетельства того, что пылинки в молодых дисках на определенном эволюционном этапе начинают слипаться, постепенно увеличиваясь в размерах, - на этой стадии у дисков меняется форма спектра в инфракрасном диапазоне. В некоторых «протопланетных» дисках обнаружены аномальные структурные детали - изгибы и «дырки», - которые могут быть вызваны тяготением уже образовавшихся в них планет.

Этот снимок диска у молодой звезды β Живописца (β Pictoris) получен при помощи Космического телескопа им. Хаббла в 2003 году. На нём видно, что помимо основного диска в системе есть и вторичный, наклоненный относительно основного на 4–5°. Астрономы считают этот вторичный диск косвенным свидетельством в пользу того, что в системе β Живописца есть планета, тяготение которой нарушило нормальное течение вещества в основном диске и привело к его «раздвоению». © NASA, ESA, ACS Science Team, D.Golimowski (Johns Hopkins University), D.Ardila (IPAC), J.Krist (JPL), M.Clampin (GSFC), H.Ford (JHU), and G.Illingworth (UCO/Lick)

Иные миры и края

Одна из самых горячих астрономических тем сегодня - внесолнечные планеты, первая из которых была открыта в 1995 году. Основной метод их обнаружения - метод лучевых скоростей - основан на эффекте Доплера: планета своим тяготением заставляет звезду описывать небольшой эллипс вокруг центра масс системы. Если орбита планеты не строго перпендикулярна лучу зрения, половину ее периода звезда приближается к наблюдателю, половину периода - удаляется от него. В результате линии в спектре звезды немного «съезжают» то вправо, то влево от среднего положения. Строго говоря, такие колебания говорят о наличии спутника, но не позволяют уверенно утверждать, что это именно планета, а не коричневый карлик или очень маломассивная звезда (если бы это была «нормальная» звезда, ее просто было бы видно). Над подобными наблюдениями тяготеет «проклятие синуса i », где i - угол между плоскостью орбиты планеты и плоскостью небосвода. По размаху колебаний спектральных линий определяется не масса, а ее произведение на sin i . Смысл этого умножения прост: если орбита лежит точно в плоскости небосвода, никаких колебаний в спектре мы не увидим, даже если спутник звезды очень массивен. Поэтому в адрес метода лучевых скоростей до сих пор высказываются сомнения. Во-первых, обнаруженное с его помощью тело может и не быть планетой, во-вторых, колебания лучевых скоростей, вообще говоря, могут быть связаны и с движениями в атмосфере звезды...

В подавляющем большинстве случаев доказательством существования планеты являются только регулярные колебания лучевой скорости «родительской» звезды. В нескольких случаях к ним добавляются регулярные и синхронизованные с колебаниями лучевой скорости падения яркости звезды - затмения. Лишь в паре неподтвержденных случаев планету удалось наблюдать в виде светящейся точки рядом со звездой. Поэтому имейте в виду - если в астрономической новости вам попалось красочное изображение планеты у другой звезды, это всегда фантазия художника... (На рис. изображен газовый гигант (большой голубой вверху картинки ), вращающийся вокруг белого карлика и миллисекундного пульсара B1620-26 (две яркие точки внизу картинки ) в шаровом скоплении M4. Астрономы предполагают, что это планета, поскольку ее масса слишком мала для звезды или коричневого карлика.) Graphic: NASA and G.Bacon (STScI)

Другое дело, если плоскость орбиты планеты почти перпендикулярна плоскости небосвода, то есть почти параллельна лучу зрения. В этом случае мы можем рассчитывать увидеть затмения звезды планетой. И, начиная с 1999 года, такие затмения действительно наблюдаются! Пока, правда, известно лишь несколько примеров внесолнечных планет, параметры которых удалось одновременно определить и по затмениям, и по методу лучевых скоростей. Затмения в этих системах происходят именно тогда, когда их предсказывает метод лучевых скоростей, вселяя надежду на то, что в большинстве случаев «планетные» колебания линий в спектрах звезд действительно связаны с планетами.

Кстати, поскольку в такой затменной системе угол i примерно равен 90°, а sin i , соответственно, близок к единице, то определенная по методу лучевых скоростей минимальная масса планеты близка к ее истинной массе. Поэтому в данном случае можно уверенно отличить планету от коричневого карлика.

Увидеть невидимое

Говоря о невидимом, нельзя, конечно, не сказать о наиболее интригующих астрономических объектах. Понятие о черных дырах - объектах с настолько мощной гравитацией, что оторваться от них не может даже свет, - появилось в науке еще в XVIII веке благодаря англичанину Джону Мичеллу и французу Пьеру Лапласу. В начале XX века немецкий ученый Карл Шварцшильд придал этой идее математическую обоснованность, выведя черные дыры как следствие из общей теории относительности. Иными словами, черные дыры были предсказаны теоретически задолго до того, как можно было помыслить о том, чтобы найти свидетельства их реального существования в природе. Да и как можно говорить об открытии объектов, увидеть которые невозможно не просто из-за временного несовершенства аппаратуры, а по определению? Вполне естественно, что основным аргументом в пользу того, чтобы назвать некий массивный объект черной дырой, стала его невидимость. Первым кандидатом в черные дыры в начале 1970-х годов оказался невидимый компаньон двойной системы Лебедь X-1. Он имеет массу более 5 масс Солнца, но все попытки обнаружить его собственное излучение успехом не увенчались. О его наличии говорит лишь гравитационное воздействие, которое он оказывает на вещество видимого компонента. Как выясняется, очень сложно придумать другую физическую сущность, которая обладала бы столь большой массой и оставалась при этом невидимой.

Еще более убедительное доказательство реальности черных дыр получено в последние годы для ядра нашей Галактики. Причем оно вытекает не из каких-то сложных теорий, нет, а из обычной небесной механики, описывающей движение спутника вокруг главного тела. На протяжении последнего десятилетия ученые отслеживают движение нескольких звезд в ближайших окрестностях геометрического центра Галактики. Орбита одной из этих звезд прорисована почти полностью - она обращается вокруг центра по вытянутому эллипсу так, словно находится в поле тяготения объекта с массой в несколько миллионов солнечных масс. Радиус объекта не превышает нескольких десятков астрономических единиц - таков размер орбиты этой звезды. Естественно, любой тяготеющий объект может быть только меньше орбиты своего спутника. Представьте себе: миллионы солнечных масс вещества упакованы в размер Солнечной системы и остаются при этом невидимыми! Здесь нужно вспомнить еще об одном великом научном принципе - так называемой бритве Оккама : не нужно множить сущности без необходимости, из всех объяснений отдавая предпочтение самому простому. Черная дыра, какою бы экзотикой она ни казалась, на сегодняшний день остается наиболее простым решением этой загадки. Хотя это, конечно, не гарантирует, что в будущем не будет найдено еще более простое решение.

Орбиты звезд в ядре нашей Галактики. Длина двухконечной стрелки в верхнем правом углу примерно равна 1600 астрономическим единицам. Эта карта построена Андреа Гез и ее коллегами из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе по данным многолетних наблюдений на Телескопе им. Кека). Звездочкой отмечено место, где должно находиться тело, тяготение которого заставляет звезды двигаться по этим траекториям. Законы небесной механики позволяют определить, что масса этого тела составляет несколько миллионов солнечных масс. Особенно интересны орбиты звезд S0-2 и S0-16, которые подходят к невидимому телу на расстояние всего в несколько десятков астрономических единиц, накладывая тем самым очень серьезное ограничение на его размер. Рис. с сайта www.astro.ucla.edu

В принципе, сказанное относится и к квазарам - необычайно ярким и очень компактным источникам излучения, невероятно высокую светимость которых объясняют выделением энергии при аккреции (падении) вещества на черную дыру. Материя не падает непосредственно на дыру, а закручивается вокруг нее, образуя тонкий аккреционный диск. Это связано с тем, что во вращающейся системе гравитация (центрального объекта или всей системы целиком) в направлении, перпендикулярном оси вращения, уравновешивается центробежной силой, поэтому сжатие происходит только параллельно оси вращения, «сплющивая» систему в плоский блин.

Движение газа в диске описывается законами Кеплера (поэтому такие диски называют иногда «кеплеровскими»). Хотя имя Кеплера обычно связывают с догадкой о том, что планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца по эллипсам, однако законы Кеплера в равной степени применимы и к движению по окружности (которая представляет собою частный случай эллипса).

Одно из проявлений законов Кеплера применительно к дискам состоит в том, что слои на различных расстояниях от центра движутся с различными скоростями и в результате «трутся» друг о друга, преобразуя кинетическую энергию орбитального движения в тепловую энергию и далее в энергию излучения. Это объяснение может оказаться не единственным, но на сегодняшний день оно является самым простым. В конце концов, если отвлечься от масштабов явления, источником разогрева (и свечения) вещества в аккреционной модели является трение - куда уж проще? Чудовищная энергетика квазаров требует, чтобы объект, на который «падает» вещество, был очень массивным и геометрически маленьким (чем меньше внутренний радиус диска, тем больше в нём выделяется энергии). В ядре активной галактики NGC 4258 «кеплеровский» диск удалось наблюдать непосредственно, то есть не просто разглядеть очень плоскую газовую структуру, а измерить скорость движения вещества в ней и продемонстрировать, что это именно диск, вращающийся «по Кеплеру». Квазары располагаются в центрах галактик, то есть именно там, где в нашей и других галактиках обнаружены объекты, очень похожие на черные дыры... Логично предположить, что массивные компактные объекты в квазарах также представляют собою черные дыры.

Еще один космический невидимка - темная материя, то есть материя, проявляющая себя в гравитации, но не в излучении. Идею о ее существовании высказал астроном Фриц Цвикки. Он обратил внимание на то, что скорости движения галактик в скоплениях слишком велики, чтобы их можно было объяснить тяготением только видимого вещества. В скоплениях галактик должно быть что-то еще , невидимое, но обладающее гравитационным полем. Позже подобные аномалии обнаружились и в движении звезд внутри галактик. Гипотезу о темном веществе критикуют на том основании, что она, вроде бы, нарушает всё то же правило Оккама: обнаружив неясности в движениях звезд и галактик, астрономы не стали объяснять их с позиций существующих теорий, а сразу же ввели новую сущность - темное вещество. Но критика эта, на мой взгляд, несправедлива. Во-первых, «темное вещество» само по себе сущностью не является. Это просто констатация факта, что движение звезд в галактиках и галактик в скоплениях не описывается только тяготением видимого вещества. Во-вторых, объяснить это тяготение имеющимися сущностями оказывается не так-то легко.

Вообще, на роль темного вещества годятся любые массивные невидимые (с помощью современных средств наблюдения) объекты. Скажем, за темную материю вполне могли бы сойти заполняющие пространство коричневые карлики или так называемые «черные» карлики, то есть остывшие, холодные и потому невидимые белые карлики. Однако у этих объектов есть крупный недостаток: их можно привлечь для описания темной материи, но не удается безболезненно вписать в современную картину Мироздания. Белый карлик - это не только несколько десятых солнечной массы невидимого вещества, но еще и изрядное количество углерода и азота, синтезированных звездой - предшественницей этого белого карлика. Если мы предположим, что пространство заполнено остывшими белыми карликами, мы ответим на вопрос о природе темной материи, но вынуждены будем заняться нелегкими поисками ответа на другой вопрос - куда девались выброшенные этими карликами атомы С и N, которые должны были проявиться в химическом составе звезд следующих поколений? Кроме того, и у белых, и у коричневых карликов есть еще один общий недостаток: они не образуются сами по себе. Вместе с ними должны были в изрядных количествах образовываться и более массивные звезды. Эти звезды, взорвавшись в конце своего жизненного пути как сверхновые, просто разметали бы галактику по окружающему пространству. Вот так и получается, что неизвестные науке элементарные частицы оказываются не экзотическим, а наиболее легко объяснимым кандидатом на роль темной материи. Впрочем, попытки объяснить аномальное движение звезд невидимыми «обычными» объектами продолжаются.

«Материальность» темной материи также оспаривается. Сейчас публикуется довольно много работ по теории МОНД - модифицированной ньютоновской динамике. Согласно ей, при движениях с очень малыми ускорениями в формулы для ньютоновского тяготения нужно вводить поправки. Неучет этих поправок и приводит к тому, что возникает иллюзия дополнительной массы.

Потрогать руками

Утверждение, что астрономы не могут потрогать изучаемые ими объекты, не всегда справедливо. По крайней мере, в пределах Солнечной системы кое-что мы можем не только в подробностях сфотографировать, но и «потрогать» (хотя бы посредством автоматов). Неудивительно поэтому, что ее устройство известно нам довольно неплохо. Вряд ли кто-то будет оспаривать тот факт, что Земля вращается вокруг Солнца и что вместе с ней вокруг Солнца вращается еще великое множество разнообразных тел. Мы понимаем силы, под воздействием которых движутся эти тела, и умеем предсказывать их движение. Собственно, именно изучение движения небесных тел привело к появлению самого точного раздела астрономии - небесной механики.

Вспомним хотя бы историю открытия первого астероида - Цереры. Итальянский астроном Дж. Пиацци открыл ее в первую ночь XIX столетия и тут же потерял. Однако знание траектории, по которой должна двигаться Церера (если верны наши представления об устройстве Солнечной системы), позволило немецкому математику К. Гауссу предсказать ее положение на будущие даты, и через год после открытия Церера была найдена вновь, и именно там, где ей надлежало быть.

Тут можно вспомнить еще хрестоматийную историю об открытии Нептуна «на кончике пера», но гораздо лучшим доказательством понимания небесно-механического устройства Солнечной системы является его практическое использование. Сейчас редкий полет межпланетного космического аппарата обходится без так называемого гравитационного маневра - траекторию полета прокладывают таким хитрым образом, чтобы на разных ее участках аппарат ускорялся притяжением больших планет. Благодаря этому удается экономить немало топлива.

Говоря коротко, мы очень хорошо (хотя и не идеально) разбираемся в движении тел Солнечной системы. Хуже обстоит дело с пониманием их индивидуальной природы. За примерами не нужно далеко ходить. Марсианские каналы - какая это была замечательная иллюзия! Астрономы-наблюдатели рисовали карты марсианской мелиорационной сети, астроботаники выдвигали смелые гипотезы о жизненном цикле марсианских растений, вдохновленные ими фантасты рисовали картины контакта с марсианами (почему-то одна другой страшнее)... Первые же снимки Красной планеты, полученные космическими аппаратами, развеяли эти фантазии даже не в пыль - в дым. Добро бы еще каналы оказались чем-то не тем, за что их принимали. Нет, они просто отсутствовали! Навязчивое желание увидеть на Марсе что-то «эдакое» сыграло с наблюдателями злую шутку. При близком рассмотрении Красная планета оказалась совершенно мертвой.

Сейчас наше представление о Марсе кардинально отличается от того, что имело место всего каких-нибудь 50 лет назад. К Марсу слетало множество зондов, на нём побывали спускаемые аппараты, в том числе марсоходы, проехавшие по его поверхности значительное количество километров. Построены подробнейшие карты рельефа, температур, минерального состава, магнитного поля поверхности Марса. Смело можно утверждать, что по крайней мере о поверхности и атмосфере Марса мы знаем почти всё. Значит ли это, что в марсианских исследованиях не осталось места догадкам? О, нет!

Беда в том, что активная фаза жизни Марса давно закончилась. Несмотря на близость Красной планеты мы всё равно видим только результат, но лишены возможности наблюдать процесс. Приходится прибегать к аналогиям. В конце концов, Земля и Марс не так уж сильно отличаются друг от друга. Почему бы не предположить, что подобные формы рельефа на обеих планетах сформированы подобными процессами? Первые же снимки марсианской поверхности принесли землянам не только грустную новость об отсутствии каналов. На них обнаружилось и кое-что интересное - высохшие речные русла. Пусть на современном Марсе нет воды, но она была там в далеком прошлом! Ибо что, кроме текущей воды, способно оставить такие следы? Добавьте к этому слоистость горных пород Марса, очень похожую на строение земных осадочных пород, и наличие минералов, которые на Земле образуются только в жидкой среде... Одним словом, вся совокупность данных о Марсе говорит о том, что когда-то, скорее всего очень давно и очень недолго, водоемы на нём были. Но все эти данные являются, конечно, косвенными доказательствами. И именно здесь проходит граница, за которой читатель или слушатель астрономической новости должен держать ухо востро. Ибо от результата наблюдения к выводу из него пролегает цепочка логических умозаключений и дополнительных предположений, которая в текст популярной новости попадает не всегда (это, впрочем, верно в отношении не только астрономии, но и других наук).

Этот склон одного из кратеров на Марсе был несколько раз сфотографирован американским космическим зондом Mars Global Surveyor. На снимке, полученном в сентябре 2005 года, отчетливо виден свежий след... чего? Внешне он выглядит так, словно оставлен прорвавшимися на поверхность и тут же замерзшими грунтовыми водами. Но является ли это единственно возможным объяснением? © NASA

Еще наглядный пример - Европа, один из галилеевых спутников Юпитера. Спектральный анализ показывает, что поверхность этого спутника состоит из водяного льда. Но средняя плотность вещества Европы (3 г·см –3) в три раза превышает плотность воды, а значит, большую часть спутника составляет каменное ядро, окруженное менее плотной водяной оболочкой. Дифференциация строения Европы, то есть разделение на более тугоплавкое ядро и легкоплавкую оболочку, говорит о том, что недра этого спутника подвергались и, возможно, подвергаются значительному нагреву. Источник этого нагрева - скорее всего, приливное взаимодействие с Юпитером и другими спутниками планеты-гиганта.

Спутник Юпитера Европа, в отличие от большинства тел Солнечной системы, довольно гладок и почти полностью лишен метеоритных кратеров. Его поверхность, состоящая из водяного льда, постоянно разглаживается, сохраняя из деталей рельефа лишь густую сеть неглубоких трещин. Подвижность коры Европы говорит о том, что под ней скрыт некий менее твердый материал, однако это может быть не толща воды, а всего лишь рыхлая влажная масса, похожая на подтаявший снег. Изображение получено при помощи Межпланетной станции Galileo (оно составлено из снимка с низким разрешением, сделанного 28 июля 1996 года во время первого облета Юпитера станцией «Галилео», и снимка с высоким разрешением, сделанного 31 мая 1998 года во время 15-го облета). © NASA/JPL/University of Arizona/University of Colorado; фото с сайта photojournal.jpl.nasa.gov

Занимательность ситуации состоит в том, что приливного тепла вполне достаточно, чтобы поддерживать часть водной оболочки Европы в жидком состоянии. Иными словами, под ледяной коркой Европы может скрываться океан... С этим согласуется и строение поверхности спутника. Она постоянно «омолаживается», о чём говорит практически полное отсутствие метеоритных кратеров, да и разветвленная сеть разломов и трещин свидетельствует в пользу тектонической активности, которая может быть связана с подвижностью твердого льда на жидкой подложке. Жидкая вода, постоянный источник тепла (приливные деформации), доступность соединений углерода (в Солнечной системе они есть почти повсеместно) - что еще нужно для зарождения жизни? И вот уже готов яркий заголовок: «На спутнике Юпитера есть живые существа!». Однако очевидно, что до полета на Европу исследовательского зонда наличие подледного океана останется гипотезой, а возможное существование в нём очагов жизни - и вовсе фантазией.

Конец эпохи антропоцентризма Кому-то это, возможно, покажется странным, но убедительные доказательства того, что Солнечная система находится не в центре Вселенной, были получены лишь в начале XX века. Американский астроном Харлоу Шепли получил их, изучая пространственное распределение шаровых звездных скоплений (ШЗС). В то время было уже известно, что шаровые скопления разбросаны по небу неравномерно, сосредоточившись в основном только в одной половине небосвода. Но только Шепли удалось выявить действительные масштабы этой неравномерности. Определив расстояния до шаровых скоплений по наблюдениям цефеид в них (см. врезку «Расстояния и возрасты»), он установил, что скопления распределены в пространстве сферически-симметрично, причем центр этого распределения не просто не совпадает с Солнцем, но удален от него на десятки тысяч световых лет! Шепли догадался, что центр системы ШЗС совпадает с истинным центром нашей Галактики, но на протяжении многих лет отказывался признать, что помимо нее во Вселенной могут существовать и другие «звездные острова». Гигантский размер Галактики настолько потряс самого Шепли, что он просто не мог представить, что во Вселенной остается место для чего-то еще. Между тем, в 1924 году американский же астроном Эдвин Хаббл с помощью крупнейшего в то время 2,5-метрового телескопа Паломарской обсерватории впервые, как говорят астрономы, «разрешил на звезды» Туманность Андромеды. Иными словами, он доказал, что ее туманное свечение на деле порождается мириадами отдельных звездочек, собранных в единую систему, подобную Млечному Пути. Так было доказано, что Солнце располагается не в центре Галактики, а на ее окраине, а сама Галактика является лишь одной из многих сотен миллиардов звездных систем.

Можно ли всему этому верить?

Увы, удаленность большинства астрономических объектов и значительная длительность большинства астрономических процессов приводят к тому, что доказательства в астрономии, как правило, являются косвенными. Причем чем дальше мы удаляемся от Земли в пространстве и времени, тем косвеннее доказательства. Казалось бы, есть все основания относиться к утверждениям астрономов с недоверием! Но сила этих утверждений - не в «железобетонности» доказательств, а в том, что эти доказательства складываются в единую картину. Современная астрономия - не собрание разрозненных фактов, а система знаний, в которой каждый элемент связан с другими, как связаны друг с другом отдельные кусочки мозаики-пазла. От общего количества звезд, рождающихся в год, зависит количество сверхновых - значит, скорость звездообразования должна согласовываться с темпом вспышек сверхновых. Этот темп, в свою очередь, согласуется с наблюдаемым количеством синтезируемого при вспышках радиоактивного изотопа алюминия. Причем многие из этих связей были сначала предсказаны, а потом обнаружены в наблюдениях. Было сначала предсказано, а потом обнаружено реликтовое излучение, сначала предсказаны, а потом обнаружены нейтронные звезды... Была предсказана форма протопланетных дисков, наличие разнообразных молекул в молекулярных облаках...

Каждый из элементов этой мозаики, взятый в отдельности, малозначим, но вместе они складываются в весьма прочную картину, которая тесно увязана с успехами «земной» физики. Насколько можно доверять этой картине? Конечно, какие-то из элементов мозаики обоснованы лучше, чем другие. С одной стороны, современные представления о природе темной материи могут подвергнуться пересмотру. А вот подобрать адекватную замену, например, для термоядерного механизма производства энергии в недрах звезд вряд ли удастся. Еще в начале XX века в этой области оставался некоторый простор для фантазии, но сейчас термоядерный механизм согласован с очень большим количеством наблюдательных данных. Если у кого-то возникнет теперь желание придумать собственный механизм, он должен будет объяснить как минимум все эти же данные, не потеряв при этом согласованности со смежными элементами мозаики.

Ошибки астрономов Увы, и на старуху бывает проруха. Удаленность астрономических объектов и сложность их исследования приводят иногда к тому, что интерпретация наблюдений оказывается либо неоднозначной, либо вовсе неверной. Когда есть детальный спектр объекта в широком диапазоне, объяснить наблюдения относительно легко. Но что делать, если от спектра удалось измерить только кусочек, да и тот с невысоким качеством? Именно так часто бывает с далекими и потому очень тусклыми объектами. Например, в 1999 году на звание самой далекой из известных галактик Вселенной претендовала галактика STIS 123627+621755. Фрагмент ее спектра, измеренного с помощью Космического телескопа им. Хаббла, соответствовал огромному красному смещению - 6,68 (см. Spectroscopic identification of a galaxy at a probable redshift of z = 6.68 // Nature . 15 April 1999. V. 398. P. 586-588). На то время это был рекорд, и потому исследования галактики STIS 123627+621755 решено было продолжить. Однако, выйдя за пределы спектрального диапазона, исследованного на «Хаббле», астрономы обнаружили, что там сходство с галактикой на окраине Вселенной уже отсутствует. Полный спектр объекта оказался не только не похожим на спектр галактики на красном смещении 6,68, но и вообще не похожим на спектр галактики! (Cм. Evidence against a redshift z > 6 for the galaxy STIS123627+621755 // Nature . 30 November 2000. V. 408. P. 560-562.) В другом примере ошибка в интерпретации результатов наблюдений оказалась более серьезной. Речь шла о наблюдениях явления «микролинзирования» - если на луче зрения между далекой звездой и наблюдателем оказывается какое-либо массивное тело, его гравитационное поле действует как линза, искривляет ход лучей фоновой звезды и приводит к кратковременному увеличению ее яркости. В 2001 году астрономы из Института Космического телескопа (США) сообщили о том, что во время наблюдений шарового скопления M22 они заметили шесть таких вот внезапных увеличений яркости звезд скопления (см. Gravitational microlensing by low-mass objects in the globular cluster M22 // Nature . 28 June 2001. V. 411. P. 1022-1024). Краткость всплесков говорила о том, что масса гравитационных микролинз очень мала - меньше массы Юпитера. Эти наблюдения послужили поводом для объявления о том, что в шаровом скоплении M22 обнаружены свободно летающие планеты. Однако детальное изучение снимков M22 показало, что скачки яркости никакого отношения к фоновым звездам на имеют. Мнимое увеличение блеска происходило тогда, когда прямо в изображение звезды во время съемки попадала частица космических лучей (см. A Re-examination of the "Planetary" Lensing Events in M22 // astro-ph/0112264, 12 Dec 2001). Звезд в шаровом скоплении так много, и расположены они так густо, что точное попадание космических лучей в звезду оказалось не таким уж маловероятным событием.

Я бы сказал так: основы современной астрономической картины Мира могут оказаться неверными только целиком. То есть мы можем ошибаться не в отдельных фрагментах, а во всей физике сразу. Например, если окажется, что звёзды - это все-таки не звезды, а дырочки в хрустальном небосводе, в которые какой-то шутник пускает излучение разного спектрального состава...

Признаком надежности элемента астрономической картины может, конечно, служить его долголетие. И в этом отношении астрономия кажется вполне благополучной наукой: ее базовые концепции не меняются уже много десятилетий (нужно учитывать, что современной астрофизике всего-то от роду полтораста лет). Теория термоядерного синтеза разработана в 1930-е годы, разбегание галактик открыто в 1920-е годы, теория звездообразования сейчас бурно эволюционирует, но ключевым понятием в ней остается, например, гравитационная неустойчивость, основные принципы которой были сформулированы Дж. Джинсом в самом начале XX века... Можно, наверное, сказать, что концептуально в астрономии ничего не менялось с тех пор, как Харлоу Шепли доказал, что Солнце находится не в центре Галактики, а Хаббл доказал, что Туманность Андромеды - это внегалактический объект. Конечно, с началом Космической эры сильно изменились наши представления о планетах, но ранние фантазии о Марсе и Венере были порождены скорее научным романтизмом, чем научным предвидением.

Как читать астрономические новости

К сожалению, представление этой замечательной картины в СМИ оставляет желать много лучшего. Поэтому к чтению астрономических новостей в прессе нужно подходить весьма осмотрительно. Как правило, они основаны на пресс-релизах, которые во многих случаях переводятся на русский язык или пересказываются на нём довольно безграмотно. Причем общая солидность издания, публикующего новость, тоже ничего не гарантирует. Поэтому, если в новости что-то показалось вам невнятным, надуманным, преувеличенным, нелогичным, не спешите обвинять в этом упомянутых в ней ученых! Если сообщение вас действительно заинтересовало, постарайтесь найти хотя бы исходный пресс-релиз.

Если же сообщение захватило вас настолько, что вам хочется устроить его критический разбор, не сочтите за труд прочитать оригинальную работу! Благо, большую часть астрономических статей можно найти в интернете совершенно бесплатно. Правда, чтобы читать их, необходимо знать английский язык.

Дмитрий Вибе,
доктор физико-математических наук,
ведущий научный сотрудник Института астрономии РАН

print

В феврале 2003 г. американские ученые вынесли на суд научной общественности "детское фото" нашей Вселенной - карту реликтового излучения, которая позволяет заглянуть в догалактическую эпоху, непосредственно последовавшую за Большим Взрывом. С ее помощью астрономы попытались с максимальной возможной точностью ответить на вопрос, из чего сделан Космос. Ответ оказался неутешительным: лишь 4% массы Вселенной приходятся на понятное нам "обычное" вещество, состоящее из атомов. На остальные 96% она состоит из субстанций с простыми, но звучными именами - темная материя (23%) и темная энергия (73%). Что, кроме названий, известно о них на сегодняшний день?

Наука за последние сотни лет нанесла несколько ощутимых ударов по самосознанию человека. Сначала из центра Вселенной была удалена "колыбель человечества" Земля, потом - Солнце. Затем выяснилось, что наша Галактика - не единственная в Космосе, и даже не самая большая, а всего лишь один из многих миллиардов звездных островов, расположенный то ли на задворках крупного скопления галактик, то ли вообще за его пределами - этакая глухая вселенская провинция, преисполненная сознания собственной важности, но безнадежно далекая от метрополии.

Но если на Земле провинциал всегда может найти утешение в мечтах о столице, во Вселенной мы, как выясняется, лишены даже этой возможности. Не только города и страны, большие и малые, бедные и богатые, но и вся Земля, и Солнце, и Млечный Путь, и все галактики оказались вдруг лишь блестящим налетом, тонкой позолотой на таинственной, непроницаемо черной основе. Взлеты и падения цивилизаций, образование и разрушение планет, взрывы звезд и столкновения галактик, а также все прочие события, которые, как нам кажется, заполняют Вселенную, на самом деле имеют к ее жизни такое же отношение, какое узкая полоса прибоя имеет к жизни Мирового Океана.

Межзвездное пространство не пусто

При простом взгляде на звездное небо довольно трудно предположить, что кроме звезд и планет во Вселенной есть что-то еще. Однако чуть более пристальное изучение доказывает, что это не так. По-видимому, одним из первых астрономов, покусившихся на пустоту, был российский ученый В.Я.Струве, основатель Пулковской обсерватории. В середине XIX века он обнаружил, что количество звезд в единице объема убывает с удалением от Солнца. Ученый связал это убывание с тем, что на пути к наблюдателю свет звезд ослабевает пропорционально пройденному расстоянию в результате взаимодействия с каким-то веществом. Поначалу это поглощающее вещество было названо темным.

Прилагательное "темный" в астрономии используется по своему прямому значению - "несветящийся". Поскольку единственным источником информации о дальнем космосе для нас является свет, заодно очень уместным оказывается и другое значение слова "темный" - неясный, непонятный. В наше время природа межзвездного поглощающего вещества никаких сомнений уже не вызывает - это просто пыль, микроскопические частички, состоящие из соединений углерода и кремния. Пыль рассеяна в пространстве неравномерно. Она собрана в плотные облака, которые почти полностью блокируют свет расположенных за ними звезд. На фоне звездной россыпи такие облака видны, как черные беззвездные провалы. По старой памяти астрономы все еще называют такие облака темными, хотя это и несправедливо. Пыль не только поглощает излучение звезд, но и сама светится, правда, не в видимом, а в инфракрасном, субмиллиметровом и радиодиапазонах. Но никаких принципиальных трудностей регистрация этого излучения у современных астрономов не вызывает.

С появлением радиотелескопов стало ясно, что пыль - не главный "наполнитель" пространства между звездами. На каждый грамм пыли в межзвездном пространстве приходится 100 граммов газа, который представляет собой главным образом смесь водорода и гелия. И если внутри галактик в межзвездном газе сосредоточено всего несколько процентов массы (остальное собрано в звездах), то в пространстве между галактиками газа гораздо больше. В скоплениях масса межгалактического газа в несколько раз превышает суммарную массу самих "звездных островов". Может показаться, что галактические рои правильнее было бы называть не скоплениями галактик, а гигантскими облаками газа с небольшой звездно-галактической "примесью". Но даже такая уничижительная формулировка не отражает истинного положения вещей!

Темная материя

Наш мир - это царство гравитации. Из всех фундаментальных сил она одна обладает дальнодействием, достаточным для преодоления космических расстояний. Поэтому основной характеристикой любого астрономического объекта является его масса. Ее можно оценить как по наблюдениям самого объекта (например, массу звезды можно приближенно определить по форме линий в ее спектре), так и по гравитационному действию, которое он оказывает на другие объекты. Если оценки, полученные двумя этими способами, приблизительно совпадают, значит, с нашими теоретическими представлениями о природе объекта все в порядке. Их расхождение указывает на то, что мы чего-то не понимаем или что-то упускаем из виду. Сильное расхождение в двух оценках массы является вероятным признаком каких-то очень крупных заблуждений.

Но какие могут быть сложности с представлениями о структуре, скажем, скоплений галактик? Вот они - галактики, видны даже в небольшой телескоп. Вот он - горячий газ, заполняющий пространство между ними. Его, правда, в обычный телескоп не увидишь, но с помощью рентгеновских телескопов этот газ наблюдался уже неоднократно. Находим суммарную массу всех галактик, прибавляем к ней массу газа и получаем полную массу скопления. Для типичного скопления галактик, скажем, скопления в созвездии Девы, эта масса равна нескольким десяткам триллионов солнечных масс.

Массу скопления галактик можно определить и другим способом. Единственная сила, которая связывает скопление в единое целое, - это гравитация. Для скопления галактик, как и для Земли, существует вторая космическая скорость. Если скорость галактики превышает "вторую космическую" для данного скопления, галактика способна вырваться из его гравитационных объятий и отправиться в свободный полет. Величина скорости зависит от массы скопления: чем массивнее скопление, тем быстрее должна двигаться галактика, чтобы покинуть его.

Еще в 30-е годы XX века американский астроном Фриц Цвикки обратил внимание на то, что галактики в скоплениях движутся быстрее второй космической скорости! Скопления со столь стремительно передвигающимися членами попросту не могут существовать. Но они существуют, а значит в чем-то мы ошибаемся. Но как можно ошибиться, если все скопление лежит перед нами как на ладони? Или не все?

Результат Цвикки означал, что всей видимой массы типичного скопления недостаточно, чтобы удержать входящие в него галактики от разлета. Значит, решил Цвикки, в скоплениях галактик имеется также и невидимое вещество, которое никак не проявляет себя в излучении, но вносит существенный, а точнее сказать, определяющий вклад в гравитационное поле скопления. Чтобы объяснить высокие галактические скорости, приходится предположить, что "темного" вещества в скоплениях галактик в десяток раз больше, чем "светящегося" вещества всех видов. Вот и получается, что скопление галактик на самом деле представляет собой скопление не галактик и не газа, а конденсацию непонятно чего с небольшой примесью газа и галактик. Проблема выяснения природы этой загадочной сущности с тех пор известна в астрономии как проблема скрытой массы, а саму эту сущность называют темным веществом или темной материей.

Позже выяснилось, что не только скопления галактик, но и сами галактики содержат скрытую массу. Как известно, наша Галактика (точнее ее видимая часть!) представляет собой плоский вращающийся газо-звездный диск. Солнце удалено от центра Галактики на 25000-30000 световых лет и совершает полный оборот примерно за 200 млн. лет, двигаясь по своей галактической орбите со скоростью около 220 км/с. Светящееся вещество в диске сильно сконцентрировано к ядру Галактики. Сила тяготения, управляющая орбитальным движением звезд, как известно, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, поэтому логично предположить, что звезды на периферии диска, далеко от основной массы Галактики, будут двигаться медленнее, чем звезды, близкие к ядру.

Увы, в 70-е годы XX века выяснилось, что ни в нашей, ни в других похожих галактиках это внешне логичное предположение не выполняется. Даже очень далекие от центра звезды и газовые облака несутся по своим орбитам с большими скоростями, словно не желая знать, что там, где они находятся, галактика уже практически закончилась. Где же источник этого тяготения в пространстве, которое кажется почти пустым? Ответ был найден быстро. Если скрытая масса есть в скоплениях галактик, почему не быть ей и в самих галактиках? Необходимое количество темного вещества - примерно то же, что и в скоплениях. Например, чтобы описать движение звезд на окраинах нашей Галактики, нужно допустить, что она окружена обширным "темным гало", размеры и масса которого по меньшей мере в несколько раз превосходят размеры и массу видимого диска.

Поначалу многим ученым предположение о существовании темного вещества казалось чересчур искусственным. Однако к настоящему времени о нем накоплено так много наблюдательных данных, что отмахнуться от скрытой массы, по-видимому, все-таки не удастся. Осталось только выяснить, что она из себя представляет. По счастью, теория не стоит на месте, и в настоящее время на роль темного вещества присмотрено уже несколько кандидатов.

Конечно, с точки зрения простоты хотелось бы предположить, что темное вещество состоит из привычных астрофизикам объектов, которые обладают массой, но при этом либо не излучают совсем, либо излучают настолько слабо, что в современные астрономические инструменты видны лишь на очень небольшом (в галактических масштабах) расстоянии. Таких объектов ученым известно множество: коричневые и белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры, планеты, компактные газовые облака. Поскольку все они состоят или состояли в прошлом из обычных протонов и нейтронов, которые в физике обобщенно называются барионами, сформированное из этих объектов темное вещество называется барионным.

К сожалению, очень трудно объяснить, откуда бы вокруг Галактики могло взяться большое количество подобных объектов. Каждый из них возникает не на пустом месте и до превращения в темное вещество оставляет в эволюции галактики тот или иной след. Допустим, например, что темное гало состоит из нейтронных звезд. Они представляют собой остатки массивных звезд, которые завершают свой жизненный путь грандиозным взрывом - вспышкой сверхновой. Вряд ли взрыв миллиардов сверхновых вокруг Галактики мог пройти для нее бесследно.

Поэтому сейчас предпочтительной считается гипотеза о небарионном темном веществе, состоящем из особых, пока не известных элементарных частиц, которые обладают специфическим набором свойств, в частности, почти не взаимодействуют с "обычным" веществом и потому до сих пор избегают обнаружения. Одно время считалось, что темной материей могут оказаться нейтрино, однако результаты последних экспериментов и наблюдений на нейтринных телескопах доказывают, что масса нейтрино хотя и не равна нулю, но все-таки слишком мала, чтобы списать на нее все "пропавшее" вещество.

Нейтралино - ваш надежный суперпартнер!

Скорее всего, речь все-таки идет о частицах нового типа. Нужно отметить, что физиками существование таких частиц не только не отрицается, но напротив всячески приветствуется, поскольку согласуется с уточненными за последнее время представлениями о строении вещества, в частности, о двух основных видах элементарных частиц - фермионах и бозонах. В нашем сравнительно холодном мире сама материя состоит из фермионов (например, протонов и нейтронов), а бозоны (например, фотоны) обеспечивают перенос взаимодействия между ними. Но при очень высокой температуре, по сравнению с которой меркнет даже температура в звездных недрах, разница между частицами материи и частицами-переносчиками стирается, и они начинают вести себя одинаково. Теория тождественности фермионов и бозонов при высоких температурах носит название теории суперсимметрии. Об энергиях, необходимых для ее экспериментальной проверки, физики пока могут только мечтать, но они уверены, что доказательства суперсимметрии осталось ждать несколько лет. Большая работа в этом направлении ведется во многих лабораториях мира, в частности на российских нейтринных обсерваториях в Баксане (Северный Кавказ) и на Байкале.

Между тем, в Природе эксперимент по получению элементарных частиц сверхвысоких энергий уже проведен! Правда, закончился он довольно давно, больше 10 млрд. лет назад, но следы его проведения окружают нас со всех сторон, да и сами мы являемся ничем иным, как итогом этого грандиозного эксперимента, названного учеными Большим Взрывом! Теория суперсимметрии предсказывает, что в первые доли секунды после рождения Вселенной все ее частицы были равны и одинаковы, но затем Вселенная расширилась, остыла, и равенства в ней не стало... Интересно, что наряду с протонами, нейтронами, электронами, фотонами, нейтрино и другими известными элементарными "кирпичиками" теория суперсимметрии предсказывает рождение целого зоопарка неизвестных частиц. Впрочем, скорее стоит говорить не о зоопарке, а о ковчеге - эти неизвестные частицы образуют пары с известными частицами: у каждого фермиона есть парный с ним бозон и наоборот. Чтобы подчеркнуть суперсимметричность этого сообщества, такие пары называются суперпартнерами.

Все гипотетические частицы - суперпартнеры известных частиц - имеют общее свойство: они очень слабо взаимодействуют с обычным веществом, значительно превосходя в этом отношении даже всепроникающие нейтрино. На научном жаргоне их иногда называют "вимпами", от английского сокращения WIMP - "weakly interacting massive particles", то есть слабовзаимодействующие массивные частицы. Увидеть вимпы очень сложно, но их можно "почувствовать" - как и все, обладающее массой, они создают вокруг себя гравитационное поле. После Большого Взрыва подобных частиц должно было остаться огромное количество, и их совокупное гравитационное влияние вполне могут ощущать на себе целые галактики. Вот вам и темное вещество! Этот факт весьма знаменателен, ибо наглядно демонстрирует, как свойства гигантских скоплений галактик и вообще макромира могут быть связаны со свойствами микромира.

Наиболее вероятным претендентом на роль темного вещества считается самая легкая суперсимметричная частица нейтралино, масса которой превышает массу протона в сотню раз. С ней и другими вимпами конкурирует другая невидимая частица - аксион, - существование которой предсказывается другой современной физической теорией - квантовой хромодинамикой.

Наша Галактика и другие звездные системы погружены в облака из нейтралино, аксионов и других невидимых частиц. Эти облака, как сейчас считается, в догалактическую эпоху послужили гравитационными "затравками", на которые стягивалось обычное вещество, ставшее строительным материалом для первых поколений звезд. На научном языке эти затравки называют первичными флуктуациями плотности. И хотя со времен их возникновения утекло много воды, свойства этих флуктуаций навеки запечатлены в виде пространственных вариаций интенсивности реликтового излучения. Именно изучая эти вариации, ученые установили, что только 4% массы Вселенной приходятся на обычное атомное вещество. Еще 23% заняты небарионной темной материей (нейтралино, аксионы и пр.). Что представляют из себя оставшиеся 73%? Мы можем считать себя акционерами АООТ "Вселенная", которые на очередном собрании обнаружили, что им даже приблизительно неизвестно, кому принадлежит контрольный пакет!

Самый большой промах Эйнштейна

Одно из предсказаний эйнштейновской теории относительности состояло в том, что Вселенная не может существовать вечно. Действительно, если признать ее царством одной только гравитации, то есть притяжения, нужно согласиться и с тем, что со временем все вещество во Вселенной должно стянуться в одну точку. Самому Эйнштейну эта перспектива не нравилась настолько, что он насильственно ввел в свои уравнения так называемый лямбда-член - гипотетическое "всемирное отталкивание", которое должно было противодействовать всемирному тяготению. Однако в 1929 г. выяснилось, что Вселенная расширяется. Это означало, что взаимному притяжению галактик противостоит их разбегание, порожденное Большим Взрывом, а необходимость во взаимном отталкивании как будто бы отпадает. Широко известно признание Эйнштейна, сделанное им советско-американскому астрофизику Георгию Гамову, что он считает изобретение лямбда-члена своим самым большим промахом. Но шло время, и эта ошибка перестала быть столь очевидной: как пишет тот же Гамов, космологическая постоянная "продолжает поднимать свою гадкую голову". Правда, теперь у нее появилось множество других имен - антигравитация, квинтэссенция, энергия вакуума и, конечно, темная энергия.

Открытие нестационарности Вселенной заставило ученых (и не только их) задуматься о том, чем закончится ее расширение. Дальнейшую судьбу нашего мира удобно характеризовать, сравнивая среднюю плотность вещества во Вселенной с неким критическим значением. Если плотность больше критической, силы гравитации рано или поздно остановят разлет галактик, и он сменится всеобщим сжатием, которое снова стянет Вселенную в точку. Если плотность меньше критической, расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно... На сегодняшний день наблюдаемые свойства Космоса наилучшим образом описываются так называемой инфляционной теорией, в разработке которой большую роль сыграли советские и российские физики. Согласно ей, в первые доли секунды своего существования Вселенная испытала катастрофическое "раздувание" (именно так переводится с английского языка слово "inflation"), в ходе которого ее размер увеличился в 10 50 раз. Все неоднородности и искривления, которые наличествовали во Вселенной до этого, в процессе раздувания разгладились - именно поэтому так и вышло, что мы живем в таком однородном и плоском (в геометрическом смысле!) мире.

Инфляционная теория среди прочего предсказывает, что средняя плотность вещества во Вселенной должна быть в точности равна критической. Собственно говоря, именно относительно критической плотности и рассчитаны все проценты, которые уже неоднократно упоминались в этой статье. Проблема очевидна - после выскребания всех сусеков в космическом пространстве удалось набрать вещества лишь на 27% критической плотности. Где взять оставшиеся 73%?

Что ж, в пространстве не осталось вещества, но осталось само пространство. Почему мы должны считать, что оно ничего не весит? Подобно тому, как в геодезии все высоты отсчитываются от некоего нулевого уровня (в России - от нуля кронштадтского футштока), в физике можно считать, что все энергии отсчитываются от нулевой энергии - энергии вакуума, которая вовсе не обязана быть равной нулю. В этой изначальной энергии и может быть скрыта недостающая плотность. Поскольку раньше астрономы уже назвали невидимое вещество темной материей, показалось логичным применить тоже прилагательное и к невидимой энергии.

Ускорение Вселенной

Может показаться, что концепция темной энергии, что называется, "притянута за уши": вместо того чтобы честно признаться в провале инфляционной теории, да и всей космологии Большого Взрыва, ученые приписывают энергию пустоте! Чтобы избежать подобных обвинений, необходимо выяснить, какими свойствами должна обладать темная энергия, и попытаться обнаружить эти свойства в результатах астрономических наблюдений. И такие результаты были получены! В 1998 году группа американских астрономов под руководством Адама Риса сообщила о знаменательном факте - Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением. К этому выводу ученые пришли, наблюдая взрывы сверхновых в далеких галактиках.

Большинство способов измерения расстояния в астрономии основано на сравнении видимой яркости объекта с его истинным блеском, который, конечно, должен быть известен. Источники с известной истинной яркостью называют "стандартными свечами". Сверхновые типа Ia, связанные, как полагают, с термоядерными взрывами на белых карликах, видны на очень больших расстояниях и отличаются завидным постоянством блеска, что делает их незаменимым инструментом для измерения космологических расстояний.

С другой стороны, в близких (по космологическим масштабам) окрестностях нашей Галактики действует закон Хаббла - расстояние до галактики прямо пропорционально скорости ее движения по лучу зрения. Лучевую скорость легко определить по спектру - эффект Доплера сдвигает линии в красную часть спектра, если источник удаляется от нас, и в синюю часть, если источник приближается. Поскольку величина сдвига пропорциональна скорости, закон Хаббла позволяет по спектральным наблюдениям оценивать расстояние до далеких объектов - при условии, что далеко от Млечного Пути расширение Вселенной подчиняется тем же закономерностям, - или выявлять отклонения от этих закономерностей.

Именно к этому способу и прибегли Рис и его коллеги. По видимой яркости нескольких сверхновых они определили расстояние до них - оно оказалось весьма значительным, несколько миллиардов световых лет. Затем с помощью закона Хаббла вычислили скорость, с которой должны были бы удаляться от нас эти сверхновые, если бы расширение Вселенной несколько миллиардов лет назад происходило с той же скоростью, что и сейчас. Реальная скорость сверхновых оказалась существенно ниже значения, предсказанного законом Хаббла - сейчас Вселенная расширяется быстрее, чем несколько миллиардов лет назад!

Ученые легко восприняли бы обратный результат - во Вселенной, которая подчиняется закону всемирного тяготения, логично ожидать, что расширение со временем замедляется. Но ускорение означает, что помимо притяжения во Вселенной действительно существует и сила отталкивания, или попросту антигравитация, причем в настоящее время на космологических расстояниях она явно превосходит гравитацию. Учитывая сенсационность этого вывода, в результатах группы Риса многие ученые, включая и самих авторов этого открытия, пытались найти ошибку, но пока эти попытки успехом не увенчались. Приходится признать, что темная энергия действительно существует! Тем более, что ее количество, вычисленное по наблюдениям сверхновых, совпало с тем, что было оценено по наблюдениям флуктуаций интенсивности реликтового излучения - порядка 70%.

Новые способы сравнения теоретических предсказаний космологии с данными наблюдений появились у ученых благодаря накопленным в последние годы данных о координатах сотен тысяч галактик. В феврале 2002 г. ученые из Великобритании оценили значения всех основных космологических параметров, скомбинировав данные о реликтовом излучении с характеристиками крупномасштабного распределения 250 тыс. галактик, расстояния до которых были определены в ходе выполнения обзора 2dF на Англо-Австралийском телескопе. Вычисленные значения прекрасно согласуются с данными других исследований. И в этой работе оказалось невозможным обойтись без темной энергии! Совершенно независимо от результатов группы Риса Джордж Эфстатиу и его коллеги оценили, что ее вклад в полную плотность Вселенной равен 65-85%.

Темна вода во облацех

Космология давно уже перестала быть "чистой наукой". В основе современных представлений о строении и эволюции Вселенной лежит значительный объем наблюдательных и экспериментальных данных. Об этом нужно помнить тем, кто считает себя готовым к созданию собственной Теории Мироздания. Часто приходится слышать о том, что "официальная" наука нетерпима к новым идеям и упрямо отвергает все то, что не вписывается в сложившуюся систему знаний. История становления космологии - прямое опровержение этого тезиса. На разных ее этапах спокойно обсуждались и до сих пор обсуждаются такие, например, странные гипотезы, как переменность фундаментальных постоянных - гравитационной постоянной, скажем, или даже скорости света. Некоторые из этих гипотез канули в Лету, другие продолжают существовать, обрастают экспериментальными доказательствами и новыми сторонниками.

Какая судьба ждет темную материю и темную энергию? Не появится ли через десяток лет более успешная физическая концепция, в которую впишутся и странности в движении галактик, и свойства реликтового излучения? Пока более или менее реальная альтернатива имеется только у гипотезы о темной материи. Это так называемая теория МОНД - Модифицированная Ньютоновская Динамика, разработанная в середине 1980-х годов израильским физиком М. Милгромом. Согласно этой теории, обычная запись закона всемирного тяготения - с обратной пропорциональностью квадрату расстояния - действует лишь до определенного предела. Если ускорение тела, вызываемое силой гравитации, оказывается меньше примерно 10 -10 м/с 2 , в закон всемирного тяготения нужно вносить поправку, которая и объясняет странное движение звезд на окраинах спиральных галактик. К сожалению, у теории МОНД отсутствует релятивистское продолжение, поэтому она неспособна объяснить явления, выходящие за рамки простых динамических задач.

В целом, нужно признать, что темная материя и темная энергия, которые поначалу были лишь гипотетическими концепциями, введенными в теорию, чтобы примирить ее с наблюдениями, очень хорошо вписываются в современную картину мира. Немаловажно, что с их помощью ученым удалось связать между собой два полюса физики - космологию и физику элементарных частиц. Тем не менее, прямое экспериментальное обнаружение двух этих сущностей остается делом будущего. Пока этого не произошло, будем готовы к любым неожиданным поворотам!

107 Responses to Дмитрий Вибе. Темная материя и темная энергия

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом.