Наша Галактика

Солнце — вдали от центра! К началу XX в. почти общепринятой была точка зрения, будто бы Галактика состоит из внешнего кольца звезд и центрального звездного облака, в котором и расположено Солнце — чуточку севернее плоскости, проходящей через середину Млечного Пути. Такую модель, в частности, разрабатывал нидерландский астроном Якоб Каптейн (1851—1922), который к 1900 г. опубликовал обзорный каталог 454 875 звезд до 10-й величины южного полушария по наблюдениям в Кейптауне. В 1906 г. Каптейн предложил фотографировать звезды в 206 избранных площадках (примерно 1°×1°) для уточнения строения Галактики, и план этот в значительной степени был выполнен...

Согласно Каптейну, наша звездная система имеет вид двояковыпуклой линзы диаметром около 65 000 световых лет, причем Солнце будто бы находится всего на расстоянии в 2100 световых лет от центра.

Но еще в 1838 г. Джон Гершель обратил внимание на разительный факт: практически все известные тогда шаровые скопления находились в одной части неба. В начале XX в. астрономы, в частности Герцшпрунг, отмечали точнее: шаровые скопления концентрируются в созвездии Стрельца. Здесь на 2% площади всей небесной сферы находится треть всех упомянутых скоплений. Правильный вывод из этого, имеющий огромное мировоззренческое значение, сделал Шепли.

Используя открытую Ливитт зависимость период — светимость для цефеид, Шепли оценил расстояние до ближайших (около десяти) шаровых скоплений, в которых пульсирующие звезды были обнаружены. До остальных скоплений (а всего он исследовал 69 объектов) расстояния были найдены в предположении, что их ярчайшие звезды в три раза мощнее переменных звезд, или же по видимым размерам скопления (предполагалось, что эти размеры одинаковы у всех объектов). В итоге Шепли нашел, что диаметр Галактики равен 300 000 световых лет, ее толщина — 30 000 световых лет, причем Солнце удалено от центра Галактики на 50 000 световых лет...

Многим астрономам эти размеры казались слишком большими, однако необходимы были строгие доказательства в подтверждение этих сомнений... Их дал в 1930 г. американский астроном Роберт Трюмплер (1886—1956). Изучая блеск звезд в рассеянных звездных скоплениях и угловые размеры этих скоплений, Трюмплер обнаружил, что чем слабее звезды скоплений (т. е. чем дальше они от наблюдателя), тем больше размеры скоплений. И он сделал вывод, что на самом деле эти скопления находятся ближе к наблюдателю, однако их блеск ослаблен межзвездной средой. Так было подтверждено высказанное еще в 1847 г. В.Я. Струве предположение о том, что межзвездная среда существенно ослабляет излучение далеких звезд... Соответственно были пересмотрены и размеры Галактики. Как оказалось, ее диаметр равен 100 000, толщина — 10 000, а расстояние от центра Галактики (находящегося в созвездии Стрельца) до Солнца — около 30 000 световых лет.

В целом Солнце оказалось «передвинутым» из центра Галактики, куда его «поместил» В. Гершель, на ее далекую окраину. И этот акт по своей значимости едва ли не равноценен коперникову «остановил Солнце и сдвинул Землю»...

Галактика вращается. К началу XX в. уже были определены тригонометрические параллаксы около 100 звезд, было обнаружено собственное движение нескольких тысяч звезд и сделана попытка сопоставить эти величины — параллакс π и перемещение звезды на небесной сфере за год μ. Соображение было очевидное: чем дальше звезда, тем ее смещение менее заметно. Так было получено приближенное соотношение π ≈ (1/15) μ, которое и было использовано Герцшпрунгом для определения расстояний до цефеид. Это — метод статистических параллаксов.

Однако совместное изучение собственных движений звезд и их лучевых скоростей (определяемых спектрально с помощью формулы (3.3)) позволило измерить пространственные скорости звезд. И тут-то оказалось, что в окрестностях Солнца некоторые звезды движутся с очень большими скоростями — до 80 км/с (средняя скорость движения Солнца относительно ближайших звезд — всего 20 км/с). Кроме того, оказалось, что звезды из окрестностей Солнца имеют как бы тенденцию разделяться на два встречных потока: один из них движется в направлении на созвездие Стрельца, другой в противоположном направлении. В связи с этим возникло даже предположение, что Млечный Путь на самом деле имеет форму кольца, в котором звезды движутся «в две стороны»...

Объяснил это явление в 1926 г. шведский астроном Бертил Линдблад (1895—1965). Он доказал, что такая картина движений звезд обусловлена вращением Млечного Пути, центр которого и находится в направлении на созвездие Стрельца. По Линдбладу, наша Галактика состоит из нескольких подсистем звезд, каждая из которых имеет свою пространственную форму и обращается вокруг центра Галактики с определенной скоростью. Так, шаровые скопления, лучевые скорости которых равны 150—200 км/с, относятся к сферической подсистеме, вращающейся очень медленно. С другой же стороны, Солнце и большинство звезд из его окрестностей принадлежат к плоской составляющей, которая в целом вращается довольно быстро. Поэтому упомянутые «звезды-бегуны» являются на самом деле «тихоходами», а их большие скорости — результат быстрого движения Солнца, которое их догоняет. Что же касается двух потоков звезд (по направлению к созвездию Стрельца и от него), то они обусловлены тем фактом, что звезды движутся вокруг центра Галактики по вытянутым эллиптическим орбитам. Из-за этого в произвольно взятой точке пространства примерно половина звезд движется в сторону силового центра, тогда как другая — от него.

Окончательно вращение Галактики было в 1927 г. доказано нидерландским астрономом Яном Оортом (род. 1900 г.), установившим, что Галактика вращается не как твердое тело (не как граммофонная пластинка). Внутренние ее области вращаются быстрее, на окраине же Млечного Пути каждая звезда движется по кеплеровой орбите. Солнце, двигаясь со скоростью около 250 км/с, делает полный оборот вокруг центра Галактики за 200 млн лет.

Населения и подсистемы. В 1944 г. Бааде разделил звездное население Галактики на два «типа населения». К населению I типа он отнес, в частности, звезды рассеянных скоплений, к населению II типа — звезды шаровых скоплений и звезды ядра Галактики. Позже анализ показал, что в атмосферах звезд II типа тяжелых химических элементов примерно в 100 раз меньше, чем у звезд I типа.

В 1947 г. советский астроном Б.В. Кукаркин (1909 — 1977), исследуя пространственное распределение переменных звезд различных типов, пришел к выводу, что в Галактике можно выделить три подсистемы, плоскую, промежуточную и сферическую, различающиеся между собой степенью сосредоточенности звезд к плоскости Галактики. Эти идеи получили дальнейшее развитие, и сегодня принято выделять пять подсистем: к сферической принадлежат шаровые скопления, субкарлики, к промежуточной — звезды спектрального класса F—M, имеющие большие скорости, к подсистеме диск отнесено большинство звезд главной последовательности, к старой плоской принадлежат звезды класса A, к молодой плоской подсистеме — горячие звезды классов O и B. При переходе от сферической к молодой плоской подсистеме соответственно возрастает содержание тяжелых химических элементов в атмосферах звезд.

Туманности. Среди многочисленных вопросов, который пришлось решать в процессе изучения туманностей, выделим всего несколько.

Зеленоватый оттенок планетарных туманностей обусловлен тем, что значительную часть энергии они излучают в двух так называемых небулярных линиях N₁, и N₂, длины волн которых 5006 и 4959 Å. Возникла гипотеза, по которой эти (как и некоторые другие) линии принадлежат какому-то неизвестному химическому элементу — «небулию». И лишь в 1927 г. американский астроном Айра Спрейг Боуэн (1898—1973), до этого подробно изучавший ультрафиолетовые спектры азота, кислорода и др. в химической лаборатории, установил, что упомянутые линии излучаются атомами дважды ионизованного кислорода, другая пара линий — 3726 и 3729 Å, наблюдаемая в ультрафиолете, — атомами однократно ионизованного кислорода. Речь, однако, идет о «запрещенных» переходах в атомах, т. е. переходах электронов, которые могут осуществляться лишь в условиях разреженного состояния.

Газовые туманности, в частности планетарные, светятся и в линиях водорода. Теорию этого явления разработал норвежский астроном Свен Росселанд (1894—1985). В 1931 г. он показал, что в случае, когда звезда, возбуждающая свечение туманности, находится далеко от нее, переходы в атоме под действием излучения с энергетического уровня 1 на уровень 3, после чего обратно на 2 и 1 (по схеме 1 → 3 → 2 → 1) происходят в миллиарды раз чаще, чем переходы 1 → 2 → 3 → 1 (в атмосферах Солнца и звезд их вероятность одинакова). В этом — сущность теоремы Росселанда.

Изучая распределение энергии в спектре Крабовидной туманности, Минковский в 1942 г. сделал вывод, что масса вещества туманности равна 15 M_☉. Но в 1949 г. Дж. Болтон и Г. Стенли (Австралия) отождествили с Крабовидной туманностью открытый ими мощный источник радиоизлучения Телец А. Необходимо было объяснить излучение этого объекта в широком диапазоне электромагнитных волн — от видимого света до радиодиапазона. И вот в 1953 г. И.С. Шкловский обосновал следующее: основная часть энергии излучается туманностью в результате торможения релятивистских электронов в пронизывающем ее магнитном поле. В следующем, 1954 г., это предвидение было блестяще подтверждено наблюдениями. Крабовидная туманность была первым объектом, у которого зарегистрировано излучение нового в астрофизике типа. При этом оказалось возможным переоценить массу туманности, она оказалась равной... всего 0,1 M_☉, т. е. примерно в 150 раз меньше, чем это считалось ранее.

Через 10 лет было установлено, что Крабовидная туманность является также мощным источником рентгеновского излучения. Как оказалось, все основные свойства этой туманности определяются находящимся в ней пульсаром. Сегодня ее относят к плерионам (от греч. плериос — заполненный) — немногочисленному классу образовавшихся после вспышки сверхновой туманности, в которых вещество как бы равномерно заполняет весь объем. Большинство других остатков вспышки сверхновой имеют оболочечную структуру.

В свое время Краб преподнес астрономам еще одну загадку. Дата «рождения» туманности известна, известны также ее сегодняшние размеры и скорость расширения. Оказалось, что согласовать эти данные можно лишь в случае, если предположить, что вещество туманности расширяется ускоряясь. Объяснить это явление удалось советскому астрофизику С.Б. Пикельнеру (1921—1975). Он установил, что эффект ускорения обусловлен давлением магнитных полей и находящихся в туманности релятивистских частиц.

Межзвездная среда. Изучение особенностей распределения звезд в самом Млечном Пути, наличие в нем темных пятен — пустот, полос и «дорожек» дало повод полагать, что все это — результат присутствия в Галактике значительного количества распыленной материи, часть которой может быть объединена в изолированные комплексы — темные и (что бывает гораздо реже) светлые туманности. Напомним, что в каталоге Джона Гершеля (1864 г.) туманностей насчитывалось 5000, в «Новом генеральном каталоге» (NGC) английского астронома Йохана Людвига Дрейера (1852—1926), изданном в 1888 г. с дополнениями в 1895 и 1908 гг. — свыше 13 000. Как было установлено позже, большая их часть — так называемые спиральные и эллиптические туманности — находится за пределами нашей Галактики, это подобные ей звездные системы. Другая, меньшая часть — это истинные туманности, входящие в нашу Галактику. Стало очевидно, что туманность светится, если вблизи от нее находится яркая звезда, свет которой просто отражается (если туманность пылевая) или «перерабатывается» в серии спектральных линий (в газовых туманностях). Следовательно, на одну светлую туманность может приходиться много сотен темных, массы которых, как было установлено позже, могут достигать 10 000 M_☉.

В 1904 г. немецкий астроном Иоганнес Франц Гартман (1865—1936), изучая спектр двойной звезды δ Ориона, заметил, что в нем имеются линии ионизованного кальция (линии H и K Ca II), которые не участвуют в периодических сдвигах остальных линий, обусловленных обращением компонент вокруг центра масс. Гартман заметил: «Мы приходим к представлению, что в некотором месте на пути между Солнцем и δ Ориона находится облако, которое вызывает это поглощение...». В 1919 г. были открыты межзвездные линии натрия, а после 1937 г. — калия, железа, титана, узкие межзвездные полосы поглощения молекул CH, CH⁺, CN и др.

При более подробном исследовании оказалось, что примерно в 80% межзвездные линии расщепляются на несколько (от 4 до 10) компонент. Отсюда следует, что на самом деле свет далекой звезды проходит не через одно, а через несколько газовых облаков, движущихся друг относительно друга. Американский астроном Отто Струве (1897—1963) совместно с Б.П. Герасимовичем определил среднюю плотность этих облаков и исследовал их обращение вокруг центра Галактики. Под руководством Струве был построен первый небулярный спектрограф, с помощью которого и удалось в 1938 г. обнаружить в Млечном Пути облака газа, интенсивно излучающие в линиях серии Бальмера.

Итак, присутствие газа в межзвездном пространстве обнаруживается по линиям поглощения или излучения с помощью спектрографов. Но это пространство может содержать и некоторое количество пыли. Как ее обнаружить? Сделано это было в 1948—1949 гг. американскими астрономами У. Хилтнером и Дж. Холлом и независимо советским астрономом В.А. Домбровским (1913—1972), открывшими межзвездную поляризацию света. Как оказалось, длина космической пылинки примерно вдвое больше ее диаметра, и такая пылинка усиленно поглощает те электромагнитные волны, электрический вектор которых совпадает с направлением ее большой оси. Ориентация же пылинок в одинаковом направлении обеспечивается межзвездным магнитным полем, одним из доказательств существования которого и был факт поляризации света звезд.

Большую известность получил изданный в 1952 г. «Атлас диффузных газовых туманностей», составленный в Крымской астрофизической обсерватории АН СССР Г.А. Шайном и В.Ф. Газе (1899—1954). В нем содержатся данные о более чем 2000 эмиссионных туманностях, открытых авторами при фотографировании неба сквозь светофильтры, выделяющие отдельные эмиссионные линии бальмеровской серии водорода. Значительная часть этих туманностей имеет волокнистую структуру, при этом они как бы образуют цепочку, вытянутую параллельно галактической плоскости. Это послужило независимым доказательством наличия в Галактике магнитного поля, вдоль силовых линий которого и происходит расширение вещества туманностей.

В 1939 г. Б. Стремгрен, рассматривая проблему ионизации и возбуждения атомов межзвездного водорода, пришел к выводу, что вокруг горячих звезд под действием их ультрафиолетового излучения образуются зоны ионизованного водорода (зоны H II или зоны Стремгрена). В этих зонах происходит «дробление» идущих от звезды квантов лаймановского континуума, благодаря чему зона светится, и с больших расстояний (если она наблюдается в другой галактике) такой объект виден как звезда большой светимости.

Зона H II — это область газа, нагретого до температуры около 10 000 К, тогда как вне ее температура не превышает 50 К. В то же время плотность газа по обеим сторонам границы, разделяющей эти два состояния среды, примерно одинакова. Поэтому зона H II расширяется, или, как принято говорить, в сторону неионизованного газа движется ионизационная волна. Огибая более плотные газовые облака и сжимая их, она тем самым способствует образованию молодых звезд. Исследования особенностей движения ионизационных волн в межзвездном пространстве были проведены в 1951—1955 гг. Ф. Каном (Англия) и С.А. Капланом. Примерно в те же годы С.Б. Пикельнер и С.А. Каплан исследовали особенности структуры и движения ударных волн в межзвездной среде. С.А. Каплан установил, что в целом в межзвездной среде происходит беспорядочное хаотическое перемещение отдельных масс, при котором энергия движения передается от движений больших масштабов к движениям меньших масштабов, что типично для турбулентного состояния, основные свойства которого были изучены в СССР А.Н. Колмогоровым (род. 1903 г.).

И, наконец, несколько слов о космических мазерах. В 1965 г. Е. Гундерманн, а также Г. Уивер, Д. Вильямс, Н. Дитер и В. Люм (США) обнаружили вблизи областей H II аномальное излучение молекул OH, наиболее сильное в линии 1665 МГц. Особенностью здесь было то, что полуширины линий соответствовали температурам около 3 К, тогда как интенсивности — температурам на много порядков высшим. Возникло предположение, что эти линии излучает какое-то неизвестное вещество — «мистериум».

Рис. 62. Первая схема Галактики как спиральной системы, опубликованная Х. Истоном (Голландия) в 1900 г.

Вскоре, однако, А. Беррет, А. Роджерс и В. Тернер (США) высказали предположение, согласно которому источники «мистериума» — это космические мазеры. Были рассмотрены различные механизмы накачки — ультрафиолетовый, химический и инфракрасный. Этот последний был предложен И.С. Шкловским.

В каталоге объектов мазерного излучения в 1979 г. насчитывалось 350 источников. Более половины из них — это звезды, главным образом красные гиганты и сверхгиганты класса М, в том числе долгопериодические переменные типа Миры Кита. Как полагают, здесь мазерное излучение возникает в расширяющейся оболочке, которая окружает звезду. По крайней мере часть таких источников — это зарождающиеся звезды...

Спиральный узор Галактики. Еще в 1852 г. профессор Принстонского университета Стивен Александер (США) высказал предположение, согласно которому Млечный Путь представляет собой систему спиральных ветвей, исходящих из центра, в котором находится Солнце, а также все ярчайшие звезды неба.

В 1900 г. астроном-любитель из Голландии Х. Истон опубликовал схему, изображающую нашу Галактику как спиральную туманность (рис. 62), центр которой будто бы находится в направлении созвездия Лебедя, тогда как Солнце расположено примерно на одной трети расстояния от центра до края системы. Истон писал, что уже упомянутая выше кольцевая модель Галактики «несовместима с современным состоянием наших знаний о Галактике как явлении», и высказал убеждение, будто нет основания надеяться на решение загадки строения Вселенной в ближайшем будущем...

В 40-х годах неоднократно высказывались догадки, что наша Галактика имеет спиральные ветви. В 1951 г. американские астрономы У. Морган, С. Шарплесс и Д. Остерброк, определяя спектральными методами расстояния до горячих звезд, возбуждающих свечение близлежащих газовых туманностей, установили существование спиральных ветвей в Галактике. Этот результат был подтвержден наблюдениями В.Ф. Газе, И.М. Копылова и Б.Е. Маркаряна (СССР), причем два последних автора изучали распределение в пространстве группировок горячих звезд. Принято говорить о рукавах Персея, Ориона — Лебедя (в котором находится Солнце) и рукаве Стрельца — Киля: трех отрезках спиралей, наблюдающихся с Земли.

Рис. 63. Зависимость лучевой скорости облака нейтрального водорода от его расстояния до центра Галактики С при заданной галактической долготе l

Многообещающим казался метод, основанный на регистрации излучения нейтрального водорода на длине волны 21,11 см (с. 253) И в самом деле, уже в 1954 г. Х. ван де Хюлст и Я. Оорт по данным радиоастрономии построили картину распределения нейтрального водорода в Галактике. Создалось впечатление, что он концентрируется в виде облаков в спиральных ветвях, что^- вполне согласовывалось с общими соображениями о возрасте горячих звезд, образующихся в рукавах.

Тем не менее вскоре возникли сильные сомнения в правильности этой картины. Дело здесь в следующем. Наблюдения в линии 21 см проводятся при различной ориентации антенны радиотелескопа вдоль галактической плоскости. В каждом из направлений регистрируется несколько компонент, смещение которых от «нулевого положения» в соответствии с формулой (3.3) позволяет определить лучевую скорость облака. Очевидно, что эта скорость будет наибольшей для облака, находящегося ближе всего к центру Галактики, точнее, это будет круговая скорость облака. По известному расстоянию от центра до Солнца и угловому расстоянию облака от центра нетрудно найти расстояние облака от Солнца и от центра (рис. 63). Далее можно определить расстояния и других облаков.

Однако вовсе ниоткуда не следует, что упомянутое облако находится как раз на кратчайшем расстоянии от центра Галактики. Далее, ниоткуда не следует, что оно движется по круговой орбите. Поэтому, как отмечает Ю.Н. Ефремов, «у разных исследователей получались плохо согласующиеся результаты» и... «Поэтому приходится признать, что в последние годы наши представления о строении Галактики стали значительно менее уверенными. Приходится отступить и перегруппировывать силы, прежде чем двигаться вперед». В целом же «в исследовании спиральной структуры Галактики мы оказались отброшенными назад...».